低速槳葉翼型設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析

秦 潔，邵偉平，何敏桃，石玉杰

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 1.裝備工程學(xué)院；2.機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

低速槳葉翼型設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析

秦 潔1，邵偉平2，何敏桃2，石玉杰1

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 1.裝備工程學(xué)院；2.機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

針對(duì)飛行器槳葉翼型設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。在翼型氣動(dòng)特性及槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)上充分考慮槳葉氣動(dòng)性能的影響因素，借助氣動(dòng)力分析方法進(jìn)行槳葉翼型氣動(dòng)力特性影響分析，結(jié)果表明：提高了翼型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、縮短設(shè)計(jì)周期。

槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)；翼型；氣動(dòng)特牲分析

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，利用信息化技術(shù)進(jìn)行旋翼螺旋槳的槳葉設(shè)計(jì)制造成為趨勢(shì)[1-2]。早期，受限于信息化技術(shù)以及加工工藝、材料等客觀技術(shù)條件，旋翼槳葉主要采用矩形槳葉或簡(jiǎn)單線性扭轉(zhuǎn)槳葉[3-4]。隨著相關(guān)技術(shù)的推出，尤其是計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，許多飛行器的槳葉均采用扭轉(zhuǎn)槳葉代替普通矩形翼[5-6]，從而改善旋翼的氣動(dòng)特性。

根據(jù)扭轉(zhuǎn)槳葉設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)大量分析與試驗(yàn)可知：在低速槳葉扭轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)中有許多共性的問(wèn)題，如低速翼型的一般氣動(dòng)特性[7-8]、垂直飛行槳葉的安裝角的設(shè)定等[9]。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析方法，針對(duì)翼型的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析，建立有效的分析模型；通過(guò)不同參數(shù)的設(shè)定與分析，確定相應(yīng)的翼型參數(shù)，且得到相關(guān)參數(shù)對(duì)槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的影響規(guī)律。

1 低速槳葉翼型設(shè)計(jì)模型

采用動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格方法[11-12]進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，旋翼槳葉的運(yùn)動(dòng)子域網(wǎng)格相對(duì)于機(jī)身的靜止網(wǎng)格做動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，各自存在一定的重疊區(qū)域，以保證動(dòng)態(tài)嵌套過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳遞。

旋翼扭轉(zhuǎn)槳葉剖面為T16翼型，無(wú)槳根切除和槳尖削、下反及后掠。整個(gè)計(jì)算空間生成四面體非結(jié)構(gòu)嵌套網(wǎng)格，分為兩個(gè)子域網(wǎng)格。圖1a為靜止子域網(wǎng)格切片圖(單獨(dú)考慮槳葉的氣動(dòng)特性，略去機(jī)身對(duì)槳葉的影響，故沒(méi)有機(jī)身)，圖1b為整體嵌套網(wǎng)格的切片重疊顯示圖。該嵌套網(wǎng)格方法可確保在不同時(shí)間站位上兩個(gè)子域網(wǎng)格之間均會(huì)有適當(dāng)?shù)闹丿B區(qū)域，且無(wú)需重新生成洞邊界，無(wú)需建立Inverse Map網(wǎng)格[13]，提高了子域網(wǎng)格生成和動(dòng)態(tài)嵌套的效率。

圖1 槳葉嵌套網(wǎng)格圖

2 低速槳葉翼型氣動(dòng)特性分析

2.1 邊界條件

分析主旋翼T16翼型，設(shè)定工作環(huán)境為1km高空，旋翼翼展D=660mm，轉(zhuǎn)速n分別取1000rpm、2000rpm、3000rpm，翼型的弦長(zhǎng)c=60mm。

選擇扭轉(zhuǎn)槳葉0.7R處的幾何安裝角φ0.7R為槳葉安裝角[14]，此時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速n=2000rpm時(shí)，0.7R處來(lái)流速度為

建立T16翼型的模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。設(shè)定邊界條件，將不同來(lái)流的速度大小分別設(shè)置為25m/s、50m/s、75m/s，來(lái)流方向從-8°～14°。

圖2 翼型及網(wǎng)格劃分

2.2 氣動(dòng)特性分析

腹脹兼口苦服保和丸 平時(shí)胃腸功能不好，經(jīng)?？诳喔姑洠霈F(xiàn)消化不良、惡心嘔吐時(shí)可選擇保和丸。它可健脾理氣、燥濕化痰。

根據(jù)不同來(lái)流進(jìn)行相應(yīng)的仿真，T16翼型的主要?dú)鈩?dòng)特性曲線如圖3所示。

最有利狀態(tài)點(diǎn)與最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)處于零升阻力系數(shù)到最大升力系數(shù)之間。最有利狀態(tài)點(diǎn)k1=(Cl/Cd)max，即求y=k1x與極曲線方程的交點(diǎn)，使k1取最大值，此時(shí)，k1為最大升阻比；最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)k2= (Cl3/2/Cd)max，即求y3/2=k2x與極曲線方程的交點(diǎn)，使k2取最大值。最有利狀態(tài)點(diǎn)和最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)的的計(jì)算流程如圖4所示。

設(shè)置運(yùn)行步數(shù)為10000，根據(jù)極曲線方程及特性曲線與阻力特性曲線[15]，求得：最有利狀態(tài)點(diǎn)α1= 2.7°，此時(shí)Cl= 1.2939，Cd= 0.05283；最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)α2= 3.1°，此時(shí)Cl= 1.3283，Cd= 0.05483。所以最佳迎角αk∈( 2.7°,3.1° )。綜合考慮航程與續(xù)航時(shí)間，取最佳迎角αk= (α1+α2) / 2。

圖3 翼型氣動(dòng)特性

圖4 最有利狀態(tài)點(diǎn)與最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)的求解程序流程圖

