航空四沖程活塞發(fā)動機(jī)與恒速變矩螺旋槳匹配研究

雷乾乾 李強(qiáng)

摘要：為提高無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動能力和效率，實(shí)現(xiàn)螺旋槳與發(fā)動機(jī)整體系統(tǒng)優(yōu)化，采用試驗(yàn)方法測量不同風(fēng)速、不同油門、不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳推力、驅(qū)動功率等以研究槳發(fā)匹配規(guī)律。研究表明，風(fēng)速對螺旋槳轉(zhuǎn)速拓展影響顯著;高油門狀態(tài)匹配高轉(zhuǎn)速2500rpm，中油門狀態(tài)匹配中轉(zhuǎn)速2200rpm可一定程度提高推力;滑油溫度高于65℃，風(fēng)速接近40m/s，可大幅提高風(fēng)車啟動的成功幾率。上述結(jié)論對后續(xù)該動力裝置的裝機(jī)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

Abstract： In order to improve the driving ability and efficiency of UAV propulsion system and optimize the overall system of propeller and engine， the propeller thrust and driving power under different wind speeds， throttles and speeds were measured by the test method to study the matching law of propeller.The results show that the influence of wind speed on propeller speed expansion is significant.The high throttle state matches the high speed 2500rpm， and the middle throttle state matches the middle speed 2200rpm， which can improve thrust to a certain extent.Oil temperature higher than 65℃， wind speed close to 40m/s， can greatly improve the success of the windmill start-up probability.The above conclusions are of guiding significance to the subsequent installation and application of the power device.

關(guān)鍵詞：無人機(jī);發(fā)動機(jī);螺旋槳;風(fēng)速;匹配

Key words： UAV;engine;propeller;wind speed;matching

中圖分類號：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0026-04

0? 引言

隨著無人機(jī)應(yīng)用場景的逐漸廣泛，對其發(fā)動機(jī)性能的要求也越來越高。航空用活塞式發(fā)動機(jī)，具有價格低、結(jié)構(gòu)簡單、燃油經(jīng)濟(jì)性好、使用維護(hù)方便等特性。因此以航空活塞發(fā)動機(jī)匹配螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)普遍應(yīng)用于中低速無人機(jī)[1-3]。然而無人機(jī)飛行速度對推進(jìn)系統(tǒng)可產(chǎn)生的推力、有效驅(qū)動功率及螺旋槳自身功率消耗等影響顯著，因此在模擬飛行的流場環(huán)境中進(jìn)行螺旋槳特性試驗(yàn)和匹配尤為必要[4]。

基于風(fēng)洞試驗(yàn)，以螺旋槳和發(fā)動機(jī)作為研究對象尋求二者之間的合理匹配，對提高無人機(jī)整體性能和優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1? 研究對象及主要內(nèi)容

1.1 研究對象

本文以某型航空四沖程活塞發(fā)動機(jī)為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。

該型發(fā)動機(jī)為水平對置、直驅(qū)式、空氣冷卻、六缸活塞發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)配備兩個并聯(lián)渦輪增壓器，臨界增壓高度為6000m。并且具備混合比調(diào)節(jié)功能，通過改變貧富油燃燒達(dá)到降低油耗的目的。

1.2 研究方法及主要內(nèi)容

本文基于地面臺架試驗(yàn)及風(fēng)洞試驗(yàn)對槳發(fā)匹配進(jìn)行研究。發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架在風(fēng)洞內(nèi)安裝，發(fā)動機(jī)支架前端安裝有用以測量推力和扭矩的兩分量測力天平。所用風(fēng)洞流場性能良好，紊流度低于0.13%，風(fēng)洞最高風(fēng)速為100m/s。

