直升机系统3王华明.pptx

南京航空航天大学直升机技术研究所 1.1.桨叶气动外形桨叶气动外形 主要内容：翼型及配置、平面形状、负扭转主要内容：翼型及配置、平面形状、负扭转 等。等。1 1）翼型）翼型：桨叶翼型既要满足后行工作区低桨叶翼型既要满足后行工作区低M M数、大数、大CyCy值的要求，又要满足前行工作区高值的要求，又要满足前行工作区高M M数、小数、小CyCy值的要值的要求，还要满足悬停状态要求。求，还要满足悬停状态要求。翼型的升力特性、阻力特性、力矩特性要求是个多翼型的升力特性、阻力特性、力矩特性要求是个多目标问题，相互有矛盾。目标问题，相互有矛盾。高性能先进翼型（旋翼桨叶专用）：高性能先进翼型（旋翼桨叶专用）：HH HH、SCSC、VRVR、OAOA、NPNP、TSACTSAC等系列等系列 四、旋翼桨叶四、旋翼桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所 2 2）先进的桨尖形状）先进的桨尖形状 优点优点：延缓气流分离（前、后行）、改善气动载荷延缓气流分离（前、后行）、改善气动载荷分布及桨涡干扰、降低振动和噪声、提高气动效率。分布及桨涡干扰、降低振动和噪声、提高气动效率。先进桨尖形状先进桨尖形状南京航空航天大学直升机技术研究所 3 3）高性能桨叶气动外形优化）高性能桨叶气动外形优化 复合材料的应用为研制非常规桨叶外形复合材料的应用为研制非常规桨叶外形提供了条件，使桨叶外形设计可以做到精细提供了条件，使桨叶外形设计可以做到精细化，实现优化设计。通过改变桨叶扭转规律、化，实现优化设计。通过改变桨叶扭转规律、翼型配置、采用特型桨尖等，使桨叶性能大翼型配置、采用特型桨尖等，使桨叶性能大幅度提高，振动和噪声水平大大降低，经过幅度提高，振动和噪声水平大大降低，经过优化的桨叶悬停效率可达到优化的桨叶悬停效率可达到0.80.8，旋翼升阻比，旋翼升阻比达到达到10.510.5，功率减少，功率减少10%10%。南京航空航天大学直升机技术研究所桨叶优化外形及性能比较桨叶优化外形及性能比较南京航空航天大学直升机技术研究所2.2.旋翼桨叶结构旋翼桨叶结构（1 1）要求）要求1）振动）振动：避免共振和过度的振动，特别是能通：避免共振和过度的振动，特别是能通过桨毂传给机体的振动。过桨毂传给机体的振动。2）动力稳定性）动力稳定性：在各种使用状态下不发生经典：在各种使用状态下不发生经典颤振、挥颤振、挥/摆摆/扭耦合气弹不稳定性及与其它扭耦合气弹不稳定性及与其它部件耦合的动力不稳定性。部件耦合的动力不稳定性。3）疲劳寿命）疲劳寿命：降低旋翼桨叶交变应力水平（主：降低旋翼桨叶交变应力水平（主要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。4）静强度、静刚度要求。）静强度、静刚度要求。南京航空航天大学直升机技术研究所2.2.旋翼桨叶结构旋翼桨叶结构避免共振和过度的振动，特别注意能通避免共振和过度的振动，特别注意能通过桨毂传给机体的振动。过桨毂传给机体的振动。a)a)与与 至少相隔至少相隔 b)b)与与 至少相隔至少相隔 c)c)与与(1,2,3,41,2,3,4）至少相隔至少相隔 d)d)与与 相隔相隔南京航空航天大学直升机技术研究所 在各种使用状态下不发生经典颤振、挥在各种使用状态下不发生经典颤振、挥/摆摆/扭耦合气弹不稳定性及与其它部件耦合的动力扭耦合气弹不稳定性及与其它部件耦合的动力不稳定性。不稳定性。疲劳寿命：降低旋翼桨叶交变应力水平疲劳寿命：降低旋翼桨叶交变应力水平（主要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。（主要是低阶振型），提高桨叶疲劳寿命。静强度、静刚度要求。静强度、静刚度要求。