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1、直升机空气动力学基础第四章 前飞时旋翼桨叶工作原理,旋翼动力学国防科技重点实验室 唐正飞,旋翼和桨叶的相对气流桨叶的挥舞运动桨叶的摆振运动桨叶的变距运动及旋翼操纵原理,前飞特征：旋翼处于斜流状态：桨盘迎角 不等于 旋翼构造轴系OXsYsZs 在前行桨叶一侧：右旋旋翼：指向右方 左旋旋翼：指向左方,第一节 旋翼和桨叶的相对气流1-1 旋翼的相对气流 平行于构造平面的速度系数，前进比：垂直于构造平面的速度系数，流入比：讨论：各飞行状态下旋翼构造迎角、前进比和入流比（悬停飞行、垂直飞行、平飞）,1-2 桨叶的相对气流 前飞时桨叶相对气流图 方位角、前行桨叶、后行桨叶 桨叶剖面的相对气流速度：来自 旋
2、转、前进、诱速、桨叶挥舞周向分量 r+Rsin径向分量=Rcos 轴向分量=反流区范围：r+Rsin 0 r-Rsin，只在后行一侧，是直径为R的圆。,第二节 桨叶的吹风挥舞运动 2-1 挥舞铰容许桨叶上下挥舞 气流不对称 桨叶升力不对称 形成侧翻力矩及根部大弯矩 设置挥舞铰 桨叶随升力增减而 上下挥舞速度 使剖面迎角变化 桨叶升力趋于均衡消除了侧翻力矩 挥舞铰处弯矩为0。挥舞引起桨叶剖面的迎角改变：,2-2 挥舞运动方程计入挥舞惯性力，写出力矩平衡方程：式中：离心力力矩 挥舞惯性力矩 重力力矩 很小且是常数，不计；升力力矩暂不详列，得：,或与质量-弹簧-阻尼系统方程相对比 可得出结论：1,挥
3、舞运动是典型的周期性振动激振力矩是空气动力力矩，离心力矩是恢复力矩，阻尼力矩含在气动力矩中。方程的解可写为 高阶项量值很小，可只取到一阶为止。,挥舞固有频率正是旋翼的旋转角频率，因而一阶挥舞是 对于一阶空气动力谐波的共振（因阻尼很大，不发散）。3 挥舞运动消除了旋翼倾翻力矩 将挥舞角表达式 代入挥舞运动方程，得 对比 得 此式表明，桨叶的升力力矩不随方位角变化，旋转中保持常值。挥舞运动自动消除了气流不对称引起的旋翼侧倾力矩。讨论：气动力矩是常值，怎么会是激振力,2-3 挥舞运动的几何图象 挥舞角表达式中 锥度角 是常数项，与方位角无关，表示各片桨叶向上抬起相同的角度，形成倒锥轨迹，称为 旋翼锥
4、体。,后倒角 和侧倾角 令：表示桨叶在不同方位角处的挥舞角变化，也代表旋锥体倾斜量：各桨叶在方位 处都抬高 度，在 处都下垂 度，表明旋翼锥体向后倾倒了 角。称为旋翼后倒角。同理，桨叶在方位 处下垂了，在 处上台了，称为侧倾角。,2-4 挥舞系数的物理意义锥度角 取决于桨叶升力、重力和离心力各力矩中的常量部分的平衡。轴流状态如悬停时无斜吹风，后倒角 旋转平面内周向气流 r+Rsin左右不对称引起的挥舞。挥舞相对速度形成迎角补偿 与气流速度相结合，使升力力矩保持不变。,侧倾角 锥度角 以及旋翼诱导速度 分布前小后大，引起 前后桨叶的剖面迎角不对称，造成旋翼锥体向方位角 一侧倾倒 度。,讨论：吹风
5、挥舞的相位旋翼桨盘处流速左右不对称，引起旋翼纵向挥舞-后倒角剖面迎角前后不对称，引起旋翼横向挥舞-侧倾角如何理解这种 的相位差？,第三节 桨叶的摆振运动 桨叶上下挥舞时，其质心至旋转中心的距离周期性改变，会在旋转平面内产生科氏力，在桨根引起很大的交变弯矩。在桨根设置摆振铰，容许桨叶在科氏力作用下前后摆振，消除了交变弯矩。,摆振运动方程：讨论：摆振铰能否设置在旋翼中心？,第四节 桨叶的变距运动通过自动倾斜器和变距铰，使旋翼桨叶桨距周期改变：桨叶的升力随之改变。4-1 直升机的飞行操纵 升降-操纵旋翼总桨距，改变拉力大小 前后左右飞操纵桨叶周期变距 和，改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度 航向-操
6、纵尾桨总距，改变尾桨拉力值,4-2 变距与挥舞等效 变距引起周期挥舞，使旋翼锥体倾斜。周期变距改变了桨叶原先的升力，引起新的挥舞运动。桨叶将在一个新的轨迹面上稳定旋转，相对该平面不再有周期变距，即新的桨尖轨迹平面与操纵平面平行：周期变距操纵引起同等大小的挥舞-变距与挥舞等效。周期变距操纵 引起的挥舞角响应，比操纵输入滞后：引起的挥舞为前飞时，依靠操纵挥舞克服吹风挥舞，并使旋翼锥体（拉力）向所需要的方向倾斜，合成的挥舞角是：,第五节 偏置铰旋翼和无铰旋翼 5-1 偏置铰旋翼 为便于结构布置及增大桨毂力矩，挥舞铰不在旋转中心，而是有 偏置量。计算挥舞力矩时对挥舞铰（不是对旋转中心）取矩，挥舞方程变
7、为 式中，多在（3-5）%偏置铰旋翼的挥舞固有频率略高于旋转角频率，对于吹风及操纵的响应不再恰好是共振，滞后略小于。对旋翼的空气动力特性无显著影响，但会产生桨毂力矩，对直升机的平衡及操纵性与稳定性有重要作用。,5-2 无铰式旋翼 无挥舞铰，桨叶以自身的柔性或桨毂中的柔性元件实现挥舞运动。桨毂结构及维护工作大为简化，改善了旋翼性能。数学分析方法：把无铰式旋翼当作有偏置量、有约束刚度（扭簧）的有铰式旋翼。,小结1，旋翼在斜流中运转，造成桨叶气流及迎角不对称。2，为消除倾翻力矩，设置挥舞铰，旋翼产生挥舞运动：桨叶升力与离心力决定锥度角，斜流使锥体倾倒。3，旋翼旋转与挥舞引起科氏力，令有摆振运动以消除弯矩。4，为使旋翼向所需的方向倾斜所需的角度，令旋翼做变距 运动。变距与挥舞等效。5，挥舞铰偏置，旋翼可产生桨毂力矩。挥舞对于吹风及操 纵的响应不再恰是共振。,
