螺旋桨周期变距系统在螺旋桨飞机姿态控制上的应用研究(上)

周期变距螺旋桨是在普通螺旋桨中引入自动倾斜器,使其不但能够像普通变距机构一样使螺旋桨叶片同步变距,还可以让转到不同位置的桨叶桨距差动,实现周期变距,从而产生与飞机横轴垂直的力矩.该力矩可以用来弥补舵面操纵效率,也可以与舵面配合对飞机进行直接力控制.     

基于螺旋桨特性的活塞发动机涡轮废气阀的调节

通过发动机螺旋桨功率特性分析,对巡航状况下增压发动机涡轮废气调节阀的调节规律进行了研究,并且预测飞机的经济运行状态.对飞机在4000m海拔高度以恒定速度180km/h巡航工况进行了研究,调节涡轮废气放气阀开度控制空气盒的目标压力,桨距角的变化随螺旋桨特性曲线进行调节.运行的结果显示,通过变桨距调节和涡轮废气阀调节的共同作用,可实现与增压器匹配的压气机运行在68%~76%的高效率区域.      

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453 的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6 构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程结合SST 湍流模型的方法,并采用T-Rex 高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明：后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12 次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。     

复合式直升机螺旋桨操纵策略及耦合配平方法研究

为提高复合式直升机飞行效率，对螺旋桨操纵策略和耦合优化配平计算方法进行了研究。首先，建立了构型适用的飞行动力学模型。然后，将已有的螺旋桨变桨距操纵改为桨距和转速复合操纵策略，采用二次序列规划法进行目标拉力的桨距/转速优化操纵求解；提出了改进的鲸鱼算法与螺旋桨操纵策略耦合求解的配平计算方法。最后，进行了计算及结果分析。研究结果表明：所采用的螺旋桨操纵策略有效地提高了复合式直升机飞行效率，所提出的耦合配平方法解决了由于螺旋桨操纵策略变化给复合式直升机带来的配平问题。     

复合式高速直升机螺旋桨变距性能评估与测试

复合式高速直升机在机翼两侧安装螺旋桨，通过调整左/右螺旋桨的桨距提供前向推力和偏航力矩，对螺旋桨变距性能要求较高。首先，简要介绍了某型复合式高速直升机的总体气动布局，建立了非线性动力学模型；然后，开展了全速度包线闭环飞行仿真，分析了飞行仿真历程数据，提出了螺旋桨变距的角度行程和速率需求；在此基础上，针对所研究的复合式高速直升机设计了螺旋桨变距机构，测试获得了实际的螺旋桨变距性能指标，初步验证了该螺旋桨变距驱动控制方案的可行性。     

一种高效率螺旋桨设计方法

提出了一种高效率螺旋桨设计方法,该方法根据给定的飞行速度、螺旋桨转速、拉力、螺旋桨直径、桨叶数、翼型,能够计算出最大效率螺旋桨的几何特性,包括:桨叶的弦长分布、桨距角分布、效率、拉力系数、扭矩系数、功率系数.分别按爬升状态和巡航状态的工作参数设计了某型飞机的螺旋桨,得到了桨距角和弦长沿径向的分布.对螺旋桨的缩比模型(直径为0.84m)进行了风洞试验,风洞试验结果表明:螺旋桨在巡航状态的效率是83.02%,爬升状态的效率是79.13%.      

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计，发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围，应采用变桨距技术，需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配，可实现人工变桨距，在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构，基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm），完成了支座固支的桨叶铺层参数优化，得到桨叶质量和频率的Pareto解集，在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案，并与实物测试值对比，结果表明：桨叶质量相对误差2.09%；支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%；桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%，避开了工作转速共振区间，证明该结构优化方法是合理有效的。     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

高空无人机螺旋桨的气动分析研究

从理论上分别对螺旋桨直径、目标重量、桨叶数目、翼型选择、变桨距和变转数等气动参数进行了详细分析,为进一步设计研究高效、轻质、能适应大跨度飞行高度和高空低密度大气环境的高空无人机螺旋桨提供了可靠依据.     

电机-变距螺旋桨动力系统功率优化控制

电动螺旋桨无人机应用越来越普及,但普遍续航时间较短,提高电动力系统效率、降低功率消耗是提高航时的主要措施。电机-变距螺旋桨动力系统（以下简称变距电动力系统）可同时改变转速、桨距两个量,存在桨距和转速的最佳组合,使系统功率最小。相比电机-定距螺旋桨动力系统,其在耗能方面具有特殊优势,但如何达到最小功率点,目前研究较少。针对上述问题,为提高计算效率,便于控制研究工作的开展,首先基于改进天牛须算法的BP神经网络训练得到变距电动力系统的神经网络代理模型。接着提出了一种变距电动力系统功率优化控制策略：在一定入流速度、拉力需求下,基于自适应扩展卡尔曼滤波-牛顿法实时优化桨距,并在一定桨距下利用模糊PID控制系统转速以达目标拉力,实现目标拉力需求下的最小功率控制。仿真验证结果表明,提出的功率优化控制策略鲁棒性更强、优化速度更快、收敛效果更好。     

前置不同诱导轮高速离心泵旋转空化特性研究

以高速诱导轮离心泵为研究对象,开展了无诱导轮、前置等螺距诱导轮、前置变螺距诱导轮及前置分流叶片诱导轮4种情况下离心泵全流道的空化数值模拟和汽蚀特性实验研究.通过外特性实验研究得到:在同一流量下,前置等螺距诱导轮离心泵的扬程最低,前置变螺距诱导轮离心泵的扬程次之,前置分流叶片诱导轮离心泵的扬程较两者稍高.通过汽蚀实验和数值模拟研究得到:在前置3种诱导轮的情况下,离心泵的汽蚀性能都得到了改善,其改善效果从低到高依次是:变螺距诱导轮、分流叶片诱导轮、等螺距诱导轮.通过对汽相体积分数分布情况的研究得到:诱导轮的吸力面除进口外缘容易发生汽蚀外,叶片出口靠近轮毂侧也较容易发生汽蚀;对比分析主叶轮和诱导轮的汽蚀情况,得到诱导轮汽蚀的严重性与离心叶轮的汽蚀严重性并非成正比的结论.     