重量重量南京航空航天大学直升机技术研究所 （2 2）桨叶的结构型式及材料）桨叶的结构型式及材料 由于对桨叶的多方面的要求，加上当时材料、由于对桨叶的多方面的要求，加上当时材料、工艺、冶金水平的限制，一定时期流行的往往只工艺、冶金水平的限制，一定时期流行的往往只是少数几种型式。是少数几种型式。影响桨叶结构型式及材料选择的主要因素：影响桨叶结构型式及材料选择的主要因素：气动效率、疲劳强度。气动效率、疲劳强度。南京航空航天大学直升机技术研究所 木质木质/混合式桨叶（上世纪混合式桨叶（上世纪40405050年代）年代）主要承力构件是合钢管梁，外形由木质翼肋及木质主要承力构件是合钢管梁，外形由木质翼肋及木质层板或布质蒙皮形成，翼肋通过卡箍与大梁连接。层板或布质蒙皮形成，翼肋通过卡箍与大梁连接。特点：维形件与承力件分开特点：维形件与承力件分开 寿命：寿命：200 200 300300小时小时混合式桨叶混合式桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所 金属桨叶（金属桨叶（上世纪上世纪50 6060年代）年代）主要承力件是一根铝合金主要承力件是一根铝合金“D D”形或形或“C C”形大梁，大梁同时构成翼型前缘外形大梁，大梁同时构成翼型前缘外形。形。特点：桨叶载荷主要由大梁承受。特点：桨叶载荷主要由大梁承受。寿命：可达寿命：可达10001000小时以上。小时以上。南京航空航天大学直升机技术研究所米米-4-4直升机金属桨叶直升机金属桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所Bell-47Bell-47桨叶桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所云雀云雀IIIIII桨叶桨叶云雀云雀IIIIII桨叶采用桨叶采用了了“C C”形大梁，形大梁，蒙皮也不分段以蒙皮也不分段以保证扭转刚度。保证扭转刚度。南京航空航天大学直升机技术研究所 复合材料桨叶（复合材料桨叶（7070年代以后）年代以后）旋翼桨叶对材料的要求可以概括为：旋翼桨叶对材料的要求可以概括为：容易制造成复杂的气动外形，表面质量好，容易制造成复杂的气动外形，表面质量好，以提高气动效率。以提高气动效率。具有质量、刚度的可剪裁性，高的比刚度具有质量、刚度的可剪裁性，高的比刚度及内阻尼。及内阻尼。在强度方面有高的比强度和疲劳许用应变，在强度方面有高的比强度和疲劳许用应变，耐冲击，具有破损安全能力。耐冲击，具有破损安全能力。工艺性好，容易制造，能够获得质量、刚工艺性好，容易制造，能够获得质量、刚度的满意的重复性度的满意的重复性互换性好、成本低。互换性好、成本低。南京航空航天大学直升机技术研究所材料材料性能性能合金钢合金钢铝合金铝合金钛合金钛合金E E玻璃玻璃/环氧环氧S S玻璃玻璃/环氧环氧碳纤维碳纤维/环氧环氧0045450045450045450.00080.00080.00060.00060.00120.00120.00150.00150.00120.00120.00120.00120.00100.00100.00130.00130.00110.0011 从以上要求可以看出，复合材料是最具优从以上要求可以看出，复合材料是最具优势的材料之一，特别是对直升机旋翼有重要意势的材料之一，特别是对直升机旋翼有重要意义的疲劳许用应变，从下表可以看出，复合材义的疲劳许用应变，从下表可以看出，复合材料优势明显，特别是玻璃钢。料优势明显，特别是玻璃钢。