CN111810353B - 前弯后翘翼弦叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种前弯后翘翼弦叶片，属于机械设计流体力学领域，具体设计如下：首先选取世界先进的常规螺旋桨作为基础；分别画出半径R在0.2R、0.25R、0.3R到1.0R的翼型位置。然后优化前弯和后翘的范围，选择前缘小于0.5R的翼型至翼根的翼弦前弯，后缘小于0.7R的翼型至翼根的翼弦后翘。同时，优化相关翼弦前弯后翘参数：包括前弯/后翘翼弦长度；前弯/后翘角度；前弯/后翘的曲率半径；做出各参数随不同半径翼型翼弦的前弯/后翘数据变化表；按数据表绘制相关翼型翼弦研发图；对各翼型进行圆滑处理；进行模型功效参数测试；最后进行全尺寸性能实测。本发明能增加船舶螺旋桨的推力、无人机螺旋桨的拉力、低速飞机(M<0.5)机翼的升力、风力发电机风轮转动功率>5％。

Description

前弯后翘翼弦叶片
技术领域
本发明属于提高船舶螺旋桨推力(输出功率)、无人机螺旋桨拉力、风力发电机风轮输出功率和低速飞机机翼升力范畴，机械设计流体力学领域，具体是设计一种前弯后翘翼弦叶片。
背景技术
由于世界经济一体化加速，贸易量巨增，随之而来的是轮船的吨位和体积不断加大，燃油消耗量不断增加。如30万吨的巨轮，正常情况下需6000吨燃油，如将螺旋桨的功效提高5％，可节约300吨燃油，经济效益十分可观。本发明人通过长期对螺旋桨进行研究，发现将叶片靠近根部翼型翼弦前弯后翘能提升螺旋桨的功效，节约轮船油量。
见参考文献(1)，中国人名解放军空军司令部《航空发动机原理教程》1973年版第一和第四分册。
(2)何立武发明专利号ZL201210088957.7，公开了一种“风力发电自适应风叶”。
本发明在借鉴上述现有文献的基础上提出了高效前弯后翘翼弦叶片发明专利。
发明内容
鉴于目前船舶螺旋桨功率效率低，只有70％左右。本发明针对螺旋桨根部叶片流动阻力较大及流体攻角较大，功效较低的问题，提出了叶片根部翼型翼弦前弯后翘设计方案。提高了叶片推力和输出功率；减小了叶轮转动功率，提高了功率效率。
所述的前弯后翘翼弦叶片具体设计如下：
步骤一、将现有先进的常规螺旋桨叶片上，分别画出半径R在0.2R、0.25R、0.3R到1.0R的翼型位置。
步骤二、选择前缘小于0.5R的翼型至翼根的翼弦前弯，后缘小于0.7R的翼型至翼根的翼弦后翘。
步骤三、确定每个截面翼型翼弦前缘(导边)前弯参数和后缘(随边)后翘参数。
前弯参数包括：前弯翼弦长度L1；前弯角度α1和前弯的曲率半径
Figure BDA0002524634670000011
后翘参数包括：后翘翼弦长度L2；后翘角度α2和曲率半径
Figure BDA0002524634670000012
步骤四、分别设计前弯角度α1，前弯翼弦长度L1和曲率半径R1随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R和0.5R的前弯数据变化表；同理，设计对后翘翼弦长度L2，后翘角度α2和曲率半径R2随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R，0.5R，0.6R和0.7R的后翘数据变化表。
对每个翼型，L1取值为5～30％弦长；α1取值小于攻角，曲率半径R1按前述公式求出。
对每个翼型，L2取值为5～25％弦长；α2取值与攻角相当，曲率半径R2由公式算出。
步骤五、根据每个翼型翼弦数据变化表分别画出前弯后翘研发图。
前弯后翘图具体设计方法如下：
前弯图：从翼弦前端(前缘)开始找到长度等于L1的点A；在A点向迎流面作垂线；从A点开始在垂线上找到长度等于R1的点；以该点为圆心，以R1为半径向翼弦前端方向画与翼弦切线弧(圆)，该弧转过角度为α1(相应弧长为L1)。
