29旋翼反扭矩系统结构参数对其气动特性的影响分析-唐敏(7).doc

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文旋翼反扭矩系统结构参数对其气动特性的影响分析唐敏唐正飞吴浩东(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：针对一种新型的横流风扇式旋翼反扭矩系统，本文对该系统的流场进行了数值模拟。通过CFD计算，分析了这种新型反扭矩系统的结构参数对其流场的影响，试图找出该反扭矩系统的最优几何参数，使得这种新型反扭矩系统能够获得更好的性能。关键词：无尾桨直升机；旋翼反扭矩系统；计算流体力学(CFD)0前言旋翼反扭矩系统是直升机中最重要的系统之一，用于平衡直升机旋翼反作用力矩、保证直升机方向操纵

2、性和稳定性。在无尾桨系统中，美国麦道公司开发的NORTAR系统具有噪音低、振动小以及安全性、可靠性高等特点，而该系统的不足在于使用效率不高，需要占用发动机较多的功率等，从已有的型号来看，主要应用在轻小型直升机中。针对这种系统的不足，南京航空航天大学的学者提出了一套全新的基于横流风扇流动控制的旋翼反扭矩系统。这种新型的旋翼反扭矩系统的原理如图1所示，在尾梁内部安装横流风扇，尾梁的上部开有进气口，在其侧面开有排气口。当横流风扇工作时，从上端吸入气流，包括旋翼下洗流，经过横流风扇的加速，从侧面的排气口喷出，使尾梁获得足够的侧向力，从而达到平衡旋翼

3、反扭矩的目的。图1基于横流风扇流动技术的旋翼反扭矩原理横流风扇（Cross-flowfan，CFF）是该系统的核心部件，它是PaulMortier于1892年发明，由于结构简单、体积小、产生的气流平稳、动压系数较高以及噪音低等特点而被广泛的应用。然而，由于该风扇的特殊结构，加上其气流运动的非对称性与复杂性，使得对其性能影响的各因素还不明了，至今没有普遍公认的设计理论。目前对于横流风扇的研究主要通过数值模拟和试验研究进行。本文采用计算流体力学（CFD）的方法，借助CFD软件（Fluent12.0），对这种新型旋翼反扭矩系统的内部流场进行了二维

4、数值模拟，分析了该旋翼反扭矩系统主要结构参数对其气动特性的影响，以期找到最优的参数组合，为进一步的试验研究提供理论依据。1数值计算本文采用有限体积法离散控制方程，对系统的定常流动进行数值模拟，采用标准κ-ε模型模拟湍流，及标准壁面函数来处理近壁区变量特性。压力-速度耦合采用SIMPLIC算法，压力、动量、湍动能、湍动能耗散率均采用二阶迎风离散格式。根据旋翼反扭矩系统的结构及流动特点，将整个计算区域分为叶轮区域和蜗壳区域（见图4所示），选择多重参考系模型（MRF：MultipleReferenceFrameModel）对反扭矩系统的内部流动做

5、二维定常近似模拟，同时求解动区和静区流场，两个子区的流场信息通过共享的交界面传递并且相互影响。动区和静区采用不同的坐标系，动区为旋转坐标系，静区为静止坐标系。为了快速、准确的模拟反扭矩系统的内部流场特性，本文采用了结构化网格，并对叶轮区域进行了网格局部加密和边界层加密处理。蜗壳区域尺寸较大，流场特性不是很复杂，采用适当尺寸的网格即可，而蜗壳间隙空间为整个系统的重要流动区域，且间隙较小，所以要对间隙空间的网格进行加密处理，最终生成的网格见图2所示。图2左侧为整体网格，右侧为叶片和间隙的局部加密网格2算例验证为了验证本文计算方法的可靠性，我们选

6、用了和美国海军研究院使用的相近模型进行了CFD数值计算，并对计算结果进行了对比。图3是美国海军研究生院与本文CFD模拟得到的横流风扇内部流场的马赫数分布云图的对比（右图为本文计算结果），可以发现二者的计算基本一致。因此，可以图3马赫数分布云图对比认为本文针对横流风扇的算法可靠，同时这套算法用于计算内置横流风扇的旋翼反扭矩系统的流场也是可行的。3计算结果及分析3.1旋翼反扭矩系统的主要参数本文的旋翼反扭矩系统的结构主要由叶轮和壳体两部分组成（见图4），叶轮叶片前倾，壳体由蜗舌，蜗壳构成。主要参数有叶轮内经、外径，叶片安装角、叶片数量和壳体间隙

7、等。图4几何模型以及计算域图5叶片安装角的定义我们给定这种新型反扭矩系统的入口尺寸为680mm，出口尺寸为125mm，壳体间隙为3mm。叶轮内外径的大小要根据横流风扇的不同用途具体设置，但内外直径的比例往往是确定的，大致在0.7上下，本文中风扇的内外径比确定为0.7。根据该旋翼反扭矩系统自身的特点，给定的叶轮内外径分别为mm，mm。叶片安装角的定义如图5所示，在保证叶片的厚度和两个圆弧半径大小不变的情况下，叶片端点连线和圆直径的夹角定义为叶片安装角A。3.2计算结果分析3.2.1叶片安装角的影响本文首先对比研究了不同叶片安装角对反扭矩系统的

8、气动性能的影响，叶片安装角A的取值见表1：表1叶片安装角A的取值安装角（）010152025303540当叶片数量为30片、转速为、蜗壳间隙为时不同叶片安装角下该反扭矩系统提供的