临近空间低动态飞行器螺旋桨的气动设计方法.doc

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1、临近空间低动态飞行器螺旋桨的气动设计方法刘沛清胡颖马蓉北京航空航天大学流体力学国家重点实验室摘要：本文针对临近空间低动态飞行器螺旋桨的低密度、低雷诺数、大跨飞高的工作特点，阐述了螺旋桨各参数对效率的影响，并通过对某临近空间低动态飞行器螺旋桨设计，给出了其设计步骤和方法，为临近空间飞行器高效螺旋桨的研制和发展提供了参考。关键词：临近空间螺旋桨效率0、引言临近空间低动态飞行器在平流层飞行，空气密度随高度显著变化，在高空20km处最大相差14倍；空气运动粘性系数随高度变化而增大，在高空20km处最大相差11倍，这使得螺旋桨翼型绕流数偏低一个量级以上

2、。在低雷诺数下，翼型绕流的气动特性显著变化，升阻比明显下降。空气声速随高度变化而减小，在高空20km处二者比值为1.15，说明螺旋桨在高空更容易出现激波，造成激波损失。因此，按照通常方法设计的高空螺旋桨容易出现拉力偏小、效率偏低。同时，在升空、回收过程中，气动参数的变化很大，将直接影响通过螺旋桨的空气质量流量、拉力、效率等参数，从而给螺旋桨的设计、制造带来一定的技术难度。因此，开展适应大跨度飞高飞行和平流层低密度大气环境的高效螺旋桨研究，对减少能源需求和飞行负载，促进总体设计的轻型化具有重要意义。1、螺旋桨几何参数的确定1.1直径和转速螺旋桨

3、直径的大小，通常由空气动力学计算和综合分析确定，螺旋桨直径D与发动机的功率和转速、额定速度和高度、桨叶数及宽度皆有直接的关系。平流层空气密度低，为了提供足够的推力，螺旋桨直径当然是越大越好，但是受空气压缩性的影响，平流层声速小，说明在平流层螺旋桨桨尖更容易发生激波损失。直径的确定除受桨尖马赫数的限制外，在一定拉力和平飞速度下直径和转速的选择，还要尽可能使桨叶大部分剖面的速度三角形处于高效率区。可以用下式确定设螺旋桨的转速和直径，飞行速度为V0，在桨尖处的合速度为（1）相应的桨尖MR数为（2）1.2叶素弦长桨叶截面弦线长度称为叶素弦长，或桨叶宽

4、度b。对于低速螺旋桨而言，一般桨尖和桨根部的桨叶宽度小些，而在桨叶中部区宽度最大，结构强度的要求在定常荷载下尽量使得从0.5R到桨尖之间各叶素剖面内应力保持常数。通常用相对宽度表示桨叶宽度大小，一般而言，桨叶最大相对宽度在6%～7%之间为较窄的桨叶，效用因子在60～70之间；在8%左右的为适中，效用因子在70～90之间；而在9%～10%之间为比较宽的桨叶，效用因子大于100。对于宽度较小的桨叶，宽度适中者为70～90，宽度较大者超过100。桨叶宽度沿半径方向的变化曲线，决定了桨叶的平面形状。1.3安装角叶素弦线与螺旋桨旋转平面之间的夹角，为叶

5、素的安装角。为使整个螺旋桨叶素均在有利迎角下工作，就必须对桨叶沿径向扭转，因此，叶素安装角沿桨叶半径方向是变化的。通常在相同条件下，安装角增加会使得桨叶干涉角增加，诱导损失增加，同样桨叶的型阻力也可能会增加，使螺旋桨效率降低，但这不是意味着安装角越小越好，安装角过小，有效迎角也会很小，这样升力系数也会变小，很难保证螺旋桨拉力要求。因此，确定安装角时要根据直径、转速确定的几何角，螺旋桨设计升力系数，使得桨叶各叶素的干涉角较小，有效迎角处于升阻比较大的范围内。1.4叶素厚度根据桨叶的受力，桨叶厚度沿径向是变化的，一般由桨根逐渐向桨尖单调减小。当给

6、定桨叶平面形状后，桨叶厚度沿径向的变化通常取决于桨叶结构、振动因素、材料性质等。一般而言，金属螺旋桨的桨叶梢端相对厚度为4%～7%，木制螺旋桨梢端厚度为7%～8%；在桨根处的厚度较大，取20%～30%。高空螺旋桨的拉力较小，本次设计主要考虑提高螺旋桨效率，采用较小厚度的桨叶。1.5桨叶数目桨叶数目选取时，必须考虑下列三个方面的问题1）增加桨叶数目，会降低螺旋桨的效率。桨叶数目增加桨叶之间的干扰增加，而且桨叶的阻力损失也增加。2）增加桨叶数目，会增加螺旋桨的重量。一般每增加一片桨叶，螺旋桨重量增大20%～30%。本次设计考虑到螺旋桨效率和重量，

7、选用3叶桨。1.6翼型选择临近空间低动态飞行器螺旋桨翼型绕流Re数低，为此需要选择低Re数高升力翼型。另外，飞行器大跨飞高的特点决定了其螺旋桨工作角度变化很大，因此，在选取低雷诺数高升力翼型时，还要考虑翼型在较大的迎角范围内都有较好的升阻特性。经过资料收集和分析，本文采用S1223翼型。图4s1223翼型几何形状图5s1223翼型升阻特性曲线2、螺旋桨性能估算螺旋桨须满足能适应大跨度飞高要求和平流层低密度高效的性能，同时为了尽可能减小螺旋桨的重量，在本次高空螺旋桨设计中，采用变转速定矩螺旋桨方案。螺旋桨的设计高度为20km，来流速度20m/s

8、。采用片条理论设计，所设计的螺旋桨三维造型如图6所示。表1给出计算结果。图7为不同来流速度下叶素拉力分布曲线。说明，在20km处，螺旋桨直径6.5m，三叶桨，在来流