直升机空气动力学前飞理论介绍课件

南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics第四章第四章 前飞时旋翼桨叶的工作原理前飞时旋翼桨叶的工作原理1.1.旋翼和桨叶的相对气流旋翼和桨叶的相对气流2.2.桨叶的挥舞运动桨叶的挥舞运动3.3.桨叶的摆振运动桨叶的摆振运动4.4.桨叶的变距运动及旋翼操纵原理桨叶的变距运动及旋翼操纵原理第四章第四章 前前飞时飞时旋翼旋翼桨桨叶的工作原理叶的工作原理南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics旋翼处于斜流状态：旋翼处于斜流状态：桨盘迎角桨盘迎角 不等于不等于 旋翼构造轴系旋翼构造轴系OXOXs sY Ys sZ Zs s 在前行桨叶一侧：在前行桨叶一侧：右旋旋翼：右旋旋翼：指向右方指向右方 左旋旋翼：左旋旋翼：指向左方指向左方 旋翼旋翼处处于斜流状于斜流状态态：南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics第一节第一节 旋翼和桨叶的相对气流旋翼和桨叶的相对气流1-1 1-1 旋翼的相对气流旋翼的相对气流 平行于构造平面的速度系数平行于构造平面的速度系数，前进比前进比：垂直于构造平面的速度系数，垂直于构造平面的速度系数，流入比流入比：讨论：各飞行状态下旋翼构造迎角、前进比和入流比讨论：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）（悬停飞行、垂直飞行、平飞）第一第一节节 旋翼和旋翼和桨桨叶的相叶的相对对气流气流南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics1-2 1-2 桨叶的相对气流桨叶的相对气流 前飞时桨叶相对气流图前飞时桨叶相对气流图 方位角、前行桨叶、后行桨叶方位角、前行桨叶、后行桨叶 桨叶剖面的相对气流速度：来自桨叶剖面的相对气流速度：来自 旋转、前进、诱速、桨叶挥舞旋转、前进、诱速、桨叶挥舞周向分量周向分量 r+r+R Rsinsin 径向分量径向分量 R Rcoscos 轴向分量轴向分量 r+r+R Rsinsin 反流区反流区范围范围：0 0 r r -R Rsinsin ，只在后行一侧，是直径为只在后行一侧，是直径为 R R的圆的圆。1-2 桨桨叶的相叶的相对对气流气流南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第二节第二节 桨叶的吹风挥舞运动桨叶的吹风挥舞运动 2-1 2-1 挥舞铰挥舞铰容许桨叶上下挥舞容许桨叶上下挥舞 气流不对称气流不对称 桨叶升力不对称桨叶升力不对称 形成侧翻力矩及根部大弯矩形成侧翻力矩及根部大弯矩 设置设置挥舞铰挥舞铰 桨叶随升力增减而桨叶随升力增减而 上下挥舞上下挥舞速度速度 使剖面迎角变化使剖面迎角变化 桨叶升力趋于均衡桨叶升力趋于均衡消除了消除了侧翻力矩侧翻力矩 挥舞铰处弯矩为挥舞铰处弯矩为0。挥舞引起桨叶剖面的迎角改变：挥舞引起桨叶剖面的迎角改变：第二第二节节 桨桨叶的吹叶的吹风挥风挥舞运舞运动动南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-2 2-2 挥舞运动方程挥舞运动方程计入挥舞惯性力，写出力矩平衡方程：计入挥舞惯性力，写出力矩平衡方程：式中：式中：离心力力矩离心力力矩 挥舞惯性力矩挥舞惯性力矩 重力力矩重力力矩 很小且是常数，不计；升力力矩暂不详列，得：很小且是常数，不计；升力力矩暂不详列，得：2-2 挥挥舞运舞运动动方程方程南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 或或与质量与质量-弹簧弹簧-阻尼系统方程相对比阻尼系统方程相对比 可得出结论：可得出结论：1,1,挥舞运动是典型的周期性振动挥舞运动是典型的周期性振动激振力矩是空气动力力矩，离心力矩激振力矩是空气动力力矩，离心力矩是恢复力矩是恢复力矩，阻尼力矩含在气动力矩中阻尼力矩含在气动力矩中。方程的解可写为方程的解可写为 高阶项量值很小，可只取到一阶为止。高阶项量值很小，可只取到一阶为止。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics2挥舞固有频率正是旋翼的旋转角频率挥舞固有频率正是旋翼的旋转角频率，因而一阶挥舞是，因而一阶挥舞是 对于一阶空气动力谐波的对于一阶空气动力谐波的共振共振（因阻尼很大，不发散）。（因阻尼很大，不发散）。3 3 挥舞运动消除了旋翼倾翻力矩挥舞运动消除了旋翼倾翻力矩 将挥舞角表达式将挥舞角表达式 代入挥舞运动方程，代入挥舞运动方程，得得 对比对比 得得 此式表明此式表明，桨叶的升力力矩不随方位角变化桨叶的升力力矩不随方位角变化，旋转中保持常值。