无人机概念设计中活塞发动机的选择与螺旋配置

无人机概念设计中活塞发动机的选择与螺旋配置

由于发动机质量轻、体积小、油耗低、低速时通风量大、降低成本等优点，已广泛用于低速和中高飞机。现在使用中的活塞式发动机与涡轮增压器组合,可使无人机的升限达到11km。世界上已知的大量的无人机都使用活塞发动机及螺旋桨作为动力,统计结果见表1。活塞发动机飞机设计时进行动力装置的选择,主要包括活塞发动机功率的选择及螺旋桨直径的选择,由于活塞发动机是20世纪50年代左右就成熟的技术,在以后没有太多的发展,所以只要发动机的功率选定,就可以在成熟的活塞发动机中进行选择。本文介绍了在概念设计阶段发动机及螺旋桨选择的方法,主要利用经验公式进行估算,方法简便实用。1飞行高度对功率的影响发动机功率可主要考虑飞机平飞时的需用功率。巡航所需推力:T=NηV=GK(1)Τ=ΝηV=GΚ(1)所需功率:N=GVηK(2)Ν=GVηΚ(2)式中:T为推力,kN;N为功率,kw;G为质量,kg;K为升阻比;V为飞行速度,m/s;η为螺旋桨效率。巡航时的螺旋桨效率可以初选为0.7。发动机功率随飞机高度变化可采用经验公式(3)计算得到,其中H为计算高度,0为地面状态。NH=N0(1.11PHP0THT0−−−√−0.11)(3)ΝΗ=Ν0(1.11ΡΗΡ0ΤΗΤ0-0.11)(3)式中:P为大气压力,N/m2;T为大气温度,K。如果是采用涡轮增压的活塞发动机,在临界高度以下,发动机功率随高度几乎不变。巡航时发动机的功率最大可用到最大连续状态,因为发动机最大功率的工作时间受限,多为几分钟,所以不能作为巡航状态的选择,最大状态的功率约为最大连续状态功率的1.15倍。统计了一些活塞发动机的主要技术数据见表2。2螺母直径的选择(1)桨尖速度的影响螺旋桨直径选择要遵循的原则是:一般说来,直径越大效率越高。老的经验方法是“使桨叶尽可能的长”,但桨叶的长度要受到桨尖速度的限制,桨尖的速度应保持低于声速。螺旋桨桨尖速度通过空气按螺旋轨迹运动。桨尖速度是旋转速度和飞机前进速度的矢量和,如式(4)所定义。V尖=(πnD)2+v2−−−−−−−−−−√(4)=(πnD)2+v2(4)式中:n为螺旋桨转速,r;D为螺旋桨直径,m。在海平面金属螺旋桨的桨尖速度不超过290m/s,对于一个厚的木质螺旋桨应保证桨尖速度不超过260m/s。如果考虑噪声则应该保证无论是金属的还是木质的螺旋桨的桨尖速度不超过213m/s。(2)确定非桨叶螺旋的d式(3)和式(4)给出了以功率为函数的螺旋桨直径近似计算方法。两叶螺旋桨D=0.6N−−√4(5)D=0.6Ν4(5)三叶螺旋桨D=0.5N−−√4(6)D=0.5Ν4(6)从这些方程得出的螺旋桨直径与从考虑桨尖速度得出的最大直径相比较,选较小的作为初期布置。3静推力的计算螺旋桨的特性以系数的形式如式(7)～式(11)。进距比J=VnD(7)J=VnD(7)功率系数cp=Nρn3D5(8)cp=Νρn3D5(8)拉力系数cT=Tρn2D4(9)cΤ=Τρn2D4(9)螺旋桨效率η=TVN(10)η=ΤVΝ(10)静止时的推力T=cTNcpnD(11)Τ=cΤΝcpnD(11)静推力用来克服飞机起动时地面的摩擦力。飞行中的推力通过计算J和cp,通过图1可查得螺旋桨效率。静止时的静推力可通过计算得到cp,通过图2查得cT/cp计算得到。图1和图2中所示的静态和向前飞行的螺旋桨曲线,表示的是设计升力系数为0.5,有效因子(用来度量被螺旋桨吸收的功率量级的)为100的三叶螺旋桨。对于两叶螺旋桨,向前飞行效率比图1所示的要好约3%,但静态推力比图2所示的小5%。对于四叶螺旋桨则是相反的趋势。通过上述方法可以估算出所选的发动机及螺旋桨能否满足飞机的性能要求,具体的发动机性能及螺旋桨性能在选择了具体的产品后,厂家能提供具体的性能数据。4发动机与桨叶的匹配应用上述方法进行了某型无人机动力的初步选择,计算过程叙述如下。某型无人机的设计起飞质量1000kg,飞机的巡航速度200km/h,巡航高度为5km,巡航时的升阻比为15。如果没有采用涡轮增压技术,则5km处的发动机功率仅为地面时的0.448倍,所以可以考虑具有涡轮增压技术的活塞发动机。初步估算所需活塞发动机的最大连续功率为53kw,则发动机的最大功率为61kw,所以,可以选择最大功率为70kw的发动机。通过统计发现,奥地利产ROTAX914发动机的最大功率为84.5kw,带涡轮增压可以满足巡航的性能要求。发动机选定之后可以进行螺旋桨的选择,此发动机的最大转速为5800r,发动机与螺旋桨之间的传动比为2.43,则通过桨尖速度的限制可以计算得到桨的直径应小于2.02m,初步选定使用三叶螺旋桨,考虑发动机功率对螺旋桨的要求算得螺旋桨的直径不能大于1.52m,所以最后取螺旋桨的直径为1.5m。发动机与螺旋桨匹配后可以初估所能提供的性能。发动机的最大连续状态的转速为5500r,J=0.98,cp=0.33,则可查得螺旋桨效率0.65,得到巡航推力为860.5N,可以满足巡