渦槳教練機(jī)螺旋槳設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

陳雅麗，李鵬飛，胡志東，黃斌，饒祺

（中航工業(yè)洪都，江西南昌 330024）

渦槳教練機(jī)螺旋槳設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

陳雅麗，李鵬飛，胡志東，黃斌，饒祺

（中航工業(yè)洪都，江西南昌 330024）

渦槳教練機(jī)以其完美的節(jié)油特性越來越受用戶青睞，本文就渦槳教練機(jī)推進(jìn)部件螺旋槳的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行探討。簡要介紹了提高螺旋槳效率的一般技術(shù)，重點(diǎn)圍繞提高螺旋槳效率以及影響全機(jī)氣動(dòng)特性的關(guān)鍵技術(shù)展開分析。

螺旋槳；效率；關(guān)鍵技術(shù)分析

0 引言

雖然航空推進(jìn)技術(shù)早已進(jìn)入噴氣時(shí)代，但是，在航空推進(jìn)技術(shù)發(fā)展史上起著重要作用的氣動(dòng)部件螺旋槳并沒有退出這個(gè)領(lǐng)域。噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛速發(fā)展，曾經(jīng)使螺旋槳的研究一度處于停頓狀態(tài)。然而，隨著能源供給緊張的加劇，全球性的能源危機(jī)給螺旋槳的發(fā)展又帶來了新的活力。螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)以它在亞音速范圍內(nèi)無與倫比的節(jié)油優(yōu)點(diǎn)又重新引起人們的關(guān)注和重視。之前由于技術(shù)水平的限制，普遍選用現(xiàn)有螺旋槳作為飛機(jī)的推進(jìn)裝置。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，為了保證推力的高效使用，為每一款渦槳教練機(jī)量身定做專用的螺旋槳已經(jīng)成為必要，針對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)的技術(shù)研究也在蓬勃發(fā)展。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，瑞士是最大的渦槳教練機(jī)出口國，瑞士“皮拉圖斯”公司生產(chǎn)的PC-9M、PC-21在渦槳教練機(jī)市場(chǎng)競爭中占據(jù)上風(fēng)。具有典型代表的為瑞士派士飛機(jī)公司研制的渦槳式基礎(chǔ)教練機(jī)PC-7MkⅡM“渦輪教練機(jī)”、PC-9M“先進(jìn)渦輪教練機(jī)”和PC-21。巴西航空工業(yè)公司研制有1980年首飛的EMB-312“巨嘴鳥”和1991年首飛的EMB-314“超級(jí)巨嘴鳥”渦槳式基礎(chǔ)教練機(jī)。美國具有代表性的為豪客·比奇飛機(jī)公司研制的1998年首飛的T-6“德克薩斯人”Ⅱ渦槳式基礎(chǔ)教練機(jī)。意大利則有阿萊尼亞-馬基飛機(jī)公司研制的1980年首飛SF-260TP單發(fā)渦槳初級(jí)教練機(jī)。韓國具有代表性的為韓國工業(yè)界與韓國國防部國防開發(fā)局共同研制的1991年首飛的KT-1“雄飛”渦槳式基礎(chǔ)教練機(jī)[1]。

我國裝有螺旋槳的教練機(jī)則為1958年首飛的單發(fā)活塞初級(jí)教練機(jī)“初教6”飛機(jī)。其動(dòng)力裝置為1臺(tái)功率164kw的HS6活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)一副自動(dòng)變距雙葉全金屬螺旋槳。國內(nèi)外典型渦槳教練機(jī)螺旋槳配置比較見表1。

表1 國內(nèi)外典型教練機(jī)螺旋槳配置

2 螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)與探討

螺旋槳設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容就是如何提高螺旋槳的推進(jìn)效率，哪些因素與螺旋槳的推進(jìn)效率有關(guān)值得研究。為此，從直徑、轉(zhuǎn)速與直徑匹配、槳葉數(shù)目、重量方面，簡要介紹了螺旋槳設(shè)計(jì)一般技術(shù)，以及如何提高螺旋槳的推進(jìn)效率。重點(diǎn)從翼型設(shè)計(jì)、螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)繞流影響方面，探討了螺旋槳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)分析，以及對(duì)全機(jī)氣動(dòng)效率的影響分析。

2.1 螺旋槳設(shè)計(jì)共性技術(shù)

2.1.1 螺旋槳直徑設(shè)計(jì)

