02-自转旋翼气动特性试验设计(朱清华)

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1、第二十四届（2008）全国直升机年会论文自转旋翼气动特性试验朱清华李建波张呈林（南京航空航天大学旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：为了验证自转旋翼气动特性理论计算模型，也从试验角度去研究自转旋翼气动工作规律，本文进行了自转旋翼气动特性试验研究和设计。通过分析和计算机辅助设计，本文从原理性到实用性对试验模型和方案进行了设计，并顺利进行了风洞吹风试验，既验证了理论计算方法和结果的正确可行，又发现了实践中存在的最小风速和最低预转速规律等问题。关键词：自转旋翼；气动特性；风洞试验；稳定自转1引言旋翼自转使直升机具

2、有在空中飞行时发动机突然失效仍可以安全着陆的能力，其自转性能是直升机设计的一个重要指标。旋翼自转也是旋翼机（Gyroplane）空中正常飞行时的特征，自转旋翼气动特性是研究旋翼机各项飞行性能的基础[1]。自转旋翼与动力驱转的旋翼空气动力学特性不同，自转旋翼稳定工作时，气流是从下向上穿过桨盘的。自转旋翼稳定转速与总距、周期变距、桨盘迎角、来流速度等的关系，以及桨盘气动特性区域分布等，都与驱转旋翼不同[2]。旋翼自转可以提高旋翼飞行器安全性和生存力，所以研究自转旋翼气动特性，对于包括直升机和旋翼机在内的整个旋翼类飞行器都有重要意

3、义。基于本文之前采用叶素理论、以数值积分的方法建立气动模型，计算分析了自转旋翼气动特性后[3-5]，为了验证气动特性理论研究结果，及探寻在自转旋翼工程设计中可能遇到的问题，课题研究人员在南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室风洞新概念倾转旋翼综合试验台上进行了自转旋翼气动特性风洞吹风试验研究。2试验目的和要求风洞吹风试验可以有效检验和发现自转旋翼运行规律[6-8]，通过试验主要可以验证：1）自转旋翼稳定转速与来流速度的关系；2）自转旋翼稳定转速与总距的关系；3）自转旋翼稳定转速与旋翼轴后倒角的关系；4）旋翼升力与来

4、流速度的关系；5）旋翼升力与总距的关系；6）旋翼升力与旋翼轴后倒角的关系。为了达到以上试验目的，试验设计就提出以下要求：1）设计结构紧凑、重量轻的跷跷板式旋翼；2）旋翼桨叶总距、旋翼轴后倒角和来流速度可以调节变化；3）826计算出最大挥舞角，必须设计挥舞限动块。4）为防止旋翼自转起动阻力太大或在失速状态下自转，以免自转不起来或自转不到稳定转速，试验装置应考虑加装起动动力系统以及单向离合器。3试验设备3.1试验设备自转旋翼风洞试验设备包括：a）风洞：直升机试验风洞为串置开口回流风洞，开口段长宽高为5m×3.4m×2.4m。b）

5、旋翼台：旋翼试验台净高3.1m，可以俯仰偏转±10°，内部装有50kw的直流电机，可无级变频调速，天平安装于其顶部。c）天平：六分量机械-应变天平，70kg级。d）数据采集与处理系统：由一台主机和显示器组成，包括前置放大器、低通滤波器等。e）其它：激光测速仪，数字摄像头等。3.2试验模型试验模型为左旋旋翼，主要由桨叶（如图1）、桨毂和桨轴（带离合器，见图2）组成。自转旋翼半径R=1.25m、桨叶片数K=2片、弦长b=0.095m、OA212翼型，单片桨叶重0.772kg，洛克数为4.627。图1试验桨叶图2带离合器的桨轴和桨

6、毂试验件桨叶与桨毂通过桨毂套筒销连接。桨毂套筒与桨毂变距轴有四组八个孔插销连接，选择不同的销孔组，则桨叶安装角不同，以此设计可变总距(0°、2°、4°、6°)826；变距轴向上预锥2.5°角与桨毂夹板连接；通过中心铰螺栓和轴承，桨毂夹板与旋翼轴连接，可实现自由挥舞，但为防止挥舞角过大，在旋翼轴两侧安装了橡胶限位块（挥舞角限于15°内）；旋翼轴通过一单向离合器与试验台动力电机相连，以此实现预转功能；整个试验装置（试验台）可纵向倾斜，即实现旋翼轴后倒角可调，改变旋翼倾角。自转旋翼试验模型整体见图3。图3试验模型设计图整套试验模型

7、共重4.85kg，全部试验装置如图4。桨毂中心离地高度约3.5m，至天平中心0.72m。图4自转旋翼风洞吹风试验图5某试验状态桨盘侧视视频截图3.3试验方案1）不装桨叶，吹风测出旋翼桨毂的各气动力和力矩值；2）装上桨叶，以试验台动力电机带动旋翼轴和桨叶预转到预定的转速，然后关闭电机，旋翼开始自转，等旋翼转速稳定后记录试验值。主要测定自转旋翼稳定转速与风速、旋翼轴后倾角（主要是针对桨盘平面迎角）、总距角的关系。同时通过视频头摄像投影，可估算挥舞角。试验设计模型旋翼产生的最大气动拉力为50kg，最大自转转速为1500rpm。82

8、6试验部分数据经计算机实时采集和处理，然后输出体轴系六力素试验结果并存盘（采样频率为500Hz）；部分数据由人工记录并处理，这包括旋翼稳定转速数值和稳定自转270°方位垂直面侧视视频记录。最终提供的试验结果包括：1）实时记录的全部体轴系3个力和3个力矩数值；2）实时记录的对应各试验状态的旋