直升机空气动力学前飞理论介绍.ppt

1、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OXsYsZs 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

2、+ Rsin 径向分量 Rcos 轴向分量 r + Rsin 反流区 范围：0 r - Rsin ，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

3、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

4、，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 + Rsin 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，

5、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

6、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

7、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