螺旋槳—活塞式小型無人機(jī)可用功率估算

王曉偉

摘 要：研究了螺旋槳式發(fā)動機(jī)可用功率的計算方法，建立了螺旋槳-活塞發(fā)動機(jī)式小型無人機(jī)概念設(shè)計階段可用功率估算的設(shè)計和計算模型。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)；螺旋槳；可用功率估算；活塞發(fā)動機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.237

0 引言

隨著無人機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，對無人機(jī)發(fā)動機(jī)性能的要求也越來越高。螺旋槳式活塞發(fā)動機(jī)在長期使用過程中體現(xiàn)了自身的優(yōu)點(diǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、耗油率低、低速時推力大、結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此世界上大多數(shù)小型低速無人機(jī)選擇活塞式發(fā)動機(jī)。

小型無人機(jī)的飛行性能主要依靠動力裝置，因此估算螺旋槳式活塞發(fā)動機(jī)的可用功率是小型無人機(jī)飛行性能計算過程中的重點(diǎn)之一。本文主要通過經(jīng)驗公式和估算曲線對發(fā)動機(jī)的可用功率進(jìn)行估算。

1 螺旋槳特性及選擇

螺旋槳可分為定距螺旋槳和恒速螺旋槳[1]。對于小型活塞發(fā)動機(jī)來說，定距螺旋槳具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，所以被廣泛采用。 螺旋槳槳距是指螺旋槳在不打滑和效率不損失的情況下，每轉(zhuǎn)動一圈向前移動的距離。槳距和槳葉角互成比例[2]。

在確定發(fā)動機(jī)型號和性能之后，要實現(xiàn)飛行器能夠進(jìn)行長時間的巡航，可以找到與發(fā)動機(jī)匹配最佳的螺旋槳，使發(fā)動機(jī)在保證功率輸出的情況下工作在較為經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。所以在發(fā)動機(jī)定型后選擇合理的螺旋槳至關(guān)重要。

在初步設(shè)計過程中，螺旋槳的直徑選擇方法進(jìn)行估算。

一，根據(jù)槳尖速度限制進(jìn)行估算。直徑的估算公式為：

對于低速飛機(jī)，從材料角度區(qū)分，木質(zhì)槳的槳尖速度Mtip要小于等于0.6馬赫，金屬槳小于等于0.8馬赫。

二，從發(fā)動機(jī)功率進(jìn)行估算，螺旋槳直徑的估算公式為[2]：

式中：Hp是指發(fā)動機(jī)馬力。該公式適用于10-600Hp的發(fā)動機(jī)。

螺旋槳直徑的選擇，若單從氣動角度考慮，直徑增大則效率就提高，但效率并不只是僅由直徑?jīng)Q定的，同時直徑加大，槳尖切線速度增大，螺旋槳噪聲增高；另外，直徑加大，螺旋槳重量增加，安裝間距變小。因此，在選取螺旋槳直徑時要注意綜合分析、兼顧各方，以求取得最佳效果。

2 螺旋槳效率修正及可用功率計算

2.1 螺旋槳效率。

一般廠商提供的效率是自由效率。滑移損失的大小決定了螺旋槳效率的大小，一般螺旋槳效率為50% 一85% 。

2.2 螺旋槳效率修正。

根據(jù)發(fā)動機(jī)特性和螺旋槳直徑，可求出螺旋槳的相對進(jìn)距比J和功率系數(shù)與高度和飛行速度之間的關(guān)系，通過圖1[2]可查得螺旋槳效率。

機(jī)身或短艙對氣流產(chǎn)生阻滯作用，導(dǎo)致螺旋槳?dú)鈩有Ч陆?。機(jī)身對效率降低程度與螺旋槳直徑相對機(jī)身大小有關(guān)[2]。此時，需對螺旋槳效率進(jìn)行修正。其修正公式如下

Jeff——修正后的進(jìn)距比，按此進(jìn)距比在效率曲線圖上查出的效率，才是進(jìn)行飛機(jī)性能計算的真正效率。

有的螺旋槳廠商，按匹配飛機(jī)的具體情況，提供了已修正過的效率曲線，但一種修正，只適用于一種飛機(jī)。

2.3 發(fā)動機(jī)可用功率計算。

由于空氣密度隨高度變化，發(fā)動機(jī)的有效功率隨高度變化而變化，詳見公式（6）。其中，下標(biāo)“H”表示高度為H時的參數(shù)，下標(biāo)“0”表示高度為零時的參數(shù)。

根據(jù)公式（7）求得的發(fā)動機(jī)在空中的有效功率P，結(jié)合螺旋槳效率及其修正系數(shù)，利用經(jīng)驗公式可求得螺旋槳發(fā)動機(jī)可用功率。

根據(jù)以上公式，可以求出不同高度下發(fā)動機(jī)的可用功率。

3 結(jié)論

通過以上經(jīng)驗公式和曲線，可以得到一種計算螺旋槳式活塞發(fā)動機(jī)有效功率的計算方法。該方法簡單有效，適用于初始總體設(shè)計階段，可以迅速獲得小型無人機(jī)性能估算需要的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李汝輝，吳一黃.活塞式航空動力裝置[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008 .

[2]飛機(jī)設(shè)計手冊，第13部——動力裝置系統(tǒng)設(shè)計[M].航空工業(yè)出版社，2006.