通過試驗(yàn)測得的槳發(fā)匹配性能匹配數(shù)據(jù)，即不同來流速度、不同發(fā)動機(jī)油門、不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下螺旋槳產(chǎn)生的實(shí)際推力和扭矩，探究了風(fēng)速對螺旋槳恒速、各油門狀態(tài)下的推力以及風(fēng)車啟動的影響規(guī)律。最終得出槳發(fā)匹配關(guān)系以及風(fēng)車啟動策略，對后續(xù)該型發(fā)動機(jī)的裝機(jī)應(yīng)用提供有效的理論支撐。

2? 發(fā)動機(jī)功率及靜推力測試

本節(jié)在地面臺架試驗(yàn)中，分別對發(fā)動機(jī)功率及靜推力進(jìn)行測試，并將實(shí)測數(shù)據(jù)分別與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。擬校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺架測量精度，證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信性。

2.1 發(fā)動機(jī)功率測試

在地面臺架試驗(yàn)中，由二分量天平可實(shí)時測得發(fā)動機(jī)扭矩及螺旋槳推力。依據(jù)以下公式

可計算得出發(fā)動機(jī)功率。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論功率進(jìn)行比對，從而檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)工作是否正常，并校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺架的測量精度。分別選取起飛油門和最大轉(zhuǎn)速（2500rpm）下的輸出功率、中高油門和巡航轉(zhuǎn)速（2400rpm）下的輸出功率、中高油門和巡航轉(zhuǎn)速（2200rpm）下的輸出功率與理論功率進(jìn)行比對，結(jié)果如圖1-圖3所示。

由圖可知，0海拔狀態(tài)下，額定功率仍為224kW，實(shí)測功率與理論功率一致性較好。此外各油門狀態(tài)下實(shí)測功率與理論功率誤差均在5%以內(nèi)，證明發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)良好，且實(shí)驗(yàn)臺架測量精度較高，實(shí)測數(shù)據(jù)可信。

2.2 靜推力測試

運(yùn)用下面的螺旋槳性能計算公式：

功率系數(shù)：，拉力系數(shù)：，前進(jìn)比：

并結(jié)合圖4螺旋槳靜推力計算曲線可以得到推力的理論值。

在地面試車臺上進(jìn)行了無風(fēng)條件下的靜推力測試，選速桿設(shè)置到最大轉(zhuǎn)速2500rpm位置，混合比桿位于全富油狀態(tài)，油門桿位置從慢車變化到最大功率。將上述各油門狀態(tài)下的實(shí)測推力與理論計算推力進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

由圖5實(shí)測推力與理論推力對比曲線可知，各油門狀態(tài)下實(shí)測推力與理論推力一致性較好，誤差均在5%以內(nèi)。此外，實(shí)測最大靜推力可達(dá)623kgf，與理論值612.5kgf基本相當(dāng)，天平測量系統(tǒng)的誤差在2%左右，此精度滿足設(shè)計要求。

3? 風(fēng)速影響試驗(yàn)

本節(jié)在風(fēng)洞試驗(yàn)中，研究不同風(fēng)速對螺旋槳恒速、匹配推力及風(fēng)車啟動的影響，對槳發(fā)匹配策略提供理論依據(jù)。

3.1 風(fēng)速對螺旋槳恒速的影響

將螺旋槳調(diào)速器最大轉(zhuǎn)速限位（1）和最小轉(zhuǎn)速限位（2）分別標(biāo)定為100%和0%，最大最小限位中間部分對應(yīng)0到100%。

風(fēng)洞試驗(yàn)中以100%選速、50%混合比為前提條件，測量不同風(fēng)速（0m/s、40m/s、50m/s、60m/s）對各油門狀態(tài)下的螺旋槳轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖6所示。

通過之前的地面無風(fēng)選速桿標(biāo)定和風(fēng)洞吹風(fēng)測試，發(fā)現(xiàn)固定油門桿和選速桿位置（最大2500rpm），風(fēng)速的增大會帶來最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的提升，導(dǎo)致恒速范圍的擴(kuò)展。

