一种涵道螺旋桨的简便设计方法_高永卫VIP免费

第4卷第3期2013年8月航空工程进展ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGVol.4No.3Aug．2013收稿日期:2012-12-04;修回日期:2013-02-28通信作者:黄灿金，huangcj007@163．com文章编号:1674-8190(2013)03-352-06一种涵道螺旋桨的简便设计方法高永卫，黄灿金，魏闯(西北工业大学航空学院，西安710072)摘要:由于涵道和螺旋桨互相干扰的复杂性，通常涵道螺旋桨的设计需要较多经验和较长时间。提出一种将动量定理、轴流式通风机相似理论和旋转机械叶素理论相结合的工程方法，该方法应用在涵道螺旋桨初步设计阶段，可快速确定桨叶和涵道初始外形。首先根据动量理论计算通过桨盘的流量，再由轴流通风机相似理论确定桨盘直径与轮毂比，然后运用叶素理论设计桨叶的几何形状。风洞实验结果表明:该设计方法实用、有效，从而可以加快涵道螺旋桨设计过程。关键词:涵道螺旋桨;动量理论;相似理论;叶素理论;桨叶设计中图分类号:V211文献标识码:AASimpleApproachtotheDesignofDuctedPropellerGaoYongwei，HuangCanjin，WeiChuang(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract:Ductedpropellerdesignisoftenbyruleofthumb，andrequiresalongtimeforthecomplexityofthemutualinteractionbetweenductandpropeller．Asimplemethod，whichiscombinedwithmomentumtheory，theaxialfansim-ilarityandtheblade-elementtheory，isproposedforthepurposeofdesigningthebladesandductduringductedpropel-lerpreliminarydesignstage．First，themassflowthroughthepropellerdiskiscalculatedusingthemomentumtheory．Thenthefandiameterandhubdiameterareestimatedbysimilarityofaxialfanintroducedbytheauthors．Finallythebladeprimarygeometryisdesignedonthebasisofbladeelementtheory．Toverifyfeasibilityofthismethod，aductedpropellerismanufacturedandtestedinNF-3lowspeedwindtunnel．Theresultshowsthatthemethodisusefulandef-fective，andcanaccelerateductedpropellerdesignprocedure．Keywords:ductedpropeller;momentumtheory;similaritytheory;bladeelementtheory;bladedesign0引言涵道螺旋桨是指被涵道包围的螺旋桨系统。相比于孤立的螺旋桨，涵道螺旋桨系统具有更高的气动效率，并具有气动噪声低、安全性高等优点，已经被广泛用于轮船、特种飞行器、潜艇等军事及民用领域。因此，研究发展简便高效的涵道螺旋桨设计方法具有一定的应用价值。涵道螺旋桨工作时，气流连续不断从涵道入口通过螺旋桨，并在桨盘处加速增压后，以高速高压的状态流出涵道，并产生反作用推力。涵道螺旋桨的推力大小与通过桨盘的空气流量和涵道内外流速相关。目前，涵道螺旋桨的设计方法主要有:叶素理论和片条理论［1-2］法;利用升力线(面)和面元法耦合计算涵道螺旋桨的内部流场特性，预测涵道螺旋桨的定常与非定常性能［3-7］以及基于动量源项法对涵道螺旋桨的流场进行CFD模拟与验证的方法［8］等。由于涵道与螺旋桨之间相互干扰的复杂性，涵道螺旋桨的设计通常需要较多经验与较长时间。在设计涵道螺旋桨时，如果有类似的桨存在，则可以基于现有类似的桨进行相似设计或优化设计。但是，如果是设计全新的桨，没有适当的参考方案，如何确定一个较合适的初步外形开展方案分析或优化设计就需要适用的方法。目前的方法还不够成熟。在现有工程设计方法中，比较有代表性的方法是文献［9］提供的方法，该方法首先根据经验假定桨盘直径和轮毂比，然后根据动量定理确定质量流量，并结合自由涡流径向载荷分布进行方案设计。这类方法的主要问题是需要很多经验才能确定桨叶直径、轮毂比等关键参数，设计经验较少的人员使用起来不够方便。本文根据理论假设与轴流通风机设计方法，发展一个能够在初始设计阶段较好地确定桨叶直径和轮毂比的简便方法，为确定总体方案和加快涵道桨的设计过程提供简便工具。1动量理论涵道螺旋桨设计理论基础中最重要的是动量理论。动量理论是由Rankine和R．E．Froude在19世纪提出的，以气流通过桨盘的动量和能量变化作为依据。动量理论的基本假定［10］...