一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法，構(gòu)型為：沿螺旋槳槳葉展向分段式布置多個(gè)協(xié)同射流裝置；每一個(gè)所述協(xié)同射流裝置均包括：設(shè)置于螺旋槳上表面前緣負(fù)壓區(qū)的吹氣口、設(shè)置于螺旋槳上表面后緣高壓區(qū)的吸氣口、設(shè)置于槳葉內(nèi)部的氣流管道以及安裝在所述氣流管道內(nèi)部的氣泵；所述吹氣口和所述吸氣口通過所述氣流管道連通，構(gòu)成吹吸氣回路；所述氣泵用于驅(qū)動(dòng)吸氣和噴氣同時(shí)進(jìn)行，并且，通過所述氣泵的控制，使吸氣量和噴氣量相同?？蓮浹a(bǔ)傳統(tǒng)布局螺旋槳以及常見流動(dòng)控制技術(shù)的不足，提高高空螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率。
【專利說明】一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于螺旋槳【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空技術(shù)、材料技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高空飛艇螺旋槳憑借平流層穩(wěn)定的氣象條件和良好的電磁特性，在通信、遙感、預(yù)警等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003]與傳統(tǒng)飛機(jī)螺旋槳相比，高空飛艇螺旋槳工作于大氣密度不到海平面10%的高空(高度>20km)，且由于直徑較大(直徑1m左右)，其工作狀態(tài)雷諾數(shù)范圍在20萬左右，雖然其工作狀態(tài)雷諾數(shù)較低，但槳尖馬赫數(shù)卻能達(dá)到0.6以上。針對(duì)高空飛艇螺旋槳工作特點(diǎn)，傳統(tǒng)布局的螺旋槳設(shè)計(jì)手段雖然能取得一定程度的性能提高，但是很難滿足高空飛艇螺旋槳的需求。因此，為滿足高性能高空飛艇設(shè)計(jì)要求，流動(dòng)控制技術(shù)是最有希望的途徑，其能夠帶來性能顯著的提升以彌補(bǔ)傳統(tǒng)布局螺旋槳設(shè)計(jì)手段的不足。
[0004]劉寶杰、楊曉寧等人于1998年發(fā)表了幾種關(guān)于前緣流動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)研究文章。文中指出，流動(dòng)控制技術(shù)是利用流體間流體動(dòng)力的相互作用，通過改變局部流動(dòng)，以達(dá)到控制和放大流動(dòng)信號(hào)的一種技術(shù)。同時(shí)，還指出了傳統(tǒng)的飛行器流動(dòng)控制方法有縫翼、襟翼、渦流發(fā)生器、邊界層吹吸氣等，但傳統(tǒng)飛行器流動(dòng)控制方法會(huì)帶來非預(yù)期的寄生阻力或復(fù)雜的移動(dòng)部件和通氣管路等問題。
[0005]顧蘊(yùn)松，李斌斌，程克明等人于2012年發(fā)表了名稱為一種基于主動(dòng)流動(dòng)控制的射流矢量偏轉(zhuǎn)技術(shù)的文章。文章中指出，該種流動(dòng)控制技術(shù)會(huì)帶來發(fā)動(dòng)機(jī)推力和效率的損失等問題。
[0006]合成射流(synthetic jet, SJ)是流動(dòng)控制領(lǐng)域近10年來最熱門活躍的流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，是一種基于旋渦運(yùn)動(dòng)的零質(zhì)量射流，通過控制未充分發(fā)展的旋渦相干結(jié)構(gòu)的融合“合成”湍流剪切流。羅振兵，夏智勛等人于2005年發(fā)表了關(guān)于合成射流技術(shù)及其在流動(dòng)控制中應(yīng)用的進(jìn)展的文章。文章中指出，合成射流激勵(lì)器是一種小型或微型流體控制器件，合成射流技術(shù)要實(shí)現(xiàn)在宏觀大尺度上的流動(dòng)主動(dòng)控制，除了工作頻率范圍要寬外，合成射流激勵(lì)器必須能夠產(chǎn)生較高動(dòng)量的合成射流，能對(duì)外流場環(huán)境施加有效影響，而目前常規(guī)激勵(lì)器的合成射流能量偏低。