3.2 不同風(fēng)速條件下各油門狀態(tài)匹配推力

3.2.1 不同風(fēng)速下中高油門狀態(tài)匹配推力

本節(jié)在風(fēng)洞試驗(yàn)中，測試了中高油門狀態(tài)，不同風(fēng)速下（30m/s、40m/s、50m/s、60m/s）及不同轉(zhuǎn)速下的匹配推力，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以得出以下結(jié)論：

①大油門區(qū)間，即油門>70%時，同一發(fā)動機(jī)油門條件下，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速降低，推力呈明顯下降趨勢，因此大油門狀態(tài)推薦匹配螺旋槳2500rpm高轉(zhuǎn)速;②中小油門狀態(tài)，即45%<油門<70%，同一發(fā)動機(jī)油門條件下，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的逐漸降低，推力呈逐漸升高后緩慢下降的趨勢，在2200rpm時推力達(dá)到峰值;③同一發(fā)動機(jī)油門條件下，螺旋槳轉(zhuǎn)速越低，單位時間內(nèi)做功次數(shù)降低，噴油量減少，耗油率更低，利于經(jīng)濟(jì)巡航。

3.2.2 不同風(fēng)速下小油門狀態(tài)匹配推力

本節(jié)在風(fēng)洞試驗(yàn)中，測試了不同風(fēng)速條件（無風(fēng)和風(fēng)速20m/s、30m/s、40m/s）下，20%油門及以下對應(yīng)的小推力數(shù)據(jù)，以期對飛機(jī)下滑階段槳發(fā)匹配提供理論指導(dǎo)。測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在同樣的油門位置，隨著風(fēng)速的增加，推力呈現(xiàn)下降趨勢。在慢車狀態(tài)時，高風(fēng)速下甚至產(chǎn)生負(fù)推力。

3.3 風(fēng)速對風(fēng)車啟動的影響

本節(jié)在風(fēng)洞試驗(yàn)中，人為關(guān)停磁電機(jī)點(diǎn)火造成發(fā)動機(jī)熄火故障，以期測試風(fēng)車轉(zhuǎn)速及風(fēng)車啟動情況。

發(fā)動機(jī)熄火后，將油門置于20%，選速置于100%，重新打開磁電機(jī)，測試不同來流風(fēng)速下的風(fēng)車啟動情況，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)風(fēng)速為30m/s，風(fēng)車轉(zhuǎn)速受滑油溫度影響明顯，滑油溫度低于65℃，風(fēng)車轉(zhuǎn)速會明顯降低至完全停轉(zhuǎn)，無法順利啟動。當(dāng)滑油溫度80℃左右時，存在成功啟動的可能性。當(dāng)風(fēng)速大于40m/s，則即使發(fā)動機(jī)處于滑油溫度40℃的冷車狀態(tài)，也能保持風(fēng)車轉(zhuǎn)速850rpm左右，重新打開磁電機(jī)點(diǎn)火開關(guān)即能風(fēng)車啟動。

4? 結(jié)論

通過上述分析與比較，可以得出以下結(jié)論：

①風(fēng)速的增大會帶來螺旋槳最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的提升，導(dǎo)致恒速范圍的擴(kuò)展，提供更大推力;

②大油門區(qū)間，即油門>70%時，螺旋槳轉(zhuǎn)速選定為2500rpm;中油門區(qū)間，即45%<油門<70%，螺旋槳轉(zhuǎn)速選定為2200rpm，依照此槳發(fā)匹配策略可獲得更大推力;

③小油門區(qū)間，即油門在20%附近，推力隨著風(fēng)速的增加逐漸降低，風(fēng)速足夠大時甚至產(chǎn)生負(fù)推力;

④空中滑油溫度需盡量保持在65℃以上，飛行速度盡量大于40m/s，空中發(fā)動機(jī)意外熄火時，依此策略可成功風(fēng)車啟動。

參考文獻(xiàn)：

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[3]林漫群，王國文，張士志，等.無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳與發(fā)動機(jī)匹配實(shí)驗(yàn)研究[J].航天制造技術(shù)，2016（3）：1-4.

[4]王培基.一種無人機(jī)螺旋槳的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.