有涵道和无涵道的螺旋桨性能对比

随着市场的成熟和运营时间的增加，不同设计要求的相对重要性可能会发生变化。拥有准确的模型来预测涵道配置的权衡，对于指导下一代AAM整机的设计很重要。具体而言，需要模型来捕捉涵道空气动力学、涵道声传播和散射以及涵道中声学衬里的影响。虽然有一些模型和数据可用，特别是20世纪60年代的空气动力学数据，但通常缺乏包括涵道中声学衬里在内的相关涵道配置的高质量声学数据。已经有很多工作来表征和改善大型涡扇飞机衬里的声学性能，但尚不清楚这些数据和模型是否适用于具有较短涵道、较低实度螺旋桨和较低叶尖速度的AAM飞行器。在具有过渡飞行条件的AAM飞行器上，较低的马赫数、非轴向流入也将比传统涡扇飞机更重要。

因此，需要通过测试的方法来对比有和无涵道的螺旋桨在空气动力学和声学特性上的差异。

从空气动力学性能的角度来看，在悬停条件下，涵道螺旋桨配置比孤立螺旋桨配置产生更多的单位功率推力（功率负载）。这是因为螺旋桨叶片旋转产生的诱导流涵道道表面产生压力差，导致涵道本身产生推力。这种行为是使用动量理论和DFDC有效建模的。然而人们发现，螺旋桨需要在涵道存在的情况下以更快的转速运行，以匹配开放式螺旋桨的推力条件。具体而言，分析的数据点显示，在涵道存在的情况下，推进器的转速需要增加4.6%，以匹配孤立的推进器推力。对于低速轴向流入条件，发现涵道螺旋桨的性能比开发螺旋桨差得多。这是由于涵道表面自由流产生的大量阻力。因此，螺旋桨需要以16.5%的速度运行，以匹配孤立螺旋桨产生的推力。

对于悬停和低速轴向入流两种配置之间的共同推力产生，发现涵道螺旋桨在几乎所有观察者位置的总体噪声水平都高于孤立螺旋桨。在悬停状态下，这主要是由于BPF谐波的增加和宽带噪声的增加。目前尚不清楚激发较高BPF谐波的确切原因，但据信它们与涵道存在产生的复杂散射声场有关。宽带噪声的增加被认为与沿内喊道表面与螺旋桨叶片尖端相互作用的分离流有关。对于低速轴向流入条件，噪声的增加主要是由于BPF高次谐波增强效应，而仅是由于宽带噪声水平的增加。涵道螺旋桨所需转速的额外增加，以匹配孤立螺旋桨的推力，这在一定程度上导致了音调振幅的增加。

虽然在某些运行条件下观察到涵道螺旋桨系统的噪声水平较高，气动性能较差，但需要进行额外的工作。例如，研究中使用的涵道设计是基于参考材料的第一次通过，适用于更大的推进器平台，可以进行改进。此外，对于孤立和涵道配置使用共同的最佳悬停旋翼设计可能不是合适的叶片几何形状选择。可以设计一个独特的螺旋桨，或者更合适的是风扇组件，以匹配开放式螺旋桨系统的推力条件和实度，以便进行更适当的比较。额外的设计工作可能包括将定子叶片结合到涵道风扇组件中，以及沿涵道内表面设置声学衬里以抑制辐射噪声。

参考资料：VTOL圈动态，eVTOL螺旋桨技术资料包更新

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