輕型飛機(jī)螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)

田 鈞，鄭里鷲，龍 飛，王根輝

(中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

定距螺旋槳是指使用過(guò)程中槳葉安裝角固定的螺旋槳，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低、維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于小功率的輕型和超輕型飛機(jī)[1-2]。定距螺旋槳槳葉固定不能變距，在飛機(jī)的起飛、爬升、巡航等不同階段，槳葉角不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)效率[3-4]。對(duì)于螺旋槳的選型，需要根據(jù)廠商提供的性能曲線與飛機(jī)進(jìn)行匹配選取，在選取安裝角時(shí)應(yīng)兼顧各方需求，使飛機(jī)在不同飛行階段都能獲得可接受的螺旋槳?dú)鈩?dòng)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(jī)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(duì)螺旋槳進(jìn)行有效的選型與安裝，實(shí)現(xiàn)螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配并獲得較高的效率，是飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)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(yùn)動(dòng)航空器(LSA)和超輕型運(yùn)動(dòng)航空器(ULA)應(yīng)用最多，這類飛行器主要安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)類型為活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[7-9]。由于該類飛機(jī)螺旋槳設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠商較多，因此飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造公司在螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往直接參照已有機(jī)型的螺旋槳尺寸和安裝角度進(jìn)行選型和安裝設(shè)計(jì)，忽略了對(duì)螺旋槳最佳直徑的選取，螺旋槳安裝角也僅通過(guò)地面試驗(yàn)摸索出來(lái)，缺乏有效的選型方案，造成飛機(jī)油耗增加、噪聲增大或拉/推力不足[10-12]。

本文以某輕型飛機(jī)的螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)為依據(jù)，提出一套輕型飛機(jī)螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)方案，該方案可為飛機(jī)設(shè)計(jì)師在輕型飛機(jī)螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)時(shí)提供有效的技術(shù)參考。

1 總體方案設(shè)計(jì)

螺旋槳的選型和安裝應(yīng)與飛機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，以某輕型飛機(jī)為例，該輕型飛機(jī)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jī)巡航拉力需求不小于823.2 N；8)飛機(jī)起飛拉力需求不小于1 960 N。

匹配該飛機(jī)的某型發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

2 螺旋槳選型設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)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?dú)鈩?dòng)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，增大槳葉直徑，槳尖合成速度會(huì)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(shí)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(jī)在不同飛行高度對(duì)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(jī)正常的飛行需求。同時(shí)螺旋槳安裝角設(shè)計(jì)還要保證飛機(jī)在巡航狀態(tài)下螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率最高，以達(dá)到總體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性要求。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，輕型飛機(jī)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(dòng)效率大于兩葉螺旋槳的氣動(dòng)效率，所以選擇三葉螺旋槳作為飛機(jī)裝機(jī)槳。

發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱減速比為2.428 6時(shí)，計(jì)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(duì)于氣流的合成速度：

(1)

式中：V為飛機(jī)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(guò)250 m/s。將發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n、飛機(jī)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(jì)算可得功率、槳尖合成速度與螺旋槳直徑的關(guān)系見(jiàn)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(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳直徑大于Vtip為150 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的直徑。通常情況下，螺旋槳的直徑越大其氣動(dòng)效率越高，由此說(shuō)明Vtip為200 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率較高。結(jié)合飛機(jī)一個(gè)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(jī)裝機(jī)螺旋槳。

2.2 螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率選取

由于初選的螺旋槳參數(shù)僅作為該輕型飛機(jī)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?dú)鈩?dòng)效率，進(jìn)而確定螺旋槳型號(hào)。可分別算出飛機(jī)在起飛、爬升、巡航等狀態(tài)下的進(jìn)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(duì)應(yīng)的效率范圍，看其能否滿足飛機(jī)在起飛、爬升、巡航等狀態(tài)下總體設(shè)計(jì)的要求。進(jìn)距比J計(jì)算公式如下：

(2)

由式(2)可以計(jì)算出在不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率下巡航和最大飛行速度V對(duì)應(yīng)的進(jìn)距比J，見(jiàn)表3。

