航空螺旋桨的气动弹性稳定性分析

在当代航空螺旋桨的工程设计体系中,气动弹性稳定性分析子系统是一个重要组成部分。我国近年来所发展的螺桨工程设计体系中已包括这个组成部分。本文中对于近年所发展的螺旋桨气动弹性稳定性分析子系统作一摘述。      

SR20飞机螺旋桨系统工作原理及典型故障分析

基于SR20飞机恒速螺旋桨的系统构造,通过对该型飞机螺旋桨、调速器的构造和桨毂润滑机制的工作原理进行分析,深入阐述了诸如发动机转速损失、发动机超转/全功率转速不足、螺旋桨桨毂油脂过多等典型故障的故障原因及表征现象,提供了螺旋桨系统类似故障的诊断方法及故障排除措施,为该型飞机螺旋桨、调速器的日常维护、故障排除和预防提供了有力依据。     

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.      

考虑飞机舱壁影响的螺旋桨声场时域预测法

通过引入镜像法,给出了一种能近似包含舱壁边界曲率影响的螺旋桨噪声时域预测法,其基本思想是把飞机舱壁当作无限长圆柱边界,在时域里求解该边界空间中的FW-H方程来预测螺旋桨辐射声场。数值计算结果表明,飞机舱壁对螺桨辐射声场有影响,且随舱壁曲率变化而变化,计及这些影响将有助于预测合理的舱壁表面螺桨辐射声场;另外,对螺桨飞机多个螺桨之间的干涉机制进行了一些初步的研究,计算结果表明,多桨之间的干涉严重,可以通过改变螺桨之间的相位差改变其干涉机制,以获得较低的舱壁表面噪声分布。     

一起插头空钉引起的空中停车故障

介绍了一起由于插头空钉磨损产生的金属未引起运七发动机顺桨系统线路短路,造成空中停车的特殊故障,指出该故障具有一定的普遍性,并提出了一些防范措施。故障现象1996年11月9日,东方航空公司安徽分公司一架运七B－8459号飞机更换左右到寿发动机后,进行正常的空中试飞检查,在做单发扭力自动顺装检查科目时,左发动机一切正常,但在进行右发动机空中扭力自动顺桨过程中,右发动机的顺桨工作信号灯突然熄灭,发动机扭力自动顺桨系统中途停止工作,螺旋桨桨叶没有顾到位。机组立即采取人工顶桨方法将右发动机螺旋桨顺到92．5°到底位置后…     

专栏序言

自二次大战后期开始,“活塞改喷气”的大趋势很快地由歼击机向各类飞机扩展。由此导致航空螺旋桨的研究发展工作曾一度基本停顿。经过三十年左右,却戏剧性地出现了“螺桨复兴”的局面。目前世界上大部分支线飞机和通用航空飞机均主要依靠螺桨推进。此外,大中型民用飞机使用桨扇推进的前景一直为人们所关注。从我国情况来看,目前已投入批量生产的全部民机,都装备螺旋桨而无一例外。为了加强航空螺旋桨的研究工作,在部领导直接关怀下,“北航螺桨研究发展中心”于 1 988年元月份正式诞生。      

低功率自动顺桨故障的分析与应对措施

夏延ⅢA是一种双发涡桨高级教练饥,其动力装置采用加拿大普惠公司生产的自由涡轮燃气发动机和哈兹尔公司制造的三叶液压恒速螺旋桨.为防止发动机空中失效后螺旋桨阻力影响飞机操纵,飞机装备了螺旋桨自动顺桨系统.     

