直升机旋翼技术及发展ppt课件.ppt

直升机旋翼技术及其发展,主要内容,1、引言2、旋翼的主要动力学问题3、旋翼技术的发展4、新概念、新构型旋翼,一、引言,1.1 旋翼的功用,产生直升机飞行所需的力升力面实现直升机的操纵操纵面,一、引言,1.2 旋翼的工作特点,（1）旋翼气动环境的特殊性,悬停时 旋翼桨叶上的相对气流呈三角形分布，不随方位角变化 前飞时 旋翼桨叶上的相对气流是前飞速度与旋转速度的合成，合速度的大小及方向各处都不同 因此，旋翼桨叶上的空气动力 时刻在变化,桨盘上的速度分布,1）不对称气流,一、引言,2）旋翼桨叶的复杂运动 旋翼不仅旋转、前飞，还有挥舞、摆振、变距运动,挥舞运动 桨叶通过挥舞铰上下挥舞，挥舞相对速度使桨叶剖 面迎角变化桨叶升力实现动态平衡。摆振运动 挥舞运动引起桨叶前后方向的交变哥氏力，对桨 根产生很大交变力矩，因而在桨根又设置了摆振铰，允许桨叶前后摆振由此引起地面共振。变距运动 为了改变旋翼拉力的大小和方向，需通过变距铰改变 桨叶桨距，实现对直升机的飞行操纵。挥舞、摆振、变距运动使桨叶的运动及空气动力更加复杂,一、引言,3）直升机上的气动干扰,旋翼尾流与机身的相互干扰 旋翼尾流与尾桨、尾面的气动干扰 桨涡干扰（中、小速度飞行时）这些干扰随飞行状态在变化，使旋翼流场及空气动力发生变化,一、引言,由于以上原因，使桨叶上各处的速度不同、迎角不同，在旋转中持续变化，从而使诱 导速度及产生的空气动力也在持续变化 周期交变 高速飞行时，前行桨叶的压缩性及后行桨 叶的动态失速也使桨叶迎角剧烈变化 即使在定常飞行状态下，旋翼产生的气动 载荷也是周期交变的这些因素给旋翼流场、涡系描述、气动力建模及气动力测试带来很大困难,4）旋翼的非定常空气动力,一、引言,（2）旋翼桨叶本身的特殊性,离心力场中细长、刚度很低的弹性体容易产生振动响应桨叶固有频率难以做到远离激振力频率容易引起共振旋翼桨叶各运动自由度之间及旋翼与机体之间存在着复杂的耦合关系,变距/挥舞/摆振耦合示意图,一、引言,1.3 产生的后果,交变气动环境,交变气动载荷,桨叶弹性振动,动应力 旋翼疲劳,直升机振动,桨叶各自由度之间的耦合,旋翼桨叶的动力不稳定,一定条件下,旋翼运动与机体间的耦合,直升机机体的动力不稳定,一定条件下,地面共振空中共振传动系统动力不稳定,一、引言,1.4 旋翼设计的特殊性,（1）由于旋翼的工作特点，使旋翼的分析方法以及设计中的工程 处理方法与其它结构相比有着明显的特殊性：,与空气动力密切联系的结构动力学问题特别突出气动弹性在细节设计上主要是抗疲劳设计,（2）旋翼设计主要是动力学设计问题直升机技术就等于动力学,（3）一些主要动力学问题预估的准确度往往偏低，从而依赖于实验 和试飞，这也是直升机研制成本高、周期长的主要原因。,（4）旋翼的某些结构动力学特性及其参数还与直升机的飞行动力学 特性直接相关旋翼操纵功效、角速度阻尼、迎角静稳定 性也对设计有影响。,二、旋翼的主要动力学问题,2.1 旋翼动特性,旋翼动特性主要指旋翼桨叶的固有振型以及对应的固有 频率（模态特性）它是研究旋翼动力学问题的基础 对直升机动力学，甚至飞行力学都有重要影响旋翼桨叶由三个方向的运动挥舞、摆振、扭转，相应有 这三个方向的固有特性，在有些情况下这三个方向的固有模 态之间存在着耦合。