多桨倾转高速旋翼飞行器推进桨优化设计.pdf
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1、总 第 期年第 期直 升 机 技 术 .收稿日期:作者简介:张子瀚()男辽宁省大连市人硕士学历助理工程师 文章编号:()多桨倾转高速旋翼飞行器推进桨优化设计张子瀚李尚斌袁明川樊 枫黄水林(中国直升机设计研究所 直升机旋翼动力学重点实验室江西 景德镇)摘 要 布置于多桨倾转高速旋翼飞行器机翼前缘的推进桨的效率对该类飞行器的飞行性能有着重要的影响 发展了一种结合 分析和代理优化方法的优化设计手段以推进桨的悬停效率和前飞效率为目标对一直径.的推进桨的气动布局参数进行了优化设计 优化结果表明该方法可在拉力不减的前提下使推进桨悬停效率和前飞效率均较基准提高 以上 在此基础上对基准桨叶和优化桨叶的流场进行
2、了对比研究初步分析了优化桨叶效率提升的内在机理关键词 多桨倾转飞行器推进桨代理优化设计 分析中图分类号:.文献标志码:().引言直升机是国民经济发展和国防建设不可或缺的力量 它无需机场环境不仅能进行其独有的垂直起降悬停作业且具有良好的低空机动性能 然而目前的常规构型直升机受构型的限制其最大平直 升 机 技 术总第 期飞速度仅在/左右严重制约了直升机在军事和民用领域的应用 因此发展高速化、远程化的旋翼飞行器是未来的重要趋势国内外研究人员对此开展了大量研究工作近年来航空电驱动技术的发展为分布式多旋翼飞行器的设计带来了新的机遇 多桨倾转高速旋翼飞行器是一款综合利用倾转机翼与分布式电驱动多旋翼概念的新
3、型旋翼飞行器具备垂直起降与高速前飞能力 多个旋翼单元可分别设计为升力桨和推进桨:垂直起降飞行状态下所有旋翼单元均参与工作高速前飞状态下升力桨停转折叠由推进桨提供前飞动力(图)因此推进桨的工作效率也就成为了影响飞行器航程、航时、最大平飞速度等指标的关键因素之一 相较于普通的空气螺旋桨推进桨在设计过程中需要兼顾高空高速前飞、海平面悬停等多种工况下的工作效率设计目标多约束复杂整体设计难度较高图 多桨倾转构型示意近期公开的针对多桨倾转高速飞行器桨叶的设计研究仅有 航空的.等人和加拿大 的.等人针对各自公司产品使用的桨叶进行的气动噪声设计但其研究中未涉及对于桨叶外形的精细化优化设计除此之外国内外针对倾转
4、旋翼机的旋翼气动设计开展了大量研究具有一定的借鉴意义 对于倾转旋翼桨叶气动设计早期国内外研究者一般采用叶素动量理论结合自由尾迹等快速预测方法作为设计过程中的评估手段 但该类方法无法精确模拟桨叶附近的三维流动更无法准确反映桨尖的下反、后掠等变形对桨叶气动性能的影响 近年来越来越多的研究者开始采用较高精度数值模拟方法进行桨叶的气动性能评估和优化设计 米兰工业大学.等人用 方法对 倾转旋翼机开展了全机绕流数值模拟研究中国航天空气动力技术研究院的孙凯军等人通过遗传算法对一倾转旋翼桨叶进行了优化并以 方法和风洞试验对设计结果进行了验证英国格拉斯哥大学的.等人基于 方法和最小二乘序列二次规划算法()对 桨
5、叶进行了优化南京航空航天大学的招启军等人使用 方法结合遗传算法对一倾转旋翼桨叶桨尖布局进行了优化设计 但以上研究中采用的优化算法多存在计算资源和时间耗费较高或全局性差易于陷入局部最优等问题鉴于此本文拟采用一种优化效率高、全局性好的代理优化方法结合 分析手段针对一前期采用叶素动量理论结合尾迹方法设计形成的多桨倾转飞行器推进桨气动布局参数进行精细化优化设计以推进桨在悬停和前飞工况下的工作效率综合提升为设计目标 优化结果显示在拉力不减的前提下其悬停效率和前飞效率均较基准提高 以上 随后对优化桨叶的流场进行了分析一定程度上揭示了其效率提高的内在机理 推进桨气动分析及优化设计方法.推进桨气动分析及代理优