[0007]等離子體流動(dòng)控制的基本原理是:利用等離子體與飛行器繞流的相互作用，改變飛行器周圍的流場結(jié)構(gòu)和物理特性，從而達(dá)到流動(dòng)控制目的。在等離子體流動(dòng)控制中，等離子體激勵(lì)器起著至關(guān)重要的作用。張攀峰，王晉軍，施威毅等人發(fā)表了關(guān)于等離子體激勵(lì)低速分離流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究的文章。文章中指出，目前國內(nèi)外用于流動(dòng)控制的等離子體激勵(lì)器通常采用表面放電方式，由于電場強(qiáng)度低，電離占空比小，離子濃度低等原因，屬于弱電離放電，仍沒有突破“離子風(fēng)”技術(shù)。因此，等離子體誘導(dǎo)的最大氣流速度只有8m/s，等離子體可控的來流速度為每秒幾十米。
[0008]由此可見，傳統(tǒng)布局的螺旋槳設(shè)計(jì)手段無法滿足高空長航時(shí)飛行器的性能需求，而現(xiàn)階段一些常見的流動(dòng)控制技術(shù)又存在諸多缺點(diǎn)，如:工作效率低下，適用范圍小，可控流速低等，因此，難以有效提高螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)布局螺旋槳以及常見流動(dòng)控制技術(shù)的不足，提高高空螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率。
[0010]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0011]本發(fā)明提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置多個(gè)協(xié)同射流裝置；
[0012]每一個(gè)所述協(xié)同射流裝置均包括:設(shè)置于螺旋槳上表面前緣負(fù)壓區(qū)的吹氣口、設(shè)置于螺旋槳上表面后緣高壓區(qū)的吸氣口、設(shè)置于槳葉內(nèi)部的氣流管道以及安裝在所述氣流管道內(nèi)部的氣泵；所述吹氣口和所述吸氣口通過所述氣流管道連通，構(gòu)成吹吸氣回路；所述氣泵用于驅(qū)動(dòng)吸氣和噴氣同時(shí)進(jìn)行，并且，通過所述氣泵的控制，使吸氣量和噴氣量相同。
[0013]優(yōu)選的，所述吹氣口為連續(xù)型吹氣口或者離散型吹氣口 ；其中，所述離散型吹氣口為在所述連續(xù)型吹氣口上等間隔布置若干個(gè)堵片。
[0014]優(yōu)選的，所述吹氣口設(shè)置于5%本地弦長?15%本地弦長；所述吸氣口設(shè)置于75%本地弦長?90%本地弦長；所述吹氣口開口大小為0.5%本地弦長?1.5%本地弦長；所述吸氣口開口大小為1.0 %本地弦長?3.0 %本地弦長。
[0015]優(yōu)選的，所述吹氣口設(shè)置于7%本地弦長；所述吸氣口設(shè)置于88%本地弦長；所述吹氣口開口大小為0.65%本地弦長；所述吸氣口開口大小為1.4%本地弦長。
[0016]優(yōu)選的，各個(gè)所述協(xié)同射流裝置布置在30% R?90% R站位區(qū)間；其中，R為槳葉半徑。
[0017]優(yōu)選的，共設(shè)置7個(gè)所述協(xié)同射流裝置，分別布置在以下站位區(qū)間:30% R?40%R站位段、40% R?50% R站位段、50% R?60% R站位段、60% R?75% R站位段、75%R?80% R站位段、80% R?85% R站位段和85% R?90% R站位段。
[0018]優(yōu)選的，7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)相同或不相同，范圍為0.005?
0.01 ；
[0019]7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的氣泵功率相同或不相同，范圍為300W?800W。
[0020]優(yōu)選的，7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)相同或不相同，范圍為0.01?
