一种高空螺旋桨快速迭代生成方法技术

本发明专利技术提出一种高空螺旋桨快速迭代生成方法，其包括步骤：第一步：确定螺旋桨直径；第二步：确定螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度；第三步：选取高空螺旋桨翼型；第四步：确定高空螺旋桨桨叶数；第五步：确定螺旋桨桨叶扭转角；第六步：确定螺旋桨最终参数。本发明专利技术针对高空螺旋桨的特性展开研究，在分析螺旋桨各设计参数对螺旋桨性能影响的基础上，结合20km高度平流层的环境因素，将作为一个直接相关于桨尖马赫数与当地声速的变量，基于螺旋桨片条理论，提出一种快速有效的高空螺旋桨的生成方法。

A fast iterative generation method for high altitude propeller

【技术实现步骤摘要】
一种高空螺旋桨快速迭代生成方法
本专利技术涉及螺旋桨
，特别涉及一种高空螺旋桨快速迭代生成方法。
技术介绍
近年来，临近空间因其特殊的战略地位越来越受到世界各国的关注。由于平流层低温、低风速、低大气密度等环境因素，目前临近空间无人机主要采用电机驱动螺旋桨的推进动力方式，而螺旋桨的性能不仅会直接涉及无人机浮空飞行与控制能力，还会对无人机的能源系统产生重大影响，是决定高空成败的关键。在20km高度的平流层，空气密度仅为海平面大气密度的1/14。而该高度动粘性系数为地面动粘性系数的11倍。20km平流层温度为-56.5°，导致该区域声速下降至295.1m/s。由雷诺数Re的定义可知，在平流层环境下，相同尺寸的螺旋桨在来流速度与螺旋桨桨尖马赫数相同的情况下，Re仅为海平面的7.87％。高空螺旋桨的效率直接决定了高空能源系统的质量，这直接影响到高空的航时与可携带载荷质量。所以高空螺旋桨的设计目标是，在设计点满足要求推力的同时有较大的效率，将电机的功率尽可能有效地低损耗地被气流吸收。所以对高空螺旋桨设计的过程中，不仅要考虑低雷诺数下桨叶上层流分离的影响，还要兼顾桨尖马赫数过大可能导致的激波阻力和诱导分离对螺旋桨效率的负面作用。目前对于螺旋桨的设计主要有图谱法和空气动力学理论法两种。图谱法指的是按照所给的各种不同的螺旋桨族的空气动力学特性曲线，来选择螺旋桨。根据满足要求的某些系列的特性曲线，选出在给定高度、飞行速度、功率和发动机转数下对应的螺旋桨效率。应用图谱法进行设计的特点是计算简单方便，易于掌握，绝大多数低空螺旋桨设计都采用这种方法。但当前，针对高空的低雷诺数、高马赫数螺旋桨的设计图谱则十分有限，且设计精度较低，这使得高空螺旋桨应用图谱法进行设计受到较大限制。空气动力学理论法与图谱法相比更具灵活性，且目的明确，精度更高，通常用于设计新型螺旋桨。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种高空螺旋桨的迭代生成方法，解决对高空螺旋桨设计资源有限且设计过程复杂的问题。对此，本专利技术提出一种高空螺旋桨快速迭代生成方法，其包括步骤：第一步：确定螺旋桨直径；第二步：确定螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度；第三步：选取高空螺旋桨翼型；第四步：确定高空螺旋桨桨叶数；第五步：确定螺旋桨桨叶扭转角；第六步：确定螺旋桨最终参数。由于平流层低温低密度的特殊环境，高空螺旋桨具有低雷诺数的特点，这给设计适用于高空的高效螺旋桨带来了新的挑战。本专利技术首先分析了20km平流层的大气环境与国内外对高空螺旋桨的研究成果。然后，结合螺旋桨片条理论对高空螺旋桨进行气动分析。最后，讨论了各设计参数与推力、效率的关系，从设计指标出发，提出了一种估算高空螺旋桨直径与桨距的有效方法，并经过迭代决定各设计参数。为高空螺旋桨的设计与研究提供了方法参考。附图说明图1为叶素横截面示意图。