秦 潔,何敏桃,邵偉平,石玉潔,韓 宇

(1 沈陽理工大學(xué),沈陽 110159;2 海軍駐沈陽彈藥專業(yè)軍事代表室,沈陽 110100)

懸停狀態(tài)槳尖形狀對中小型旋翼的影響*

秦 潔1,何敏桃1,邵偉平1,石玉潔1,韓 宇2

(1 沈陽理工大學(xué),沈陽 110159;2 海軍駐沈陽彈藥專業(yè)軍事代表室,沈陽 110100)

針對懸停狀態(tài)中小型飛行器氣動(dòng)性能,考慮槳尖渦對飛行器槳葉槳尖的影響,分析了不同形狀槳尖槳葉氣動(dòng)特性及其變化規(guī)律。尖削槳尖旋翼可有效削弱槳尖渦,從而降低旋翼的阻力距。槳尖渦導(dǎo)致槳尖處下洗速度減小,使槳尖處槳葉截面翼型的實(shí)際迎角增大。隨著轉(zhuǎn)速的提高,槳尖雷諾數(shù)的增大,尖削槳尖的優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)。

懸停;槳尖渦;尖削;后掠;下反

0 引言

旋翼是飛行器最關(guān)鍵的部件之一,多年來,飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直以最大限度提高旋翼氣動(dòng)性能為目標(biāo)而努力。一方面,氣動(dòng)翼型得到了研究工作者的重視;另一方面,隨著加工工藝、材料等技術(shù)的發(fā)展,新型氣動(dòng)外形槳葉也被相應(yīng)提出。在此背景下,扭轉(zhuǎn)槳葉逐漸代替了矩形槳葉,成為槳葉外形設(shè)計(jì)的主流。

然而,不是所有的槳葉均需要扭轉(zhuǎn),小型和微型旋翼飛行器由于扭轉(zhuǎn)后效果不明顯,多用于玩具,為減小加工難度和增加互換性,一般不采用扭轉(zhuǎn)。同時(shí),中小型飛行器存在結(jié)構(gòu)尺寸大、容易被偵查、巡航耗燃高等不利特點(diǎn),導(dǎo)致中小型旋翼飛行器并不受研究工作者的青睞。

2006年12月,由法-德圣路易斯研究所提出的無人微型飛行器(UMAV)得到了業(yè)界人士的肯定,并經(jīng)文獻(xiàn)[8-9]發(fā)展成噴槍發(fā)射微型飛行器(GLMAV),驗(yàn)證了理論與實(shí)驗(yàn)的可行性。目前,該項(xiàng)目仍在研究中,并為噴槍發(fā)射中小型飛行器的研究指明了方向。

參照GLMAV的發(fā)展,通過對旋翼氣動(dòng)特性的分析,改善旋翼性能,提高中小型飛行器氣動(dòng)性能,為噴槍發(fā)射中小型飛行器的實(shí)現(xiàn)提供理論支撐。文中通過對中小型旋翼槳葉氣動(dòng)特性的分析,結(jié)合槳尖渦對旋翼的干擾,采用不同的槳尖形狀來探究提高旋翼性能的可行性。其目的在于完善GLMAV的理論研究,從而指導(dǎo)中小型飛行器槳葉的設(shè)計(jì)。

1 旋翼槳葉氣動(dòng)特性分析

1.1 旋翼槳葉的空氣動(dòng)力

槳葉的空氣動(dòng)力是決定飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,也是提高載重能力的關(guān)鍵所在。旋翼槳葉的空氣動(dòng)力是由槳葉異型曲面產(chǎn)生的空氣動(dòng)力和槳葉扭轉(zhuǎn)向下推空氣產(chǎn)生的反作用力組成的。如圖1所示,所謂異型曲面產(chǎn)生的空氣動(dòng)力,是指槳葉的上槳面與下槳面的曲率不同,氣流對曲率大的上槳面壓力小,對曲率小的下槳面壓力大,形成的壓力差引起的向上的空氣動(dòng)力。所謂槳葉扭轉(zhuǎn)向下推空氣產(chǎn)生的反作用力,是指槳葉與發(fā)動(dòng)機(jī)軸呈直角安裝,并有扭轉(zhuǎn),在槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)靠槳葉扭轉(zhuǎn)把上方空氣吸入,并給吸入的空氣作用一向下的推力,根據(jù)牛頓第三定律,氣流也給槳葉一個(gè)向上的反作用力。

圖1 螺旋槳工作示意圖

異型曲面產(chǎn)生的空氣動(dòng)力是對槳葉翼型選擇提出了相關(guān)要求,而槳葉扭轉(zhuǎn)向下推空氣產(chǎn)生的反作用力是對槳葉扭轉(zhuǎn)設(shè)定提出了相關(guān)要求。