0.05 ；
[0021]7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的氣泵功率相同或不相同，范圍為100W?500W。
[0022]本發(fā)明還提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效控制方法，包括以下步驟:
[0023]SI，根據(jù)槳葉直徑及控制精度需求，設(shè)置協(xié)同射流裝置的布置參數(shù)和工作參數(shù)；其中，所述布置參數(shù)包括:協(xié)同射流裝置的布置數(shù)量、協(xié)同射流裝置的布置位置、吹氣口類型、吹氣口布置位置、吸氣口布置位置、吹氣口開口大小以及吸氣口開口大?。凰龉ぷ鲄?shù)包括:噴口動(dòng)量系數(shù)和氣泵功率；
[0024]S2，根據(jù)所述布置參數(shù)，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置各個(gè)所述協(xié)同射流裝置；
[0025]S3，使各個(gè)所述協(xié)同射流裝置按所配置的工作參數(shù)分別工作，使各站位翼型達(dá)到最佳升阻比大小以及最低能量損耗，進(jìn)而提高螺旋槳的氣動(dòng)效率；
[0026]其中，對(duì)于每一個(gè)協(xié)同射流裝置，其工作過程為:
[0027]氣泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)前緣負(fù)壓區(qū)噴氣和后緣高壓區(qū)吸氣，對(duì)翼型表面氣流進(jìn)行主動(dòng)流動(dòng)控制；其中，吹吸氣所產(chǎn)生的噴射氣流的反作用力分解到兩個(gè)方向，一個(gè)是螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，降低阻力；另外一個(gè)是螺旋槳推力方向，進(jìn)而提高螺旋槳的推力，最終提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
[0028]本發(fā)明的有益效果如下:
[0029](I)采用協(xié)同射流布局形式，可較強(qiáng)抑制流動(dòng)分離，提高站位翼型的失速迎角，改善其失速特性，提高最大升力系數(shù)，從而擴(kuò)大螺旋槳的工況適用范圍。
[0030](2)協(xié)同射流布局構(gòu)型采用零質(zhì)量射流形式，其能量利用率高，對(duì)能源供給系統(tǒng)造成的損失很小。
[0031](3)對(duì)協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使各站位翼型達(dá)到最優(yōu)的升阻比以及更低的功耗，從而可以進(jìn)一步提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
[0032](4)由于協(xié)同射流裝置中的管道和氣泵均埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提高了高空螺旋槳的可靠性，且對(duì)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)破壞極小，具有適用范圍較廣的易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型立體圖；
[0034]圖2為高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型主體圖；
[0035]圖3為高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型后體圖；
[0036]圖4為圖1中5區(qū)域的局部放大圖；
[0037]圖5為圖2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視及氣流循環(huán)示意圖；
[0038]圖6所示,為連續(xù)型吹氣口結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖7為離散型吹氣口結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖8為增加堵片后，不同堵塞度離散型吹氣口分布示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0042]本發(fā)明提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置多個(gè)協(xié)同射流裝置；
[0043]每一個(gè)協(xié)同射流裝置均包括:設(shè)置于螺旋槳上表面前緣負(fù)壓區(qū)的吹氣口、設(shè)置于螺旋槳上表面后緣高壓區(qū)的吸氣口、設(shè)置于槳葉內(nèi)部的氣流管道以及安裝在氣流管道內(nèi)部的氣泵；吹氣口和吸氣口通過氣流管道連通，構(gòu)成吹吸氣回路；氣泵用于驅(qū)動(dòng)吸氣和噴氣同時(shí)進(jìn)行，并且，通過氣泵的控制，使吸氣量和噴氣量相同。
[0044]本發(fā)明對(duì)吹氣口和吸氣口布置位置進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，在前緣負(fù)壓區(qū)吹氣，在后緣高壓區(qū)吸氣，由于氣流流動(dòng)方向?yàn)閺母邏簠^(qū)向負(fù)壓區(qū)，因此，即使不存在外力也能自然發(fā)生流動(dòng)，所以稍加流動(dòng)控制即可達(dá)到事半功倍的效果，既提高了流動(dòng)控制效果，又節(jié)省了能源。
