(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111399274.9 (22)申请日 2021.11.19 (71)申请人 湖北航天 飞行器研究所 地址 430000 湖北省武汉市东西湖区金山 大道9号 (72)发明人 裴家涛　黄晓龙　李康伟　周子鸣　 张达　张华君　刘青　许铠通　 (74)专利代理 机构 武汉智汇为专利代理事务所 (普通合伙) 42235 代理人 李恭渝 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种电动推进螺 旋桨的快速设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种电动推进螺旋桨的快速设 计方法， 包括步骤： S1： 明确电动推进无人机总体 设计技术要求； S2： 确定螺旋桨设计额定转速ω 及设计直径D； S3： 确定翼型配置； S4： 采用统计 经 验的方法初步确定弦长分布b(x)； S5： 确定扭转 β(x)分布； S6： 螺旋桨性能的评估； S7： 判断计算 推力T与设计需用推力Tdesign关系； S8： 计算能量 消耗； 本发 明的推进螺旋桨设计无需复杂的三维 外形优化， 输入只需要少许的总体设计参数， 即 可满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺 旋桨设计精度要求， 达到了快速评估的需求。 通 过验证计算， 证明了此设计方法不仅计算精度可 靠， 而且大大缩短了螺旋桨的设计周 期， 满足电 动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速 设计及精度需求。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 114139279 A 2022.03.04 CN 114139279 A 1.一种电动推进螺 旋桨的快速设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1： 明确电动推进无人机总体设计技术要求， 包括设计高度H、 需用推力Tdesign、 巡航速 度V、 巡航效率 η和尺寸约束； S2： 确定螺旋桨设计额定转速 ω及设计直径D； S3： 确定翼型配置； S4： 确定弦长b(x)分布； 采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)； S5： 确定扭转β(x)分布； 利用动量理论， 只考虑轴向诱导速度， 初步确定诱导速度vd分布， 根据叶素速度多 边形， 计算出螺旋桨的来流角 根据已配置的翼型， 结合工作雷诺数Re和马赫数Ma， 经XFoil确 定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt， 根据叶素速度多边形， 可得到叶素剖面的安装角β (x)分布； S6： 螺旋桨性能的评估； 依据片条理论对螺旋桨进行建模分析， 根据叶素速度多边形、 环量理论和径向动量理 论， 迭代得到诱导速度的分布， 对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT及功率系数CP， 然后可得到螺旋桨的推力T和功率P， 最终计算得到 螺旋桨巡航效率 η； S7： 判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系； 当计算推力T大于设计需用推力Tdesign时， 初步满足设计要求， 执行下一步， 反之， 可改 变设计直径、 翼型配置或其 他设计参数， 继续执 行步骤S2及后续 步骤； S8： 计算能量消耗； 根据总体设计要求巡航时间t， 结合巡航所需的功率P及电池的比能量e， 可计算出巡航 所需的最小电池重量 W； 判断W是否满足总体初步设计重量分配电池所允许的重量Wb， 若满足， 则 此螺旋桨设计 初步方案满足设计要求， 若不满足， 继续改变设计参数， 继续执 行步骤S2及后续 步骤。 2.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S2中， 螺旋桨设计额定转速ω与设计直径D的确 定用桨尖速度Vtip来表征， 设计的桨尖速度 不大于0.75马赫， 即： 式中： a为当地的音速， V为巡航速度。 3.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S3中， 翼型配置采用三段翼型， 桨叶半径为R， 在桨根0.2R～0.5R处将采用厚翼型； 在内段 0.5R～0.75R将采用高升力翼型； 在桨根0.75R～R将采用薄翼型。 4.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S4中， 利用NASA统计经验规 律， 得到桨叶的相对弦长分布 如下： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114139279 A 2式中： x为桨叶位置的无量纲化 量。 5.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S5中， 确定扭转β(x)分布的具体方法为： 利用动量理论， 只考虑轴向诱 导速度， 初步确定诱 导速度vd分布： 式中： ρ 为空气密度； 根据叶素速度多边形， 计算出螺 旋桨的来 流角 当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大所对应的迎角时， 整个桨叶的能量损失最 小， 巡航效率η最大， 因此设计计算时， 根据已配置的翼型， 结合工作雷诺数Re和马赫数Ma， 经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt， 根据叶素速度多边形， 可得到叶素剖面 的安装角 β(x)分布为： 6.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S5中， 螺旋桨性能的评估具体方法为： 依据片条理论对螺 旋桨进行建模分析， 根据叶素速度多边形， 叶素合速度VE： 式中： λ为入流比； 依据环量理论， 叶素环量Γ与弦长b、 翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系： 依据径向动量理论， 并考虑桨尖损失， 引入Prandtl 修正因子F， 可 得到径向诱 导速度wt： 式中： B为桨叶片数， 为桨尖安装角， r为桨叶位置； 根据叶素速度多边形， 可得到来流角 径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系 如下： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114139279 A 3