刚性共轴双旋翼气动特性试验研究及试验模型设计-马保军(8)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文刚性共轴双旋翼气动特性试验研究及试验模型设计马保军朱清华（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，江苏南京，210016）摘要：为了研究刚性共轴双旋翼的气动特性，本文开展了共轴双旋翼试验原理研究和试验装置的设计。该试验装置的设计上采用两个电机分别驱动上下旋翼，并通过控制系统对下旋翼的总距控制实现上下旋翼反扭矩的平衡。利用有限元分析软件对设计的试验装置及模型的关键部位进行了强度分析。关键词：共轴双旋翼；试验模型设计；气动特性；风洞试验1引言多年来，提高飞行速度同时又具有直升机垂直起降和空中悬停的能力的飞行器

2、，一直是人们不要断研究的课题。美国X2复合直升机的成功试飞，共轴双旋翼复合直升机成为了人们研究的热点。因此开展共轴双旋翼的气动特性的研究具有重要意义。为了研究共轴双旋翼的气动特性，进行共轴双旋翼的试验方法的设计及风洞吹风试验是非常有必要的。本文针对刚性共轴双旋翼的气动特性试验的需要，进行了试验方案的研究及试验装置的设计工作。2试验要求要求试验模型能模拟真实的共轴双旋翼的结构特点。在试验中要求上下旋翼反扭矩平衡，为了分析结构参数对气动性能影响，要求能够改变上下旋翼之间的间距、上下旋翼的总距、来流速度、桨盘迎角等。在不同旋翼间距、总距等参数的情况下测量

3、旋翼的力、力矩及上下旋翼之间的干扰情况。3试验方案设计3.1不同试验方案的比较根据共轴双旋翼的气动特性试验要求，拟定了两种试验方案如图所示。方案1中采用龙门架图1方案7式的支撑结构，此方案中通过能沿侧臂上下滑动的装置实现上下旋翼之间的间距，能够满足试验的要求，但是此方案的结构尺寸比较庞大不易运输和安装，而且上下旋翼的同轴度在安装和调整的过程不易保证同时还受到试验室空间的限制。方案2中通过一过渡装置实现上下旋翼之间的连接和间距调整，结构紧凑便于运输、安装不受试验室空间限制。在过渡连接部位，上下旋翼的内轴通过内外螺纹的形式固套在一起在保证上下间距可调的

4、同时还以保证上下旋翼同轴的要求。所以综合方案1和方案2的优缺点，采用了方案2的设计方案。3.2试验设备本文提及的刚性共轴双旋翼的气动特性的试验，计划在南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点试验室进行。该试验中用到的试验设备主要有：低速风洞、旋翼试验台、数据采集及处理系统、测速装置、六分量天平、试验模型。低速风洞为串置开口回流风洞，开口间距5m,风洞口截面高度为2.4m，宽度为3.4m，风洞中心距地高度为3m，最大风速为50m/s,最小风速为5m/s。旋翼试验台为自行设计的具有俯仰的+15°、-10°，偏航±10º试验台，高度为2.15m如图2所示。旋

5、翼试验台可根据试验的要求调整俯仰和偏航角度，在不同姿态对旋翼系统进行数据测量。数据采集系统采用有两台测控处理机组成的计算机测量与控制系统。测速装置采用红外传感装置，对旋翼的转速进行实时的测量。在试验的过程为了真实模拟共轴双旋翼系统，根据测得上下旋翼的转速调节电机的电流及转速使上下旋翼的转速一样。六分量测力天平两个，上下旋翼系统各采用一个天平进行各分力的测量，这样可以看到在设定的状态上下旋翼的受力状态，为分析上下旋翼的受干扰的情况进行分析。（a）低速试验风洞（b）旋翼试验台（c）六分量测力天平（d）信号采集及处理系统图2实验设备3.3试验模型研制7本

6、文设计的刚性共轴双旋翼试验模型，有上下两套旋翼系统组成。每套系统包括驱动装置、测力装置、测速装置和控制装置。上旋翼的安装角可以分为3º、6º、9º可调的三个状态，没有变距装置。下旋翼设有变距装置，由于测量的是刚性旋翼的气动特性，因此没有纵向周期变距和横向周期变距，只设有总距调节装置。在试验的过程中通过控制系统调整好上下旋翼的功率和转速以后，上下旋翼系统的反扭矩平衡。在调整的过程中通过测量系统测得信号，判断上下旋翼反扭矩是否平衡，反扭矩平衡之后再测量记录相应设定状态旋翼的力及力矩。试验模型如图3所示。图3试验模型原理图下天平通过螺栓在其上固定一固定板

7、，下旋翼的内轴、固定电机的支架、变距装置的支架通过法兰与固定板相连。与桨毂相连的外轴通过轴承套在内轴上，实现由电机驱动的外轴旋翼系统相对内轴的旋转。下旋翼的变距运动由套在外轴上的滑动套筒及附属装置产生的沿外轴的上下滑动实现变距操纵。上下旋翼系统之间不但保证同轴，还要能够实现上下旋翼之间的间距可调节。这样可以把上下旋翼之间的间距在试验研究中作为一个变量，考察察其对系统的气动特性的影响。上下旋翼系统过渡连接方式的实现：通过上端带有法兰盘下端带有外螺纹的的轴与下旋翼的内轴相连接。此轴的外螺纹同下旋翼的内周的内螺纹相连，并且在下旋翼内周的上端采用螺母进行固

8、定，防止在试验的过程中出现松动现象。这样上旋翼系统通过上天平和过渡轴上的法兰的连接，便可实现上下旋翼之间的过渡连接。并且上