旋翼动特性与旋翼型式密切相关即与桨毂型式有关,2.1.1桨叶固有特性,二、旋翼的主要动力学问题,桨叶动特性可以采用有限元或其它方法进行计算，并通过试验验证计算所用原始参数是桨叶的质量、刚度分布，质量刚度计算结果也 要通过试验验证,2.1.2 旋翼桨叶动特性的计算,二、旋翼的主要动力学问题,计算结果：桨叶共振图及振型图,要求：在旋翼工作转速范围桨叶固有频率与激振力频率有一定差值，避免发生共振或过度振动旋翼动特性优化设计,二、旋翼的主要动力学问题,2.1.3 旋翼的基阶模态,铰接式旋翼的零阶模态及无铰式、无轴承式的一阶模态一般 统称为基阶模态，它对直升机动力学及飞行力学最为重要。铰接式旋翼的挥舞基阶模态的固有频率可以表示为：,挥舞铰外移量绕挥舞铰质量静矩绕挥舞铰质量惯矩,对于带弹性铰的铰接式旋翼（球柔性），可近似表示为：,绕挥舞铰的弹性约束刚度,一般铰接式旋翼基阶固有频率,UH-60A直升机：,二、旋翼的主要动力学问题,对于无铰式和无轴承式旋翼桨叶基阶模态可以采用等效 模型来处理以便与铰接式进行比较,等效铰模型,当量弹簧刚度当量挥舞铰外伸量,一般无铰式和无轴承式旋翼在额定转速时,当量挥舞铰外伸量 约为 11%21.5%,二、旋翼的主要动力学问题,摆振基阶模态 扭转模态相对比较复杂，这里不介绍,摆振基阶模态也可以采取类似的处理方法,分别为绕摆振铰的弹簧刚度、摆振铰外伸量、绕摆振铰静矩及惯矩。,对纯铰接式：,约为3%5%,当采用粘弹减摆器时，会显著提高，达到0.6,一般无铰式及无轴承式旋翼,摆振柔软式,如果进一步提高，使,摆振刚硬式,二、旋翼的主要动力学问题,一副旋翼是由多片桨叶构成的，在研究旋翼动力学问题时必须考虑如何描述整个旋翼的运动，这就是整体振型多片桨叶同频率同幅值运动时，由于相位不同而形成的运动形态。集合型 各片桨叶的相位差0或 的整数倍,2.1.4 旋翼的整体振型,二、旋翼的主要动力学问题,周期型（后退型、前进型）各片桨叶的相位顺旋转方向 依次递增 后退型 各片桨叶的相位顺旋转方向 依次递减 前进型,二、旋翼的主要动力学问题,无反作用型 相位依次递增或递降不同的整体振型与机体耦合关系不同 无反作用型：与机体没有耦合 集合型：挥舞运动与机体垂直向运动相耦合 摆振运动与桨毂中心的扭转运动相耦合 周期型：挥舞运动与桨毂中心有纵、横向角位移的机体运动相耦合 摆振运动与桨毂中心有纵、横向水平位移的机体运动相耦合,二、旋翼的主要动力学问题,2.2 旋翼的振动载荷,当直升机具有水平速度时（前、侧、倒飞），即使是在定常状态，由于旋翼旋转与飞行速度的叠加：桨叶剖面的切向速度是随方位角而周期变化的 诱导速度分布不均匀 气动干扰、失速、压缩性影响 造成旋翼的气动环境及其复杂，从而使桨叶的气动载荷必然是周期变化的气动载荷可以分解为以 为基频的傅里叶级数，即包含有旋翼转速整数 倍的各次谐波的成分：。在各次谐波气动载荷作用下，会引起桨叶同频率的各阶模态的动响应（弹性振动），此响应又会反馈于气动载荷，形成一个气动弹性耦合的 响应问题,旋翼的振动载荷.,二、旋翼的主要动力学问题,气动载荷及桨叶振动惯性力在桨叶剖面中产生交变弯矩、切 力 桨叶疲劳；其中最大的是一次、二次谐波成分，谐波次数越高载荷幅值越小。