图2为某设计螺旋桨桨叶扭转角沿径向分布。具体实例方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做出详细说明。图1为叶素横截面示意图。图2为某设计螺旋桨桨叶扭转角沿径向分布。其中，1.VF为来流速度，2.Ω×r为桨叶在螺旋桨旋转角速度Ω时的圆周速度，3.ωa和ωt分别为轴向与周向的诱导速度，4.V为上述各速度的合速度，5.叶素的实际迎角α为扭转角β与来流角的差，6.L与D分别为叶素的升力与阻力。本专利技术一种高空螺旋桨快速迭代设计方法的技术方案为：第一步：确定螺旋桨直径。Ct为螺旋桨无量纲性能参数之一，称为推力系数，如式(1)所示，其中，T为螺旋桨推力，ρ为大气密度，n为每秒钟转速(n＝RPM/60)，D为螺旋桨直径。在低雷诺数条件下，当螺旋桨螺距与直径比(p/D)相同的情况下，推力系数Ct与转矩系数Cq基本相同，而直径较大的螺旋桨效率更高。这是因为较大直径的螺旋桨桨叶的雷诺数较大，相应地，叶素高升阻比的区域也较大，并推迟了失速迎角的产生。适当增大螺旋桨直径是有意义的，然而螺旋桨的直径大小还要受安装空间、结构质量、加工难度等多方面限制，故应权衡设计，所以，当螺旋桨推力系数、推力、大气密度给定的情况下，要充分利用螺旋桨的转速。受空气压缩性的影响，当马赫数增大到一定程度，桨尖将形成激波，由于激波阻力的影响，螺旋桨效率将大大降低，并产生巨大的噪声。一般地，将桨尖马赫数取为尽可能大的0.75，将nD看作一个变量，该变量与桨尖速度成正比关系，此时πnD＝0.75Vs(Vs为声速)，代入当地声速Vs，可得nD。由前进比J＝VF/(nD)可知，来流风速确定的情况下(北京上空20km的VF＝15m/s)，J易得，此时问题则演变成使该设计点效率最大的螺旋桨设计问题。本专利技术中，确切的Ct值将经过一定的迭代确定，Ct的初始值由设计者的经验给出，一般地，两叶桨可以取Ct0＝0.1。这样，在以确定推力为设计目标时，即可以初步估算出高空螺旋桨的直径。第二步：确定螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度。桨叶宽度表现在叶素上即为叶素弦长。理论上，桨叶宽度增大则螺旋桨推力系数增大，使螺旋桨在低密度环境下可以更多的吸收功率，但受螺旋桨自重、桨叶数目和迎风阻力等因素的制约，桨叶宽度应适当。由于螺旋桨推力主要产生在60％-90％半径间的桨叶部位，所以这部分的桨叶宽度应适当增大；而桨叶根部要承受较大的离心力，这部分桨叶也应尽量加宽以满足强度要求。高空螺旋桨桨叶宽度的设计参数比较固定，可以参考NASA高空无人机螺旋桨的设计，如式(2)所示，式中x为叶素所在位置。c＝(0.084241-0.85789x+4.7176x2-9.6225x3+8.5004x4-2.7959x5)D(2)将第一步中算得的螺旋桨直径D代入上式，验证螺旋桨宽度是否利于加工，当满足加工条件则继续以下步骤，如不满足则返回第一步。由于平流层的特殊环境，目前主要采用的动力推进系统仍然是电机驱动螺旋桨的方式。相比油机驱动的螺旋桨，电机驱动的螺旋桨在桨叶厚度方面更薄更轻，效率更高，性能更好。这是因为油机驱动螺旋桨要克服周期应力的冲击，而电机驱动的螺旋桨转动更稳定流畅。根据空气动力学理论，翼型相对厚度减小，翼型的临界马赫数随之增大。翼型较薄时动态升阻比相对较大。所以桨叶厚度的分布要综合桨叶宽度、材料强度限制的基础上尽量取薄。一般而言，当桨叶宽度与翼型确定后，螺旋桨桨叶厚度基本确定，故螺旋桨桨叶厚度的分布是标准化的。第三步：选取高空螺旋桨翼型。无论是机翼还是螺旋桨，设计者都会优先选择升阻比高、失速特性缓慢的翼型。而高空螺旋桨因其低雷诺数的气动特点，常规的翼型并不适用。对低雷诺数翼型的研究表明，对称翼型不适用于低雷诺数环境，极曲线中部区域越垂直越好，相对厚度位置设在20％-26％左右会更有利于获得较大的动态升阻比。