变转速共轴旋翼载荷计算模型研究沈俊.docVIP

第二十六届（2010）全国直升机年会论文 变转速共轴旋翼载荷计算模型研究 沈俊，徐锦法，夏青元，吴平 （南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016） 摘 要：多副共轴旋翼可以组成不同构型的多轴旋翼飞行器。通过旋翼的转速变化可实现垂直起降，悬停和低速前飞等飞行科目。变转速的特点使多轴旋翼飞行器区别于普通的共轴旋翼直升机。本文分析了实验测得的变转速情况下上下旋翼的气动力和力矩，得到了上下旋翼气动特性随转速的变化规律。根据叶素动量理论，通过加入转速影响因子的方法，建立了适合变转速共轴旋翼的气动载荷计算模型，并用实验结果验证。 关键字：变转速；共轴旋翼；叶素动量理论；空气动力；低雷诺数 引言 多轴旋翼飞行器是一种利用多组旋翼，能够垂直起降( VTOL )的遥控/自主飞行器，具有比普通微型直升机更高的稳定悬停能力，同时又可实现低速前飞，使其特别适合在室内、城市、丛林等复杂的近地面环境执行监视，侦查任务，具有广阔的军用和民用价值。目前已有的多轴旋翼飞行器主要有两种构型，一种为四轴四桨构型（quad-rotor），该种构型的旋翼飞行器通过两对反转的旋翼产生拉力并保持扭矩平衡，如图1。国内外多所大学和研究机构已经对其展开了广泛的研究[1]。四轴旋翼飞行器操控原理较简单，易于实现稳定悬停。另一种构型是三轴六桨，即三对共轴旋翼成“品”字布置。如图2所示，是由美国Draganflyer公司研制的多轴旋翼飞行器。结构上比四轴旋翼飞行器复杂，但也具有较好的稳定悬停和低速前飞能力。当然，只要能够保证力矩平衡，其他构型的多轴旋翼飞行器也可以发展，如三轴三桨，四轴八桨等。不过，从已发表的研究成果和技术文献来看，对多轴旋翼飞行器的研究主要集中在飞控技术上，而对气动特性和飞行动力学建模的认识是不足的，这与从事该种飞行器研究的技术人员大多来自自动控制领域有关。但随着人们对多轴旋翼飞行器飞行性能要求的不断提高，同时方便自主飞控系统的设计，需要对上述问题进行研究。本文借助现有的翼型资料，采用叶素动量理论，结合本实验室相关实验的结果，建立在垂直飞行情况下，引入转速影响的共轴旋翼气动载荷计算模型。 图1四轴旋翼飞行器 图2三轴旋翼飞行器 图3叶素气动环境 变转速共轴旋翼气动载荷分析 叶素动量理论（以下简称BEMT）综合了动量理论和叶素理论，用于分析旋翼入流的径向分布（，其中为无穷远处入流，悬停时为旋翼诱导入流）。它对于桨叶设计，旋翼气动力和力矩的计算是重要的[2]。文献[3]指出处在悬停和垂直上升状态的直升机，由BEMT理论获得的旋翼入流分布与实验测得数据基本吻合。文献[4]综述了世界各国对共轴旋翼气动问题的实验和理论研究。在文献[5]中，近似认为上旋翼不受下旋翼影响，而下旋翼计入了上旋翼下洗流的影响。上旋翼下洗流会导致下旋翼叶素来流角增大，导致攻角减小，使下旋翼产生的拉力和扭矩减小，见图 3。如果选用相同的上下旋翼，在扭矩平衡的条件下达到的最大拉力会显著减小。因此为了提高共轴旋翼的气动效率，下旋翼有必要选择桨距角更大的反转桨叶。在文献[6]中，作者指出当旋翼处在共轴工作状态时，上旋翼桨尖区域的反流区消失，说明上旋翼的桨尖损失减小或消除，非桨尖区域入流速度变化不大。而下旋翼依然存在较强的桨尖反流区，这是因为上旋翼的下洗流存在截面收缩，如图4，使下旋翼靠桨尖部分免受下洗影响。在文献[7]中作者介绍了一种通过设置入流速度经验系数的方法来修正上下旋翼入流分布。 单旋翼 BEMT理论的基本假设： 旋翼桨盘上各同心圆环之间无相互影响，也就是一种2D假设。 对于同一圆环，由动量理论计算得到的拉力和由叶素理论计算得到拉力是相等的。 图7所示为单个旋翼桨盘平面上的圆环。 根据动量理论，流经圆环的空气质量流量为 （1） 圆环上产生的拉力等于该圆环上的空气质量流量乘上2倍的当地诱导速度 ，即 （2） 将（2）式转换为无因次形式为 （3） 在这里使用Prandtl桨尖损失模型来处理桨尖损失，令F为桨尖损失修正系数，则有 （4） 其中f是桨叶片数和叶素径向位置r的函数，即 （5） 考虑桨尖损失后的可以表示为 （6） 根据叶素理论，计算圆环上拉力为