，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。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？讨论：气动力矩是常值，怎么会是激振力？直升机空气直升机空气动动力学前力学前飞飞理理论论介介绍课绍课件件南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-3 2-3 挥舞运动的几何图象挥舞运动的几何图象 挥舞角表达式中挥舞角表达式中 锥度角锥度角 是常数项，与方位角无关，是常数项，与方位角无关，表示各片桨叶向上抬起相同表示各片桨叶向上抬起相同的角度，形成倒锥轨迹，称为的角度，形成倒锥轨迹，称为 旋翼锥体。旋翼锥体。2-3 挥挥舞运舞运动动的几何的几何图图象象南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 后倒角后倒角 和侧倾角和侧倾角 令：令：表示桨叶在不同方位角处的挥舞角变化，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：也代表旋锥体倾斜量：各桨叶在方位各桨叶在方位 处都抬高处都抬高 度，在度，在 处处都下垂都下垂 度，表明旋翼锥体向后倾倒了度，表明旋翼锥体向后倾倒了 角。角。称为旋翼称为旋翼后倒角后倒角。同理，桨叶在方位同理，桨叶在方位 处处下垂了下垂了 ，在，在 处上台处上台了了 ，称为称为侧倾角侧倾角。后倒角后倒角 和和侧倾侧倾角角 南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-4 2-4 挥舞系数的物理意义挥舞系数的物理意义锥度角锥度角 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。衡。轴流状态如悬停时无斜吹风，轴流状态如悬停时无斜吹风，后倒角后倒角 旋转平面内周向气流旋转平面内周向气流 r+Rsin 左右不对称引起的挥舞。左右不对称引起的挥舞。挥舞相对速度形成迎角补偿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。与气流速度相结合，使升力力矩保持不变。2-4 挥挥舞系数的物理意舞系数的物理意义义南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 侧倾角侧倾角 锥度角锥度角 以及以及旋翼诱导速度旋翼诱导速度 分布分布前前小后大，小后大，引起引起 前后桨叶的剖面迎角不对称，前后桨叶的剖面迎角不对称，造成旋造成旋翼锥体向方位角翼锥体向方位角 一侧倾倒一侧倾倒 度。度。侧倾侧倾角角南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 讨论：讨论：吹风挥舞的相位吹风挥舞的相位旋翼桨盘处旋翼桨盘处 流速流速左右左右不对称，不对称，引起旋翼纵向挥舞引起旋翼纵向挥舞-后倒角后倒角剖面迎角剖面迎角前后前后不对称，不对称，引起旋翼横向挥舞引起旋翼横向挥舞-侧倾角侧倾角如何理解这种如何理解这种 的的相位差相位差？讨论讨论：吹：吹风挥风挥舞的相位舞的相位南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics第三节第三节 桨叶的摆振运动桨叶的摆振运动 桨叶上下挥舞时，其桨叶上下挥舞时，其质心至旋转中心的距离质心至旋转中心的距离周期周期性性改变，会在旋转平面内产生科氏力，在桨根引起很大的改变，会在旋转平面内产生科氏力，在桨根引起很大的交变弯矩。交变弯矩。在桨根设置在桨根设置摆振铰摆振铰，容许桨叶在科氏力作用下前，容许桨叶在科氏力作用下前后后摆振，消除了交变弯矩。摆振，消除了交变弯矩。第三第三节节 桨桨叶的叶的摆摆振运振运动动南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 摆振运动方程：摆振运动方程：讨论：摆振铰能否设置在旋翼中心？讨论：摆振铰能否设置在旋翼中心？摆摆振运振运动动方程：方程：南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第四节第四节 桨叶的变距运动桨叶的变距运动通过自动倾斜器和变距铰，使旋翼桨叶桨距通过自动倾斜器和变距铰，使旋翼桨叶桨距周期改变：周期改变：桨叶的升力随之改变桨叶的升力随之改变。