一种RAT用叶片设计方法与流程

本发明属于冲压空气涡轮系统技术，具体涉及一种rat用叶片设计方法。

背景技术：

冲压空气涡轮系统主要作为飞机的应急动力系统，为飞机提供应急液压能或(和)应急电能，从而保证飞机在失去主动力的情况下仍然可以维持正常飞行姿态的操纵性。目前，国内自主研制的冲压空气涡轮叶片多为根据已有叶片修改所得，传统rat叶片设计方法流程单向，各设计参数之间关系不明确，使得设计过程繁琐反复，设计周期长，设计出的叶片功率提取效率低。

随着先进飞机对rat系统功重比要求的提高，提高rat叶片功率提取效率是未来rat系统发展中的重要研究领域。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：提出一种rat用叶片设计方法，以能更好的满足未来先进飞机对高功重比rat系统的需求。

本发明的技术方案为：一种rat用叶片设计方法，其特征为：所述方法设计参数包括二维翼型、翼型弦长、叶片展长和叶片扭转角，所述的方法包括如下步骤：

根据飞机应急功率需求在已有翼型数据中选择并采用cfd仿真获取翼型气动性能数据，获取基础翼型；

根据叶素-动量理论计算得到翼型弦长和叶片扭转角，并采用遗传算法进行优化；

根据以下公式计算叶片展长d:

其中cp为涡轮功率提取系数，ρ为空气密度，v为来流速度，w为需求功率。

优选地，通过cfd仿真获取翼型在-5°～80°迎角范围内的气动性能数据，选取基础翼型。

优选地，涡轮功率提取系数cp取0.18～0.21。

优选地，根据以下方法计算翼型弦长和叶片扭转角：

步骤1，将叶片沿展向分成10～30个截面，根据wilson方法得到各截面翼型弦长和叶片扭转角的初始值；

步骤2，采用动量-叶素理论计算各截面气动数据；

步骤3，将所有截面气动数据进行积分加和，得到整个叶片在不同尖速比下的功率提取效率；

步骤4，将翼型弦长和叶片扭转角设为优化变量，生成计算种群；

步骤5，对每个变量组合分别进行快速气动性能评估，重复步骤1～3；

步骤6，根据输入条件对所有叶片数据采用遗传算法进行结果分析优化；

步骤7，判断优化结果是否符合需求，若不符合，重新设置优化变量，迭代求解，直至得到最优叶片方案。

本发明的有益效果为：本发明提出了叶素-动量理论、cfd仿真、遗传算法相结合的rat叶片循环迭代优化设计方法，利用实际使用数据形成的计算公式快速评估设计出的rat叶片性能，提高了rat叶片设计计算速度。另外，对设计过程中所采用的cfd仿真模型采用试验数据校核，设计出来的结果准确度高。设计过程采用循环迭代的方式，而非单向设计流程，设计所得到的rat叶片功率提取效率高。本发明能够为飞机应急策略制定、能量综合配置提供有力支撑，对提高国内自主研制冲压空气涡轮系统的市场竞争力具有积极作用。

附图说明

图1为rat叶片的结构示意图；

图2为本发明的流程框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1和图2，本发明rat用叶片设计方法，设计参数包括二维翼型1、翼型弦长2、叶片展长3、叶片扭转角4。

所述叶片展长3根据飞机应急功率需求和空间重量要求综合确定，由于功率提取效率存在极限值，因此叶片展长大小直接决定了rat所能提供的功率上限。叶片展长3的初步选择方法根据以下公式确定：

其中cp为涡轮功率提取系数，一般取0.18～0.21，ρ为空气密度，v为来流速度，w为需求功率。

所述二维翼型1是叶片截面基本元素，根据飞机应急功率需求和使用工况特点，在已有翼型数据中选择若干翼型，对翼型进行cfd建模仿真计算，获取二维翼型大迎角范围内(-5°～80°)的气动性能数据，包括升力、阻力、升阻比、压强分布、分离失速迎角等，根据实际设计需求进行分析对比，选取基础翼型。

所述翼型弦长2和叶片扭转角4是二维翼型1在三维叶片各个展向截面的尺寸数据，分别表示翼型在特定展向截面位置的翼型弦长和扭转角，具体计算及优化方法为：1.首先将叶片沿展向分成10～30个截面，根据wilson方法得到各截面翼型弦长2和叶片扭转角4的初始值；2.采用动量-叶素理论计算各截面气动数据；3.将所有截面气动数据进行积分加和，得到整个叶片在不同尖速比下的功率提取效率；4.将翼型弦长2和叶片扭转角4设为优化变量，生成计算种群；5.对每个变量组合分别进行快速气动性能评估，重复步骤1～3；6.根据输入条件对所有叶片数据采用遗传算法进行结果分析优化；7.判断优化结果是否符合需求，若不符合，重新设置优化变量，迭代求解，直至得到最优叶片方案。

本发明集成了实际使用数据统计规律得出的快速性能评估计算公式，设计计算效率比传统设计方法大大提高。同时采用遗传优化算法，为复杂系统的多参数匹配最优解集计算提供了有效方法。本发明在计算中采用循环迭代，同时用试验数据佐证仿真模型，设计结果比传统设计方法更优。

本发明rat用叶片设计方法，实现初步理论计算、高性能仿真计算、多参数联合优化和试验结果修正相结合的rat叶片正向设计思想，有效提高了rat叶片设计速度和设计出的rat叶片功率提取效率。另外，由于建模时采用自动曲面生成光顺技术，与设计参数同步更新数字模型，设计效率高，人工建模误差小，具有较大的实际应用价值。

技术特征：

技术总结
本发明属于冲压空气涡轮系统技术，具体涉及一种RAT用叶片设计方法。所述方法设计参数包括二维翼型、翼型弦长、叶片展长和叶片扭转角，所述的方法包括如下步骤：根据飞机应急功率需求在已有翼型数据中选择并采用CFD仿真获取翼型气动性能数据，获取基础翼型；根据叶素‑动量理论计算得到翼型弦长和叶片扭转角，并采用遗传算法进行优化；根据以下公式计算叶片展长其中CP为涡轮功率提取系数，ρ为空气密度，v为来流速度，W为需求功率。本发明提出了叶素‑动量理论、CFD仿真、遗传算法相结合的RAT叶片循环迭代优化设计方法，利用实际使用数据形成的计算公式快速评估设计出的RAT叶片性能，提高了RAT叶片设计计算速度。

技术研发人员：王健;翟笑天;郭生荣;卢岳良
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心
技术研发日：2017.04.19
技术公布日：2017.09.22