螺旋桨气动性能实验

▼螺旋桨模型可由精制加压木材，镁、铝轻金属， 钢及复合材料等制作。材料的选择主要取决于模 型螺旋桨的转速ns、直径D及气流速压。低速风洞 ：气流速压小，当ns和D小时，可选择木材；当ns 和D较大时，可选择镁、铝合金。本文螺旋桨模 型选用木材。
▼全尺寸螺旋桨是柔性的，缩尺模型不可能做成与 实物结构刚度相似，而是将其做成刚体，其型面 可按在飞机巡航状态的外载荷下全尺寸螺旋桨变 形后的外形来加工。
实验目的
单独螺旋桨的气动特性实验是对于给定 的螺旋桨（螺旋桨的直径、桨叶剖面形 状（叶型）及其配置平面形状及实度等） 几何参数）测定气动参数，分析气动性 能。
相似参数
在螺旋桨的气动试验中，如果缩尺模型和全尺寸模型的绕流流场 能保证力学相似，则模型的气动力特性就能正确反映实物流场的 特性。保证流场力学相似首先必须以绕流物的几何相似及流动方 位角相同为前提。所以在螺旋桨试验中，必须保持模型和实物远 前方来流和螺旋桨转轴之间的夹角，以及桨叶上各对应截面的桨 叶角分别相同。除了这两个基本条件外，通过量纲分析就可以得 到一些启示来达到螺旋桨模型与实物的流场力学相似。 对形状一定的螺旋桨，其气动力特性(如拉力T、扭矩Q、功率P以
V n sD
CT
T n2D
4
CQ
Q n2D
5
CP
P n3D
5
2 Q n2D
5
2
CQ
TV CT P CP
4. 改变螺旋桨桨叶安装角，按照相同的方法 测出不同实验风速下的拉力系数等气动参 数
实验设备
1. 驱动装置一般采用变频交流电机；螺旋桨的转速通常采用光栅电子计 数器计量。
2. 稳速压控制系统与数据采集系统： 实验风速使用稳速压控制系统控制，该系统是在风洞直流调节装置双 闭环系统的基础上，增加一个速压闭环系统，并用PSI8400系统进行 实时校准。 数据采集系统使用美国PSI公司的PSI8400电子扫描阀，天平测力实验 使用模拟量通道。
模型
▼单独螺旋桨实验，为了减少洞壁干扰，其直径一 般不大于风洞实验段当量直径的50%（在开口风 洞中模型可稍大一些）。螺旋桨模型的桨叶翼型 前后缘半径按统一的缩尺比例缩小后，通常尺寸 很小，无法加工，这时，允许适当放大。由于本 文选择西北工业大学NF-3风洞螺旋桨实验段，所 以最大直径不能大于1.1m,模型缩比≦1：4。
前进比的物理解释
实验对象
选择实验模型，其直径为4m, 巡航时转速为1200r/m，来流 速度为27.8m/s，桨叶数3，发动机功率N=200ch(以马力计) 。 翼形:ARA-D 雷诺数2.0e6
拉力系数 扭矩系数 效率 参考文献 0.0329 0.0022 0.824
风洞：
实验准备模拟低速螺旋桨实验，选用西北 工业大学NF-3风洞螺旋桨实验段，横截面 为 正 八 角 形 ， 对 边 距 离 2.2m ， 实 验 段 长 4.8m ， 实 验 最 大 风 速 145m/s ， 湍 流 度 ≦0.08%
2 7 .8 2 7 .8
1200 * 4 nm *1
nm 4800r / m in
此
时
模
型
R em
V b 0.7
Res/ 4
0 .5 * 1 0 6
已 进 入 自 准 区 。 如 果 模 型 Re未 进 入 自 准 区 ，
适 当 调 整 实 验 风 速 ， 兼 顾 M a和 Re。
3. 对于某一给定的安装角，在不同的实验风速（对应不 同的前进比）下，用天平测定模型螺旋桨的拉力及扭 矩。用下式计算出前进比、拉力系数、扭矩系数、功 率系数及螺旋桨效率。
CT=
n
2 s
V b 0.7
(
b
为
0 .7
桨
叶
上
相
对
半
径
等
于
7
0
%
处
截
面
上
的
弦
长
)
Ma V a
同 理 可 得 ： CQ f ( ,Re, M a)
• 由以上分析知:对几何形状相似，又安装角相同的 螺旋桨，其拉力系数和扭矩系数并不直接取决于 V、D、ns 、 、 等个别参数，它取决于 、Re 、M这些组合参数(严格来说，还有气流紊流度、 螺旋桨表面粗糙度等等)。通常这些组合参数就称 为相似参数。
3.气动力测力天平：
T=CTns2D4
Q=CQns2D5
以巡航状态为例 T 0.0329*1.25*(4800/ 60)2 *14 263.2N Q 0.0022*1.25*(4800/ 60)2 *15 17.6Nm 因此可选二分量天平，T,Q的量程分别为 300,20 但实际上应计算出各飞行状态下的T,Q， 找出最大值，根据最大值选择天平。
实验步骤
1. 起飞，选定模拟飞行状态 爬升，平飞，顺桨，自转等状态。
2. 确定实验风速 根据运动相似和动力相似要求即模型实验和实物 螺旋桨飞行的前进比相等，算得各飞行状态下的 实验风速。 如巡航状态下，有
如果完全模拟前进比和马赫数，
计算实验模型所需的转速
由 VS Vm 得 nsD S nmDm
及效率 )主要取决于下列因素:直径D、转速ns、螺旋桨的前进速
度V、大气环境的空气密度 、空气粘性系数 。于是可以写出下 列表达式:
T =f (D ,n s ,V , , , a,.......) 取 D ,V ,为 基 本 量 ， 由 定 理 得
CT f ( ,Re, M a) 其中
T
螺旋桨简介及其研究背景
虽然航空推进技术早已进入喷气时代，但是在航空发展 史上起着重要作用并产生拉力的气动部件--螺旋桨并没有退 出这个领域。目前世界上多数支线飞机、通用航空飞机和我 国研制的几乎所有民用飞机，尤其是我国的多数无人机仍采 用螺旋桨作为拉力部件。螺旋桨 的 性能计算是螺旋桨设计和 应用中最重用的部分，而在进行新的螺旋桨的设计和性能测 定的时候，需要经过大量的实验来验证理论设计结果。初看 起来，螺旋桨的气动实验最好用全尺寸桨在实际飞行现场中 进行。这样就能直接测出真实飞行状态下的性能数据。但这 是不现实也是不必要的。且不说空中现场试验受到安全性、 经济性以及测试精度等的限制。往往还要求在全尺寸桨造出 前就预测其性能，当然亦就无法进行实物试验。目前国内外 绝大多数螺旋桨开发性研究都先用缩尺模型在风洞中进行， 既方便又经济。