秦洁;何敏桃;邵伟平;石玉洁;韩宇
【摘 要】To improve aerodynamic performance of small and medium rotor in hover, considering the influence of paddle blade turbulence, the aerodynamic performance and change ruler of different paddle blade tip shape were analyzed. The paddle blade turbulence can be re-duced by sharpening paddle blade and the resisting moment of rotor in hovering. The turbulence reduces downwash speed in the blade tip and enlarges angle of attack of paddle blade section. Along with increase of rotation speed and Reynolds number, the superiority of sharp-ened paddle blade is clear.%针对悬停状态中小型飞行器气动性能，考虑桨尖涡对飞行器桨叶桨尖的影响，分析了不同形状桨尖桨叶气动特性及其变化规律。尖削桨尖旋翼可有效削弱桨尖涡，从而降低旋翼的阻力距。桨尖涡导致桨尖处下洗速度减小，使桨尖处桨叶截面翼型的实际迎角增大。随着转速的提高，桨尖雷诺数的增大，尖削桨尖的优势才逐渐体现。
【期刊名称】《弹箭与制导学报》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】5页(P121-125)
【关键词】悬停;桨尖涡;尖削;后掠;下反 【作 者】秦洁;何敏桃;邵伟平;石玉洁;韩宇
【作者单位】沈阳理工大学，沈阳 110159;沈阳理工大学，沈阳 110159;沈阳理工大学，沈阳 110159;沈阳理工大学，沈阳 110159;海军驻沈阳弹药专业军事代表室，沈阳 110100 【正文语种】中 文
【中图分类】TJ765.43;V279
旋翼是飞行器最关键的部件之一,多年来,飞行器设计领域一直以最大限度提高旋翼气动性能为目标而努力。一方面,气动翼型得到了研究工作者的重视;另一方面,随着加工工艺、材料等技术的发展,新型气动外形桨叶也被相应提出。在此背景下,扭转桨叶逐渐代替了矩形桨叶,成为桨叶外形设计的主流。
然而,不是所有的桨叶均需要扭转,小型和微型旋翼飞行器由于扭转后效果不明显,多用于玩具,为减小加工难度和增加互换性,一般不采用扭转。同时,中小型飞行器存在结构尺寸大、容易被侦查、巡航耗燃高等不利特点,导致中小型旋翼飞行器并不受研究工作者的青睐。
2006年12月,由法-德圣路易斯研究所提出的无人微型飞行器(UMAV)得到了业界人士的肯定,并经文献[8-9]发展成喷枪发射微型飞行器(GLMAV),验证了理论与实验的可行性。目前,该项目仍在研究中,并为喷枪发射中小型飞行器的研究指明了方向。
参照GLMAV的发展,通过对旋翼气动特性的分析,改善旋翼性能,提高中小型飞行器气动性能,为喷枪发射中小型飞行器的实现提供理论支撑。文中通过对中小型旋翼桨叶气动特性的分析,结合桨尖涡对旋翼的干扰,采用不同的桨尖形状来探究提高旋翼性能的可行性。其目的在于完善GLMAV的理论研究,从而指导中小型飞行器桨叶的设计。
1.1 旋翼桨叶的空气动力
桨叶的空气动力是决定飞行器设计的关键所在,也是提高载重能力的关键所在。旋翼桨叶的空气动力是由桨叶异型曲面产生的空气动力和桨叶扭转向下推空气产生的反作用力组成的。如图1所示,所谓异型曲面产生的空气动力,是指桨叶的上桨面与下桨面的曲率不同,气流对曲率大的上桨面压力小,对曲率小的下桨面压力大,形成的压力差引起的向上的空气动力。所谓桨叶扭转向下推空气产生的反作用力,是指桨叶与发动机轴呈直角安装,并有扭转,在桨叶旋转时靠桨叶扭转把上方空气吸入,并给吸入的空气作用一向下的推力,根据牛顿第三定律,气流也给桨叶一个向上的反作用力。
异型曲面产生的空气动力是对桨叶翼型选择提出了相关要求,而桨叶扭转向下推空气产生的反作用力是对桨叶扭转设定提出了相关要求。 1.2 旋翼桨叶气动特性分析方法
针对低速中小型飞行器,采用低速不可压有粘流的气动模型。桨叶气动特性的CFD计算控制方程,采用一般曲面坐标系下的三维非定常不可压雷诺平均Navier-Stokes方程。湍流模型采用方程(Spalart-Allmaras[1 eqn])模型,压力-速度耦合采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)。
在网格模型的选择方面,可采用非结构动态嵌套网格,但因桨叶发生不规则扭转,导致非结构动态嵌套网格无法简单的搜寻嵌套区域的边界单元,以及增加了对贴体网格进行循环的复杂度。考虑设计的周期及运算复杂度,在初步设计时选择滑移网格,由Gambit进行非结构网格划分,如图2所示,采用Fluent进行模拟仿真。
