本發(fā)明屬于沖壓空氣渦輪系統(tǒng)技術(shù)，具體涉及一種rat用葉片設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)主要作為飛機(jī)的應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)，為飛機(jī)提供應(yīng)急液壓能或(和)應(yīng)急電能，從而保證飛機(jī)在失去主動(dòng)力的情況下仍然可以維持正常飛行姿態(tài)的操縱性。目前，國(guó)內(nèi)自主研制的沖壓空氣渦輪葉片多為根據(jù)已有葉片修改所得，傳統(tǒng)rat葉片設(shè)計(jì)方法流程單向，各設(shè)計(jì)參數(shù)之間關(guān)系不明確，使得設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣反復(fù)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出的葉片功率提取效率低。

隨著先進(jìn)飛機(jī)對(duì)rat系統(tǒng)功重比要求的提高，提高rat葉片功率提取效率是未來(lái)rat系統(tǒng)發(fā)展中的重要研究領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為：提出一種rat用葉片設(shè)計(jì)方法，以能更好的滿足未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)對(duì)高功重比rat系統(tǒng)的需求。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種rat用葉片設(shè)計(jì)方法，其特征為：所述方法設(shè)計(jì)參數(shù)包括二維翼型、翼型弦長(zhǎng)、葉片展長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角，所述的方法包括如下步驟：

根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急功率需求在已有翼型數(shù)據(jù)中選擇并采用cfd仿真獲取翼型氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，獲取基礎(chǔ)翼型；

根據(jù)葉素-動(dòng)量理論計(jì)算得到翼型弦長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角，并采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化；

根據(jù)以下公式計(jì)算葉片展長(zhǎng)d:

其中cp為渦輪功率提取系數(shù)，ρ為空氣密度，v為來(lái)流速度，w為需求功率。

優(yōu)選地，通過(guò)cfd仿真獲取翼型在-5°～80°迎角范圍內(nèi)的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，選取基礎(chǔ)翼型。

優(yōu)選地，渦輪功率提取系數(shù)cp取0.18～0.21。

優(yōu)選地，根據(jù)以下方法計(jì)算翼型弦長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角：

步驟1，將葉片沿展向分成10～30個(gè)截面，根據(jù)wilson方法得到各截面翼型弦長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角的初始值；

步驟2，采用動(dòng)量-葉素理論計(jì)算各截面氣動(dòng)數(shù)據(jù)；

步驟3，將所有截面氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分加和，得到整個(gè)葉片在不同尖速比下的功率提取效率；

步驟4，將翼型弦長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角設(shè)為優(yōu)化變量，生成計(jì)算種群；

步驟5，對(duì)每個(gè)變量組合分別進(jìn)行快速氣動(dòng)性能評(píng)估，重復(fù)步驟1～3；

步驟6，根據(jù)輸入條件對(duì)所有葉片數(shù)據(jù)采用遺傳算法進(jìn)行結(jié)果分析優(yōu)化；

步驟7，判斷優(yōu)化結(jié)果是否符合需求，若不符合，重新設(shè)置優(yōu)化變量，迭代求解，直至得到最優(yōu)葉片方案。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出了葉素-動(dòng)量理論、cfd仿真、遺傳算法相結(jié)合的rat葉片循環(huán)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用實(shí)際使用數(shù)據(jù)形成的計(jì)算公式快速評(píng)估設(shè)計(jì)出的rat葉片性能，提高了rat葉片設(shè)計(jì)計(jì)算速度。另外，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的cfd仿真模型采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核，設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)果準(zhǔn)確度高。設(shè)計(jì)過(guò)程采用循環(huán)迭代的方式，而非單向設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)所得到的rat葉片功率提取效率高。本發(fā)明能夠?yàn)轱w機(jī)應(yīng)急策略制定、能量綜合配置提供有力支撐，對(duì)提高國(guó)內(nèi)自主研制沖壓空氣渦輪系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有積極作用。

附圖說(shuō)明

圖1為rat葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的流程框圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1和圖2，本發(fā)明rat用葉片設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)參數(shù)包括二維翼型1、翼型弦長(zhǎng)2、葉片展長(zhǎng)3、葉片扭轉(zhuǎn)角4。

所述葉片展長(zhǎng)3根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急功率需求和空間重量要求綜合確定，由于功率提取效率存在極限值，因此葉片展長(zhǎng)大小直接決定了rat所能提供的功率上限。葉片展長(zhǎng)3的初步選擇方法根據(jù)以下公式確定：

