翼型加厚對槳扇性能的影響研究

摘 要：為研究翼型加厚對槳扇性能的影響，通過兩種不同的加厚方式對槳扇翼型進行加厚，采用NUMECA軟件對加厚前后的對轉槳扇進行三維流場數值模擬，對比加厚前后對轉槳扇的性能變化。結果表明：在同一飛行狀態下，無論是翼型整體加厚，還是只改變翼型最大厚度，對轉槳扇的性能都會下降；相比于整體加厚，只改變最大厚度則性能下降得更多；在不同來流攻角條件下，攻角越大，加厚前后的對轉槳扇性能差值越大。

關鍵詞：對轉槳扇；開式轉子；翼型加厚；氣動性能；數值模擬

中圖分類號：V211.44 文獻標志碼：A 文章編號：1671-5276（2024）04-0076-06

Study on Influence of Airfoil Thickening on Propeller Performance

XU Meng， LI Bo， QIU Yuchen， JIANG Dongchen， XU Yin

（College of Energy and Power，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：In order to study the influence of airfoil thickening on the performance of propeller fan， two different thickening methods were adopted to thicken the propeller fan. NUMECA software was applied to simulate the three-dimensional flow field of the rotor fan before and after thickening， and the performance changes of the rotor fan before and after thickening were compared. The results show that the performance of rotor fan， under the same flight condition， will be decreased whether by overall airfoil thickening or by only changing the maximum airfoil thickness. Compared with the overall thickening， the performance of rotor fan will be decreased more when only changing the maximum airfoil thickness. Under the condition of different angle of attack， the larger the angle of attack， the greater the performance difference of the opposite rotor fan before and after thickening.

Keywords：counterrotating paddle fan; open rotor; airfoil thickening; pneumatic performance; numerical simulation

0 引言

在空氣動力學領域，飛機機翼平行于飛行器對稱面或垂直于前緣的剖面形狀，叫做“翼型”^[1]。隨著航空飛行器的發展，翼型的概念也被推廣到螺旋槳、直升機旋翼等旋轉機械上^[2]。20世紀中期超臨界翼型原理^[3]的發現促使高速螺旋槳翼型快速發展^[4]。美國劉易斯研究中心提出了“槳扇”的概念，NASA在此基礎上研制出SR^[5]高速螺旋槳翼型，隨后漢密爾頓基于SR-3單槳扇設計出了CRP系列對轉槳扇^[6-8]。2022年袁培博等^[9]研究了轉槳扇的直徑等設計參數對其性能的影響?，F如今通過先進的CFD數值模擬軟件可以得到性能最優的螺旋槳型面，但由于結構強度的限制，實際應用中往往不得不對螺旋槳翼型進行加厚操作。

國內外對翼型加厚開展過一些工作，YU等^[10]使用厚度比為翼型弦長4%～20%的NACA翼型，研究了翼型厚度對推力的影響。結果表明對于厚度比大于9.0%的翼型，壓力在推力的產生中起主導作用，黏性力幾乎可以忽略不計。KELLOGG等^[11]在不同雷諾數下研究了翼型厚度對氣動效率的影響。結果表明：在層流條件下，12%厚翼型與2%厚翼型之間的氣動效率相差9%；在湍流條件下，兩者之間相差22%。ASHRAF等^[12]通過數值計算研究了翼型厚度對推力和推進效率的影響。結果表明：對于對稱翼型，在雷諾數為2萬時，增加翼型厚度有利于提高推力和推進效率。BOURISLI等^[13]使用遺傳算法來優化NACA翼型厚度函數使升阻系數最大化。MARKS等^[14]在中等雷諾數低速條件下采用建模方法預測了翼型厚度對機翼自噪聲的影響，研究發現翼型厚度的增加會導致整體聲級的提高，在低迎角時提高幅度最大。國內方面，張佳偉^[15]通過增加風力機翼型厚度，研究了不同攻角時翼型加厚前后的性能變化。結果表明，在大攻角時增加翼型厚度可以擴大翼型的失速范圍。劉雄等^[16]以FFA-W3翼型族為研究對象，發現適當增加后緣厚度對氣動性能的影響不大。高超等^[17]選用了3種不同厚度的翼型，分析了翼型相對厚度對翼型升阻力系數等性能參數的影響。結果表明：在小攻角時，增大翼型厚度會使翼型的升阻力系數減小。任旺等^[18]對變后緣厚度翼型進行了LES數值模擬，分析了后緣厚度變化對噪聲影響的機理。

由上文不難看出，國外對于翼型厚度的研究大多集中在二維翼型或機翼的厚度對氣動性能和噪聲的影響。國內方面的研究以風力機葉片翼型厚度對氣動性能的影響居多。關于翼型加厚對槳扇推進效率等性能參數的影響國內外都很少提及，本文通過對一種對轉槳扇的翼型整體加厚和只改變最大厚度兩種加厚方式，分析了翼型厚度對槳扇氣動性能的影響。

