[发明专利]旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器用空气推进螺旋桨，尤其是涉及旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法。

背景技术

旋翼式无人飞行器近年来发展迅速，在军、民用多领域内应用越来越广泛。空气推进螺旋桨是旋翼式无人飞行器动力装置的重要组成部分，螺旋桨设计具有重要的应用价值。已有的研究积累了很多实验及经验数据([1]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用.北京航空航天大学出版社,2006.6；[2]Fred E,Weick B S.Aircraft Propeller Disign.McGraw Hill Book Company,1930)，这些积累对螺旋桨设计有重要意义，但实际应用中，如何快速的设计满足要求的螺旋桨仍然是一个问题，目前也未见公开的、有关螺旋桨设计的专利技术。

为了更好的阐明本发明所述设计方法，在此首先介绍以下螺旋桨的几何参数、运动学参数及相关的无量纲参数等。

1、螺旋桨几何参数

(1)直径D、半径R及任意截面半径r

螺旋桨的基本结构如图1所示。其中，重要的几何参数有：直径D、半径R、桨叶任意位置的半径r。三者满足：D＝2R，0<r<R。

(2)翼型参数

螺旋桨桨叶在任意半径r(0<r<R)处的截面为翼型，如图2所示。其中重要的几何参数包括弦长b，最大厚度c。翼型一般选择成熟的、经过验证的翼型，如图2中所示的Clark-Y、RAF-6等，这些翼型的数据公开，可查，只要已知弦长b和最大厚度c，整个翼型的形状就可以确定了。

(3)任意截面的安装角、扭转角

安装角：任意半径截面翼型弦线与螺旋桨选择平面间的夹角，符号为θ。

扭转角：任意半径安装角与指定半径剖面安装角之差，符号为χ。指定半径通常选择0.75R。

2、螺旋桨运动学参数

螺旋桨剖面的各速度分量如图3所示。其中，阴影部分为剖面翼型。V₀为螺旋桨轴向前进速度；n_s为螺旋桨转速，2πrn_s为半径r处剖面的旋转线速度；v_t为环向诱导速度；v_a为轴向诱导速度。由图3可以看出，W₀为V₀与2πrn_s的合速度，W₁为V₁与2πrn_s-v_t的合速度，也是螺旋桨剖面相对于气流的速度。

3、其他参数

螺旋桨拉力T。T的国际单位为牛顿(N)，工程上也常用克(g)或千克(kg)作为拉力的单位，换算十分容易。

转速n或n_s。n的单位为转/分(r/min)，n_s的单位为转/秒(r/s)，二者满足n_s＝n/60。

4、无量纲化参数

本发明基于儒可夫斯基环量理论，需要采用一些无量纲的参数，介绍如下：

无量纲半径：

无量纲速度：

无量纲叶宽或弦长：(N_B为桨叶数目)

无量纲环量：

无量纲拉力：

以上作为背景技术介绍，可更好地理解下述发明内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种只需给定少量条件即可快速给出螺旋桨设计方案的旋翼式飞行器用空气推进螺旋桨的设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)给定设计条件

需要给定的设计条件为：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

本发明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：

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