小型巡飞弹电动推进系统设计及试验验证

为快速获得满足工程需要的小型巡飞弹电动推进系统,采用螺旋桨涡流理论和一阶电动机模型建立了电动推进系统效率计算模型。以巡飞弹巡航阶段电动推进系统效率最高为目标,将爬升阶段巡飞弹所需推力及对应的反扭矩作为约束对桨机参数进行了快速优化设计,得到了电动机与螺旋桨的设计指标。根据该设计指标开展了电动机测功试验,完成了电动机选型;利用Kriging代理模型对螺旋桨进行了详细优化设计,并计算了完整的气动参数。针对设计得到的巡飞弹电动推进系统开展了风洞吹风试验,结果显示螺旋桨理论计算与试验测试误差在85%以内,巡航阶段电动推进系统效率设计结果与测试结果误差在27%以内,表明所提出的电动推进系统设计方法合理有效,能够为此类巡飞弹设计提供一定程度理论指导。      

基于气动载荷分布的螺旋桨诱导流场重构设计

基于分布式电推进飞行器创新性发展理念,以螺旋桨滑流耦合下机翼气动效率最优为目标开展螺旋桨诱导流场重构设计研究。首先,通过构建基于动量源方法的准定常数值模拟技术,建立了螺旋桨桨盘载荷分布与诱导流场特性之间的联系;然后,基于对螺旋桨桨盘气动载荷分布曲线的参数化控制,提出了螺旋桨诱导流场重构优化设计思想及设计方法;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出螺旋桨诱导流场重构设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与等拉力最小诱导损失螺旋桨相比较,基于所提出诱导流场重构设计思想设计得到的螺旋桨最优气动载荷分布耦合下的机翼气动效率得到显著改善,在本文设计状态下,机翼翼段计算升力相对提高10.40%,计算阻力相对降低7.05%,计算升阻比相对增大18.77%。     

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。     

一种可任意给定环量分布的螺旋桨设计方法

提出了一种螺旋桨快速设计方法，该方法可以根据任意给定的环量分布及工况快速设计出高效率螺旋桨的几何外形（桨叶弦长、扭转角分布）。为对比有叶素阻力与无叶素阻力的最佳环量分布形式，首先对计入和不计叶素阻力下的最佳环量分布表达式进行了推导，分析了各参数对最佳环量分布形状的影响。然后基于片条理论进行了逆向推导，建立了以环量分布为输入的螺旋桨快速设计方法，并分析了螺旋桨理想效率的影响因素，发现理想效率的水平与来流动压、桨盘载荷有关。最后进行了螺旋桨设计实践，对比分析了不同环量分布下螺旋桨性能的差异。结果表明，所提出的设计方法能够根据给定环量分布进行精确设计，相对误差不超过7%，设计性能与参考文献中设计结果的差别不超过2%。      

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。     

高空长航时无人机螺旋桨后掠桨叶气动研究

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎角变化、桨尖三维效应、桨尖激波强度、激波-附面层干扰综合影响。     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

基于势流理论的螺旋桨效率-噪声样本分析方法

为了提高效率、降低噪声，螺旋桨设计需要在精确的性能预报基础上，平衡不同参数对设计目标带来的影响。本文以面元法为主要手段预报CLT桨的水动力性能，并引入噪声模型进行噪声预报。整个过程以4叶CLT（Contracted and Loaded Tip）桨—P1727桨为母型桨，在螺距比为原桨螺距比0.9~1.2倍范围内，考虑3叶、4叶、5叶三种叶数形式，最终计算100个设计桨案例的水动力性能和噪声性能。设计桨最终满足某中型船的推力要求，并寻找螺旋桨最小叶尖涡流噪声-最大效率解集。计算结果表明，在固定推力值的情况下，螺旋桨叶数与噪声成反比趋势，效率与噪声性能受螺距比影响，并呈现出一定的规律性。对于高效桨P1727而言，改变螺距比与叶数会使效率与噪声存在一定的平衡范围，可以应对不同的设计要求。     

