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1、第33卷第3期南京航空航天大学学报Vol.33No.32001年6月JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsJun.2001文章编号:100522615(2001)0320203209直升机旋翼空气动力学的发展王适存徐国华(南京航空航天大学航空宇航学院南京,210016)摘要本文分两大部分,即旋翼理论分析的发展(认识旋翼)及旋翼桨叶外形的发展(改造旋翼)。在第一部分中,阐述了旋翼滑流理论、叶素理论、涡流理论(其中又包括固定尾迹的经典涡流
2、理论、预定尾迹的半经验涡流理论、自由尾迹的现代涡流理论)和旋翼CFD方法。在第二部分中,讨论了旋翼桨叶的翼型、桨尖形状、扭转角分布等的变化历程。最后,作为总结,提出了旋翼理论分析和桨叶气动外形的四代发展阶段的划分。关键词:旋翼空气动力学;直升机;旋翼;涡流理论;翼型;桨尖形状;扭转角中图分类号:V211.52;V211.46;V275.1文献标识码:A前者可视为“认识旋翼”,后者为“改造旋翼”。本文引言分为两大部分加以论述。直升机空气动力学的发展,实质上是指它的旋1认识旋翼——旋翼气动理论的发翼空气
3、动力学的发展。展直升机的旋翼,比飞机的固定翼的作用更为重要。旋翼不仅产生升力,而且提供直升机的推进力和操纵力。旋翼的空气动力学问题有以下不同于固1.1旋翼滑流理论定翼气动问题的困难特点:旋翼滑流理论或动量理论的起源可追朔到19(1)由于桨叶的旋转,即使在定常前飞状态,桨[1～3]世纪的船用螺旋桨的研究。20世纪初,Betz将叶的相对来流和迎角是随时间变化的,旋翼流场和气动特性是非定常的;动量理论扩展应用于飞机的螺桨。1926年,Glauert[4](2)旋翼始终工作在自身产生的尾迹附近,旋进一步将动
4、量理论用于前飞中的旋翼,为旋翼空翼尾迹对流场和气动特性有重要影响,在某些飞行气动力学之始。状态下,还会出现严重的桨2涡干扰现象;动量理论采用均匀滑流的假设,把旋翼看成一(3)在大速度飞行状态,旋翼前行侧桨叶的桨个无限薄的桨盘,应用流体流动的基本定律来研究尖附近会出现跨音速流,这种跨音速是严重非定常旋翼桨盘对气流的作用。的和三维的。在后行侧,由于桨叶挥舞和变距的输动量理论是一种宏观上的分析,它的特点是计入,通常使桨叶工作在很高的迎角状态,容易导致算模型简单,主要用于旋翼诱导气流及旋翼性能的动态失速。初
5、步估算,在直升机性能计算、总体参数选择等分旋翼空气动力学,即研究旋翼与周围空气相互析中使用。动量理论的缺点是采用了诱速均匀的假作用的空气动力现象及机理,包括对旋翼及其流场设,且不能涉及旋翼桨叶的几何特性,因此,涉及桨的深入了解,以准确地计算旋翼空气动力特性;对叶几何特性的旋翼气动分析需考虑到桨叶叶素的旋翼几何外形的设计,以更好地发挥其气动效能。气动特性。收稿日期:2000211224;修订日期:2001201226作者简介:王适存,男,教授,博士生导师,1926年9月生;徐国华,男,教授,博士生导师
6、,1963年1月生。204南京航空航天大学学报第33卷进入50年代,涡流理论受到普遍重视。Cas21.2桨叶叶素理论tles等人分别在文[11]和文[12]中使用常环量涡桨叶叶素理论最早由Drzewiwcki在19世纪流理论计算了前飞旋翼纵横向平面的诱速分布。末提出[13],是机翼升力线理论在旋翼桨叶中的应用。1957年,Heyson和Katzoff,舍弃桨盘均匀载荷[5]它把桨叶看成由无限多的桨叶微段或叶素构成。假设,建立了由许多同心涡柱组成的变环量涡系模假设每个桨叶剖面作为一个二维翼型来产生气动
7、型。1961年,我国学者王适存考虑纵横向涡线一般[14]作用,通过诱导速度计入尾流(三维效应)的影响,情况,推导了广义涡流理论,为经典涡流理论作因此在各桨叶微段上,可应用二维翼型特性确定桨出了重要贡献。叶剖面的气动力和力矩,沿桨叶径向积分可得一片经典涡流理论包括桨盘涡系模型和桨叶涡系桨叶进而整个旋翼的气动力和力矩。模型。前者旋翼被假设为具有无限片桨叶的桨盘,旋翼的气动性能取决于剖面的入流特性和升尾迹涡线连续地规整地布置在圆柱涡面上;后者则阻特性,而升阻特性与当地剖面迎角从而与当地诱由有限片桨叶后拖出
8、的螺旋涡线组成,按来流速度导速度密切相关,因此,使用叶素理论确定旋翼气和等效诱导入流确定其延伸方向的刚性尾迹。固定动特性,当地诱速的计算是一个关键。可采用动量尾迹计算可表达为解析式,便于理解,且发展成熟,理论、涡流理论等计算诱导速度,后者能给出较准六、七十年代在旋翼气动分析中曾得到相当广泛的确的诱速分布。应用。但固定尾迹未考虑尾迹的收缩和涡线的畸桨叶叶素理论为旋翼空气动力学奠定了基础,变,因而与实际尾迹的形状有一定的差别。它涉及桨叶的细节流动和载荷,使旋翼性能与设计1
