多槳傾轉高速旋翼飛行器推進槳優化設計

張子瀚,李尚斌,袁明川,樊 楓,黃水林

(中國直升機設計研究所 直升機旋翼動力學重點實驗室,江西 景德鎮 333000)

0 引言

直升機是國民經濟發展和國防建設不可或缺的力量。它無需機場環境,不僅能進行其獨有的垂直起降,懸停作業,且具有良好的低空機動性能。然而,目前的常規構型直升機受構型的限制,其最大平飛速度僅在300 km/h左右,嚴重制約了直升機在軍事和民用領域的應用。因此,發展高速化、遠程化的旋翼飛行器是未來的重要趨勢,國內外研究人員對此開展了大量研究工作。

近年來航空電驅動技術的發展,為分布式多旋翼飛行器的設計帶來了新的機遇。多槳傾轉高速旋翼飛行器是一款綜合利用傾轉機翼與分布式電驅動多旋翼概念的新型旋翼飛行器,具備垂直起降與高速前飛能力。多個旋翼單元可分別設計為升力槳和推進槳:垂直起降飛行狀態下所有旋翼單元均參與工作;高速前飛狀態下升力槳停轉折疊,由推進槳提供前飛動力(圖1)。因此,推進槳的工作效率也就成為了影響飛行器航程、航時、最大平飛速度等指標的關鍵因素之一。相較于普通的空氣螺旋槳,推進槳在設計過程中需要兼顧高空高速前飛、海平面懸停等多種工況下的工作效率,設計目標多,約束復雜,整體設計難度較高。

圖1 多槳傾轉構型示意

近期公開的針對多槳傾轉高速飛行器槳葉的設計研究,僅有Joby航空的J.Bain等人[1]和加拿大Optis Engineering的D.Lallier-Daniels等人[2]針對各自公司產品使用的槳葉進行的氣動噪聲設計,但其研究中未涉及對于槳葉外形的精細化優化設計。除此之外,國內外針對傾轉旋翼機的旋翼氣動設計開展了大量研究,具有一定的借鑒意義。對于傾轉旋翼槳葉氣動設計,早期國內外研究者一般采用葉素動量理論結合自由尾跡等快速預測方法作為設計過程中的評估手段[3-4],但該類方法無法精確模擬槳葉附近的三維流動,更無法準確反映槳尖的下反、后掠等變形對槳葉氣動性能的影響。近年來,越來越多的研究者開始采用較高精度數值模擬方法進行槳葉的氣動性能評估和優化設計。米蘭工業大學A.Zanotti等人[5]用CFD方法對XV-15傾轉旋翼機開展了全機繞流數值模擬研究;中國航天空氣動力技術研究院的孫凱軍等人[6]通過遺傳算法對一傾轉旋翼槳葉進行了優化,并以CFD方法和風洞試驗對設計結果進行了驗證;英國格拉斯哥大學的A.Garcia等人[7]基于RANS方法和最小二乘序列二次規劃算法(SLSQP)對XV-15槳葉進行了優化;南京航空航天大學的招啟軍等人[8]使用RANS方法結合遺傳算法對一傾轉旋翼槳葉槳尖布局進行了優化設計。但以上研究中采用的優化算法多存在計算資源和時間耗費較高或全局性差,易于陷入局部最優等問題。

鑒于此,本文擬采用一種優化效率高、全局性好的代理優化方法結合CFD分析手段針對一前期采用葉素動量理論結合尾跡方法設計形成的多槳傾轉飛行器推進槳氣動布局參數進行精細化優化設計,以推進槳在懸停和前飛工況下的工作效率綜合提升為設計目標。優化結果顯示,在拉力不減的前提下,其懸停效率和前飛效率均較基準提高1%以上。隨后對優化槳葉的流場進行了分析,一定程度上揭示了其效率提高的內在機理。

1 推進槳氣動分析及優化設計方法

1.1 推進槳氣動分析及代理優化方法

本文采用基于RANS方程的旋翼繞流數值模擬方法進行推進槳的氣動分析。該方法采用有限體積法對方程進行空間離散;為了提高模擬精度,采用低耗散的Roe格式[9]并結合MUSCL格式計算無粘通量;為了模擬共軸雙旋翼懸停/前飛流場的非定常變化過程,采用物理時間和偽時間相結合的雙時間方法進行時間步進[10]。在慣性坐標系下三維非定常可壓Navier-Stokes方程可表示為:

(1)

其中,W為流動守恒變量,dV為控制體微元體積,F(W)為無粘通量,G(W)為粘性通量,dS為控制體表面面積,Ω為控制體。該程序的網格系統采用運動嵌套網格,由若干片槳葉網格和一套背景網格組成。其具體形式如圖2所示。

圖2 RotorCFD嵌套網格示意

對槳葉的布局參數優化采用代理優化軟件“SurroOpt”[11],其具體優化流程如圖3所示。“代理優化方法” (Surrogate-Based Optimization)是指通過有限的樣本數據建立具有一定精度的代理模型(Surrogate Models),來代替費時的分析程序,并采用加點準則來指導加入新的樣本點,不斷更新代理模型,直到產生的“樣本點序列”收斂于優化問題的最優解的方法。該方法采用計算量相對較少的近似模型代替復雜的高精度模型,從而降低優化過程中的計算量,提高優化效率。

圖3 SurroOpt工作流程示意

1.2 氣動分析方法校驗

本文采用一組剛性共軸雙旋翼的試驗數據來驗證本文氣動求解器的正確性。試驗旋翼的具體參數如表1所示。

表1 試驗旋翼參數

本文計算采用的槳葉網格量約71.4萬(單片槳葉),背景網格量約1500萬,對處于槳盤平面附近和槳尖附近的背景網格進行局部加密處理。湍流模型選用一方程S-A模型[12]。采用非定常計算,槳葉每步轉動0.5°,內迭代步數5步,共計算4圈。計算網格如圖4所示。

圖4 計算網格

計算得到的懸停效率及扭矩-拉力曲線與試驗值對比如圖5所示。

圖5 計算結果與試驗值對比

以上結果表明,本文采用的槳葉氣動分析方法可以較好地模擬槳葉的氣動性能。

2 推進槳氣動優化設計

2.1 基準槳葉氣動性能分析

本文研究對象為一直徑1.8 m的多槳傾轉飛行器推進槳,基準槳葉通過前期基于CamradⅡ[13-14]軟件的自由尾跡氣動分析方法優化設計得到。其布局參數如圖6所示,其中槳葉第一段扭轉為雙曲線分布,第二段扭轉為直線扭轉。

圖6 基準槳葉布局參數示意

采用CFD方法對基準槳葉氣動性能進行了分析。圖7展示了槳葉的翼型配置及槳葉網格劃分,其中單片槳葉網格量約74.2萬,背景網格量約487.7萬。

圖7 基準旋翼翼型配置及槳葉網格劃分

推進槳的設計工況為海平面懸停狀態轉速2489 rpm,拉力260 kg;海拔6000 m傾轉前飛狀態轉速2200 rpm,拉力125 kg。配平后得到懸停狀態槳距角14°,前飛狀態槳距角54°。表2給出了計算得到的基準槳葉氣動性能。

表2 基準槳葉額定工況下的氣動性能

本文以槳葉在懸停和前飛兩種工況下的工作效率為設計目標,其中懸停效率目標權重0.3,前飛效率目標權重0.7,約束為拉力不低于基準槳葉。鑒于基準槳葉在設計過程中未精確考慮槳尖三維效應對氣動性能的影響,本文選取了如表3所示的設計變量,對槳尖外形進行精細化優化設計;同時限制了根部和槳尖翼型的弦長以確保槳葉實度不會有顯著變化。優化過程中槳葉的剖面翼型及在兩種工況下的槳距角與基準一致。

表3 槳葉布局設計空間

2.2 推進槳氣動布局優化設計

優化選用代理模型為Kriging模型[15],試驗設計方法為拉丁超立方抽樣,加點準則為EI+MSP[16-17],初始樣本點數10個。圖8展示了優化設計的收斂曲線。

圖8 優化收斂曲線

優化得到的當前槳葉最優布局參數如表4所示。圖9和圖10展示了優化前后的槳葉外形及外型參數對比,可見優化槳葉較基準槳葉的后掠和下反程度都更小,其下反起始位置較基準槳葉更為靠近槳葉內側,在槳尖部分整體過渡更加平緩。

