轻型飞机螺旋桨选型与安装设计

田 钧，郑里鹫，龙 飞，王根辉

(中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035)

定距螺旋桨是指使用过程中桨叶安装角固定的螺旋桨，其具有结构简单、质量轻、成本低、维修简单等特点，主要应用于小功率的轻型和超轻型飞机[1-2]。定距螺旋桨桨叶固定不能变距，在飞机的起飞、爬升、巡航等不同阶段，桨叶角不能随发动机功率的变化而增大或减小，造成螺旋桨吸收的功率与发动机输出的功率在恒速下不能良好协调匹配，螺旋桨在不同飞行状态下均不能具有较高的气动效率[3-4]。对于螺旋桨的选型，需要根据厂商提供的性能曲线与飞机进行匹配选取，在选取安装角时应兼顾各方需求，使飞机在不同飞行阶段都能获得可接受的螺旋桨气动效率，尤其是应满足起飞阶段与巡航阶段的拉/推力需求[5-6]。

目前，世界范围内轻型飞机定距螺旋桨的制造商主要有SENSENICH、WARPDRIVE、NEUFORM、WOODCOMP、IDROVARIO、POWERFIN和斯塔娜等公司。如何对螺旋桨进行有效的选型与安装，实现螺旋桨与发动机的良好匹配并获得较高的效率，是飞机总体设计中的重要环节。目前，国内外定距螺旋桨主要应用在通用航空器上，尤其是以轻型运动航空器(LSA)和超轻型运动航空器(ULA)应用最多，这类飞行器主要安装的发动机类型为活塞发动机[7-9]。由于该类飞机螺旋桨设计生产厂商较多，因此飞机设计和制造公司在螺旋桨选型与安装设计的时候，往往直接参照已有机型的螺旋桨尺寸和安装角度进行选型和安装设计，忽略了对螺旋桨最佳直径的选取，螺旋桨安装角也仅通过地面试验摸索出来，缺乏有效的选型方案，造成飞机油耗增加、噪声增大或拉/推力不足[10-12]。

本文以某轻型飞机的螺旋桨选型与安装设计为依据，提出一套轻型飞机螺旋桨选型与安装设计方案，该方案可为飞机设计师在轻型飞机螺旋桨选型与安装设计时提供有效的技术参考。

1 总体方案设计

螺旋桨的选型和安装应与飞机以及发动机进行一体化设计，以某轻型飞机为例，该轻型飞机总体设计指标有以下限制条件：1)飞行高度不大于3 000 m；2)巡航高度1 000 m；3)最大飞行速度222 km/h；4)巡航速度190 km/h；5)起飞速度80 km/h；6)桨直径不大于1.7 m；7)飞机巡航拉力需求不小于823.2 N；8)飞机起飞拉力需求不小于1 960 N。

匹配该飞机的某型发动机运行参数见表1。

2 螺旋桨选型设计

2.1 螺旋桨直径选取

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，提高螺旋桨气动效率的有效方法是增大桨叶直径，但桨叶直径选取受到临界马赫数的限制，在飞机发动机大转速运行时，增大桨叶直径，桨尖合成速度会急剧增大，导致桨尖区域出现激波，并引起激波损失，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。由于定距螺旋桨安装角是不变的，同转速下提供的拉力或推力是一样的，而飞机在不同飞行高度对拉力或推力的需求不同，因此需要根据飞行高度的变化，控制油门调整螺旋桨的转速，使得其在额定功率限定的范围内产生的拉力或推力可以满足飞机正常的飞行需求。同时螺旋桨安装角设计还要保证飞机在巡航状态下螺旋桨气动效率最高，以达到总体设计的经济性要求。

表1 发动机相关运行参数

在实际工程应用中，轻型飞机主要选择的是三叶螺旋桨与两叶螺旋桨，由于在相同的螺旋桨直径下三叶螺旋桨的气动效率大于两叶螺旋桨的气动效率，所以选择三叶螺旋桨作为飞机装机桨。