表3 進(jìn)距比的要求

要使槳尖合成速度保持在亞音速，螺旋槳進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算公式如下：

(4)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，W。

結(jié)合總體設(shè)計(jì)指標(biāo)限制條件，由式(4)計(jì)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(duì)應(yīng)的功率系數(shù)為0.078，100%額定功率對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)為0.104，最大功率狀態(tài)對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)為0.111。結(jié)合該型號(hào)的螺旋槳功率系數(shù)，繪制螺旋槳功率系數(shù)、安裝角和進(jìn)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(jìn)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?dú)鈩?dòng)效率數(shù)據(jù)都是自由流數(shù)據(jù)，然而在實(shí)際工程中由于機(jī)身的干擾會(huì)產(chǎn)生氣流的阻滯作用，所以需要根據(jù)該輕型飛機(jī)總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)廠家給出的螺旋槳自由流特性數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)距比；Sc為機(jī)身最大迎風(fēng)面積。該型號(hào)輕型飛機(jī)Sc=0.86，修正后得到某型號(hào)螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率Eta、安裝角β與進(jìn)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(jìn)距比關(guān)系曲線

由圖2可以看出，當(dāng)0.83≤Jeff≤0.98時(shí)，對(duì)應(yīng)的螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率Eta為0.72～0.81，滿足總體設(shè)計(jì)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(jī)裝機(jī)要求。

3 螺旋槳安裝設(shè)計(jì)

由于定距螺旋槳槳葉角不可調(diào)，在飛機(jī)的起飛、爬升、巡航等階段不能都獲得較高的螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率，因此在確定了螺旋槳型號(hào)后，應(yīng)根據(jù)該輕型飛機(jī)總體設(shè)計(jì)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(jī)飛行的各個(gè)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(jìn)距比J在一定范圍內(nèi)時(shí)其效率曲線較為平穩(wěn)。當(dāng)0.83≤J≤0.98時(shí)，由圖2可知，安裝角大于22.5°的效率曲線相對(duì)平緩，故暫定安裝角大于22.5°。

由于飛機(jī)主要工作在巡航狀態(tài)下，因而安裝角的設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先保證巡航狀態(tài)下的螺旋槳?dú)鈩?dòng)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(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳?dú)鈩?dòng)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(lái)驗(yàn)證在該安裝角下，推進(jìn)系統(tǒng)能否滿足飛機(jī)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(jì)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(jìn)距比關(guān)系曲線

根據(jù)起飛和巡航狀態(tài)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)要求,結(jié)合式(3)可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)飛行狀態(tài)下的進(jìn)距比分別為0.332和0.916。結(jié)合圖3可以得到對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)可以求出對(duì)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(jì)指標(biāo)。

由上述分析可以得出β=25°時(shí)可滿足總體設(shè)計(jì)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(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)來(lái)確定實(shí)際安裝角。

如果上述計(jì)算分析結(jié)果不能令人滿意，也可通過(guò)優(yōu)化D和β來(lái)調(diào)整Eta，使得螺旋槳滿足飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的螺旋槳?dú)鈩?dòng)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(jì)對(duì)質(zhì)量、直徑有特別的限制要求時(shí)，也可與廠商協(xié)調(diào)，重新設(shè)計(jì)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(jì)分析，本文總結(jié)并提出了一種輕型飛機(jī)螺旋槳的選型流程，即首先通過(guò)螺旋槳轉(zhuǎn)速情況以及飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求確定螺旋槳的直徑，再通過(guò)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(gòu)、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(jì)生產(chǎn)廠商提供的性能關(guān)系曲線，與總體拉力需求進(jìn)行對(duì)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(kāi)展地面臺(tái)架試驗(yàn)、裝機(jī)地面試驗(yàn)和試飛試驗(yàn)，根據(jù)適航條款要求與發(fā)動(dòng)機(jī)限制條款要求對(duì)螺旋槳安裝角進(jìn)行修正，以確定螺旋槳的實(shí)際安裝角。流程示意圖如圖4所示。

圖4 定距槳飛機(jī)螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)流程

此設(shè)計(jì)流程為輕型飛機(jī)平臺(tái)與螺旋槳的功率匹配分析提供了有效方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)的部件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，螺旋槳選型設(shè)計(jì)需結(jié)合飛機(jī)的類型、用途和性能指標(biāo)等限制條件，選型或設(shè)計(jì)出與之相匹配的性能良好的螺旋槳，以提升飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性。本文給出了螺旋槳選型設(shè)計(jì)的一些共性技術(shù)，亦分析了選型設(shè)計(jì)上的一些難點(diǎn)，可為輕型飛機(jī)的螺旋槳選型與安裝設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。目前該流程已在AG50輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)中獲得應(yīng)用，與該類型的飛機(jī)飛行試驗(yàn)分析結(jié)果相符。