自动变桨距螺旋桨电推进系统能效优化方法

为了提升自动变桨距螺旋桨电推进系统的整体效率,引入最优功率控制规律：自动变桨距螺旋桨电推进系统可根据飞行工况和推力需求,同时调节桨距角和螺旋桨转速两个变量,最终获得一组桨距角和螺旋桨转速的组合,使得推进系统在满足推力需求的情况下实现最小的功率消耗,最终达成飞行任务剖面内最小能耗控制的目标。为了验证方法的有效性,针对同一电推进系统,分别采用最优功率控制规律和恒速控制规律完成相同的飞行任务剖面,获得了两种控制规律下的螺旋桨推进效率、电动机效率、电推进系统总效率和电推进系统能耗数据。结果证明：相较于恒速控制规律,最优功率控制规律能够有效的提升电推进系统效率并降低能耗,完成相同飞行任务剖面的能耗降低6.3%左右。     

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟，以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一，引入其特性图，用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡，发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型，实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数，和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

Aerodynamic optimization design of general parameters for cycloidal propeller in hover based on surrogate model

A surrogate-model-based aerodynamic optimization design method for cycloidal propeller in hover was proposed, in order to improve its aerodynamic efficiency, and analyze the basic criteria for its aerodynamic optimization design. The reliability and applicability of overset mesh method were verified. An optimization method based on Kriging surrogate model was proposed to optimize the geometric parameters for cycloidal propeller in hover with the use of genetic algorithm. The optimization results showed that the thrust coefficient was increased by 3.56%, the torque coefficient reduced by 12.05%, and the figure of merit (FM) increased by 19.93%. The optimization results verified the feasibility of this design idea. Although the optimization was only carried out at a single rotation speed, the aerodynamic efficiency was also significantly improved over a wide range of rotation speeds. The optimal configuration characteristics for micro and small-sized cycloidal propeller were: solidity of 0.2-0.22, maximum pitch angle of 25°-35°, pitch axis locating at 35%-45% of the blade chord length.      

螺旋桨向量平衡

螺旋桨旋转时各桨叶的离心力可分解为在桨叶轴线旋转平面内的静不平衡力和垂直于此旋转平面的动不平衡力偶。由于各桨叶不完全相同,这两种不平衡度在不同矩角位置会有差异。但所加静平衡力和动平衡力偶则不随变矩而变化,它们的平衡作用在所有矩角位置都是一样的,可以采用本文所述的向量分析方法,在特制的向量平衡图上预测对各矩角平衡的结果。这样就可以只需一次平衡即使各矩角都平衡合格并达到最佳平衡状态,而用常规平衡方法需要反复凑试甚至无法合格。     

基于新型音轮的涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量研究

为了有效解决多传感器安装的困难和音轮转子不平衡问题,研究了一种基于新型音轮的涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量方法,提出带有多个常规齿和一组对称标志斜齿的新型音轮结构,经过信号处理模块把传感器波形调理成方波,分析方波边沿时刻就能获取螺旋桨的桨距、相角和转速。通过COMSOL数值仿真研究了不同音轮结构对电压波形及测量精度的影响,设计了涡桨发动机桨距-相角-转速一体化测量试验台。试验结果表明,在非极端齿位差角范围内,桨距和相角的误差曲线呈现很好的线性特性,经过线性补偿修正后,桨距、相角和转速测量精度可以分别控制在±0.7%,±0.05%和±0.027%,可以满足涡桨发动机控制精度需求。     

基于Fourier分析的螺旋桨特性研究

根据函数逼近论的相关理论,对现有的变距螺旋桨特性曲线进行Fourier分析,在此基础上得到了一种计算螺旋桨桨叶角和效率的经验公式。通过计算结果和读图结果的比较,证实了该算法具有较高的逼近精度。它不仅为我国发展螺旋桨的全权数字式电子控制系统（FADEC）提供理论支持,而且为传统的机械液压离心式控制系统控制发动机的状态提供较精确的数据,特别是分层设色等值线图的应用,使结果的直观性得以增强,更方便飞行员把握总体趋势,提高工作效率。     

中低空太阳能无人机高效螺旋桨设计方法

目前对于常规螺旋桨和高空螺旋桨的设计较多,而对中低空太阳能无人机螺旋桨的研究很少,因此提出一种针对中低空太阳能无人机的高效率螺旋桨设计方法。根据太阳能无人机的飞行跨度曲线,选取爬升和主要巡航高度为设计点,首先基于Betz 最小能量损失的设计准则和片条理论及其逆向推导,计算各设计点下的弦长与桨距角分布;然后根据飞行跨度曲线对各设计点的计算结果进行权值分配,得到最终的设计弦长与桨距角分布;最后基于CFD 数值模拟技术,在验证算法的基础上对设计的螺旋桨进行仿真计算。结果表明：与使用常规螺旋桨相比较,在允许功率范围下,本文设计的螺旋桨效率在整个任务周期的飞行包线内均有明显提升,满足设计要求。