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灵感源自橡皮筋模型—直升机旋翼桨叶挥舞和变距概谈

63 人阅读 | 时间:2018年07月23日 14:46

相比于直升机的悬停状态,对前飞状态下的旋翼桨叶而言,两者最显著的差异就是——前飞状态下,随着旋翼一圈圈地旋转,桨叶微段地相对来流速度由旋转速度和来流速度叠加而成,因而桨叶在不同径向及不同方位角站位上,其速度都不相同,且随着旋翼的周期性旋转往复循环变化。下图显示的是一副逆时针旋转的旋翼来流示意图,图中,Forward Speed 为直升机前飞来流速度,Tip Speed为旋翼桨尖速度,前行侧 Advancing Side 位于右侧,后行侧 Retreating Side 位于左侧,图中间的小圆圈内,由于前飞来流速度从桨叶几何后缘吹向前缘,而由于旋转导致的空气流动从前缘吹向后缘,两者叠加之后,前飞来流速度占优,导致桨叶经过该圆圈时,总气流从桨叶几何后缘吹向前缘,因而这个小圆圈所占的区域被称为反流区 Reverse Flow Region,显然,由于直升机旋翼转速是不变的,随着前飞速度的增加,反流区将逐渐增大,假如前飞速度达到桨尖速度(前进比——来流速度于桨尖速度的比值——μ=1),几乎整个后行侧都将处于反流区内,这就是高速型旋翼机面临的高前进比状况,当然这暂且不在本文讨论范围之内,所以暂时略过不谈。

上文提到的前进比可以说是直升机前飞速度分布分析中最为重要的一个参数,其符号一般为μ(音:Miu),

前进比 = 前飞速度/旋翼桨尖速度

显然,在悬停状态下,前进比为零,而对于现代大多数直升机而言,其极速飞行状态下,前进比的数值可以达到0.45。上面那张图中,直升机前飞对应的前进比大约为0.3,这也是典型的巡航状态前进比(参考巡航速度为200~270千米时,具体巡航前进比数值还是要取决于旋翼桨尖速度,正常情况下一般不会超过0.4)。

在前飞状态下,旋翼”头部“和”尾部“(对应180°和0°方位角)的桨叶速度分布与悬停状态一致(不考虑偏流——沿着桨叶半径方向的气流——的情况下;对于常规直升机,偏流效应不显著,往往不考虑),但是后行侧桨尖气流速度比悬停要低30%,前行侧桨尖气流速度则要比悬停告30%(对应方位角270°和90°)。 

关于反流区还有一点值得注意的是,在低速飞行情况下,反流区往往只附着在桨毂周围,再加上桨叶根切,反流区对旋翼几乎没影响,但是当直升机极速飞行时——如上文所言,达到0.45前进比时——反流区直径将扩大为旋翼半径的45%左右,这时候,反流区对旋翼的影响就不得无视了。

桨叶挥舞

上一节所介绍的前飞过程中非对称速度分布是直升机和固定翼飞行器(气流速度对称分布)的主要区别之一。

相对于固定翼飞行器的机翼而言,直升机旋翼的安装连接方式相对来