1.2 旋翼槳葉氣動(dòng)特性分析方法

針對低速中小型飛行器,采用低速不可壓有粘流的氣動(dòng)模型。槳葉氣動(dòng)特性的CFD計(jì)算控制方程,采用一般曲面坐標(biāo)系下的三維非定常不可壓雷諾平均Navier-Stokes方程。湍流模型采用方程(Spalart-Allmaras[1 eqn])模型,壓力-速度耦合采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)。

在網(wǎng)格模型的選擇方面,可采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格,但因槳葉發(fā)生不規(guī)則扭轉(zhuǎn),導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格無法簡單的搜尋嵌套區(qū)域的邊界單元,以及增加了對貼體網(wǎng)格進(jìn)行循環(huán)的復(fù)雜度?？紤]設(shè)計(jì)的周期及運(yùn)算復(fù)雜度,在初步設(shè)計(jì)時(shí)選擇滑移網(wǎng)格,由Gambit進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,如圖2所示,采用Fluent進(jìn)行模擬仿真。

圖2 槳葉子域網(wǎng)格切片

2 槳尖渦的形成與槳尖形狀分析

對于有限翼展旋翼來說,旋翼下方的高壓空氣會(huì)在翼尖處向上方的低壓空氣翻過去形成槳尖渦,如圖3所示,其結(jié)果是翼尖附近上表面處的壓強(qiáng)趨向于和下表面的壓強(qiáng)相等,因而單位展長的升力是向著翼尖遞減的。由此,造成了槳尖損失。

圖3 槳尖渦的形成

國內(nèi)外進(jìn)行了一些關(guān)于槳尖渦導(dǎo)致槳尖損失的研究,具體表現(xiàn)為:工作中,旋翼在槳尖處因槳尖渦的影響導(dǎo)致槳尖處下洗速度減小,減小趨勢可參見文獻(xiàn)[18]的圖5,該圖顯示無論是單旋翼槳葉還是共軸雙旋翼的槳葉,旋翼槳盤下洗速度約在0.85R處開始出現(xiàn)減少,到槳尖處下洗速度接近于零(略大于零)。其中,下洗速度約在0.85R處開始出現(xiàn)減少與文獻(xiàn)[1]劃分的‘槳尖區(qū)’相吻合。

因此,在‘槳尖區(qū)’采用不同的槳尖形狀來提高旋翼的性能。相關(guān)研究表明:主要采用的槳尖形狀有尖削、后掠、下反及其組合槳尖。

2.1 尖削槳尖

尖削槳尖是以削弱槳尖渦、減小槳渦干擾為出發(fā)點(diǎn),可降低槳尖渦所誘導(dǎo)的阻力,同時(shí),氣動(dòng)升力也稍有下降。在低速時(shí),尖削槳尖不具備氣動(dòng)性能上的優(yōu)勢;但在高速時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,尖削槳尖的優(yōu)勢逐漸凸顯,并廣泛應(yīng)用于各種大型飛行器及飛行試驗(yàn)研究。

如圖4所示的槳尖是孫傳偉等人進(jìn)行試驗(yàn)的尖削槳尖,驗(yàn)證性地說明了尖削槳尖對提高旋翼氣動(dòng)性能的可行性。其后,尖削槳尖得到了長足的發(fā)展,并運(yùn)用在直-8直升機(jī)的改型設(shè)計(jì)上,取得了良好效果。

圖4 尖削槳尖示意圖

2.2 后掠槳尖

后掠槳尖的作用主要體現(xiàn)在:減弱空氣的壓縮性,推遲激波的發(fā)生;提高阻力發(fā)散馬赫數(shù)以及抑制阻力突增。在低速下,氣體的壓縮性對旋翼的氣動(dòng)特性影響不大,可以忽略,因此,后掠槳尖對中小型飛行器的槳葉氣動(dòng)特性影響不大。

如圖5所示槳尖是招啟軍等人采用的后掠槳尖,該文SBT槳尖系列與CSBT槳尖的后掠起始位置均為0.85R處,通過對旋翼流場和氣動(dòng)特性的影響分析,證實(shí)了后掠槳尖可提高大翼展旋翼的氣動(dòng)特性。

圖5 后掠槳尖

2.3 下反槳尖

下反槳尖是以槳尖處下洗速度減小為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合槳葉扭轉(zhuǎn)角的設(shè)定方法所設(shè)計(jì)的。從而保證槳尖處槳葉截面翼型與任意半徑r處槳葉截面翼型一樣,均處于二維翼型的有利迎角。

如圖6所示槳尖是某飛機(jī)的下反式三維槳尖。

圖6 下反槳尖

3 算例及結(jié)果分析

探索中小型扭轉(zhuǎn)旋翼關(guān)于尖削、后掠、下反三種槳尖形狀的氣動(dòng)特性影響,并將符合中小型翼的槳尖運(yùn)用于槳葉設(shè)計(jì)中,從而提高槳葉的性能。

樣例采用文獻(xiàn)[14]的單旋翼槳葉飛行器,該槳葉的相關(guān)參數(shù)為:

1)翼根半徑r0=50 mm,翼展D=660 mm,槳葉數(shù)b=2。

2)采用T16翼型,翼型弦長c=60 mm,升力線斜率k=6.43 rad-1,零升迎角α0=-6°,二維翼型有利工作迎角αk=-2.9°。

3)工作狀況為1 km高空,無風(fēng)情況。

圖7 初始扭轉(zhuǎn)槳葉部裝圖

初始扭轉(zhuǎn)槳葉參見文獻(xiàn)[14]中表2編號‘1’的槳葉,如圖7所示,該扭轉(zhuǎn)槳葉的扭轉(zhuǎn)方式已經(jīng)得到了驗(yàn)證。針對該文提出的槳尖修正,在此將該槳葉的‘槳尖區(qū)’分別進(jìn)行尖削、后掠、下反處理,建立相關(guān)模型,利用Fluent進(jìn)行模型仿真,設(shè)定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,旋翼氣動(dòng)特性見表1。

表1 旋翼氣動(dòng)特性

表1中,編號‘1’、‘2’、‘7’分別與文獻(xiàn)[14]的表2編號‘1’、‘2’、‘6’相同;編號‘3’至編號‘9’是在編號‘2’的基礎(chǔ)上進(jìn)行尖削、后掠、下反。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,因中小型旋翼工作狀況與大翼展旋翼不同,導(dǎo)致三種槳尖對翼型的影響程度也不同,具體表現(xiàn)為:

1)扭轉(zhuǎn)槳葉較未經(jīng)扭轉(zhuǎn)的矩形槳葉在氣動(dòng)特性上提高了4.6%。

2)尖削槳尖適用于中小型旋翼飛行器,與扭轉(zhuǎn)槳葉相比在氣動(dòng)特性上約提高了1.5%。

3)后掠槳尖不適用于中小型旋翼飛行器。

4)下反槳尖適用于中小型旋翼飛行器,選擇合理的下反角度,可提高旋翼性能。當(dāng)槳尖R處幾何安裝角為4°時(shí),該下反槳葉與扭轉(zhuǎn)槳葉相比在氣動(dòng)特性上約提高了2.3%。

為進(jìn)一步探究尖削槳尖適用范圍,調(diào)整轉(zhuǎn)速,經(jīng)仿真,得表2。

仿真結(jié)果表明:與扭轉(zhuǎn)翼相比,尖削槳尖旋翼在低速時(shí)沒有性能優(yōu)勢;適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速,尖削槳尖的優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)。

同時(shí),調(diào)整下反槳尖的轉(zhuǎn)速,經(jīng)仿真,得表3。

表2 不同轉(zhuǎn)速下后緣尖削槳尖旋翼氣動(dòng)特性

表3 不同轉(zhuǎn)速下下反槳尖旋翼氣動(dòng)特性

仿真結(jié)果表明:下反槳葉目的就是保證槳尖處截面翼型處于有利迎角工作范圍,因此,合理的選擇下反角度,在不同轉(zhuǎn)速下,均可體現(xiàn)其優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1)槳尖渦對旋翼槳尖的影響處于旋翼半徑0.85R至槳尖的‘槳尖區(qū)’,為降低槳尖損失,在‘槳尖區(qū),采用不同的槳尖形狀來提高旋翼的性能,主要槳尖形狀有:尖削、后掠、下反。

2)尖削槳尖旋翼可有效的削弱槳尖渦,從而降低旋翼的阻力距。但在低速時(shí)尖削槳尖沒有性能優(yōu)勢,隨著轉(zhuǎn)速的提高,槳尖雷諾數(shù)的增大,尖削槳尖的優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)。

3)中小型飛行器處在低速工作環(huán)境,故而后掠槳尖不適用于中小型旋翼飛行器。

4)槳尖渦導(dǎo)致槳尖處下洗速度減小,使槳尖處槳葉截面翼型的實(shí)際迎角增大,從而高出翼型的有利迎角。采用下反槳尖可使槳尖截面翼型的實(shí)際迎角接近于二維翼型的有利迎角,從而提高旋翼性能。下反槳尖的關(guān)鍵在于合理選擇下反角度。

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Impact of Blade Tip Shape on Small and Medium Rotor in Hovering

QIN Jie1,HE Mintao1,SHAO Weiping1,SHI Yujie1,HAN Yu2

(1 Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China; 2 Military Representative Office of Navy Ammunition in Shenyang Area, Shenyang 110100, China)

To improve aerodynamic performance of small and medium rotor in hover, considering the influence of paddle blade turbulence, the aerodynamic performance and change ruler of different paddle blade tip shape were analyzed. The paddle blade turbulence can be reduced by sharpening paddle blade and the resisting moment of rotor in hovering. The turbulence reduces downwash speed in the blade tip and enlarges angle of attack of paddle blade section. Along with increase of rotation speed and Reynolds number, the superiority of sharpened paddle blade is clear.

hover; blade tip vortex; taper; sweep back; cathedrals

2014-04-28

秦潔(1963-)女,湖南人,教授,研究方向:彈箭技術(shù)與模擬仿真。

TJ765.43;V279

A