CN112052528A - 一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于直升机气动设计技术领域，公开了一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法。针对现有直升机型号和下一代直升机型号对低噪声、高性能旋翼日益迫切的需求，制定优化目标，基于以往的工程设计经验和大量的气动布局参数敏感性分析结果确定优化参数及范围，采用基于代理模型和遗传算法的优化方法，进行多轮旋翼气动布局优化迭代设计和计算，获得满足性能要求的新型旋翼气动外形设计方案。

Description

一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法
技术领域
本发明属于直升机气动设计技术领域，特别涉及一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法。
背景技术
桨叶具有多个气动参数，如翼型配置、扭转分布、弦长分布、桨尖形式等，旋翼具有多个设计目标，如悬停飞行状态时的悬停效率、水平前飞状态时的前飞升阻比、斜下降飞行状态的气动噪声等，因此，旋翼桨叶气动布局设计是一个多参数、多目标的优化迭代过程。在旋翼桨叶气动布局优化设计过程中，往往采用人工“海算”的办法进行筛选，针对单一参数或者有限的两三个参数组合进行大量计算，从中选择较优的参数进行固化，再对其它参数进行优选，这种方式不仅工作量大、耗时长，而且考虑不到多个参数之间的相互影响，无法找到最优的参数组合，使最终优选出来的旋翼桨叶气动布局并不是最优的气动外形方案。
发明内容
本发明的目的：以一套新的优化流程设计一种直升机新型旋翼桨叶气动外形，降低旋翼气动噪声的同时提高旋翼的悬停效率及前飞升阻比，满足直升机安静、高性能的需求。
本发明的技术方案：
一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据直升机设计需求，设定旋翼优化目标，给定设计约束；
步骤二：设定桨叶优化设计参数及范围；
步骤三：基于代理模型的优化方法给出样本点；
步骤四：基于桨叶参数化模型给出翼型位置、扭转分布、弦长分布等气动布局参数；
步骤五：生成适用于先进桨叶外形的桨叶网格；
步骤六：进行旋翼流场求解，给出旋翼悬停及前飞性能；
步骤七：以流场计算得到的载荷信息为输入，进行旋翼气动噪声评估，给出旋翼噪声水平；
步骤八：若旋翼气动性能及噪声水平满足指标要求，则停止优化；若不满足指标要求，则以气动性能及噪声水平为响应值，利用优化方法生成新的样本点；重复步骤四～步骤七进行样本点优化迭代。
进一步，所述步骤一中的旋翼优化目标为：旋翼气动性能和气动噪声水平。
进一步，旋翼气动性能包括：典型起飞重量下旋翼的悬停效率、最大巡航速度状态下旋翼的前飞升阻比。
进一步，旋翼气动噪声选取噪声集中区域内的观测点作为降噪目标区域，取该区域的均值为响应值。
进一步，所述桨叶优化设计参数包括：9％厚度翼型径向位置、“零”扭转起始位置、直线前掠起始位置处弦长、直线前掠起始位置、后掠起始位置处弦长、后掠起始位置、桨尖弦长、1.0R处后缘点到水平后缘线的距离、桨尖下反起始位置、下反角度。
进一步，所述桨叶优化设计参数的范围包括：
9％厚度翼型径向位置范围：0.8R～1R；
“零”扭转起始位置范围：0.9R～1R；
直线前掠起始位置处弦长范围：1.03C～1.1C；
直线前掠起始位置范围：0.7R～0.8R；
后掠起始位置处弦长范围：1.1C～1.3C；
后掠起始位置范围：0.83R～0.95R；
桨尖弦长范围：0.333C～0.5C；
1.0R处后缘点到水平后缘线的距离范围：0C～0.5C；
桨尖下反起始位置范围：0.93R～0.97R；
下反角度范围：0°～20°；
其中，R为旋翼半径，C为桨叶相对半径0.25R位置处弦长。
进一步，典型起飞重量下旋翼的悬停效率、最大巡航速度状态下旋翼的前飞升阻比以及气动噪声的优化权重系数分别为：0.25、0.25、0.5。
进一步，所述步骤六中，采用基于RANS主控方程的CFD方法进行旋翼流场求解。
本发明的有益效果：采用CFD数值计算方法对本发明设计的直升机新型旋翼桨叶气动外形方案进行了计算，评估了旋翼气动性能以及噪声水平，结果表明与基准旋翼相比，优化旋翼的气动性能有部分提升，噪声最大降幅可达2dB。
附图说明
图1为旋翼气动噪声集中区域示意图；
图2为种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法流程图；
图3为本发明提出的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有直升机型号和下一代直升机型号对低噪声、高性能旋翼日益迫切的需求，制定优化目标，基于以往的工程设计经验和大量的气动布局参数敏感性分析结果确定优化参数及范围，采用基于代理模型和遗传算法的优化方法，进行多轮旋翼气动布局优化迭代设计和计算，获得满足性能要求的新型旋翼气动外形设计方案。
一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤一：制定优化目标，给定设计约束。