[0045]通過吹吸氣控制，顯著增加了繞站位翼型的速度環(huán)量分布，顯著提高升力系數(shù)，從而大大提高螺旋槳的氣動(dòng)效率；同時(shí)，吹吸氣所產(chǎn)生的噴射氣流的反作用力可以分解到兩個(gè)方向，一個(gè)是螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，因而阻力降低；另外一個(gè)是螺旋槳推力方向，有助于提聞螺旋獎(jiǎng)的推力，從而進(jìn)一步提聞螺旋獎(jiǎng)的氣動(dòng)效率。
[0046]另外，由于吹吸氣的存在，即使大迎角流動(dòng)也能克服逆壓梯度的影響，維持了附體流動(dòng)，所以能明顯改善失速特性，顯著提高失速迎角，有利于擴(kuò)大螺旋槳的使用范圍。
[0047]反映吹吸氣量大小的參數(shù):噴口動(dòng)量系數(shù)，定義為吹氣口的質(zhì)量流量乘以吹氣口的流動(dòng)平均速度除以動(dòng)壓和參考面積。噴口動(dòng)量系數(shù)可以定量的反映協(xié)同射流控制的強(qiáng)尋層。
[0048]本發(fā)明協(xié)同射流裝置沿槳葉展向采取分段式布置，可以根據(jù)具體需要以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求具體選擇分段區(qū)間大小及數(shù)量。具體的，協(xié)同射流裝置優(yōu)選沿槳葉展向布置區(qū)間為30% R?90% R站位區(qū)間，可根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)整，其中R為槳葉半徑。該種站位布置的考慮因素為:如果太靠近槳尖，由于有下洗效果的影響會(huì)導(dǎo)致協(xié)同射流作用不明顯；而如果太靠近槳根，由于速度低貢獻(xiàn)量弱，會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量和復(fù)雜度。因此，本發(fā)明將協(xié)同射流裝置布置于30% R?90% R站位區(qū)間。
[0049]對(duì)于每個(gè)站位的協(xié)同射流裝置，其噴口動(dòng)量系數(shù)大小需要根據(jù)具體問題優(yōu)化選取，每段吹吸氣量大小不同，以獲得各站位翼型最佳升阻比大小以及最低的能量損耗，從而進(jìn)一步提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
[0050]另外，吹氣口包括連續(xù)型吹氣口或者離散型吹氣口 ；離散型吹氣口為在連續(xù)型吹氣口上增加堵片而得。如圖6所示，為連續(xù)型吹氣口結(jié)構(gòu)示意圖；如圖7所示，為離散型吹氣口結(jié)構(gòu)示意圖；另外，對(duì)于離散型吹氣口，增加不同數(shù)量及不同長度的堵片，可得到不同結(jié)構(gòu)的離散型吹氣口，如圖8所示，為增加堵片后，不同堵塞度離散型吹氣口分布示意圖；其中，11為1/2堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(密集型堵片)；12為1/3堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(密集型堵片)；13為1/4堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(密集型堵片)；14為1/5堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(密集型堵片)；15為1/6堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)；16為1/2堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)；17為1/3堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)；18為1/4堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)；19為1/5堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)；20為1/6堵塞度的離散型吹氣口形式示意圖(稀疏型堵片)。
[0051]連續(xù)型吹氣口所需能量較小，能量利用率高，但效果較弱；離散型吹氣口效果顯著，但功耗較大，能量利用率較低。因此，在選擇吹氣口類型時(shí)，如果期望獲得較高的氣動(dòng)效率，則選擇連續(xù)型吹氣口 ；如果期望獲得較大的氣動(dòng)力，則選擇離散型吹氣口。
[0052]本發(fā)明還提供一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效控制方法，包括以下步驟:
[0053]SI，根據(jù)槳葉直徑及控制精度需求，設(shè)置協(xié)同射流裝置的布置參數(shù)和工作參數(shù)；其中，所述布置參數(shù)包括:協(xié)同射流裝置的布置數(shù)量、協(xié)同射流裝置的布置位置、吹氣口類型、吹氣口布置位置、吸氣口布置位置、吹氣口開口大小以及吸氣口開口大小；所述工作參數(shù)包括:噴口動(dòng)量系數(shù)和氣泵功率；
[0054]S2，根據(jù)所述布置參數(shù)，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置各個(gè)所述協(xié)同射流裝置；
