涡桨飞机风洞试验动力模拟器的空气涡轮初步设计

发布时间：2020-08-05 16:30

【摘要】：传统的风洞试验一般为静态试验,即试验模型本身不带动力。为了研究飞机涡桨动力影响,尤其是螺旋桨滑流影响,必须进行动态试验,即螺旋桨动力模拟风洞试验。涡桨动力模拟器体积小,能量密度高,相比于传统的螺旋桨驱动电机,能提供更大输出功率,可以作为涡桨飞机风洞试验螺旋桨的重要动力来源,具有重要的工程应用意义。空气涡轮的设计是涡桨动力模拟器研制的核心内容。本文针对国内涡桨动力模拟器的自主研制需求的急迫性,进行了相关技术开发工作,完成了一款200kW动力模拟器中空气涡轮的初步气动设计,主要完成的工作有:(1)使用NUMECA软件对法国风洞试验用的某六级空气涡轮开展数值计算精度校核,研究网格节点数量级和湍流模型的影响。通过精度校核,可以说明使用NUMECA软件进行该空气涡轮设计和计算时,采用S-A模型,140万的单级网格数量量级能够得到较为可靠的计算结果,并能准确反映其气流运动特性。(2)开展六级空气涡轮一维气动设计、二维设计和叶片三维造型,并进行参数修正和优化。(3)使用NUMECA软件对六级空气涡轮进行数值模拟,验证是否达到设计目标。最后将得到的计算结果与参考空气涡轮的试验参数进行对比,并分析在设定环境和工况下该空气涡轮的流场特性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.74
【图文】：

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1.1 研究背景及意义1.1.1 概述涡桨飞机的推进原理与传统活塞式螺旋桨飞机大致相同，均通过螺旋桨来带动飞机前进，不同的是传统活塞式螺旋桨飞机的动力一般由活塞式发动机提供，而涡桨飞机的动力则由涡桨发动机提供[1]。由于对速度要求不高，小型民用支线客机、通用运输机和军用海上巡逻机、反潜机、预警机等常采用涡桨发动机提供动力，如图 1.1。P-3C 反潜机空警 200 预警机

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运 8、运 9 等型号作为多用途使用平台仍在不断进行改进[6]。因此，涡桨飞机的持续发展必然推动设计工作的提前展开。飞机设计过程中，对其气动特性的研究常用三大手段：理论研究、风洞试验、飞行试验。由于飞行试验成本高昂、风险巨大，主要用于最终验证，在飞机设计阶段无法采用；理论研究一般与数值计算相结合，主要运用在初步设计环节中；而风洞试验负责对设计结果进行验证，并对理论研究的缺陷进行有效的补充，其结论将作为飞机设计的重要依据，是整个飞机设计中必不可少的一环，可以说没有进行风洞试验就没有新型飞机上天[7]。在常规的风洞试验中，一般采用无动力的模型开展静态试验。而在真实环境中，飞机本身不仅与来流有一定的相对速度，且动力系统也会对飞机有一定的气动影响。因此为更真实研究飞机的气动特性，发展了一系列模拟试验手段来研究动力系统对飞机影响，这种试验被成为动力模拟风洞试验。比如针对涡扇飞机模型主要发展了带通气短舱和带引射器的进气模拟试验，针对涡桨飞机模型发展了电机驱动螺旋桨动力模拟试验等，如图 1.2。但随着飞机动力系统的不断进步，常规的动力模拟试验手段和设备已不能满足风洞试验的需求。尤其是涡桨发动机功率逐步增大，传统的电机驱动螺旋桨动力模拟试验受限于电机功率和尺寸，已经越来越不能准确模拟其工作特性，导致其试验水平严重受限。

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涡桨飞机风洞试验动力模拟装置空气涡轮的初步设计如图 1.4 所示，世界最先进的欧洲 DNW-LLF 风洞配套的 AAT0017 涡桨动力模拟器，功率达到 224kW，并建立了完整的试验平台，完成了 E-2D、A400M 等型号飞机的螺旋桨动力模拟试验，能够准确模拟飞机螺旋桨在全飞行速域下的滑流特性[13]。图 1.4AAT0017 涡桨动力模拟器动力模拟器结构简图如图 1.5 所示，主要由空气涡轮（含静子叶片）、输出轴、蜗壳和润滑油路等部分组成[14]。

【参考文献】