从直升机振动的角度考虑：交变的桨根力和力矩合成起来形成桨毂力和力矩 桨毂六力素；桨根力和力矩也包含有各阶谐波成分，但仅其中一部分能合成起来 传递给机身，其余都互相抵消了（桨毂是各滤波器）。合成后的桨毂六力素在固定坐标系中的频率为 的整数倍（），称旋翼主通过频率 直升机的振源。,二、旋翼的主要动力学问题,旋翼桨叶的气动载荷及其响应是直升机空气动力学及动力学中最复杂的问题，预估准确度低。特别是低速和高速飞行时振动载荷预估的准确度更低。降低旋翼振动载荷的措施（1）避免共振（2）气动载荷越接近某阶模态，这阶模态的响应就越大（负扭转）（3）提高外载与振型函数的正交性改变气动载荷的分布（4）过轻的桨叶对动应力不利,二、旋翼的主要动力学问题,从降低直升机振动考虑,（1）旋翼桨叶片数K增加时，传给机体的桨毂激振力降低（2）小速度和高速度飞行时会出现激振力的峰值，特别是消速状态（3）无铰式旋翼的桨毂激振力矩往往要比铰接式高（4）如果能合成桨毂激振力的桨叶载荷谐波次数与桨叶固有频率接 近，则桨毂激振力加大。,二、旋翼的主要动力学问题,2.3 旋翼动力稳定性,旋翼桨叶有挥舞、摆振、扭转（变距）等运动自由度，这些自由度之间存在着复杂的耦合关系，包括气动、惯性、结构、几何（运动）等不同性质的耦合，在一定条件下，由于这些耦合两个自由度运动之间会有相互激励作用，即一个自由度运动对另一个自由度作用力作正功，输入能量，如果这个激励作用作用超过了系统阻尼，就会引起系统的发散运动，出现动不稳定性。旋翼主要有：挥舞/摆振动不稳定性 变距/挥舞动不稳定性经典颤振 变距/摆振动不稳定性 动不稳定性分析主要采用特征分析法，建立运动方程后解出其特征值及特征向量，特征值实部为正时系统是不稳定的，不稳定区的下边界称为临界转速。,二、旋翼的主要动力学问题,2.4 旋翼与机体耦合的动力稳定性,地面共振是直升机在地面开车、滑行、滑跑时发生地面共振只可能在摆振柔软旋翼的摆振后退型固有频率与机体在起 落架上的振动频率重合或接近时发生不稳定源是两个运动之间的相互激励，能量来源是旋翼的旋转动能桨叶摆振固有频率越低，桨叶总质量与直升机总质量之比越大，不 稳定性越大只有同时存在摆振阻尼及机体（起落架）阻尼才可能消除地面共振不稳定性,1.直升机地面共振,当 时，整个系统出现不稳定,二、旋翼的主要动力学问题,空中共振是直升机在飞行中出现的旋翼与机体耦合的动不稳定现象，不稳定源还是后退型摆振运动与机体运动之间的相互激励，但挥舞运动也起作用，即与空气动力有关，它是直升机动力学中最复杂的问题之一。铰接式旋翼在工作转速范围内只可能发生地面共振摆振柔软的无铰、无轴承旋翼地面、空中共振都可能存在摆振刚硬式则不存在这个问题,2.直升机空中共振,二、旋翼的主要动力学问题,2.5 旋翼/动力/传动扭振系统动力学问题,扭转共振 由旋翼/动力/传动/尾桨组成的机械扭振系统，在直升机地面开车及飞行时会有从旋翼桨毂上传递的基频为 的交变扭矩作用在扭振系统上，当扭振系统的固有频率与激振力频率接近或重合时，在系统中就会产生过大的交变载荷，以至引起传动系统结构的疲劳破坏。,二、旋翼的主要动力学问题,扭振系统的耦合动稳定性,传动链机械扭振系统在扭振时与发动机燃调系统相耦合，形成的闭环系统在一定的条件下会成为动不稳定。