[0055]S3，使各個(gè)所述協(xié)同射流裝置按所配置的工作參數(shù)分別工作，使各站位翼型達(dá)到最佳升阻比大小以及最低能量損耗，進(jìn)而提高螺旋槳的氣動(dòng)效率；
[0056]其中，對(duì)于每一個(gè)協(xié)同射流裝置，其工作過程為:
[0057]氣泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)前緣負(fù)壓區(qū)噴氣和后緣高壓區(qū)吸氣，對(duì)翼型表面氣流進(jìn)行主動(dòng)流動(dòng)控制；其中，吹吸氣所產(chǎn)生的噴射氣流的反作用力分解到兩個(gè)方向，一個(gè)是螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，降低阻力；另外一個(gè)是螺旋槳推力方向，進(jìn)而提高螺旋槳的推力，最終提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
[0058]基于上述原理，以下介紹兩種具體實(shí)施例:
[0059]實(shí)施例一
[0060]本實(shí)施例提供一種安裝到20km高空飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型。
[0061]如圖1所不，為聞空螺旋獎(jiǎng)協(xié)同射流聞效氣動(dòng)布局構(gòu)型立體圖；如圖2所不,為聞空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型主體圖；如圖3所示，為高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型后體圖；圖4為圖1中5區(qū)域的局部放大圖；圖5為圖2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)首I]視及氣流循環(huán)示意圖；螺旋槳包括槳葉、槳葉前緣3，槳葉后緣4，槳轂及安裝孔6 ;協(xié)同射流裝置包括協(xié)同射流吹氣口 1，協(xié)同射流吸氣口 2，協(xié)同射流內(nèi)部管道8，協(xié)同射流內(nèi)部氣泵7。9為離散型吹氣口添加的堵片；10為協(xié)同射流裝置氣流循環(huán)流線。
[0062]本實(shí)施例的高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型槳葉直徑為10m，槳葉數(shù)為2。綜合考慮結(jié)構(gòu)重量、氣動(dòng)效率以及氣動(dòng)力的需求，協(xié)同射流裝置沿槳葉展向的布置區(qū)間為30%R?90% R (R為槳葉半徑)，以獲得最佳的綜合性能。具體的，如圖4所示，協(xié)同射流裝置沿槳葉展向共布置了 7段，分別是30% R?40% R站位段，40% R?50% R站位段，50% R?60% R站位段，60% R?75% R站位段，75% R?80% R站位段，80% R?85% R站位段，85% R?90% R站位段，以獲得更好的氣動(dòng)效率及更大的氣動(dòng)力。
[0063]如圖6所示，高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型的吹氣口采用連續(xù)型吹氣口構(gòu)型。理由為:因高空飛行器的能源供給非常有限，因此考慮采用氣動(dòng)效率較高的連續(xù)型吹氣口構(gòu)型，以進(jìn)一步提高高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型的氣動(dòng)效率。
[0064]本實(shí)施例協(xié)同射流裝置吹氣口位置均為7 %本地弦長處，吹氣口開口大小為
0.65%弦長；吸氣口位置為88%本地弦長處，吸氣口開口大小為1.4%弦長。
[0065]針對(duì)上述沿槳葉展向分布的7段協(xié)同射流裝置，對(duì)于每個(gè)站位狀態(tài)而言，為了保證各站位在其相應(yīng)的狀態(tài)獲得較好的氣動(dòng)效率，其協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以獲得更高的槳葉氣動(dòng)效率。針對(duì)本實(shí)施例，7段協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)分布從0.005到0.01不等。
[0066]本實(shí)施例中，7段協(xié)同射流裝置的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)泵，選用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵葉是需要針對(duì)各段狀態(tài)特殊設(shè)計(jì)的，7段協(xié)同射流裝置的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)泵功率大小從300W到800W不等。
[0067]最終，經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，本實(shí)施例中的高空螺旋槳的協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型較傳統(tǒng)布局構(gòu)型，氣動(dòng)效率提高5%以上。
[0068]實(shí)施例二
