[發明專利]一種螺旋槳葉片的設計方法

有效

• 申請號: 201710783747.2
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107609243B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 高遠;高永衛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06T17/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種螺旋槳葉片的設計方法，采用最優載荷分布曲線進行螺旋槳設計，總結出葉素的當地有效功率與當地消耗功率的比值存在最佳分布曲線。根據該曲線進行螺旋槳設計不需要進行三維數值優化，即能夠達到較高的空氣動力效率。本發明能夠縮短設計周期并對槳葉氣動效率的提升有所幫助，無需進行三維數值優化設計，故設計周期僅需一到兩天。

技術領域

本發明涉及航空器用螺旋槳設計方法，特別是一種針對中小型無人機螺旋槳氣動外形的設計方法。

背景技術

現有螺旋槳設計中，一般首先確定初始數據(螺旋槳需用功率、前進速度、前進比、槳葉直徑、葉片數)等技術指標，接下來進行螺旋槳的氣動設計。利用二維葉素理論(比如廣泛使用的Betz方法。)結合螺旋槳的初始數據確定槳葉展向各截面的翼型及其對應的扭轉角。雖然二維的設計方法較為簡單，但是實際螺旋槳是三維的，故二維設計很難達到應有的高效率。

目前，通常在二維設計的基礎上用三維數值優化的方法進行氣動性能優化設計。這類方法首先計算大量螺旋槳模型樣本的氣動性能，然后根據最優化搜索方法(如遺傳算法、線性規劃算法、最速下降算法等等)進行尋優。根據尋優結果再調整螺旋槳外形，繼續進行三維數值計算、搜索，直至外形變化后性能達到最佳設計值。這類方法需要花費大量的時間，設計周期較長。

針對中小型無人機使用的螺旋槳設計，現有方法設計一個方案大約需要兩周時間。然后，通常還需要與發動機及飛機總體進行若干輪次的協調和方案修改，因此往往提供一個真正可用的螺旋槳方案需要幾個月的時間。螺旋槳的設計周期長是影響型號研制的瓶頸之一。為了雖短設計周期和提高螺旋槳的空氣動力學效率，在數值計算方法計算速度無法很快提高的現實條件下，科技工作者們開始研究提出新的辦法。【2010年10月，水動力學雜志，一種渦輪機械綜合設計系統】采用了綜合平臺的方法，將需要優化的參數集成到一個軟件平臺上。這樣可以有效縮短不同種類參數變化傳遞過程的時間，但是仍需要進行三維數值優化，節約的時間很有限。它是目前很大一類思路和方法的代表。【2017年3月，中國高新技術企業雜志，某型太陽能飛機高效螺旋槳設計】通過求解積分方程確定拉格朗日系數，再根據二維翼型的性能進行葉素參數布置。在太陽能無人機螺旋槳設計中取得成功。該方法屬于二維方法，依然沒有考慮各葉素間阻力的干擾和各葉素干擾的馬赫數效應，其有效程度和傳統Betz方法相當。【2012年4月，科學技術與工程雜志，徑向載荷分布對螺旋槳氣動性能影響的計算研究】是本發明人團隊2012年的工作。論文研究了螺旋槳徑向載荷分布(特指葉素推力分布和葉素功率分布)對螺旋槳氣動效率的影響。研究表明單獨觀察葉素推力分布和葉素功率分布不能有效確定螺旋槳的總體效率。

發明內容

為克服螺旋槳空氣動力設計中需要三維數值計算和優化、花費過長時間的問題，本發明一種螺旋槳葉片的設計方法。

本發明的具體過程是：

步驟1，確定螺旋槳的總體參數；

所確定的螺旋槳的總體參數包括：需用功率50kW；槳葉數B＝4；槳葉直徑D＝800mm；飛行高度H＝6000km；飛行速度V＝150km/h；螺旋槳轉速n＝5500r.p.m.。

步驟2，選擇翼型；

步驟3，確定葉素當地推力dT；

根據葉素當地效率確定葉素當地推力dT。

由式(3)確定葉素當地推力dT

式中：dT—葉素當地推力；η—葉素當地效率，由(9)式給出；—葉素當地相對半徑；V—飛行速度；dW—葉素當地功率，按Betz條件確定。

所述的葉素是指沿槳葉徑向垂直于半徑切出的槳葉薄片。槳葉由沿徑向不同半徑處的葉素組合而成。

所述葉素當地效率的定義是：