南京航空航天大学直升机技术研究所 复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分的发挥：复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分的发挥：1 1）为桨叶气动外形和旋翼动力学特性的优化提供）为桨叶气动外形和旋翼动力学特性的优化提供了可能和条件；了可能和条件；2 2）由于疲劳许用应变高，使桨叶的疲劳寿命大幅）由于疲劳许用应变高，使桨叶的疲劳寿命大幅度提高，甚至达到无限寿命，能做到度提高，甚至达到无限寿命，能做到“视情维护视情维护”；3 3）良好的破损安全性能，耐撞击，对缺口效应不）良好的破损安全性能，耐撞击，对缺口效应不敏感，这正适应了武装直升机的要求；敏感，这正适应了武装直升机的要求；4 4）安全性、可靠性提高，全寿命周期成本降低。）安全性、可靠性提高，全寿命周期成本降低。由于以上原因，新机研制几乎毫无例外都采用复合由于以上原因，新机研制几乎毫无例外都采用复合材料桨叶。材料桨叶。南京航空航天大学直升机技术研究所 主要承力件主要承力件“C C”形大梁。由单向玻璃纤维形大梁。由单向玻璃纤维/环氧制环氧制成，蒙皮由成，蒙皮由4545玻璃布构成，以提供最大的扭转刚玻璃布构成，以提供最大的扭转刚度，内部填充件为泡沫塑料。度，内部填充件为泡沫塑料。BO-105BO-105直升机复合材料桨叶直升机复合材料桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所 主要承力件为由单向玻璃纤维预浸带铺成的主要承力件为由单向玻璃纤维预浸带铺成的“C C”形大梁，形大梁，另外，在翼型前、后各布置了一个另外，在翼型前、后各布置了一个“Z Z”形梁，与形梁，与4545铺层铺层的碳纤维布蒙皮一起使桨叶剖面形成多闭室结构，以提高桨的碳纤维布蒙皮一起使桨叶剖面形成多闭室结构，以提高桨叶的扭转刚度，内部支承件为泡沫塑料。叶的扭转刚度，内部支承件为泡沫塑料。“海豚海豚”直升机复合材料桨叶直升机复合材料桨叶南京航空航天大学直升机技术研究所主要承力件为玻璃钢主要承力件为玻璃钢“D D”形大梁。形大梁。CH-47CH-47直升机复合材料桨叶直升机复合材料桨叶 南京航空航天大学直升机技术研究所金属大梁复合材料桨叶金属大梁复合材料桨叶UH-60UH-60直升机桨叶（直升机桨叶（钛合金大梁钛合金大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所AH-64AH-64直升机桨叶（不锈钢大梁）直升机桨叶（不锈钢大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所“山猫山猫”直升机桨叶直升机桨叶（不锈钢大梁）（不锈钢大梁）南京航空航天大学直升机技术研究所南京航空航天大学直升机技术研究所3.3.桨叶主要结构参数桨叶主要结构参数 (1)(1)桨叶主要结构参数是指桨叶主要结构元件桨叶主要结构参数是指桨叶主要结构元件（大梁、蒙皮等）的剖面尺寸及其沿半径的分布（大梁、蒙皮等）的剖面尺寸及其沿半径的分布规律。规律。确定桨叶结构参数要考虑桨叶外形、静强度、确定桨叶结构参数要考虑桨叶外形、静强度、刚度、重心位置、频率、疲劳寿命等因素。刚度、重心位置、频率、疲劳寿命等因素。由于桨叶剖面形状复杂，又要满足多方面要由于桨叶剖面形状复杂，又要满足多方面要求，所以桨叶剖面结构尺寸的确定是一个逐次近求，所以桨叶剖面结构尺寸的确定是一个逐次近似的过程，不可能用解析方法直接得到。似的过程，不可能用解析方法直接得到。南京航空航天大学直升机技术研究所 右图给出了桨叶结构设计过程。右图给出了桨叶结构设计过程。从这个过程可以看出，桨叶剖从这个过程可以看出，桨叶剖面特性计算是桨叶各种设计计算面特性计算是桨叶各种设计计算的依据，也是复合材料设计的特的依据，也是复合材料设计的特点所在。点所在。