螺旋桨的优化设计

结合对某型螺旋桨的改型设计,运用Betz优化理论发展了一套螺旋桨优化设计方法及设计和性能计算程序。将设计得到的螺旋桨进行缩尺模型吹风试验,结果表明所设计的螺桨性能在起飞／爬升状态及巡航状态比原桨均提高3％。     

一种螺旋桨的气动声学设计与实验验证

就螺桨而言,其性能优劣的主要标志是高效率与低噪声,而以螺桨推进的飞机,螺桨为主要噪声源,为满足CAAR36及FAA36等国内外有关航空声学适航条例,要求在设计阶段就能准确地预测远场噪声特性,另一方面,从旅客舒适性角度考虑,以及从结构完整性和安全性角度考虑(即防止声疲劳),则要求能准确地预测近场噪声。这样,在当代螺旋桨设计体系中包括螺旋桨声学设计子系统是完全必要的。      

基于CFD 的螺旋桨拉力确定方法

针对螺旋桨拉力确定问题，以某型螺旋桨飞机为研究对象建立3 维实体模型，采用CFD 方法进行数值计算。利用分区拼 接网格对螺旋桨及飞机短舱复杂组合体进行分块处理；在此基础上基于滑移网格方法，采用雷诺平均NS（RANS）湍流模型，针对不 同高度、来流速度及桨叶角进行仿真计算。根据计算结果分析螺旋桨飞机流场特性，并以螺旋桨拉力为重点，总结了螺旋桨工作特 性随飞行Ma 和飞行高度的变化规律。结果表明：螺旋桨拉力随飞行Ma 的增大而减小，随着桨叶角的增大而增大，可为后续涡轮螺 旋桨发动机总净推力的确定方法提供技术支撑。     

螺旋桨飞机近地飞行时的纵向稳定性

根据某型飞机气动试验数据,分析了地面效应和螺旋桨滑流增量对飞机静稳定性的影响;根据小扰动线性化方程,计算了不同飞行条件下的飞机模态特性,分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机动稳定性的影响。结果表明：地面效应将使飞机纵向运动频率增加,而阻尼比降低;地效区内滑流增量使短周期震荡频率和阻尼比均增加,也使长周期阻尼比增加,而对长周期模态频率的影响不大;无地效时,滑流将使长短周期两种模态的频率均降低,而阻尼比增加。     

高性能螺旋桨优化设计

无人多旋翼飞行器使用的桨叶以固定翼螺旋桨为主,但其气动环境与固定翼不尽相同。使用逆向重构技术对原始桨叶进行参数化建模,并基于CFD数值计算技术对参数化基准模型的扭转角分布规律和叶型积叠方式在垂直飞行状态下进行优化设计。结果表明:在功率允许范围内,桨叶在悬停状态下的效率有了较大提升。     

AN ANALYSIS OF PROPELLER LIFTING－LINE THEORY BY MATCHED ASYMPTOTIC EXPANSIONS

ＡＮＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＰＲＯＰＥＬＬＥＲＬＩＦＴＩＮＧ－ＬＩＮＥＴＨＥＯＲＹＢＹＭＡＴＣＨＥＤＡＳＹＭＰＴＯＴＩＣＥＸＰＡＮＳＩＯＮＳＣｈｅｎＺｅｍｉｎ；ＰａｎＪｉｅｙｕａｎ；ＷｕＬｉｙｉ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｂｅｉ...     

螺旋桨飞机近地飞行时的横航向稳定性

根据算例飞机数据，分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机横航向静稳定性的影响。结果表明，无论是否存在地面效应，螺旋桨滑流都将使飞机的航向静稳定性和横向静稳定性变差；同时，无论是否存在螺旋桨滑流，地面效应都将使飞机的横向静稳定性增强，航向静稳定性变差。此外，计算了不同飞行条件下的飞机横航向模态特性，分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机横航向动稳定性的影响。结果表明：无论是否存在地面效应，螺旋桨滑流都将增强滚转模态及荷兰滚模态的稳定性，并同时降低螺旋模态的稳定性；而无论是否存在螺旋桨滑流，地面效应总体上也都将使飞机的横航向动稳定性增强。     

