提高小型无人机螺旋桨效率的工程方法

提高小型无人机螺旋桨效率的工程方法a
马晓平1,宋笔锋2
(1.西北工业大学无人机研究所; 2.西北工业大学航空学院,陕西西安　710072)
摘　要:提高螺旋桨效率一直是螺旋桨设计中的关键问题。

常规的螺旋桨设计理论主要是针对大型飞机的。

小型低速无人机螺旋桨的工作特点从多方面制约了螺旋桨效率的提高。

本文基于多种型号无人机螺旋桨的研制实践,从选用高性能桨型、放宽螺旋桨桨尖马赫数的上限、合理匹配螺旋桨的吸收功率与发动机的输出功率、精选桨材、提高加工工艺质量、加强表面防护等方面,总结出一套提高小型低速无人机螺旋桨效率的工程手段。

风洞试验与飞行实践证实了其有效性与可靠性。

关　键　词:无人机,螺旋桨,效率,马赫数
中图分类号:V279 文献标识码:A 文章编号:1000-2758(2004)02-0209-04
目前,小型低速无人机大多以活塞式发动机为动力,螺旋桨是其主要的推进装置。

这类螺旋桨的主要特点是:转速高、定距、直径小、前进速度比低、多采用木质材料等,因此效率普遍较低,装机后的实际效率一般低于0.6,比有人飞机低20%以上[1]。

由于这类螺旋桨截面工作在较小的雷诺数下,使得螺旋桨效率的提高较为困难。

可是,螺旋桨效率的提高,可以在无需改变无人机其它条件下,有效提高无人机的飞行性能。

因而,无人机螺旋桨设计者们一直致力于提高其效率。

螺旋桨的设计,特别是桨叶的设计是一项综合性的工程技术问题,设计师的任务就是要权衡所有各种利害关系,以求达到最满意的结果。

根据多年来多种型号无人机螺旋桨研制实践的经验,本文总结出一套提高小型低速无人机螺旋桨效率的工程手段:采取选用高性能桨型、放宽桨尖马赫数的上限、合理匹配螺旋桨的吸收功率与发动机的输出功率、精选桨叶层合材料、提高加工工艺质量、加强表面防护等措施。

风洞试验与飞行实践均已证实这些措施可切实提高无人机螺旋桨效率。

1　螺旋桨设计
小型低速无人机螺旋桨的设计实际上是一个综合优化和权衡的过程。

由于不变距和没有减速机构,仅靠一组螺旋桨设计参数想要无人机在起飞、爬升、巡航和最大速度飞行等各个飞行阶段均保持最佳状态是不现实的,因此,只有选择飞机最重要的工作状态作为螺旋桨的设计点,同时注意兼顾其它飞行状态,努力使螺旋桨在飞机的各个飞行阶段均有较好的表现。

1.1　选择合适的桨型
选择螺旋桨的桨叶剖面形状(桨型)如同选择机翼的翼型一样重要,它是设计高效率螺旋桨的基础[1-4]。

一般情况下,进行螺旋桨设计时对桨型本身不进行基础研究,但必须根据螺旋桨的使用条件和设计点,沿螺旋桨径向选取合适的桨型分布,使螺旋桨在使用过程中经常保持较好的升阻特性。

在桨型的选择过程中,不能只追求理论上的最优,还应考虑工程实现的可能性。

例如有的桨型相对厚度较小,翼型后缘很薄,虽然气动特性可能不错,若采用木质材料制造,则很难达到设计要求,发挥其气动效率。

螺旋桨桨型的选择原则主要有:
(1)在螺旋桨的设计速度和使用迎角附近,具有较好的升阻特性。

(2)桨型应具有较好的工艺性。

除剖面形状加工容易外,对加工精度也应有较好的宽容度,这点对木质螺旋桨尤为重要。

2004年4月第22卷第2期
西北工业大学学报
Jour nal o f No rt hw ester n P olyt echnical U niv ersity
A pr.2004
V ol.22N o.2
a收稿日期:2003-04-07
作者简介:马晓平(1961-),西北工业大学研究员,主要从事无人机总体设计的研究。

(3)剖面形状参数不给螺旋桨的强度设计带来太大的困难。

1.2　优化桨叶参数
螺旋桨在选定桨型以后,要根据螺旋桨的使用高度和速度、发动机功率和转速等条件,按照螺旋桨理论进行桨叶参数设计,典型螺旋桨截面的速度多边形如图1所示。

