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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，XXXX，333001；2.XX航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，XXXX，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。先前的研究工作
3、23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45，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，在纵列式直升机双旋翼气动干扰试验研究方面，根
4、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XX航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室的2米级旋翼
5、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。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，摆振柔性片。旋转方向:后旋翼为左旋，前旋翼
6、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5 PIV系统实物说明示意图PIV技术是图像分析技术的一种
7、，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（12mm）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原理处理，就可以得到流场中的速度场分布。PIV测试设备硬件系统包括：照明激光器、同步控制器、图像采集板、高速数字相机和计算机，如图5所示。2 试验状态及方法纵列式双旋翼及单旋翼情况PIV流场测量试验状态总表如表1
8、所示。表1 PIV流场测量状态总表纵向间距垂向间距前进比()单旋翼0.0、0.05、0.1纵列式双旋翼/R=2.05/R=0.20.0、0.05、0.1/R=1.8(=30%)/R=0.20.0、0.05、0.1/R=1.5(=50%)0.0、0.05、0.1/R=1.3(=70%)/R=0.20.0、0.05、0.1/R=0.30.0、0.05、0.1/R=0.40.0、0.05、0.1上表中，/R代表纵向间距与旋翼半径之比，表示两旋翼的重合度，而/R是轴向间距与旋翼半径之比。试验时旋翼性能测量状态总表如表2所示。表2旋翼性能测量状态总表纵向间距垂向间距前进比()单旋翼0.0、0.05、0.
9、1、0.15纵列式双旋翼/R=2.05(=0%)/R=0.40.0、0.05、0.1、0.15/R=0.20.0、0.05、0.1、0.15/R=1.8(=30%)/R=0.20.0、0.05、0.1、0.15/R=1.3(=70%)/R=0.30.0、0.05、0.1、0.15/R=0.40.0、0.05、0.1、0.15图6是试验件及试验台结构示意图，图中左侧旋翼台为主旋翼台，右侧旋翼台是简易旋翼台，V代表风洞吹风方向。以后旋翼（R1）的桨毂中心定义为坐标中心，沿x方向为机体纵向，沿y方向为机体横向。试验时分别调整简易旋翼台的底座高度来满足试验状态中垂向结构参数的需要，调整简易旋翼台的纵向
10、安装位置来改变旋翼纵向间距。1.旋翼桨叶 2.六分量天平 3.扭矩天平 4.联轴节 5.电机6.底座一 7.底座二 8.台架图6 试验件及试验台结构示意图图7是PIV流场测量数据处理的计算机界面图。图8为PIV流场测量试验流程图。图7 PIV流场测量数据处理图8 PIV流场测量试验流程图3 试验结果及分析3.1旋翼速度场及涡量分布测量试验3.1.1 旋翼平均速度场图9为悬停状态总距为9度时，纵列式双旋翼纵向间距/R为1.5，轴向间距/R为0.2时（下文中简化为（1.5-0.2）与单旋翼情况时桨尖处的平均速度场。总体而言，在该测量区域，相比于单旋翼，纵列式双旋翼时的下洗更大，且尾迹的径向收缩程度