,通过调节燃调系统的增益和桨叶减摆器提供的阻尼来消除,二、旋翼的主要动力学问题,2.6 旋翼 激振力,旋翼的质量及气动不平衡产生作用于桨毂中心处的纵向及横向激振力及力矩，其频率为，从而引起直升机振动（对旋翼无影响）。旋翼可能的不平衡 1）制造误差产生的各片桨叶对旋翼中心的质量静矩不相等或相 邻两片桨叶之间的夹角不相等，离心力不平衡。2）各片桨叶的气动外形、安装角、扭转变形不相等，气动不平衡消除措施 1）制造过程中严格控制各组件的尺寸、外形及质量准确度。2）设计补偿措施。旋翼静平衡、动平衡（调锥度）,三、旋翼技术的发展,3.1 旋翼的重要性,旋翼特性的优劣直接影响和决定直升机的性能、飞行品 质、动力学特性、安全可靠性。旋翼技术的发展不断推动着直升机技术的发展和进步，是直升机更新换代的重要标志。旋翼技术的研究与发展是直升机技术持续发展的永恒主题。旋翼由桨叶和桨毂两个设计要求有很大差别的部分组成,三、旋翼技术的发展,3.2 旋翼技术的发展历程,从20世纪30年代第一架实用的直升机问世到现在，从技术特征看直升机已经经历了四个发展阶段，而旋翼技术一直是其重大技术进步的主要动力和重要指标之一。因此，也可以认为旋翼技术的发展也经历了四个发展阶段（或四代）第一代 上世纪50年代中期之前 桨叶采用木质/混合式结构、常规对称翼型、无负扭转、桨毂为全铰接式，带摩擦减摆器，桨叶寿命500小时。,直-5,Bell-47,三、旋翼技术的发展,第二代 50年代中到60年代末 桨叶采用全金属胶接结构、常规对称翼型、线性负扭转，桨毂为铰接式，有弹性元件，液压减摆器，桨叶寿命1000小时以上。,云雀,米-8,超黄蜂,三、旋翼技术的发展,第三代 70年代初到80年代末 桨叶采用复合材料（主要是玻璃钢）、桨叶专用翼型、非线性负扭转、后掠桨尖，桨毂：无铰式、弹性铰式，粘弹减摆器，桨叶寿命10000小时。,山猫,BO-105,黑鹰,海豚,三、旋翼技术的发展,第四代 80年代至今 桨叶采用先进复合材料、高性能先进翼型、先进桨尖形状、非线性负扭转，桨毂：复合材料球柔性、无轴承桨毂，出现液弹减摆器，桨叶可达无限寿命。,从上边发展历程可以看出，复合材料在直升机旋翼上的应用是直升机技术的一次大飞跃：桨叶：精细化设计，使气动性能、疲劳寿命大幅度提高 桨毂：简化了结构，减轻了重量，改善了维护性，安全性提高了,NH-90,EH101,RAH-66,三、旋翼技术的发展,3.3 旋翼桨毂技术的发展,桨毂的重要性：1）将作用在桨叶上的各种载荷通过桨毂传给机体结构 2）通过桨毂实现对旋翼（直升机）的操纵桨毂经历了由简单 复杂 简单的发展过程 对简化旋翼桨毂结构、减少维护工作量，改善驾驶品质 的迫切使用要求是这一发展的动力。材料、工艺及旋翼动力学的发展为桨毂的发展创造了条件。,三、旋翼技术的发展,桨毂的型式是指旋翼桨叶与旋翼轴的连接方式，不同的桨毂型式其动力学特性及设计特点有明显的差别。1）铰接式桨叶通过挥舞铰（水平铰）、摆振铰（垂直铰）、变距铰（轴 向铰）与旋翼轴相连，可以有不同排列方式，采用金属滚动轴承。