螺旋桨的拉力和功率可利用下式,再沿整个桨叶积分得到。

d P =c y k cos(B 1+L )Q W 2
1
2b d r
d T =c y k sin(B 1+L )Q W
212
b 8r d r
式中,c y 为桨型升力系数,k 为桨叶数,b 为桨叶宽度,8为螺旋桨旋转角速度,W 1为桨叶处气流和速
度。

图1　典型螺旋桨截面的速度多边形
按照上式得到的螺旋桨拉力和功率如果不满足要求,则要对桨叶参数进行调整。

实际上,螺旋桨的主要设计参数,如半径、桨叶相对厚度和弦长、桨叶角等,要进行多轮优化,才能满足设计要求。

按照传统的设计原则,螺旋桨的桨尖马赫数一般不得大于0.75,但对许多无人机来说,由于其发动机工作转速较高(5000～8000r/m in),为降低成本和减轻重量,往往不用减速机构,而采用螺旋桨与发动机共轴连接方式,这时,如果还要保证螺旋桨的桨尖马赫数不大于0.75,螺旋桨直径就会受到较大限制,这对螺旋桨效率影响较大。

根据螺旋桨风洞试验和飞行试验,在飞机总体布局及结构允许的情况下,需采用尽可能大的螺旋桨直径,只要使桨尖马赫数不大于0.95,再加上合理配置其它桨叶参数,就有可能取得较好的螺旋桨效率。

风洞试验结果证实了这一论点。

表1列出5种自行研制的无人机螺旋桨和1种同类进口的螺旋桨有关对应于最佳前进比
K
opt 的螺旋桨效率G max 的试验数据。

从表1可以看到,
自制桨的最大G max =0.89,平均G max =0.831,与该型
进口桨相比,自制桨的效率有明显提高。

表1　5种自制的螺旋桨与进口螺旋浆有关参数的比较桨号1
2
3
4
5
进口桨
K o pt 0.8　0.7　1.1　0.8　0.7　0.5
G max
0.850.780.830.890.8050.69
(摘自“365所全尺寸螺旋浆低速风洞实验报告”,西工大翼型研究中心,1999/07/09)
经验表明:实际飞行中,螺旋桨效率会有所降低,一般都要比风洞试验中的效率低20%左右,对
于自制桨与进口桨均无例外。

无人机在实际飞行中的螺旋桨效率可通过实测飞行数据进行推算,4号自制螺旋桨在飞行中的推算效率G max =0.66。

1.3　螺旋桨与飞机、发动机的匹配
提高螺旋桨本身的效率固然重要,但更重要的是要提高螺旋桨装机后的效率。

一般情况下,无人机螺旋桨装机后的效率较原先螺旋桨的设计效率要下降10%～20%。

为了使螺旋桨具有较高的实际使用效率,解决好螺旋桨与飞机、发动机的匹配问题非常关键。

既要使螺旋桨的外形尺寸与飞机总体布局协调,又要使螺旋桨的吸收功率与发动机输出功率匹配,保证发动机功率的充分发挥和稳定工作。

另外,
在螺旋桨设计中不仅要力求螺旋桨的最大效率点高,同时要使螺旋桨效率曲线在最高点附近尽量平坦,也就是在一定的前进比范围内使螺旋桨均有较高的效率,这一点对于定距螺旋桨尤为重要。

因为在实际飞行中由于飞行阶段的不同,很难保证飞机始终保持在螺旋桨的设计点上飞行,如果稍微偏离设计点,螺旋桨的效率就大幅度下降,使其适用范围很窄,这样的螺旋桨设计是不成功的,在实际飞行中很难使用。

图2给出了两种螺旋桨效率曲线的比较,可以看到,螺旋桨1和螺旋桨2的设计点和最大效率虽然相近,但螺旋桨1的设计显然比螺旋桨2好。

做到这点的关键是桨型的正确选择、桨叶参数的合理优化和螺旋桨与飞机、发动机的良好匹配。

图2　典型螺旋桨效率曲线
・
210・西北工业大学学报第22卷
2　螺旋桨制造
有了一个良好的设计,只是完成了螺旋桨研制工作的第一步,要将设计思想变为实际产品,还必须对螺旋桨的制造材料、加工工艺、表面防护及地面试验等诸多环节进行认真控制,才能保证螺旋桨的最终质量。

