螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能實(shí)驗(yàn)演示幻燈片

螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能實(shí)驗(yàn)王靜靜楊茵鐘敏1螺旋槳簡(jiǎn)介及其研究背景雖然航空推進(jìn)技術(shù)早已進(jìn)入噴氣時(shí)代，但是在航空發(fā)展史上起著重要作用并產(chǎn)生拉力的氣動(dòng)部件--螺旋槳并沒有退出這個(gè)領(lǐng)域。目前世界上多數(shù)支線飛機(jī)、通用航空飛機(jī)和我國(guó)研制的幾乎所有民用飛機(jī)，尤其是我國(guó)的多數(shù)無人機(jī)仍采用螺旋槳作為拉力部件。螺旋槳的性能計(jì)算是螺旋槳設(shè)計(jì)和應(yīng)用中最重用的部分，而在進(jìn)行新的螺旋槳的設(shè)計(jì)和性能測(cè)定的時(shí)候，需要經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)結(jié)果。初看起來，螺旋槳的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)最好用全尺寸槳在實(shí)際飛行現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行。這樣就能直接測(cè)出真實(shí)飛行狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)。但這是不現(xiàn)實(shí)也是不必要的。且不說空中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受到安全性、經(jīng)濟(jì)性以及測(cè)試精度等的限制。往往還要求在全尺寸槳造出前就預(yù)測(cè)其性能，當(dāng)然亦就無法進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)螺旋槳開發(fā)性研究都先用縮尺模型在風(fēng)洞中進(jìn)行，既方便又經(jīng)濟(jì)。2單獨(dú)螺旋槳的氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)是對(duì)于給定的螺旋槳（螺旋槳的直徑、槳葉剖面形狀（葉型）及其配置平面形狀及實(shí)度等）幾何參數(shù)）測(cè)定氣動(dòng)參數(shù)，分析氣動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?相似參數(shù)在螺旋槳的氣動(dòng)試驗(yàn)中，如果縮尺模型和全尺寸模型的繞流流場(chǎng)能保證力學(xué)相似，則模型的氣動(dòng)力特性就能正確反映實(shí)物流場(chǎng)的特性。保證流場(chǎng)力學(xué)相似首先必須以繞流物的幾何相似及流動(dòng)方位角相同為前提。所以在螺旋槳試驗(yàn)中，必須保持模型和實(shí)物遠(yuǎn)前方來流和螺旋槳轉(zhuǎn)軸之間的夾角，以及槳葉上各對(duì)應(yīng)截面的槳葉角分別相同。除了這兩個(gè)基本條件外，通過量綱分析就可以得到一些啟示來達(dá)到螺旋槳模型與實(shí)物的流場(chǎng)力學(xué)相似。對(duì)形狀一定的螺旋槳，其氣動(dòng)力特性(如拉力T、扭矩Q、功率P以及效率)主要取決于下列因素:直徑D、轉(zhuǎn)速ns、螺旋槳的前進(jìn)速度V、大氣環(huán)境的空氣密度、空氣粘性系數(shù)。于是可以寫出下列表達(dá)式:45由以上分析知:對(duì)幾何形狀相似，又安裝角相同的螺旋槳，其拉力系數(shù)和扭矩系數(shù)并不直接取決于V、D、ns

