[发明专利]一种涵道螺旋桨的设计方法

说明书

本发明公开了一种涵道螺旋桨的设计方法，包括S1、明确设计条件及初始设计参数；设计条件包括涵道与螺旋桨产生的拉力T，螺旋桨的工作转速n；初始设计参数包括螺旋桨桨径D、桨涵间隙δ和翼型；S2、设计螺旋桨桨径D；S3、设计桨涵间隙δ；S4、设计翼型；螺旋桨桨叶参数化的前提为确定桨叶使用的翼型族及径向占位，并保持翼根、翼中部、翼尖弦长及涵道不变；在此前提下，通过CST型函数确定翼根、翼中部和翼尖截面翼型；除翼根、翼尖外，同时均匀取径向占位3‑7个截面处的负扭转角作为优化变量，生成桨叶的参数化模型。本发明的优点在于，迭代优化设计方法基于数值模拟，能够通过准确评估，提高涵道螺旋桨的气动效率。

技术领域

本发明涉及涵道飞行器领域，尤其涉及一种涵道螺旋桨的设计方法。

背景技术

民用无人飞行器是近年来航空工业领域的新兴产业，在个人娱乐应用的消费领域和电力、安防、农业、森林防火、警用等专业领域的使用场景逐年增加。目前民用无人飞行器以电动多旋翼构型为主流，其余少量为固定翼和直升机构型，其普遍存在航时短、气动效率低、安全性差、环境限制多等瓶颈问题。涵道式飞行器将螺旋桨安置在环形机翼构造的涵道体内部，能够解决高转速下前飞时桨尖马赫数过高的问题，从而具有气动效率高、结构布局紧凑、安全性高和环境适应性好等优点。但目前为止，涵道式飞行器的应用尚不充分，在螺旋桨设计方面缺乏完备的优化设计方法，在实际使用过程中，如何快速设计满足最优气动效率或最大升力系数涵道螺旋桨的问题仍待解决。

发明内容

本发明所解决的技术问题为，在现有涵道螺旋桨的基础上，对涵道螺旋桨系统进行迭代优化设计，提高系统气动效率，使涵道螺旋桨系统与涵道式飞行器动力系统更好的匹配。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种涵道螺旋桨的设计方法，包括

S1、明确设计条件及初始设计参数；设计条件包括涵道与螺旋桨产生的拉力 T，螺旋桨的工作转速n；初始设计参数包括螺旋桨桨径D、桨涵间隙δ和翼型；

S2、设计螺旋桨桨径D；选取逐渐增大的多个螺旋桨桨径，并保持桨涵间隙不变，经CFD数值模拟，分别得到不同螺旋桨桨径的桨盘在转速n时的气动性能；通过与发动机输出特性曲线对比，选出与发动机最适配的螺旋桨桨径D；

S3、设计桨涵间隙δ；分别对不同桨涵间隙的涵道螺旋桨在转速n时的气动性能进行数值模拟，确定桨涵间隙优选值；

S4、设计翼型；螺旋桨桨叶参数化的前提为确定桨叶使用的翼型族及径向占位，并保持翼根、翼中部、翼尖弦长及涵道不变；在此前提下，通过CST型函数确定翼根、翼中部和翼尖截面翼型；除翼根、翼尖外，同时均匀取径向占位3-7个截面处的负扭转角作为优化变量，生成桨叶的参数化模型。

进一步的，S4中，翼根、翼尖以及在翼中部均匀选取的五个径向占位截面处的负扭转角作为优化变量，通过Matlab与ICEM的联合脚本文件实现生成桨叶的参数化模型。

再进一步的，S4中，CST型函数方法适用性强，用以参数化表征控制翼型，每个翼型上下表面各有7个型函数权值；经计算可以得到以该型函数族为基础外形函数的型函数权值，通过对权值进行扰动，即可改变控制截面的翼型：

y_new＝y_old+Δy(x)

控制截面翼型的改变体现为型函数权值的改变：

其中δi为各型函数的权值的改变量。

CST型函数方法通过叠加伯恩斯坦多项式来代表翼型，任意m阶伯恩斯坦多项式由以下m项构成：