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申请/专利权人：湖北航天飞行器研究所

摘要：本发明涉及一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，包括步骤：S1：明确电动推进无人机总体设计技术要求；S2：确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；S3：确定翼型配置；S4：采用统计经验的方法初步确定弦长分布bx；S5：确定扭转βx分布；S6：螺旋桨性能的评估；S7：判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；S8：计算能量消耗；本发明的推进螺旋桨设计无需复杂的三维外形优化，输入只需要少许的总体设计参数，即可满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨设计精度要求，达到了快速评估的需求。通过验证计算，证明了此设计方法不仅计算精度可靠，而且大大缩短了螺旋桨的设计周期，满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速设计及精度需求。

主权项：1.一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：明确电动推进无人机总体设计技术要求，包括设计高度H、需用推力Tdesign、巡航速度V、巡航效率η和尺寸约束；S2：确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；螺旋桨设计额定转速ω与设计直径D的确定用桨尖速度Vtip来表征，设计的桨尖速度不大于0.75马赫，即： 式中：a为当地的音速，V为巡航速度；S3：确定翼型配置；翼型配置采用三段翼型，桨叶半径为R，在桨根0.2R～0.5R处将采用厚翼型；在内段0.5R～0.75R将采用高升力翼型；在桨根0.75R～R将采用薄翼型；S4：确定弦长bx分布；采用统计经验的方法初步确定弦长bx分布；利用NASA统计经验规律，得到桨叶的相对弦长分布如下： 式中：x为桨叶位置的无量纲化量；S5：确定扭转βx分布；具体方法为：利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，初步确定诱导速度vd分布： 式中：ρ为空气密度；根据叶素速度多边形，计算出螺旋桨的来流角 当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大所对应的迎角时，整个桨叶的能量损失最小，巡航效率η最大，因此设计计算时，根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角βx分布为： S6：螺旋桨性能的评估；具体方法为：依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，根据叶素速度多边形，叶素合速度VE： 式中：λ为入流比；依据环量理论，叶素环量Γ与弦长b、翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系： 依据径向动量理论，并考虑桨尖损失，引入Prandtl修正因子F，可得到径向诱导速度wt： 式中：B为桨叶片数，为桨尖安装角，r为桨叶位置；根据叶素速度多边形，可得到来流角径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系如下： 式中：αi为诱导速度引起的迎角增量；由以上各式迭代可以得到诱导速度的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT、功率系数CP计算式如下： 式中：xh为桨毂位置，xT为桨尖位置，σ为桨叶实度； 可得到螺旋桨的推力T和功率P为： 式中：ρ为空气密度；螺旋桨巡航效率η为：S7：判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；当计算推力T大于设计需用推力Tdesign时，初步满足设计要求，执行下一步，反之，改变设计直径、翼型配置或其他设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤；S8：计算能量消耗；根据总体设计要求巡航时间t，结合巡航所需的功率P及电池的比能量e，可计算出巡航所需的最小电池重量W；判断W是否满足总体初步设计重量分配电池所允许的重量Wb，若满足，则此螺旋桨设计初步方案满足设计要求，若不满足，继续改变设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤。

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