直升机空气动力学-叶素理论.ppt

,直升机空气动力学,第二章 垂直飞行时的叶素理论 1、叶素理论的基本概念 2、桨叶翼型的空气动力特性 3、旋翼的空气动力特性,第一节 叶素理论的基本概念 桨叶由连续布置的无限多个桨叶微段（即叶素）组成 分析叶素的运动、受力情况，建立叶素的几何特性、运动特性和空气动力特性之间的关系 对叶素的空气动力沿桨叶和方位角积分，得到旋翼的拉力和功率公式。,1-1 叶素的气动环境 叶素坐标系oxyz oz 桨叶的变距轴线 ox 旋转前进方向 oy 在翼型平面内垂直于XOZ 叶素的相对气流速度 w 垂直上升相对速度 旋转相对速度 当地诱导速度,1-2 角度关系 安装角 翼弦与构造旋转平面的夹角（桨距角） 来流角 相对气流与构造旋转平面的夹角 迎角 相对气流与翼弦的夹角 讨论：不可只按桨距大小推测升力或功率大小， 须关注上升率及下降率对迎角的影响。,第二节、桨叶翼型的空气动力特性 2-1 旋翼桨叶的常用翼型 几何特征： 由上、下弧线坐标给定 相对厚度 最大厚度位置 弯度 前缘半径 后缘角,2-2 升力、阻力特性曲线 升力特性曲线（失速前） 气动迎角 升力线斜率 阻力特性曲线 主要取自实验数据,极曲线 -翼型升力系数与阻力系数的关系 图上的五个特征点： 型阻系数最小值 最有利状态点 最经济状态点 最大升力系数 零升阻力系数,2-3 对前缘的力矩特性曲线： 若升力合力作用点在 有 ， 对任一点 X 若使 则 翼弦上距前缘 的点称为翼型焦点，绕焦点的力矩不随升力变化，总等于零升力矩。,焦点位置是固定的，它不因迎角变化而移动。 常用翼型在低速下， 翼型气动合力的作用点称为压力中心 位置为 是随迎角变化的。 讨论：桨叶的变距轴线为何一般安置在焦点处,2-4 雷诺数的影响 翼型雷诺数 Re 体现气流粘性对空气动力的影响，雷诺数越大，粘性的影响越小。 Re 对升力线斜率影响不大，对最大升力系数影响显著， Re 越大 C ymax 越大。 雷诺数影响翼型摩擦阻力。一般是 型阻随雷诺数增大而减小。,2-5 马赫数的影响 马赫数 M= V/a ， 体现气流压缩性的影响。 M 越大，压缩性的影响越显著。 马赫数对升力特性的影响 M数越大， 翼型最大升力系数越小， 但升力曲线斜率稍增。,马赫数对阻力特性的影响 M 数接近 1 时，翼型前缘 产生激波，阻力突增，称 阻力发散。 阻力发散马赫数 因迎角增大而下降。 马赫数对力矩特性的影响 力矩发散马赫数的确定：,讨论一 翼型的适用范围有限 迎角不能太大受限于气流分离（失速） 速度不能太大受限于阻力和力矩突增 物理实质：气流粘性和可压缩性起作用 分别以 Re 和 Ma来表征 讨论二 探寻、创造新翼型 C ymax 大 大 力矩小变化平缓 动态特性好,第二章 垂直飞行时的叶素理论 14 桨叶运转转中，迎角和相对速度不断变化。希望翼型的动态特性回线范围小。,第三节、旋翼的空气动力特性 3-1 旋翼拉力和功率公式 作用在叶素dr段的升力和阻力为： dX与dY的合力为dR。 dR在旋翼转轴和构造平面的分力为dT和dQ， 分别称为基元拉力和基元旋转阻力。,由dT 和dQ 可得 叶素的基元扭矩dM和 消耗的基元功率dP： 积分并计入全部桨叶，得 旋翼总拉力和功率为：,简化： 1）积分限由r0、r1改为由0到R，采用叶端损失系数来修正 2）除桨叶根部外，一般飞行状态下 *10o，近似地： 从而有： 简化为 旋翼的拉力和功率为：,写成无因次形式： 式中：,3-2 旋翼拉力系数的简化式 1 ) 矩形桨叶 b 为常数，定义旋翼实度 2）假定翼型升力系数沿桨叶为常数，等于Cy7， 则得：,实际上，Cy 沿桨叶径向是变化的，用 Cy7 来代表 会得到偏大的拉力。可用拉力修正系数来处理： 式中，KT 表示拉力沿桨叶分布不均匀的影响。 线性扭转的常用矩形桨叶，KT 约为0.96。 一般直升机的CT 值多在0.010.02之间。 把上式变一下，得： CT /表示单位桨叶面积的拉力系数。,3-3 旋翼功率系数的简化式 采用导出拉力系数的同样方法，得出旋翼功率系数的简化式。对于矩形桨叶， 为常数，用实度表示， 式中 第一项为型阻功率系数， 第二项为有效功率系数， 第三项为诱导功率系数。,型阻功率系数： KP 为型阻功率修正系数。常用的矩形桨叶，KP 1。 对梯形桨叶，KP 值随根梢比而变化： 根梢比 ye 1 2 3 4 修正系数 KP 1.0 0.94 0.91 0.88 空气压缩性（马赫数）对型阻功率也有影响，须另行修正。,垂直上升消耗的有效功率系数: 诱导功率系数: 式中 J 为计及诱导速度不均布的修正系数。 旋翼总的需用功率为三部分之和:,第四节、儒可夫斯基旋翼 儒氏旋翼定义：诱导速度沿桨盘均匀分布的旋翼。此种旋翼诱导功率最小。 为此，须桨叶速度环量沿半径不变（称为 儒氏条件）： 此时，拉力系数为：,儒氏条件建立了桨叶宽度与安装角的关系。 由 在矩形桨叶条件下， 有 已知 由此得矩形桨叶儒氏旋翼安装角 桨叶安装角、来流角、迎角 沿径向的变化如双曲线型,讨论： 旋翼桨叶通常采用线性扭转 儒氏旋翼: 气动性能最好， 但是，对于不同的飞行状态（如上升率V0不同)，最佳扭转规律不同。例如在悬停状态下，安装角应是 因而，通常采用线性扭转， 通用性较好，又便于制造,小 结 由翼型