直升机空气动力学前飞理论PPT学习教案

1、会计学1直升机空气动力学前飞理论直升机空气动力学前飞理论第五章第五章 前飞时的旋翼理前飞时的旋翼理论论 在轴流状态旋翼理论的基础上，在轴流状态旋翼理论的基础上，计入桨叶的环境和运动，得到前飞状态计入桨叶的环境和运动，得到前飞状态的旋翼滑流理论、叶素理论和涡流理论。的旋翼滑流理论、叶素理论和涡流理论。这 些 理 论 是 直 升 机 科 技 的 基 础 。这 些 理 论 是 直 升 机 科 技 的 基 础 。第1页/共22页 第一节第一节 前飞滑流理论前飞滑流理论1-1 1-1 基本假定基本假定 与垂直飞行（轴流）状态的假定相同。速度为二与垂直飞行（轴流）状态的假定相同。速度为二维。维。 滑流边界

2、仍以滑流边界仍以旋翼直径旋翼直径为基准为基准： 讨论讨论 为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？ 第2页/共22页1-2 诱导速度诱导速度 速度轴系OXVYVZV和旋翼构造轴系OXDYDZD 在速度轴系内在速度轴系内 上游上游0 00 0截面处截面处： 桨盘桨盘1 11 1截面处截面处： 下游下游2 22 2截面处截面处：0000 xyVVV 0000 xyvv 11xyVV110110 xxyyvVVvV 22xyVV220220 xxyyvVVvV 第3页/共22页根据动量定理和动能定理，得根据动量定理和动能定理，得：结论 在斜流状态，旋翼桨盘处的诱导速度

3、在数值上等于下游很远处的诱导速度的一半，在方向上两者彼此平行。 这一结论与轴流状态的完全一致12121212xxyyvvvv 1212xxyyvvvv 212vv 12/VV12/vv第4页/共22页1-31-3 旋翼的拉力和功率旋翼的拉力和功率定常前飞时推力定常前飞时推力 升力升力 需用功率需用功率 代入代入得到与轴流状态形式相同的式子得到与轴流状态形式相同的式子：但须注意但须注意111cos()sin()cos()sin()DDyDxDTYXvvv 22011()xyxyxyXmvYmvPPPX VvYv 1 14TCVv 10()KTTmC vC 101 VVv 第5页/共22页 1-4

4、 1-4 桨盘处诱导速度随前飞速度减小桨盘处诱导速度随前飞速度减小由由 得到得到 当当 后后，010101cos()()()sin()DDVvVv 22100 112sin()DVVV vv 221 1100 11442sin()TDCVvvVV vv 2104TCv 01)()sin()()(2)()(4101100310121002101vvvVvvvVvvD011010()() 10Vvvv 110vv010Vv01)()sin()()(2)()(4101100310121002101vvvVvvvVvvD010/5Vv D可用 第6页/共22页 前飞滑流理论小结前飞滑流理论小结1 1，

5、诱导速度及拉力的公式，形式上与轴流状态的相，诱导速度及拉力的公式，形式上与轴流状态的相同同 ， 但但速度的合成是按向量速度的合成是按向量关系关系 即即2 2，前飞中，在前飞中，在保持旋翼拉力不变保持旋翼拉力不变的条件下，的条件下， 轴向诱导速度随前飞速度的增大而减小。轴向诱导速度随前飞速度的增大而减小。 巡航飞行时诱导功率仅为悬停时巡航飞行时诱导功率仅为悬停时 的的 20% 20% 以下。以下。诱导速度与前飞速度的关系图诱导速度与前飞速度的关系图101VVv 212vv 1 14TCVv 12/vv22100112sin()DVVV vv 第7页/共22页 第二节第二节 前飞叶素理论前飞叶素理

6、论2-1 2-1 桨叶剖面气流及迎角桨叶剖面气流及迎角 气流速度气流速度，源自，源自: : 飞行相对流速飞行相对流速 旋转相对速度旋转相对速度 挥舞相对速度挥舞相对速度 旋翼诱导速度旋翼诱导速度 0 和和r V = r 1v (r, ) 1010cossincoscos()sin()coscossinxzyWrWvWvV 第8页/共22页 - 9 迎角变化： 即使无周期变距，桨叶任一剖面的气动环境总是在周期性变化。每旋转一周，在速度迎角图上的轨迹成8字形。 桨盘平面上的剖面迎角分布很不 均匀，后行桨叶一侧迎角大，容易 发生气流分离。 桨叶挥舞是造成迎角变化大的主 要原因。迎角与速度相匹配，消除

7、 了倾翻力矩。*arctanyyxxWWWW 第9页/共22页 2-2 2-2 旋翼空气动力旋翼空气动力 同轴流状态的处理方法一样，同轴流状态的处理方法一样，把叶素的升力、阻力把叶素的升力、阻力 转换转换为旋翼的基元拉力和旋转阻力为旋翼的基元拉力和旋转阻力旋翼空气动力在桨毂中心分解为旋翼空气动力在桨毂中心分解为： 拉力拉力 T T 沿旋翼轴，向上沿旋翼轴，向上 后向力后向力H H 垂直于旋翼轴，顺风向后垂直于旋翼轴，顺风向后 侧向力侧向力 S S 指向方位角指向方位角9090度方向度方向 反扭矩反扭矩 M Mk k 与旋转方向相反与旋转方向相反dYdX、dTdQ、*cossincossindT

