[发明专利]旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法

权利要求书

1.旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)给定设计条件

给定的设计条件为：要求螺旋桨产生的拉力T，螺旋桨转速n(r/min)或n_s(r/s)，螺旋桨前进速度V₀；

2)螺旋桨直径的选择

根据儒可夫斯基环量理论中拉力与环量的关系确定螺旋桨直径；无量纲化拉力和与环量的关系为：

T‾=Γ‾[1-r‾02+2Γ‾lnr‾0-2μV‾1(1-r‾0)]---(1)]]>

μ=CDCL;r‾0=r0R;V‾1=V‾02+(V‾02)2+Γ‾(1-Γ‾)]]>

式(1)中，是选择的无量纲环量；

其中，T:拉力(N)；ρ：密度(kg/m³)；n_s：转速(r/s)；R：半径(m)；r₀：产生升力部分半径下限；C_D：阻力系数；C_L：升力系数；将及给定的拉力T、转速n、速度V₀代入公式(1)，可计算螺旋桨半径R；

3)螺距选择及计算半径为0.75R处截面的安装角

选择螺旋桨螺距P与螺旋桨直径D的比为：P/D＝0.3～0.4，螺旋桨的螺距为0.75R截面处的桨距，螺距与叶型安装角的关系为：

P＝1.5πRtanθ_0.75R(3a)

θ0.75R=atan(P1.5πR)---(3b)]]>

其中，r＝0.75R；θ_0.75R为0.75R处截面的安装角；根据选择的螺距P及已经确定直径D，由式(3b)计算半径为0.75R处截面的安装角；

4)桨宽度计算

按环量理论，截面弦长与环量之间的关系为：

Γ=12CLbW1---(4)]]>

其中Γ为环量；C_L为叶型升力系数；b为某截面的弦长或宽度；W₁为气流相对翼型的速度；

W1=(V1)2+(2πrns-vt)2]]>

vt=v‾t*(2πnsr);v‾t=Γ‾/r‾]]>

其中，是选择的无量纲环量；由式(4)，可得某一半径r处的弦长或桨叶宽度为：

b=2ΓCLW1---(5)]]>

由0.25R至R之间选择若干截面计算截面弦长，初始计算假设桨叶为无扭转；需要已知环量Γ沿桨叶径向的分布，选择等环量分布，即沿螺旋桨径向，环量为常数；采用式(5)计算0.75R及R两个截面的弦长，以这两个截面弦长为基准，采用插值方法计算其他截面的弦长；

5)截面扭转角及安装角设计

半径为0.75R处截面的安装角θ_0.75R由式(3b)确定，安装角沿螺旋桨径向逐渐减小；选择R处的扭转角为10°,可得R截面处的安装角为：θ_R＝θ_0.75R-10°；利用线性插值，可以确定其他截面的安装角；

6)结构造型及设计方案评估

通过以上步骤确定了螺旋桨基本设计参数，利用这些设计参数，对螺旋桨进行结构造型设计；桨毂选择圆柱或扁平桨毂，叶根与0.25R截面间采用样条曲面过渡；结构造型设计的工具选用商用CAD/CAM软件；结构造型完成后，采用计算流体力学软件进行方案评估。