旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞行器用空气推进螺旋桨，尤其是涉及旋翼式飞行器用空气推进螺旋 桨的设计方法。
【背景技术】
[0002] 旋翼式无人飞行器近年来发展迅速，在军、民用多领域内应用越来越广泛。空气 推进螺旋桨是旋翼式无人飞行器动力装置的重要组成部分，螺旋桨设计具有重要的应用价 值。已有的研宄积累了很多实验及经验数据（[1]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用.北京 航空航天大学出版社，2006.6 ;[2]FredE，WeickBS.AircraftPropellerDisign.McGraw HillBookCompany，1930)，这些积累对螺旋桨设计有重要意义，但实际应用中，如何快速 的设计满足要求的螺旋桨仍然是一个问题，目前也未见公开的、有关螺旋桨设计的专利技 术。
[0003] 为了更好的阐明本发明所述设计方法，在此首先介绍以下螺旋桨的几何参数、运 动学参数及相关的无量纲参数等。
[0004] 1、螺旋桨几何参数
[0005] (1)直径D、半径R及任意截面半径r
[0006] 螺旋桨的基本结构如图1所示。其中，重要的几何参数有：直径D、半径R、桨叶任 意位置的半径r。三者满足：D= 2R，0〈r〈R。
[0007] (2)翼型参数
[0008] 螺旋桨桨叶在任意半径r(0〈r〈R)处的截面为翼型，如图2所示。其中重要的几 何参数包括弦长b，最大厚度c。翼型一般选择成熟的、经过验证的翼型，如图2中所示的 Clark-Y、RAF-6等，这些翼型的数据公开，可查，只要已知弦长b和最大厚度c，整个翼型的 形状就可以确定了。
[0009] (3)任意截面的安装角、扭转角
[0010] 安装角：任意半径截面翼型弦线与螺旋桨选择平面间的夹角，符号为0。
[0011] 扭转角：任意半径安装角与指定半径剖面安装角之差，符号为x。指定半径通常 选择0. 75R。
[0012] 2、螺旋桨运动学参数
[0013] 螺旋桨剖面的各速度分量如图3所示。其中，阴影部分为剖面翼型。％为螺旋桨轴 向前进速度；^为螺旋桨转速，2Jrrns为半径r处剖面的旋转线速度；vt为环向诱导速度； vaS轴向诱导速度。由图3可以看出，W。为V。与2Jirns的合速度，11为乂1与2Jirns-Vt的 合速度，也是螺旋桨剖面相对于气流的速度。
[0014] 3、其他参数
[0015] 螺旋桨拉力T。T的国际单位为牛顿（N)，工程上也常用克（g)或千克（kg)作为拉 力的单位，换算十分容易。
[0016] 转速n或ns。n的单位为转/分（r/min)，ns的单位为转/秒（r/s)，二者满足ns =n/60〇
[0017] 4、无量纲化参数
[0018] 本发明基于儒可夫斯基环量理论，需要采用一些无量纲的参数，介绍如下：
[0019] 无量纲半径：
【主权项】
1.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ns (r/s)，螺旋 桨前进速度％; 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：
(1) 其中，T:拉力（N);p:密度（kg/m3) ;ns:转速（r/s) ;R:半径（m) 产生升力部分 半径下限；CD:阻力系数；C^升力系数；将f、％及给定的拉力T、转速n、速度％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：
(3b) 其中，r= 0. 75R; 0a75K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：
(4) 其中r为环量；Q为叶型升力系数；b为某截面的弦长或宽度；Wi为气流相对翼型的速 度；
其中，尸是选择的无量纲环量；F= ;由式（4)，可得某一半径r处的弦长或桨叶宽 度为：
(5) 田0. 25K生KZI日」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r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0a75K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：0K=0a75K-l〇° ;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，叶根与〇. 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。
2. 如权利要求1所述旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法，其特征在于，步骤 2)中，对于初始计算，F值为〇. 003~0. 007 ; 5值为0. 2~0. 25。
3. 如权利要求1所述旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法，其特征在于，步骤 6)中，当材料为高强度的碳纤维增强复合材料时，桨毂选择扁平桨毂。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104809320
【申请号】CN201510278189
【发明人】李俭
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月27日