一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法与流程

本发明涉及航空器用螺旋桨技术领域，具体地说，涉及一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法。

背景技术：

现有螺旋桨设计中，一般首先确定初始数据,即前进速度、前进比、桨叶直径、叶片数等技术指标，接下来进行螺旋桨的气动设计。利用二维叶素理论，结合螺旋桨的初始数据确定桨叶展向各截面的翼型及其对应的扭转角。再利用优化理论进行一定优化，如广泛使用的betz方法。优化各展向截面处的翼型、弦长、扭转角，得到桨叶的基本数据。之后进行气动性能分析计算，满足要求则进行下一步制造、实验工作；不满足要求则进一步进行优化调整直到达到要求。桨叶的基本数据获取后，进行模型的绘制工作，通常做法是确定一条基准线，基准线与展向各截面,与基准线垂直的交点作为该截面翼型30％弦长所在位置，而后布置翼型扭转角，绘制桨叶，进行加工制造。这种形式的桨叶存在的问题在于与betz方法初衷不符。betz方法强调桨叶优化后，各截面翼型变化引起的环量变化对于桨叶整体的气动性能的影响相同，即桨叶后脱出的尾涡能形成一个等距的螺旋面。但是依照前文所述的传统形式绘制的桨叶由于各截面翼型长度、扭转角都有很大差异，其后缘是一条复杂的三维曲线。这样进行设计的原因是方便加工设计以及多年的设计经验。但由于传统形式的桨叶后缘并不平直，其各截面分别脱落的尾涡必然存在先后顺序，这些尾涡相互之间会存在一定的干扰，导致桨叶噪声的增加。

在螺旋桨桨叶设计中，基础数据即各展向截面对应翼型及其扭转角选定后，螺旋桨优化的betz方法强调桨叶尾部能够形成等距螺旋面，但是传统螺旋桨设计的桨叶后缘尾涡脱离位置并不在同一直线上，桨叶展向各截面间尾涡还是会产生一定的干扰。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法。

本发明的思路是:在确定螺旋桨桨叶基本数据即各展向截面对应翼型及其扭转角后，体现在螺旋桨的气动外形布局上，使用直线作为各截面翼型安插基准，但直线和展向各设计平面的交点与平面上和翼型的后缘点重合。如此可获得一条平直的桨叶后缘，并在大部分截面处获得同时脱落的尾涡，可对桨叶的声源点进行重新排布，实现对桨叶噪声的削减。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定一根桨叶的基本数据，绘制一条平直的直线，并固定一个原点，在距离原点不同相对半径距离上沿桨叶旋转方向布置各设计平面，确定各设计平面与直线的交点，展向方向从0.3倍相对半径至1.0倍相对半径处每隔0.1倍相对半径插入一个设计平面；

步骤2.将不同设计平面上对应的翼型插入，保证翼型后缘上下点与设计平面、直线的交点重合，并进行翼型扭转角的绘制，且同一桨叶各设计平面上下要求相同；

步骤3.根据上述步骤再对各截面进行连接，最终成为一条后缘平直的螺旋桨；结合betz条件优化的桨叶随旋转半径增大，各截面翼型弦长先增大后减小，得到一个马刀型的前缘；

各截面翼型参数为:螺旋桨外形为马刀型，翼弦长为800mm，

有益效果

本发明提出的马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法,采用直线作为各截面翼型安插基准，但直线和展向各设计平面的交点与平面上和翼型的后缘点重合。首先绘制一条平直的直线，固定一个原点，在距离原点不同相对半径距离上沿桨叶旋转方向布置各设计平面，确定各设计平面与直线的交点即设计平面与直线互相垂直；然后将不同设计平面上对应的翼型插入，保证翼型后缘上下点与设计平面、直线的交点重合，并进行翼型扭转角的绘制,且同一桨叶各设计平面上下要求相同；之后再对各截面进行连接，最终成为一条后缘平直的螺旋桨。并且在大部分截面处获得同时脱落的尾涡，可对螺旋桨桨叶的声源点进行重新排布，实现对螺旋桨桨叶噪声的降低。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法作进一步详细说明。

图1a为本发明螺旋桨桨叶平面投影形状。

图1b为常规螺旋桨桨叶平面投影形状。

图2a为本发明螺旋桨桨叶气动外形的各设计平面翼型安插基准线示意图。

图2b为常规螺旋桨桨叶气动外形的各设计平面翼型安插基准线示意图。

具体实施方式

本实施例是一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法。

本实例马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法采用直线作为各截面翼型安插基准，且直线和展向各设计平面的交点与平面上和翼型的后缘点重合；首先绘制一条平直的直线，固定一个原点，在距离原点不同相对半径距离上沿桨叶旋转方向布置各设计平面，确定各设计平面与直线的交点即设计平面与直线互相垂直；然后将不同设计平面上对应的翼型插入，保证翼型后缘上下点与设计平面、直线的交点重合，并进行翼型扭转角的绘制，且同一桨叶各设计平面上下要求相同；之后再对各截面进行连接，最终成为一条后缘平直的螺旋桨。结合betz条件优化的桨叶随旋转半径增大，各截面翼型弦长先增大后减小，得到一个马刀型的前缘。由于按照本实例气动外形设计的桨叶后缘平直，故其脱出的尾涡面是齐平的，可将桨叶声源点重新进行分部，从而降低噪声。

图1a、图1b展示了本实施例的桨叶与常规桨叶平面投影形状的对比。图中两个桨叶上半侧均对应桨叶前缘，左侧对应桨尖。图中上方的为本实施例桨叶气动外形形式的桨叶投影形状，平直部分为桨叶后缘。由于设计中首先确定直线与各截面翼型后缘点对应，所以其桨叶后缘是平直的直线段。平直的后缘能起到重新排布桨叶声源点的作用，对于降低噪声有利。下方的桨叶为常规气动外形形式的桨叶与本本实施例相比差异明显。

图2a、图2b展示了本实施例桨叶气动外形形式与常规桨叶气动外形形式的各设计平面翼型安插基准线的区别。图中上方为本实施例的桨叶气动外形形式的翼型布置方式，各设计平面上均以翼型后缘点作为参考点进行翼型排布。下方则为常规桨叶气动外形的布置形式，其设计平面上均以翼型弦线的30％处作为参考点进行翼型排布，与本实施例的做法是截然不同的。

实验选取某套已经设计完成的螺旋桨进行，桨叶基本数据如下:

桨叶数:2,桨叶直径:800mm,使用高度:6kmm，来流速度:150km/h，

转速:5500rpm，效率:>0.60

各截面翼型数据如下:

表1螺旋桨外形设计方案,直径:800mm，桨叶数:2

使用本套桨叶数据，分别利用本实施例的桨叶气动外形形式与传统桨叶气动外形形式绘制、加工制造桨叶。进行实验验证，验证本发明的螺旋桨桨叶气动外形降噪效果。分别在螺旋桨桨盘平面，距离桨轴3倍直径处；桨叶下游与桨轴成45度角，距螺旋桨中心5倍直径两个位置进行桨叶的气动数值模拟、实验测量。测量状态为地面静止状态，即来流速度为0。

数值模拟结果表明，在螺旋桨桨盘平面，距离桨轴3倍直径处按照本实施例的气动外形形式制造的桨叶，其噪声由传统气动外形桨叶的105db降至97db，地面测量的结果也得到了相同的结论；而在桨叶下游与桨轴成45度角，距螺旋桨中心5倍直径处，数值模拟结果表明噪声由96db降至93db。与此同时两种测试状态下桨叶的气动效率并无明显变化。