6、化方法本文采用基于 方程的旋翼绕流数值模拟方法进行推进桨的气动分析 该方法采用有限体积法对方程进行空间离散为了提高模拟精度采用低耗散的 格式并结合 格式计算无粘通量为了模拟共轴双旋翼悬停/前飞流场的非定常变化过程采用物理时间和伪时间相结合的双时间方法进行时间步进 在惯性坐标系下三维非定常可压 方程可表示为:()()()其中 为流动守恒变量 为控制体微元体积()为无粘通量()为粘性通量 为控制体表面面积 为控制体 该程序的网格系统采用运动嵌套网格由若干片桨叶网格和一套背景网格组成 其具体形式如图 所示对桨叶的布局参数优化采用代理优化软件“”其具体优化流程如图 所示“代理优化方法”()是指通过有限
7、的样本数据建立具有一定精度的代理模型()来代替费时的分析程序并采用 年第 期张子瀚李尚斌袁明川等:多桨倾转高速旋翼飞行器推进桨优化设计加点准则来指导加入新的样本点不断更新代理模型直到产生的“样本点序列”收敛于优化问题的最优解的方法 该方法采用计算量相对较少的近似模型代替复杂的高精度模型从而降低优化过程中的计算量提高优化效率(a)网格全貌(b)桨叶网格图 嵌套网格示意Off-line investmentStartDoEParallelComputingSolverSolverUser interfaceTune hyperparametersConstruct surrogate models
8、Choose Infill criteriaUpdating thesampled dataParallelComputingMain optimizationMSPNew samplesUser interfaceSub optimizationby GA and BFGSor SQP et.alSolverSolverStop?StopYesNoEI图 工作流程示意.气动分析方法校验本文采用一组刚性共轴双旋翼的试验数据来验证本文气动求解器的正确性 试验旋翼的具体参数如表 所示表 试验旋翼参数参数数值桨毂半径 桨叶片数 旋翼旋转方向上旋翼:顺时针下旋翼:逆时针旋翼直径 旋翼转速/旋翼间距.本
9、文计算采用的桨叶网格量约.万(单片桨叶)背景网格量约 万对处于桨盘平面附近和桨尖附近的背景网格进行局部加密处理 湍流模型选用一方程 模型 采用非定常计算桨叶每步转动.内迭代步数 步共计算 圈 计算网格如图 所示剖面翼型网格桨叶网格XYZ图 计算网格计算得到的悬停效率及扭矩 拉力曲线与试验值对比如图 所示FM00.010.020.03CtExpCalculate(a)FM-Ct曲线(b)Cq-Ct曲线CqExpCalculate00.010.020.03Ct图 计算结果与试验值对比以上结果表明本文采用的桨叶气动分析方法可以较好地模拟桨叶的气动性能 推进桨气动优化设计.基准桨叶气动性能分析本文研究
10、对象为一直径.的多桨倾转飞行器推进桨基准桨叶通过前期基于 软件的自由尾迹气动分析方法优化设计得到 其布局参数如图 所示其中桨叶第一段扭转为双曲线分布第二段扭转为直线扭转采用 方法对基准桨叶气动性能进行了分析图 展示了桨叶的翼型配置及桨叶网格划分其中单片桨叶网格量约.万背景网格量约.万直 升 机 技 术总第 期201816141210第一段扭转第一段扭转率扭转/()第二段扭转双曲线分布真实扭转分布0.80.60.40.21r/R(a)扭转分布0.80.60.40.21r/R00.0850.0800.0750.0700.0650.060弦长分布后掠分布下反分布0.010-0.01-0.02-0.0
11、3-0.04后掠/下反/(m)弦长/(m)(b)弦长、后掠及扭转分布图 基准桨叶布局参数示意TLJ-19r/R=0.25TLJ-12r/R=0.6TLJ-09r/R=0.85TLJ-06r/R=1(a)基准桨叶翼型配置(b)基准桨叶网格划分图 基准旋翼翼型配置及桨叶网格划分推进桨的设计工况为海平面悬停状态转速 拉力 海拔 倾转前飞状态转速 拉力 配平后得到悬停状态桨距角 前飞状态桨距角 表 给出了计算得到的基准桨叶气动性能本文以桨叶在悬停和前飞两种工况下的工作效率为设计目标其中悬停效率目标权重.前飞效率目标权重.约束为拉力不低于基准桨叶 鉴于基准桨叶在设计过程中未精确考虑桨尖三维效应对气动性能
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