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旋翼的空气动力

  (1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。 即使直升机的发动机空中停车时, 驾驶员可通过操纵旋翼使其自转,仍可产生一定升 力,减缓直升机下降趋势。

  (2)产生向前的水平分力克服空气阻 力使直升机前进,类似于飞机上推进器的作用(例 如螺旋桨或喷气发动机)。

  (3)产生其他分力及力矩对直升机; 进行控制或机动飞行,类似于飞机上各操纵面的作用。 旋翼由数片桨叶及一个桨毂组成。工作时,桨叶与空气作相对 运动,产生空气动力;桨毂则是用来连接 桨叶和旋翼轴,以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。

  旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不,因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外,还要绕旋翼轴旋转,因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。

  先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况,它相当于飞机上螺旋桨的情况。由于两者技术要求不同,旋翼的直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所区别设一旋冀,桨叶片数为k,以恒定角速度Ω 绕轴旋转,并以速度 Vo沿旋转轴作直线运 动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合,而半径为 r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图 2,1—3),并将这圆柱面展开成平面,就得到桨叶剖面。 既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动,对于叶剖面来说,应有用向速度 (等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于 Vo), 而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图2.1—3),用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是不同的: 大小不同,方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶 运动所激起的附加气流速度(诱导速度) ),那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加 不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作 条件复杂,对它的分析比较麻烦的原因所在。

现以直升机处于垂直上升状态为例,应用滑流理论说明 旋翼拉力产生的原因。此时,将流过旋翼的空气,或正 确地说,受到旋翼作用的气流,整个地看做一根光滑流 管加以单独处理。假设:

  空气是理想流体,没有粘性,也不可压缩;

  旋转着的旋冀是一个均匀作用于空 气的无限薄的圆盘(即桨盘),流过桨盘的气流速度 在桨盘处各点为一常数;

  气流流过旋翼没有扭转(即不考虑 旋翼的旋转影响),在正常飞行中,滑流没有周期性的变化。

  根据以上假设可以作出描述旋翼在: 垂直上升状态下滑流的物理图像,如下图所示,图中选取三个滑流截面, So、 S1和 S2,在 So面,气流速度就是直升机垂直上升速度 Vo,压强为大气压Po,在 S1的上面, 气流速度增加到V1= Vo+v1,压强为P1上,在S1 的下面,由于流动是连续的,所以速度 仍是 V1,但压强有了突跃Pl下>P1上,P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面,气流速度继续增加至V2=Vo+v2,压强恢复到大气压强Po。

  这里的v1是桨盘处的诱导速度。v2是下游远处的诱导速度,也就是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象,可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。

旋翼的锥体

  在前面的分析中,我们假定桨叶位:桨毂旋转平面内旋转。实际上,目前的直升机都具水平铰。旋翼不旋转时,桨叶受垂直 向下的本身重力的作用(如下图左)。旋翼旋转 时,每片叶上的作用力除自身重力外, 还有空气动力和惯性离心力。空气动力拉力向上的分(T)方向与重力相反,它绕水平铰构 成的力矩,使桨叶上挥。惯性离心力(F离心)相对 水乎铰所形成的力矩,力求使桨叶在桨毂 旋转平面内旋转(如下图右)。在悬停或垂直飞 行状态中,这三个力矩综合的结果,使得 桨叶保持在与桨毂旋转平面成某一角度的位置上,翼形成一个倒立的锥体。 桨叶从桨毂 旋转平面扬起的角度叫锥角。桨叶产生的拉力约为桨 叶本身重量的10一15倍,但桨叶的惯性和离心力更 大(通常约为桨叶拉力的十几倍),所以锥 角实际上并不大,仅有3度一5度。

悬停时功率分配

  从能量转换的观点分析,直升机在悬停状态时(如下图) 发动机输出的轴功率,其中约90%用于旋翼,分配给尾桨、 传动装置等消耗的轴功率加起来约占 10%。旋翼 所得到的90%的功率当中,旋翼型阻功率又用去20%,旋翼用于 转变成气流动能以产生拉力的诱导功率仅占70%。

根据前面所述的理论,只能宏观地确定不同飞行状态整个旋翼的拉力和需用功率,但 无法得知沿旋翼桨叶径向的空气动力载荷,无法进行旋设计。为此,必须进一步了解旋翼周围的流场,即旋 冀桨叶作用于周围空气所引起的诱导速度,特别是沿桨叶的诱导速度,从而可计算桨叶各个剖面的受力分布。

   在理论空气动力学中,涡流理论就是求解任一物体(不论飞机机翼或旋翼桨叶)作用于周围空气所引起的诱导速 度的方法。从涡流理论的观点来看,旋翼桨叶对周围空气的作用, 相当于某一涡系在起作用,也就是说,旋翼的每片桨叶可 用一条(或几条)附着涡及很多由桨叶后缘逸出的、以螺旋形在旋翼下游顺流至无限远的尾随涡来代替。

   按照旋翼经典涡流理论,对于悬停及垂直上升状态(即轴流状态),旋翼涡系模型就像 一个半无限长的涡拄,由一射线状的圆形 涡盘的附着涡系及多层同心的圆柱涡面(每层涡面 由螺旋涡线所组成)的尾迹涡系两部分所构成(如下图所示)。

  直升机旋停、垂直上升状态的涡柱

  这套涡系模型完全与推进螺旋桨的情况相同。至于旋冀在前飞状态的涡系模型,可以合 理地引伸为一个半无限长的斜向涡柱,由一圆形涡盘的附着涡系及多层斜向螺旋涡线的斜向涡面的尾迹涡系两部分所构成(如下图所示)。

直升机前飞状态的涡柱

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