螺旋桨升力线理论的匹配渐近展开法分析

在固连于螺旋桨桨叶的非惯性坐标系中,对大展弦比叶片的螺旋奖建立了升力线模型。在匹配渐近展开法分析中引入一假想速度位,导出固连坐标系中的控制方程、边界条件和Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程。由匹配渐近展开法的分析表明,在螺旋桨的进距比不是太小的情况下,螺旋桨的升力线理论在固连于螺旋桨桨叶的非惯性坐标系中仍然成立。     

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法

螺旋桨滑流对飞机各部件的气动干扰造成飞机的俯仰力矩特性恶化,危害飞行安全。开展螺旋桨滑流对螺旋桨飞机俯仰力矩特性的影响机理研究和螺旋桨滑流作用下螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法研究十分重要。采用动态重叠多块结构网格,通过求解非定常雷诺平均可压缩Navier-Stokes方程,数值模拟了某螺旋桨飞机不同拉力系数下降落构型的绕流流场。结果显示螺旋桨滑流对机翼、平尾的气动干扰是导致飞机俯仰力矩特性恶化的主要原因,改进螺旋桨飞机俯仰力矩特性的关键是改进其平尾的升力特性。以拉力系数等于0.4时的降落构型为优化对象,开展了俯仰力矩特性的改进方法研究,包括降低平尾高度、改变平尾上反角、抬高螺旋桨轴线等方法。研究发现在不增大机翼对平尾整体下洗强度的前提下,减小平尾和螺旋桨轴线的垂向距离,可以明显地改善螺旋桨飞机的俯仰力矩特性。     

非对称入流对“螺旋桨/机翼”系统气动特性的影响

针对“螺旋桨/机翼”系统在复杂非对称入流情况下的非定常气动相互干扰问题，采用混合结构-非结构滑移网格方法，结合非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，研究了偏航角及入流条件（包括攻角和来流风速）对螺旋桨/机翼相互气动干扰和滑流流场的影响，并与无滑流模型计算结果进行对比。结果显示：在三维非对称入流的影响下，偏航角从0°增加到20°时，机翼升、阻力系数分别降低了4.9%和10.64%，但是螺旋桨的拉力系数和推进效率则大幅提升了18.36%和7.26%，非对称入流机翼升力系数曲线变化幅度为对称入流的4倍。在攻角不变，改变偏航角时，螺旋桨滑流增加了机翼俯仰力矩稳定性裕量。但是随着攻角的变化，飞机纵向不稳定性逐渐增加，在桨后气流的影响下，两侧机翼上表面吸力峰均向左和向前移动，上下表面的吸力峰值均明显增大。在不同的风速下，有滑流影响的机翼升力特性相对无滑流影响的机翼增加量均在20%附近，且不断增大。     

一种适用于中小型无人机的新型螺旋桨设计

目前,中小型活塞动力无人机所配备的螺旋桨主要是两叶定距螺旋桨,其桨叶布局特征主要体现桨尖和桨根较窄,桨叶中部较宽,但在实际使用中发现,此类螺旋桨匹配无人机后飞行性能表现不佳。针对低速中小型活塞动力无人机,设计一种矩形薄型直桨叶二叶螺旋桨方案。将该螺旋桨方案与其他七种方案进行风洞试验,分别对各方案在零风速和巡航速度下的性能特性进行系统研究。结果表明:与其他方案相比,采用矩形桨叶设计的螺旋桨在静推力、功率、效率、拉力系数、功率系数等关键性指标上均表现出优异特性,尤其是在同样功率输入下,具有最低转速的特性,因此该方案螺旋桨具有优良的装机匹配特性。     

某电动飞机螺旋桨气动特性数值模拟与风洞试验

以某型电动飞机螺旋桨为研究对象,基于RANS方程和SST湍流模型的MRF方法对螺旋桨进行高精度滑流准定常数值模拟和性能计算。为了验证计算和设计的合理性,对该型螺旋桨进行了缩比模型风洞试验。试验结果表明,数值模拟计算结果与风洞试验数据吻合较好,证明该方法可为螺旋桨设计提供指导。