直升机系统-2(王华明-2011-03)

南京航空航天大学直升机技术研究所第二章旋翼系统南京航空航天大学直升机技术研究所一、旋翼构造型式旋翼型式是指旋翼桨叶与旋翼轴的连接方式，也就是旋翼桨毂的结构型式，不同的旋翼型式其动力学特性及设计特点有明显的差别。南京航空航天大学直升机技术研究所南京航空航天大学直升机技术研究所南京航空航天大学直升机技术研究所1.铰接式旋翼桨叶通过桨毂上的挥舞铰（水平铰）、摆振铰（垂直铰）及变距铰（轴向铰）与旋翼轴相连，通过三个铰实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。这些铰有不同的排列方式，一般都采用金属滚动轴承实现构件之间的相对运动。南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（Y-2）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（直-五）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（直-五）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（直-五）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（直-五）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（S-58）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（云雀III）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（拉扭杆）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（拉扭杆）南京航空航天大学直升机技术研究所典型的铰接式桨毂（拉扭杆）南京航空航天大学直升机技术研究所铰接式旋翼其桨叶在挥舞、摆振方向根部是铰支的，扭转（变距）则属于根部铰支而又带弹性约束（操纵系统约束）。南京航空航天大学直升机技术研究所现代的铰接式旋翼广泛采用层压弹性体轴承代替金属滚动轴承，在有些直升机的旋翼上甚至采用一个球面弹性轴承来实现三个铰的功能。例如星形柔性旋翼、球柔性旋翼。南京航空航天大学直升机技术研究所层压弹性轴承南京航空航天大学直升机技术研究所UH-60直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所S-76直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所Z-9直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所Z-9直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所EH-101直升机球柔性桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所XX直升机球柔性桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所由于弹性轴承的刚度较小，对于采用层压弹性体轴承实现桨叶挥舞、摆振和扭转运动的旋翼仍属铰接式旋翼。南京航空航天大学直升机技术研究所2.无铰式旋翼无挥舞铰和摆振铰，只保留变距铰，桨叶的挥舞、摆振运动完全通过桨根弹性变形来实现。桨叶在挥舞、摆振方向根部是固支的，扭转与铰接式相同。南京航空航天大学直升机技术研究所BO-105直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所山猫直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所3.半铰接式旋翼南京航空航天大学直升机技术研究所1)只有两片桨叶，共用一个水平铰，无垂直铰，有变距铰。