飞机总体设计- 设计过程及算例(4)

2019-08-31 17:47

(2)螺旋桨选取

要求:

昌敏:以推力作为指标,以巡航作为设计点

a、螺旋桨必须在整个飞行速度范围内,提供足够的推力,以满足功率需求。最大飞行速度下,功率需求最大,螺旋桨的最大转速功率要大于最大平飞需用功率。

b、电动无人机以巡航速度飞行时间最长,努力实现螺旋桨在巡航速度下效率最大化,且螺旋桨可用功率大于且接近其需用功率。 从平飞需用功率曲线可知:

最大需用功率为:43.4W,相应推力为:1.55N。 (可以自已设计桨,也可以选择现有的桨) 根据经验选择若干桨。 桨的螺距、直径已知。

螺旋桨的拉力系数、扭矩系数、功率系数:

CT?TQP; C?; C? QP?n2D4?n2D5?n3D5(以上参数CT、CP只跟进前比有关) CQ?CP/2? 螺旋桨的效率:??JCTV,J? 【注:转速用r/s】 CpnD以上参数需要通过实验测量、PropCalc软件仿真来获得。 第一步:通过实验获取前进比J=0(V=0)时的CT0、CP0 一般情况下,通过六分量天平测试不同转速n下的螺旋桨的拉力

T,通过电压电流测螺旋桨的功率P,从而可得到J=0时的CT0、CP0。

所选桨的螺距6吋、直径8吋 (1英寸=0.0254米) n 6000 7000 … 10000 …. P 26.5 42.1 122.9 Cp0 0.0624 0.0625 0.0626 T 2.9 3.9 8.1 CT0 0.1389 0.1372 0.1396 注:一般小型无人机,常用转速10000r/min,因而测试以此为中心向两侧展开。 第二步:获取不同前进比J(V)下的CT、CP

(注意:空速范围要覆盖所设计无人机的飞行速度范围,转速固定为10000r/min)

【方法一】查文献,找桨的Cp-V(Cp-J),CT-V(Cp-J)曲线。利用文献桨与所选桨在V=0时的系数

CT0,文献桨CT0,所选桨,CP0,文献桨CP0,所选桨,对文献桨的Cp-V,

CT-V曲线平移,得到所选桨的Cp-V,CT-V曲线(主要原因:目前没有折算公式)。

【方法二】通过仿真软件PropCalc计算,并结合静态结果修正 【方法三】风洞测试

所选桨的螺距6吋、直径8吋 (1英寸=0.0254米)

J 0 Cp 0.0624 CT 0.1389 … 0.2953 0.3543 0.4134 0.4724 0.5315 0.5906 0.6496 0.7087 0.7677 0.8268 … 0.0715 0.0719 0.0713 0.0694 0.0664 0.0623 0.0563 0.0489 0.0402 0.0294 ….. 0.1235 0.1197 0.1190 0.1043 0.0973 0.0791 0.0641 0.0497 0.0377 0.0245 注:Cp /CT在转速固定下改变空速,实际上是改变了前进比。 0.14CpCt0.12 0.10.080.060.040.02 0.20.30.40.50.6J0.70.80.91

第三步:计算不由J(改变V, n=10000r/min)对应下的各螺旋桨效率?,确定最大效率-前进比曲线。以“巡航速度效率最高,各速度效率普遍较高”为准则,确定所选螺旋桨。(或改进螺旋桨,再提高效

率。)

【注:转速不变,空速变化,相当于改变前进比,也可以用6000转,出来的曲线折算为前进比后,应该是一致的】

螺旋桨的效率:??JCTV,J? CpnDJ η 10/nD 12/nD 14/nD 16/nD 18/nD 20/nD 22/nD 24/nD 26/nD 28/nD 0.2953 0.3543 0.4134 0.4724 0.5315 0.5906 0.6496 0.7087 0.7677 0.8268 0.51 0.59 0.69 0.71 0.75 0.75 0.74 0.72 0.72 0.69 【注:效率只跟前进比有关,因为CT,Cp也只与前进比有关,与转速绝对值没关系】

0.80.750.7效率0.650.60.550.50.20.30.40.50.6J0.70.80.91

【分析:从上图中可以看出,螺旋桨最高效率为0.75,对应前进比约为0.5-0.8之间,效率都在0.7以上。这一效率最好在巡航速度下

出现。同时可根据最高效率,可选择最佳的螺旋桨】

第四步:利用Cp计算最大飞行速度下的最大转速功率P,并进功率校核。(多个桨则可以的选择:大于且接近需用功率)。

300280260240220200180160P(W)1401201008060402001012161418222024V(m/s)2826200150转速175125100 (V, n)对应下功率P 数据 n\\V 100 112.5 125 137.5 150 162.5 175 187.5 200 10 29.2 42.9 59.1 12 26.4 14 21.2 16 17.1 18 - 20 -

n\\V 24 26 28


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