直升机空气动力学基础

直升机空气动力学基础第一章垂直飞行时的滑流理论1第一章垂直飞行时的滑流理论基本原理旋翼滑流计算悬停特性滑流理论的修正工程应用第一章垂直飞行时的滑流理论2直升机具有广泛用途，是因其独特的飞行性能：能垂直升降、空中悬停良好的低速飞行性能来自旋翼的空气动力特性。直升机空气动力学课程，从垂直上升及悬停中的旋翼滑流理论入门。该理论比较简单，但含有重要的基本概念和知识。第一章垂直飞行时的滑流理论3第一节基本原理1.1旋翼怎样产生拉力旋翼从上方吸入空气，向下排压空气，形成旋翼尾流。气流受到旋翼作用力，被加速、增压；同时对旋翼施加反作用力，即是旋翼拉力。为知道旋翼拉力，可计算气流所受的力，二者大小相等。讨论：旋翼拉力不称做升力，概念不同：翼面升力垂直于来流速度旋翼拉力沿转轴方向，是各桨叶的合力。第一章垂直飞行时的滑流理论41.2滑流假定为做数学推演，须对物理现象做适当的简化假定：滑流：空气无粘性、不可压缩作用盘：旋翼是作用盘，产生稳定均布的诱导速度流管：受旋翼作用的气流形成一流管，气流无扭转诱导速度---旋翼的作用引起的气流速度变化（方向、大小）讨论：各项假定的适宜性：低速、常温、常规尺寸；（粘、波阻力）多叶旋转、负扭及尖削；（修正系数）流动有界面、扭转速度较小第一章垂直飞行时的滑流理论5第二节旋翼滑流计算当直升机以速度垂直上升，相对气流向下吹来。截取上游、下游各很远处两截面之间的一长段流管，周围大气压强皆为，自成平衡。由于旋翼激起诱导速度2.1动量定理用于旋翼滑流单位流量m的动量改变，等于所受的同方向外力根据质量守恒定律，单位流量0V0P101VVu=+20()mVVF-=（不计空气重力）202VVu=+110022mVSVSVSrrr===第一章垂直飞行时的滑流理论62.2动能定理用于旋翼滑流滑流动能的增加量，等于旋翼输送给滑流的功率即得将动量定理的及代入上式得即旋翼在下游远处的诱导速度，等于桨盘处诱导速度的2倍.讨论：空气有粘性，动能会耗散。远处诱导速度达不到最大值约为，之后即减小，最终耗尽。滑流理论也称做动量理论211211.6222011122mVmVFV-=2220011()()2mVVFVu-=+20()FmVV=-202VVu=+212uu=第一章垂直飞行时的滑流理论72.3诱导速度与拉力系数的关系旋翼拉力以把T无量纲化，且令，得拉力系数及物理意义：直升机匀速垂直上升中，T=G=常数。若V0增大，则流量增大，减小。01220011()()2TFmVVVRrupu==-=+?221()2RRrpW0VVR=W11Ruu=W0114()TCVuu=+?21001[]2TVVCu=-++第一章垂直飞行时的滑流理论8第三节悬停特性悬停是直升机最重要的飞行状态之一。旋翼在原地运转，空气被旋翼吸入，桨盘处的入流速度就是旋翼的诱导速度，即旋翼滑流的单位流量00V=110Vu=210mRrup=第一章垂直飞行时的滑流理论93.1悬停诱导速度由滑流受力代入,且已知，得拉力系数，悬停诱导速度常用作特性速度，如垂直上升中：101020()FmVV=-202VVu=+210mRrup=2102uu=TF=22102TRpru=2104TCu=1012TCu=20011010101[()4]2VVuuuu=-++第一章垂直飞行时的滑流理论103.2滑流中的速度及静压变化对于无粘、不可压流体，柏努利方程简化为在旋翼上方因，得212PVr+=常数220011122PVPVrr+=+1上00V=110Vu=201012PPru-=-1上第一章垂直飞行时的滑流理论11在旋翼下方因，，得回顾即：旋翼上面为吸压，下面为增压，桨盘处增压值为吸压的3倍。若由桨盘上、下的静压差来计算旋翼拉力，则得，与动量分析所得结果相同。22210()2TRPPRppru=-=1下1上讨论：应用柏努利方程，为何要分别针对上下两段滑流221221122PVPVrr+=+1下02PP=110Vu=2102Vu=201032PPru-=1下201012PPru-=-1上第一章垂直飞行时的滑流理论123.3悬停功率理想条件（无粘性）下，旋翼功率仅消耗于产生拉力（引起诱导速度）0P010PTu=将无量纲化，得功率系数以代入，则得可见，旋翼需用功率与拉力（重量）不成正比，而是比拉力增加得快。