直升机旋翼技术及发展

直升机旋翼技术及其发展主要内容1、引言2、旋翼的主要动力学问题3、旋翼技术的发展4、新概念、新构型旋翼一、引言1.1旋翼的功用产生直升机飞行所需的力——升力面实现直升机的操纵——操纵面桨尖平面前倾旋翼总拉力驾驶杆前移旋翼总拉力桨尖平面前倾驾驶杆左倾一、引言1.2旋翼的工作特点（1）旋翼气动环境的特殊性悬停时旋翼桨叶上的相对气流呈三角形分布，不随方位角变化前飞时旋翼桨叶上的相对气流是前飞速度与旋转速度的合成，合速度的大小及方向各处都不同因此，旋翼桨叶上的空气动力时刻在变化桨盘上的速度分布1）不对称气流一、引言2）旋翼桨叶的复杂运动旋翼不仅旋转、前飞，还有挥舞、摆振、变距运动挥舞运动桨叶通过挥舞铰上下挥舞，挥舞相对速度使桨叶剖面迎角变化——桨叶升力实现动态平衡。摆振运动挥舞运动引起桨叶前后方向的交变哥氏力，对桨根产生很大交变力矩，因而在桨根又设置了摆振铰，允许桨叶前后摆振——由此引起地面共振。变距运动为了改变旋翼拉力的大小和方向，需通过变距铰改变桨叶桨距，实现对直升机的飞行操纵。挥舞、摆振、变距运动使桨叶的运动及空气动力更加复杂一、引言3）直升机上的气动干扰旋翼尾流与机身的相互干扰旋翼尾流与尾桨、尾面的气动干扰桨涡干扰（中、小速度飞行时）这些干扰随飞行状态在变化，使旋翼流场及空气动力发生变化一、引言由于以上原因，使桨叶上各处的速度不同、迎角不同，在旋转中持续变化，从而使诱导速度及产生的空气动力也在持续变化——周期交变高速飞行时，前行桨叶的压缩性及后行桨叶的动态失速也使桨叶迎角剧烈变化即使在定常飞行状态下，旋翼产生的气动载荷也是周期交变的这些因素给旋翼流场、涡系描述、气动力建模及气动力测试带来很大困难4）旋翼的非定常空气动力一、引言（2）旋翼桨叶本身的特殊性离心力场中细长、刚度很低的弹性体——容易产生振动响应桨叶固有频率难以做到远离激振力频率——容易引起共振旋翼桨叶各运动自由度之间及旋翼与机体之间存在着复杂的耦合关系变距/挥舞/摆振耦合示意图一、引言1.3产生的后果交变气动环境交变气动载荷桨叶弹性振动动应力—旋翼疲劳直升机振动桨叶各自由度之间的耦合旋翼桨叶的动力不稳定一定条件下旋翼运动与机体间的耦合直升机机体的动力不稳定一定条件下地面共振空中共振传动系统动力不稳定一、引言1.4旋翼设计的特殊性（1）由于旋翼的工作特点，使旋翼的分析方法以及设计中的工程处理方法与其它结构相比有着明显的特殊性：与空气动力密切联系的结构动力学问题特别突出——气动弹性在细节设计上主要是抗疲劳设计（2）旋翼设计主要是动力学设计问题——直升机技术就等于动力学（3）一些主要动力学问题预估的准确度往往偏低，从而依赖于实验和试飞，这也是直升机研制成本高、周期长的主要原因。（4）旋翼的某些结构动力学特性及其参数还与直升机的飞行动力学特性直接相关——旋翼操纵功效、角速度阻尼、迎角静稳定性——也对设计有影响。二、旋翼的主要动力学问题2.1旋翼动特性旋翼动特性主要指旋翼桨叶的固有振型以及对应的固有频率（模态特性）——它是研究旋翼动力学问题的基础——对直升机动力学，甚至飞行力学都有重要影响旋翼桨叶由三个方向的运动——挥舞、摆振、扭转，相应有这三个方向的固有特性，在有些情况下这三个方向的固有模态之间存在着耦合。旋翼动特性与旋翼型式密切相关——即与桨毂型式有关2.1.1桨叶固有特性二、旋翼的主要动力学问题桨叶动特性可以采用有限元或其它方法进行计算，并通过试验验证计算所用原始参数是桨叶的质量、刚度分布，质量刚度计算结果也要通过试验验证2.1.2旋翼桨叶动特性的计算rm(kg)r初始值优化结果3/EI10(kg-m2)二、旋翼的主要动力学问题计算结果：桨叶共振图及振型图要求：在旋翼工作转速范围桨叶固有频率与激振力频率有一定差值，避免发生共振或过度振动旋翼动特性优化设计二、旋翼的主要动力学问题2.1.3旋翼的基阶模态●铰接式旋翼的零阶模态及无铰式、无轴承式的一阶模态一般统称为基阶模态，它对直升机动力学及飞行力学最为重要。