直升机系统-3(王华明-2011-03)

南京航空航天大学直升机技术研究所1.桨叶气动外形主要内容：翼型及配置、平面形状、负扭转等。1）翼型：桨叶翼型既要满足后行工作区低M数、大Cy值的要求，又要满足前行工作区高M数、小Cy值的要求，还要满足悬停状态要求。翼型的升力特性、阻力特性、力矩特性要求是个多目标问题，相互有矛盾。高性能先进翼型（旋翼桨叶专用）：HH、SC、VR、OA、NP、TSAC等系列四、旋翼桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所2）先进的桨尖形状优点：延缓气流分离（前、后行）、改善气动载荷分布及桨涡干扰、降低振动和噪声、提高气动效率。先进桨尖形状南京航空航天大学直升机技术研究所3）高性能桨叶气动外形优化复合材料的应用为研制非常规桨叶外形提供了条件，使桨叶外形设计可以做到精细化，实现优化设计。通过改变桨叶扭转规律、翼型配置、采用特型桨尖等，使桨叶性能大幅度提高，振动和噪声水平大大降低，经过优化的桨叶悬停效率可达到0.8，旋翼升阻比达到10.5，功率减少10%。南京航空航天大学直升机技术研究所桨叶优化外形及性能比较南京航空航天大学直升机技术研究所2.旋翼桨叶结构（1）要求1）振动：避免共振和过度的振动，特别是能通过桨毂传给机体的振动。2）动力稳定性：在各种使用状态下不发生经典颤振、挥/摆/扭耦合气弹不稳定性及与其它部件耦合的动力不稳定性。3）疲劳寿命：降低旋翼桨叶交变应力水平（主要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。4）静强度、静刚度要求。南京航空航天大学直升机技术研究所2.旋翼桨叶结构★避免共振和过度的振动，特别注意能通过桨毂传给机体的振动。a)与至少相隔b)与至少相隔c)与(1,2,3,4）至少相隔d)与相隔k5.0kk3,20.125.05.0南京航空航天大学直升机技术研究所★在各种使用状态下不发生经典颤振、挥/摆/扭耦合气弹不稳定性及与其它部件耦合的动力不稳定性。★疲劳寿命：降低旋翼桨叶交变应力水平（主要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。★静强度、静刚度要求。★重量南京航空航天大学直升机技术研究所（2）桨叶的结构型式及材料由于对桨叶的多方面的要求，加上当时材料、工艺、冶金水平的限制，一定时期流行的往往只是少数几种型式。影响桨叶结构型式及材料选择的主要因素：气动效率、疲劳强度。南京航空航天大学直升机技术研究所①木质/混合式桨叶（上世纪40～50年代）主要承力构件是合钢管梁，外形由木质翼肋及木质层板或布质蒙皮形成，翼肋通过卡箍与大梁连接。特点：维形件与承力件分开寿命：200～300小时混合式桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所②金属桨叶（上世纪50～60年代）主要承力件是一根铝合金“D”形或“C”形大梁，大梁同时构成翼型前缘外形。特点：桨叶载荷主要由大梁承受。寿命：可达1000小时以上。南京航空航天大学直升机技术研究所米-4直升机金属桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所Bell-47桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所云雀III桨叶云雀III桨叶采用了“C”形大梁，蒙皮也不分段以保证扭转刚度。南京航空航天大学直升机技术研究所③复合材料桨叶（70年代以后）旋翼桨叶对材料的要求可以概括为：★容易制造成复杂的气动外形，表面质量好，以提高气动效率。★具有质量、刚度的可剪裁性，高的比刚度及内阻尼。★在强度方面有高的比强度和疲劳许用应变，耐冲击，具有破损安全能力。★工艺性好，容易制造，能够获得质量、刚度的满意的重复性——互换性好、成本低。南京航空航天大学直升机技术研究所E材料性能合金钢铝合金钛合金E玻璃/环氧S玻璃/环氧碳纤维/环氧0°±45°0°±45°0°±45°0.00080.00060.00120.00150.00120.00120.00100.00130.0011从以上要求可以看出，复合材料是最具优势的材料之一，特别是对直升机旋翼有重要意义的疲劳许用应变，从下表可以看出，复合材料优势明显，特别是玻璃钢。