根据直升机型号设计需求，制定旋翼优化目标。以旋翼气动参数和气动噪声为设计目标，旨在提升旋翼气动性能的同时降低旋翼气动噪声水平。旋翼气动参数具体为典型起飞重量下旋翼的悬停效率、最大巡航速度状态下旋翼的前飞升阻比，其中旋翼气动噪声选取噪声集中区域内的观测点作为降噪目标区域，取该区域的均值为响应值，图1给出了旋翼气动噪声集中区域示意图。三个优化目标的权重系数分别取0.25、0.25和0.5。
步骤二：制定桨叶优化设计参数及范围。
根据对基准桨叶设计参数的初步分析，选取10个桨叶外形参数变量进行优化设计：9％厚度翼型径向位置，优化范围为0.8R～1R；“零”扭转起始位置，优化范围为0.9R～1R；
直线前掠起始位置处弦长，优化范围为1.03C～1.1C；直线前掠起始位置，优化范围为0.7R～0.8R；后掠起始位置处弦长，优化范围为1.1C～1.3C；后掠起始位置，优化范围为0.83R～0.95R；桨尖弦长，优化范围为0.333C～0.5C；1.0R处后缘点到水平后缘线的距离，优化范围为0C～0.5C；桨尖下反起始位置，优化范围为0.93R～0.97R；下反角度，优化范围为0°～20°。上述R为旋翼半径，C为桨叶主翼型段起始位置处弦长。
步骤三：基于代理模型的优化方法给出样本点。
步骤四：基于桨叶参数化模型给出翼型位置、扭转分布、弦长分布等气动布局参数，为保证拉力等效实度与基准旋翼一致，对优化方案的弦长进行相应缩放。
步骤五：根据气动布局参数利用生成适用于先进桨叶外形的桨叶网格。
步骤六：根据桨叶网格采用基于RANS主控方程的CFD方法进行旋翼流场求解，得到桨叶表面载荷数据和旋翼悬停效率及前飞升阻比。
步骤七：以旋翼流场计算得到的桨叶表面载荷数据为输入，进行旋翼气动噪声评估，给出旋翼噪声水平。
步骤八：以旋翼气动参数及噪声水平为响应值，利用优化方法生成新的样本点。
步骤九：重复步骤三～步骤八。
步骤十：进行一定量的样本点优化迭代之后，若旋翼气动性能及噪声水平满足指标要求，则停止优化，否则，继续进行优化。
图3给出了本方法设计出的一个直升机新型旋翼桨叶气动外形实施例，具有非常规桨叶形状和三维桨尖。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据直升机设计需求，设定旋翼优化目标；
步骤二：设定桨叶优化设计参数及范围；
步骤三：基于代理模型的优化方法给出样本点；
步骤四：基于桨叶参数化模型给出气动布局参数，所述气动布局参数至少包含：翼型位置、扭转分布、弦长分布；
步骤五：根据气动布局参数生成适用于桨叶外形的桨叶网格；
步骤六：根据生成的桨叶网格进行旋翼流场求解，计算桨叶表面载荷数据和旋翼气动参数；
步骤七：根据旋翼流场计算得到的桨叶表面载荷数据，进行旋翼气动噪声评估，给出旋翼噪声水平；
步骤八：若旋翼气动参数及噪声水平满足优化目标，则停止优化；若不满足指标要求，则以旋翼气动参数及噪声水平为响应值，重复步骤三～步骤七进行样本点优化迭代。
2.根据权利要求1所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：所述步骤一中的旋翼优化目标为：目标旋翼气动参数和目标气动噪声水平。
3.根据权利要求2所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：旋翼气动参数包括：典型起飞重量下旋翼的悬停效率、最大巡航速度状态下旋翼的前飞升阻比。
4.根据权利要求2所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：旋翼气动噪声选取噪声集中区域内的观测点作为降噪目标区域，取该区域的均值为响应值。
5.根据权利要求1所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：
所述桨叶优化设计参数包括：9％厚度翼型径向位置、“零”扭转起始位置、直线前掠起始位置处弦长、直线前掠起始位置、后掠起始位置处弦长、后掠起始位置、桨尖弦长、1.0R处后缘点到水平后缘线的距离、桨尖下反起始位置、下反角度。
6.根据权利要求5所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：所述桨叶优化设计参数的范围包括：
9％厚度翼型径向位置范围：0.8R～1R；
“零”扭转起始位置范围：0.9R～1R；
直线前掠起始位置处弦长范围：1.03C～1.1C；
直线前掠起始位置范围：0.7R～0.8R；
后掠起始位置处弦长范围：1.1C～1.3C；
后掠起始位置范围：0.83R～0.95R；
桨尖弦长范围：0.333C～0.5C；
1.0R处后缘点到水平后缘线的距离范围：0C～0.5C；
桨尖下反起始位置范围：0.93R～0.97R；
下反角度范围：0°～20°；
其中，R为旋翼半径，C为桨叶相对半径0.25R位置处弦长。
7.根据权利要求3所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：典型起飞重量下旋翼的悬停效率、最大巡航速度状态下旋翼的前飞升阻比以及气动噪声的优化权重系数分别为：0.25、0.25、0.5。
8.根据权利要求1所述的一种直升机新型旋翼桨叶气动外形设计方法，其特征在于：所述步骤六中，采用基于RANS主控方程的CFD方法进行旋翼流场求解。
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