无人机螺旋桨气动力设计（可编辑） .doc

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1、无人机螺旋桨气动力设计 第29 卷 第4 期 应 用 力 学 学 报 Vol.29 No.4 2012 年 8 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Aug. 2012 文章编号：1000- 4939 2012 04-0380-06 无人机螺旋桨气动力设计 王豪杰 1 李杰 1 付炜嘉 1 周洲 2 （西北工业大学航空学院 710072 西安）1 （西北工业大学无人机特种技术国防科技重点实验室 710072 西安）2 摘要：结合某太阳能无人机总体设计方案要求，完成了无人机动力系统螺旋桨气动力设计任务。 采用 Glauert 提出的片条理论作为螺旋桨气动特

2、性的计算方法，并通过算例验证了该方法的可靠 性。为使螺旋桨在电机输出功率约束下、在整个飞行包线范围内维持较高的气动效率，低雷诺数、 高升阻比桨叶基本翼型的设计和桨叶角分布的优化设计是关键。对设计结果进行的全面系统的分 析评估表明：在不同飞行状态下以及电机额定输入功率范围内，螺旋桨效率始终维持在 80%左右， 且巡航状态下其效率的最佳点与电机的额定功率完全匹配。 关键词：螺旋桨；片条理论；低雷诺数；气动力设计；螺旋桨效率 中图分类号：V211.3 文献标识码： A 理论作为螺旋桨性能的计算方法。受无人机总体布 1 引 言 局方案约束，如何在电机输出功率限制前提下，在 整个飞行包线范围内使螺旋桨始

3、终维持较高的效率 超长的滞空能力成为现代无人机发展的一个重要 是此次气动力设计的关键。 研究方向。理论上，以太阳能作为动力来源的空中平 1 台能够在空中停留无限长的时间 。太阳能无人机利用 2 螺旋桨性能计算方法 太阳能电池板将太阳能转化为电能，以电力发动机为 动力，以螺旋桨为主要推进装置2。螺旋桨气动性能的 2.1 不同螺旋桨性能计算方法比较 优劣对无人机的飞行性能有着较大的影响。 螺旋桨性能的计算是螺旋桨气动力设计的基 本文结合某太阳能无人机的总体方案要求开 础，可靠、高效的螺旋桨性能计算工具是进行其气 展螺旋桨气动力设计工作。螺旋桨性能计算是螺旋 动力设计的有力保障。 桨气动力设计的基础

4、，由于本方案中无人机巡航高 目前对螺旋桨性能的计算方法主要有螺旋桨 度较高且螺旋桨尺寸较小，因而螺旋桨截面在较小 动量理论、螺旋桨叶素理论、螺旋桨涡流理论、螺 的雷诺数下工作，对于低雷诺数下螺旋桨气动特性 旋桨数值模拟这四种方法。其中动量理论只是将螺 的分析是比较困难的3 。Glauert 提出的螺旋桨涡流 旋桨的功率和拉力与其在气流中所激起的速度建立 理论（片条理论）作为经典的螺旋桨气动特性分析 联系，而没有把桨叶的几何尺寸与它们在气流中所 方法已成功用于对螺旋桨气动特性的评估4-5 。同时 激起的速度联系起来。因此动量理论仅考虑了螺旋 从计算精度和计算效率的角度考虑，本文采用涡流 基金项目

5、：国家自然科学基金（10772148；90816027 ；11172240） 来稿日期：2011-10-14 修回日期：2012-04-04 第一作者简介：王豪杰，男，1985 年生，西北工业大学航空学院，博士生；研究方向计算与设计空气动力学。 E-mail ：whj18231163 第 4 期 王豪杰，等：无人机螺旋桨气动力设计 381 桨的轴向效应，而未考虑其旋转效应。叶素理论将 其中： 为空气密度；r0 为桨叶轮毂半径；R 为桨 桨叶分为有限个微小段，然后计算每一个叶素上的 叶半径。 气动力，最后沿径向积分得到桨叶上的总气动力。 叶素理论未计入螺旋桨桨叶产生的下洗效应，也没 3 螺旋桨性

6、能计算方法算例验证 有考虑桨叶之间的干扰。螺旋桨数值模拟方法基于 求解 Euler 方程组或 N-S 方程组，数值模拟绕过螺 为了验证本文采用的螺旋桨性能计算方法的可靠 旋桨的速度场，然后通过数值积分计算螺旋桨的拉 性，利用上述方法对有实验数据的两个叶片的螺旋桨 力、扭矩、功率等。然而，由于螺旋桨绕流的复杂 进行性能计算7。其中螺旋桨平面形状如图1 所示，桨 性，采用数值模拟技术不仅计算复杂、计算周期相 叶直径为 10in。桨叶翼型采用Clark Y 翼型，其弦长、 对较长，同时计算网格质量、湍流模型、转捩模型 厚度分布、桨叶角分布如图 2 所示。其中：桨叶角分 等因素对计算结果影响较大。Gl

