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旋翼的空气动力特点9页

旋翼的空气动力特点

(1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。即使直升机的发动机空中停车时,驾驶员可通过操纵旋翼使其自转,仍可产生一定升力,减缓直升机下降趋势。

(2)产生向前的水平分力克服空气阻力使直升机前进,类似于飞机上推进器的作用(例如螺旋桨或喷气发动机)。

(3)产生其他分力及力矩对直升机;进行控制或机动飞行,类似于飞机上各操纵面的作用。旋翼由数片桨叶及一个桨毂组成。工作时,桨叶与空气作相对运动,产生空气动力;桨毂则是用来连接桨叶和旋翼轴,以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接。

旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不,因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外,还要绕旋翼轴旋转,因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。

先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况,它相当于飞机上螺旋桨的情况。由于两者技术要求不同,旋翼的直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所区别设一旋冀,桨叶片数为k,以恒定角速度Ω 绕轴旋转,并以速度Vo沿旋转轴作直线运动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合,而半径为r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2,1—3),并将这圆柱面展开成平面,就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动,对于叶剖面来说,应有用向速度(等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo),而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图2.1—3),用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是不同的:大小不同,方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的附加气流速度(诱导速度) ),那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作条件复杂,对它的分析比较麻烦的原因所在。

旋翼拉力产生的滑流理论

现以直升机处于垂直上升状态为例,应用滑流理论说明旋翼拉力产生的原因。此时,将流过旋翼的空气,或正确地说,受到旋翼作用的气流,整个地看做一根光滑流管加以单独处理。假设:

空气是理想流体,没有粘性,也不可压缩;

旋转着的旋冀是一个均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘),流过桨盘的气流速度在桨盘处各点为一常数;

气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影响),在正常飞行中,滑流没有周期性的变化。

根据以上假设可以作出描述旋翼在:垂直上升状态下滑流的物理图像,如下图所示,图中选取三个滑流截面,So、S1和S2,在So面,气流速度就是直升机垂直上升速度Vo,压强为大气压Po,在S1的上面,气流速度增加到V1= Vo+v1,压强为P1上,在S1 的下面,由于流动是连续的,所以速度仍是V1,但压强有了突跃Pl下>P1上,P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面,气流速度继续增加至V2=Vo+v2,压强恢复到大气压强Po。

这里的v1是桨盘处的诱导速度。v2是下游远处的诱导速度,也就是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象,可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。

旋翼的锥体