一种适用于旋翼桨的气动设计方法

摘要

本发明提供了一种旋翼桨的气动设计方法，包括以下步骤：确定旋翼桨的叶片数量；确定旋翼桨的直径；选取距离旋翼轴不同半径位置的翼型；建立翼型气动性能数据库；估算旋翼桨的气动性能参数；采用优化算法优化旋翼桨的整体气动效率。该气动设计方法可以在满足倾转旋翼机在前飞、悬停和过渡状态气动力需求的条件下，提高旋翼桨的整体气动效率。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体而言，涉及一种旋翼桨的气动设计方法。

背景技术

倾转旋翼机既具有固定翼飞机的高速飞行能力，又具有直升机的垂直起降和空中悬停能力，因此是一种集合了固定翼飞机和直升机主要优点为一体的新型飞行器，可广泛应用于物流运输、应急救援、科学考察、环境监测等领域，因此，具有广阔的应用前景。近些年，倾转旋翼机逐渐成为飞行器领域的重要发展方向之一，受到多个国家的高度重视。

倾转旋翼机是一种将固定翼飞机和直升机融为一体的新型飞行器，倾转旋翼机既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力，因此是一种集合了固定翼飞机和直升机主要优点为一体的新型飞行器，可广泛应用于物流运输、应急救援、科学考察、环境监测等领域，因此，具有广阔的应用前景。近些年，倾转旋翼机逐渐成为飞行器领域的重要发展方向之一，受到多个国家的高度重视。

倾转旋翼机是在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处，各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，当飞机垂直起飞和着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈横列式直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞，在倾转旋翼机起飞达到一定速度后，旋翼轴可向前或者向后倾转45°角，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨或者推力螺旋桨使用，此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行，即倾转旋翼机的动力系统同时具备螺旋桨和旋翼的双重功能。

固定翼飞机一般采用螺旋桨作为其动力装置，直升机一般采用旋翼作为动力装置，螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器；旋翼是直升机的重要部件，在直升机飞行过程中，旋翼起产生升力和拉力双重作用；旋翼由桨毂和数片桨叶构成，桨毂安装在旋翼轴上，形如细长机翼的桨叶则连在桨毂上，但普通的旋翼的旋翼轴一般都是沿竖直方向设置，不能旋转到水平方向。

与之对应，倾转旋翼机则采用旋翼桨或者桨旋翼作为动力装置。本专利将应用于倾转旋翼机上，既能够为倾转旋翼机提供水平拉力以克服全机气动阻力实现其高速平飞，又能够提供垂直拉力以克服地球引力以实现倾转旋翼机垂直起降和稳定悬停的动力装置定义为旋翼桨或者桨旋翼，其旋翼的旋翼轴可沿竖直方向，也可旋转到水平方向，从而与普通的旋翼区分开来。

对任意形式的飞行器而言，动力系统都是其核心部分，其主要性能(尤其是气动性能)直接决定飞行器包括最大载重、飞行时间、飞行速度等多项指标，因此动力系统的设计对飞行器的影响至关重要，与螺旋桨和旋翼不同，旋翼桨(桨旋翼)水平和竖直使用状态下，对于旋翼桨(桨旋翼) 的飞行速度和拉力要求差别较大，目前传统的螺旋桨或者旋翼气动设计方法无法直接应用于旋翼桨(桨旋翼)的气动设计上，需要提出一种适用于旋翼桨(桨旋翼)的气动设计方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种旋翼桨的气动设计方法。

一种旋翼桨的气动设计方法，包括以下步骤：确定旋翼桨的叶片数量；确定旋翼桨的直径D；选取距离旋翼轴不同半径位置的翼型；建立翼型气动性能数据库；估算旋翼桨的气动性能参数；采用优化算法优化旋翼桨的整体气动效率。

进一步地，所述旋翼桨的叶片数量为2个或3个。

进一步地，根据雷诺数分布以及效能系数c

翼型效能系数：

式中C

进一步地，建立不同翼型在不同雷诺数、攻角条件下的气动性能数据库，包括升力系数C

进一步地，气动性能参数包括旋翼桨在平飞巡航状态时的推进效率η

进一步地，所述推进效率η

进一步地，气动性能参数包括安装角

进一步地，优化算法优选采用遗传算法。

进一步地，所述采用优化算法优化旋翼桨的整体气动效率包括：确定优化变量，确定约束条件，确定优化目标，选取优化结果。

本发明的气动设计方法可以在满足倾转旋翼机在前飞、悬停和过渡状态气动力需求的条件下，提高旋翼桨的整体气动效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为实施例1中的设计方法流程图；

图2为实施例1中的旋翼桨巡航状态示意图；

图3为实施例1中的旋翼桨悬停状态示意图；

图4为实施例2中的倾转旋翼机飞行包线示意图；

图5为实施例2中的巡航效率和悬停效率与旋翼桨直径关系的示意图；

图6为实施例2中的翼型气动性能示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本专利将应用于倾转旋翼机上，既能够为倾转旋翼机提供水平拉力以克服全机气动阻力实现其高速平飞，又能够提供垂直拉力以克服地球引力以实现倾转旋翼机垂直起降和稳定悬停的动力装置定义为旋翼桨或者桨旋翼，其旋翼的旋翼轴可沿竖直方向，也可旋转到水平方向，从而与普通的旋翼区分开来。