螺旋槳的直徑是確定螺旋槳大小的主要尺寸。與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、飛行高度、槳葉數(shù)等均有關(guān)系。在拉力一定的情況下，提高螺旋槳推進(jìn)效率的有效方法是增大槳葉直徑。但是增大槳葉直徑受到臨界馬赫數(shù)的限制，否則會(huì)在槳尖區(qū)出現(xiàn)激波，引起激波損失，使螺旋槳效率降低。同時(shí)螺旋槳的直徑也受到與其他結(jié)構(gòu)安裝配合的限制。

螺旋槳的初步設(shè)計(jì)時(shí)可用工程估算公式進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于相對(duì)厚度約10%的較厚翼型的低速螺旋槳Mtip≤0.8，對(duì)于相對(duì)厚度約6%的較薄翼型的高速螺旋槳Mtip≤(0.85-0.9)。

2.1.2 螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配設(shè)計(jì)

如果螺旋槳的槳距不變，在地面高度滿足推力要求的轉(zhuǎn)速在高空將不能滿足推力要求，因此需根據(jù)高度的不同，調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速，在額定功率限定范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)推力以保證螺旋槳正常工作。螺旋槳轉(zhuǎn)速太低，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率無法吸收，并且會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)軸的輸出扭矩過大。轉(zhuǎn)速太快會(huì)導(dǎo)致噪聲太大。因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)速加以限制。螺旋槳葉尖速度是葉尖相對(duì)于氣流的合成速度，Vtip應(yīng)取150-200m/s，上限不超過250m/s。

靜態(tài)時(shí)（飛行速度V=0）有

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和飛行速度，可得出螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑的匹配關(guān)系，某螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 某螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑匹配關(guān)系曲線

2.1.3 槳葉數(shù)目設(shè)計(jì)

槳葉數(shù)目在螺旋槳的設(shè)計(jì)中也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響螺旋槳的氣動(dòng)特性和效率。槳葉數(shù)目的多少各有其利弊，數(shù)目多可以減少螺旋槳的直徑和寬度，從而減小迎風(fēng)阻力。同時(shí)，多槳螺旋槳更能有效的吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。并且，槳葉數(shù)目多對(duì)降噪也會(huì)有很大的收益。但是，多槳葉也會(huì)帶來兩個(gè)方面的問題。問題一，增加槳葉數(shù)目會(huì)降低螺旋槳的效率，這是因?yàn)楫?dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，多槳葉的螺旋槳槳葉之間更容易產(chǎn)生氣動(dòng)干擾。問題二，增加槳葉數(shù)目會(huì)導(dǎo)致螺旋槳重量增加，一般每增加一片槳葉，螺旋槳重量增大23%～25%。因此，螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)總是和復(fù)合材料聯(lián)系在一起，為了減少螺旋槳的重量，盡可能的減少螺旋槳的槳葉數(shù)。

2.1.4 螺旋槳重量設(shè)計(jì)技術(shù)

為了降低能源消耗，應(yīng)綜合考慮對(duì)螺旋槳的輕量化設(shè)計(jì)。高效、輕質(zhì)、適應(yīng)性強(qiáng)的螺旋槳將以采用輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料為主。同時(shí)還要裝配變轉(zhuǎn)速或者變槳距裝置，除了采用性能更好的材料外，對(duì)螺旋槳的外形要求非常高，設(shè)計(jì)過程中必須考慮螺旋槳的重量限制。

2.2 螺旋槳設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.2.1 螺旋槳翼型設(shè)計(jì)

螺旋槳翼型的形狀和尺寸對(duì)螺旋槳的工作性能產(chǎn)生直接影響。在螺旋槳發(fā)展過程中，常用的螺旋槳翼型有：英國RAF-6翼型、ARA-D翼型，美國Clark-Y翼型、NACA16翼型。其中，RAF-6翼型、Clark-Y翼型為二戰(zhàn)以前翼型，其形狀為平底翼型。NACA16翼型為典型的層流高速翼型，是二戰(zhàn)期間發(fā)展起來的翼型。ARA-D翼型是20世紀(jì)70年代后期英國利用跨音速翼型理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，發(fā)展起來的一種超臨界翼型[2]。并且螺旋槳槳葉翼型的厚度在不斷變化，根部翼型厚度一般在20%～30%，梢部厚度一般4%～7%。

