螺旋槳滑流對全機氣動特性的影響研究

中航西飛，陜西 西安 710089

雖然航空推進(jìn)技術(shù)早已進(jìn)入噴氣時代，但是在航空發(fā)展史上起著重要作用的產(chǎn)生拉力的氣動部件——螺旋槳并沒有退出航空領(lǐng)域，并且由于螺旋槳發(fā)動機具有低速飛行時拉力大、推進(jìn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好的特點[1]，使其在運輸領(lǐng)域具有不可替代的地位。在巡航馬赫數(shù)0.6左右的低速飛機上，至今仍普遍采用螺旋槳推進(jìn)。螺旋槳滑流的形成和發(fā)展過程比較復(fù)雜，螺旋槳與飛機之間存在一定的相互干擾，不同機型、動力裝置下的滑流影響差異也較大[2],目前國內(nèi)對螺旋槳滑流的影響研究手段有數(shù)值模擬計算和風(fēng)洞試驗。由于數(shù)值模擬受網(wǎng)格及計算精度的限制，難以給出令人滿意的計算和分析結(jié)果，因此目前國內(nèi)對螺旋槳滑流的研究以風(fēng)洞試驗為主。

1 螺旋槳動力影響

螺旋槳動力對飛機氣動特性的影響可以分為直接影響和間接影響[3]。直接影響主要是螺旋槳產(chǎn)生的拉力、扭矩和法向力對飛機氣動特性的附加影響；間接影響是指槳后的滑流與飛機各部件之間的相互干擾作用。螺旋槳滑流的影響使飛機升力、阻力增加，下洗發(fā)生變化，飛機的操縱性、穩(wěn)定性及舵面效率均受影響。

2 帶動力試驗方法

帶動力風(fēng)洞試驗屬于特種風(fēng)洞試驗，試驗復(fù)雜程度高，試驗結(jié)果受到螺旋槳滑流的模擬方法、螺旋槳氣動力的準(zhǔn)確測量、螺旋槳滑流試驗數(shù)據(jù)處理方法等多項技術(shù)的影響。風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷穆菪龢獙︼w機模型的影響必須與實物螺旋槳對真實飛機產(chǎn)生的影響相似，試驗結(jié)果才能應(yīng)用到真實飛機上，也就是說螺旋槳的動力模擬，就是對螺旋槳繞流特性的模擬，模擬準(zhǔn)則采用拉力系數(shù)、扭矩系數(shù)和前進(jìn)比兼顧的原則。目前帶動力試驗方法分為以下兩種。

2.1 固定拉力系數(shù)法

該方法是給定一個拉力系數(shù)后，在全部試驗迎角范圍內(nèi)固定不變。也就是說，在試驗中雖改變迎角但不改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速。主要試驗步驟如下。

（1）根據(jù)所模擬的飛行狀態(tài)計算飛機的Tc～Qc曲線和Tc～λ曲線。

（2）試驗風(fēng)速盡可能得大，以滿足試驗雷諾數(shù)要求，螺旋槳模型的槳盤直徑確定后，根據(jù)所需用的最大螺旋槳轉(zhuǎn)速，根據(jù)前進(jìn)比公式可計算出試驗風(fēng)速。

（3）校準(zhǔn)模型螺旋槳，選擇合適的槳葉角。

（4）根據(jù)選好的槳葉角，在選定的試驗風(fēng)速下測量拉力系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Tc～n，這樣就把對拉力系數(shù)的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷δＰ吐菪龢D(zhuǎn)速的控制。

（5）為了模擬一發(fā)失效的狀態(tài)，需要找出螺旋槳的順槳槳葉角，選擇過程如下：在選定的風(fēng)速下，固定不同的槳葉角進(jìn)行試驗，這時螺旋槳不轉(zhuǎn)動，記錄阻力天平數(shù)據(jù)，畫出阻力與不同槳葉角的關(guān)系曲線，曲線上阻力最低的一點所對應(yīng)的槳葉角就是順槳槳葉角。

（6）根據(jù)選定的試驗風(fēng)速、槳葉角和相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速，便可進(jìn)行固定拉力系數(shù)法的風(fēng)洞試驗。

2.2 變拉力系數(shù)法

飛機在飛行過程（如起飛）中，其飛行的迎角和升力系數(shù)是變化的，拉力系數(shù)也隨著迎角而不斷變化。固定拉力系數(shù)法實際上只模擬了其中的某個點，而變拉力系數(shù)法是在試驗中對飛機某飛行狀態(tài)各點都得到動力模擬的方法。試驗中隨著模型迎角的改變，相應(yīng)地也改變拉力系數(shù)（試驗中即轉(zhuǎn)速）。運用變拉力系數(shù)法的具體步驟如下。

（1）模型槳葉角的選擇及有關(guān)曲線繪制工作過程與固定拉力系數(shù)法完全相同。

（2）根據(jù)模擬的飛行狀態(tài)，按穩(wěn)定直線飛行計算出的飛機Tc～Cy曲線和試驗獲得的Tc～n曲線畫出符合模擬關(guān)系的CL～n曲線。

（3）用幾個轉(zhuǎn)速（即幾個相應(yīng)的復(fù)合模擬關(guān)系的拉力系數(shù)）變換模型迎角α進(jìn)行固定拉力系數(shù)法試驗，由此測出Cy與α、n的關(guān)系曲線。