2)桨叶在挥舞面内：对称载荷——无铰式——根部固支反对称载荷——铰接式——根部铰支；3)桨叶在摆振面，同无铰式，根部固支；4)桨叶的扭转同铰接式。南京航空航天大学直升机技术研究所UH-1直升机桨毂南京航空航天大学直升机技术研究所AH—1“眼镜蛇”直升机南京航空航天大学直升机技术研究所4.无轴承式旋翼无挥舞、摆振、变距铰，挥、摆、扭运动完全通过桨根柔性梁来实现。桨叶在挥、摆方向根部支持同无铰式，扭转（变距）为弹性约束。南京航空航天大学直升机技术研究所RAH-66无轴承旋翼及其简化模型南京航空航天大学直升机技术研究所EC135无轴承旋翼南京航空航天大学直升机技术研究所二、旋翼主要动力学问题2.1旋翼动力学特性●旋翼的动力学特性主要指旋翼桨叶模态特性，即固有振型以及对应的固有频率，它是研究旋翼动力学问题的基础和出发点，对直升机的动力学问题往往起着重要的以至决定性的作用，甚至对直升机的飞行品质也有重要影响。南京航空航天大学直升机技术研究所●旋翼桨叶主要有三个方向的运动：挥舞（水平）方向、摆振（垂直）方向以及扭转（变距）方向，相应地也就有这三个方向的模态特性。●桨叶的模态特性可以采用有限元法或其他方法进行计算，从而得到旋翼桨叶挥舞、摆振、扭转各阶固有频率随旋翼转速Ω的变化规律以及固有振型。南京航空航天大学直升机技术研究所●一般对铰接式旋翼，三种类型的振动可分别进行分析，即认为是相互独立的。实际上这三类振动之间存在着耦合，特别对弹性铰、无铰式和无轴承式旋翼。南京航空航天大学直升机技术研究所0)''()(ymNyyEJEJ（1）挥舞固有特性桨叶弯曲振动微分方程：式中：——桨叶剖面挥舞弯曲刚度m——桨叶单位长度质量y——挥舞变形N——桨叶剖面离心力桨叶挥舞变形利用分离变量、固有振型的正交性，可得到方程的积分表达式：0dd)'(d)(2022020rmyryNryEJiRiRiRi南京航空航天大学直升机技术研究所dd)'(d)(20220mryΩryEJKRriRiRirmyMiRid20得桨叶挥舞固有频率的表达式：Ki为第i阶模态的广义刚度：等式右端第一项为弹性刚度，第二项为离心力刚度：Mi为第i阶模态的广义质量：iiMKi2南京航空航天大学直升机技术研究所0)(0)0(0)0(Ryyy0)(0)0('0)0(Ryyy振型1）应满足微分方程2）边界条件铰接式：无铰式（无轴承式）：南京航空航天大学直升机技术研究所铰接式旋翼模态弯矩3）特点：铰接式：（1）0阶振型是一条直线rry)(0（2）振型随转速是变化的——刚体挥舞南京航空航天大学直升机技术研究所无铰式：其一阶振型对应铰接式零阶、二阶振型对应铰接式一阶，区别在桨叶根部：铰接式根部铰支，而无铰式及无轴承式根部固支，模态弯矩根部最大。无铰式旋翼的振型无铰式旋翼模态弯矩南京航空航天大学直升机技术研究所0EJy2)1(0ΩIMlpjpjpjpjlpjMpjI★振频铰接式：0阶振型由于是刚体挥舞,弹性力项不存在，式中、分别是挥舞铰外伸量、绕基阶模态的固有频率可表示为：、挥舞铰的质量静矩及惯矩。南京航空航天大学直升机技术研究所pjlΩ010Rllpjpj/04.1~03.10=0时，或由于构造上的限制，挥舞铰外伸量不可能太大，即使是带弹性铰的旋翼一般也不超过5%，所以，铰接式旋翼难以超过1.04。当（中心铰）翘翘板式旋翼就是这种情况。南京航空航天大学直升机技术研究所★挥舞固有频率的特点桨叶的挥舞固有频率可以认为是由两部分组成的：rmymryΩrmyryEJiRRriRiRiRiddd)'(dd)(2020220202第一部分主要取决于刚度与质量之比及刚度、质量分布规律，与弹性梁的振动是一样的，第二部分取决于质量分布规律。对旋翼挥舞固有频率，第二项是主要的，第一项是次要的。南京航空航天大学直升机技术研究所（2）摆振固有特性（旋转面、弦向）★微分方程0Ω)''()(2XmmXNXXEJ可以看出，微分方程比挥舞面多出一项mX2Ω★频率离心力在摆振面里对固有频率的影响减小。平衡方程的积分表达式：，这是因为0dΩdd)'(d)(2022022020rmXrmXrXNrXEJiRiRiRiRi可以看出，在同样的条件下要比同阶2i2iEJEJ但由于小，，所以同阶频率摆振频率比挥舞频率大。因此，对摆振固有频率离心力影响减小。离心力的作用方式不同。