1 研究對象及計算方法

1.1 物理模型

本文研究對象為一種前后級葉片均為8葉的對轉槳扇。槳扇型面參考UCT^[19]的SR-3對轉槳扇設計，自槳扇葉根至葉尖選取了21個截面，每個截面選取不同的弦長和厚度，表1為槳扇的主要設計參數。圖1為對轉槳扇的物理模型（其中黃色為前槳、紫色為后槳），前后級功率比為5∶4，前槳槳距角60.4°、后槳槳距角55.3° （本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者）。

1.2 計算方法

本文采用NUMECA的FINE/Turbo求解器進行數值計算。湍流模型采用Spalart-Allmaras（S-A）模型。在設置邊界條件時，槳扇和輪轂均采用無滑移壁面條件，對轉槳扇旋轉速度為設計點的速度，沿來流方向看，前槳順時針旋轉，后槳逆時針旋轉。計算狀態選取H=10km，P₀=26 499.9Pa，溫度T₀=223.25K，Ma=0.72。

1.3 網格無關性驗證

網格劃分均采用NUMECA公司的網格生成器AutoGrid5生成，遠場網格和對轉槳扇葉片網格如圖2所示。

為了避免網格的疏密程度對仿真結果產生干擾，對數值模型進行網格敏感性分析（圖3）。圖中F代表螺旋槳拉力，N；M_z代表螺旋槳轉距，Nm。從圖3可以看出，當網格量增加到1 200萬后，繼續增大網格數量對計算結果的影響較小。為了減少計算資源和時間，本文所有的計算網格采用1 200萬。

2 計算結果及分析

對于翼型整體加厚和只改變翼型最大厚度這兩種加厚方式，分別選取了3組不同的翼型厚度，5個不同的槳扇轉速以及5個來流攻角，共150個狀態點，分析翼型加厚對槳扇性能的影響規律。

2.1 翼型整體加厚

氣動設計的槳扇型面尾緣最小厚度為0.14mm，縮比為試驗模型大小后槳尖尾緣最小厚度0.01mm。從槳扇結構強度和材料剛度多方面綜合考慮，需要對槳扇型面進行加厚處理，使對轉槳扇全尺寸模型滿足強度要求，全尺寸模型加厚前后數據對比如表2所示。

1）整體加厚參數對比

加厚操作在三維造型軟件CATIA中使用偏移翼型型線的方法完成，這種加厚方式不僅改變翼型整體厚度，翼型的弦長也發生變化。加厚槳扇翼型對比如圖4所示，其中紅色為初始翼型，藍色為偏移之后的翼型。

2）整體加厚對槳扇氣動性能的影響

對整體加厚前后的3組對轉槳扇進行數值模擬，計算結果列于表3。圖5為0°攻角時對轉槳扇的性能參數隨進距比的變化曲線。從圖5（a）可知，隨著翼型的加厚，槳扇的拉力系數逐漸減小，并且進距比越大這種減小趨勢越明顯。以J=3.09為例，槳扇的兩次加厚拉力系數分別下降0.19%、0.87%；J=3.79時，槳扇的兩次加厚拉力系數分別下降4.06%、8.40%。這是因為進距比大意味著槳扇轉速小，相同來流條件下加厚的槳扇迎角更小，導致產生的拉力減小。由圖5（b）可知，大進距比時翼型加厚對功率系數的影響不大，小進距比時翼型加厚功率系數略有上升。由圖5（c）可以看出3種厚度的槳扇推進效率都是隨著進距比的增大，呈現先增大后減小的趨勢，并且在設計進距比J=3.46處取得最高效率。進距比較小時，翼型加厚推進效率下降較小，隨著進距比增大，翼型加厚之后的推進效率η下降幅度逐漸變大。初始型面和偏移量δ=3.45mm的對轉槳扇型面相比，J=3.09時η下降1.88個百分點，J=3.79時效率η下降4.67個百分點。

3）整體加厚對槳扇攻角性能的影響

圖6為10km高空、來流馬赫數為0.72、攻角分別為0°、2°、4°、6°、8° 時對轉槳扇推進效率隨進距比變化曲線。不難看出，對于同一厚度的對轉槳扇，隨著來流攻角的增加，槳扇的效率逐漸下降，以設計點進距比J=3.46為例，對于性能最好的初始型面，隨攻角增加推進效率η依次下降0.68個百分點、0.76個百分點、1.50個百分點、2.3個百分點；同時隨著攻角的增加，加厚型面與初始型面推進效率的差值也隨之增加。以J=3.79為例，2°攻角時，偏移量δ=3.45mm的對轉槳扇型面推進效率η與初始型面相比下降5.06個百分點，4°攻角時推進效率下降5.52個百分點，6°攻角時推進效率下降6.01個百分點，8°攻角時推進效率下降6.51個百分點。這是因為隨著攻角的增加，槳扇的迎角逐漸減小，并且在大攻角時加厚對轉槳扇的后槳葉尖處更容易出現負迎角，產生局部負拉力，導致推進效率急劇下降。

