旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳，尤其是涉及旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋 槳的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋翼式無(wú)人飛行器近年來(lái)發(fā)展迅速，在軍、民用多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？諝?推進(jìn)螺旋槳是旋翼式無(wú)人飛行器動(dòng)力裝置的重要組成部分，螺旋槳設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià) 值。已有的研宄積累了很多實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（[1]劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應(yīng)用.北京 航空航天大學(xué)出版社，2006.6 ;[2]FredE，WeickBS.AircraftPropellerDisign.McGraw HillBookCompany，1930)，這些積累對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)有重要意義，但實(shí)際應(yīng)用中，如何快速 的設(shè)計(jì)滿足要求的螺旋槳仍然是一個(gè)問(wèn)題，目前也未見(jiàn)公開(kāi)的、有關(guān)螺旋槳設(shè)計(jì)的專利技 術(shù)。
[0003] 為了更好的闡明本發(fā)明所述設(shè)計(jì)方法，在此首先介紹以下螺旋槳的幾何參數(shù)、運(yùn) 動(dòng)學(xué)參數(shù)及相關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)等。
[0004] 1、螺旋槳幾何參數(shù)
[0005] (1)直徑D、半徑R及任意截面半徑r
[0006] 螺旋槳的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，重要的幾何參數(shù)有：直徑D、半徑R、槳葉任 意位置的半徑r。三者滿足：D= 2R，0〈r〈R。
[0007] (2)翼型參數(shù)
[0008] 螺旋槳槳葉在任意半徑r(0〈r〈R)處的截面為翼型，如圖2所示。其中重要的幾 何參數(shù)包括弦長(zhǎng)b，最大厚度c。翼型一般選擇成熟的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的翼型，如圖2中所示的 Clark-Y、RAF-6等，這些翼型的數(shù)據(jù)公開(kāi)，可查，只要已知弦長(zhǎng)b和最大厚度c，整個(gè)翼型的 形狀就可以確定了。
[0009] (3)任意截面的安裝角、扭轉(zhuǎn)角
[0010] 安裝角：任意半徑截面翼型弦線與螺旋槳選擇平面間的夾角，符號(hào)為0。
[0011] 扭轉(zhuǎn)角：任意半徑安裝角與指定半徑剖面安裝角之差，符號(hào)為x。指定半徑通常 選擇0. 75R。
[0012] 2、螺旋槳運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)
[0013] 螺旋槳剖面的各速度分量如圖3所示。其中，陰影部分為剖面翼型。％為螺旋槳軸 向前進(jìn)速度；^為螺旋槳轉(zhuǎn)速，2Jrrns為半徑r處剖面的旋轉(zhuǎn)線速度；vt為環(huán)向誘導(dǎo)速度； vaS軸向誘導(dǎo)速度。由圖3可以看出，W。為V。與2Jirns的合速度，11為乂1與2Jirns-Vt的 合速度，也是螺旋槳剖面相對(duì)于氣流的速度。
[0014] 3、其他參數(shù)
[0015] 螺旋槳拉力T。T的國(guó)際單位為牛頓（N)，工程上也常用克（g)或千克（kg)作為拉 力的單位，換算十分容易。
[0016] 轉(zhuǎn)速n或ns。n的單位為轉(zhuǎn)/分（r/min)，ns的單位為轉(zhuǎn)/秒（r/s)，二者滿足ns =n/60〇
[0017] 4、無(wú)量綱化參數(shù)
[0018] 本發(fā)明基于儒可夫斯基環(huán)量理論，需要采用一些無(wú)量綱的參數(shù)，介紹如下：
[0019] 無(wú)量綱半徑：
【主權(quán)項(xiàng)】
1.旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 給定設(shè)計(jì)條件 給定的設(shè)計(jì)條件為：要求螺旋槳產(chǎn)生的拉力T，螺旋槳轉(zhuǎn)速n(r/min)或ns (r/s)，螺旋 槳前進(jìn)速度％; 2) 螺旋槳直徑的選擇 根據(jù)儒可夫斯基環(huán)量理論中拉力與環(huán)量的關(guān)系確定螺旋槳直徑；無(wú)量綱化拉力和與環(huán) 量的關(guān)系為：