发动机齿轮箱减速比为2.428 6时，计算可得在起飞、爬升和巡航状态下螺旋桨转速分别为2 388，2 265和2 059 r/min。螺旋桨桨尖合成速度Vtip为叶尖相对于气流的合成速度：

(1)

式中：V为飞机的飞行速度，m/s；D为螺旋桨直径，m；n为螺旋桨转速，r/s。

考虑到噪声的影响，通常取Vtip为150～200 m/s，上限不超过250 m/s。将发动机功率对应的转速n、飞机飞行速度V代入式(1)可得螺旋桨转速与直径的匹配关系，计算可得功率、桨尖合成速度与螺旋桨直径的关系见表2。

表2功率、桨尖合成速度与螺旋桨直径关系m

Vtip150m/s200m/s250m/s最大功率1.201.602.00100%额定功率1.271.692.1175%额定功率1.391.852.32

由表2可得，Vtip为200 m/s时对应的螺旋桨直径大于Vtip为150 m/s时对应的直径。通常情况下，螺旋桨的直径越大其气动效率越高，由此说明Vtip为200 m/s时对应的螺旋桨气动效率较高。结合飞机一个飞行周期的典型推力需求情况可知，其在起飞阶段以最大功率起飞，但巡航阶段主要用75%～100%额定功率状态飞行，所以螺旋桨直径应选择1.60～1.85 m为最佳。结合螺旋桨直径与叶数以及总体结构限制要求，暂选某型直径为1.68 m三叶螺旋桨作为该轻型飞机装机螺旋桨。

2.2 螺旋桨气动效率选取

由于初选的螺旋桨参数仅作为该轻型飞机螺旋桨选型的参考，因此在螺旋桨直径D的范围、转速n、桨叶数B等暂定之后，需按照螺旋桨性能关系曲线选择螺旋桨气动效率，进而确定螺旋桨型号。可分别算出飞机在起飞、爬升、巡航等状态下的进距比J和功率系数Cp，在螺旋桨性能关系曲线图上找出对应的效率范围，看其能否满足飞机在起飞、爬升、巡航等状态下总体设计的要求。进距比J计算公式如下：

(2)

由式(2)可以计算出在不同发动机功率下巡航和最大飞行速度V对应的进距比J，见表3。

表3 进距比的要求

要使桨尖合成速度保持在亚音速，螺旋桨进距比J必须满足以下公式：

(3)

式中：M为飞行马赫数，M=V/a，其中a为设计巡航高度声速，a=336 m/s；Mtip为桨尖合成马赫数，Mtip=Vtip/a。经计算可得暂选的某型直径为1.68 m的三叶螺旋桨满足式(3)的要求。

螺旋桨功率系数Cp计算公式如下：

(4)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；P为发动机功率，W。

结合总体设计指标限制条件，由式(4)计算可得不同功率状态下螺旋桨功率系数。75%额定功率对应的功率系数为0.078，100%额定功率对应的功率系数为0.104，最大功率状态对应的功率系数为0.111。结合该型号的螺旋桨功率系数，绘制螺旋桨功率系数、安装角和进距比关系如图1所示。

图1 螺旋桨功率系数、安装角和进距比关系曲线

由图1可以初步确定，该螺旋桨的安装角范围为22.5°～30.0°。一般厂家给出的螺旋桨气动效率数据都是自由流数据，然而在实际工程中由于机身的干扰会产生气流的阻滞作用，所以需要根据该轻型飞机总体设计数据，对厂家给出的螺旋桨自由流特性数据进行修正，修正公式如下：

Jeff=(1-h)J

(5)

其中：

(6)

式中：Jeff为修正后的进距比；Sc为机身最大迎风面积。该型号轻型飞机Sc=0.86，修正后得到某型号螺旋桨气动效率Eta、安装角β与进距比Jeff关系曲线如图2所示。