由于复合材料桨叶结构复杂，由于复合材料桨叶结构复杂，材料性能、元件的剖面尺寸常常材料性能、元件的剖面尺寸常常受工艺因素影响难以准确取得，受工艺因素影响难以准确取得，所以，复合材料桨叶剖面特性的所以，复合材料桨叶剖面特性的计算一般很难做到与实际情况完计算一般很难做到与实际情况完全吻合，必须通过试验验证。全吻合，必须通过试验验证。桨叶结构设计过程桨叶结构设计过程南京航空航天大学直升机技术研究所（2 2）桨叶结构设计中的）桨叶结构设计中的“调频调频”桨叶结构设计中静强度、刚度、弦向重心位桨叶结构设计中静强度、刚度、弦向重心位置等与桨叶结构尺寸参数的关系比较明显，在设置等与桨叶结构尺寸参数的关系比较明显，在设计分析中也不会有太大困难。设计中比较难处理计分析中也不会有太大困难。设计中比较难处理的是如何满足固有频率的要求的是如何满足固有频率的要求调频。调频。调频在桨叶研制过程中实际上有两个含义：调频在桨叶研制过程中实际上有两个含义：（1 1）设计过程中的调频）设计过程中的调频 （2 2）设计完成后或试制出来以后的调频）设计完成后或试制出来以后的调频南京航空航天大学直升机技术研究所 一般来说，改变一般来说，改变EJ/mEJ/m可以改变固有频率，但有困可以改变固有频率，但有困难，因为难，因为EJEJ增大，增大，m m也会增大，因此需要进一步研究也会增大，因此需要进一步研究调频规律：调频规律：从频表达式第一项可以看出，实际上对频率影响从频表达式第一项可以看出，实际上对频率影响最大的还是振型函数二阶导数较大的那些部位的刚度。最大的还是振型函数二阶导数较大的那些部位的刚度。所以，就可以设想所以，就可以设想按振型函数的特点，通过改变刚度按振型函数的特点，通过改变刚度的分布规律的分布规律刚度的局部增减来实现调频。刚度的局部增减来实现调频。挥舞固有频率的调整：挥舞固有频率的调整：南京航空航天大学直升机技术研究所挥舞固有频率的改变与增加局部刚度展向位置的关系挥舞固有频率的改变与增加局部刚度展向位置的关系 从下图从下图可以看出，桨叶中部增加刚度对一阶频率可以看出，桨叶中部增加刚度对一阶频率有较大影响，而根部、尖部影响很小。由于弹性刚有较大影响，而根部、尖部影响很小。由于弹性刚度只对挥舞高阶振型有明显影响，所以对低阶振型度只对挥舞高阶振型有明显影响，所以对低阶振型一般不用这个办法，用一般不用这个办法，用改变离心力刚度改变离心力刚度的方法会更的方法会更有效。有效。南京航空航天大学直升机技术研究所 从频率表达式第二项可以看出，只改变桨叶从频率表达式第二项可以看出，只改变桨叶质量大小而不改变分布规律对频率不会有什么质量大小而不改变分布规律对频率不会有什么影响影响分子、分母抵消。如果分子、分母抵消。如果改变质量分布改变质量分布规律规律加集中质量加集中质量往往会对固有频率产生明往往会对固有频率产生明显的影响：显的影响：（1 1）在桨尖加质量，对离心力刚度产生较大）在桨尖加质量，对离心力刚度产生较大影响，而桨根影响小；影响，而桨根影响小；（2 2）对广义质量，在振型的波腹处加质量影）对广义质量，在振型的波腹处加质量影响大，而在节点处加质量则没有影响。响大，而在节点处加质量则没有影响。南京航空航天大学直升机技术研究所 把这两者综合起来看：把这两者综合起来看：（1 1）靠近桨尖的振型节点处加质量，频率有较大提高；）靠近桨尖的振型节点处加质量，频率有较大提高；（2 2）靠近桨根的振型波腹处加质量，频率有较大降低。）靠近桨根的振型波腹处加质量，频率有较大降低。图图4-15 4-15 挥舞固有频率的改变挥舞固有频率的改变与集中质量展向位置的关系与集中质量展向位置的关系南京航空航天大学直升机技术研究所 旋转面离心力刚度的影响减小，弹性刚度旋转面离心力刚度的影响减小，弹性刚度影响增加，加之旋转面结构高度较大，所以改影响增加，加之旋转面结构高度较大，所以改变桨叶弯曲刚度是旋转面调频的有效措施。