航空知識：直升機(jī)原理(1)旋翼的的空氣動力特點

共同成長888 2014-09-23

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航空知識：直升機(jī)原理(1)旋翼的的空氣動力特點

(1)產(chǎn)生向上的升力用來克服直升機(jī)的重力?！〖词怪鄙龣C(jī)的發(fā)動機(jī)空中停車時，駕駛員可通過操縱旋翼使其自轉(zhuǎn)，仍可產(chǎn)生一定升力，減緩直升機(jī)下降趨勢。

　　(2)產(chǎn)生向前的水平分力克服空氣阻力使直升機(jī)前進(jìn)，類似于飛機(jī)上推進(jìn)器的作用(例如螺旋槳或噴氣發(fā)動機(jī))。

　　(3)產(chǎn)生其他分力及力矩對直升機(jī)；進(jìn)行控制或機(jī)動飛行，類似于飛機(jī)上各操縱面的作用。旋翼由數(shù)片槳葉及一個槳轂組成。工作時，槳葉與空氣作相對運動，產(chǎn)生空氣動力；槳轂則是用來連接槳葉和旋翼軸，以轉(zhuǎn)動旋翼。槳葉一般通過鉸接方式與槳轂連接(如下圖所示)。

　　旋翼的運動與固定翼飛機(jī)機(jī)翼的不，因為旋翼的槳葉除了隨直升機(jī)一同作直線或曲線動外，還要繞旋翼軸旋轉(zhuǎn)，因此槳葉空氣動力現(xiàn)象要比機(jī)翼的復(fù)雜得多。

　　先來考察一下旋翼的軸向直線運動這就是直升機(jī)垂直飛行時旋翼工作的情況，它相當(dāng)于飛機(jī)上螺旋槳的情況。由于兩者技術(shù)要求不同，旋翼的直徑大且轉(zhuǎn)速小；螺旋槳的直徑小而轉(zhuǎn)速大。在分析、設(shè)計上就有所區(qū)別設(shè)一旋冀，槳葉片數(shù)為k，以恒定角速度Ω 繞軸旋轉(zhuǎn)，并以速度 Vo沿旋轉(zhuǎn)軸作直線運動。如果在想象中用一中心軸線與旋翼軸重合，而半徑為 r的圓柱面把槳葉裁開(參閱圖 2，1—3)，并將這圓柱面展開成平面，就得到槳葉剖面。既然這時槳葉包括旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，對于葉剖面來說，應(yīng)有用向速度 (等于Ωr)和垂直于旋轉(zhuǎn)平面的速度(等于 Vo)，而合速度是兩者的矢量和。顯然可以看出(如圖2．1—3)，用不同半徑的圓柱面所截出來的各個槳葉剖面，他們的合速度是不同的：大小不同，方向也不相同。如果再考慮到由于槳葉運動所激起的附加氣流速度(誘導(dǎo)速度) )，那么槳葉各個剖面與空氣之間的相對速度就更加不同。與機(jī)翼相比較，這就是槳葉工作條件復(fù)雜，對它的分析比較麻煩的原因所在。

旋翼拉力產(chǎn)生的滑流理論

　　現(xiàn)以直升機(jī)處于垂直上升狀態(tài)為例，應(yīng)用滑流理論說明旋翼拉力產(chǎn)生的原因。此時，將流過旋翼的空氣，或正確地說，受到旋翼作用的氣流，整個地看做一根光滑流管加以單獨處理。假設(shè)：

　　空氣是理想流體，沒有粘性，也不可壓縮；

　　旋轉(zhuǎn)著的旋冀是一個均勻作用于空氣的無限薄的圓盤(即槳盤)，流過槳盤的氣流速度在槳盤處各點為一常數(shù)；

　　氣流流過旋翼沒有扭轉(zhuǎn)(即不考慮旋翼的旋轉(zhuǎn)影響)，在正常飛行中，滑流沒有周期性的變化。

　　根據(jù)以上假設(shè)可以作出描述旋翼在：垂直上升狀態(tài)下滑流的物理圖像，如下圖所示，圖中選取三個滑流截面， So、 S1和 S2，在 So面，氣流速度就是直升機(jī)垂直上升速度 Vo，壓強(qiáng)為大氣壓Po，在 S1的上面，氣流速度增加到V1= Vo+v1，壓強(qiáng)為P1上，在S1 的下面，由于流動是連續(xù)的，所以速度仍是 V1，但壓強(qiáng)有了突躍Pl下＞P1上，P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面，氣流速度繼續(xù)增加至V2=Vo+v2，壓強(qiáng)恢復(fù)到大氣壓強(qiáng)Po。