南京航空航天大学直升机技术研究所复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分的发挥：1）为桨叶气动外形和旋翼动力学特性的优化提供了可能和条件；2）由于疲劳许用应变高，使桨叶的疲劳寿命大幅度提高，甚至达到无限寿命，能做到“视情维护”；3）良好的破损安全性能，耐撞击，对缺口效应不敏感，这正适应了武装直升机的要求；4）安全性、可靠性提高，全寿命周期成本降低。由于以上原因，新机研制几乎毫无例外都采用复合材料桨叶。南京航空航天大学直升机技术研究所主要承力件“C”形大梁。由单向玻璃纤维/环氧制成，蒙皮由±45°玻璃布构成，以提供最大的扭转刚度，内部填充件为泡沫塑料。BO-105直升机复合材料桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所主要承力件为由单向玻璃纤维预浸带铺成的“C”形大梁，另外，在翼型前、后各布置了一个“Z”形梁，与±45°铺层的碳纤维布蒙皮一起使桨叶剖面形成多闭室结构，以提高桨叶的扭转刚度，内部支承件为泡沫塑料。“海豚”直升机复合材料桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所主要承力件为玻璃钢“D”形大梁。CH-47直升机复合材料桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所④金属大梁复合材料桨叶UH-60直升机桨叶（钛合金大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所AH-64直升机桨叶（不锈钢大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所“山猫”直升机桨叶（不锈钢大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所南京航空航天大学直升机技术研究所3.桨叶主要结构参数(1)桨叶主要结构参数是指桨叶主要结构元件（大梁、蒙皮等）的剖面尺寸及其沿半径的分布规律。确定桨叶结构参数要考虑桨叶外形、静强度、刚度、重心位置、频率、疲劳寿命等因素。由于桨叶剖面形状复杂，又要满足多方面要求，所以桨叶剖面结构尺寸的确定是一个逐次近似的过程，不可能用解析方法直接得到。南京航空航天大学直升机技术研究所右图给出了桨叶结构设计过程。从这个过程可以看出，桨叶剖面特性计算是桨叶各种设计计算的依据，也是复合材料设计的特点所在。由于复合材料桨叶结构复杂，材料性能、元件的剖面尺寸常常受工艺因素影响难以准确取得，所以，复合材料桨叶剖面特性的计算一般很难做到与实际情况完全吻合，必须通过试验验证。桨叶结构设计过程南京航空航天大学直升机技术研究所（2）桨叶结构设计中的“调频”桨叶结构设计中静强度、刚度、弦向重心位置等与桨叶结构尺寸参数的关系比较明显，在设计分析中也不会有太大困难。设计中比较难处理的是如何满足固有频率的要求——调频。调频在桨叶研制过程中实际上有两个含义：（1）设计过程中的调频（2）设计完成后或试制出来以后的调频南京航空航天大学直升机技术研究所一般来说，改变EJ/m可以改变固有频率，但有困难，因为EJ增大，m也会增大，因此需要进一步研究调频规律：从频表达式第一项可以看出，实际上对频率影响最大的还是振型函数二阶导数较大的那些部位的刚度。所以，就可以设想按振型函数的特点，通过改变刚度的分布规律——刚度的局部增减来实现调频。挥舞固有频率的调整：rmyryNrmyryEJiRiRiRipRpidd)'(dd)(202020202南京航空航天大学直升机技术研究所挥舞固有频率的改变与增加局部刚度展向位置的关系从下图可以看出，桨叶中部增加刚度对一阶频率有较大影响，而根部、尖部影响很小。由于弹性刚度只对挥舞高阶振型有明显影响，所以对低阶振型一般不用这个办法，用改变离心力刚度的方法会更有效。南京航空航天大学直升机技术研究所从频率表达式第二项可以看出，只改变桨叶质量大小而不改变分布规律对频率不会有什么影响——分子、分母抵消。