本公开涉及一种航模轴流涵道风扇设计方法。
背景技术：
：航模涵道风扇一般采用直流电机驱动，电机输出相同功率的前提下，采用高转速(上万转/分钟，相应的叶片叶尖切线速度在上百米/秒)、低扭矩的电机能够降低电机的重量，从而携带更多的电池，提高飞行时长。为此，需要将风扇的设计转速上调与电机的高转速相匹配，这导致风扇的设计超出常规方法的适用范围。与涵道动力风扇原理相通的常规设计方法有两类：轴流通风机设计方法和压气机-风扇设计方法。轴流通风机设计方法适用于低叶尖切线速度(一般低于80m/s)、低总压升的情况；压气机-风扇设计方法适用于高叶尖切线速度、单级压比较高的情况。为了适应电机的高转速，航模涵道风扇的设计转速较高，而气流需要的加功量相对较低，气流转折角相应较小，因此，航模涵道风扇的设计需求偏离了常规设计的经验区间。从而需要基于轴流通风机设计方法、压气机-风扇设计方法和涵道风扇设计方法三者相通的原理，在缺乏足够的经验图表、公式指导的基础上，寻求涵道风扇设计参数的选择方法，使得涵道风扇具有较高的气动效率。技术实现要素：为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种航模轴流涵道风扇设计方法。根据本公开的一个方面，航模轴流涵道风扇设计方法，包括以下步骤：s1根据风扇的流量和总压升，设计风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形；以及s2根据步骤s1获取的风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形，设计风扇转子和静子的几何参数。根据本公开的至少一个实施方式，在步骤s1中，获取风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，以及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形时，采用非等环量规律。根据本公开的至少一个实施方式，该设计方法为小轮毂比的航模轴流涵道风扇设计方法，通过采用小轮毂比的设计来降低轮毂的迎风面积，从而降低发动机的阻力，非等环量规律为等加功量的设计。根据本公开的至少一个实施方式，步骤s1中，通过转子的径向平衡微分方程求解转子出口的轴向速度分布，通过积分求解转子的径向平衡微分方程，径向平衡微分方程如下式1：积分表达式如下式2：其中，lu表示轮缘功，lf表示流阻功，r表示半径，cu表示转子出口气流切向速度与转子入口气流切向速度之差，ca表示转子出口气流轴向速度，d表示轮毂比，u表示叶片切向速度，c表示积分常数项；给定等cu分布规律，以及等lf径向分布。根据本公开的至少一个实施方式，积分常数项c通过风扇的平均半径rm与风扇的平均速度cam确定，平均半径rm的计算公式如式3：平均速度cam的计算公式如式4：其中，r表示机匣内半径，d表示机匣内直径，qv表示体积流率，d表示轮毂比，π表示圆周率。根据本公开的至少一个实施方式，通过步骤s2获取的风扇转子和静子的几何参数包括叶栅稠度和叶片数，其中，叶栅稠度的确定与d因子相关，叶片数的确定与叶弦雷诺数相关。根据本公开的至少一个实施方式，通过减小叶栅稠度提高风扇的气动效率；通过d因子控制叶栅稠度下限，避免风扇叶片的吸力面分离损失；以及通过叶弦雷诺数控制层流附面层分离损失。根据本公开的至少一个实施方式，风扇转子叶尖截面的d因子的值为0.4以下，风扇转子叶尖之外的其他部分的截面及风扇静子各叶高对应的截面的d因子的值为0.6以下。附图说明附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。图1是根据本公开的至少一个实施方式的扩压式叶栅额定气流转折角与叶栅稠度及额定出口气流角(β2*)之间的关系示意图。图2是根据本公开的至少一个实施方式的风扇叶片的低速叶栅数据在基准流入角下计算的尾迹动量厚度比随局部扩散因子的变化示意图。图3是根据本公开的至少一个实施方式的零弯度流入角与叶栅稠度和进气角之间的关系示意图。图4是根据本公开的至少一个实施方式的最小损失流入角弯度修正系数与叶栅稠度和进气角之间的关系示意图。图5是根据本公开的至少一个实施方式的偏离角与叶栅稠度和进气角之间的关系示意图。图6是根据本公开的至少一个实施方式的偏离角弯度修正系数与叶栅稠度和进气角之间的关系示意图。图7是根据本公开的至少一个实施方式的零弯度最小损失流入角的叶片最大厚度修正系数变化曲线。图8是根据本公开的至少一个实施方式的涵道风扇的几何模型。图9是根据本公开的至少一个实施方式的转子与风扇的总压升随气流流量的变化曲线。图10是根据本公开的至少一个实施方式的转子与风扇的扭矩效率随气流流量的变化曲线。