由于螺旋槳翼型的槳尖馬赫數(shù)較大。因此，普通翼型在小迎角下也可能出現(xiàn)層流分離，升力系數(shù)增加緩慢，阻力系數(shù)增加迅速，翼型升阻特性顯著下降。在高馬赫數(shù)下會(huì)發(fā)生激波而引起層流分離，大大降低了翼型的氣動(dòng)性能。因此，螺旋槳翼型在選取過程中應(yīng)重點(diǎn)選取翼型低阻坑范圍更寬，失速特性緩和，升阻特性好的翼型。常用的螺旋槳翼型升阻特性曲線如圖2所示。翼型優(yōu)化前后升阻特性曲線見圖3。

圖2 四種翼型在相同雷諾數(shù)下升阻特性曲線

2.2.2 螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)繞流的影響研究

螺旋槳的滑流是一種非管道控制的流動(dòng)，流動(dòng)特性比較復(fù)雜。一般來說，滑流對(duì)飛機(jī)各部件的影響范圍，大致只與螺旋槳的直徑及其在飛機(jī)上的安裝位置有關(guān)。螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)表面壓力分布有著重要的影響，它對(duì)機(jī)翼、尾翼等升力面的影響研究意義更重要。滑流將改變翼面的壓力分布，螺旋槳的滑流影響可以擴(kuò)展到機(jī)翼、尾翼相當(dāng)大的范圍，尤其是各剖面的前緣。因此，確定螺旋槳滑流在飛機(jī)上的作用范圍有著重要的意義。有必要研究滑流引起飛機(jī)氣動(dòng)特性的變化，重點(diǎn)研究其氣動(dòng)特性變化的機(jī)理。如果設(shè)計(jì)的不好，螺旋槳滑流可以在很大程度上降低飛機(jī)的氣動(dòng)效率；相反，如果設(shè)計(jì)的好，螺旋槳滑流可以大大提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率。目前，螺旋槳研究理論主要有動(dòng)量理論和葉素理論，而在重點(diǎn)研究螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)部件影響的情況下，主要選用簡化的動(dòng)量理論和模型即將螺旋槳近似圓盤處理[3]。某教練機(jī)機(jī)翼典型剖面的螺旋槳滑流影響壓力分布對(duì)比曲線見圖4，從圖中能清楚的看出在滑流影響區(qū)外的翼根和翼梢區(qū)域，壓力分布變化不大，但壓力系數(shù)所包含的面積略有增大。在滑流影響區(qū)內(nèi)，壓力分布變化明顯，壓力系數(shù)所包含的面積明顯增大。即升力系數(shù)增大，滑流有明顯的增升效果。

圖3 某螺旋槳翼型優(yōu)化前后升阻特性曲線

圖4 螺旋槳滑流影響壓力分布對(duì)比曲線

3 結(jié)語

飛機(jī)的各個(gè)部件設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)于渦槳教練機(jī)提供推進(jìn)動(dòng)力的螺旋槳設(shè)計(jì)更需要多方向、綜合性的考慮。必須結(jié)合飛機(jī)的類型、用途、技術(shù)指標(biāo)要求等突出重點(diǎn)要素，設(shè)計(jì)出與之匹配的性能良好的螺旋槳。本文以渦槳教練機(jī)螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，給出了螺旋槳設(shè)計(jì)的共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析了螺旋槳設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)，在以渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛機(jī)的螺旋槳設(shè)計(jì)方面提供了一定的技術(shù)參考。

[1]世界飛機(jī)手冊(cè)編委會(huì).世界飛機(jī)手冊(cè)2011 [M].北京：航空工業(yè)出版社,2011.

[2]方寶瑞.飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社,1997.

[3]劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

>>>作者簡介

陳雅麗，女，1982年4月出生，2004年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。

Key Technology Analysisw ith Propeller of Turboprop Trainer

Chen Yali,,LiPengfei,Hu Zhidong,Huang Bin,Rao Qi
(AVICHongdu Aviation Industry Croup,Nanchang,Jiangxi,330024)

More peop le like Turboprop Trainer because it'smore economic on fuel.This paper discusses the propeller design technology of turboprop trainer.The normal technologies are briefed.The key technologies are introduced in detailsby discussion ofhow to improve theefficiency of propeller and aerodynamic characteristicsof turboprop trainer.

propeller;efficiency;key technology analysis

2013-12-02)