垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究

第1 2卷

第 6期

2 1 2月 02年

科

学

技

术

与

工

程

Vo. 2 No 6 F b 0 2 1 1 . e .2 1

17— 11 (0 2 0—240 6 1 85 2 1 )6 19 -7

S in e T c n l g n n i e rn ce c e h o o y a d E gn e i g

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航空航天

垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究付洁程周洲(西北工业大学无人机特种技术重点实验室，西安 7 0 6 ) 10 5

摘

要

涵道风扇垂直起降无人机不同设计阶段对升力系统特性的精度要求也不同。为寻求具有一定可信度的涵道螺旋桨

特性不同计算方法，螺旋桨动量理论的基础上，在通过引入轴向功率系数，立了考虑气流旋向运动的涵道螺旋桨动量理论建模型。分析了拉力比例因子等参数对升力系统总体特性的影响。在研究翼型大迎角特性的基础上，建立了以诱导速度为求解参数的涵道螺旋桨修正动量一叶素理论模型。基于非重合滑移网格技术，通过求解旋转参考坐标系下的 N S方程， -进行了 涵道螺旋桨非定常数值模拟。计算结果表明，于修正后的动量-基叶素理论计算结果更接近真实情况。在总体设计阶段可以 提供具有一定可信度的涵道螺旋桨基本特性。数值模拟结果和试验结果较吻合，以为详细设计阶段提供计算依据。可关键词涵道螺旋桨轴向功率系数诱导速度滑移网格非定常

中图法分类号

V 1.; 22 5

文献标志码

A

涵道螺旋桨升力系统凭借其多种优势在短距/ 垂直起降飞行器上的应用越来越广泛。在涵道螺旋桨垂直起降飞机总体设计阶段，靠风洞试验积依累的经验和复杂理论计算获得详尽的涵道螺 3

上，为了比较准确预测螺旋桨及涵道螺旋桨的滑但

流流动状态，需要综合考虑气流动量方程和动量距方程。1 1轴流状态涵道螺旋桨修正的动量理论模型 .

旋桨特性显然不够高效。近些年随着计算机水平的不断提高，旋转机械的数值模拟由求解速势方程法向求解 N S程法发展， .方在旋翼流场网格生成技术上也简单桨盘模型法向动态变形网格、非重合滑移网格和运动嵌套网格等方法发展 J数值模拟，在飞行器详细设计阶段研究涵道螺旋

桨系统特性优势明显。为了在垂直起降飞行器总体设计阶段建立一种快速、确的涵道螺旋桨特性计算方法并准对方法进行验证，文对涵道螺旋桨动量、素理本叶论模型进行了改进并通过试验和基于滑移网格技

假设桨盘处环向速度沿径向线性分布，中心在

处为零，大半径处为，沿径向环向诱导速度最则

分为=移根螺桨量论，以 布 素据旋动理 可得。到涵道螺旋桨的修正动量理论模型结果：总拉力： 2 ( 1一

qq )p

: A( o p V

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() 1

总扭矩=

术的非定常数值模拟进行了验证。

(o V

)

() 2

1考虑环向流动的修正动量理论模型般螺旋桨的滑流理论忽略了桨盘处环向诱导速度，即不从动量距方程人手考虑气流的旋转运一

∞为桨盘处气流诱导角速度。或者:

A z :p V O 2 l )——

() 3

动。虽然滑流区轴向功率系数 (定义为轴向功率与总功率之比 )螺旋桨正常工作状态达到 9%以在 021 0 1年 1月 3 1 0日收到

滑流区气流动能1=

J ( ) ) (/)d D= [ 2 r R 2 (+ -=2】 ( 4 )

第一作者简介：洁程 (9 6 )男，付 18一，河北新乐人，硕士研究生，研究方向：飞行器总体设计。E ma: iceg0 5 2 .o - i￣ehn2 0@16 om。 l

pV ) Ao[ (

6期

付洁程，:等垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究

右边第一项为气流轴向流动动能，第二项为气流旋转动能。 涵道螺旋桨需用功率：

轴向功率系数对静拉力效率和螺旋桨效率产生较大影响。

PE= (一 a 5=一 订)( o ),轴向功率系数：一

o

籁1幅

!盘21 ) ( -g+ 2 A∞ 2() 6

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拉力比例因子g

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( )卜g刍将需用功率表示成扭矩与转速的乘积，以得到：可VR:

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由于动量理论不考虑气流的黏性影响，道螺旋桨涵在拉力等于零时 (=V o时 )需用功率也等于零。,图 1拉力比例因子对轴向功率系数影响1

VR:

—二— !—一 (——!—————二—■— — !— 9 )z[ 1 ) 1 o=2 (一q qV一v]

O9 .5

籁

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与涵道螺旋桨一般动量理论不同，虑旋向流动考后，流区轴向诱导速度满足式 (0。滑 1 )带人式 ( ) 1中得：

k船船 kk k kk 6

基o . s 囊. o 7 5O7 . 06 .5

(O 1)

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( 1-一

q￣ V c A 2 )+% o .( 2 1)口

桨盘载荷/ g ( m ) k

2。

静拉力效率一

P 1 =一

T

1 q e

将式 ( 1带人式 (2中， 1) 1 )得P:— V+ o —一 1一 ) p+ q q Lq (4 l 1) ( 3 1)桨尖速度/‘ - ( s1 m )

图 2桨尖速度、桨盘载荷对轴向功率系数影响

叼— 二二二一三二叼：——二 -二二二 —— - r

V√( gp+ o 2一q + 1 )T其中轴向功率系数只能由式 ( )式 ( )到数值 7、 9得

1 2涵道螺旋桨特征参数分析 .12 1轴向功率系数 ..

轴向功率系数是关于桨尖速度、桨盘载荷和拉力比例因子的函数。拉力比例因子的取值在涵道

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