提高小型无人机螺旋桨效率的工程方法.doc

态是不现实的, 因此, 只有选择飞机最重要的工作状采用木质材料 态是不现实的, 因此, 只有选择飞机最重要的工作状 采用木质材料等, 因此效率普遍较低, 装机后的实际 态作为螺旋桨的设计点, 同时注意兼顾其它飞行状 效率一般低于 0. 6, 比有人飞机低 20% 以上1 。由于 这类螺旋桨截面工作在较小的雷诺数下, 使得螺旋 桨效率的提高较为困难。 可是, 螺旋桨效率的提高, 可以在无需改变无人机其它条件下, 有效提高无人 机的飞行性能。因而, 无人机螺旋桨设计者们一直致 力于提高其效率。螺旋桨的设计, 特别是桨叶的设计 是一项综合性的工程技术问题, 设计师的任务就是 要权衡所有各种利害关系, 以求达到最满意的结果。 根据多年来多种型号无人机螺旋桨研制实践的经 验, 本文总结出一套提高小型低速无人机螺旋桨效 率的工程手段: 采取选用高性能桨型、放宽桨尖马赫 数的上限、合理匹配螺旋桨的吸收功率与发动机的 输出功率、精选桨叶层合材料、提高加工工艺质量、 加强表面防护等措施。 风洞试验与飞行实践均已证 实这些措施可切实提高无人机螺旋桨效率。 态, 努力使螺旋桨在飞机的各个飞行阶段均有较好 的表现。 1. 1 选择合适的桨型 选择螺旋桨的桨叶剖面形状 (桨型) 如同选择机 翼 的 翼 型 一 样 重 要, 它 是 设 计 高 效 率 螺 旋 桨 的 基 1- 4 础 。一般情况下, 进行螺旋桨设计时对桨型本身 不进行基础研究, 但必须根据螺旋桨的使用条件和 设计点, 沿螺旋桨径向选取合适的桨型分布, 使螺旋 桨在使用过程中经常保持较好的升阻特性。 在桨型 的选择过程中, 不能只追求理论上的最优, 还应考虑 工程实现的可能性。例如有的桨型相对厚度较小, 翼 型后缘很薄, 虽然气动特性可能不错, 若采用木质材 料制造, 则很难达到设计要求, 发挥其气动效率。 螺旋桨桨型的选择原则主要有: (1) 在螺旋桨的设计速度和使用迎角附近, 具 有较好的升阻特性。 螺旋桨设计 1 (2) 桨型应具有较好的工艺性。 除剖面形状加 工容易外, 对加工精度也应有较好的宽容度, 这点对 小型低速无人机螺旋桨的设计实际上是一个综 木质螺旋桨尤为重要。 α 收稿日期: 2003204207 (3) 剖面形状参数不给螺旋桨的强度设计带来太大的困难。1. 2 优化桨叶参数螺旋桨在选定桨型以后, 要根据螺旋 (3) 剖面形状参数不给螺旋桨的强度设计带来 太大的困难。 1. 2 优化桨叶参数 螺旋桨在选定桨型以后, 要根据螺旋桨的使用 高度和速度、发动机功率和转速等条件, 按照螺旋桨 理论进行桨叶参数设计, 典型螺旋桨截面的速度多 边形如图 1 所示。螺旋桨的拉力和功率可利用下式, 再沿整个桨叶积分得到。 进口桨相比, 自制桨的效率有明显提高。 表 1 5 种自制的螺旋桨与进口螺旋浆有关参数的比较 桨号 进口桨 1 2 3 4 5 Κop t 0. 8 0. 7 1. 1 0. 8 0. 7 0. 5 Γm ax 0. 85 0. 78 0. 83 0. 89 0. 805 0. 69 ( 摘自“365 所全尺寸螺旋浆低速风洞实验报告”, 西工大翼 型研究中心, 1999?07?09) 经验表明: 实际飞行中, 螺旋桨效率会有所降 低, 一般都要比风洞试验中的效率低 20% 左右, 对 于自制桨与进口桨均无例外。 无人机在实际飞行中 的螺旋桨效率可通过实测飞行数据进行推算, 4 号 自制螺旋桨在飞行中的推算效率 Γm ax = 0. 66。 1. 3 螺旋桨与飞机、发动机的匹配 提高螺旋桨本身的效率固然重要, 但更重要的 是要提高螺旋桨装机后的效率。一般情况下, 无人机 螺旋桨装机后的效率较原先螺旋桨的设计效率要下 降 10%～ 20% 。为了使螺旋桨具有较高的实际使用 效率, 解决好螺旋桨与飞机、发动机的匹配问题非常 关键。 既要使螺旋桨的外形尺寸与飞机总体布局协 调, 又要使螺旋桨的吸收功率与发动机输出功率匹 配, 保证发动机功率的充分发挥和稳定工作。 另外, 在螺旋桨设计中不仅要力求螺旋桨的最大效率点 高, 同时要使螺旋桨效率曲线在最高点附近尽量平 坦, 也就是在一定的前进比范围内使螺旋桨均有较 高的效率, 这一点对于定距螺旋桨尤为重要。因为在 实际飞行中由于飞行阶段的不同, 很难保证飞机始 终保持在螺旋桨的设计点上飞行, 如果稍微偏离设 计点, 螺旋桨的效率就大幅度下降, 使其适用范围很 窄, 这样的螺旋桨设计是不成功的, 在实际飞行中很 难使用。图 2 给出了两种螺旋桨效率曲线的比较, 可 以看到, 螺旋桨 1 和螺旋桨 2 的设计点和最大效率 虽然相近, 但螺旋桨 1 的设计显然