[0069]本實(shí)施例提供一種安裝到28km高空飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型。其中，螺旋槳包括槳葉、槳葉前緣3，槳葉后緣4，槳轂及安裝孔6 ;協(xié)同射流裝置包括協(xié)同射流吹氣口 I，協(xié)同射流吸氣口 2，協(xié)同射流內(nèi)部管道8，協(xié)同射流內(nèi)部氣泵7。
[0070]本實(shí)施例的高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型槳葉直徑為2.2m，槳葉數(shù)為2。綜合考慮結(jié)構(gòu)重量，氣動(dòng)效率以及氣動(dòng)力的需求，協(xié)同射流裝置沿槳葉展向的布置區(qū)間為30% R-90% R(R為槳葉半徑)，以獲得最佳的綜合性能。
[0071]如圖1所示，協(xié)同射流裝置沿槳葉展向采用分段式布置，埋于槳葉結(jié)構(gòu)內(nèi)部。考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素，協(xié)同射流裝置沿槳葉展向共布置了 7段，分別是30% R?40% R站位段，40% R?50% R站位段，50% R?60% R站位段，60% R?75% R站位段，75% R?80%R站位段，80% R?85% R站位段，85% R?90% R站位段，以獲得更好的氣動(dòng)效率及更大的氣動(dòng)力。
[0072]如圖6所示，本實(shí)施例中的高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型，其吹氣口采用連續(xù)型吹氣口構(gòu)型，因高空飛行器的能源供給非常有限，因此考慮采用氣動(dòng)效率較高的連續(xù)型吹氣口構(gòu)型，以進(jìn)一步提高高空螺旋槳協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型的氣動(dòng)效率。
[0073]本實(shí)施例協(xié)同射流裝置的吹氣口位置均為7%本地弦長處，吹氣口開口大小為
0.65 %本地弦長；吸氣口位置為88 %本地弦長處，吸氣口開口大小為1.4%本地弦長。
[0074]針對(duì)上述沿槳葉展向分布的7段協(xié)同射流裝置，對(duì)于每個(gè)站位狀態(tài)而言，為了保證各站位在其相應(yīng)的狀態(tài)獲得較好的氣動(dòng)效率，其內(nèi)協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以獲得更高的槳葉氣動(dòng)效率。針對(duì)本實(shí)施例，7段協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)分布從0.01到0.05不等。
[0075]本實(shí)施例中7段協(xié)同射流裝置的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)泵，選用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵葉是需要針對(duì)各段狀態(tài)特殊設(shè)計(jì)的，7段協(xié)同射流裝置的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)泵功率大小從100W到500W不等。
[0076]最終，經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，本實(shí)施例中的高空螺旋槳的協(xié)同射流氣動(dòng)布局構(gòu)型，較傳統(tǒng)布局構(gòu)型，氣動(dòng)效率提高8%以上。
[0077]綜上所述，本發(fā)明提供的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型及控制方法，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0078](I)采用協(xié)同射流控制技術(shù)為手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)布局螺旋槳設(shè)計(jì)手段的不足，顯著提高高空螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率；
[0079](2)協(xié)同射流裝置通過吹吸氣為流場中注入能量，顯著提高站位翼型的升力系數(shù)、降低阻力，從而能顯著提高高空螺旋槳的氣動(dòng)效率。典型研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)布局高空螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率相比，本發(fā)明的布局形式可提高氣動(dòng)效率5%以上；
[0080](3)采用協(xié)同射流布局形式，可較強(qiáng)抑制流動(dòng)分離，提高站位翼型的失速迎角，改善其失速特性，提高最大升力系數(shù)，從而擴(kuò)大螺旋槳的工況適用范圍。
[0081](4)協(xié)同射流布局構(gòu)型采用零質(zhì)量射流形式，其能量利用率高，對(duì)能源供給系統(tǒng)造成的損失很小。
[0082](5)對(duì)協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使各站位翼型達(dá)到最優(yōu)的升阻比以及更低的功耗，從而可以進(jìn)一步提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