对于有限翼展旋翼来说,旋翼下方的高压空气会在翼尖处向上方的低压空气翻过去形成桨尖涡,如图3所示,其结果是翼尖附近上表面处的压强趋向于和下表面的压强相等,因而单位展长的升力是向着翼尖递减的。由此,造成了桨尖损失。
国内外进行了一些关于桨尖涡导致桨尖损失的研究,具体表现为:工作中,旋翼在桨尖处因桨尖涡的影响导致桨尖处下洗速度减小,减小趋势可参见文献[18]的图5,该图
显示无论是单旋翼桨叶还是共轴双旋翼的桨叶,旋翼桨盘下洗速度约在0.85R处开始出现减少,到桨尖处下洗速度接近于零(略大于零)。其中,下洗速度约在0.85R处开始出现减少与文献[1]划分的‘桨尖区’相吻合。
因此,在‘桨尖区’采用不同的桨尖形状来提高旋翼的性能。相关研究表明:主要采用的桨尖形状有尖削、后掠、下反及其组合桨尖。 2.1 尖削桨尖
尖削桨尖是以削弱桨尖涡、减小桨涡干扰为出发点,可降低桨尖涡所诱导的阻力,同时,气动升力也稍有下降。在低速时,尖削桨尖不具备气动性能上的优势;但在高速时,随着雷诺数的增大,尖削桨尖的优势逐渐凸显,并广泛应用于各种大型飞行器及飞行试验研究。
如图4所示的桨尖是孙传伟等人进行试验的尖削桨尖,验证性地说明了尖削桨尖对提高旋翼气动性能的可行性。其后,尖削桨尖得到了长足的发展,并运用在直-8直升机的改型设计上,取得了良好效果。 2.2 后掠桨尖
后掠桨尖的作用主要体现在:减弱空气的压缩性,推迟激波的发生;提高阻力发散马赫数以及抑制阻力突增。在低速下,气体的压缩性对旋翼的气动特性影响不大,可以忽略,因此,后掠桨尖对中小型飞行器的桨叶气动特性影响不大。
如图5所示桨尖是招启军等人采用的后掠桨尖,该文SBT桨尖系列与CSBT桨尖的后掠起始位置均为0.85R处,通过对旋翼流场和气动特性的影响分析,证实了后掠桨尖可提高大翼展旋翼的气动特性。 2.3 下反桨尖
下反桨尖是以桨尖处下洗速度减小为出发点,结合桨叶扭转角的设定方法所设计的。从而保证桨尖处桨叶截面翼型与任意半径r处桨叶截面翼型一样,均处于二维翼型的有利迎角。
如图6所示桨尖是某飞机的下反式三维桨尖。
探索中小型扭转旋翼关于尖削、后掠、下反三种桨尖形状的气动特性影响,并将符合中小型翼的桨尖运用于桨叶设计中,从而提高桨叶的性能。 样例采用文献[14]的单旋翼桨叶飞行器,该桨叶的相关参数为: 1)翼根半径r0=50 mm,翼展D=660 mm,桨叶数b=2。
2)采用T16翼型,翼型弦长c=60 mm,升力线斜率k=6.43 rad-1,零升迎角α0=-6°,二维翼型有利工作迎角αk=-2.9°。 3)工作状况为1 km高空,无风情况。
初始扭转桨叶参见文献[14]中表2编号‘1’的桨叶,如图7所示,该扭转桨叶的扭转方式已经得到了验证。针对该文提出的桨尖修正,在此将该桨叶的‘桨尖区’分别进行尖削、后掠、下反处理,建立相关模型,利用Fluent进行模型仿真,设定转速为2 000 r/min,旋翼气动特性见表1。
表1中,编号‘1’、‘2’、‘7’分别与文献[14]的表2编号‘1’、‘2’、‘6’相同;编号‘3’至编号‘9’是在编号‘2’的基础上进行尖削、后掠、下反。 从计算结果可以看出,因中小型旋翼工作状况与大翼展旋翼不同,导致三种桨尖对翼型的影响程度也不同,具体表现为:
1)扭转桨叶较未经扭转的矩形桨叶在气动特性上提高了4.6%。
2)尖削桨尖适用于中小型旋翼飞行器,与扭转桨叶相比在气动特性上约提高了1.5%。 3)后掠桨尖不适用于中小型旋翼飞行器。
4)下反桨尖适用于中小型旋翼飞行器,选择合理的下反角度,可提高旋翼性能。当桨尖R处几何安装角为4°时,该下反桨叶与扭转桨叶相比在气动特性上约提高了2.3%。
为进一步探究尖削桨尖适用范围,调整转速,经仿真,得表2。
仿真结果表明:与扭转翼相比,尖削桨尖旋翼在低速时没有性能优势;适当提高转速,尖
削桨尖的优势才逐渐体现。
同时,调整下反桨尖的转速,经仿真,得表3。
仿真结果表明:下反桨叶目的就是保证桨尖处截面翼型处于有利迎角工作范围,因此,合理的选择下反角度,在不同转速下,均可体现其优势。
1)桨尖涡对旋翼桨尖的影响处于旋翼半径0.85R至桨尖的‘桨尖区’,为降低桨尖损失,在‘桨尖区,采用不同的桨尖形状来提高旋翼的性能,主要桨尖形状有:尖削、后掠、下反。
2)尖削桨尖旋翼可有效的削弱桨尖涡,从而降低旋翼的阻力距。但在低速时尖削桨尖没有性能优势,随着转速的提高,桨尖雷诺数的增大,尖削桨尖的优势才逐渐体现。 3)中小型飞行器处在低速工作环境,故而后掠桨尖不适用于中小型旋翼飞行器。 4)桨尖涡导致桨尖处下洗速度减小,使桨尖处桨叶截面翼型的实际迎角增大,从而高出翼型的有利迎角。采用下反桨尖可使桨尖截面翼型的实际迎角接近于二维翼型的有利迎角,从而提高旋翼性能。下反桨尖的关键在于合理选择下反角度。
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