渦槳教練機螺旋槳設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

陳雅麗，李鵬飛，胡志東，黃斌，饒祺

（中航工業(yè)洪都，江西南昌 330024）

渦槳教練機螺旋槳設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

陳雅麗，李鵬飛，胡志東，黃斌，饒祺

（中航工業(yè)洪都，江西南昌 330024）

渦槳教練機以其完美的節(jié)油特性越來越受用戶青睞，本文就渦槳教練機推進(jìn)部件螺旋槳的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行探討。簡要介紹了提高螺旋槳效率的一般技術(shù)，重點圍繞提高螺旋槳效率以及影響全機氣動特性的關(guān)鍵技術(shù)展開分析。

螺旋槳；效率；關(guān)鍵技術(shù)分析

0 引言

雖然航空推進(jìn)技術(shù)早已進(jìn)入噴氣時代，但是，在航空推進(jìn)技術(shù)發(fā)展史上起著重要作用的氣動部件螺旋槳并沒有退出這個領(lǐng)域。噴氣式發(fā)動機的飛速發(fā)展，曾經(jīng)使螺旋槳的研究一度處于停頓狀態(tài)。然而，隨著能源供給緊張的加劇，全球性的能源危機給螺旋槳的發(fā)展又帶來了新的活力。螺旋槳發(fā)動機以它在亞音速范圍內(nèi)無與倫比的節(jié)油優(yōu)點又重新引起人們的關(guān)注和重視。之前由于技術(shù)水平的限制，普遍選用現(xiàn)有螺旋槳作為飛機的推進(jìn)裝置。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，為了保證推力的高效使用，為每一款渦槳教練機量身定做專用的螺旋槳已經(jīng)成為必要，針對螺旋槳設(shè)計的技術(shù)研究也在蓬勃發(fā)展。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，瑞士是最大的渦槳教練機出口國，瑞士“皮拉圖斯”公司生產(chǎn)的PC-9M、PC-21在渦槳教練機市場競爭中占據(jù)上風(fēng)。具有典型代表的為瑞士派士飛機公司研制的渦槳式基礎(chǔ)教練機PC-7MkⅡM“渦輪教練機”、PC-9M“先進(jìn)渦輪教練機”和PC-21。巴西航空工業(yè)公司研制有1980年首飛的EMB-312“巨嘴鳥”和1991年首飛的EMB-314“超級巨嘴鳥”渦槳式基礎(chǔ)教練機。美國具有代表性的為豪客·比奇飛機公司研制的1998年首飛的T-6“德克薩斯人”Ⅱ渦槳式基礎(chǔ)教練機。意大利則有阿萊尼亞-馬基飛機公司研制的1980年首飛SF-260TP單發(fā)渦槳初級教練機。韓國具有代表性的為韓國工業(yè)界與韓國國防部國防開發(fā)局共同研制的1991年首飛的KT-1“雄飛”渦槳式基礎(chǔ)教練機[1]。

我國裝有螺旋槳的教練機則為1958年首飛的單發(fā)活塞初級教練機“初教6”飛機。其動力裝置為1臺功率164kw的HS6活塞發(fā)動機，驅(qū)動一副自動變距雙葉全金屬螺旋槳。國內(nèi)外典型渦槳教練機螺旋槳配置比較見表1。

表1 國內(nèi)外典型教練機螺旋槳配置

2 螺旋槳設(shè)計技術(shù)特點與探討

螺旋槳設(shè)計的核心內(nèi)容就是如何提高螺旋槳的推進(jìn)效率，哪些因素與螺旋槳的推進(jìn)效率有關(guān)值得研究。為此，從直徑、轉(zhuǎn)速與直徑匹配、槳葉數(shù)目、重量方面，簡要介紹了螺旋槳設(shè)計一般技術(shù)，以及如何提高螺旋槳的推進(jìn)效率。重點從翼型設(shè)計、螺旋槳滑流對飛機繞流影響方面，探討了螺旋槳設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)分析，以及對全機氣動效率的影響分析。

2.1 螺旋槳設(shè)計共性技術(shù)

