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1、南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics直升机空气直升机空气动力学力学南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Techno
2、logy直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics第五章第五章 前飞时的旋翼实际前飞时的旋翼实际 在轴流形状旋翼实际在轴流形状旋翼实际的根底上，的根底上，计入桨叶的环境和运动，得计入桨叶的环境和运动，得到前飞形状的旋翼滑流实际、到前飞形状的旋翼滑流实际、叶素实际和涡流实际。叶素实际和涡流实际。这些实际是直升机科技的根这些实际是直升机科技的根底。底。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Insti
3、tute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第一节第一节 前飞滑流实际前飞滑流实际1-1 1-1 根本假定根本假定 与垂直飞行轴流形状的假定一样。速与垂直飞行轴流形状的假定一样。速度为二维。度为二维。 滑流边境仍以旋翼直径为基准：滑流边境仍以旋翼直径为基准： 讨论讨论 为何不以桨盘与来流的为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？正交面积为基准？ 南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astrona
4、utics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics1-2 诱导速度 速度轴系OXVYVZV和旋翼构造轴系OXDYDZD 在速度轴系内 上游00截面处： 桨盘11截面处： 下游22截面处：南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升
5、机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics根据动量定理和动能定理，得：根据动量定理和动能定理，得：结论结论 在斜流形状，旋翼桨盘处的诱导速度在数值上等于下在斜流形状，旋翼桨盘处的诱导速度在数值上等于下游很远处的诱导速度的一半，在方向上两者彼此平行。游很远处的诱导速度的一半，在方向上两者彼此平行。 这一结论与轴流形状的完全一致这一结论与轴流形状的完全一致南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Insti
6、tute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics1-3 1-3 旋翼的拉力和功率旋翼的拉力和功率定常前飞时推力定常前飞时推力 升力升力 需用功率需用功率 代入代入得到与轴流形状方式一样的式子：得到与轴流形状方式一样的式子：但须留意但须留意南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直
7、升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 1-4 1-4 桨盘处诱导速度随前飞速度减小桨盘处诱导速度随前飞速度减小由由 得到得到 当当 后，后，可用可用 南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 前飞滑流实际小
8、结前飞滑流实际小结1，诱导速度及拉力的公式，方式上与轴流形状的一样，诱导速度及拉力的公式，方式上与轴流形状的一样 ， 但速度的合成是按向量关系但速度的合成是按向量关系 即即2，前飞中，在坚持旋翼拉力不变的条件下，前飞中，在坚持旋翼拉力不变的条件下， 轴向诱导速度随前飞速度的增大而减小。轴向诱导速度随前飞速度的增大而减小。 巡航飞行时诱导功率仅为悬停时巡航飞行时诱导功率仅为悬停时 的的 20% 以下。以下。诱导速度与前飞速度的关系图诱导速度与前飞速度的关系图南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研
9、究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第二节第二节 前飞叶素实际前飞叶素实际2-1 桨叶剖面气流及迎角桨叶剖面气流及迎角 气流速度，源自气流速度，源自: 飞行相对流速飞行相对流速 旋转相对速度旋转相对速度 挥舞相对速度挥舞相对速度 旋翼诱导速度旋翼诱导速度 南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Inst
10、itute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics - 9 迎角迎角变变化：化： 即使无周期即使无周期变变距，距，桨桨叶任一剖面的气叶任一剖面的气动环动环境境总总是在周期性是在周期性变变化。每旋化。每旋转转一周，一周，在速度在速度迎角迎角图图上的上的轨轨迹成迹成8字形。字形。 桨盘桨盘平面上的剖面迎角分布很不平面上的剖面迎角分布很不 均匀，后行均匀，后行桨桨叶一叶一侧侧迎角大，容易迎角大，容易 发发生气流分生气流分别别。 桨桨叶叶挥挥舞是呵斥迎角舞是呵斥迎角变变化
11、大的主化大的主 要要缘缘由。迎角与速度相匹配，消除由。迎角与速度相匹配，消除 了了倾倾翻力矩。翻力矩。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-2 2-2 旋翼空气动力旋翼空气动力 同轴流形状的处置方法一样，同轴流形状的处置方法一样，把叶素的升力、阻力把叶素的升力、阻力 转换转换为旋翼
12、的基元拉力和旋转阻力为旋翼的基元拉力和旋转阻力旋翼空气动力在桨毂中心分解为：旋翼空气动力在桨毂中心分解为： 拉力拉力 T T 沿旋翼轴，向上沿旋翼轴，向上 后向力后向力H H 垂直于旋翼轴，顺风向后垂直于旋翼轴，顺风向后 侧向力侧向力 S S 指向方位角指向方位角9090度方向度方向 反扭矩反扭矩 Mk Mk 与旋转方向相反与旋转方向相反南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学
13、HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 根据根据根据根据桨桨桨桨叶叶叶叶挥挥挥挥舞角和所在的方位角，舞角和所在的方位角，舞角和所在的方位角，舞角和所在的方位角，旋翼各基元力由旋翼各基元力由旋翼各基元力由旋翼各基元力由 构成构成构成构成积积积积分、无量分、无量分、无量分、无量纲纲纲纲化，如拉力系数化，如拉力系数化，如拉力系数化，如拉力系数南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter T