7、auert 提出的螺旋桨 布为半径 75%站位处；桨叶角为25 。关于螺旋桨更多 涡流理论（片条理论）主要依据儒可夫斯基的涡流 的几何参数可参见文献7。 理论和 Prandlt 的有限翼展理论，把绕过螺旋桨的气 流看作由各个单独桨叶所激起的涡流场和相应的诱 导速度场组成。通过利用涡流理论和有限翼展理论， 建立起桨叶几何特性与气动力之间的关系6 。 图 1 螺旋桨桨叶平面形状图 与其它方法相比，片条理论既考虑了螺旋桨的 轴向效应和旋转效应，又计入了桨叶的下洗效应和 桨叶之间的干扰；同时片条理论的计算周期较短、 计算精度较高，仍然是目前工程设计部门普遍采用 的方法6 。因此，本文采用Glauert

8、 提出的螺旋桨片 条理论作为螺旋桨的性能计算方法。 2.2 片条理论计算方法介绍 依据片条理论的基本原理，编写相应的计算程序 作为螺旋桨性能计算的工具。其基本求解过程为6 1） 给定来流速度V 、螺旋桨直径D 、螺旋桨旋 图2 桨叶剖面厚度及几何螺距沿径向变化图 0 转速度 ns 、叶素安装角度 、桨叶片数NB 、叶素 参照实验状态，自由来流速度为 50m/s 。在计 弦长b 。 算转速范围内，桨叶剖面当地马赫数最大达到 0.95， 0 2 ） 计算桨叶各叶素给定参数：环向速度V 、几 雷诺数约在 3106 左右。为了考虑压缩性及粘性效 t 何迎角? 、实度 、来流马赫数Ma 。 应对螺旋桨气

9、动性能的影响，对桨叶各剖面翼型的 0 3 ） 计算桨叶各叶素在一定马赫数和迎角范围内的 气动力计算采用求解雷诺平均 N-S 方程组的方法， 气动力特性。 湍流模型采用 S-A 湍流模型。图 3 给出了螺旋桨拉 4 ） 采用牛顿迭代法确定各个叶素的干涉角。 力系数、功率系数、效率随前进比变化的计算结果 5 ） 计算实际气流速度角度? 、轴向速度干扰系数a 、 和实验结果的对比。 环向速度干扰系数a、拉力系数T 、转矩系数Q 。 从图 3 可以看出计算结果所反映的螺旋桨气动 c c 6 ） 利用桨叶各个叶素的计算结果计算螺旋桨总气 性能随前进比变化的趋势与实验结果基本一致，两 动力。 者吻合良好。

10、从图 3 c 可以看出，在前进比约为 1 螺旋浆的拉力、转矩、效率分别为 时，螺旋桨效率的计算结果达到最大值，与实验结 1 2 R 1 2 R 果一致。在前进比较大的状态下，螺旋桨转速较小， T V N T dr ， M V N Q d r ， 0 B r c 0 B r c 2 0 2 0 使得螺旋桨桨叶剖面的当地雷诺数较小，桨叶表面 R T dr 空气流动附面层较厚且存在一定范围的层流区。而 TV V r c 0 0 0 R 本算例采用求解N-S 方程组的方法对剖面翼型进行 2n M 2n s s Q dr r c 0 气动力计算时采用的是全湍计算模式，未考虑桨叶 382 应 用 力 学

11、学 报 第 29 卷 剖面的层流效应，并且湍流模型对低雷诺数下桨叶 型的设计以及对桨叶角的优化设计，各部分具体过 剖面翼型气动特性计算结果影响较大，因而使得对 程如下。 螺旋桨性能的计算结果与实验结果相差较大。同时， 根据某太阳能无人机总体方案设计要求，无人 涡流理论没有考虑绕过螺旋桨气流的径向流动也使 机的飞行速度为 30 m/s，飞行高度为20km，电机最 得计算结果与实验结果有一定的偏差。但是从对螺 大输出功率为 2.0HP ，电机工作输出功率为 旋桨效率最优点的把握来看，计算结果与实验基本 0.81.5HP 。 一致，说明文中采用的螺旋桨气动性能计算方法能 考虑螺旋桨安装位置及桨叶旋转

12、时桨尖马赫 够较好地反映螺旋桨实际的气动性能，可以作为快 数的限制，初步确定螺旋桨的直径为 1.65m，桨叶 速、高效的螺旋桨气动性能计算工具。 数目为 2 。由太阳能无人机飞行速度、巡航高度可 知，高空巡航条件下螺旋桨剖面当地雷诺数较低。 为了提高桨叶剖面的当地雷诺数，采用的螺旋桨桨 叶平面形状如图4 所示。这种桨叶平面形状增大了 叶素的弦长，从而增大了叶素当地雷诺数。 图4 螺旋桨平面形状示意图 按照桨叶平面形状所确定的叶素当地弦长， 在 1500r/min 左右的转速下，结合飞机前进速度 估算可知：螺旋桨剖面雷诺数变化范围介于 320 105 左右。依据此雷诺数范围，确定翼型的设 计思想