南京航空航天大学直升机技术研究所刚体摆振22Ω0cjcjcjIMl或cjcjcjIMl0显然，cjl越大，0越大，cjl一般铰接式旋翼cjl=0.04左右，0=0.25左右。★基阶振型——摆振铰外伸量南京航空航天大学直升机技术研究所（3）扭转固有特性桨叶绕轴向铰轴线的扭转振动。扭转振动微分方程：0)()''(2ΩIGJnznz图2-20桨叶上的离心力扭矩式中：GJnz——桨叶剖面扭转刚度Inz——桨叶单位长度的扭转质量惯矩——桨叶扭转角位移式中2ΩInz项是离心力回复力矩南京航空航天大学直升机技术研究所图2-21桨叶扭转振型频率：220202022dd)'(d/ΩrIrGJrIkMKinzRinzRinzRiiii特点：1）离心力影响小。2）桨叶根部受操纵线系的弹性约束，弹性变形位能包括操纵线系部分，而且线系刚度是主要的。必须指出，旋翼各片桨叶扭转运动可以受不同操纵线系约束，不同线系的刚度不同，扭转频率也不同。3）桨叶旋转与不旋转扭转振型相同.南京航空航天大学直升机技术研究所（4）旋翼共振图旋翼桨叶频率随转速在变化，为了表示固有频率随转速的变化情况，通常把旋翼各次谐波激振力频率和桨叶固有频率画在一个图上，用来检查旋翼的共振情况，这就是旋翼共振图。旋翼共振图南京航空航天大学直升机技术研究所由于无铰式及无轴承式旋翼桨叶基阶模态的弯曲变形主要集中在根部，根部以外的桨叶基本上是条直线，因而在动力学及飞行力学分析中，对于无铰式和无轴承式常常采用当量铰（或等效铰）概念。也就是用一个等效的（相等）带弹性约束的铰接式旋翼来代替它。这样基阶挥舞固有频率可写为：2)1(1ΩIMlIKKlMI其中分别为绕当量挥舞铰的弹簧刚度、挥舞铰外伸量及绕当量铰的桨叶质量静矩及惯矩。南京航空航天大学直升机技术研究所无铰式及无轴承式旋翼在额定转速时1一般在之间相应的当量挥舞铰外伸量%5.21~11el这是纯铰接式旋翼不可能做到的。、显然，上述处理方法相当于把无铰式和无轴承式旋翼等效为带弹性铰的铰接式旋翼。这样就可以同铰接式旋翼进行比较。当量（等效）铰模型1.08～1.15南京航空航天大学直升机技术研究所●铰接式旋翼的零阶模态及无铰式、无轴承式的一阶模态一般统称为基阶模态，它对直升机动力学及飞行力学最为重要。铰接式旋翼的挥舞基阶模态的固有频率可以表示为：2)1(0ΩIMlpjpjpj——挥舞铰外移量——绕挥舞铰质量静矩——绕挥舞铰质量惯矩pjlpjMpjI对于带弹性铰的铰接式旋翼（球柔性），可近似表示为：12)1(1ΩIMlIK——绕挥舞铰的弹性约束刚度K一般铰接式旋翼基阶固有频率UH-60A直升机：)04.1~03.1(1035.11%7.4l南京航空航天大学直升机技术研究所●对于无铰式和无轴承式旋翼桨叶基阶模态可以采用等效模型来处理以便与铰接式进行比较图2-4等效铰模型2)1(1ΩIMlIK——当量弹簧刚度——当量挥舞铰外伸量Kl一般无铰式和无轴承式旋翼在额定转速时)15.1~08.1(1当量挥舞铰外伸量约为11%~21.5%l南京航空航天大学直升机技术研究所●摆振基阶模态也可以采取类似的处理方法21ΩIMlIKIMlK、、、分别为绕摆振铰的弹簧刚度、摆振铰外伸量、绕摆振铰静矩及惯矩。对纯铰接式：lK,)3.0~2.0(01，约为3%~5%当采用粘弹减摆器时，会显著提高，达到0.6Ω1一般无铰式及无轴承式旋翼)7.0~6.0(1—摆振柔软式如果进一步提高，使111—摆振刚硬式南京航空航天大学直升机技术研究所2.2旋翼的整体振型以上讨论的是单片桨叶的固有特性，但一副旋翼是由多片桨叶构成的，在研究旋翼动力学问题时，就必须考虑如何描述整个旋翼的运动。这时可以用整体振型的概念，特别对旋翼与机体耦合动力学的研究。整体振型是指多片桨叶同频率同幅值运动时，由于相位不同而形成的运动形态。南京航空航天大学直升机技术研究所旋翼集合型运动集合型——各片桨叶同频、同幅而且相位相同的运动。旋翼集合型，4片桨叶的振动完全相同，也就是4片桨叶的振动是同相的，或者说它们振动的相位差为0或2π的整数倍。对挥舞振动称“伞形振动”。南京航空航天大学直升机技术研究所◆周期型（后退型、前进型）：各片桨叶相位顺旋转方向依次递增，称后退型；依次递减称为前进型。k2k2旋翼后退型运动南京航空航天大学直升机技术研究所可以看出，挥舞运动使桨盘平面