3 槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

3.1 槳葉扭轉(zhuǎn)的幾何模型

當(dāng)以速度V垂直上升(或下降)，槳葉以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉不同半徑r處的圓周速度為ωr。槳心處(r= 0)無(wú)圓周速度，槳尖處的圓周速度為ωR(R為旋翼半徑，R=D/2)。示意圖如圖5所示，在某剖面段處槳葉剖面的相對(duì)合成氣流Γ為V、v1與ωr的矢量和[14]，由此可見(jiàn)，不同r處，合成速度Γ大小與方向均是變化的，其中軸向來(lái)流速度除了上升速度V外，還有誘導(dǎo)速度v1。

圖5 垂直上升時(shí)槳葉剖面空氣動(dòng)力一般特性圖

圖5中，槳葉幾何安裝角φ定義為旋轉(zhuǎn)平面與翼弦(翼型的弦長(zhǎng)線)之間的夾角；槳葉迎角α定義為相對(duì)來(lái)流速度Γ與翼弦之間的夾角，即使在懸停狀態(tài)；由于誘導(dǎo)速度的存在，α不等于φ；來(lái)流角ε定義為相對(duì)來(lái)流速度Γ與旋轉(zhuǎn)平面間夾角。則有

(2)

根據(jù)垂直飛行的動(dòng)量理論[10]與葉素理論，誘導(dǎo)速度可以表示為

(3)

式中：b為槳葉葉片數(shù)；V為勻速上升或下降速度，當(dāng)勻速下降時(shí)，V的值為正；c為弦長(zhǎng)。

3.2 槳葉扭轉(zhuǎn)參數(shù)計(jì)算

槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)既設(shè)計(jì)槳葉不同站位r處幾何安裝角，其目的是使不同站位r處截面翼型實(shí)際工作時(shí)均處于最佳迎角。

為精確快速求解不同翼型、不同站位r所對(duì)應(yīng)的φ的設(shè)定，根據(jù)式(2)、式(3)，其計(jì)算流程如圖6所示，其中初始幾何安裝角賦值φ>α0。

圖6 槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)程序流程圖

在計(jì)算上可以是不同的翼型與翼展，同時(shí)也可反映槳盤實(shí)度(即：b、c等參數(shù))對(duì)誘導(dǎo)速度、幾何安裝角度的影響。

通過(guò)分析T16翼型氣動(dòng)特性，獲得k=6.43rad-1，α0=-6°，αk=2.9°，c=60mm，同時(shí)，設(shè)定b=2，假定ω=209.44rad/s(即2000r/min)，初始φ=0°>α0。

當(dāng)V=0m/s，即處于懸停狀態(tài)時(shí)，得表1所示的旋翼槳葉在不同站位處幾何安裝角φ的設(shè)定值。

表1 懸停狀態(tài)r-φ的設(shè)定值

當(dāng)V=2m/s，即飛行器垂直向下以2m/s的速度勻速飛行，得表2所示的旋翼槳葉在不同站位處幾何安裝角φ的設(shè)定值。

表2 2m/s勻速下降時(shí)r-φ的設(shè)定值

改變轉(zhuǎn)速，懸停狀態(tài)的槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與表1的結(jié)果相同，說(shuō)明懸停狀態(tài)槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)；2m/s勻速下降的槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與表2的結(jié)果不同，說(shuō)明與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

4 槳葉模型仿真分析

結(jié)合不同槳葉的工作狀況，分別考慮懸停狀態(tài)(表1)及以2m/s勻速下降(表2)的槳葉。其中，槳葉的轉(zhuǎn)速為2000rpm，表1與表2的槳葉均設(shè)定懸停與2m/s勻速下降兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得表3。

表3 兩種槳葉不同狀態(tài)的氣動(dòng)特性

由此可以看出：(1)不同槳葉在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的氣動(dòng)特性存在差異；(2)在懸停狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的表1的槳葉，相比較于2m/s勻速下降的表2的槳葉更適用于懸停狀態(tài)；同時(shí)，表2的槳葉更適用于2m/s勻速下降。因此，在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下設(shè)計(jì)的槳葉分別適用于自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié)論

對(duì)槳葉轉(zhuǎn)速為2000rpm時(shí)的懸停狀態(tài)和2m/s勻速下降狀態(tài)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明適用于各自的工作狀態(tài)。計(jì)算機(jī)輔助槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可方便地進(jìn)行不同翼型和翼展的設(shè)計(jì)，也可進(jìn)行槳葉轉(zhuǎn)速、上升(下降)速度、槳盤等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，以及對(duì)誘導(dǎo)速度、幾何安裝角度的確定。在懸停狀態(tài)下，槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

在確定的槳葉工作狀況下，采用計(jì)算機(jī)輔助翼型的氣動(dòng)特性分析，可準(zhǔn)確、有效地獲得翼型的一般氣動(dòng)特性，簡(jiǎn)化翼型的分析與計(jì)算，降低計(jì)算成本。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Low-speed Blade Twist Designs and Its Aerodynamic Characteristics Analysis

QIN Jie,SHAO Weiping ,HE Mintao,SHI Yujie

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The method of CAD is used for the aircraft Blade design.The influence factors of aerodynamic performance are taken into account on the airfoil profile aerodynamics and blade twist design.The aerodynamic characteristic of blade airfoil is analyzed using the method of aerodynamic analysis.The result shows that the design cycle is reduced and the design accuracy is improved.

blade twist design;airfoil profile;aerodynamic characteristic

2014-08-01

秦潔(1963—) 女，教授，研究方向：彈藥設(shè)計(jì)與模擬仿真技術(shù).

1003-1251(2015)04-0024-05

V224

A