14、echnology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics对于最简单的矩形桨叶、诱速均布且无周期变距的旋翼，对于最简单的矩形桨叶、诱速均布且无周期变距的旋翼，同样方法，可得同样方法，可得基元功率系数为基元功率系数为经简化，得经简化，得方式与轴流的一样，只是添加了拉进功率一项及速度修正。方式与轴流的一样，只是添加了拉进功率一项及速度修正。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute
15、of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第三节第三节 挥舞运动系数挥舞运动系数在挥舞运动方程中，气动力矩在挥舞运动方程中，气动力矩为了解挥舞方程，把上式展开为富氏级数：为了解挥舞方程，把上式展开为富氏级数：对于最简单的情况，对于最简单的情况， 即即 南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Techn
16、ology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 代入挥舞运动方程代入挥舞运动方程 等式两侧的同阶谐波系数应相等。等式两侧的同阶谐波系数应相等。知知 ，得到对应关系式，得到对应关系式南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAero
17、dynamics得挥舞系数：得挥舞系数： 式中式中 桨叶叶质量特性系数洛克数：量特性系数洛克数： 留意：一些西方国家文献中，洛克数不含留意：一些西方国家文献中，洛克数不含1/2.1/2.讨论： 1 1，各系数的物了解，各系数的物了解释 2 2，“变距与距与挥舞等效能否依然成立？舞等效能否依然成立？ 注：当直升机有俯仰或注：当直升机有俯仰或滚转角速度角速度时，旋翼，旋翼还有有随随动挥舞。舞。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter
18、Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第四节第四节 摆振运动系数摆振运动系数 空气阻力力矩：空气阻力力矩：离心力力矩：离心力力矩：惯性力力矩：惯性力力矩：哥氏力力矩：哥氏力力矩：减摆器力矩：减摆器力矩：力矩平衡方程为：力矩平衡方程为：导出各力矩的表达式，代入平衡方程，可导出各力矩的表达式，代入平衡方程，可得到摆振运动的微分方程：得到摆振运动的微分方程：南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研
19、究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 摆振运动象挥舞运动一样，也是典型的简谐振动，激振力是科摆振运动象挥舞运动一样，也是典型的简谐振动，激振力是科 氏力和气动阻力很小，但固有频率仅为旋转角频率的大约氏力和气动阻力很小，但固有频率仅为旋转角频率的大约一半。一半。 桨叶后退角是旋翼反扭矩桨叶后退角是旋翼反扭矩 与离心力矩平衡的结果。摆与离心力矩平衡的结果。摆 振幅值取决于科氏力。振幅值取决于科氏力。 讨论讨论 为何不以桨盘与来
20、流的正交面积为基准？为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？利用途置挥舞运动同样的方法，利用途置挥舞运动同样的方法，可解得三个摆振系数：可解得三个摆振系数：南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 前飞叶素实际小结前飞叶素实际小结1 1，前飞中，桨叶的运动及气流很复杂：，前飞中，桨叶的运动及气
21、流很复杂： 前进、旋转、挥舞、变距、摆振、弹性变前进、旋转、挥舞、变距、摆振、弹性变形未计形未计 剖面的迎角、速度及空气动力总在变化中。剖面的迎角、速度及空气动力总在变化中。2 2，由剖面的空气动力出发，经积分得出旋翼，由剖面的空气动力出发，经积分得出旋翼的空气动力特性拉力、后向力、侧向力、的空气动力特性拉力、后向力、侧向力、扭矩和功率；与桨叶运动方程相结合，扭矩和功率；与桨叶运动方程相结合，得出挥舞系数和摆振系数。得出挥舞系数和摆振系数。 上述内容，是直升机飞行性能、配平、操上述内容，是直升机飞行性能、配平、操稳计算的前提，也是动力学分析和构造设稳计算的前提，也是动力学分析和构造设计的根底知
22、识。计的根底知识。 比机翼空气动力学复杂比机翼空气动力学复杂 讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？基准？南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第四节第四节 前飞涡流实际前飞涡流实际 环量及轴向诱导速度分布都用富氏级数表环量及轴向诱导速度分布都用
23、富氏级数表示示 根本假定与轴流的一样，只是涡系根本假定与轴流的一样，只是涡系延伸方向按桨盘平面处的合速度方向延伸方向按桨盘平面处的合速度方向来处置：来处置： 涡系的倾角取为涡系的倾角取为南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics根据王适存广义涡流实际，可以得出各阶系数的解析式。根据王适存广义
24、涡流实际，可以得出各阶系数的解析式。仅为解释物理概念，做许多简化后，得旋翼环量分布普通为：仅为解释物理概念，做许多简化后，得旋翼环量分布普通为： 桨盘上升力系数分布为：桨盘上升力系数分布为： 可见，后行桨叶可见，后行桨叶会因速度增大而失速加剧会因速度增大而失速加剧南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics & Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerod
25、ynamics 前飞旋翼实际小结前飞旋翼实际小结1 1，旋翼流量仍以桨盘面积计算，轴向诱导速，旋翼流量仍以桨盘面积计算，轴向诱导速度度 仍坚持仍坚持 及及 。随。随着飞行速度的增大，诱导速度及诱导功率着飞行速度的增大，诱导速度及诱导功率因流量增大而减小。因流量增大而减小。2 2，桨叶各剖面的速度、迎角和空气动力都是，桨叶各剖面的速度、迎角和空气动力都是时变的。据此可计算桨叶的挥舞系数及摆时变的。据此可计算桨叶的挥舞系数及摆振系数，以及旋翼的空气动力。振系数，以及旋翼的空气动力。3 3，桨叶挥舞及诱导速度分布不均，致使后行，桨叶挥舞及诱导速度分布不均，致使后行桨叶剖面迎角远大于平均值。后行桨叶发桨叶剖面迎角远大于平均值。后行桨叶发生气流分别失速是限制直升机飞行速生气流分别失速是限制直升机飞行速度的主要妨碍之一。度的主要妨碍之一。 讨论：讨论： 为何不以桨盘与来流的正交面积为为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？基准？