铰接式旋翼的挥舞基阶模态的固有频率可以表示为：2)1(0ΩIMlpjpjpj——挥舞铰外移量——绕挥舞铰质量静矩——绕挥舞铰质量惯矩pjlpjMpjI对于带弹性铰的铰接式旋翼（球柔性），可近似表示为：12)1(1ΩIMlIK——绕挥舞铰的弹性约束刚度K一般铰接式旋翼基阶固有频率UH-60A直升机：)04.1~03.1(1035.11%7.4l二、旋翼的主要动力学问题●对于无铰式和无轴承式旋翼桨叶基阶模态可以采用等效模型来处理以便与铰接式进行比较等效铰模型2)1(1ΩIMlIK——当量弹簧刚度——当量挥舞铰外伸量Kl一般无铰式和无轴承式旋翼在额定转速时)15.1~08.1(1当量挥舞铰外伸量约为11%~21.5%l二、旋翼的主要动力学问题●摆振基阶模态●扭转模态相对比较复杂，这里不介绍摆振基阶模态也可以采取类似的处理方法21ΩIMlIKIMlK、、、分别为绕摆振铰的弹簧刚度、摆振铰外伸量、绕摆振铰静矩及惯矩。对纯铰接式：lK,)3.0~2.0(01，约为3%~5%当采用粘弹减摆器时，会显著提高，达到0.6Ω1一般无铰式及无轴承式旋翼)7.0~6.0(1—摆振柔软式如果进一步提高，使111—摆振刚硬式二、旋翼的主要动力学问题一副旋翼是由多片桨叶构成的，在研究旋翼动力学问题时必须考虑如何描述整个旋翼的运动，这就是整体振型——多片桨叶同频率同幅值运动时，由于相位不同而形成的运动形态。集合型各片桨叶的相位差0或的整数倍2.1.4旋翼的整体振型2二、旋翼的主要动力学问题周期型（后退型、前进型）各片桨叶的相位顺旋转方向依次递增——后退型各片桨叶的相位顺旋转方向依次递减——前进型2/k2/k二、旋翼的主要动力学问题无反作用型相位依次递增或递降不同的整体振型与机体耦合关系不同无反作用型：与机体没有耦合集合型：挥舞运动与机体垂直向运动相耦合摆振运动与桨毂中心的扭转运动相耦合周期型：挥舞运动与桨毂中心有纵、横向角位移的机体运动相耦合摆振运动与桨毂中心有纵、横向水平位移的机体运动相耦合二、旋翼的主要动力学问题2.2旋翼的振动载荷当直升机具有水平速度时（前、侧、倒飞），即使是在定常状态，由于旋翼旋转与飞行速度的叠加：——桨叶剖面的切向速度是随方位角而周期变化的——诱导速度分布不均匀——气动干扰、失速、压缩性影响造成旋翼的气动环境及其复杂，从而使桨叶的气动载荷必然是周期变化的气动载荷可以分解为以为基频的傅里叶级数，即包含有旋翼转速整数倍的各次谐波的成分：。在各次谐波气动载荷作用下，会引起桨叶同频率的各阶模态的动响应（弹性振动），此响应又会反馈于气动载荷，形成一个气动弹性耦合的响应问题,旋翼的振动载荷.1、2、3、二、旋翼的主要动力学问题气动载荷及桨叶振动惯性力在桨叶剖面中产生交变弯矩、切力桨叶疲劳；其中最大的是一次、二次谐波成分，谐波次数越高载荷幅值越小。从直升机振动的角度考虑：交变的桨根力和力矩合成起来形成桨毂力和力矩桨毂六力素；桨根力和力矩也包含有各阶谐波成分，但仅其中一部分能合成起来传递给机身，其余都互相抵消了（桨毂是各滤波器）。合成后的桨毂六力素在固定坐标系中的频率为的整数倍（），称旋翼主通过频率直升机的振源。kNkk二、旋翼的主要动力学问题旋翼桨叶的气动载荷及其响应是直升机空气动力学及动力学中最复杂的问题，预估准确度低。特别是低速和高速飞行时振动载荷预估的准确度更低。降低旋翼振动载荷的措施（1）避免共振（2）气动载荷越接近某阶模态，这阶模态的响应就越大（负扭转）（3）提高外载与振型函数的正交性——改变气动载荷的分布（4）过轻的桨叶对动应力不利二、旋翼的主要动力学问题从降低直升机振动考虑（1）旋翼桨叶片数K增加时，传给机体的桨毂激振力降低（2）小速度和高速度飞行时会出现激振力的峰值，特别是消速状态（3）无铰式旋翼的桨毂激振力矩往往要比铰接式高（4）如果能合成桨毂激振力的桨叶载荷谐波次数与桨叶固有频率接近，则桨毂激振力加大。