無人機(jī)概念設(shè)計(jì)中活塞發(fā)動機(jī)的選擇與螺旋配置

由于發(fā)動機(jī)質(zhì)量輕、體積小、油耗低、低速時(shí)通風(fēng)量大、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于低速和中高飛機(jī)?，F(xiàn)在使用中的活塞式發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器組合,可使無人機(jī)的升限達(dá)到11km。世界上已知的大量的無人機(jī)都使用活塞發(fā)動機(jī)及螺旋槳作為動力,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1?；钊l(fā)動機(jī)飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行動力裝置的選擇,主要包括活塞發(fā)動機(jī)功率的選擇及螺旋槳直徑的選擇,由于活塞發(fā)動機(jī)是20世紀(jì)50年代左右就成熟的技術(shù),在以后沒有太多的發(fā)展,所以只要發(fā)動機(jī)的功率選定,就可以在成熟的活塞發(fā)動機(jī)中進(jìn)行選擇。本文介紹了在概念設(shè)計(jì)階段發(fā)動機(jī)及螺旋槳選擇的方法,主要利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,方法簡便實(shí)用。1飛行高度對功率的影響發(fā)動機(jī)功率可主要考慮飛機(jī)平飛時(shí)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為推力,kN;N為功率,kw;G為質(zhì)量,kg;K為升阻比;V為飛行速度,m/s;η為螺旋槳效率。巡航時(shí)的螺旋槳效率可以初選為0.7。發(fā)動機(jī)功率隨飛機(jī)高度變化可采用經(jīng)驗(yàn)公式(3)計(jì)算得到,其中H為計(jì)算高度,0為地面狀態(tài)。NH=N0(1.11PHP0THT0???√?0.11)(3)ΝΗ=Ν0(1.11ΡΗΡ0ΤΗΤ0-0.11)(3)式中:P為大氣壓力,N/m2;T為大氣溫度,K。如果是采用渦輪增壓的活塞發(fā)動機(jī),在臨界高度以下,發(fā)動機(jī)功率隨高度幾乎不變。巡航時(shí)發(fā)動機(jī)的功率最大可用到最大連續(xù)狀態(tài),因?yàn)榘l(fā)動機(jī)最大功率的工作時(shí)間受限,多為幾分鐘,所以不能作為巡航狀態(tài)的選擇,最大狀態(tài)的功率約為最大連續(xù)狀態(tài)功率的1.15倍。統(tǒng)計(jì)了一些活塞發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表2。2螺母直徑的選擇(1)槳尖速度的影響螺旋槳直徑選擇要遵循的原則是:一般說來,直徑越大效率越高。老的經(jīng)驗(yàn)方法是“使槳葉盡可能的長”,但槳葉的長度要受到槳尖速度的限制,槳尖的速度應(yīng)保持低于聲速。螺旋槳槳尖速度通過空氣按螺旋軌跡運(yùn)動。槳尖速度是旋轉(zhuǎn)速度和飛機(jī)前進(jìn)速度的矢量和,如式(4)所定義。V尖=(πnD)2+v2??????????√(4)=(πnD)2+v2(4)式中:n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,r;D為螺旋槳直徑,m。在海平面金屬螺旋槳的槳尖速度不超過290m/s,對于一個(gè)厚的木質(zhì)螺旋槳應(yīng)保證槳尖速度不超過260m/s。如果考慮噪聲則應(yīng)該保證無論是金屬的還是木質(zhì)的螺旋槳的槳尖速度不超過213m/s。(2)確定非槳葉螺旋的d式(3)和式(4)給出了以功率為函數(shù)的螺旋槳直徑近似計(jì)算方法。兩葉螺旋槳D=0.6N??√4(5)D=0.6Ν4(5)三葉螺旋槳D=0.5N??√4(6)D=0.5Ν4(6)從這些方程得出的螺旋槳直徑與從考慮槳尖速度得出的最大直徑相比較,選較小的作為初期布置。3靜推力的計(jì)算螺旋槳的特性以系數(shù)的形式如式(7)～式(11)。進(jìn)距比J=VnD(7)J=VnD(7)功率系數(shù)cp=Nρn3D5(8)cp=Νρn3D5(8)拉力系數(shù)cT=Tρn2D4(9)cΤ=Τρn2D4(9)螺旋槳效率η=TVN(10)η=ΤVΝ(10)靜止時(shí)的推力T=cTNcpnD(11)Τ=cΤΝcpnD(11)靜推力用來克服飛機(jī)起動時(shí)地面的摩擦力。飛行中的推力通過計(jì)算J和cp,通過圖1可查得螺旋槳效率。靜止時(shí)的靜推力可通過計(jì)算得到cp,通過圖2查得cT/cp計(jì)算得到。圖1和圖2中所示的靜態(tài)和向前飛行的螺旋槳曲線,表示的是設(shè)計(jì)升力系數(shù)為0.5,有效因子(用來度量被螺旋槳吸收的功率量級的)為100的三葉螺旋槳。對于兩葉螺旋槳,向前飛行效率比圖1所示的要好約3%,但靜態(tài)推力比圖2所示的小5%。對于四葉螺旋槳?jiǎng)t是相反的趨勢。通過上述方法可以估算出所選的發(fā)動機(jī)及螺旋槳能否滿足飛機(jī)的性能要求,具體的發(fā)動機(jī)性能及螺旋槳性能在選擇了具體的產(chǎn)品后,廠家能提供具體的性能數(shù)據(jù)。4發(fā)動機(jī)與槳葉的匹配應(yīng)用上述方法進(jìn)行了某型無人機(jī)動力的初步選擇,計(jì)算過程敘述如下。某型無人機(jī)的設(shè)計(jì)起飛質(zhì)量1000kg,飛機(jī)的巡航速度200km/h,巡航高度為5km,巡航時(shí)的升阻比為15。如果沒有采用渦輪增壓技術(shù),則5km處的發(fā)動機(jī)功率僅為地面時(shí)的0.448倍,所以可以考慮具有渦輪增壓技術(shù)的活塞發(fā)動機(jī)。初步估算所需活塞發(fā)動機(jī)的最大連續(xù)功率為53kw,則發(fā)動機(jī)的最大功率為61kw,所以,可以選擇最大功率為70kw的發(fā)動機(jī)。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),奧地利產(chǎn)ROTAX914發(fā)動機(jī)的最大功率為84.5kw,帶渦輪增壓可以滿足巡航的性能要求。發(fā)動機(jī)選定之后可以進(jìn)行螺旋槳的選擇,此發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為5800r,發(fā)動機(jī)與螺旋槳之間的傳動比為2.43,則通過槳尖速度的限制可以計(jì)算得到槳的直徑應(yīng)小于2.02m,初步選定使用三葉螺旋槳,考慮發(fā)動機(jī)功率對螺旋槳的要求算得螺旋槳的直徑不能大于1.52m,所以最后取螺旋槳的直徑為1.5m。發(fā)動機(jī)與螺旋槳匹配后可以初估所能提供的性能。發(fā)動機(jī)的最大連續(xù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)速為5500r,J=0.98,cp=0.33,則可查得螺旋槳效率0.65,得到巡航推力為860.5N,可以滿足巡