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。低负荷、高转速的高效涵道风扇设计无法沿用常规的设计流程，借助丰富的设计经验值。这使得高效涵道风扇设计参数的选择缺乏依据。叶栅稠度是风扇设计中的一个重要参数，如图1所示，在常规的设计流程中，可借助图1进行叶栅稠度τ的选择。但是，因为高效涵道风扇的设计转速偏高，气流所需加工量小，因此导致风扇的气流转折角△β*较小，偏离了常规的参数选择范围，所以叶栅稠度难以依靠经验图表来确定。若风扇的设计参数选择不当，将可能进一步导致设计风扇的气动效率降低。本公开综合运用压气机-风扇设计方法中的二维叶栅实验结果，以及轴流通风机设计方法中的变环量设计，针对高效涵道风扇设计时无法沿用常规的设计方法，缺乏相关设计经验或公式指导而较难确定设计参数，导致设计风扇的效率降低的状况，提出了一种适用于小轮毂比的航模轴流涵道风扇设计方法。航模轴流涵道风扇设计方法，包括以下步骤：s1根据风扇的流量和总压升，设计风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形；以及s2根据步骤s1获取的风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形，设计风扇转子和静子的几何参数。在本公开的一个可选实施方式中，可以采用常规方法，根据飞行器的推力需求与功耗限制获取风扇的流量与总压升。为了降低轮毂的迎风面积，减小发动机阻力，可以采用小轮毂比的设计形式。对于小轮毂比风扇，在确定基元级转子叶片的出口气流的轴向速度时，若采用常规的等环量加功规律，容易导致叶根负荷过高的问题。但若对转子叶片采用非等环量规律，具体地，可以采用等加功量设计，则可以避免叶根负荷过高这一问题。因此，获取风扇转子的进口速度三角形和出口速度三角形，以及风扇静子的进口速度三角形和出口速度三角形时，可以采用等加功量设计。在本公开的一个可选实施方式中，在步骤s1中，等加功量设计时，会导致风扇转子出口气流轴向速度的径向分布不均匀，从而影响下游静子的进口速度三角形，所以需要通过积分求解转子径向平衡微分方程来获取转子出口的轴向速度分布，用于静子设计。径向平衡微分方程如下式1：积分表达式如下式2：其中，lu表示轮缘功，lf表示流阻功，r表示半径，cu表示转子出口气流切向速度与转子入口气流切向速度之差，ca表示转子出口气流轴向速度，d表示轮毂比，u表示叶片切向速度，c表示积分常数项；给定等cu分布规律，以及等lf径向分布。在本公开的一个可选实施方式中，上述积分常数项c通过风扇的平均半径rm与风扇的平均速度cam确定，平均半径rm的计算公式如下式3：平均速度cam的计算公式如下式4：其中，r表示机匣内半径，d表示机匣内直径，qv表示体积流率，d表示轮毂比，π表示圆周率。通过步骤s2获取的风扇转子和静子的几何参数包括叶栅稠度和叶片数，其中，叶栅稠度的确定与d因子相关，叶片数的确定与叶弦雷诺数相关。在本公开的一个可选实施方式中，在风扇设计转速较高的背景下，风扇整体负荷较低，气流所需加功量小。因此，风扇的设计点(流量和总压升)落在经验图表的区间之外，叶片的重要设计参数，即叶栅稠度，难以通过经验图表确认，进而影响后续设计参数的选择。本公开采用d因子确定叶栅稠度、叶弦雷诺数确定叶片数的参数选择策略。下面将参照附图对该策略的具体实施方式进行详细的说明。在本公开的一个可选实施方式中，确定基元叶栅的设计参数时，可以借助经验数据(例如naca65系列)，关联风扇进口的气流角度与叶型角度的实验数据，来规划气流偏转。将攻角配置在最小损失流入角附近，可以降低二维叶栅流动中的总压损失，从而获得较高的气动效率。叶弦雷诺数和d因子是确定风扇几何参数的关键因素，同时也可以是除攻角之外的影响气动效率的重要因素。通过减小叶栅稠度提高风扇的气动效率。通过d因子控制叶栅稠度下限，避免风扇叶片的吸力面分离损失。通过叶弦雷诺数控制层流附面层分离损失。在本公开的一个可选实施方式中，气动损失随叶弦雷诺数的变化，与叶片表面的层流附面层局部分离或全部分离有关。涵道风扇设计时，将叶弦雷诺数选定在某一下限以上(例如1.5e5以上)，可以规避层流附面层分离效应造成的气动损失。d因子的计算公式如下式5：其中，v1表示相对系下叶排入口的气流速度，v2表示相对系下叶排出口的气流速度，δcu表示叶排出口与叶排入口的气流切向速度的变化量，τ表示叶栅稠度。风扇转子叶尖截面的d因子的值为0.4以下，风扇转子叶尖之外的其他部分的截面及风扇静子各叶高对应的截面的d因子的值为0.6以下。在本公开的一个可选实施方式中，通常，从避免因吸力面分离而导致气动损失增大的角度来说，d因子的数值小，可以减小吸力面分离的风险，也就可以减小气动损失。因而，虽然选用较小的叶栅稠度可以提高风扇的气动效率，但是过小的叶栅稠度可以导致d因子增大，进而增加吸力面分离的风险，这对风扇的整体设计是不利的。