2.1.1 螺旋槳直徑設(shè)計

螺旋槳的直徑是確定螺旋槳大小的主要尺寸。與發(fā)動機的功率、轉(zhuǎn)速、飛行高度、槳葉數(shù)等均有關(guān)系。在拉力一定的情況下，提高螺旋槳推進(jìn)效率的有效方法是增大槳葉直徑。但是增大槳葉直徑受到臨界馬赫數(shù)的限制，否則會在槳尖區(qū)出現(xiàn)激波，引起激波損失，使螺旋槳效率降低。同時螺旋槳的直徑也受到與其他結(jié)構(gòu)安裝配合的限制。

螺旋槳的初步設(shè)計時可用工程估算公式進(jìn)行計算：

對于相對厚度約10%的較厚翼型的低速螺旋槳Mtip≤0.8，對于相對厚度約6%的較薄翼型的高速螺旋槳Mtip≤(0.85-0.9)。

2.1.2 螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配設(shè)計

如果螺旋槳的槳距不變，在地面高度滿足推力要求的轉(zhuǎn)速在高空將不能滿足推力要求，因此需根據(jù)高度的不同，調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速，在額定功率限定范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)推力以保證螺旋槳正常工作。螺旋槳轉(zhuǎn)速太低，使發(fā)動機功率無法吸收，并且會導(dǎo)致發(fā)動機軸的輸出扭矩過大。轉(zhuǎn)速太快會導(dǎo)致噪聲太大。因此，必須對轉(zhuǎn)速加以限制。螺旋槳葉尖速度是葉尖相對于氣流的合成速度，Vtip應(yīng)取150-200m/s，上限不超過250m/s。

靜態(tài)時（飛行速度V=0）有

根據(jù)發(fā)動機功率和飛行速度，可得出螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑的匹配關(guān)系，某螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 某螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配關(guān)系曲線

2.1.3 槳葉數(shù)目設(shè)計

槳葉數(shù)目在螺旋槳的設(shè)計中也是一個非常重要的參數(shù)，直接影響螺旋槳的氣動特性和效率。槳葉數(shù)目的多少各有其利弊，數(shù)目多可以減少螺旋槳的直徑和寬度，從而減小迎風(fēng)阻力。同時，多槳螺旋槳更能有效的吸收發(fā)動機的功率。并且，槳葉數(shù)目多對降噪也會有很大的收益。但是，多槳葉也會帶來兩個方面的問題。問題一，增加槳葉數(shù)目會降低螺旋槳的效率，這是因為當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，多槳葉的螺旋槳槳葉之間更容易產(chǎn)生氣動干擾。問題二，增加槳葉數(shù)目會導(dǎo)致螺旋槳重量增加，一般每增加一片槳葉，螺旋槳重量增大23%～25%。因此，螺旋槳槳葉設(shè)計總是和復(fù)合材料聯(lián)系在一起，為了減少螺旋槳的重量，盡可能的減少螺旋槳的槳葉數(shù)。

2.1.4 螺旋槳重量設(shè)計技術(shù)

為了降低能源消耗，應(yīng)綜合考慮對螺旋槳的輕量化設(shè)計。高效、輕質(zhì)、適應(yīng)性強的螺旋槳將以采用輕質(zhì)高強度復(fù)合材料為主。同時還要裝配變轉(zhuǎn)速或者變槳距裝置，除了采用性能更好的材料外，對螺旋槳的外形要求非常高，設(shè)計過程中必須考慮螺旋槳的重量限制。

2.2 螺旋槳設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

2.2.1 螺旋槳翼型設(shè)計

螺旋槳翼型的形狀和尺寸對螺旋槳的工作性能產(chǎn)生直接影響。在螺旋槳發(fā)展過程中，常用的螺旋槳翼型有：英國RAF-6翼型、ARA-D翼型，美國Clark-Y翼型、NACA16翼型。其中，RAF-6翼型、Clark-Y翼型為二戰(zhàn)以前翼型，其形狀為平底翼型。NACA16翼型為典型的層流高速翼型，是二戰(zhàn)期間發(fā)展起來的翼型。ARA-D翼型是20世紀(jì)70年代后期英國利用跨音速翼型理論和計算機技術(shù)，發(fā)展起來的一種超臨界翼型[2]。并且螺旋槳槳葉翼型的厚度在不斷變化，根部翼型厚度一般在20%～30%，梢部厚度一般4%～7%。