二、旋翼的主要动力学问题2.3旋翼动力稳定性旋翼桨叶有挥舞、摆振、扭转（变距）等运动自由度，这些自由度之间存在着复杂的耦合关系，包括气动、惯性、结构、几何（运动）等不同性质的耦合，在一定条件下，由于这些耦合两个自由度运动之间会有相互激励作用，即一个自由度运动对另一个自由度作用力作正功，输入能量，如果这个激励作用作用超过了系统阻尼，就会引起系统的发散运动，出现动不稳定性。旋翼主要有：挥舞/摆振动不稳定性变距/挥舞动不稳定性——经典颤振变距/摆振动不稳定性动不稳定性分析主要采用特征分析法，建立运动方程后解出其特征值及特征向量，特征值实部为正时系统是不稳定的，不稳定区的下边界称为临界转速。二、旋翼的主要动力学问题2.4旋翼与机体耦合的动力稳定性地面共振是直升机在地面开车、滑行、滑跑时发生地面共振只可能在摆振柔软旋翼的摆振后退型固有频率与机体在起落架上的振动频率重合或接近时发生不稳定源是两个运动之间的相互激励，能量来源是旋翼的旋转动能桨叶摆振固有频率越低，桨叶总质量与直升机总质量之比越大，不稳定性越大只有同时存在摆振阻尼及机体（起落架）阻尼才可能消除地面共振不稳定性1.直升机地面共振当时，整个系统出现不稳定旋翼摆振1摆振后退型1水平激振力1机体在起落架上的振动b1b二、旋翼的主要动力学问题空中共振是直升机在飞行中出现的旋翼与机体耦合的动不稳定现象，不稳定源还是后退型摆振运动与机体运动之间的相互激励，但挥舞运动也起作用，即与空气动力有关，它是直升机动力学中最复杂的问题之一。铰接式旋翼在工作转速范围内只可能发生地面共振摆振柔软的无铰、无轴承旋翼地面、空中共振都可能存在摆振刚硬式则不存在这个问题2.直升机空中共振二、旋翼的主要动力学问题2.5旋翼/动力/传动扭振系统动力学问题扭转共振由旋翼/动力/传动/尾桨组成的机械扭振系统，在直升机地面开车及飞行时会有从旋翼桨毂上传递的基频为的交变扭矩作用在扭振系统上，当扭振系统的固有频率与激振力频率接近或重合时，在系统中就会产生过大的交变载荷，以至引起传动系统结构的疲劳破坏。k二、旋翼的主要动力学问题扭振系统的耦合动稳定性传动链机械扭振系统在扭振时与发动机燃调系统相耦合，形成的闭环系统在一定的条件下会成为动不稳定。通过调节燃调系统的增益和桨叶减摆器提供的阻尼来消除系统扭振燃调系统转速传感器脉动供油量脉动功率涡轮扭矩脉动二、旋翼的主要动力学问题2.6旋翼激振力旋翼的质量及气动不平衡产生作用于桨毂中心处的纵向及横向激振力及力矩，其频率为，从而引起直升机振动（对旋翼无影响）。旋翼可能的不平衡1）制造误差产生的各片桨叶对旋翼中心的质量静矩不相等或相邻两片桨叶之间的夹角不相等，离心力不平衡。2）各片桨叶的气动外形、安装角、扭转变形不相等，气动不平衡消除措施1）制造过程中严格控制各组件的尺寸、外形及质量准确度。2）设计补偿措施。旋翼静平衡、动平衡（调锥度）11三、旋翼技术的发展3.1旋翼的重要性旋翼特性的优劣直接影响和决定直升机的性能、飞行品质、动力学特性、安全可靠性。旋翼技术的发展不断推动着直升机技术的发展和进步，是直升机更新换代的重要标志。旋翼技术的研究与发展是直升机技术持续发展的永恒主题。旋翼由桨叶和桨毂两个设计要求有很大差别的部分组成三、旋翼技术的发展3.2旋翼技术的发展历程从20世纪30年代第一架实用的直升机问世到现在，从技术特征看直升机已经经历了四个发展阶段，而旋翼技术一直是其重大技术进步的主要动力和重要指标之一。因此，也可以认为旋翼技术的发展也经历了四个发展阶段（或四代）第一代上世纪50年代中期之前桨叶采用木质/混合式结构、常规对称翼型、无负扭转、桨毂为全铰接式，带摩擦减摆器，桨叶寿命500小时。直-5Bell-47