后翘图：在翼弦尾端(后缘)开始找到长度等于L2的点B，在B点向背流面作垂线。从B点开始在垂线上找到长度等于R2的点。以该点为圆心，以R2为半径向翼弦尾端方向画与翼弦切线弧(圆)，该弧转角为α2(弧长为L2)。
用同样方法做出其他相应翼弦前弯后翘图。
步骤六、由于翼弦前弯后翘，对引起的翼型轮廊变化作相应圆滑处理。
本发明与现有世界先进常规螺旋桨技术相比，具有以下优势：
(1)本发明前弯后翘翼弦叶片，能增加船舶螺旋桨的推力、无人机螺旋桨的拉力、低速飞机(M<0.5)机翼的升力、风力发电机风轮转动的力矩>5％。
(2)本发明前弯后翘翼弦叶片，能提高船舶螺旋桨和风力发电机风轮的输出功率>5％。
(3)本发明前弯后翘翼弦叶片，能提高船舶螺旋桨驱动功率效率>5％。
附图说明
图1是本发明前弯后翘翼弦叶片的设计流程图；
图2是本发明一种大型船用螺旋桨叶片翼弦前弯后翘总体示意图；
图3是本发明一种大型船用螺旋桨叶片0.25R翼型翼弦前弯后翘示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合船用螺旋桨和附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
所述的前弯后翘翼弦叶片，如附图1所示，首先选取世界先进的常规螺旋桨，作为性能设计基础；然后了解叶片直径，转速，相关翼型弦长，流体攻角等参数；优化前弯和后翘的范围，优化相关翼弦前弯后翘参数，按参数绘制相关翼型翼弦研发图，模型试验功效参数，实物研发，功效实测。具体设计如下：
步骤一、选择世界常规船用先进螺旋桨，在其一片叶片半径R上标出：0.2R、0.25R、0.3R、0.4R到1.0R翼型翼弦的位置，并查到各翼弦的长度值，与流速的攻角。
0.2R、0.25R、0.3R、0.4R到1.0R翼型翼弦的位置，如图2所示。
步骤二、优选前缘小于0.5R的翼型至翼根的翼弦为前弯段；后缘小于0.7R的翼型至翼根的翼弦为后翘段。
步骤三、确定每个截面翼型翼弦前缘(导边)前弯参数和后缘(随边)后翘参数。
前弯参数包括：前弯翼弦长度L1，前弯角度α1和曲率半径
Figure BDA0002524634670000031
后翘参数包括：后翘翼弦长度L2，后翘角度α2和曲率半径
Figure BDA0002524634670000032
步骤四、分别设计前弯角度α1，前弯翼弦长L1和曲率半径R1随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R和0.5R的前弯数据变化表；同理，设计对后翘翼弦长度L2，后翘角度α2和曲率半径R2随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R，0.5R，0.6R和0.7R的后翘数据变化表。
对每个翼型，L1取值为5～30％弦长；α1取值小于攻角。曲率半径R1按前述公式求出
对每个翼型，L2值为5～25％弦长；α2取值与攻角相当。曲率半径R2由公式算出。
步骤五、根据数据变化表分别设计翼型表面前弯后翘设计图。
具体设计方法如下：
如图3所示，以半径为0.25R的翼型为例，虚线是翼弦前弯后翘前翼型部分轮廓线；全实线是翼弦前弯后翘后翼型轮廓线。
从前弯数据表选取0.25R翼弦一组数据，从翼弦前端开始找到长度等于L1的点A，在A点向迎流面作垂线；从A点开始在垂线上找到长度等于R1的点；以该点为圆心，以R1为半径向翼弦前端方向画与翼弦切线弧，转过角度α1为11.8°时弧长为L1。
同理，继续选取0.3R翼弦对应的前弯数据，前弯角度α1和前弯翼弦长度L1和半径R1。以此类推，最终得到翼弦叶片在各个半径翼弦的前弯图。