,3.3.1 旋翼桨毂的结构型式,米-4 采用止推轴承传递离心力,S-58 采用多排向心推力轴承,云雀 采用拉扭条传递离心力,三、旋翼技术的发展,2）半铰接式（跷跷板式）只有两片桨叶，共用水平铰，无垂直铰挥舞面对称载荷相当于无铰式，非对称载荷相当于铰接式摆振面相当于无铰式（无地面共振问题）,UH-1,三、旋翼技术的发展,3）无铰式无挥舞铰和摆振铰，只保留变距铰，桨叶挥舞、摆振 运动完全靠桨根（或桨毂）弹性变形采用拉扭条代替止推轴承,BO-105,山猫,三、旋翼技术的发展,4）无轴承式桨叶、摆、扭运动完全通过桨根柔性梁来实现柔性梁是这种桨毂型式的核心,RAH-66简化模型,EC135,RAH-66,三、旋翼技术的发展,5）其它型式 以上四种型式的变种，采用弹性体轴承代替滚动轴承出现了：带弹性铰的铰接式：,UH-60用两个弹性轴承实现三个铰的功能,海豚:星型柔性，球面弹性轴承与柔性臂组合实现三个铰功能,三、旋翼技术的发展,EH101桨毂为球柔性，用一个球面弹性轴承实现三铰功能,新型无铰式（虎式）,特点：用一个纤维弹性轴承承受离心力并实 现变距运动桨叶挥、摆运动由桨根弹性变形实现桨叶减摆器安装在桨根结构简单，主要零件仅24个,三、旋翼技术的发展,1）利用材料（复合材料或钛合金）的弹性（或柔性）取代铰 接式旋翼桨毂中需要润滑的滚动轴承，实现桨叶的挥、摆、变距运动，从而避免了常规铰接式桨毂由于“铰”带来的 结构复杂、维护性及可靠性差等弊端。无铰式：仍保留轴向铰，采用拉扭条无轴承式：柔性梁,3.3.2 桨毂技术发展的主要特征,RAH-66简化模型,山猫,三、旋翼技术的发展,2）利用弹性元件取代滚动轴承，实现桨叶运动拉扭条：取代止推轴承传递离心力无铰式、铰接式层压弹性轴承：用一个球面弹性轴承取代铰接式三铰，三铰 合一，实现桨叶挥、摆、变距运动球柔性,三、旋翼技术的发展,3）减摆器（阻尼器）的发展 摩擦减摆器液压减摆器粘弹减摆器液弹减摆器 减摆器不仅对铰接式旋翼，对摆振柔软的无铰式、无轴承式都是需要的。减摆器为桨叶绕摆振铰的摆振运动提供阻尼 防止出现 地面共振及空中共振 旋翼/传动/发动机组成的扭振系统动不稳定性,液压减摆器,粘弹减摆器,液弹减摆器,NH-90液弹减摆器,三、旋翼技术的发展,对旋翼桨毂的要求：结构简单、重量轻、维护性好(只需视 情维护)、安全性可靠性高。球柔性、无轴承式、新型无铰式符合这个要求，因此也是最 有前途的。由于对旋翼设计的多方面要求及当时的材料、工艺水平的限 制，在一定时期流行的往往不是少数几种型式。但随着科学 技术的不断发展及人们对旋翼的“认识”和“了解”的不断 深入，新的旋翼桨毂结构型式还会不断出现。,3.3.3 旋翼桨毂的发展趋势,三、旋翼技术的发展,3.4 旋翼桨叶技术的发展,从上世纪70年代起，旋翼桨叶技术迅速发展，主要表现在：1）复合材料在旋翼桨叶上的应用 复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分发挥：为桨叶气动外形精细化设计和旋翼动力学优化设计提供 了可能和条件使桨叶使用寿命大幅度提高，大大降低了全寿命成本 由于以上原因，新机研制几乎毫无例外都采用复合材料桨叶。,三、旋翼技术的发展,2）高性能、先进桨叶气动外形 复合材料的应用推动了旋翼桨叶气动设计的迅速发展，精细化设计提高了旋翼的气动性能，降低了旋翼的振动和噪声水平。