变转速旋翼气动特性分析及试验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92047-2056ISSN1000．6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．on变转速旋翼气动特性分析及试验研究徐明，韩东，李建波*南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，江苏南京210016摘要：直升机旋翼以固定不变的转速工作，仅能使有限状态的旋翼效率达到最优，而通过旋翼转速的变化，可以实现不同飞行状态下的旋翼效率最优。为了研究不同旋翼转速时的旋翼气动特性，首先建立了适合旋

2、翼在低转速飞行情况下的气动特性分析模型，该模型包含了Leishman—Beddoes非定常动态失速模型与适合于低马赫数(Ma<0．3)分析的Sheng失速修正模型；其次，在低速风洞2．5ITI旋翼模型试验台上试验研究了模型旋翼的悬停效率及前飞需用功率与旋翼转速之间的关系。试验与计算结果的对比表明：所建立的气动分析模型能够准确地计算旋翼在低转速情况下的气动特性；通过优化旋翼转速，增大了桨叶剖面迎角，提高了桨叶剖面的升阻比；并且当旋翼以最优转速旋转时，模型旋翼的悬停效率最大可以提高32％，前飞需用功率最大可以降低22％。关键词：变转速旋翼；气动特性；动态失速；最优转速

3、；悬停效率；功率中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2047—10由于受到发动机和传动系统的限制，以及为了减轻飞行员操纵负荷，通常直升机的工作转速是固定不变的，但当直升机巡航飞行时，相应于所需要的旋翼转速，实际工作转速往往偏高，尤其现代直升机机载油(弹)大、航程长，在整个任务时间内飞行重量变化大，这一问题更加突出。因此在某些飞行状态下，可以设法降低旋翼的转速，增加总距输入，这样，在桨叶载荷一定时，减小桨尖速度，桨叶特征剖面处的翼型升力系数就会增加，升阻比就会增大，相应的单位型阻功率也会降低。所以根据飞行状态的变化，

4、合理地改变旋翼转速能使直升机需用功率与耗油率降低，最终使直升机的航程、续航时间、爬升速度和使用升限等性能得到提高。变转速旋翼在倾转旋翼、复合旋翼、共轴双旋翼以及ABC旋翼飞行器等新构型旋翼飞行器上已经开始应用，但在常规直升机上还处于探索研究阶段。Steiner和Gandhi[13运用叶素理论计算了UH一60“黑鹰”直升机在旋翼变转速之后的需用功率，计算结果表明，直升机根据飞行状态降低转速，最大可以节省18％的功率。文献[2]～文献[5]研究了转速变化对直升机操纵性与稳定性的影响，以及旋翼变转速实现的控制算法。文献E6-1以UMARC程序代码计算分析了变转速旋翼的气

5、动特性，结果显示在低载荷情况下，旋翼转速降低30％，需用功率可降低20％，但降低旋翼转速，也会增加桨叶失速的风险。文献[7]和文献[8]分别对UH一60全尺寸旋翼模型在不同旋翼转速情况下的气动载荷进行了风洞试验研究，试验结果表明，降低旋翼转速，可以降低需用功率，提高前飞时的旋翼升阻比，同时也会引起较大的旋翼振动。美国A160高空长航时无人直升机采用收稿日期：2012—10—23；退修日期：2013—02-22；录用日期：2013一03．11；网络出版时间：2013．03．2217：35网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．

6、V．201303221735．002html基金项目：国家自然科学基金(11202097)；航空科学基金(2011ZA52004)*通讯作者．Tel．：025—84895188E-mail：libl01@nuaaedu．CRB

7、用榕武：XuM．HanD．LiJB．Analysisandexperimentalinvestigationontheaerodynamiccharacteristicsofvariablespeedrotor．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013，34(9)：2047-2056．徐明，韩东．李建

8、波i变转速旋翼气动特性分析及试验研究航空学撮，2013．34(9)：2047—2056．2048航空学报8ep．252013V01．34No．9转速优化旋翼(OptimumSpeedRotor，OSR)技术[9]，实现了航时、航程以及飞行高度等飞行性能的显著提升。James和David[1叩分析了A160直升机采用转速优化旋翼技术后所带来的益处，结果表明转速优化旋翼能使直升机的功率和耗油率最大可降低30％和18％，最大航程和航程分别可提高20％和32％，无地效悬停升限最大可提高15％。然而最近韩东[1妇根据旋翼动力学综合模型对样例直升机进行了性能计算与配平研究，结

9、果表明，降