[发明专利]一种自适应气动变距螺旋桨设计方法

摘要

本发明提出一种自适应气动变距螺旋桨设计方法，利用航空飞机纵向配平的概念和方法，在没有多余附加机构的情况下，对螺旋桨桨叶本身气动特性进行设计，通过类比飞机双翼或鸭式布局的配平原理，将桨叶设计为具有气动静稳定性的双桨叶布局，在具备提供高桨盘载荷能力的同时，对于不管是飞行速度变化或转速变化带来的前进比改变，都可以自动变距，从而使螺旋桨在较宽的飞行包线内都具有较好的自动变距特性。

主权项

1.一种自适应气动变距螺旋桨设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据垂直起降飞机的桨盘载荷需求，确定螺旋桨直径D及最大拉力T_max；步骤2：选择已有的升力系数及升阻比满足初始设定要求的翼型，并确定的翼型的设计迎角α；步骤3：根据桨尖马赫数限制确定最大转速；步骤4：进行桨叶的弦长与扭转角分布设计：步骤4.1：按照步骤3得到的最大转速，采用微小来流假设，桨叶片数为四片，以1.05～1.2倍的T_max作为设计拉力，且设计迎角比步骤2中的α增大1～2度，进行螺旋桨弦长与扭转角沿径向的分布设计，得到1号桨叶的弦长与扭转角分布；步骤4.2：按照步骤3得到的最大转速，采用微小来流假设，桨叶片数为四片，以0.8～0.95倍的T_max作为设计拉力，且设计迎角比步骤2中的α减小1～2度，进行螺旋桨弦长与扭转角沿径向的分布设计，得到2号桨叶的弦长与扭转角分布；步骤4.3：判断经过步骤4.1和步骤4.2设计得到的1号桨叶弦长与2号桨叶弦长的比值是否在0.7～0.9之间，且1号桨叶扭转角比2号桨叶对应扭转角大1～2度；若是，则步骤4结束；如果弦长比值偏小，则在步骤4.1中设定的范围内增加设计拉力或减小设计迎角，重新对1号桨叶的弦长与扭转角分布进行设计，或者在步骤4.2中设定的范围内减小设计拉力或增加设计迎角，重新对2号桨叶的弦长与扭转角分布进行设计；如果1号桨叶扭转角偏小，则在步骤4.1中设定的范围内增加设计迎角，重新对1号桨叶的弦长与扭转角分布进行设计，或者在步骤4.2中设定的范围内减小设计迎角，重新对2号桨叶的弦长与扭转角分布进行设计；步骤5：建立配平桨叶初始构型：建立四桨叶初始构型；四桨叶中相邻两片作为一组桨叶，共两组桨叶；为每组桨叶建立变距转轴轴线，共两组变距转轴，互呈180度夹角并以螺旋桨转轴中心对称；每片桨叶按照截面翼型弦长的1/4处为直线进行排列，将桨叶的1/4弦长连线作为桨叶的焦点线；对于每组桨叶，以螺旋桨旋转方向为角度的正方向，在前方的为前桨叶，在后方的为后桨叶，其中前桨叶使用1号桨叶，后桨叶使用2号桨叶；将螺旋桨转轴拉力方向记为高度正方向，桨叶前缘向上转动为桨叶抬头，后缘向上转动为桨叶低头；前桨叶焦点线与变距轴线的夹角为前桨叶角θ1，后桨叶与变距轴线的夹角为后桨叶角θ2；前、后桨叶焦点线与变距转轴轴线的距离分别为d1、d2；在初始构型中，前桨叶位于变距轴线前上方，使θ1为正值、d1为正值，后桨叶位于变距轴线后下方，使θ2为负值、d2为负值，并且使d1/d2＝sinθ1/sinθ2，θ1的绝对值小于θ2的绝对值；取任意径向位置r处的叶素，叶素对变距轴线的力臂L1和L2由桨叶间的几何关系计算得到，其中L1＝rsinθ1、L2＝rsinθ2，各个叶素对变距转轴的力矩为叶素自身气动力矩以及升力、阻力对变距转轴力矩的和；计算得到前桨叶和后桨叶对变距转轴的力矩M1、M2，则一组桨叶对变距轴的力矩为M1与M2的和M；将初始构型的桨叶位置作为变距基准位置，此时变距角度β为0；当一组桨叶绕变距轴线变距时，前桨叶和后桨叶产生安装角变化β1、β2，则前后桨叶实际的扭转角度分别为β1＝βcosθ1、β2＝βcosθ2；步骤6：建立桨叶性能函数：建立桨叶对变距转轴的力矩M和桨叶拉力T函数：(T,M)＝f(a1,a2,δ1,δ2,θ1,θ2,V,n,β,ρ)a1、a2、δ1、δ2、θ1、θ2为配平调节参数，V,n,β,ρ为状态参数；其中a1、a2为前后桨叶的弦长变化系数，δ1、δ2为前后桨叶的扭转角变化量；V为飞行速度、n为螺旋桨转速、β为变距角度、ρ为飞行高度下的空气密度；步骤7：根据设定的巡航状态获取飞行速度V和飞行高度下的空气密度ρ，计算初始构型在不同变距角度时的拉力‑转速曲线，然后根据拉力需求Tr选取巡航状态的使用转速n和所需变距角度β作为下一步配平调节时的状态参数；步骤8：优化配平：对于步骤6建立的性能函数(T,M)＝f(a1,a2,δ1,δ2,θ1,θ2,V,n,β,ρ)，在步骤7给定的状态参数V,n,β,ρ下，优化得到一组a1、a2、δ1、δ2、θ1、θ2，使M＝0，同时T≥Tr；步骤9：根据步骤8得到的优化配平结果，并结合步骤5中初始构型的几何关系，得到螺旋桨几何参数，完成气动变距螺旋桨设计。