所以，在本公开中，转子叶尖截面的d因子不宜大于0.4，转子的其它截面以及静子各叶高所对应的截面的d因子不宜大于0.6。在本公开的一个可选实施方式中，通常在一定的范围内，适当增大叶栅稠度，对d因子和叶弦雷诺数的影响是有利的。大的叶栅稠度有助于防止负荷过高造成的转子和静子叶片的吸力面分离损失，以及层流分离造成的损失。但是，叶栅稠度过大，对气动效率是不利的。如图2所示，叶栅气动损失数据可用动量损失厚度比(θ*/c)来度量。叶栅稠度与弦长成正比。在动量损失厚度比一定时，弦长与动量损失厚度的比值是一定的，即弦长越长，动量损失厚度越大，从而气动损失越严重。所以，在叶片吸力面分离造成的损失不严重的情况下，可以选用尽可能小的叶栅稠度，将有助于提高风扇的气动效率。d因子，叶弦雷诺数，以及转子叶片弦长和静子叶片弦长对应不同的流动损失机制，设计叶栅稠度时需要综合考虑它们的相互影响，在需用范围内，选取较小的叶栅稠度，从而获得较高的气动效率。在本公开的一个可选实施方式中，通过航模轴流涵道风扇设计方法获得的风扇的总体设计指标和设计参数如表1所示：表1风扇总体设计指标和参数根据上述设计指标和设计参数，沿叶高选择5个截面，按照上述等加功量的转子进口速度三角形和出口速度三角形，以及静子进口速度三角形和出口速度三角形的设计方法；以及上述叶栅稠度和叶片数的选择策略，进行涵道风扇设计。获得的转子进、出口速度型径向分布如表2所示，沿转子叶高选择的5个截面的稠度、d因子和叶弦雷诺数分布如表3所示(仅以转子的设计为例,静子的设计方法相同)。表2转子进、出口速度型径向分布表3转子各截面的稠度、d因子和叶弦雷诺数径向分布半径(mm)607590105120稠度(-)0.60.450.40.40.4d因子(-)0.320.300.270.230.2叶弦雷诺数(1e5)1.841.972.383.133.98在上述主要参数确定后，根据10％厚的naca65系列叶片厚度分布的低速叶栅实验数据，如图3、图4、图5和图6所示，将表2中的“相对系入口气流角”作为横坐标(即图3-6中的进气角β1)，依次查表确定零弯度(最小损失)流入角i0,最小损失流入角弯度修正系数n,偏离角δ0，以及偏离角弯度修正系数m。进一步地，由图3获得“零弯度的最小损失流入角i0”后，将图3与图4综合使用，进行弯度修正，获得叶片弯度不为零时的最小损失流入角。同理，将图5与图6综合使用，在最小损失流入角经过弯度修正后，对偏离角δ0也进行相应的弯度修正。按照下面的公式获得叶片的攻角i和落后角δ。(其中，为叶片弯角)若采用naca65-(a10)以外的厚度，可以参考图7修正流入角i0。通过表2的相对系出口气流与轴线的夹角和相对系入口气流与轴线的夹角，这两者之差，求得气流偏转角δβ。经过简单运算，获得叶片建模、造型软件autoblade所需的输入参数：叶片半弯角δ、叶片弦长c和安装角γ。在本公开的一个可选实施方式中，上述参数的径向分布如表4所示。表4建模、造型软件autoblade输入参数径向分布半径(mm)607590105120安装角(deg)45.1650.5154.1056.7958.19弦长(mm)32.3130.2932.3137.7043.08叶片半弯角(deg)4.046.7410.9113.1318.17将表4中各参数输入autoblade，获得叶片的几何模型，如图8所示。用网格绘制软件autogrid5生成用于数值计算的网格。随后采用商用数值计算软件cfx对涵道风扇进行数值模拟。如图8所示为小轮毂比涵道风扇的几何模型，包括转子(例如7片叶片)和静子(例如6片叶片)。在本公开的一个可选实施方式中，为了验证通过航模轴流涵道风扇设计方法获得的风扇的气动效率，绘制风扇转子与风扇整级的流量-压升曲线，即转子与风扇的总压升随气流流量的变化曲线，如图9所示。绘制转子与风扇整级的流量-扭矩效率曲线，即转子与风扇的扭矩效率随气流流量的变化曲线，如图10所示。由图9和图10可知，转子的总压升随流量的变化规律与风扇一致，转子的扭矩效率随流量的变化规律与风扇一致。并且在设计点附近，转子与风扇整级的扭矩效率均达到最高点，且转子的扭矩效率达到95％，风扇整级的扭矩效率近92.5％，这也证明了本公开的航模轴流涵道风扇设计方法的高效。在本公开中，避开了涵道风扇常规设计流程的不足，借鉴二维叶栅实验，规划气体流动并获得风扇的设计参数。通过叶弦雷诺数和d因子等确定风扇的叶栅稠度、叶片数等参数的设计策略降低了气流在二维叶栅流动中的总压损失。通过本公开的设计方法获得的航模轴流涵道风扇在保持低负荷、高转速特征的基础上，还具备较高的气动效率。本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。当前第1页12