1、第一章 垂直飞行时的滑流理论 1,典型教案,第一章 垂直飞行时的滑流理论 2,直升机独特的飞行性能： 能够垂直上升、垂直下降和空中悬停，以及良好的低速飞行性能，来自旋翼的空气动力特性。直升机空气动力学课程，从垂直上升及悬停中的旋翼滑流理论入门。该理论比较简单，但含有重要的基本概念和知识。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 3,第一节 基本原理 1.1 旋翼怎样产生拉力旋翼向下排压空气，形成旋翼尾流，同时从上方吸入空气。气流受到旋翼作用力，被加速、增压；同时对旋翼施加反作用力，即是旋翼拉力。为知道旋翼拉力，可计算气流所受的力，二者大小相等。讨论：旋翼拉力不称做升力，概念不同：翼面升力垂直于来流速度旋
2、翼拉力沿转轴方向，是各桨叶的合力,第一章 垂直飞行时的滑流理论 4,1.2 滑流假定为做数学推演，须对物理现象做适当的简化假定： 滑流：空气无粘性、不可压缩作用盘：旋翼是作用盘，产生稳定均布的诱导速度流管：受旋翼作用的气流形成一流管，气流无扭转诱导速度-旋翼的作用引起的速度变化（方向、大小）讨论：各项假定的适宜性：低速、常温、常规尺寸 ；（粘、波阻力）多叶旋转、负扭及尖削；（修正系数）流动有界面、扭速较小,第一章 垂直飞行时的滑流理论 5,第二节 旋翼滑流计算 当直升机以速度 垂直上升，相对气流向下吹来。 截取上游、下游各很远处两截面之间的一长段流管， 周围大气压强皆为 ，自成平衡。 由于旋翼
3、激起诱导速度， ， ，2.1 由动量定理，单位流量的动量改变等于所受的同方向外力根据质量守恒定律，单位流量,（不计空气重力）,第一章 垂直飞行时的滑流理论 6,2.2 由动能定理，滑流动能的改变，等于旋翼输送给滑流的功率即 将动量定理的 及 代入上式得 即 旋翼在下游远处的诱导速度 ，等于桨盘处诱导速度 的2倍.讨论：空气有粘性，动能会耗散。远处诱导速度 达不到 最大值约为 ，之后即减小，最终耗尽。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 7,2.3 诱导速度与拉力系数的关系旋翼拉力 以 把 T 无量纲化，且令 ，得 拉力系数 或直升机匀速垂直上升中，T = G = 常数， 若V0增大，则流量增大， 减
4、小。 0,第一章 垂直飞行时的滑流理论 8,第三节 悬停特性悬停是直升机最重要的飞行状态之一。 旋翼在原地运转， 空气被旋翼吸入，桨盘处的入流速度就是旋翼的诱导速度，即 旋翼滑流的单位流量,第一章 垂直飞行时的滑流理论 9,3.1 悬停诱导速度 由滑流受力 代入 , 且已知 ， 得 拉力系数 ，悬停诱导速度 常用作特性速度，如垂直上升中：,第一章 垂直飞行时的滑流理论 10,3.2 滑流中的速度及静压变化对于无粘、不可压流体，柏努利方程简化为 旋翼上方 因 ，得,第一章 垂直飞行时的滑流理论 11,旋翼下方 因 ， ， 得即：旋翼上面为吸压，下面为增压，且增压值为吸压的3倍。若由桨盘上、下的静
5、压差来计算旋翼拉力，则得 ，与动量分析所得结果相同。,讨论：1)应用柏努利方程为何要分别针对上下两段滑流 2）滑流为何收缩，边界是凹 弧还是凸弧。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 12,3.3 悬停功率理想条件下，旋翼功率仅用于产生拉力（引起诱导速度） 以 将 无量纲化，得功率系数以 代入，则得,第一章 垂直飞行时的滑流理论 13,第四节 旋翼滑流理论的修正 4.1 叶端损失系数实际旋翼，并非整个桨盘面积产生拉力：1)桨毂及叶根段（r0以内）无翼型2)桨盘上下有压差，在叶尖处会有自下而上的绕流，削弱了尖部的作用有效面积 令叶端损失系数 ， 一般 r0 (0.20 0.25)Rr1 = (0.98
6、 0.99)R悬停实际诱导速度，比理论值大一些：,第一章 垂直飞行时的滑流理论 14,4.2 悬停效率旋翼在悬停时消耗的功率，不仅是诱导功率 ，还有： 克服空气粘性引起的翼型阻力的能耗、克服波阻的功耗旋翼尾流有扭转运动，带走了动能诱导速度有脉动、沿桨盘不均布，诱导功率比 要大些（上述功率将利用旋翼叶素理论、涡流理论计算）,定义：悬停效率大多数直升机， 在0.7左右。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 15,4.3 悬停旋翼尾流扩散由质量守恒 已知下游无限远处，滑流收缩为实际气流有粘性，流动中动能逐渐耗散1)尾流不能收缩到 R20.707，实际约达 0.78 R 后开始扩散2) 最大值仅能达到约 ，
7、之后即减小至耗尽。,讨论：滑流理论也称做动量理论应用的局限性,第一章 垂直飞行时的滑流理论 16,第五节 滑流理论的工程应用5.1 桨盘载荷定义 桨盘载荷 kg/m2旋翼单位扫掠面积所需承担的直升机重量由悬停拉力公式 及 得,讨论：p不可太大，现多在25至40 之间(诱导功率、机身阻力、下吹风)如 Z9，p = 37， ，六（九）级风,第一章 垂直飞行时的滑流理论 17,5.2 功率载荷定义 单位马力载荷 kg/HPG直升机设计的起飞重量，kgNM发动机在海平面的额定功率，HP (马力) NM大部分用于驱动旋翼，约1020%功率消耗于尾桨、附件、传动损失等旋翼可用功率 N可用 =功率传递系数
8、，A发动机高度特性当代直升机 q = 35 kg/HP讨论：飞机螺旋桨，约 1 kg/HP,第一章 垂直飞行时的滑流理论 18,5.3 旋翼直径选择直升机飞行，必须由 得由 得在海平面， 一般 1825,讨论： 有极限值的物理解释: 能量守恒,第一章 垂直飞行时的滑流理论 19,将 p 与 q 的定义式代入，得直升机重量G一定，则需用功率与旋翼直径成反比物理解释：D大，则流量 大 在 一定的条件下， 小而诱导功率 ， 小则诱导功率小,讨论： 1)怎样用小功率发动机制成大重量直升机2）发展趋势：p增大，,第一章 垂直飞行时的滑流理论 20,本章小结 一、主要结论诱导速度拉力系数诱导功率系数 悬停效率桨盘载荷与功率载荷的关系： 二、应用 1)总体方案设计时，初定 p，D，NM 2)简略分析中，估算 3)其他对流场、气动干扰等的快速分析、定性分析(如尾桨用推力式),
