纵列式直升机双旋翼流场及性能初步试验研究(26室 黄水林)(8)

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1、第二十六届(2010年)全国直升机年会论文纵列式直升机双旋翼流场及性能初步试验研究黄水林1招启军2林永峰1李明1刘平安1(1.中国直升机设计研究所旋翼动力学重点实验室，江西景德镇，333001；2.南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，江苏南京，210016)摘要：通过加装一台套单旋翼试验台，与原有的单旋翼试验台组成了双旋翼试验台。基于测力天平和PIV技术，通过改变前后两旋翼的水平和轴向间距，测量了纵列式双旋翼不同气动布局干扰状态下的流场特性和旋翼性能，并与单旋翼进行对比。结果表明：悬停时，后旋翼性能和单旋翼基本一致；前飞时，后旋翼性能比单旋翼的差，且随前进比的增加，后旋翼性能与单旋

2、翼性能的差距会越来越大。关键词：直升机；旋翼；纵列式；流场；性能0引言直升机是低入流的飞行器，其旋翼桨叶拖出的形状畸变和螺旋发展的桨尖涡，直至下游很远处才会散去，导致旋翼更多的受到自身尾流的影响[1]。对于一前一后分布的纵列式直升机双旋翼来说，两旋翼还存在相互干扰的影响。特别是前飞时，尾迹向后倾斜，后旋翼可直接处在前旋翼的尾流之中，使得后旋翼的流场分布变得更为复杂，而前旋翼一定程度上也受后旋翼的诱导干扰影响。这些都增加了双旋翼气动干扰计算的难度，因此开展纵列式双旋翼流场及性能的试验研究具有重要意义。纵列式双旋翼气动干扰特性与双旋翼的纵向布局、重叠面积、旋转平面的垂向间距等密切相关。先前的研

3、究工作[2][3]表明，与单旋翼相比，后旋翼（上旋翼）受干扰影响严重，而前旋翼受影响较小，尤其是随前进比的加大，这种趋势更加明显。纵列式前后旋翼间的气动干扰影响到旋翼的流场特性，同时也影响旋翼性能。国外在上世纪五十年代就开始了纵列式双旋翼直升机的研制，当时的研究大多数是针对于纵列式直升机的总体性能、操稳特性等方面[4][5]，而对气动干扰及干扰下的旋翼性能开展研究很少。而后，一些研究者采用简单的动量和叶素理论研究了两旋翼重叠区域的气动干扰问题，例如，文献[6]推导了悬停情况下纵列式旋翼性能的计算公式，并对之前的一些试验做了综述。尽管国外纵列式直升机已经有比较成熟的机型，然而，在纵列式直升机

4、双旋翼气动干扰试验研究方面，根据检索到的资料来看，国外公开发表的文献并不多。国内尚未进行过纵列式双旋翼气动干扰的旋翼台和风洞试验研究。本文基于PIV技术，测量了悬停和前飞状态，纵列式双旋翼和单旋翼情况时的旋翼平均速度场、瞬态速度场及涡量分布的结果。基于测力系统，获得了不同纵向间距和轴向间距布局状态下的纵列式旋翼与单旋翼性能的对比。得出了对纵列式双旋翼直升机气动设计有一定指导意义的结果。1试验设备及模型试验用到的主要试验设备及模型有：旋翼试验台（两台套）、模型桨叶及桨毂（两套）、低速风洞、六分力天平、数据采集与分析系统、PIV测量系统等。1.1试验台及旋翼模型本试验在南京航空航天大学直升机旋

5、翼动力学重点实验室的2米级旋翼试验台上进行。实验室原来的试验台（称为主旋翼台）只能用于单旋翼的试验测量，为了适合于纵列式双旋翼，本试验在实验室设备基础上增加了一个简易的旋翼试验台架（称为副旋翼台），构成了一个纵列式双旋翼模型试验系统。纵列式双旋翼试验台和风洞如图1所示。265在保持转速一致的情况下，调整主旋翼台（后旋翼）的转动方向为左旋，副旋翼台（前旋翼）的转动方向为右旋，这样就保证了两旋翼的转速一样且旋向相反。根据风洞的吹风方向，试验时，纵列式的后旋翼置于主旋翼台上，而纵列式的前旋翼安装在副旋翼台上。图1模型旋翼试验台及风洞图2模型旋翼及测力天平系统模型旋翼的桨毂形式是挥舞铰接式，摆振柔

6、性片。旋转方向:后旋翼为左旋，前旋翼为右旋。转速1200rpm，对应桨尖速度约为128.177m/s。试验测量所用到的模型旋翼、桨叶、桨毂及测力天平系统如图2所示。1.2旋翼气动力测量系统试验时，用于旋翼气动力测量的数据采集与分析系统包括动态数据采集分系统、旋翼六分量天平和扭矩天平等，数据采集与分析系统如图3所示。模型旋翼的拉力由六分量天平测量，扭矩由扭矩天平测定。图4给出了该测量与处理系统的示意框图。需要说明的是，试验时只有一套数据采集系统可用，因此性能测量时，只测量了受干扰严重的后旋翼。图3数据采集系统图4测量与处理系统示意框图1.3旋翼流场PIV测量系统图5PIV系统实物说明示意图P

7、IV技术是图像分析技术的一种，它采用时间间隔很短的两个脉冲光源照亮所需要测量的流场，利用CCD（感光器）将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，再使用计算机进行图像处理得出速度场的信息。其原理为：由脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的（1－2mm265）面；再采用与激光面垂直方向的PIV专用跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关