对高空螺旋桨而言，最大推力发生在旋转半径约75％的叶剖面处，一般地取该处雷诺数为螺旋桨雷诺数，由75％的桨叶弦长与气流速度，得到所设计螺旋桨当地雷诺数。当已知雷诺数的情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空螺旋桨快速迭代生成方法，其特征在于，其包括步骤：/n第一步：确定螺旋桨直径；/n第二步：确定螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度；/n第三步：选取高空螺旋桨翼型；/n第四步：确定高空螺旋桨桨叶数；/n第五步：确定螺旋桨桨叶扭转角；/n第六步：确定螺旋桨最终参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种高空螺旋桨快速迭代生成方法，其特征在于，其包括步骤：
第一步：确定螺旋桨直径；
第二步：确定螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度；
第三步：选取高空螺旋桨翼型；
第四步：确定高空螺旋桨桨叶数；
第五步：确定螺旋桨桨叶扭转角；
第六步：确定螺旋桨最终参数。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步：确定螺旋桨直径包括：
Ct为螺旋桨无量纲性能参数之一，称为推力系数，如式(1)所示，



其中，T为螺旋桨推力，ρ为大气密度，n为每秒钟转速，n＝RPM/60，D为螺旋桨直径；
在低雷诺数条件下，当螺旋桨螺距与直径比p/D相同的情况下，推力系数Ct与转矩系数Cq基本相同，
将桨尖马赫数取为尽可能大的0.75，将nD看作一个变量，该变量与桨尖速度成正比关系，此时πnD＝0.75Vs，Vs为声速，代入当地声速Vs，可得nD；
由前进比J＝VF/(nD)可知，来流风速VF确定的情况下，J可被求得，
确切的Ct值将经过的迭代确定，Ct的初始值经验给出，在以确定推力为设计目标时，即能够由式(1)算出高空螺旋桨的直径。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步：螺旋桨桨叶宽度与桨叶厚度设计包括：
桨叶宽度表现在叶素上即为叶素弦长，高空螺旋桨桨叶宽度的设计参数如式(2)所示，式中x为叶素所在位置；
c＝(0.084241-0.85789x+4.7176x2-9.6225x3+8.5004x4-2.7959x5)D(2)
将第一步中算得的螺旋桨直径D代入上式，验证螺旋桨宽度是否利于加工，当满足加工条件则继续以下步骤，如不满足则返回第一步。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步：选取高空螺旋桨翼型包括：
当已知雷诺数的情况下选择翼型时，根据实际需求，所选择的翼型具有令人满意的失速攻角、最大升力系数、升阻比，而且需要受雷诺数影响较小，发生层流分离的临近雷诺数较低，适合选作高空螺旋桨的叶素翼型。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步：确定高空螺旋桨桨叶数包括：
高空螺旋桨桨叶数目的确定，综合电机的功率、动力推进系统的布局、能源的平衡与载重等多方面因素考虑；当高空载重与能源作为因素考虑时，应从螺旋桨效率方面考虑，桨叶数目应尽可能取小；如果高空对螺旋桨的尺寸或个数有限制，或者电机性能未能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超伦，韩朝，郑日升，
申请(专利权)人：北京电子工程总体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11