CN113987687A

CN113987687A - 一种涵道螺旋桨的设计方法

Info

Publication number: CN113987687A
Application number: CN202111319420.2A
Authority: CN
Inventors: 李泽宇; 吴江浩; 林海英; 张建飞
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2022-01-28

Abstract

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。

Description

一种涵道螺旋桨的设计方法

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：

再进一步的，使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，可通过 Matlab优化工具包中函数实现，并在Matlab中编写相应的优化程序，调用ICEM 脚本参数化生成网格，调用Fluent脚本自动求解流场，并输出文件反馈给 Matlab，从而构成整套优化程序，以实现快速、实时、高精度的三维外形优化设计。

再进一步的，使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，调用优化函数如下：

x＝fmincon(fun,x₀,A,b,Aeq,beq,lb,ub,options)

其中x₀为优化初值，x为最终优化结果，fun为目标函数，A、b、Aeq和beq 分别为不等式约束和等式约束的系数矩阵，lb和ub定义了自变量的取值范围， options定义了其余优化参数设置；

优化的目标函数是系统升力系数CL，约束是力矩系数Cm；优化变量是优化外形几何参数化后得到的若干个权值系数；通过对优化变量施加δ变化，通过差分可得到目标函数CL和约束Cm的梯度值。

再进一步的，还包括S5、设计涵道外形；将涵道体看作由一个翼型绕轴旋转一周所得到的几何体，涵道体的几何参数化问题可等效为二维翼型的几何参数化问题；使用非均匀有理B样条曲线(Nurbs)结合特征参数描述法来实现涵道截面翼型的几何参数化。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

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；另外，迭代设计通过Matlab优化工具包调用ICEM 脚本与Fluent脚本实现，模型设计与数值模拟具有快速、实时、高精度的优点。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为涵道式螺旋桨的基本结构及相关参数示意图。

图2为n＝7时，伯恩斯坦多项式的图像。

图3为Matlab-ICEM-Fluent联合优化算法流程图。

图4为涵道风扇二维剖面图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提供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；

螺旋桨几何参数

(1)桨径D

桨径D为螺旋桨最基础的几何参数，其定义为桨尖转过一周形成圆形轨迹的直径。

(2)截面半径R

截面半径R为螺旋桨桨叶上截面到转轴中心的距离。

(3)翼型

翼型为螺旋桨任意截面半径出的截面形状。重要的翼型参数有弦长、最大厚度等。

(4)安装角

任意截面半径处翼型的弦与螺旋桨平面之间的夹角。

(5)扭转角

任意截面半径处的安装角相对于另一截面安装角之间的角度差。

1.螺旋桨运动参数

n为螺旋桨的工作转速(rpm)。

2.其他参数

T为涵道与螺旋桨产生的拉力(N)，M为螺旋桨旋转产生的扭矩(N·m)， P为螺旋桨功率(W)，δ为螺旋桨与涵道之间的桨涵间隙(mm)。

3.无量纲参数

涵道风扇属于旋翼类飞行器，其升力方向与来流方向一致，采用拉力、扭矩、功率以及效率等参数评判气动性能，分别采用无量纲形式衡量：

拉力系数：

扭矩系数：

螺旋桨功率：P＝2πM×n_s

功率系数：

效率：

具体地，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，动力系统选型。在已有涵道螺旋桨设计的基础上，通过对初始设计参数的调整与评估，实现涵道螺旋桨的迭代优化设计。给定的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；其中螺旋桨桨径对涵道风扇的效率有较大影响，在其他参数一致的情况下，螺旋桨桨径越大，涵道风扇的拉力系数越大，效率越高，但是螺旋桨桨径增大带来的效率提升随螺旋桨桨径的增大而逐渐减弱。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。

设计螺旋桨桨径D的其中一种具体实施例，通过将桨径扩大10％、20％和50％，并保持桨涵间隙不变，经CFD数值模拟，分别得到桨径为D、1.1D、1.2D与1.5D 的不同桨盘在转速n时的气动性能。通过与发动机输出特性曲线对比，可以选出与发动机最适配的桨径。