如图3所示，从后翘数据变化表中选取0.25R翼弦一组数据，在翼弦尾端开始找到长度等于L2的点B，在B点向背流面作垂线；从B点开始在垂线上找到长度等于R2的点；以该点为圆心，以R2为半径向翼弦尾端方向画与翼弦切线弧，该转角α2为17.8°时弧长为L2。
同理，继续选取0.3R翼弦对应的后翘数据，得到后翘角度α2和后翘翼弦长度L2及半径R2。以此类推，最终得到翼弦叶片在各个半径处翼弦的后翘图。
本发明是在现有的最先进常规螺旋桨(船用、无人机)和风力发电机风轮的基础上，进行叶片翼弦前弯后翘增效全新设计。为稳妥起见，应先进行模型试验。船用螺旋桨进行桨模敝水试验；无人机螺旋桨进行试飞试验；风力发电机叶片最好先在小风机上试验；飞机机翼先进行风洞吹风试验；而后再进行全尺寸研发为宜。
本发明在叶片靠近根部翼弦前缘(导边)向迎流面前弯，在翼型后缘(随边)向背流面后翘(后弯)。这样做增加了流量，增加了推力(拉力)，增加了输出功率，减小了输入转动功率，能提高推力、拉力等大于5％，提高功率效率大于5％。
步骤六、由于翼弦前弯后翘，对引起的翼型本身轮廊变化作相应圆滑处理；各前弯后翘翼型之间也应圆滑处理。
本发明其他说明
a.本发明设计的前弯后翘翼弦叶片，加强了叶片刚度，延长了叶片寿命；减少了船用螺旋桨空泡产生；增加了可靠性；利于轮船倒车。
b.能促进效率更高的仿生“风力发电自适应风叶”专利(ZL2012 1 0088 957.7)的应用。
c.可应用材料不变；加工设备可不变；成本基本不变，功效增加。

Claims (1)

1.一种前弯后翘翼弦叶片，其设计特征在于：
步骤一、在现有先进的常规螺旋桨叶片上，分别画出半径R在0.2R、0.25R、0.3R到1.0R的翼型位置；
步骤二、选择前缘小于0.5R的翼型至翼根的翼弦前弯，后缘小于0.7R的翼型至翼根的翼弦后翘；
步骤三、确定每个截面翼型翼弦前缘即导边的前弯参数和后缘即随边的后翘参数；
前弯参数包括：前弯翼弦长度L1；前弯角度α1和前弯的曲率半径
Figure FDA0003937827010000011
后翘参数包括：后翘翼弦长度L2；后翘角度α2和曲率半径
Figure FDA0003937827010000012
步骤四、分别设计前弯角度α1，前弯翼弦长度L1和曲率半径R1随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R和0.5R的前弯数据变化表；同理，设计对后翘翼弦长度L2，后翘角度α2和曲率半径R2随半径0.2R、0.25R、0.3R、0.4R，0.5R，0.6R和0.7R的后翘数据变化表；
对每个翼型，L1取值为5～30％弦长；α1取值小于攻角，曲率半径R1按前述公式求出；
对每个翼型，L2取值为5～25％弦长；α2取值与攻角相当，曲率半径R2由公式算出；
步骤五、根据每个翼型翼弦数据变化表分别画出前弯后翘图；
前弯后翘图具体设计方法如下：
前弯图：从翼弦前端开始找到长度等于L1的点A；在A点向迎流面作垂线；从A点开始在垂线上找到长度等于R1的点；以该点为圆心，以R1为半径向翼弦前端方向画与翼弦切线弧，该弧转过角度为α1，相应弧长为L1；
后翘图：在翼弦尾端开始找到长度等于L2的点B，在B点向背流面作垂线；从B点开始在垂线上找到长度等于R2的点；以该点为圆心，以R2为半径向翼弦尾端方向画与翼弦切线弧，该弧转角为α2，弧长为L2；
用同样方法做出其他相应翼弦前弯后翘图；
步骤六、由于翼弦前弯后翘，对引起的翼型轮廊变化作相应圆滑处理。
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