　　這里的v1是槳盤處的誘導(dǎo)速度。v2是下游遠(yuǎn)處的誘導(dǎo)速度，也就是在均勻流場內(nèi)或靜止空氣中所引起的速度增量。對于這種現(xiàn)象，可以利用牛頓第三用動定律來解釋拉力產(chǎn)生的原因。

旋翼的錐體

　　在前面的分析中，我們假定槳葉位：槳轂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。實際上，目前的直升機(jī)都具水平鉸。旋翼不旋轉(zhuǎn)時，槳葉受垂直向下的本身重力的作用(如下圖左)。旋翼旋轉(zhuǎn) 時，每片葉上的作用力除自身重力外，還有空氣動力和慣性離心力?？諝鈩恿ο蛏系姆?T)方向與重力相反，它繞水平鉸構(gòu) 成的力矩，使槳葉上揮。慣性離心力(F離心)相對水乎鉸所形成的力矩，力求使槳葉在槳轂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)(如下圖右)。在懸?；虼怪憋w 行狀態(tài)中，這三個力矩綜合的結(jié)果，使得槳葉保持在與槳轂旋轉(zhuǎn)平面成某一角度的位置上，翼形成一個倒立的錐體?！~從槳轂旋轉(zhuǎn)平面揚(yáng)起的角度叫錐角。槳葉產(chǎn)生的拉力約為槳葉本身重量的10一15倍，但槳葉的慣性和離心力更大(通常約為槳葉拉力的十幾倍)，所以錐角實際上并不大，僅有3度一5度。

懸停時功率分配

　　從能量轉(zhuǎn)換的觀點分析，直升機(jī)在懸停狀態(tài)時(如下圖) 發(fā)動機(jī)輸出的軸功率，其中約90％用于旋翼，分配給尾槳、傳動裝置等消耗的軸功率加起來約占 10％。旋翼所得到的90％的功率當(dāng)中，旋翼型阻功率又用去20％，旋翼用于轉(zhuǎn)變成氣流動能以產(chǎn)生拉力的誘導(dǎo)功率僅占70％。

旋翼拉力產(chǎn)生的渦流理論

　　根據(jù)前面所述的理論，只能宏觀地確定不同飛行狀態(tài)整個旋翼的拉力和需用功率，但無法得知沿旋翼槳葉徑向的空氣動力載荷，無法進(jìn)行旋設(shè)計。為此，必須進(jìn)一步了解旋翼周圍的流場，即旋冀槳葉作用于周圍空氣所引起的誘導(dǎo)速度，特別是沿槳葉的誘導(dǎo)速度，從而可計算槳葉各個剖面的受力分布。

　　在理論空氣動力學(xué)中，渦流理論就是求解任一物體(不論飛機(jī)機(jī)翼或旋翼槳葉)作用于周圍空氣所引起的誘導(dǎo)速度的方法。從渦流理論的觀點來看，旋翼槳葉對周圍空氣的作用，相當(dāng)于某一渦系在起作用，也就是說，旋翼的每片槳葉可用一條(或幾條)附著渦及很多由槳葉后緣逸出的、以螺旋形在旋翼下游順流至無限遠(yuǎn)的尾隨渦來代替。

　　按照旋翼經(jīng)典渦流理論，對于懸停及垂直上升狀態(tài)(即軸流狀態(tài))，旋翼渦系模型就像一個半無限長的渦拄，由一射線狀的圓形渦盤的附著渦系及多層同心的圓柱渦面(每層渦面由螺旋渦線所組成)的尾跡渦系兩部分所構(gòu)成(如下圖所示)。