11、要小于单旋翼。(a) 单旋翼(b) 双旋翼图9 悬停状态纵列式单旋翼和双旋翼速度场图10给出了前飞状态（=0.1）的平均速度场。由图可知，单旋翼情况时，由于此状态该位置的轴向诱导速度与来流相比很小，所以图中基本呈现为来流方向速度。而纵列式双旋翼时，因为两副旋翼的相互诱导作用，该区域仍有较大的下洗速度，因而其合速度矢量向左下偏斜。(a) 单旋翼(b) 双旋翼图10 前飞状态纵列式双旋翼和单旋翼速度场（=0.1）3.1.2旋翼瞬态速度场及涡量分布图11给出了纵列式双旋翼（1.5-0.2）与单旋翼悬停状态总距为9度时，一个典型方位角（282.8度）时测量位置的旋翼瞬态涡量（图中颜色代表）及诱导速度场
12、（图中箭头线代表）。(a) 单旋翼(b) 双旋翼图11旋翼瞬态涡量及速度场（=0，=282.8）图12则为前飞状态（=0.05）的旋翼瞬态涡量及诱导速度场。需要说明的是，前飞时，图中速度矢量已经减去了来流的影响。对比悬停和前飞试验结果可见，前飞时由于尾迹的偏斜，其流场的涡量分布和诱导速度分布与悬停时有很大不同，而且轴向诱导速度明显比悬停时要小。(a) 单旋翼(b) 双旋翼图12 旋翼瞬态涡量及速度场（=0.05，=282.8）图13还相应给出了单旋翼前飞（=0.05）总距角为9度时，不同方位角下局部放大的桨尖涡附近诱导速度分布。从图中可清晰地看出，桨尖涡附近的诱导速度呈现出明显的漩涡状分布，且
13、漩涡中心所处位置会随桨叶方位角的不同而变化（=180时，涡中心位置约为x/R=0.74，而=282.8时，涡中心位置则在x/R=0.84左右）。(a) =180(b) =282.8图13 不同方位角时的单旋翼瞬态涡量及速度场（=0.05）3.2 旋翼气动性能测量试验3.2.1悬停状态旋翼性能试验由于测量中只有一套天平和相应的采集系统，以及风洞吹风的方向问题，试验中只测量了纵列式受干扰比较严重的后旋翼。图14和图15为悬停状态不同纵向间距和轴向间距时，本文试验测量的后旋翼性能及与单旋翼性能的对比。从图中可以看出，悬停时，在本文的测量状态下，纵列式双旋翼情况的后旋翼由于受到前旋翼的干扰程度较弱，其
14、性能和单旋翼基本一致，但略微差些，总的来看，纵向间距和轴向间距对后旋翼性能的影响不大。(a) 纵向间距(b) 轴向间距图14 纵列式后旋翼与单旋翼性能比较（0）3.2.2 前飞状态旋翼性能试验图15为纵向间距为1.8、轴向间距为0.2时，不同前进比下的后旋翼性能与单旋翼性能的对比。从图中可以看出，前飞时后旋翼性能比单旋翼的差，且随前进比的增加，后旋翼性能与单旋翼性能的差距会越来越大。这显然是因为，前飞时纵列式前旋翼的尾迹倾斜，对后旋翼产生了越来越严重的干扰。(a) 0.05(b) 0.1(c) 0.15图15不同前进比时后旋翼与单旋翼性能曲线（1.8-0.2）图16给出了前飞（0.1）不同纵向
15、间距和轴向间距时后旋翼性能与单旋翼性能测量结果的比较。由图可见，由于前旋翼的干扰影响，后旋翼性能明显比单旋翼时的差，且随纵向间距的减小，性能会变得更差些，而轴向间距对后旋翼性能影响相对较小。(a) 纵向间距(b) 轴向间距图16 纵列式后旋翼与单旋翼性能比较（0.1）4 结论(1) 悬停时，相比于单旋翼，纵列式双旋翼时的下洗更大，且尾迹的径向收缩程度要小于单旋翼。(2)前飞时由于尾迹的偏斜，其流场的涡量分布和诱导速度分布与悬停时有较大不同；相对于单旋翼情况，纵列式双旋翼下方流场中仍然有较大的下洗速度。(3) 前飞时，旋翼桨尖涡附近的诱导速度呈现出明显的漩涡状分布，且漩涡中心所处位置会随桨叶方位角的不同而变化。(4) 悬停时，纵列式的后旋翼由于受到前旋翼的干扰程度较弱，其性能和单旋翼基本一致，且纵向和轴向间距的变化对后旋翼性能的影响都不大。(5) 前飞时，后旋翼受前旋翼的干扰影响严重，后旋翼性能比单旋翼的差，且随前进比（本试验状态）的增加，其差值会越来越大；前飞时纵向和轴向间距对纵列式
