[发明专利]一种螺旋桨叶片的设计方法

说明书

一种螺旋桨叶片的设计方法，采用最优载荷分布曲线进行螺旋桨设计，总结出叶素的当地有效功率与当地消耗功率的比值存在最佳分布曲线。根据该曲线进行螺旋桨设计不需要进行三维数值优化，即能够达到较高的空气动力效率。本发明能够缩短设计周期并对桨叶气动效率的提升有所帮助，无需进行三维数值优化设计，故设计周期仅需一到两天。

技术领域

本发明涉及航空器用螺旋桨设计方法，特别是一种针对中小型无人机螺旋桨气动外形的设计方法。

背景技术

现有螺旋桨设计中，一般首先确定初始数据(螺旋桨需用功率、前进速度、前进比、桨叶直径、叶片数)等技术指标，接下来进行螺旋桨的气动设计。利用二维叶素理论(比如广泛使用的Betz方法。)结合螺旋桨的初始数据确定桨叶展向各截面的翼型及其对应的扭转角。虽然二维的设计方法较为简单，但是实际螺旋桨是三维的，故二维设计很难达到应有的高效率。

目前，通常在二维设计的基础上用三维数值优化的方法进行气动性能优化设计。这类方法首先计算大量螺旋桨模型样本的气动性能，然后根据最优化搜索方法(如遗传算法、线性规划算法、最速下降算法等等)进行寻优。根据寻优结果再调整螺旋桨外形，继续进行三维数值计算、搜索，直至外形变化后性能达到最佳设计值。这类方法需要花费大量的时间，设计周期较长。

针对中小型无人机使用的螺旋桨设计，现有方法设计一个方案大约需要两周时间。然后，通常还需要与发动机及飞机总体进行若干轮次的协调和方案修改，因此往往提供一个真正可用的螺旋桨方案需要几个月的时间。螺旋桨的设计周期长是影响型号研制的瓶颈之一。为了虽短设计周期和提高螺旋桨的空气动力学效率，在数值计算方法计算速度无法很快提高的现实条件下，科技工作者们开始研究提出新的办法。【2010年10月，水动力学杂志，一种涡轮机械综合设计系统】采用了综合平台的方法，将需要优化的参数集成到一个软件平台上。这样可以有效缩短不同种类参数变化传递过程的时间，但是仍需要进行三维数值优化，节约的时间很有限。它是目前很大一类思路和方法的代表。【2017年3月，中国高新技术企业杂志，某型太阳能飞机高效螺旋桨设计】通过求解积分方程确定拉格朗日系数，再根据二维翼型的性能进行叶素参数布置。在太阳能无人机螺旋桨设计中取得成功。该方法属于二维方法，依然没有考虑各叶素间阻力的干扰和各叶素干扰的马赫数效应，其有效程度和传统Betz方法相当。【2012年4月，科学技术与工程杂志，径向载荷分布对螺旋桨气动性能影响的计算研究】是本发明人团队2012年的工作。论文研究了螺旋桨径向载荷分布(特指叶素推力分布和叶素功率分布)对螺旋桨气动效率的影响。研究表明单独观察叶素推力分布和叶素功率分布不能有效确定螺旋桨的总体效率。

发明内容

为克服螺旋桨空气动力设计中需要三维数值计算和优化、花费过长时间的问题，本发明一种螺旋桨叶片的设计方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定螺旋桨的总体参数；

所确定的螺旋桨的总体参数包括：需用功率50kW；桨叶数B＝4；桨叶直径D＝800mm；飞行高度H＝6000km；飞行速度V＝150km/h；螺旋桨转速n＝5500r.p.m.。

步骤2，选择翼型；

步骤3，确定叶素当地推力dT；

根据叶素当地效率确定叶素当地推力dT。

由式(3)确定叶素当地推力dT

式中：dT—叶素当地推力；η—叶素当地效率，由(9)式给出；—叶素当地相对半径；V—飞行速度；dW—叶素当地功率，按Betz条件确定。

所述的叶素是指沿桨叶径向垂直于半径切出的桨叶薄片。桨叶由沿径向不同半径处的叶素组合而成。

所述叶素当地效率的定义是：