旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法

摘要

旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法，涉及飞行器用空气推进螺旋桨。提供一种只需给定少量条件即可快速给出螺旋桨设计方案的旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法。1)给定设计条件；2)螺旋桨直径的选择；3)螺距选择及计算半径为0.75R处截面的安装角；4)桨宽度计算；5)截面扭转角及安装角设计；6)结构造型及设计方案评估。依据给定的设计条件，由环量理论并结合已公开的试验和经验数据逐步选择螺旋桨结构参数，得到满足设计要求的螺旋桨设计方案。

主权项

旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)给定设计条件给定的设计条件为：要求螺旋桨产生的拉力T，螺旋桨转速n(r/min)或n_s(r/s)，螺旋桨前进速度V₀；2)螺旋桨直径的选择根据儒可夫斯基环量理论中拉力与环量的关系确定螺旋桨直径；无量纲化拉力和与环量的关系为：$\bar{T}=\bar{\Gamma }[1-{\bar{r}}_0^2+2\bar{\Gamma }\ln {\bar{r}}_0-2\mu {\bar{V}}_1(1-{\bar{r}}_0)]---\left(1\right)$$\mu =\frac{C_D}{C_L};{\bar{r}}_0=\frac{r_0}{R};{\bar{V}}_1=\frac{{\bar{V}}_0}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\bar{V}}_0}{2}\right)}^2+\bar{\Gamma }(1-\bar{\Gamma })}$其中，T:拉力(N)；ρ：密度(kg/m³)；n_s：转速(r/s)；R：半径(m)；r₀：产生升力部分半径下限；C_D：阻力系数；C_L：升力系数；将及给定的拉力T、转速n、速度V₀代入公式(1)，可计算螺旋桨半径R；3)螺距选择及计算半径为0.75R处截面的安装角选择螺旋桨螺距P与螺旋桨直径D的比为：P/D＝0.3～0.4，螺旋桨的螺距为0.75R截面处的桨距，螺距与叶型安装角的关系为：P＝1.5πRtanθ_0.75R   (3a)${\theta }_{0.75R}=a\tan \left(\frac{P}{1.5\mathrm{\pi R}}\right)---\left(3b\right)$其中，r＝0.75R；θ_0.75R为0.75R处截面的安装角；根据选择的螺距P及已经确定直径D，由式(3b)计算半径为0.75R处截面的安装角；4)桨宽度计算按环量理论，截面弦长与环量之间的关系为：$\Gamma =\frac{1}{2}{C}_L{\mathrm{bW}}_1---\left(4\right)$其中Γ为环量；C_L为叶型升力系数；b为某截面的弦长或宽度；W₁为气流相对翼型的速度；$W_1=\sqrt{{\left(V_1\right)}^2+{({2\mathrm{\pi rn}}_s-v_t)}^2}$$v_t={{\bar{v}}_t}^{*}\left({2\mathrm{\pi n}}_{s}r\right);{\bar{v}}_t=\bar{\Gamma }/\bar{r}$其中，是选择的无量纲环量；由式(4)，可得某一半径r处的弦长或桨叶宽度为：$b=\frac{2\Gamma }{C_L{W}_1}$由0.25R至R之间选择若干截面计算截面弦长，初始计算假设桨叶为无扭转；需要已知环量Γ沿桨叶径向的分布，选择等环量分布，即沿螺旋桨径向，环量为常数；采用式(5)计算0.75R及R两个截面的弦长，以这两个截面弦长为基准，采用插值方法计算其他截面的弦长；5)截面扭转角及安装角设计半径为0.75R处截面的安装角θ_0.75R由式(3b)确定，安装角沿螺旋桨径向逐渐减小；选择R处的扭转角为10°,可得R截面处的安装角为：θ_R＝θ_0.75R‑10°；利用线性插值，可以确定其他截面的安装角；6)结构造型及设计方案评估通过以上步骤确定了螺旋桨基本设计参数，利用这些设计参数，对螺旋桨进行结构造型设计；桨毂选择圆柱或扁平桨毂，叶根与0.25R截面间采用样条曲面过渡；结构造型设计的工具选用商用CAD/CAM软件；结构造型完成后，采用计算流体力学软件进行方案评估。