由于螺旋槳翼型的槳尖馬赫數(shù)較大。因此，普通翼型在小迎角下也可能出現(xiàn)層流分離，升力系數(shù)增加緩慢，阻力系數(shù)增加迅速，翼型升阻特性顯著下降。在高馬赫數(shù)下會發(fā)生激波而引起層流分離，大大降低了翼型的氣動性能。因此，螺旋槳翼型在選取過程中應(yīng)重點選取翼型低阻坑范圍更寬，失速特性緩和，升阻特性好的翼型。常用的螺旋槳翼型升阻特性曲線如圖2所示。翼型優(yōu)化前后升阻特性曲線見圖3。

圖2 四種翼型在相同雷諾數(shù)下升阻特性曲線

2.2.2 螺旋槳滑流對飛機繞流的影響研究

螺旋槳的滑流是一種非管道控制的流動，流動特性比較復(fù)雜。一般來說，滑流對飛機各部件的影響范圍，大致只與螺旋槳的直徑及其在飛機上的安裝位置有關(guān)。螺旋槳滑流對飛機表面壓力分布有著重要的影響，它對機翼、尾翼等升力面的影響研究意義更重要?；鲗⒏淖円砻娴膲毫Ψ植迹菪龢幕饔绊懣梢詳U展到機翼、尾翼相當(dāng)大的范圍，尤其是各剖面的前緣。因此，確定螺旋槳滑流在飛機上的作用范圍有著重要的意義。有必要研究滑流引起飛機氣動特性的變化，重點研究其氣動特性變化的機理。如果設(shè)計的不好，螺旋槳滑流可以在很大程度上降低飛機的氣動效率；相反，如果設(shè)計的好，螺旋槳滑流可以大大提高飛機的氣動效率。目前，螺旋槳研究理論主要有動量理論和葉素理論，而在重點研究螺旋槳滑流對飛機部件影響的情況下，主要選用簡化的動量理論和模型即將螺旋槳近似圓盤處理[3]。某教練機機翼典型剖面的螺旋槳滑流影響壓力分布對比曲線見圖4，從圖中能清楚的看出在滑流影響區(qū)外的翼根和翼梢區(qū)域，壓力分布變化不大，但壓力系數(shù)所包含的面積略有增大。在滑流影響區(qū)內(nèi)，壓力分布變化明顯，壓力系數(shù)所包含的面積明顯增大。即升力系數(shù)增大，滑流有明顯的增升效果。

圖3 某螺旋槳翼型優(yōu)化前后升阻特性曲線

圖4 螺旋槳滑流影響壓力分布對比曲線

3 結(jié)語

飛機的各個部件設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對于渦槳教練機提供推進(jìn)動力的螺旋槳設(shè)計更需要多方向、綜合性的考慮。必須結(jié)合飛機的類型、用途、技術(shù)指標(biāo)要求等突出重點要素，設(shè)計出與之匹配的性能良好的螺旋槳。本文以渦槳教練機螺旋槳設(shè)計技術(shù)特點為出發(fā)點，給出了螺旋槳設(shè)計的共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，重點分析了螺旋槳設(shè)計的技術(shù)難點，在以渦槳發(fā)動機為動力的飛機的螺旋槳設(shè)計方面提供了一定的技術(shù)參考。

[1]世界飛機手冊編委會.世界飛機手冊2011 [M].北京：航空工業(yè)出版社,2011.

[2]方寶瑞.飛機氣動布局設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社,1997.

[3]劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

>>>作者簡介

陳雅麗，女，1982年4月出生，2004年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機總體氣動設(shè)計工作。

Key Technology Analysisw ith Propeller of Turboprop Trainer

Chen Yali,,LiPengfei,Hu Zhidong,Huang Bin,Rao Qi
(AVICHongdu Aviation Industry Croup,Nanchang,Jiangxi,330024)

More peop le like Turboprop Trainer because it'smore economic on fuel.This paper discusses the propeller design technology of turboprop trainer.The normal technologies are briefed.The key technologies are introduced in detailsby discussion ofhow to improve theefficiency of propeller and aerodynamic characteristicsof turboprop trainer.

propeller;efficiency;key technology analysis

2013-12-02)