直升机的空气动力学原理

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1、第三章直升机的空气动力学原理旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不同，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。旋翼（升力）系统基本概念：将发动机功率转化为飞行和操纵所需要的力的机械装置。通过加速空气产生推力。其整体性能可用桨尖速度、翼型特性、实度和桨盘载荷来描述。转动惯量影响直升机自转性能，设计时也必须考虑。基本组成：桨叶、桨毂、自动倾斜器、尾桨等。旋翼（升力）系统（续）基本参数：桨盘平面（面积）桨盘载荷桨叶载荷桨尖马赫数和前进比桨叶数目惯量旋翼实度旋翼拉力旋翼前进比旋翼下洗旋翼诱导速度旋翼直径旋翼（升力）

2、系统（续）旋翼类型：铰接式、半铰接式、无铰式、无轴承式。旋翼（升力）系统（续）旋翼（升力）系统（续）旋翼（升力）系统（续）旋翼（升力）系统（续）铰接式旋翼：具有挥舞铰、摆振铰和变距铰。桨叶与桨毂若完全刚性连接，则前飞时前行桨叶和后行桨叶两边的升力差，使直升机出现横侧倾覆力矩，同时桨叶根部承受很大的静、动载荷。为了消除这些现象，在旋翼结构上设置了挥舞铰；为了消除因桨叶挥舞而产生的哥氏力的影响，设置了摆振铰；为了改变桨距从而改变升力而设置了变距铰。这种型式的旋翼桨毂构造复杂，重量大，气动阻力大，使用寿命短，制造成本和维护费用高。旋翼（升力）系统（续）半铰接式

3、（半刚性）旋翼：只有变距铰和挥舞铰，而没有摆振铰。其构造较简单，但操纵性差。无铰式（刚性）旋翼：只有变距铰。桨叶在挥舞和摆振方向相对于桨毂是刚性连接的，桨叶的挥舞和摆振运动由桨叶根部（或桨毂支臂）的弯曲弹性变形来实现。无轴承式旋翼：无任何机械铰。桨叶的挥舞、摆振和变距运动由桨叶根部（或桨毂支臂）的弯曲、扭转弹性变形来实现。最新发展旋翼。3.1旋翼的空气动力学特点完全刚性的直升机旋翼空气动力学非常复杂，不对称气流是造成直升机旋翼动力学和空气动力学许多问题的原因。前行桨叶感受着旋转速度和前飞速度之和，在高速前飞时，桨尖马赫数达到0.92～0.95。后行桨叶感受着旋转速

4、度和前飞速度之差，它的内侧有一个反流区，因低速而使它在大迎角下工作，在高速前飞时容易发生气流分离失速。升力当地阻力系数CD桨毂阻力前行桨叶高速度小桨距升力诱导速度离心力后行桨叶机身阻力低速度大桨距旋翼系统运动学旋翼系统存在以下运动和运动耦合：摆振运动（减摆器和前后限动块）挥舞运动（上、下限动块和限制器）变距运动变距-摆振不稳定性变距-挥舞不稳定性挥舞-摆振不稳定性旋翼系统动力学旋翼系统动力学振动载荷疲劳载荷颤振地面共振空中共振阵风载荷扭转稳定性旋翼的流场旋翼（升力）系统（续）旋翼桨叶扭转几何扭转：沿旋翼桨叶的展向各剖面（翼型）的弦线不在同一平面内，而相互间存在一定夹

5、角，即桨叶各剖面具有不同安装角的桨叶布置。若桨叶剖面的安装角从桨根到桨尖是逐渐减小的，则称为负扭转；若剖面安装角沿展向的变化是线性的，则称为线性扭转。旋翼桨叶几何负扭转，有利于改进悬停状态的桨叶诱导速度分布，而且在大速度前飞状态可推迟前行桨叶翼面局部激波的产生和延缓后行桨叶的失速；但对于自转下滑状态，桨叶的几何负扭转的影响是不利的。直升机旋翼桨叶多采用线性扭转，少数直升机采用非线性扭转，桨叶几何扭转范围一般为-8º~-14º。气动扭转气动扭转：沿旋翼桨叶的展向各剖面（翼型）的零升力线不在同一平面内，而相互间存在一定夹角的桨叶布局。桨叶沿展向选用不同弯度的翼型，翼弦

6、虽在同一平面内，但零升力线不在同一平面上，这种仅由于零升力迎角的不同在实质上形成的剖面迎角的相对扭转，称气动扭转。其在改善悬停和前飞状态的旋翼气动性能方面与几何扭转有类似的效果。桨尖涡干扰3.1.1旋翼和桨叶的运动速度使用旋翼构造轴系。坐标原点在旋翼中心。竖轴OY沿s旋翼的构造旋转轴，向上为正；纵轴OX指向前方与速s度V在构造旋转平面（S-S平面）的投影重合。若旋翼0旋转方向，定义为右旋旋翼。横轴OZ按右手规则确定s（若是左旋旋翼按左手规则确定）OZ轴方向.sYsZs旋转方向X旋翼构造旋转平面（S—S平面）sαsT尾桨V0前进比和流入比把来流V与旋翼的构造旋转平面（

7、S—S平面）之间的0夹角α定义为旋翼构造迎角。平行于构造旋转平面的S速度系数μ称为前进比Vcos0SR垂直于构造旋转平面的速度系数λ称为轴向来流系数0（或流入比）Vsin0S0R速度系数在悬停飞行，由于V=0，则μ=0，λ=0。α无意义。00s在垂直下降，由于V自下而上流向旋翼，则μ≈0，0α≈90°，λ＞0。s0在垂直上升，μ≈0，α≈-90°，λ＜0。s0在前飞状态，直升机飞行速度越大，μ值越大，α≈-s5～10°，λ＜0。来流从斜上方吹向旋翼。0如计入旋转平面处的等效轴向诱导速度V1，则旋转的轴向气流为（