2.1　材料选择
目前,以活塞式发动机为动力的小型无人机大多数采用双叶、木质螺旋桨作为其推进装置。

对螺旋桨材料的基本要求是:木质均匀,强度好,变形小。

作者先后采用松木、桦木、精制层板(俗称$木)、榉木和榉木层压板作为螺旋桨材料。

早期的无人机功率不大,用松木和桦木来制作螺旋桨基本可以满足要求。

随着螺旋桨吸收功率的增加和转速的提高,精制层板成为螺旋桨材料的首选,精制层板具有强度高,刚度好等优点,但容易随气候变化产生分层,加工相对困难。

榉木木质均匀,性能稳定,是小型木质螺旋桨的理想材料。

而榉木层压板除具有榉木的基本特性外,其变形更小,材料内部缺陷更少,用途更广。

2.2　加工工艺
螺旋桨的加工工艺对螺旋桨的最终质量影响很大,目前的木质螺旋桨加工主要以手工削制为主,采用的工艺手段主要是保证产品的精度、一致性、稳定性,并提高生产效率。

随着加工中心的增多,螺旋桨加工必将逐渐过渡到以数控加工为主。

采用数控加工的螺旋桨,其产品质量和生产效率均优于手工加工,但要解决螺旋桨的实体造型与编程、加工中的基准确定、防止加工变形和提高表面光洁度等问题。

2.3　表面防护
木质螺旋桨以其成本低、加工容易、使用方便、
安全等优点得到了广泛应用。

但同时在使用过程中也暴露出了木质螺旋桨易碰伤、抗雨性能差、耐气候变化能力低的弱点,因此,如何对木质螺旋桨进行有效的表面防护,对提高木质螺旋桨的质量,改善其使用性能,保证其效率的充分发挥具有重要意义。

过去对螺旋桨表面的防护常喷涂专用“三防漆”,主要防止螺旋桨在不同潮热气候条件下的变形。

随着无人机应用范围的扩大,要求无人机可以在小到中雨条件下执行任务,因此,螺旋桨也要具备一定的耐雨能力,这对木质螺旋桨是一个严峻的考验。

根据螺旋桨的工作转速和几何尺寸,采用表面喷涂高硬度保护漆、桨叶前缘加贴金属保护膜、或镶嵌弹性材料等,是解决木质螺旋桨防雨问题的简单而有效的手段。

2.4　地面试验
螺旋桨制成、经外形检验合格后还要进行地面静、动平衡试验后方可用于实际飞行。

静平衡试验中一对桨叶的不平衡力矩必须小于0.0113Nm 。

动平衡试验较为复杂,需要专用动平衡设备,在不具备该条件的情况下,可以用发动机地面动态试车来代替。

3　结　论
努力提高螺旋桨效率和保证螺旋桨设计效率的充分发挥,对提高无人机的飞行性能具有明显效果。

通过设计、制造和试验诸多环节的精心控制,可以更充分地发挥螺旋桨的效率。

实践表明:合理协调螺旋桨尺寸与转速,适当匹配螺旋桨吸收功率与发动机输出功率,可以使螺旋桨的工作效率提高5%～10%。

参考文献:
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U K :Cambridg e U niv P ress ,1997
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211・第2期马晓平等:提高小型无人机螺旋桨效率的工程方法
Practical Measures for Raising Propeller Efficiency
of Low Speed Mini UAV
M a Xiaoping 1,Song Bifeng
2
1.Institute o f U A V ,N or thw est ern Po lytechnical U niver sity ,Xi ′a n 710072,China
2.Colleg e of A er onautics,N o rt hw ester n P olyt echnical U niver sity ,X i ′an 710072,China
Abstract :How to raise the propeller efficiency has been the key pr oblem in air plane pro peller desig n .T he
co nventio nal theor y of propeller design is mainly for larg e aircr aft.How ever,fo r a lo w speed mini U AV (U nm anned Air Vehicle)the propeller has features such as high ro tating speed,relatively small diameter,low for ward speed ,fix ed pitch ,and w oo den blade ;all these features affect adversely propeller efficiency .Based o n our experience in developing a ser ies of different kinds of low speed mini UAV ,we perfo rmed in a number of y ears r epeated tr ade-offs and finally evo lved optimized practical measures to ov ercome the influence of the abov e-mentio ned unfav orable factor s,thus raising the propeller efficiency to som e ex tent.In this paper w e describe in some detail the follow ing six practical measur es :selecting high performance blade-foil,lifting the upper limit of M ach number at pr opeller tip,matching the abso rbing pow er of pr opeller w ith the output po wer o f engine,selecting high quality blade mater ial,impr oving m anufacturing technology ,and blade sur face reinforcem ent .T he results of w ind tunnel ex perim ents and fly ing tests show that ,w ith the aid of these practical m easur es ,the propeller efficiency of a low speed mini UAV can be increased by 5～10percent in gener al.
Key words :U AV (U nm anned A ir Vehicle ),propeller ,efficiency
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212・西北工业大学学报第22卷。