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术，通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程，对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟，结果与风洞试验数据吻合良好，在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征，适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因，后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下，对转螺旋桨气动力会产生周期性波动，波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速，因此在相同工况下，对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍，效率提升约1.5%。      

桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响

采用基于非结构网格的滑移网格技术,对悬停状态下涵道螺旋桨流场进行了非定常Euler方程数值模拟,分别考查了桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响.桨尖间隙比的变化范围取为0~1.37%,双桨间距变化范围取为0.25~0.65倍的桨叶半径.研究发现:随着桨尖间隙增大,涵道螺旋桨拉力降低,功率载荷减小;桨尖间隙比存在一个临界值,约为1.10%,在该值附近,桨尖泄漏涡显著增强,引起涵道和螺旋桨的拉力分配关系剧烈变化,涵道拉力占总拉力的比值下降10.27%,系统气动性能迅速恶化;大间隙下桨尖泄漏流表现出较强的非定常现象.增大双桨间距可以提高共轴双桨涵道的气动效率,但是因为涵道对螺旋桨滑流的改善作用,这种影响并不显著,气动力的相对变化量在3%以内.     

螺桨气动性能的试验研究

介绍了我国第一次进行的螺桨风洞试验-某型螺桨模型及改型桨模型风洞对比试验。首次得到了系统的缩尺模型性能对比试验结果。试验表明改型桨在爬升、巡航效率、静拉力等方面均超过设计要求的指标。介绍了螺桨驱动装置、试验模型、测量系统、试验修正、结果分析等。      

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。      

螺旋桨的数值优化设计

本文提供一种螺旋桨气动设计的数值优化方法。作为优化基础的气动性能计算部分,采用了 Goldstein理论为基础的片条理论,计算结果与实验数据比较表明,性能计算方法是可用的。数值优化采用的是混合罚函数法。利用本数值优化方法对两个已有的螺旋桨重新进行了优化设计。结果表明,在最高效率点附近,效率随桨叶几何参数的变化比较缓慢;同时取弦长和扭角作为设计变量可以设计出比单独取扭角为设计变量时弦长更短的螺旋桨,从而可减小桨叶重量和提高螺旋桨的巡航效率。      

一种耦合CFD修正的螺旋桨快速设计方法

基于叶素动量理论及涡流理论的螺旋桨快速设计方法，由于设计采用的叶素气动力与真实情况存在差异，设计的螺旋桨存在拉力偏差，且不能保证较高的效率。为解决此问题，采用螺旋桨数值模拟的结果对设计进行修正。假设桨叶叶素最大升阻比对应的气动力沿径向相同，可通过数值模拟结果反解该气动力，再根据所得气动力进行螺旋桨的重新设计，建立耦合CFD修正的螺旋桨快速设计方法。结果表明，对于太阳能无人机小型螺旋桨的设计，本文设计方法一方面能够较好地满足拉力要求，另一方面相比于传统设计方法螺旋桨效率可提高2.75%。在采用代理优化的方法对螺旋桨翼型进行优化后，相比于传统设计方法螺旋桨效率进一步提高了3.95%。且该方法只需进行少量的CFD计算即可，相比于直接采用数值模拟优化螺旋桨的弦长及扭转角分布，设计周期更短。     

一种无人机螺旋桨的快速优化设计方法

针对某四叶桨无人机的飞行性能要求,将Betz条件和遗传算法相结合,开展了一套最佳螺旋桨的快速优化设计方法研究.先利用关于最佳螺旋桨的Betz条件,得到桨叶弦长及安装角的初始径向分布,以此作为遗传算法初始种群采用遗传算法进一步优化,得到桨叶弦长及安装角的最优径向分布,并对优化结果进行仿真计算及对比分析.结果表明,方法能快速、准确地设计和优化出所需性能的螺旋桨.优化后的螺旋桨在辅助设计点前进比1.196 6处,螺旋桨拉力较原来Betz条件提高5.9%,效率由原来Betz条件的73.7%提升到76.5%;主设计点前进比1.262 6处拉力较原来Betz条件提高7.4%,效率由原来Betz条件的75.0%提升到78.3%,效率均较高.     

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%.      

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。     

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.