8、dYdXdQdXdY 第10页/共22页cossinsincoscossinsincosssskdTdTdHdQdTdSdQdTdMdQr dTdQ、212001227001201211()()22TxxyskCaWW Wbdrdkarvrvr bdr 第11页/共22页对于最简单的矩形桨叶、诱速均布且无周期变距的旋翼对于最简单的矩形桨叶、诱速均布且无周期变距的旋翼，同样办法，可得同样办法，可得基元功率系数为基元功率系数为经简化，得经简化，得形式与轴流的相同，只是增加了拉进功率一项及速度修正形式与轴流的相同，只是增加了拉进功率一项及速度修正。2701133()(1)322TCaKa SCHC

9、及及10cos()kyTHTTTTHdmW dCWdXdCdCWdXv dCdCV dCdC 第12页/共22页 第三节第三节 挥舞运动系数挥舞运动系数在挥舞运动方程中，气动力矩在挥舞运动方程中，气动力矩为了解挥舞方程，为了解挥舞方程，把上式展开为富氏级数把上式展开为富氏级数：对于最简单的情况，对于最简单的情况， 即即 123201()()2TxxyMR R aWW W brdr 01c1s b v v v 、 、都都是是常常数数， 则则有有：011()() cos() sinTTTcTsMMMM 23207702200111()() ()(1)24111(0.025 0.008)()334T

10、sMR Ra bvv 第13页/共22页 代入挥舞运动方程代入挥舞运动方程 等式两侧的同阶谐波系数应相等。等式两侧的同阶谐波系数应相等。已知已知 ，得到对应关系式得到对应关系式2322171110111111()()(1)(1)()242423TccMR Ra bbva 231770222110012()() ()0.03323131111(1)(1)() 423422TssMR Ra bvav 202dad 20011()()0()0TyeTcTsMaIMM 201122211()() cos() sinTTTcTsyeyedMMMMdII 第14页/共22页得挥舞系数得挥舞系数： 2070

11、00211111 ()(1)()4334yesavv 式中 桨叶质量特性系数（洛克数）： 注意：一些西方国家文献中，洛克数不含1/2.讨论： 1，各系数的物理解释 2，“变距与挥舞等效”是否依然成立？ 注：当直升机有俯仰或滚转角速度时，旋翼还有随动挥舞。2101141 ()(1)32cbav 47/2yeyea bRI 21700012222214412 ()()(1)111323111222savv a第15页/共22页 第四节第四节 摆振运动系数摆振运动系数 ()bjRQbjlMrldQ ()sinbjRlxbjlxlMrldF ()bjRbjlMrldF 空气阻力力矩：离心力力矩：惯性力

12、力矩：()bjRgsbjgslMrldF 哥氏力力矩：减摆器力矩：0fgslxQMMMMM力矩平衡方程为：导出各力矩的表达式，代入平衡方程，可得到摆振运动的微分方程：ffdMKd 第16页/共22页 摆振运动象挥舞运动一样，也是典型的简谐振动，激振力是科摆振运动象挥舞运动一样，也是典型的简谐振动，激振力是科 氏力和气动阻力（很小），但固有频率仅为旋转角频率的大约氏力和气动阻力（很小），但固有频率仅为旋转角频率的大约一半。一半。 桨叶后退角是旋翼反扭矩桨叶后退角是旋翼反扭矩 与离心力矩平衡的结果。摆与离心力矩平衡的结果。摆 振幅值取决于科氏力振幅值取决于科氏力。 讨论讨论 为何不以桨盘与来流的正

13、交面积为基准？为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？利用处理挥舞运动同样的方法，可解得三个摆振系数：2010 10 110 10 1/2/(1)22/(1)2KbjyebjyeyebjyeyeMel Skl Sea ba bIl Sfa aa aI 2221()()2fbjyeQyeyeyeKl SdddMdIdIId 第17页/共22页 前飞叶素理论小结1，前飞中，桨叶的运动及气流很复杂： 前进、旋转、挥舞、变距、摆振、弹性变形（未计） 剖面的迎角、速度及空气动力总在变化中。2，由剖面的空气动力出发，经积分得出旋翼的空气动力特性（拉力、后向力、侧向力、扭矩和功率）；与桨叶运动方程相结合，得出挥

14、舞系数和摆振系数。 上述内容，是直升机飞行性能、配平、操稳计算的前提，也是动力学分析和结构设计的基础知识。 比机翼空气动力学复杂 讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为基准讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？第18页/共22页 第四节第四节 前飞涡流理论前飞涡流理论 环量及轴向诱导速度分布都用富氏级数表示环量及轴向诱导速度分布都用富氏级数表示dxvVV01)(01 基本假定与轴流的相同，只是涡系延伸方向按桨盘平面处的合速度方向来处理： 涡系的倾角取为011( , )( )( )cos( )sincsrrrr 011( , )( , )( )( )cos( )sinycsv rv rv rvrvr 第19页/共22页根据王适存广义涡流理论，可以得出各阶系数的解析式。根据王适存广义涡流理论，可以得出各阶系数的解析式。仅为解释物理概念，做许多简化后，得仅为解释物理概念，做许多简化后，得旋翼环量分布一般为：旋翼环量分布一般为： 桨盘上升力系数分布为：桨盘上升力系数分布为： 可见，后行桨叶会因速度增大而失速加可见，后行桨叶会因速度增大而失速加剧剧*7()5( , )1sin (0.7)3rrr 77(1sin )6(0.7, )(1sin )0.7yyCC 大大第2