涡桨教练机螺旋桨设计关键技术分析

陈雅丽，李鹏飞，胡志东，黄斌，饶祺

（中航工业洪都，江西南昌 330024）

涡桨教练机螺旋桨设计关键技术分析

陈雅丽，李鹏飞，胡志东，黄斌，饶祺

（中航工业洪都，江西南昌 330024）

涡桨教练机以其完美的节油特性越来越受用户青睐，本文就涡桨教练机推进部件螺旋桨的设计技术进行探讨。简要介绍了提高螺旋桨效率的一般技术，重点围绕提高螺旋桨效率以及影响全机气动特性的关键技术展开分析。

螺旋桨；效率；关键技术分析

0 引言

虽然航空推进技术早已进入喷气时代，但是，在航空推进技术发展史上起着重要作用的气动部件螺旋桨并没有退出这个领域。喷气式发动机的飞速发展，曾经使螺旋桨的研究一度处于停顿状态。然而，随着能源供给紧张的加剧，全球性的能源危机给螺旋桨的发展又带来了新的活力。螺旋桨发动机以它在亚音速范围内无与伦比的节油优点又重新引起人们的关注和重视。之前由于技术水平的限制，普遍选用现有螺旋桨作为飞机的推进装置。随着技术水平的发展，为了保证推力的高效使用，为每一款涡桨教练机量身定做专用的螺旋桨已经成为必要，针对螺旋桨设计的技术研究也在蓬勃发展。

1 国内外发展现状

目前，瑞士是最大的涡桨教练机出口国，瑞士“皮拉图斯”公司生产的PC-9M、PC-21在涡桨教练机市场竞争中占据上风。具有典型代表的为瑞士派士飞机公司研制的涡桨式基础教练机PC-7MkⅡM“涡轮教练机”、PC-9M“先进涡轮教练机”和PC-21。巴西航空工业公司研制有1980年首飞的EMB-312“巨嘴鸟”和1991年首飞的EMB-314“超级巨嘴鸟”涡桨式基础教练机。美国具有代表性的为豪客·比奇飞机公司研制的1998年首飞的T-6“德克萨斯人”Ⅱ涡桨式基础教练机。意大利则有阿莱尼亚-马基飞机公司研制的1980年首飞SF-260TP单发涡桨初级教练机。韩国具有代表性的为韩国工业界与韩国国防部国防开发局共同研制的1991年首飞的KT-1“雄飞”涡桨式基础教练机[1]。

我国装有螺旋桨的教练机则为1958年首飞的单发活塞初级教练机“初教6”飞机。其动力装置为1台功率164kw的HS6活塞发动机，驱动一副自动变距双叶全金属螺旋桨。国内外典型涡桨教练机螺旋桨配置比较见表1。

表1 国内外典型教练机螺旋桨配置

2 螺旋桨设计技术特点与探讨

螺旋桨设计的核心内容就是如何提高螺旋桨的推进效率，哪些因素与螺旋桨的推进效率有关值得研究。为此，从直径、转速与直径匹配、桨叶数目、重量方面，简要介绍了螺旋桨设计一般技术，以及如何提高螺旋桨的推进效率。重点从翼型设计、螺旋桨滑流对飞机绕流影响方面，探讨了螺旋桨设计的关键技术分析，以及对全机气动效率的影响分析。

2.1 螺旋桨设计共性技术

2.1.1 螺旋桨直径设计

螺旋桨的直径是确定螺旋桨大小的主要尺寸。与发动机的功率、转速、飞行高度、桨叶数等均有关系。在拉力一定的情况下，提高螺旋桨推进效率的有效方法是增大桨叶直径。但是增大桨叶直径受到临界马赫数的限制，否则会在桨尖区出现激波，引起激波损失，使螺旋桨效率降低。同时螺旋桨的直径也受到与其他结构安装配合的限制。

螺旋桨的初步设计时可用工程估算公式进行计算：

对于相对厚度约10%的较厚翼型的低速螺旋桨Mtip≤0.8，对于相对厚度约6%的较薄翼型的高速螺旋桨Mtip≤(0.85-0.9)。

2.1.2 螺旋桨转速与直径匹配设计

如果螺旋桨的桨距不变，在地面高度满足推力要求的转速在高空将不能满足推力要求，因此需根据高度的不同，调整螺旋桨的转速，在额定功率限定范围内产生相应推力以保证螺旋桨正常工作。螺旋桨转速太低，使发动机功率无法吸收，并且会导致发动机轴的输出扭矩过大。转速太快会导致噪声太大。因此，必须对转速加以限制。螺旋桨叶尖速度是叶尖相对于气流的合成速度，Vtip应取150-200m/s，上限不超过250m/s。

静态时（飞行速度V=0）有

根据发动机功率和飞行速度，可得出螺旋桨转速与直径的匹配关系，某螺旋桨转速与直径匹配关系曲线如图1所示。

图1 某螺旋桨转速与直径匹配关系曲线

2.1.3 桨叶数目设计

桨叶数目在螺旋桨的设计中也是一个非常重要的参数，直接影响螺旋桨的气动特性和效率。桨叶数目的多少各有其利弊，数目多可以减少螺旋桨的直径和宽度，从而减小迎风阻力。同时，多桨螺旋桨更能有效的吸收发动机的功率。并且，桨叶数目多对降噪也会有很大的收益。但是，多桨叶也会带来两个方面的问题。问题一，增加桨叶数目会降低螺旋桨的效率，这是因为当螺旋桨旋转时，多桨叶的螺旋桨桨叶之间更容易产生气动干扰。问题二，增加桨叶数目会导致螺旋桨重量增加，一般每增加一片桨叶，螺旋桨重量增大23%～25%。因此，螺旋桨桨叶设计总是和复合材料联系在一起，为了减少螺旋桨的重量，尽可能的减少螺旋桨的桨叶数。

