多桨倾转高速旋翼飞行器推进桨优化设计.pdf

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 modelsChoose 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0.010-0.01-0.02-0.03-0.04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的影响本文选取了如表 所示的设计变量对桨尖外形进行精细化优化设计同时限制了根部和桨尖翼型的弦长以确保桨叶实度不会有显著变化 优化过程中桨叶的剖面翼型及在两种工况下的桨距角与基准一致表 基准桨叶额定工况下的气动性能性能参数悬停前飞拉力系数.功率系数.拉力/().功率/().效率/().表 桨叶布局设计空间变量名称取值范围根部翼型弦长.尖部翼型弦长.最大弦长位置(/).第二段扭转率(线性分布)桨尖下反位置(/).桨尖下反距离(/).桨尖尖削位置(/).桨尖尖削比(/).桨尖后掠位置(/).桨尖后掠距离(/).推进桨气动布局优化设计优化选用代理模型为 模型试验设计方 法 为 拉 丁 超 立 方 抽 样 加 点 准 则 为 初始样本点数 个 图 展示了优化设计的收敛曲线-0.785-0.79-0.795-0.8-0.805-0.81DOEoptfeasibleinfeasibleobj15101520Evaluations图 优化收敛曲线优化得到的当前桨叶最优布局参数如表 所示 图 和图 展示了优化前后的桨叶外形及外型参数对比可见优化桨叶较基准桨叶的后掠和下 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反程度都更小其下反起始位置较基准桨叶更为靠近桨叶内侧在桨尖部分整体过渡更加平缓表 优化结果变量名称优化结果根部翼型弦长尖部翼型弦长.最大弦长位置(/).第二段扭转率(线性分布)桨尖下反位置(/).桨尖下反距离(/).桨尖尖削位置(/).桨尖尖削比(/).桨尖后掠位置(/).桨尖后掠距离(/).分别评估优化桨叶在悬停与前飞工况下的气动性能结果如表 所示 图 对比了优化桨叶和基准桨叶在悬停及前飞工况下的效率 由图可见优化后桨叶在悬停与前飞工况下的效率均较基准桨叶提升 以上baselinebaselineoptimizedoptimized图 优化前后桨叶外形对比0.090.0850.080.0750.070.0650.0600.20.40.60.81r/RoptimizedbaselineChor/（m）0-0.02-0.0400.20.40.60.81r/RoptimizedbaselineBacksweep/（m）0-0.5-1-1.5-200.20.40.60.81r/RoptimizedbaselineAnhedral/（m）（a）弦长对比（b）后掠对比（c）下反对比图 优化前后桨叶外型参数对比opthoverbaselinehover0.730.7250.720.7150.71Efficiency250300350Rated=260 kgThrust/（kg）=1.195%=1.215%0.90.850.80.7520406080100120140Thrust/（kg）Rated=125 kgoptforwardbaselineforwardEfficiency图 基准桨叶与优化桨叶效率对比.基准与优化桨叶流场对比研究为了进一步阐释优化桨叶气动效率提升的机理本文对基准桨叶与优化桨叶的流场进行了对比分析 图 展示了基准桨叶与优化桨叶在前飞状态下的桨叶表面压力分布 可以看出优化桨叶在平面外形上较基准桨叶后掠更小桨尖上表面具有更大的负压区直 升 机 技 术总第 期表 优化桨叶气动性能性能参数悬停前飞拉力系数.功率系数.拉力/().功率/().效率/().图 对比了基准桨叶与优化桨叶径向.处的剖面压力云图图 对比了二者在该剖面处的压力分布 可以看出在前飞工况下优化桨叶.处前缘的负压区范围更大且负压峰值较基准桨叶显著提升说明优化桨叶在桨尖部分具有更高的升力但相应地由压缩性导致的阻力也略有增加 从图 中两种桨叶的径向升力分布对比同样可以看出优化桨叶在桨尖部分具有更高的升力这主要是由于桨尖处的后掠有利于降低桨尖的激波阻力但会引起更强的展向流动和三维效应导致升力损失 本文的优化桨叶以一定的桨尖阻力为代价提升了桨尖剖面的升力最终整体上改善了前飞工况下的桨叶效率P:0.7 0.91.91.71.51.31.12.32.12.5（a）基准桨叶P:0.7 0.91.91.71.51.31.12.32.12.5（b）优化桨叶图 前飞工况下基准桨叶与优化桨叶表面流场2.121.91.81.71.61.51.41.31.21.11P2.121.91.81.71.61.51.41.31.21.11P（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 前飞工况下.处剖面压力云图baselineoptimized-2-1.5-1-0.500.511.5Cp00.80.60.40.21x/c图 前飞工况下.处剖面压力分布对比1.210.80.60.40.40.60.8r/RClbaselineoptimized图 前飞工况下升力分布对比图 和图 展示了基准桨叶与优化桨叶在悬停工况下的轴向速度云图和径向升力分布 由图易看出在悬停工况下基准桨叶的桨盘后速度分布及径向升力分布较优化桨叶均更为不均匀桨盘后的诱导速度场中存在明显的高速区 可以认为基准桨叶产生的诱导速度及相应消耗的功率更高最终导致在拉力相当的前提下基准桨叶的工作效率更低V/Vtip0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45V/Vtip0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 悬停工况下轴向速度对比 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baselineoptimized1.41.21.00.80.60.40.20.40.80.6r/R1Cl图 悬停工况下升力分布对比图 进一步通过 判据等值面展示了基准桨叶与优化桨叶的桨尖涡(涡量染色)可见基准桨叶由于下反变形较剧烈在下反转折处与桨尖处均产生了较明显的涡结构 图 展示了弦向.站位处的 判据云图同样可见基准桨叶在下反转折处有额外的涡产生1514131211109876543210X Vorticity1514131211109876543210X Vorticity（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 悬停工况下桨叶的桨尖涡Q Criterion10.90.80.70.60.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1Q Criterion10.90.80.70.60.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 悬停工况下桨尖 判据云图从前飞工况的流场中同样可以看到类似的现象 图 展示了前飞状态下基准与前飞桨叶的桨尖涡结构图 展示了弦向.站位处的 判据云图 可以看出基准桨叶较优化桨叶在前飞工况下的桨尖涡更复杂相应也更易导致能量的损失综合以上因素可以初步认为优化桨叶一定程度上提高了前飞工况下的桨尖升力同时改善了悬停工况下的桨盘诱导速度分布并通过更平缓的桨尖下反变形一定程度上改善了桨尖涡的结构最终降低了桨叶的能量损失从而提高了桨叶的工作效率X Vorticity15141312111098765432101514131211109876543210X Vorticity（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 前飞工况下桨叶的桨尖涡Q Criterion10.90.80.70.60.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1Q Criterion10.90.80.70.60.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1（a）基准桨叶（b）优化桨叶图 前飞工况下桨尖 判据云图 结论)本文使用 分析结合代理优化方法对推进桨的气动布局进行优化设计使得桨叶在推力不减的前提下额定工况下的悬停与前飞效率均提升以上)从优化结果来看桨尖处的后掠虽在一般意义上有助于降低桨尖压缩性阻力但过大的后掠同时会导致桨尖处的升力损失对桨叶的气动效率产生不利影响)桨尖下反同样有助于改善桨叶在本文应用工况下的气动效率但桨尖附近过大的下反以及过于剧烈的外形变化易产生额外的涡结构导致气动效率的损失参考文献:././.直 升 机 技 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