高性能先进翼型先进的桨尖形状高性能、先进桨叶气动外形优化设计（见直升机空气动力学）,EH-101桨尖,NH-90桨尖,三、旋翼技术的发展,3）旋翼桨叶结构型式的发展 同桨毂的结构相似，由于对桨叶的多方面的要求，加上当时的材料及工艺水平的限制，一定时期流行的往往只有少数几种型式。影响桨叶结构型式的主要因素：气动效率、动力学特性、疲劳强度 主要代表：木质/混合式桨叶（上世纪4050年代）全金属桨叶（上世纪5060年代）复合材料桨叶（上世纪70年代以后）,三、旋翼技术的发展,木质/混合式桨叶,三、旋翼技术的发展,全金属桨叶,直-5桨叶,UH-1桨叶,三、旋翼技术的发展,复合材料桨叶,BO-105桨叶,海豚桨叶,三、旋翼技术的发展,经30多年的发展复合材料桨叶技术越来越成熟和完善，已达到无限寿命。,CH-47桨叶,UH-60桨叶,EH-101桨叶,“虎式”桨叶,三、旋翼技术的发展,3.5 旋翼动力学的发展,旋翼动力学是旋翼技术发展所依托的理论基础，直升机的飞行性能、飞行品质、载荷、振动与噪声、动力稳定性、寿命及可靠性等一系列问题的研究水平和解决程度，都在很大程度上取决于旋翼空气动力学和结构动力学的发展水平。长期以来，国外投入大量人力物力开展旋翼动力学研究，已经发展了比较完善的旋翼动力学理论，建立了成套的分析计算方法和工程应用软件，并具有相当充分的试验手段，也积累了大量的数据资料，从而提高了旋翼气动和动力学特性预估的精确度，为发展和完善新理论、新方法提供了良好的基础，以此为基础，各种类型的先进旋翼系统不断出现。,四、新概念、新构型旋翼,4.1 智能旋翼,在旋翼设计中采取各种措施降低旋翼激振力，从而降低直升机的振 动水平，这是代价最小的，但很难；因此必须采用主动或被动的控 制旋翼振动的方法和措施，智能旋翼是目前主动控制方法中研究的 热点之一。,智能旋翼是在桨叶内部安装智能材料（压电材料）驱动机构，使其 按一定的控制律驱动桨叶上的控制面，从而调节桨叶的高阶气动载 荷分布，以改善桨叶气动弹性特性，降低旋翼振动和噪声水平。,四、新概念、新构型旋翼,智能旋翼有两种类型,通过驱动桨叶尖部（或外部）襟翼对桨叶进行控制对整个桨叶进行扭转的主动扭转智能桨叶,优点：重量轻、结构紧凑、响应快、控制频带宽等,关键技术：,高效可靠的智能驱动机构研究必须产生足够大的驱动力智能机构与桨叶结构的集成控制律研究,模型,试验,四、新概念、新构型旋翼,4.2 电控旋翼,电控旋翼是通过电磁作动器操纵桨叶尖部后缘襟翼1偏转实现桨叶 变距。驾驶杆产生的操纵运动通过电信号经集流环、旋翼轴、桨毂传 至电动作动器，再带动后缘襟翼偏转。,主要优点：取消了自动倾斜器，液压助力器和操纵杆系重量减 轻，动部件减少,关键技术：,电控旋翼系统的结构设计电控旋翼控制系统控制律设计电控旋翼的气动特性,四、新概念、新构型旋翼,4.3 高速直升机新构型旋翼,（3）速度可达到400km/h以上（4）旋翼结构设计、疲劳、操纵 与动力学问题是技术难题（5）仍在试飞、试验阶段,（1）特点：,采用共轴式双旋翼布局，相同两付旋翼转向相反 尾部加推力风扇 采用刚性旋翼，旋翼桨叶基阶挥舞、摆振固有频率都达到1.4,（2）原理：由于桨叶挥舞刚度大，不对称气流引起的挥舞就很小，这样就可 以充分发挥前行桨叶优势，而出现的侧倾力矩则靠共轴双旋翼来 平衡前行桨叶概念（ABC旋翼）,用于共轴式刚性旋翼高速直升机（X-2）,