輕型飛機螺旋槳選型與安裝設(shè)計

田 鈞，鄭里鷲，龍 飛，王根輝

(中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

定距螺旋槳是指使用過程中槳葉安裝角固定的螺旋槳，其具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、維修簡單等特點，主要應(yīng)用于小功率的輕型和超輕型飛機[1-2]。定距螺旋槳槳葉固定不能變距，在飛機的起飛、爬升、巡航等不同階段，槳葉角不能隨發(fā)動機功率的變化而增大或減小，造成螺旋槳吸收的功率與發(fā)動機輸出的功率在恒速下不能良好協(xié)調(diào)匹配，螺旋槳在不同飛行狀態(tài)下均不能具有較高的氣動效率[3-4]。對于螺旋槳的選型，需要根據(jù)廠商提供的性能曲線與飛機進行匹配選取，在選取安裝角時應(yīng)兼顧各方需求，使飛機在不同飛行階段都能獲得可接受的螺旋槳氣動效率，尤其是應(yīng)滿足起飛階段與巡航階段的拉/推力需求[5-6]。

目前，世界范圍內(nèi)輕型飛機定距螺旋槳的制造商主要有SENSENICH、WARPDRIVE、NEUFORM、WOODCOMP、IDROVARIO、POWERFIN和斯塔娜等公司。如何對螺旋槳進行有效的選型與安裝，實現(xiàn)螺旋槳與發(fā)動機的良好匹配并獲得較高的效率，是飛機總體設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外定距螺旋槳主要應(yīng)用在通用航空器上，尤其是以輕型運動航空器(LSA)和超輕型運動航空器(ULA)應(yīng)用最多，這類飛行器主要安裝的發(fā)動機類型為活塞發(fā)動機[7-9]。由于該類飛機螺旋槳設(shè)計生產(chǎn)廠商較多，因此飛機設(shè)計和制造公司在螺旋槳選型與安裝設(shè)計的時候，往往直接參照已有機型的螺旋槳尺寸和安裝角度進行選型和安裝設(shè)計，忽略了對螺旋槳最佳直徑的選取，螺旋槳安裝角也僅通過地面試驗摸索出來，缺乏有效的選型方案，造成飛機油耗增加、噪聲增大或拉/推力不足[10-12]。

本文以某輕型飛機的螺旋槳選型與安裝設(shè)計為依據(jù)，提出一套輕型飛機螺旋槳選型與安裝設(shè)計方案，該方案可為飛機設(shè)計師在輕型飛機螺旋槳選型與安裝設(shè)計時提供有效的技術(shù)參考。

1 總體方案設(shè)計

螺旋槳的選型和安裝應(yīng)與飛機以及發(fā)動機進行一體化設(shè)計，以某輕型飛機為例，該輕型飛機總體設(shè)計指標有以下限制條件：1)飛行高度不大于3 000 m；2)巡航高度1 000 m；3)最大飛行速度222 km/h；4)巡航速度190 km/h；5)起飛速度80 km/h；6)槳直徑不大于1.7 m；7)飛機巡航拉力需求不小于823.2 N；8)飛機起飛拉力需求不小于1 960 N。

匹配該飛機的某型發(fā)動機運行參數(shù)見表1。

2 螺旋槳選型設(shè)計

2.1 螺旋槳直徑選取

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，提高螺旋槳氣動效率的有效方法是增大槳葉直徑，但槳葉直徑選取受到臨界馬赫數(shù)的限制，在飛機發(fā)動機大轉(zhuǎn)速運行時，增大槳葉直徑，槳尖合成速度會急劇增大，導(dǎo)致槳尖區(qū)域出現(xiàn)激波，并引起激波損失，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。由于定距螺旋槳安裝角是不變的，同轉(zhuǎn)速下提供的拉力或推力是一樣的，而飛機在不同飛行高度對拉力或推力的需求不同，因此需要根據(jù)飛行高度的變化，控制油門調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使得其在額定功率限定的范圍內(nèi)產(chǎn)生的拉力或推力可以滿足飛機正常的飛行需求。同時螺旋槳安裝角設(shè)計還要保證飛機在巡航狀態(tài)下螺旋槳氣動效率最高，以達到總體設(shè)計的經(jīng)濟性要求。

表1 發(fā)動機相關(guān)運行參數(shù)

在實際工程應(yīng)用中，輕型飛機主要選擇的是三葉螺旋槳與兩葉螺旋槳，由于在相同的螺旋槳直徑下三葉螺旋槳的氣動效率大于兩葉螺旋槳的氣動效率，所以選擇三葉螺旋槳作為飛機裝機槳。

發(fā)動機齒輪箱減速比為2.428 6時，計算可得在起飛、爬升和巡航狀態(tài)下螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為2 388，2 265和2 059 r/min。螺旋槳槳尖合成速度Vtip為葉尖相對于氣流的合成速度：

