涵道螺旋桨动力装置最优设计新方法的研究

为了探索涵道螺旋桨动力装置工程设计新方法，在自由螺旋桨设计的基础上，根据Theodorsen的片条理论，涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程，构筑涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型，然后用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数，使自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨基于Betz条件的最优设计。再根据给定的设计要求，即可计算出经过最优设计的涵道螺旋桨的基本尺寸以及涵道的基本尺寸。经过研究证明，在新方法中的涡强度分布计算模型在理论上是正确的，设计模型的风洞实验与理论计算数据基本吻合，证明了该设计方法的可行性。     

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。      

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%。      

两个设计点的螺旋桨气动性能

结合某垂直起降无人机对螺旋桨的总体设计要求，分析了同时满足两个设计点的螺旋桨设计难点，完成了对所设计螺旋桨性能要求的验证，探究了两个设计点对螺旋桨设计性能的影响及影响因素，获得对设计的指导性结论.通过CFX软件进行悬停和巡航状态下的数值计算，并与其车载试验结果进行对比，结果表明:设计螺旋桨可满足设计要求，且数值模拟与车载试验结果基本吻合，误差不超过11%.将设计螺旋桨与单个设计点的旋翼或巡航螺旋桨进行对比，分析影响因素，发现两个设计点将会降低螺旋桨在每个单独设计点的工作性能，且通过减小起飞总质量和巡航速度、增加动力系统个数和功率来缩小设计点间差异可降低设计难度和性能损失.      

基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念设计

针对应用于短距／垂直起降飞机的涵道风扇升力系统进行了特性分析与应用研究,对涵道螺旋桨常规的动量一叶素理论计算模型进行了修正处理,建立了适用于总体设计阶段特性估算的计算模型。应用CFD技术对单独螺旋桨和涵道螺旋桨进行了不同流动状态下的特性计算,总结了其变化规律,并基于CFD滑流区诱导速度计算结果对前面建立的理论计算模型进行了二次修正。最后提出了一种基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念,在总体设计层面进行了参数分析与优化。     

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%.      

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。      

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.      

一种旧式螺旋桨的气动力改型设计

本文对一种螺旋桨的气动力设计特点先作了分析。在这基础上又根据当前螺旋桨技术的发展新水平提出了改型设计争取达到的指标。在总体设计中确定了翼型选择、桨叶平面形状、直径以及厚度分布等重要参数。介绍了优化设计原理主方案筛选。根据新、旧桨缩尺模型的风洞对比实验结果可知,设计是完全成功的。新桨的静拉力和起飞爬高效率各比原桨提高 13.8%和8.76 %。巡航效率和噪声性能亦有所改进。均超过了预期指标。      

Algorithms for calculating some flight characteristics and design parameters of a superlight piston-engined aircraft

Algorithms for calculating superlight aircraft design parameters at the early stage of design are described, namely, maximum speed, time of landing or takeoff run, of maneuvering with well-known piston engine power and propeller characteristics.     

复合材料螺旋桨结构多目标优化设计

在螺旋桨桨叶结构设计的工程实践中,减轻重量和增加扭转刚度是两个主要目标,而复合材料的应用增加了螺旋桨结构的可设计性。以某复合材料螺旋桨为例,基于有限元方法,以桨叶的复合材料铺层数量与铺层角度为优化设计变量,以螺旋桨桨叶强度、弯曲刚度为约束条件,采用快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该复合材料螺旋桨进行多目标优化设计。得到了关于两个目标函数的帕累托解集,即综合考虑桨叶质量与扭转刚度两个指标的最优设计参数集。本文为复合材料螺旋桨的结构设计提供了一种有效的思路。     

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。     

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.     

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.     

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.      

函道螺旋桨设计方法研究

由于函道和螺旋桨互相干扰的复杂性,函道螺旋桨的设计需要较长时间。本文提出了一种在函道螺旋桨初步设计阶段确定桨叶外形的简便方法。首先,根据动量理论计算通过桨盘的流量,再由工程经验估算桨盘前后的压差增量,然后运用叶素理论设计桨叶的几何形状。为了验证该方法的可行性,加工了桨叶和函道,并进行风洞实验。结果表明,设计值与实验测量值吻合较好,说明该方法实用、有效,采用该方法可以加快函道螺旋桨设计过程。     

Design and Experimental Analysis of Aircrew Design Parameters to Vertical Takeoff and Landing

The calculation of the design parameters of lifting airscrew systems with fixed and tilted rotor, including the investigation of the operation schemes of actuators for the propeller control system, is carried out.     

太阳能无人机高效螺旋桨气动设计

太阳能无人机“超高空、超长航时”的设计方向给螺旋桨的气动设计带来了极大挑战。本文根据某太阳能无人机总体方案,使用多点多目标优化方法改进设计了桨叶翼型,合理布置叶宽分布与桨距,设计出低雷诺数工作环境下的高效螺旋桨,并且在全包线范围内保持较高的气动效率。利用叶素理论对该设计方案进行了性能评估,结果显示在巡航状态下,该螺旋桨的工作效率达到85%以上,各项指标满足设计要求。     

一种涵道螺旋桨优化设计新方法研究

根据Theodorsen的片条理论、涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程,构筑了涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型,用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数,将自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法加以推广,优化设计了涵道螺旋桨。     

Aerodynamic design of tractor propeller for high-performance distributed electric propulsion aircraft

Aiming to maximize the aerodynamic performance of the Distributed Electric Propulsion (DEP) aircraft, a hybrid design framework which focuses on the aerodynamic performance of the propeller/wing integration has been developed and validated numerically. Variable-fidelity modelling for propeller aerodynamics has been used to achieve computational efficiency with reasonable accuracy. By optimizing the aerodynamic loading distributions on the tractor propeller disk, the induced slipstream is redistributed into a form that is beneficial for the wing downstream, based on which the propeller blade geometry is generated through a rapid inversed design procedure. As compared with the Minimum Induced Loss (MIL) propeller at a specified thrust level, significant improvements of both the lift-to-drag ratio of the wing and the propeller/wing integrated aerodynamic efficiency is achieved, which shows great promise to deliver aerodynamic benefits for the wing within the propeller slipstream without any additional devices.