涵道螺旋桨启动计算的片条理论及其应用.docVIP

——————————————————————————————————————————————— 涵道螺旋桨启动计算的片条理论及其应用 第二十二届（２００６）全国直升机年会论文　 　 涵道螺旋桨气动计算的片条理论及其应用　 刘沛清［１］　　鲁金华［１，２］ １北京航空航天大学，１０００８３，北京． ２　中航二集团国营５５０厂　 摘要 本文详细地推导了涵道螺旋桨的片条理论计算公式，建立了在有无侧风情况下（有 无侧风是针对直升机的，对涵道螺旋桨实为轴流状态）涵道螺旋桨拉力和功率的计算方法。并以我国某型直升机涵道螺旋桨为例，系统给出了有无侧风情况下，不同桨叶安装角涵道 螺旋桨的拉力和功率变化曲线。计算结果是合理的，可为设计部门提供依据。 １　　概述　 涵道螺旋桨出现于20世纪50-60年代，当时主要用于地面效应飞行器的推力装置和垂直起落飞行器的升力装置。由于涵道螺旋桨具有气动性能好、尺寸小和安全性好等优点，自1968年法国首次推出涵道尾桨直升机以来，涵道尾桨的“小羚羊”、“海豚”直升机已在世界范围内得到广泛应用，美国20世纪90年的“科曼奇”武装直升机与欧洲的EC135直升机均采用了涵道尾桨。就气动特性而言，涵道尾桨之所以引起人们的高度重视，是因为其与孤立螺旋桨相比，在相同功率下，相同直径时可产生较大的拉力，产生相同拉力时需要的直径较小。造成这一差别的气动机理是[1]： （1）涵道的存在改变了螺旋桨下游的滑流状态，减小了滑流速度和滑流动能损失，从 而较多地将螺旋桨桨盘后面的动能转化为压力能。 （2）涵道壁面改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性，减小了桨尖损失。 （3）涵道的入口前缘，形成了较大的负压区，产生了附加拉力。 但目前涵道螺旋桨的气动计算理论尚不完善，现在设计部门普遍采用的是简单的滑流和叶素理论[1，2，3]，假定桨盘处轴向干扰速度均匀分布，不计桨叶尾涡的下洗作用，这显然不能够较好地反映实际流动行为。为了减小计算误差，选用展弦比6-8的叶素气动数据较好。为了弥补这一缺陷，本文给出涵道尾桨的??条理论，该理论将滑流理论和Prandtl的有限翼展升力线理论有机地结合起来，考虑了桨叶尾涡的下洗作用，更好地反映了通过涵道尾桨的气流特性[4]。但应指出的是，由于涵道螺旋桨绕流结构的复杂性，尽管气动计算的方法还有：升力线法，升力面法，以及直接求解N-S方程的流体数值模拟方法，但计算方法复杂，且计算精度尚未能保障，因此，提供一种有效、可靠、简便的气动计算方法是非常必要的，本文介绍的实际上是螺旋桨气动设计中普遍采用的片条理论的推广。 ２　　涵道尾桨的片条理论　 为了提供拉力（thrust），螺旋桨必须给空气与拉力反向的流动。滑流理论是由Rankine和R.E.Froude提出的，以气流通过桨盘的动量和能量变化作为依据。为了利用一维缓变流理论，滑流理论的基本假定如下[1，2，3]： （1）　气流是不可压缩、无粘性的理想流体。 （2）　将螺旋桨看作为一个前进的桨叶片数无限多的桨盘（disc），气流连续地通过桨盘， 在桨盘上产生的拉力分布是均匀的，桨盘的前后存在压差，但桨盘前后的轴向速度是相等(不考虑桨盘的厚度)。 （3）　滑流是均匀、轴对称的，通过桨盘气流无旋转。 如图1所示，设来流气体密度为ρ，未受螺旋桨扰动的轴向速度和压强分别为V0和p0，当气流逼近螺旋桨时速度增加压强减小，在螺旋桨盘前压强为p′，气流通过桨盘后压强增加为p′+?p，轴向速度增大为V1(=V0+u1)，当气流接近滑流区（Slipstream zone），轴向速度进一步增大，滑流速度为V2(=V0+u2)，但压强降到来流压强p0。利用不可压缩理想势流理论，在桨盘前后的Bernoulli方程可写为： 桨盘前（能量方程） H0=p0+ 桨盘后（能量方程） 11ρV02=p′+ρV12 （1） 22 11ρV12=p0+ρV22 （2） 22H1=p′+?p+ 桨盘前后的压差为 ?p=H1?H0=111ρ(V0+u2)2?ρV02=ρ(2V0+u2)u2 （3） 222 图１　　涵道螺旋桨绕流　 设桨盘面积为A，则螺旋桨拉力Tp为 Tp=A?p=ρA(V0+u2/2)u2 （4） 设涵道拉力为Ts，则涵道螺旋桨的总拉力T为 T=Ts+Tp=qT+Tp