(1)

式中：V為飛機的飛行速度，m/s；D為螺旋槳直徑，m；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s。

考慮到噪聲的影響，通常取Vtip為150～200 m/s，上限不超過250 m/s。將發(fā)動機功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n、飛機飛行速度V代入式(1)可得螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑的匹配關(guān)系，計算可得功率、槳尖合成速度與螺旋槳直徑的關(guān)系見表2。

表2功率、槳尖合成速度與螺旋槳直徑關(guān)系m

Vtip150m/s200m/s250m/s最大功率1.201.602.00100%額定功率1.271.692.1175%額定功率1.391.852.32

由表2可得，Vtip為200 m/s時對應(yīng)的螺旋槳直徑大于Vtip為150 m/s時對應(yīng)的直徑。通常情況下，螺旋槳的直徑越大其氣動效率越高，由此說明Vtip為200 m/s時對應(yīng)的螺旋槳氣動效率較高。結(jié)合飛機一個飛行周期的典型推力需求情況可知，其在起飛階段以最大功率起飛，但巡航階段主要用75%～100%額定功率狀態(tài)飛行，所以螺旋槳直徑應(yīng)選擇1.60～1.85 m為最佳。結(jié)合螺旋槳直徑與葉數(shù)以及總體結(jié)構(gòu)限制要求，暫選某型直徑為1.68 m三葉螺旋槳作為該輕型飛機裝機螺旋槳。

2.2 螺旋槳氣動效率選取

由于初選的螺旋槳參數(shù)僅作為該輕型飛機螺旋槳選型的參考，因此在螺旋槳直徑D的范圍、轉(zhuǎn)速n、槳葉數(shù)B等暫定之后，需按照螺旋槳性能關(guān)系曲線選擇螺旋槳氣動效率，進而確定螺旋槳型號。可分別算出飛機在起飛、爬升、巡航等狀態(tài)下的進距比J和功率系數(shù)Cp，在螺旋槳性能關(guān)系曲線圖上找出對應(yīng)的效率范圍，看其能否滿足飛機在起飛、爬升、巡航等狀態(tài)下總體設(shè)計的要求。進距比J計算公式如下：

(2)

由式(2)可以計算出在不同發(fā)動機功率下巡航和最大飛行速度V對應(yīng)的進距比J，見表3。

表3 進距比的要求

要使槳尖合成速度保持在亞音速，螺旋槳進距比J必須滿足以下公式：

(3)

式中：M為飛行馬赫數(shù)，M=V/a，其中a為設(shè)計巡航高度聲速，a=336 m/s；Mtip為槳尖合成馬赫數(shù)，Mtip=Vtip/a。經(jīng)計算可得暫選的某型直徑為1.68 m的三葉螺旋槳滿足式(3)的要求。

螺旋槳功率系數(shù)Cp計算公式如下：

(4)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；P為發(fā)動機功率，W。

結(jié)合總體設(shè)計指標限制條件，由式(4)計算可得不同功率狀態(tài)下螺旋槳功率系數(shù)。75%額定功率對應(yīng)的功率系數(shù)為0.078，100%額定功率對應(yīng)的功率系數(shù)為0.104，最大功率狀態(tài)對應(yīng)的功率系數(shù)為0.111。結(jié)合該型號的螺旋槳功率系數(shù)，繪制螺旋槳功率系數(shù)、安裝角和進距比關(guān)系如圖1所示。

圖1 螺旋槳功率系數(shù)、安裝角和進距比關(guān)系曲線

由圖1可以初步確定，該螺旋槳的安裝角范圍為22.5°～30.0°。一般廠家給出的螺旋槳氣動效率數(shù)據(jù)都是自由流數(shù)據(jù)，然而在實際工程中由于機身的干擾會產(chǎn)生氣流的阻滯作用，所以需要根據(jù)該輕型飛機總體設(shè)計數(shù)據(jù)，對廠家給出的螺旋槳自由流特性數(shù)據(jù)進行修正，修正公式如下：

Jeff=(1-h)J

(5)

其中：

(6)

式中：Jeff為修正后的進距比；Sc為機身最大迎風(fēng)面積。該型號輕型飛機Sc=0.86，修正后得到某型號螺旋槳氣動效率Eta、安裝角β與進距比Jeff關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 螺旋槳的效率、安裝角與進距比關(guān)系曲線

由圖2可以看出，當(dāng)0.83≤Jeff≤0.98時，對應(yīng)的螺旋槳氣動效率Eta為0.72～0.81，滿足總體設(shè)計要求。綜合上述分析，該型1.68 m直徑三葉螺旋槳滿足輕型飛機裝機要求。