圖7為設計點對轉槳扇在0° 來流攻角下的表面壓力分布云圖。藍色為低壓區，紅色為高壓區。

選取偏移量δ=3.45mm的對轉槳扇型面在相對葉高0.75處做切面，圖8為J=3.79時0.75葉高截面處不同攻角下的壓力分布云圖。從圖中可以看出隨著來流攻角的增加，前槳拉力有增大的趨勢。這是由于水平方向速度分量的減小導致前槳的迎角變大，所以前槳的拉力有小幅度的增加，但同時也影響到了后槳的流場分布，加厚對轉槳扇型面的后槳前緣處在2°攻角時已經產生了局部的負壓區，隨著來流攻角的增加，負壓區越來越大，導致對轉槳扇的推進效率迅速下降。

2.2 改變翼型最大厚度

利用螺旋槳型面生成程序，改變翼型的最大厚度，這種加厚方式與偏移型線的區別在于翼型的弦長保持不變，以初始型面的最大厚度t為基準，分別將最大厚度改為1.25t和1.50t，對比分析對轉槳扇3種不同最大厚度下的性能變化規律。圖9為翼型加厚前后對比圖。

1）最大厚度對槳扇氣動性能的影響

在10km高空、0.72來流馬赫數條件下，對3組不同最大厚度的對轉槳扇進行數值模擬計算，計算結果如表4所示。

圖10為0° 攻角時不同最大厚度對轉槳扇的性能參數隨進距比的變化曲線。由圖10可知，不同最大厚度對轉槳扇的拉力系數和功率系數都隨著進距比的增大逐漸減小。在同一進距比下，隨著翼型最大厚度的增加，拉力系數和功率系數呈現等比例減小的趨勢。這是由于改變翼型的最大厚度時弦長保持不變，加厚的翼型與原翼型不再相似，不能在同一來流狀態下保持最佳的性能。此外，3組最大厚度對轉槳扇的推進效率隨著進距比的增加都呈現先增大后減小的趨勢。對于最大厚度1.25t和1.50t的對轉槳扇來說，雖然翼型不再與初始型面翼型相似，但槳扇的槳葉角沒有發生變化，所以依然能在設計進距比點取得最高效率。

2）最大厚度對槳扇攻角性能的影響

對于3組不同最大厚度的對轉槳扇，在H=10km、P₀=26 499.9Pa、溫度T₀=223.252K、Ma=0.72來流條件下，選取飛行攻角0°、2°、4°、6°、8°，對比分析不同攻角下對轉槳扇的性能參數隨進距比的變化規律。圖11為3組不同最大厚度的對轉槳扇在來流攻角由0° ～ 8°時，對轉槳扇的推進效率隨進距比的變化曲線。由圖可知，隨著進距比的增加，推進效率一直保持先增大后減小的趨勢。當8° 攻角時，1.50t最大厚度的對轉槳扇最高效率點開始向進距比小的方向偏移。這是由于攻角增加，來流速度在軸向的分量減小，導致此時槳扇每個截面處的速度三角形與設計點產生偏差，所以最高效率點對應的進距比發生變化。另外在同一進距比下，不同最大厚度的對轉槳扇推進效率都會隨著飛行攻角的增大逐漸下降。以1.25t最大厚度的對轉槳扇在進距比J=3.46為例，2° 飛行攻角時推進效率η=83.38%，4°攻角時推進效率η=82.55%，6° 攻角時推進效率η=81.65%，8° 攻角時推進效率η=80.72%；并且隨著進距比的增加，不同攻角下加厚前后的對轉槳扇效率差值越來越大。以進距比J=3.79為例，2° 攻角時1.50t最大厚度的對轉槳扇相比于初始t最大厚度的對轉槳扇推進效率下降7.1個百分點，4° 攻角時推進效率下降8.1個百分點，6° 攻角時推進效率下降10.3個百分點，8° 攻角時推進效率下降12.4個百分點。由此可見，改變最大厚度相比于整體加厚性能下降更多。

圖12為3種不同最大厚度的槳扇翼型附近流線圖，可以發現氣流繞流良好，改變翼型最大厚度沒有造成氣流分離。

3 結語

針對兩種不同的翼型加厚方式對槳扇氣動特性的影響做了數值仿真研究，結論如下：

1）對于偏移翼型型線整體加厚的槳扇翼型，加厚之后對轉槳扇的拉力系數在小進距比時小幅下降，大進距比時下降幅度增大，功率系數基本保持不變；推進效率下降明顯，并且進距比越大效率下降越多。隨著來流攻角的增大，加厚前后對轉槳扇的效率差值也變大；

2）對于弦長不變，只改變翼型最大厚度的加厚方式，翼型加厚對轉槳扇的拉力系數和功率系數等比例下降。在0° 攻角時推進效率依然能在設計進距比點取得最大值，但隨著來流攻角增大到8° 時，最高效率點向進距比減小方向移動；

3）兩種翼型加厚方式下對轉槳扇的氣動性能均會變差，但只改變最大厚度與整體加厚相比推進效率會多下降4～6個百分點，因此實際應用時建議采用型線偏移加厚的方式。

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收稿日期：20230109