[0083](6)由于協(xié)同射流裝置中的管道和氣泵均埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提高了高空螺旋槳的可靠性，且對(duì)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)破壞極小，具有適用范圍較廣的易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
[0084]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置多個(gè)協(xié)同射流裝置； 每一個(gè)所述協(xié)同射流裝置均包括:設(shè)置于螺旋槳上表面前緣負(fù)壓區(qū)的吹氣口、設(shè)置于螺旋槳上表面后緣高壓區(qū)的吸氣口、設(shè)置于槳葉內(nèi)部的氣流管道以及安裝在所述氣流管道內(nèi)部的氣泵；所述吹氣口和所述吸氣口通過所述氣流管道連通，構(gòu)成吹吸氣回路；所述氣泵用于驅(qū)動(dòng)吸氣和噴氣同時(shí)進(jìn)行，并且，通過所述氣泵的控制，使吸氣量和噴氣量相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，所述吹氣口為連續(xù)型吹氣口或者離散型吹氣口；其中，所述離散型吹氣口為在所述連續(xù)型吹氣口上等間隔布置若干個(gè)堵片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，所述吹氣口設(shè)置于5%本地弦長?15%本地弦長；所述吸氣口設(shè)置于75%本地弦長?90%本地弦長；所述吹氣口開口大小為0.5%本地弦長?1.5%本地弦長；所述吸氣口開口大小為1.0%本地弦長?3.0%本地弦長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，所述吹氣口設(shè)置于7%本地弦長；所述吸氣口設(shè)置于88%本地弦長；所述吹氣口開口大小為0.65%本地弦長；所述吸氣口開口大小為1.4%本地弦長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，各個(gè)所述協(xié)同射流裝置布置在30% R?90% R站位區(qū)間；其中，R為槳葉半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，共設(shè)置7個(gè)所述協(xié)同射流裝置，分別布置在以下站位區(qū)間:30% R?40% R站位段、40% R?50% R站位段、50% R?60% R站位段、60% R?75% R站位段、75% R?80% R站位段、80% R?85% R站位段和85% R?90% R站位段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)相同或不相同，范圍為0.005?0.01 ; 7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的氣泵功率相同或不相同，范圍為300W?800W。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高空螺旋槳協(xié)同射流高效氣動(dòng)布局構(gòu)型，其特征在于，7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的噴口動(dòng)量系數(shù)相同或不相同，范圍為0.01?0.05 ; 7個(gè)所述協(xié)同射流裝置的氣泵功率相同或不相同，范圍為100W?500W。
9.一種高空螺旋槳協(xié)同射流高效控制方法，其特征在于，包括以下步驟: Si，根據(jù)槳葉直徑及控制精度需求，設(shè)置協(xié)同射流裝置的布置參數(shù)和工作參數(shù)；其中，所述布置參數(shù)包括:協(xié)同射流裝置的布置數(shù)量、協(xié)同射流裝置的布置位置、吹氣口類型、吹氣口布置位置、吸氣口布置位置、吹氣口開口大小以及吸氣口開口大??；所述工作參數(shù)包括:噴口動(dòng)量系數(shù)和氣泵功率； S2，根據(jù)所述布置參數(shù)，沿螺旋槳槳葉展向分段式布置各個(gè)所述協(xié)同射流裝置； S3，使各個(gè)所述協(xié)同射流裝置按所配置的工作參數(shù)分別工作，使各站位翼型達(dá)到最佳升阻比大小以及最低能量損耗，進(jìn)而提高螺旋槳的氣動(dòng)效率； 其中，對(duì)于每一個(gè)協(xié)同射流裝置，其工作過程為: 氣泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)前緣負(fù)壓區(qū)噴氣和后緣高壓區(qū)吸氣，對(duì)翼型表面氣流進(jìn)行主動(dòng)流動(dòng)控制；其中，吹吸氣所產(chǎn)生的噴射氣流的反作用力分解到兩個(gè)方向，一個(gè)是螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，降低阻力；另外一個(gè)是螺旋槳推力方向，進(jìn)而提高螺旋槳的推力，最終提高螺旋槳的氣動(dòng)效率。
【文檔編號(hào)】B64C11/20GK104176241SQ201410386224
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】楊旭東, 朱敏, 宋超, 張順磊, 宋文萍, 許建華, 宋筆鋒, 安偉剛, 王海峰, 李育斌, 張玉剛 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)