直升机空气动力学前飞理论

南京航空航天大学,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,直升机技术研究所,Institute of Helicopter Technology,直升机空气动力学,Helicopter,Aerodynamics,直升机空气动力学,第四章 前飞时旋翼桨叶的工作原理,旋翼和桨叶的相对气流,桨叶的挥舞运动,桨叶的摆振运动,桨叶的变距运动及旋翼操纵原理,旋翼处于斜流状态：,桨盘迎角 不等于,旋翼构造轴系,OX,s,Y,s,Z,s,在前行桨叶一侧：,右旋旋翼：指向右方,左旋旋翼：指向左方,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）,1-2,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+,R,sin,径向分量 ,R,cos,轴向分量,r+,R,sin,反流区,范围,：,0,r,-,R,sin,，,只在后行一侧，是直径为,R,的圆,。,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：,2-2,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：,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。,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？,2-3,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。,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,。,2-4,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+,R,sin,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。,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。,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,？,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。,摆振运动方程：,讨论：摆振铰能否设置在旋翼中心？,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,4-2,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：,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,，,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。,5-2,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，改善了旋翼性能。,数学分析方法：把无铰式旋翼当作有,偏置量、有约束刚度,（扭簧）的有铰式旋翼。,小 结,1,，旋翼在斜流中运转，造成桨叶,气流及迎角不对称。,2,，为消除倾翻力矩，设置挥舞铰，旋翼产生,挥舞运动：,桨叶升力与离心力决定锥度角，斜流使锥体倾倒。,3,，旋翼旋转与挥舞引起,科氏力,，令有,摆振运动,以消除弯矩。,4,，为使旋翼向所需的方向倾斜所需的角度，,令,旋翼做,变距,运动,。变距与挥舞等效。,5,，挥舞铰偏置，,旋翼可产生桨毂力矩。,挥舞对于吹风及操,纵的响应不再恰是共振。,