实施例1

如图1所示，一种旋翼桨(桨旋翼)的气动设计方法的流程示意图，所述设计方法可以在满足倾转旋翼机在前飞、悬停和过渡状态气动力需求的条件下，提高旋翼桨的整体气动效率。如图2所示，在巡航飞行状态旋翼桨的旋转轴心完全平行于飞行方向。如图3所示，在悬停状态旋转轴心可近似认为完全垂直于水平面。

设计方法具体包括以下步骤：

步骤S100：确定旋翼桨(桨旋翼)的叶片数量。

为了降低旋翼桨滑流区周期性的速度和压力脉动对倾转旋翼机的影响，一般情况下旋翼桨(桨旋翼)的叶片数目为3个，特殊情况下为了降低变距机构的复杂程度，旋翼桨(桨旋翼)的叶片数目可减为2个。

步骤S200：确定旋翼桨(桨旋翼)的直径D。

根据巡航状态的拉力要求T

步骤S300：选取距离旋翼轴不同半径位置的翼型。

为了提高不同飞行状态的整体效率，要求翼型具有较大的升阻比和最大失速攻角。

根据旋翼桨直径D和最小展弦比要求(一般情况下，旋转叶片的展弦比大于6)估算平均弦长c；根据估算前进比J＝V/n

为了选取综合气动性能较好的翼型，引入翼型效能系数：

根据雷诺数分布以及效能系数c

步骤S400：建立翼型气动性能数据库。

利用数值计算等方法建立不同翼型在不同雷诺数、攻角条件下的气动性能数据库，包括升力系数C

步骤S500：编写旋翼桨(桨旋翼)的气动性能估算软件。

悬停状态和平飞巡航状态的拉力、扭矩和功率采用片条理论进行计算，具体步骤如下：

步骤S510：计算叶素气动力。

不同半径位置的叶素拉力dT和叶素扭矩dQ按照如下公式进行计算：

式中，

ρ为空气密度；

W为半径r处的合成速度，

γ为半径r处翼型的阻升角，γ＝arctan(C

β为半径r处的干涉角，通过

步骤S520：计算整体性能。

整个旋翼桨拉力

步骤S530：计算气动效率。

旋翼桨在平飞巡航状态时的推进效率η

(1)推进效率η

(2)悬停效率η

步骤S600：采用优化算法优化旋翼桨(桨旋翼)的整体气动效率。

优化算法优选采用遗传算法。

步骤S610：确定优化变量。

优化参数选取旋翼桨的弦长分布函数b(x)、扭角分布函数c(x)。

弦长分布采用三阶贝塞尔函数进行描述：

b(x)＝(1-x)

扭角分布同样采用三阶贝塞尔函数进行描述：

c(x)＝(1-x)

步骤S620：确定约束条件。

悬停状态旋翼桨的拉力T

步骤S630：确定优化目标。

以整体气动效率为优化目标。

定义旋翼桨的整体气动效率η

t

步骤S640：选取优化结果。

根据叶尖马赫数的限制，即

实施例2

本实施例中根据一个具体的设计要求来进一步说明实施例1中的旋翼桨(桨旋翼)的气动设计方法。

本实施例的设计要求包括：倾转旋翼机的总重量W为100kg，巡航高度 3000m，设计巡航速度120km/h，爬升速度为100km/h，下降速度为110km/h。设计全机升阻比k＝9.5。典型的飞行剖面如图4所示，单次飞行总时间约6 小时，其中近地面悬停总时间为1个小时，爬升和下降总时间为1个小时。根据总体要求，旋翼桨的桨毂机构要尽可能简单，要求巡航效率η

步骤S100：确定旋翼桨(桨旋翼)的叶片数量。

根据桨毂的设计要求，为了降低机构的复杂程度，设计旋翼桨的旋转叶片数目为2。

步骤S200：确定旋翼桨(桨旋翼)的直径。

根据倾转旋翼机的总重，计算两个旋翼桨的总拉力 T＝100×9.8/9.5＝103.2N，因此，每个旋翼桨的拉力为51.6N；

根据设计巡航高度为3000m，可得对应的空气密度ρ＝0.903kg/m

根据设计巡航速度为120km/h，经过单位换算后的巡航速度为 V＝120/3.6＝33.3m/s；

根据估算效率定义，

步骤S300：选取距离旋翼轴不同半径位置的翼型。

根据直径D＝1.6m(半径R＝0.8m)和最小展弦比要求(一般情况下，旋转叶片的展弦比大于6)估算平均弦长c≤0.13m；

根据估算前进比J＝V/n

根据雷诺数分布以及效能系数

步骤S400：建立翼型气动性能数据库。

利用CFD方法以及公开的Xfoil软件，获得不同半径位置的翼型气动数据库，如图6所示。其中，不同半径位置对应雷诺数按照估算雷诺数进行数据库搭建。

所搭建的翼型数据中攻角范围应当包含有效攻角应当涵盖0-20度范围内的升力系数C

由于Xfoil计算工况一般限于失速攻角α

步骤S500：估算旋翼桨(桨旋翼)的气动性能参数。

计算安装角

步骤S600：采用优化算法优化旋翼桨(桨旋翼)的整体气动效率。

所采用的优化算法为遗传算法。

步骤S610：确定优化变量。

根据本申请例的具体要求，确定如下优化变量：

弦长分布函数中的四个常数项b

步骤S620：确定约束条件。

确定约束条件为：悬停拉力为490N，巡航拉力为51.6N。

步骤S630：确定优化目标。

优化目标为：整体效率η

步骤S640：选取优化结果。

根据叶尖马赫数小于0.65的限制，即

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。