010kTmCu=1012TCu=3/2012kTmC=第一章垂直飞行时的滑流理论13第四节旋翼滑流理论的修正4.1叶端损失系数实际旋翼，并非整个桨盘面积产生拉力：1)桨毂及叶根段（r0以内）无翼型2)桨盘上下有压差，在叶尖处会有自下而上的绕流，削弱了尖部的作用有效面积令叶端损失系数，一般r0＝(0.20~0.25)Rr1=(0.98~0.99)R悬停实际诱导速度，比理论值大一些：}22210SrrRppp=-2SRkp=0.92k»1012TCuk=第一章垂直飞行时的滑流理论144.2悬停效率旋翼在悬停时消耗的功率，不仅是诱导功率，还有：克服空气粘性引起的翼型阻力的能耗、克服波阻的能耗旋翼尾流有扭转运动，带走了动能诱导速度有脉动、沿桨盘不均布，诱导功率比要大些（上述功率将利用旋翼叶素理论、涡流理论计算）010T10T定义：悬停效率大多数直升机，在0.7左右。03/20012TkPCPmh===理想悬停功率实际悬停功率第一章垂直飞行时的滑流理论154.3悬停旋翼尾流扩散由质量守恒已知下游无限远处，滑流收缩为实际气流有粘性，流动中动能逐渐耗散1)尾流不会收缩到R2＝0.707R，实际约达0.78R后开始扩散2)最大值仅能达到约，之后即减小直至耗尽。20101.6讨论：滑流理论应用的局限性2210202RRruprup=20102uu=210.7072RRR==第一章垂直飞行时的滑流理论16第五节滑流理论的工程应用5.1桨盘载荷定义桨盘载荷kg/m2旋翼单位扫掠面积所需承担的直升机重量由悬停拉力公式及，得讨论：p不可太大，现多在25至40之间(诱导功率、机身阻力、下吹风)如Z9，p=37，，六（九）级风2GpRp=22102TRpru=TG=2/pTRp=1012/msu=第一章垂直飞行时的滑流理论175.2功率载荷定义单位马力载荷kg/HPG－直升机设计的起飞重量，kgNM－发动机在海平面的额定功率，HP(马力)NM大部分用于驱动旋翼，约10～20%功率消耗于尾桨、附件、传动损失等旋翼可用功率N可用=功率传递系数，A－发动机高度特性当代直升机q=3~5kg/HP讨论：飞机螺旋桨，约1kg/HP()MANMGqN=GqANz=可用0.8~0.9z=第一章垂直飞行时的滑流理论185.3旋翼直径选择直升机飞行，必须由得由得在海平面，一般18～25TGNP³³可用需用{讨论：有极限值的物理解释:能量守恒qp221()G2TRRCrpW壮22G1()R2TpRCrp2311()275TkCNARRmqzrp=砏鬃可用175TkCqAmRzＷ?W3/2000757542TkCqpAAmrrzzhrrＷ??037.5qpzh£第一章垂直飞行时的滑流理论19将p与q的定义式代入，得直升机重量G一定，则需用功率与旋翼直径成反比物理解释：D大，则流量大在一定的条件下，小，而诱导功率，小则诱导功率小1010讨论：1)怎样用小功率发动机制成大重量直升机2）发展趋势：p增大，2040®3/2033.25MGNDzhＷ鬃210mRrup=22101022TmRupru=?31010Tuuµ第一章垂直飞行时的滑流理论20本章小结一、主要结论诱导速度拉力系数诱导功率系数悬停效率桨盘载荷与功率载荷的关系：二、应用1)总体方案设计时，初定p，D，NM2)简略分析中，估算3)其他对流场、气动干扰等的快速分析、定性分析(如尾桨用推力式)1022uu=1012TCuk=10122pur=20011010101[()4]2VVuuuu=-++2104TCu=3/2012kTmC=3/2012TkCmh=037.5qpzh£第一章垂直飞行时的滑流理论21三、滑流理论的评价优点：把握住了旋翼产生拉力的本质简单、直观、形象缺点：未揭示旋翼与气流如何相互作用，不能建立旋翼的几何特性与其气动特性的关系；忽略了气流的粘性和可压缩性，因而低估了旋翼的需用功率。