其中cp為渦輪功率提取系數(shù)，一般取0.18～0.21，ρ為空氣密度，v為來(lái)流速度，w為需求功率。

所述二維翼型1是葉片截面基本元素，根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急功率需求和使用工況特點(diǎn)，在已有翼型數(shù)據(jù)中選擇若干翼型，對(duì)翼型進(jìn)行cfd建模仿真計(jì)算，獲取二維翼型大迎角范圍內(nèi)(-5°～80°)的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，包括升力、阻力、升阻比、壓強(qiáng)分布、分離失速迎角等，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析對(duì)比，選取基礎(chǔ)翼型。

所述翼型弦長(zhǎng)2和葉片扭轉(zhuǎn)角4是二維翼型1在三維葉片各個(gè)展向截面的尺寸數(shù)據(jù)，分別表示翼型在特定展向截面位置的翼型弦長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)角，具體計(jì)算及優(yōu)化方法為：1.首先將葉片沿展向分成10～30個(gè)截面，根據(jù)wilson方法得到各截面翼型弦長(zhǎng)2和葉片扭轉(zhuǎn)角4的初始值；2.采用動(dòng)量-葉素理論計(jì)算各截面氣動(dòng)數(shù)據(jù)；3.將所有截面氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分加和，得到整個(gè)葉片在不同尖速比下的功率提取效率；4.將翼型弦長(zhǎng)2和葉片扭轉(zhuǎn)角4設(shè)為優(yōu)化變量，生成計(jì)算種群；5.對(duì)每個(gè)變量組合分別進(jìn)行快速氣動(dòng)性能評(píng)估，重復(fù)步驟1～3；6.根據(jù)輸入條件對(duì)所有葉片數(shù)據(jù)采用遺傳算法進(jìn)行結(jié)果分析優(yōu)化；7.判斷優(yōu)化結(jié)果是否符合需求，若不符合，重新設(shè)置優(yōu)化變量，迭代求解，直至得到最優(yōu)葉片方案。

本發(fā)明集成了實(shí)際使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出的快速性能評(píng)估計(jì)算公式，設(shè)計(jì)計(jì)算效率比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大大提高。同時(shí)采用遺傳優(yōu)化算法，為復(fù)雜系統(tǒng)的多參數(shù)匹配最優(yōu)解集計(jì)算提供了有效方法。本發(fā)明在計(jì)算中采用循環(huán)迭代，同時(shí)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證仿真模型，設(shè)計(jì)結(jié)果比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法更優(yōu)。

本發(fā)明rat用葉片設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)初步理論計(jì)算、高性能仿真計(jì)算、多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化和試驗(yàn)結(jié)果修正相結(jié)合的rat葉片正向設(shè)計(jì)思想，有效提高了rat葉片設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)出的rat葉片功率提取效率。另外，由于建模時(shí)采用自動(dòng)曲面生成光順技術(shù)，與設(shè)計(jì)參數(shù)同步更新數(shù)字模型，設(shè)計(jì)效率高，人工建模誤差小，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于沖壓空氣渦輪系統(tǒng)技術(shù)，具體涉及一種RAT用葉片設(shè)計(jì)方法。所述方法設(shè)計(jì)參數(shù)包括二維翼型、翼型弦長(zhǎng)、葉片展長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角，所述的方法包括如下步驟：根據(jù)飛機(jī)應(yīng)急功率需求在已有翼型數(shù)據(jù)中選擇并采用CFD仿真獲取翼型氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，獲取基礎(chǔ)翼型；根據(jù)葉素?動(dòng)量理論計(jì)算得到翼型弦長(zhǎng)和葉片扭轉(zhuǎn)角，并采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)以下公式計(jì)算葉片展長(zhǎng)其中CP為渦輪功率提取系數(shù)，ρ為空氣密度，v為來(lái)流速度，W為需求功率。本發(fā)明提出了葉素?動(dòng)量理論、CFD仿真、遺傳算法相結(jié)合的RAT葉片循環(huán)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用實(shí)際使用數(shù)據(jù)形成的計(jì)算公式快速評(píng)估設(shè)計(jì)出的RAT葉片性能，提高了RAT葉片設(shè)計(jì)計(jì)算速度。

技術(shù)研發(fā)人員：王健;翟笑天;郭生榮;盧岳良
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.19
技術(shù)公布日：2017.09.22