13、为低雷诺数翼型设计。由于巡航高度较 高，大气密度较小，为了能够提供足够的拉力及 保持较高的螺旋桨效率，要求螺旋桨翼型在设计 点处具有较大的升力和升阻比。低雷诺数状态 下，摩擦阻力是翼型阻力的主要组成部分，为了 减小翼型的摩擦阻力，在设计点处应保持较长的 层流区。对桨叶基本翼型的设计采用 Takabashi 所提出的基于正反迭代、余量修正原理的翼型反 设计方法，具体过程见文献10。图 5 给出了经 图3 计算结果和实验结果对比图 过综合设计与评估优化后所确定的桨叶翼型形 4 无人机螺旋桨气动力设计与性能 状及设计点处翼型压力分布。从图 5 a 可以看出， 翼型上表面前缘具有较高的吸力峰值，且转捩

14、点 分析 位于 75%左右弦长处，表明翼型具有高升力的同 4.1 螺旋桨气动力设计 时上翼面保持了较长的层流区，从而减小翼型摩 螺旋桨气动力包括桨叶平面形状、桨叶基本翼 擦阻力，增大其升阻比。 第 4 期 王豪杰，等：无人机螺旋桨气动力设计 383 对螺旋桨桨叶角分布的确定采用人工筛选优 化的方法。其基本思想是首先在给定螺旋桨转速和 自由来流速度的前提下，计算桨叶各个剖面翼型的 气动特性，并确定其气动特性最佳点所对应的气流 迎角 。然后计算桨叶各个剖面叶素的几何合成速 度与旋转平面之间的夹角 。在不考虑桨叶尾涡对 0 桨叶气流所产生的下洗干扰的前提下，将 + 作 0 为初始桨叶角分布，对螺旋桨

15、性能进行计算，根据 其效率最佳点所对应的功率与电机输出功率的匹配 关系对桨叶角分布进行人工优化调整，最终确定的 螺旋桨桨叶角分布如图 7 所示。 图5 螺旋桨翼型外形图 在电机输出转速范围内，螺旋桨剖面当地马赫数 不超过 5 0.5，雷诺数不超过210 。文献89表明Xfoil 分析程序对亚音速范围内低雷诺数状态下翼型的气动 力特性及转捩判断的计算结果较为可靠，故采用Xfoil 分析程序对所设计的翼型在不同雷诺数状态下的气动 特性进行计算分析。图 6 给出了不同雷诺数下翼型升 力曲线与升阻极曲线的变化规律，可以看出该翼型在 50000 以上雷诺数状态下具有较宽的升力线性段范围 和较大的可用升力

16、系数，同时具有范围较大而且变化 图7 优化后桨叶角分布 较为平缓的低阻区域。当升力系数C 在 0.61.2 范围内 l 4.2 螺旋桨性能分析 变化时，升阻比变化平缓。 在确定了螺旋桨外形基本参数之后，根据无人 机总体设计要求，分别对螺旋桨在以下三种飞行状 态下的性能进行计算评估。图 8图 10 给出了三种 计算状态下螺旋桨气动特性计算结果。 图6 翼型气动特性随雷诺数变化图 图 8 状态一下螺旋桨气动特性 384 应 用 力 学 学 报 第 29 卷 计算状态一：飞行高度 0km，飞行速度 10m/s。 从以上计算结果可以看出，在电机输出功率范 计算状态二：飞行高度 11km，飞行速度 20

17、m/s 。 围为 0.81.3HP 内，不同飞行状态下螺旋桨的工作 计算状态三：飞行高度 20km，飞行速度 30m/s 。 效率均在 80%左右。在无人机巡航状态下（计算状 态三），螺旋桨的最大工作效率为 80%，此时电机 转速为 1450r/min，螺旋桨工作所需功率为 1.5HP， 此时螺旋桨效率最佳点所对应的功率与电机的额定 输出功率达到最佳匹配关系。 5 结 论 通过上述分析，可得如下结论。 1） 低雷诺数高升阻比翼型设计是维持本文中螺旋 桨较高巡航气动效率的关键。采用 Takabashi 所提 出的基于正反迭代、余量修正原理的翼型反设计方 法，通过合理调整目标压力分布使得所设计的桨

18、叶 基本翼型在设计点处具有较大升阻比。所设计螺旋 桨在计算状态二下最大效率达到 86%。 2 ） 采用人工筛选优化的方法对螺旋桨桨叶角分布 的优化调整，可以使得螺旋桨气动效率最优点所需 的转速和功率满足电机的输出约束条件。对所设计 螺旋桨不同飞行状态下气动性能的综合评估表明， 在与电机输出功率匹配的范围（0.81.5HP ）内，螺 旋桨效率始终维持在 80%左右，达到了预期的设计 图9 状态二下螺旋桨气动特性 目的。 3 ） 计算结果表明：文中对螺旋桨平面形状、桨叶 剖面基本翼型及剖面桨叶角所采用的设计优化思想 及方法是合理有效的。 参 考 文 献 1 Bradley T H ，Moffitt

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