南京航空航天大学,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,直升机技术研究所,Institute of Helicopter Technology,直升机空气动力学,Helicopter,Aerodynamics,直升机空气动力学,第五章 前飞时的旋翼理论,在轴流状态旋翼理论的基础上，,计入桨叶的环境和运动，得到前飞状态的旋翼滑流理论、叶素理论和涡流理论。,这些理论是直升机科技的基础。,第一节 前飞滑流理论,1-1,基本假定,与垂直飞行（轴流）状态的假定相同。速度为二维。,滑流边界仍以,旋翼直径,为基准,：,讨论 为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？,1-2,诱导速度,速度轴系,OX,V,Y,V,Z,V,和旋翼构造轴系,OX,D,Y,D,Z,D,在速度轴系内,上游,0,0,截面处,：,桨盘,1,1,截面处,：,下游,2,2,截面处,：,根据动量定理和动能定理，得,：,结论,在斜流状态，旋翼桨盘处的诱导速度在数值上等于下游很远处的诱导速度的一半，在方向上两者彼此平行,。,这一结论与轴流状态的完全一致,1-3,旋翼的拉力和功率,定常前飞时推力,升力,需用功率,代入,得到与轴流状态形式相同的式子,：,但须注意,1-4,桨盘处诱导速度随前飞速度减小,由,得到,当,后,，,可用,前飞滑流理论小结,1,，诱导速度及拉力的公式，形式上与轴流状态的相同,，,但,速度的合成是按向量,关系,即,2,，,前飞中，在,保持旋翼拉力不变,的条件下，,轴向诱导速度随前飞速度的增大而减小。,巡航飞行时诱导功率仅为悬停时,的,20%,以下。,诱导速度与前飞速度的关系图,第二节 前飞叶素理论,2-1,桨叶剖面气流及迎角,气流速度,，源自,:,飞行相对流速,旋转相对速度,挥舞相对速度,旋翼诱导速度,-9,迎角变化,：,即使无周期变距，,桨叶任一剖面的气,动环境总是在周期性变化。每旋转一周，,在速度,迎角图上的轨迹成,8,字形,。,桨盘平面上的剖面迎角分布很不,均匀，后行桨叶一侧迎角大，容易,发生气流分离。,桨叶挥舞是造成迎角变化大的主,要原因。迎角与速度相匹配，消除,了倾翻力矩。,2-2,旋翼空气动力,同轴流状态的处理方法一样，,把叶素的升力、阻力 转换,为旋翼的基元拉力和旋转阻力,旋翼空气动力在桨毂中心分解为,：,拉力,T,沿旋翼轴，向上,后向力,H,垂直于旋翼轴，顺风向后,侧向力,S,指向方位角,90,度方向,反扭矩,M,k,与旋转方向相反,依据桨叶挥舞角和所在的方位角，,旋翼各基元力由 构成,积分、无量纲化，如拉力系数,对于最简单的矩形桨叶、诱速均布且无周期变距的旋翼,，,同样办法，可得,基元功率系数为,经简化，得,形式与轴流的相同，只是增加了拉进功率一项及速度修正,。,第三节 挥舞运动系数,在挥舞运动方程中，气动力矩,为了解挥舞方程，,把上式展开为富氏级数,：,对于最简单的情况，即,代入挥舞运动方程,等式两侧的同阶谐波系数应相等。,已知,，,得到对应关系式,得挥舞系数,：,式中,桨叶质量特性系数（洛克数）,：,注意：一些西方国家文献中，洛克数不含,1/,2.,讨论：,1,，各系数的物理解释,2,，“变距与挥舞等效”是否依然成立？,注：当直升机有俯仰或滚转角速度时，旋翼还有随动挥舞。,第四节 摆振运动系数,空气阻力力矩,：,离心力力矩：,惯性力力矩：,哥氏力力矩：,减摆器力矩：,力矩平衡方程为：,导出各力矩的表达式，代入平衡方程，可得到摆振运动的微分方程：,摆振运动象挥舞运动一样，也是典型的简谐振动，激振力是科,氏力和气动阻力（很小），但固有频率仅为旋转角频率的大约一半。,桨叶后退角是旋翼反扭矩,与离心力矩平衡的结果。摆,振幅值取决于科氏力,。,讨论 为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？,利用处理挥舞运动同样的方法，,可解得三个摆振系数：,前飞叶素理论小结,1,，前飞中，桨叶的运动及气流很复杂：,前进、旋转、挥舞、变距、摆振、弹性变形（未计）,剖面的迎角、速度及空气动力总在变化中。,2,，由剖面的空气动力出发，经积分得出旋翼的空气动力特性,（拉力、后向力、侧向力、扭矩和功率）,；,与桨叶运动方程相结合，得出,挥舞系数和摆振系数,。,上述内容，是直升机飞行性能、配平、操稳计算的前提，也是动力学分析和结构设计的基础知识。,比机翼空气动力学复杂,讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为基准,？,第四节 前飞涡流理论,环量及轴向诱导速度分布都用富氏级数表示,基本假定与轴流的相同，只是涡系,延伸方向按桨盘平面处的合速度方向,来处理：,涡系的倾角取为,根据王适存广义涡流理论，可以得出各阶系数的解析式。,仅为解释物理概念，做许多简化后，得,旋翼环量分布一般为：,桨盘上升力系数分布为：,可见，后行桨叶会因速度增大而失速加剧,前飞旋翼理论小结,1,，旋翼流量仍以桨盘面积计算，轴向诱导速度 仍保持 及 。随着飞行速度的增大,，,诱导速度及诱导功率,因流量增大而减小。,2,，桨叶各剖面的速度、迎角和空气动力都是时变的。据此可计算桨叶的挥舞系数及摆振系数，以及旋翼的空气动力。,3,，桨叶挥舞及诱导速度分布不均，致使后行桨叶剖面迎角远大于平均值。,后行桨叶发生气流分离,（失速）是限制直升机飞行速度的主要障碍之一,。,讨论：为何不以桨盘与来流的正交面积为基准？,