图2 螺旋桨的效率、安装角与进距比关系曲线

由图2可以看出，当0.83≤Jeff≤0.98时，对应的螺旋桨气动效率Eta为0.72～0.81，满足总体设计要求。综合上述分析，该型1.68 m直径三叶螺旋桨满足轻型飞机装机要求。

3 螺旋桨安装设计

由于定距螺旋桨桨叶角不可调，在飞机的起飞、爬升、巡航等阶段不能都获得较高的螺旋桨气动效率，因此在确定了螺旋桨型号后，应根据该轻型飞机总体设计数据，结合厂家给出的螺旋桨自由流特性数据确定螺旋桨安装角β，使得在飞机飞行的各个阶段都获得较为满意的效率。

螺旋桨安装角β应保证当进距比J在一定范围内时其效率曲线较为平稳。当0.83≤J≤0.98时，由图2可知，安装角大于22.5°的效率曲线相对平缓，故暂定安装角大于22.5°。

由于飞机主要工作在巡航状态下，因而安装角的设计应优先保证巡航状态下的螺旋桨气动效率最高。在巡航状态下，J=0.916，由图2可知，安装角β=25°时对应的螺旋桨气动效率Eta最高，为0.81，因此暂定该螺旋桨的安装角度为25°。

接下来验证在该安装角下，推进系统能否满足飞机在起飞、巡航、爬升等状态下的拉力要求。螺旋桨拉力系数CT计算公式如下：

(7)

式中：T为拉力，N。由厂家给出的螺旋桨特性数据可以绘制CT与J的关系,如图3所示。

图3 螺旋桨拉力系数、安装角和进距比关系曲线

根据起飞和巡航状态的总体设计参数要求,结合式(3)可以计算得到对应飞行状态下的进距比分别为0.332和0.916。结合图3可以得到对应的拉力系数分别为0.131和0.077。由式(7)可得

T=CTρn2D4

(8)

将读取的拉力系数代入式(8)，结合总体设计数据可以求出对应飞行状态下的拉力分别为2 024.7 N和1 074.1 N，满足总体设计指标。

由上述分析可以得出β=25°时可满足总体设计数据的要求，因此25°为理论最佳安装角。以该理论最佳安装角进行装机试验来确定实际安装角。

如果上述计算分析结果不能令人满意，也可通过优化D和β来调整Eta，使得螺旋桨满足飞机在不同飞行状态下的螺旋桨气动效率和拉力需求。若是由于螺旋桨选型受到限制，即总体设计对质量、直径有特别的限制要求时，也可与厂商协调，重新设计新桨。

4 选型流程研究

根据以上螺旋桨选型与安装设计分析，本文总结并提出了一种轻型飞机螺旋桨的选型流程，即首先通过螺旋桨转速情况以及飞机的总体设计要求确定螺旋桨的直径，再通过直径倒推螺旋桨桨叶数需求，最后在直径和桨叶数确定之后，结合成本、采购、售后等因素选择一款合适的螺旋桨或新研螺旋桨；根据螺旋桨设计生产厂商提供的性能关系曲线，与总体拉力需求进行对比，则可确定螺旋桨的理论最佳安装角；在理论最佳安装角确定后，开展地面台架试验、装机地面试验和试飞试验，根据适航条款要求与发动机限制条款要求对螺旋桨安装角进行修正，以确定螺旋桨的实际安装角。流程示意图如图4所示。

图4 定距桨飞机螺旋桨选型与安装设计流程

此设计流程为轻型飞机平台与螺旋桨的功率匹配分析提供了有效方案。

5 结束语

飞机的部件系统设计是一个复杂的系统工程，螺旋桨选型设计需结合飞机的类型、用途和性能指标等限制条件，选型或设计出与之相匹配的性能良好的螺旋桨，以提升飞机经济性。本文给出了螺旋桨选型设计的一些共性技术，亦分析了选型设计上的一些难点，可为轻型飞机的螺旋桨选型与安装设计提供一定的技术参考。目前该流程已在AG50轻型运动飞机型号设计中获得应用，与该类型的飞机飞行试验分析结果相符。