（4）根據(jù)試驗得到的Cy與α、n的關(guān)系曲線和前面已經(jīng)建立的Cy～n曲線找出轉(zhuǎn)速n和α的關(guān)系。

（5）畫出α～n的關(guān)系曲線，即可將拉力系數(shù)變化和迎角的變化對應(yīng)起來，在試驗中實現(xiàn)不同迎角相應(yīng)拉力系數(shù)的控制也變?yōu)椴煌窍孪鄳?yīng)不同轉(zhuǎn)速的控制。

兩種試驗方法都能達(dá)到試驗的目的，其中，固定拉力系數(shù)法試驗相對簡單，但試驗次數(shù)相對較多；變拉力系數(shù)法可直接得到飛機在迎角改變時拉力系數(shù)的變化對氣動特性的影響，試驗次數(shù)有所減少，但試驗的難度加大。

3 帶動力試驗結(jié)果及其分析

文章中帶動力風(fēng)洞試驗采用固定拉力系數(shù)法，試驗結(jié)果如表1～表3所示。其中Tc為拉力系數(shù)，Cyα為升力線斜率，mzcy為縱向靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)，Cx0為零升阻力系數(shù)，Cymax為最大升力系數(shù)，Kmax為最大升阻比，Czβ為側(cè)向力導(dǎo)數(shù)，myβ為偏航力矩導(dǎo)數(shù)，mx β為滾轉(zhuǎn)力矩導(dǎo)數(shù)，α機身為機身迎角。以上各參數(shù)均已無量綱化。

表1 雙發(fā)帶動力縱向試驗結(jié)果

表2 無動力橫航向試驗結(jié)果

3.1 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，受螺旋槳動力的影響，使升力線斜率、最大升力系數(shù)和阻力系數(shù)增加，且隨著拉力系數(shù)的增加而增大；全機縱向靜穩(wěn)定性隨拉力系數(shù)的增加而降低；側(cè)力導(dǎo)數(shù)絕對值增加，隨拉力系數(shù)的增大而增大；橫向靜穩(wěn)定性和航向靜穩(wěn)定性隨拉力系數(shù)的增加而減小。

3.2 機理分析

（1）動力對升阻特性的影響：直接影響是螺旋槳拉力在Y軸方向的投影對升力的貢獻(xiàn)；間接影響是螺旋槳滑流掠過的部件使全機升力系數(shù)和阻力系數(shù)增加。

（2）動力對縱向靜穩(wěn)定性的影響：一是發(fā)動機拉力線在飛機重心上提供安定力矩，滑流掠過，使機翼上表面附面層的分離推遲，同時使機翼、尾翼動壓增大，平尾作用提高，增加了縱向靜穩(wěn)定性；二是滑流影響使尾翼處下洗增強，平尾作用降低，同時螺旋槳法向力對重心之矩是不安定矩。后者影響較大，故隨著拉力系數(shù)的增加縱向靜穩(wěn)定性降低。

（3）動力對側(cè)力導(dǎo)數(shù)的影響：作用在螺旋槳槳盤上的側(cè)向力和滑流在立尾上的誘導(dǎo)側(cè)力是側(cè)力導(dǎo)數(shù)隨拉力系數(shù)增加的主要原因。螺旋槳左旋使右翼端渦和滑流渦互相疊加而使渦增強；左翼端渦正好相反。有側(cè)滑后，左右翼端渦都要偏斜，則右翼端渦和滑流渦對立尾的干擾是主要的。因此，側(cè)力導(dǎo)數(shù)絕對值隨拉力系數(shù)增加而增大。

（4）滑流對滾轉(zhuǎn)力矩的影響：滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)主要由機翼和立尾提供?；鲗C翼的干擾對滾轉(zhuǎn)力矩影響最大，當(dāng)有側(cè)滑時，機翼上的滑流偏斜，正滑時，右翼上滑流內(nèi)斜，左翼上滑流外斜，使滑流產(chǎn)生的升力增量壓心沿展向有位移，產(chǎn)生一個+mx，即減小了滾轉(zhuǎn)力矩。雖然滑流對立尾的影響是橫向安定的，但此影響較小，因此隨著拉力的系數(shù)增加橫向靜穩(wěn)定性減小。

（5）滑流對偏航力矩的影響：偏航力矩主要由立尾的安定力矩和機身短舵上的不安定力矩組成。無動力時，小迎角范圍，偏航力矩隨襟翼高度的增加而增加；當(dāng)迎角增大到一定程度時，偏航力矩隨襟翼高度的增加而減小。因為側(cè)滑時，迎面氣流一方面使襟翼的法向力增加較大，另一方面法向力的阻力分量產(chǎn)生一個安定力矩，使偏航力矩增加。但當(dāng)迎角繼續(xù)增加，襟翼上氣流分離，偏航力矩減小。大迎角時機身的離體渦打到立尾上、背鰭上，使偏航力矩貢獻(xiàn)降低而減小。帶動力時，影響因素主要有兩個方面：①槳盤上的側(cè)力造成不安定力矩，隨迎角的增大而增大；②立尾上的側(cè)力產(chǎn)生安定力矩，二者疊加使滑流減弱。因此，航向靜穩(wěn)定性隨拉力系數(shù)的增加而減小。

4 結(jié)論

受螺旋槳動力影響，使飛機的升力線斜率、最大升力系數(shù)、零升阻力系數(shù)不斷增加；全機縱向靜穩(wěn)定性隨拉力系數(shù)的增加而降低；側(cè)向力絕對值隨拉力系數(shù)的增加而增加；橫向靜穩(wěn)定性和航向靜穩(wěn)定性隨拉力系數(shù)的增加而減小。