(1) 其中，T:拉力（N);p:密度（kg/m3) ;ns:轉(zhuǎn)速（r/s) ;R:半徑（m) 產(chǎn)生升力部分 半徑下限；CD:阻力系數(shù)；C^升力系數(shù)；將f、％及給定的拉力T、轉(zhuǎn)速n、速度％代入公式 (1)，可計(jì)算螺旋槳半徑R; 3) 螺距選擇及計(jì)算半徑為0.75R處截面的安裝角 選擇螺旋槳螺距P與螺旋槳直徑D的比為：P/D= 0. 3~0. 4,螺旋槳的螺距為0. 75R截面處的槳距，螺距與葉型安裝角的關(guān)系為：
(3b) 其中，r= 0. 75R; 0a75K為0. 75R處截面的安裝角；根據(jù)選擇的螺距P及已經(jīng)確定直徑D，由式（3b)計(jì)算半徑為0. 75R處截面的安裝角； 4) 槳寬度計(jì)算 按環(huán)量理論，截面弦長(zhǎng)與環(huán)量之間的關(guān)系為：
(4) 其中r為環(huán)量；Q為葉型升力系數(shù)；b為某截面的弦長(zhǎng)或?qū)挾?；Wi為氣流相對(duì)翼型的速 度；
其中，尸是選擇的無(wú)量綱環(huán)量；F= ;由式（4)，可得某一半徑r處的弦長(zhǎng)或槳葉寬 度為：
(5) 田0. 25K生KZI日」選擇若干截面計(jì)算截面弦長(zhǎng)，初始計(jì)算假設(shè)槳葉為無(wú)扭轉(zhuǎn)；需要已知 環(huán)量r沿槳葉徑向的分布，選擇等環(huán)量分布，即沿螺旋槳徑向，環(huán)量為常數(shù)；采用式（5)計(jì) 算0. 75R及R兩個(gè)截面的弦長(zhǎng)，以這兩個(gè)截面弦長(zhǎng)為基準(zhǔn)，采用插值方法計(jì)算其他截面的弦 長(zhǎng)； 5) 截面扭轉(zhuǎn)角及安裝角設(shè)計(jì) 半徑為0.75R處截面的安裝角0a75K由式（3b)確定，安裝角沿螺旋槳徑向逐漸減小； 選擇R處的扭轉(zhuǎn)角為10°，可得R截面處的安裝角為：0K=0a75K-l〇° ;利用線性插值， 可以確定其他截面的安裝角； 6) 結(jié)構(gòu)造型及設(shè)計(jì)方案評(píng)估 通過(guò)以上步驟確定了螺旋槳基本設(shè)計(jì)參數(shù)，利用這些設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)螺旋槳進(jìn)行結(jié)構(gòu)造 型設(shè)計(jì)；槳轂選擇圓柱或扁平槳轂，葉根與〇. 25R截面間采用樣條曲面過(guò)渡；結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì) 的工具選用商用CAD/CAM軟件；結(jié)構(gòu)造型完成后，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行方案評(píng)估。
2. 如權(quán)利要求1所述旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟 2)中，對(duì)于初始計(jì)算，F(xiàn)值為〇. 003~0. 007 ; 5值為0. 2~0. 25。
3. 如權(quán)利要求1所述旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟 6)中，當(dāng)材料為高強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，槳轂選擇扁平槳轂。
【專利摘要】旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，涉及飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳。提供一種只需給定少量條件即可快速給出螺旋槳設(shè)計(jì)方案的旋翼式飛行器用空氣推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)方法。1)給定設(shè)計(jì)條件；2)螺旋槳直徑的選擇；3)螺距選擇及計(jì)算半徑為0.75R處截面的安裝角；4)槳寬度計(jì)算；5)截面扭轉(zhuǎn)角及安裝角設(shè)計(jì)；6)結(jié)構(gòu)造型及設(shè)計(jì)方案評(píng)估。依據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件，由環(huán)量理論并結(jié)合已公開(kāi)的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步選擇螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到滿足設(shè)計(jì)要求的螺旋槳設(shè)計(jì)方案。
【IPC分類】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104809320
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510278189
【發(fā)明人】李儉
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日