如果改变质量分布规律——加集中质量往往会对固有频率产生明显的影响：（1）在桨尖加质量，对离心力刚度产生较大影响，而桨根影响小；（2）对广义质量，在振型的波腹处加质量影响大，而在节点处加质量则没有影响。南京航空航天大学直升机技术研究所把这两者综合起来看：（1）靠近桨尖的振型节点处加质量，频率有较大提高；（2）靠近桨根的振型波腹处加质量，频率有较大降低。图4-15挥舞固有频率的改变与集中质量展向位置的关系南京航空航天大学直升机技术研究所旋转面离心力刚度的影响减小，弹性刚度影响增加，加之旋转面结构高度较大，所以改变桨叶弯曲刚度是旋转面调频的有效措施。扭转固有频率主要取决于线系刚度，桨叶本身主要是蒙皮的刚度贡献最大，也可以采用多闭室。南京航空航天大学直升机技术研究所3．静强度问题除了“调频”外，对静强度、刚度问题一般不难解决，但有些情况下也会发生问题。固有特性不存在尺寸效应，但静强度、刚度问题存在尺寸效应，在其它条件相同时，旋翼直径越大，应力也越大。所以，大直径桨叶这个问题较突出。4．弦向重心问题桨叶弦向重心在桨叶结构布置中难以解决，一般做法是在桨叶前沿加配重。另一个做法是将焦心后移，在桨叶后缘加后缘片。南京航空航天大学直升机技术研究所有效重心桨叶弦向重心位置沿桨叶展向可能是变化的，为了综合估计重心位置的影响，引入了一个有效重心的概念，用重心位置沿展向不变（）的桨叶来代替重心沿展向变化的桨叶，但两个桨叶挥舞对扭转的惯性耦合是完全相同的。gXRRggmbrdrrdrmXX06/在桨叶设计时，为了防止颤振，总是要把桨叶有效重心位置调到桨叶剖面焦心之前，一般要加桨叶前缘配重。南京航空航天大学直升机技术研究所5．桨叶抗疲劳设计问题桨叶疲劳寿命的高低是桨叶设计成败的关键，它不仅取决于选用的材料——疲劳许用应变，还取决于交变应力及细节设计，包括工艺的影响。桨叶不同部位疲劳问题的严重程度是不一样的，尖部应力小，中部振动变形最大，但中部应力集中源少，根部离心力最大，由于连接上的原因有明显的应力集中源，问题最突出。金属桨叶一般都采用合金钢接头，通过耳片螺栓群连接，为了提高疲劳强度采取了一系列的措施，如螺检孔强化、大梁和接头之间加胶层等。复合材料桨叶一般在根部采用缠绕结构，这种连接传力直接，应力集中小。桨叶的疲劳寿命不是在桨叶设计阶段就能确定是否满足要求，必须经过全尺寸桨叶试件的疲劳试验和飞行应力实测，两者结合起来才能确定桨叶寿命。南京航空航天大学直升机技术研究所6.桨叶质量（1）动应力～桨叶质量（2）旋翼操纵功效和角速度阻尼～桨叶质量（3）直升机自转性能～桨叶质量002002002,211QIdtttete南京航空航天大学直升机技术研究所7.旋翼的平衡旋翼的质量及气动不平衡会引起作用于桨毂中心处的纵向及横向的激振力及力矩，其频率为旋翼转速Ω。不平衡的力及力矩形成一个垂直于旋翼轴与旋翼一起以角速度Ω回转的矢量，从而引起直升机的振动（对旋翼没有影响）。南京航空航天大学直升机技术研究所旋翼可能出现的不平衡：1）由于制造上的误差使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，引起各片桨叶向离心力不能互相抵消，形成纵向及横向的激振力。2）由于各片桨叶的气动外形、安装角或扭转变形不相等，而引起的气动不平衡产生的1Ω的桨毂力矩。南京航空航天大学直升机技术研究所1.离心力的平衡)()()(200202beeReReReMSmdxemxdxexmdxN南京航空航天大学直升机技术研究所2.升力的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所3.气动铰链力矩的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所4.离心力铰链力矩的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所为了减少旋翼的质量和气动不平衡，在桨叶制造过程中要严格控制静矩、弦向重心、外形准确度、安装角等。另外，要有设计补偿措施。要进行旋翼的静平衡、动平衡（调锥度）。南京航空航天大学直升机技术研究所动平衡南京航空航天大学直升机技术研究所8.旋翼桨叶防冰（1）酒精防冰（2）电热丝防冰