4-1 4-1 直升机的飞行操纵直升机的飞行操纵 升降升降-操纵旋翼总桨距操纵旋翼总桨距 ，改变拉力大小改变拉力大小 前后左右飞前后左右飞操纵桨叶周期变距操纵桨叶周期变距 和和 ，改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度 航向航向-操纵尾桨总距，改变尾桨拉力值操纵尾桨总距，改变尾桨拉力值 第四第四节节 桨桨叶的叶的变变距运距运动动南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 4-2 变距与挥舞等效变距与挥舞等效 变距引起周期挥舞，使旋翼锥体倾斜。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。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，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周期变距操纵引起同等大小的挥舞-变距与挥舞等效。变距与挥舞等效。周期变距操纵周期变距操纵 引起的挥舞角响应，比操纵输入滞后引起的挥舞角响应，比操纵输入滞后 ：引起的挥舞为引起的挥舞为前飞时，依靠前飞时，依靠操纵挥舞操纵挥舞克服吹风挥舞，并使旋翼锥体（拉力）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：向所需要的方向倾斜，合成的挥舞角是：4-2 变变距与距与挥挥舞等效舞等效南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第五节第五节 偏置铰旋翼和无铰旋翼偏置铰旋翼和无铰旋翼 5-1 偏置铰旋翼偏置铰旋翼 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，而是有偏置量是有偏置量 。计算挥舞力矩时对挥舞铰（不是对旋转中心）。计算挥舞力矩时对挥舞铰（不是对旋转中心）取矩，挥舞方程变为取矩，挥舞方程变为 式中式中 ，多在多在（3-5）%偏置铰旋翼的挥舞固有频率略高于旋转角频率偏置铰旋翼的挥舞固有频率略高于旋转角频率 ，对于吹风，对于吹风及操纵的响应不再恰好是共振，滞后略小于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，但会产生对旋翼的空气动力特性无显著影响，但会产生桨毂力矩，桨毂力矩，对直升机的平衡及操纵性与稳定性有重要作用。对直升机的平衡及操纵性与稳定性有重要作用。第五第五节节 偏置偏置铰铰旋翼和无旋翼和无铰铰旋翼旋翼南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics5-2 无铰式旋翼无铰式旋翼 无挥舞铰，桨叶以无挥舞铰，桨叶以自身的柔性自身的柔性或桨毂中的或桨毂中的柔性元件柔性元件实实现挥舞运动。现挥舞运动。桨毂结构及维护工作大为简化，改善了旋翼性能。桨毂结构及维护工作大为简化，改善了旋翼性能。数学分析方法：把无铰式旋翼当作有数学分析方法：把无铰式旋翼当作有偏置量、有约束偏置量、有约束刚度刚度（扭簧）的有铰式旋翼。（扭簧）的有铰式旋翼。5-2 无无铰铰式旋翼式旋翼南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 小小 结结1 1，旋翼在斜流中运转，造成桨叶，旋翼在斜流中运转，造成桨叶气流及迎角不对称。气流及迎角不对称。2 2，为消除倾翻力矩，设置挥舞铰，旋翼产生，为消除倾翻力矩，设置挥舞铰，旋翼产生挥舞运动：挥舞运动：桨叶升力与离心力决定锥度角，斜流使锥体倾倒。桨叶升力与离心力决定锥度角，斜流使锥体倾倒。3 3，旋翼旋转与挥舞引起，旋翼旋转与挥舞引起科氏力科氏力，令有，令有摆振运动摆振运动以消除弯矩。以消除弯矩。4 4，为使旋翼向所需的方向倾斜所需的角度，为使旋翼向所需的方向倾斜所需的角度，令令旋翼做旋翼做变距变距 运动运动。变距与挥舞等效。变距与挥舞等效。5 5，挥舞铰偏置，挥舞铰偏置，旋翼可产生桨毂力矩。旋翼可产生桨毂力矩。挥舞对于吹风及操挥舞对于吹风及操 纵的响应不再恰是共振。纵的响应不再恰是共振。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics直升机空气直升机空气动动力学前力学前飞飞理理论论介介绍课绍课件件南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics精品课件精品课件！精品精品课课件！件！南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics精品课件精品课件！精品精品课课件！件！南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics直升机空气直升机空气动动力学前力学前飞飞理理论论介介绍课绍课件件