表4 優化結果

圖9 優化前后槳葉外形對比

圖10 優化前后槳葉外型參數對比

分別評估優化槳葉在懸停與前飛工況下的氣動性能,結果如表5所示。圖11對比了優化槳葉和基準槳葉在懸停及前飛工況下的效率。由圖可見,優化后槳葉在懸停與前飛工況下的效率均較基準槳葉提升1%以上。

表5 優化槳葉氣動性能

圖11 基準槳葉與優化槳葉效率對比

2.3 基準與優化槳葉流場對比研究

為了進一步闡釋優化槳葉氣動效率提升的機理,本文對基準槳葉與優化槳葉的流場進行了對比分析。圖12展示了基準槳葉與優化槳葉在前飛狀態下的槳葉表面壓力分布?？梢钥闯?優化槳葉在平面外形上較基準槳葉后掠更小,槳尖上表面具有更大的負壓區。

圖12 前飛工況下基準槳葉與優化槳葉表面流場

圖13對比了基準槳葉與優化槳葉徑向0.98R處的剖面壓力云圖;圖14對比了二者在該剖面處的壓力分布?？梢钥闯?在前飛工況下,優化槳葉0.98R處前緣的負壓區范圍更大,且負壓峰值較基準槳葉顯著提升,說明優化槳葉在槳尖部分具有更高的升力,但相應地由壓縮性導致的阻力也略有增加。從圖15中兩種槳葉的徑向升力分布對比同樣可以看出,優化槳葉在槳尖部分具有更高的升力。這主要是由于槳尖處的后掠有利于降低槳尖的激波阻力,但會引起更強的展向流動和三維效應,導致升力損失。本文的優化槳葉以一定的槳尖阻力為代價,提升了槳尖剖面的升力,最終整體上改善了前飛工況下的槳葉效率。

圖13 前飛工況下0.98R處剖面壓力云圖

圖14 前飛工況下0.98R處剖面壓力分布對比

圖15 前飛工況下升力分布對比

圖16和圖17展示了基準槳葉與優化槳葉在懸停工況下的軸向速度云圖和徑向升力分布。由圖易看出,在懸停工況下基準槳葉的槳盤后速度分布及徑向升力分布較優化槳葉均更為不均勻,槳盤后的誘導速度場中存在明顯的高速區?？梢哉J為基準槳葉產生的誘導速度及相應消耗的功率更高,最終導致在拉力相當的前提下,基準槳葉的工作效率更低。

圖16 懸停工況下軸向速度對比

圖17 懸停工況下升力分布對比

圖18進一步通過Q判據等值面展示了基準槳葉與優化槳葉的槳尖渦(渦量染色),可見基準槳葉由于下反變形較劇烈,在下反轉折處與槳尖處均產生了較明顯的渦結構。圖19展示了弦向0.5c站位處的Q判據云圖,同樣可見基準槳葉在下反轉折處有額外的渦產生。

圖18 懸停工況下槳葉的槳尖渦

圖19 懸停工況下槳尖Q判據云圖

從前飛工況的流場中同樣可以看到類似的現象。圖20展示了前飛狀態下基準與前飛槳葉的槳尖渦結構;圖21展示了弦向0.5c站位處的Q判據云圖?？梢钥闯?基準槳葉較優化槳葉在前飛工況下的槳尖渦更復雜,相應也更易導致能量的損失。

圖20 前飛工況下槳葉的槳尖渦

圖21 前飛工況下槳尖Q判據云圖

綜合以上因素可以初步認為,優化槳葉一定程度上提高了前飛工況下的槳尖升力,同時改善了懸停工況下的槳盤誘導速度分布;并通過更平緩的槳尖下反變形一定程度上改善了槳尖渦的結構,最終降低了槳葉的能量損失,從而提高了槳葉的工作效率。

3 結論

1) 本文使用CFD分析結合代理優化方法對推進槳的氣動布局進行優化設計,使得槳葉在推力不減的前提下,額定工況下的懸停與前飛效率均提升1%以上;

2) 從優化結果來看,槳尖處的后掠雖在一般意義上有助于降低槳尖壓縮性阻力,但過大的后掠同時會導致槳尖處的升力損失,對槳葉的氣動效率產生不利影響;

3) 槳尖下反同樣有助于改善槳葉在本文應用工況下的氣動效率,但槳尖附近過大的下反以及過于劇烈的外形變化易產生額外的渦結構導致氣動效率的損失。