3 螺旋槳安裝設(shè)計

由于定距螺旋槳槳葉角不可調(diào)，在飛機的起飛、爬升、巡航等階段不能都獲得較高的螺旋槳氣動效率，因此在確定了螺旋槳型號后，應(yīng)根據(jù)該輕型飛機總體設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合廠家給出的螺旋槳自由流特性數(shù)據(jù)確定螺旋槳安裝角β，使得在飛機飛行的各個階段都獲得較為滿意的效率。

螺旋槳安裝角β應(yīng)保證當(dāng)進距比J在一定范圍內(nèi)時其效率曲線較為平穩(wěn)。當(dāng)0.83≤J≤0.98時，由圖2可知，安裝角大于22.5°的效率曲線相對平緩，故暫定安裝角大于22.5°。

由于飛機主要工作在巡航狀態(tài)下，因而安裝角的設(shè)計應(yīng)優(yōu)先保證巡航狀態(tài)下的螺旋槳氣動效率最高。在巡航狀態(tài)下，J=0.916，由圖2可知，安裝角β=25°時對應(yīng)的螺旋槳氣動效率Eta最高，為0.81，因此暫定該螺旋槳的安裝角度為25°。

接下來驗證在該安裝角下，推進系統(tǒng)能否滿足飛機在起飛、巡航、爬升等狀態(tài)下的拉力要求。螺旋槳拉力系數(shù)CT計算公式如下：

(7)

式中：T為拉力，N。由廠家給出的螺旋槳特性數(shù)據(jù)可以繪制CT與J的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 螺旋槳拉力系數(shù)、安裝角和進距比關(guān)系曲線

根據(jù)起飛和巡航狀態(tài)的總體設(shè)計參數(shù)要求,結(jié)合式(3)可以計算得到對應(yīng)飛行狀態(tài)下的進距比分別為0.332和0.916。結(jié)合圖3可以得到對應(yīng)的拉力系數(shù)分別為0.131和0.077。由式(7)可得

T=CTρn2D4

(8)

將讀取的拉力系數(shù)代入式(8)，結(jié)合總體設(shè)計數(shù)據(jù)可以求出對應(yīng)飛行狀態(tài)下的拉力分別為2 024.7 N和1 074.1 N，滿足總體設(shè)計指標。

由上述分析可以得出β=25°時可滿足總體設(shè)計數(shù)據(jù)的要求，因此25°為理論最佳安裝角。以該理論最佳安裝角進行裝機試驗來確定實際安裝角。

如果上述計算分析結(jié)果不能令人滿意，也可通過優(yōu)化D和β來調(diào)整Eta，使得螺旋槳滿足飛機在不同飛行狀態(tài)下的螺旋槳氣動效率和拉力需求。若是由于螺旋槳選型受到限制，即總體設(shè)計對質(zhì)量、直徑有特別的限制要求時，也可與廠商協(xié)調(diào)，重新設(shè)計新槳。

4 選型流程研究

根據(jù)以上螺旋槳選型與安裝設(shè)計分析，本文總結(jié)并提出了一種輕型飛機螺旋槳的選型流程，即首先通過螺旋槳轉(zhuǎn)速情況以及飛機的總體設(shè)計要求確定螺旋槳的直徑，再通過直徑倒推螺旋槳槳葉數(shù)需求，最后在直徑和槳葉數(shù)確定之后，結(jié)合成本、采購、售后等因素選擇一款合適的螺旋槳或新研螺旋槳；根據(jù)螺旋槳設(shè)計生產(chǎn)廠商提供的性能關(guān)系曲線，與總體拉力需求進行對比，則可確定螺旋槳的理論最佳安裝角；在理論最佳安裝角確定后，開展地面臺架試驗、裝機地面試驗和試飛試驗，根據(jù)適航條款要求與發(fā)動機限制條款要求對螺旋槳安裝角進行修正，以確定螺旋槳的實際安裝角。流程示意圖如圖4所示。

圖4 定距槳飛機螺旋槳選型與安裝設(shè)計流程

此設(shè)計流程為輕型飛機平臺與螺旋槳的功率匹配分析提供了有效方案。

5 結(jié)束語

飛機的部件系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，螺旋槳選型設(shè)計需結(jié)合飛機的類型、用途和性能指標等限制條件，選型或設(shè)計出與之相匹配的性能良好的螺旋槳，以提升飛機經(jīng)濟性。本文給出了螺旋槳選型設(shè)計的一些共性技術(shù)，亦分析了選型設(shè)計上的一些難點，可為輕型飛機的螺旋槳選型與安裝設(shè)計提供一定的技術(shù)參考。目前該流程已在AG50輕型運動飛機型號設(shè)計中獲得應(yīng)用，與該類型的飛機飛行試驗分析結(jié)果相符。