多飞行状态倾转旋翼气动优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29024

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多飞行状态倾转旋翼气动优化设计

王宗辉¹^,², 杨云军¹(), 赵弘睿¹, 王雪晨²

^1.中国航天空气动力技术研究院第一研究所，北京 100074
^2.航天彩虹无人机股份有限公司无人机总体技术部，北京 100074

收稿日期:2023-05-22 修回日期:2023-06-28 接受日期:2023-07-10 出版日期:2024-05-15 发布日期:2023-07-17
通讯作者: 杨云军 E-mail:yangyj1998@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(U21B2054)

Aerodynamic optimization design of tiltrotor under multiple flight conditions

Zonghui WANG¹^,², Yunjun YANG¹(), Hongrui ZHAO¹, Xuechen WANG²

^1.The First Research Institute，China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China
^2.UAV General Technology Department，Aerospace CH UAV Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100074，China

Received:2023-05-22 Revised:2023-06-28 Accepted:2023-07-10 Online:2024-05-15 Published:2023-07-17
Contact: Yunjun YANG E-mail:yangyj1998@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U21B2054)

摘要/Abstract

摘要：

基于动量叶素理论建立了涵盖悬停、倾斜前飞和高速巡航多飞行状态倾转旋翼气动性能计算模型，将计算模型配合NSGA-II多目标遗传算法（NSGA-II），以倾转旋翼悬停、倾斜前飞和高速巡航飞行效率为优化目标，桨叶翼型展向分布、弦长和扭转角等参数为优化变量，设计了一款倾转旋翼。采用由经典的分离涡模拟方法（DES）改进得到的延迟分离涡模拟方法（DDES）对旋翼流场进行模拟仿真，捕获了较高精度的流场尾迹，分析了倾转旋翼流场的诱导速度分布，同时验证了动量叶素理论计算模型具有较高准确性和可信度。计算结果表明，同样飞行工况下，相较于原参考倾转旋翼模型，悬停效率从71.78%提高到75.34%，巡航效率从62.93%提高到71.32%。

关键词: 倾转旋翼, 动量叶素理论, NSGA-II算法, 飞行效率, 延迟分离涡模拟

Abstract:

A calculation model for the aerodynamic performance of tiltrotors was established based on the blade element momentum theory. The calculation model was combined with the NSGA-II multi-objective genetic algorithm to optimize the efficiency of the tiltrotor in hover， tilt forward flight， and high-speed cruise flight conditions. Parameters such as blade airfoil selection distribution， chord length and twist angle were used as optimization variables to design a tiltrotor. The rotor flow field was simulated by using the Delayed Detached Eddy Simulation （DDES） method improved from the classical Detached Eddy Simulation （DES）. The flow wake with high accuracy was captured， and the induced velocity distribution of the tiltrotor flow field was analyzed. At the same time， the high accuracy and reliability of the blade element momentum theory theoretical calculation model were verified. The calculation results show that under the same flight conditions， compared with the original tiltrotor model， the hovering efficiency increases from 71.78% to 75.34%， and the cruising efficiency increases from 62.93% to 71.32%.

Key words: tiltrotor, blade element momentum theory, NSGA-II algorithm, flight efficiency, delayed detached eddy simulation

中图分类号:

V211.52

王宗辉, 杨云军, 赵弘睿, 王雪晨. 多飞行状态倾转旋翼气动优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529024-529024.

Zonghui WANG, Yunjun YANG, Hongrui ZHAO, Xuechen WANG. Aerodynamic optimization design of tiltrotor under multiple flight conditions[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(9): 529024-529024.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

表1

悬停与巡航飞行状态验证

模型	拉力 $T$ /N	拉力系数 $C T / 10 - 3$	扭矩 $Q$ /（N·m）	功率系数 $C P / 10 - 3$	悬停效率 $f F M / %$	巡航效率 $η c r u i s e / %$
文献［26］	90 880	7.19	61 541	0.60	72.45
本文模型	90 627	7.17	61 024	0.59	72.73
文献［14］悬停	2 413	8.73	359	0.81	71.03
本文模型	2 394	8.66	344	0.78	73.22
文献［14］巡航	233	1.37	169	0.41		63.11
本文模型	231	1.35	166	0.40		63.59

表1

表2

文献［14］桨叶几何参数

$r / R$	弦长 $c$ /m	扭转角 $θ$ /（°）	翼型
0.20	0.292 5	25.44	xx1-mod
0.50	0.235 5	14.35	过渡翼型
0.75	0.188 0	7.60	过渡翼型
1.00	0.140 4	2.75	xx1

表2

图 5

表3

图 6

图 7

表4

最优个体𝕊桨叶几何参数

$r / R$	弦长 $c$ /m	扭转角 $θ$ /（°）	翼型
0.20	0.328 5	25.99	NACA64118
0.50	0.243 7	16.60	NACA64118
0.75	0.147 8	11.05	OA212
1.00	0.109 8	8.26	OA212

表4

表5

最优个体𝕊飞行效率

悬停

桨距角

$θ 0.75 R$ /（°）

斜飞

桨距角

$θ 0.75 R$ /（°）

巡航

桨距角

$θ 0.75 R$ /（°）

f F M

η 30 °

η c r u i s e

11.05

14.05

23.00

77.41

54.57

73.73

表5

图 8

图 9

图 10

图 11

图12

表6

旋翼力学性能对比

模型	旋翼飞行状态	拉力 $T$ /N	扭矩 $Q$ /（N·m）	功率 $P$ /kW	效率/%
最优个体 $S$ （CFD）	悬停	2 297	314	32.9	75.34
	巡航	245	157	14.3	71.32
	倾斜前飞	1 850	403	36.7	50.34
最优个体 $S$ （BEMT）	悬停	2 389	325	34.0	77.41
	巡航	218	135	12.3	73.73
	倾斜前飞	1 722	301	31.6	54.57
文献［14］（CFD）	悬停	2 502	375	39.2	71.78
文献［14］（CFD）	巡航	253	184	16.8	62.93

表6

图13

图14

参考文献 28

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	悬停	倾斜前飞	高速巡航
飞行高度/km	0	2	2
飞行速度/（m·s^-1）	0	20	41.7
拉力/N	≥2 352	≥1 600	≥147
功率/kW	≤37.7
转速/（r·min^-1）	1 000	1 000	870
效率/%			≥60

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