2.1.4 螺旋桨重量设计技术

为了降低能源消耗，应综合考虑对螺旋桨的轻量化设计。高效、轻质、适应性强的螺旋桨将以采用轻质高强度复合材料为主。同时还要装配变转速或者变桨距装置，除了采用性能更好的材料外，对螺旋桨的外形要求非常高，设计过程中必须考虑螺旋桨的重量限制。

2.2 螺旋桨设计关键技术分析

2.2.1 螺旋桨翼型设计

螺旋桨翼型的形状和尺寸对螺旋桨的工作性能产生直接影响。在螺旋桨发展过程中，常用的螺旋桨翼型有：英国RAF-6翼型、ARA-D翼型，美国Clark-Y翼型、NACA16翼型。其中，RAF-6翼型、Clark-Y翼型为二战以前翼型，其形状为平底翼型。NACA16翼型为典型的层流高速翼型，是二战期间发展起来的翼型。ARA-D翼型是20世纪70年代后期英国利用跨音速翼型理论和计算机技术，发展起来的一种超临界翼型[2]。并且螺旋桨桨叶翼型的厚度在不断变化，根部翼型厚度一般在20%～30%，梢部厚度一般4%～7%。

由于螺旋桨翼型的桨尖马赫数较大。因此，普通翼型在小迎角下也可能出现层流分离，升力系数增加缓慢，阻力系数增加迅速，翼型升阻特性显著下降。在高马赫数下会发生激波而引起层流分离，大大降低了翼型的气动性能。因此，螺旋桨翼型在选取过程中应重点选取翼型低阻坑范围更宽，失速特性缓和，升阻特性好的翼型。常用的螺旋桨翼型升阻特性曲线如图2所示。翼型优化前后升阻特性曲线见图3。

图2 四种翼型在相同雷诺数下升阻特性曲线

2.2.2 螺旋桨滑流对飞机绕流的影响研究

螺旋桨的滑流是一种非管道控制的流动，流动特性比较复杂。一般来说，滑流对飞机各部件的影响范围，大致只与螺旋桨的直径及其在飞机上的安装位置有关。螺旋桨滑流对飞机表面压力分布有着重要的影响，它对机翼、尾翼等升力面的影响研究意义更重要。滑流将改变翼面的压力分布，螺旋桨的滑流影响可以扩展到机翼、尾翼相当大的范围，尤其是各剖面的前缘。因此，确定螺旋桨滑流在飞机上的作用范围有着重要的意义。有必要研究滑流引起飞机气动特性的变化，重点研究其气动特性变化的机理。如果设计的不好，螺旋桨滑流可以在很大程度上降低飞机的气动效率；相反，如果设计的好，螺旋桨滑流可以大大提高飞机的气动效率。目前，螺旋桨研究理论主要有动量理论和叶素理论，而在重点研究螺旋桨滑流对飞机部件影响的情况下，主要选用简化的动量理论和模型即将螺旋桨近似圆盘处理[3]。某教练机机翼典型剖面的螺旋桨滑流影响压力分布对比曲线见图4，从图中能清楚的看出在滑流影响区外的翼根和翼梢区域，压力分布变化不大，但压力系数所包含的面积略有增大。在滑流影响区内，压力分布变化明显，压力系数所包含的面积明显增大。即升力系数增大，滑流有明显的增升效果。

图3 某螺旋桨翼型优化前后升阻特性曲线

图4 螺旋桨滑流影响压力分布对比曲线

3 结语

飞机的各个部件设计是一个复杂的系统工程，对于涡桨教练机提供推进动力的螺旋桨设计更需要多方向、综合性的考虑。必须结合飞机的类型、用途、技术指标要求等突出重点要素，设计出与之匹配的性能良好的螺旋桨。本文以涡桨教练机螺旋桨设计技术特点为出发点，给出了螺旋桨设计的共性技术和关键技术，重点分析了螺旋桨设计的技术难点，在以涡桨发动机为动力的飞机的螺旋桨设计方面提供了一定的技术参考。

[1]世界飞机手册编委会.世界飞机手册2011 [M].北京：航空工业出版社,2011.

[2]方宝瑞.飞机气动布局设计[M].北京：航空工业出版社,1997.

[3]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006.

>>>作者简介

陈雅丽，女，1982年4月出生，2004年毕业于西北工业大学，工程师，现从事飞机总体气动设计工作。

Key Technology Analysisw ith Propeller of Turboprop Trainer

Chen Yali,,LiPengfei,Hu Zhidong,Huang Bin,Rao Qi
(AVICHongdu Aviation Industry Croup,Nanchang,Jiangxi,330024)

More peop le like Turboprop Trainer because it'smore economic on fuel.This paper discusses the propeller design technology of turboprop trainer.The normal technologies are briefed.The key technologies are introduced in detailsby discussion ofhow to improve theefficiency of propeller and aerodynamic characteristicsof turboprop trainer.

propeller;efficiency;key technology analysis

2013-12-02)