直升机空气动力学-前飞理论介绍

南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第四章前飞时旋翼桨叶的工作原理1.旋翼和桨叶的相对气流2.桨叶的挥舞运动3.桨叶的摆振运动4.桨叶的变距运动及旋翼操纵原理南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics旋翼处于斜流状态：桨盘迎角不等于旋翼构造轴系OXsYsZs在前行桨叶一侧：右旋旋翼：指向右方左旋旋翼：指向左方090±saSZSZSZ南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第一节旋翼和桨叶的相对气流1-1旋翼的相对气流平行于构造平面的速度系数，前进比：垂直于构造平面的速度系数，流入比：讨论：各飞行状态下旋翼构造迎角、前进比和入流比（悬停飞行、垂直飞行、平飞）0cossVRam=WRVssin00南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics1-2桨叶的相对气流前飞时桨叶相对气流图方位角、前行桨叶、后行桨叶桨叶剖面的相对气流速度：来自旋转、前进、诱速、桨叶挥舞周向分量＝r+Rsin径向分量＝Rcos轴向分量＝r+Rsin反流区范围：0r-Rsin，只在后行一侧，是直径为R的圆。tVyVrV01vr南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第二节桨叶的吹风挥舞运动2-1挥舞铰—容许桨叶上下挥舞气流不对称桨叶升力不对称形成侧翻力矩及根部大弯矩设置挥舞铰桨叶随升力增减而上下挥舞速度使剖面迎角变化桨叶升力趋于均衡消除了侧翻力矩挥舞铰处弯矩为0。挥舞引起桨叶剖面的迎角改变：rtrV南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics2-2挥舞运动方程计入挥舞惯性力，写出力矩平衡方程：式中：离心力力矩挥舞惯性力矩重力力矩很小且是常数，不计；升力力矩暂不详列，得：0TGLXMMMMb+++=22020RLXyeRyeMmdrrrIImrdrbb=-W?-W=òò022222RyeMmdrrrIdddtdbbbbbby=-鬃=-==Wò222yedMIdbby=-WGMty=W南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics或与质量-弹簧-阻尼系统方程相对比可得出结论：1,挥舞运动是典型的周期性振动激振力矩是空气动力力矩，离心力矩是恢复力矩，阻尼力矩含在气动力矩中。方程的解可写为高阶项量值很小，可只取到一阶为止。2221TyedMdIbby+=WcKxxxFmm++=2221TyedMdtIbb+W=010102020cossincos2sin2aababbyyyy=----南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics2挥舞固有频率正是旋翼的旋转角频率，因而一阶挥舞是对于一阶空气动力谐波的共振（因阻尼很大，不发散）。3挥舞运动消除了旋翼倾翻力矩将挥舞角表达式代入挥舞运动方程，得对比得此式表明，桨叶的升力力矩不随方位角变化，旋转中保持常值。挥舞运动自动消除了气流不对称引起的旋翼侧倾力矩。讨论：气动力矩是常值，怎么会是激振力？dadt22202TyeMaI20aab01010cossinTyedMdtI2221南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics2-3挥舞运动的几何图象挥舞角表达式中锥度角是常数项，与方位角无关，表示各片桨叶向上抬起相同的角度，形成倒锥轨迹，称为旋翼锥体。0a0a0aaab01010cossin南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics后倒角和侧倾角令：表示桨叶在不同方位角处的挥舞角变化，也代表旋锥体倾斜量：各桨叶在方位处都抬高度，在处都下垂度，表明旋翼锥体向后倾倒了角。称为旋翼后倒角。同理，桨叶在方位处下垂了，在处上台了，称为侧倾角。01800010a10baab01010cossin10a10a10a10a10b090027010b10b南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics2-4挥舞系数的物理意义锥度角取决于桨叶升力、重力和离心力各力矩中的常量部分的平衡。轴流状态如悬停时无斜吹风，后倒角旋转平面内周向气流＝r+Rsin左右不对称引起的挥舞。挥舞相对速度形成迎角补偿与气流速度相结合，使升力力矩保持不变。tVarctanTrV01010cossinaab0a10a0a南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics侧倾角锥度角以及旋翼诱导速度分布前小后大，引起前后桨叶的剖面迎角不对称，造成旋翼锥体向方位角一侧倾倒度。1v10b10a09010b南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics讨论：吹风挥舞的相位旋翼桨盘处流速左右不对称，引起旋翼纵向挥舞----后倒角剖面迎角前后不对称，引起旋翼横向挥舞----侧倾角如何理解这种的相位差？10a10b090南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第三节桨叶的摆振运动桨叶上下挥舞时，其质心至旋转中心的距离周期性改变，会在旋转平面内产生科氏力，在桨根引起很大的交变弯矩。在桨根设置摆振铰，容许桨叶在科氏力作用下前后摆振，消除了交变弯矩。rGGddVrrdtdt(cos)sinyegsrGFVg2南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics摆振运动方程：讨论：摆振铰能否设置在旋翼中心？eef011cossinyegsGyeGGdFrgdtGabraaababg222110101112sin2(sincossin2cos2)2南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第四节桨叶的变距运动通过自动倾斜器和变距铰，使旋翼桨叶桨距周期改变：桨叶的升力随之改变。4-1直升机的飞行操纵升降---操纵旋翼总桨距，改变拉力大小前后左右飞—操纵桨叶周期变距和，改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度航向---操纵尾桨总距，改变尾桨拉力值012012sincos南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics4-2变距与挥舞等效变距引起周期挥舞，使旋翼锥体倾斜。周期变距改变了桨叶原先的升力，引起新的挥舞运动。桨叶将在一个新的轨迹面上稳定旋转，相对该平面不再有周期变距，即新的桨尖轨迹平面与操纵平面平行：周期变距操纵引起同等大小的挥舞---变距与挥舞等效。周期变距操纵引起的挥舞角响应，比操纵输入滞后：引起的挥舞为前飞时，依靠操纵挥舞克服吹风挥舞，并使旋翼锥体（拉力）向所需要的方向倾斜，合成的挥舞角是：09012sincos12cossin1s1011s102aabb南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第五节偏置铰旋翼和无铰旋翼5-1偏置铰旋翼为便于结构布置及增大桨毂力矩，挥舞铰不在旋转中心，而是有偏置量。计算挥舞力矩时对挥舞铰（不是对旋转中心）取矩，挥舞方程变为式中，ε多在（3-5）%偏置铰旋翼的挥舞固有频率略高于旋转角频率，对于吹风及操纵的响应不再恰好是共振，滞后略小于。对旋翼的空气动力特性无显著影响，但会产生桨毂力矩，对直升机的平衡及操纵性与稳定性有重要作用。TyeMIdd2221)1(/lR090南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics5-2无铰式旋翼无挥舞铰，桨叶以自身的柔性或桨毂中的柔性元件实现挥舞运动。桨毂结构及维护工作大为简化，改善了旋翼