设计桨涵间隙δ的其中一种具体实施例，涵道风扇系统的气动力与螺旋桨前后总压变化有密切关系，桨涵间隙对总压变化具有重大影响。本实施例所述配合参数选择对气动性能影响较大的桨涵间隙进行优化设计。在优化后的总体参数基础上，分别对2mm、3mm、4mm和5mm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，考虑桨尖效应与制造工艺，确定桨涵间隙优选值。

S4、设计翼型；为快速生成几何外形，需要对涵道螺旋桨的桨叶外形进行参数化定义。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。

取1-m范围(m为伯恩斯坦多项式阶数)的CST型函数描述翼型的前缘半径和后缘夹角，拟合得到初始翼型对应的型函数权值，通过对权值扰动，实现控制截面的翼型的迭代。考虑上下两个表面构成一个完整翼型，以及对翼根、翼中部和翼尖翼型的优化，共获得6m个优化变量，通过迭代优化算法实现翼型优化设计。

本具体实施例，步骤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，即可生成桨叶的参数化模型，通过Matlab 与ICEM的联合脚本文件实现生成桨叶的参数化模型。

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。

使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，可通过Matlab优化工具包中函数实现，并在Matlab中编写相应的优化程序，调用ICEM脚本参数化生成网格，调用Fluent脚本自动求解流场，并输出文件反馈给Matlab，从而构成整套优化程序，以实现快速、实时、高精度的三维外形优化设计。其中使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，调用优化函数如下：

x＝fmincon(fun,x₀,A,b,Aeq,beq,lb,ub,options)

S5、设计涵道外形；在已优化螺旋桨外形的基础上，采用参数化方法，对涵道的几何外形进行优化设计。涵道体可看作由一个翼型绕轴旋转一周所得到的几何体，涵道体的几何参数化问题可等效为二维翼型的几何参数化问题。但对于涵道体而言，由于桨涵间隙对涵道产生的附加拉力影响较大，而且考虑到工艺制造上的难度，桨尖范围内的涵道内壁面通常取一段固定曲面，所以在涵道体优化时其几何外形上的限制较大。而CST通过约束函数来实现的外形精度较差，所以考虑使用非均匀有理B样条曲线(Nurbs)结合特征参数描述法来实现涵道截面翼型的几何参数化。

如图4所示，设计涵道外形的其中一种具体实施例，采用非均匀有理B样条曲线(Nurbs)结合特征参数描述法来实现涵道截面翼型的几何参数化。如图，取A点为翼型的后缘点，G点为翼型的前缘点，AB、BC、KA为直线段，曲线段 CGK为通过C点至K点的9个点生成的非均匀有理B样条曲线，C、G、K为固定点，A、D、E、F、H、I、J点的横坐标为固定值，B点的纵坐标为固定值；以B 点的横坐标，A、D、E、F、H、I、J的纵坐标为设计变量。这样一共有8个设计变量，通过A点纵坐标控制涵道出口半径，通过B点横坐标控制喊道出口扩张段的长度，通过D、E、F、H、I、J的纵坐标控制控制涵道前缘的形状及半径。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：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；

2.根据权利要求1所述的涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：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。

4.根据权利要求3所述的涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，可通过Matlab优化工具包中函数实现，并在Matlab中编写相应的优化程序，调用ICEM脚本参数化生成网格，调用Fluent脚本自动求解流场，并输出文件反馈给Matlab，从而构成整套优化程序，以实现快速、实时、高精度的三维外形优化设计。

5.根据权利要求4所述的涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：使用梯度法实现涵道螺旋桨设计参数的迭代优化，调用优化函数如下：

x＝fmincon(fun,x₀,A,b,Aeq,beq,lb,ub,options)

其中x₀为优化初值，x为最终优化结果，fun为目标函数，A、b、Aeq和beq分别为不等式约束和等式约束的系数矩阵，lb和ub定义了自变量的取值范围，options定义了其余优化参数设置；

6.根据权利要求1所述的涵道螺旋桨的设计方法，其特征在于：还包括S5、设计涵道外形；将涵道体看作由一个翼型绕轴旋转一周所得到的几何体，涵道体的几何参数化问题可等效为二维翼型的几何参数化问题；使用非均匀有理B样条曲线(Nurbs)结合特征参数描述法来实现涵道截面翼型的几何参数化。