、、等個(gè)別參數(shù)，它取決于、Re、M這些組合參數(shù)(嚴(yán)格來說，還有氣流紊流度、螺旋槳表面粗糙度等等)。通常這些組合參數(shù)就稱為相似參數(shù)。6前進(jìn)比的物理解釋7選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其直徑?m,巡航時(shí)轉(zhuǎn)速為1200r/m，來流速度為27.8m/s，槳葉數(shù)3，發(fā)動(dòng)機(jī)功率N=200ch(以馬力計(jì))。翼形:ARA-D雷諾數(shù)2.0e6實(shí)驗(yàn)對(duì)象拉力系數(shù)扭矩系數(shù)效率參考文獻(xiàn)0.03290.00220.8248風(fēng)洞：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模擬低速螺旋槳實(shí)驗(yàn)，選用西北工業(yè)大學(xué)NF-3風(fēng)洞螺旋槳實(shí)驗(yàn)段，橫截面為正八角形，對(duì)邊距離2.2m，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)4.8m，實(shí)驗(yàn)最大風(fēng)速145m/s，湍流度≦0.08%9模型▼單獨(dú)螺旋槳實(shí)驗(yàn)，為了減少洞壁干擾，其直徑一般不大于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段當(dāng)量直徑的50%（在開口風(fēng)洞中模型可稍大一些）。螺旋槳模型的槳葉翼型前后緣半徑按統(tǒng)一的縮尺比例縮小后，通常尺寸很小，無法加工，這時(shí)，允許適當(dāng)放大。由于本文選擇西北工業(yè)大學(xué)NF-3風(fēng)洞螺旋槳實(shí)驗(yàn)段，所以最大直徑不能大于1.1m,模型縮比≦1：4。10▼螺旋槳模型可由精制加壓木材，鎂、鋁輕金屬，鋼及復(fù)合材料等制作。材料的選擇主要取決于模型螺旋槳的轉(zhuǎn)速ns、直徑D及氣流速壓。低速風(fēng)洞：氣流速壓小，當(dāng)ns和D小時(shí)，可選擇木材；當(dāng)ns和D較大時(shí)，可選擇鎂、鋁合金。本文螺旋槳模型選用木材。▼全尺寸螺旋槳是柔性的，縮尺模型不可能做成與實(shí)物結(jié)構(gòu)剛度相似，而是將其做成剛體，其型面可按在飛機(jī)巡航狀態(tài)的外載荷下全尺寸螺旋槳變形后的外形來加工。11實(shí)驗(yàn)步驟

起飛，選定模擬飛行狀態(tài)爬升，平飛，順槳，自轉(zhuǎn)等狀態(tài)。確定實(shí)驗(yàn)風(fēng)速根據(jù)運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似要求即模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)物螺旋槳飛行的前進(jìn)比相等，算得各飛行狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速。如巡航狀態(tài)下，有12133.對(duì)于某一給定的安裝角，在不同的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速（對(duì)應(yīng)不同的前進(jìn)比）下，用天平測(cè)定模型螺旋槳的拉力及扭矩。用下式計(jì)算出前進(jìn)比、拉力系數(shù)、扭矩系數(shù)、功率系數(shù)及螺旋槳效率。14154.改變螺旋槳槳葉安裝角，按照相同的方法測(cè)出不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下的拉力系數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)16實(shí)驗(yàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置一般采用變頻交流電機(jī)；螺旋槳的轉(zhuǎn)速通常采用光柵電子計(jì)數(shù)器計(jì)量。2.穩(wěn)速壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)風(fēng)速使用穩(wěn)速壓控制系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)是在風(fēng)洞直流調(diào)節(jié)裝置雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)速壓閉環(huán)系統(tǒng)，并用PSI8400系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用美國(guó)PSI公司的PSI8400電子掃描閥，天平測(cè)力實(shí)驗(yàn)使用模擬量通道。173.氣動(dòng)力測(cè)力天平：18實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶菪龢?、整流罩（?qū)動(dòng)裝置、天平等置于其內(nèi)）、支撐等，采取腹部支撐的方式。模型安裝19實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正1.洞壁干擾修正由于風(fēng)洞洞壁的存在,來流速度為V的螺旋槳拉力相當(dāng)于在較低速度Vc下產(chǎn)生的拉力。因此速度修正為:

202.支架干擾修正當(dāng)螺旋槳存在，即有動(dòng)力的情況下，一方面由于螺旋槳的誘導(dǎo)和夾帶作用，使支撐附近的氣流沿軸向加速;另一方面，模型支撐的存在影響螺旋槳滑流的空間位置和尺寸，這些都是支撐對(duì)螺旋槳性能影響的因素。213.整流罩修正整流罩對(duì)螺旋槳性能的影響從理論上分析是由于整流罩的存在，阻擋了螺旋槳前方來流，相當(dāng)于降低了螺旋槳處的來流速度，假定螺旋槳的轉(zhuǎn)速不變，則螺旋槳的前進(jìn)比減小，依照螺旋槳的推力、功率以及效率與前進(jìn)比的關(guān)系可以大致得出:當(dāng)整流罩存在且不完全改變螺旋槳繞流特性(整流罩的最大半徑與螺旋