变桨叶弯曲刚度是旋转面调频的有效措施。扭转固有频率主要取决于线系刚度，桨叶扭转固有频率主要取决于线系刚度，桨叶本身主要是蒙皮的刚度贡献最大，也可以采用本身主要是蒙皮的刚度贡献最大，也可以采用多闭室。多闭室。南京航空航天大学直升机技术研究所 3 3静强度问题静强度问题 除了除了“调频调频”外，对静强度、刚度问题一般不难解外，对静强度、刚度问题一般不难解决，但有些情况下也会发生问题。固有特性不存在尺决，但有些情况下也会发生问题。固有特性不存在尺寸效应，但静强度、刚度问题存在尺寸效应，在其它寸效应，但静强度、刚度问题存在尺寸效应，在其它条件相同时，旋翼直径越大，应力也越大。所以，大条件相同时，旋翼直径越大，应力也越大。所以，大直径桨叶这个问题较突出。直径桨叶这个问题较突出。4 4弦向重心问题弦向重心问题 桨叶弦向重心在桨叶结构布置中难以解决，一般做桨叶弦向重心在桨叶结构布置中难以解决，一般做法是在桨叶前沿加配重。法是在桨叶前沿加配重。另一个做法是将焦心后移，在桨叶后缘加后缘片。另一个做法是将焦心后移，在桨叶后缘加后缘片。南京航空航天大学直升机技术研究所 有效重心有效重心 桨叶弦向重心位置沿桨叶展向可能是变化的，为了桨叶弦向重心位置沿桨叶展向可能是变化的，为了综合估计重心位置的影响，引入了一个综合估计重心位置的影响，引入了一个有效重心有效重心的概的概念，用重心位置沿展向不变（念，用重心位置沿展向不变（）的桨叶来代替重）的桨叶来代替重心沿展向变化的桨叶，但两个桨叶挥舞对扭转的惯性心沿展向变化的桨叶，但两个桨叶挥舞对扭转的惯性耦合是完全相同的。耦合是完全相同的。在桨叶设计时，为了防止颤振，总是要把桨叶有在桨叶设计时，为了防止颤振，总是要把桨叶有效重心位置调到桨叶剖面焦心之前，一般要加桨叶效重心位置调到桨叶剖面焦心之前，一般要加桨叶前缘配重。前缘配重。南京航空航天大学直升机技术研究所 5桨叶抗疲劳设计问题桨叶抗疲劳设计问题 桨叶疲劳寿命的高低是桨叶设计成败的关键，它不仅取决于桨叶疲劳寿命的高低是桨叶设计成败的关键，它不仅取决于选用的材料选用的材料疲劳许用应变，还取决于交变应力及细节设计，疲劳许用应变，还取决于交变应力及细节设计，包括工艺的影响。包括工艺的影响。桨叶不同部位疲劳问题的严重程度是不一样的，尖部应力小，桨叶不同部位疲劳问题的严重程度是不一样的，尖部应力小，中部振动变形最大，但中部应力集中源少，根部离心力最大，中部振动变形最大，但中部应力集中源少，根部离心力最大，由于连接上的原因有明显的应力集中源，问题最突出。由于连接上的原因有明显的应力集中源，问题最突出。金属桨金属桨叶一般都采用合金钢接头，通过耳片螺栓群连接，为了提高疲叶一般都采用合金钢接头，通过耳片螺栓群连接，为了提高疲劳强度采取了一系列的措施，如螺检孔强化、大梁和接头之间劳强度采取了一系列的措施，如螺检孔强化、大梁和接头之间加胶层等。复合材料桨叶一般在根部采用缠绕结构，这种连接加胶层等。复合材料桨叶一般在根部采用缠绕结构，这种连接传力直接，应力集中小。传力直接，应力集中小。桨叶的疲劳寿命不是在桨叶设计阶段就能确定是否满足要求，桨叶的疲劳寿命不是在桨叶设计阶段就能确定是否满足要求，必须经过全尺寸桨叶试件的疲劳试验和飞行应力实测，两者结必须经过全尺寸桨叶试件的疲劳试验和飞行应力实测，两者结合起来才能确定桨叶寿命。合起来才能确定桨叶寿命。南京航空航天大学直升机技术研究所 6.6.桨叶质量桨叶质量（1 1）动应力桨叶质量）动应力桨叶质量（2 2）旋翼操纵功效和角速度阻尼）旋翼操纵功效和角速度阻尼桨叶质量桨叶质量（3 3）直升机自转性能桨叶质量）直升机自转性能桨叶质量南京航空航天大学直升机技术研究所 7.7.旋翼的平衡旋翼的平衡 旋翼的质量及气动不平衡会引起作用于桨旋翼的质量及气动不平衡会引起作用于桨毂中心处的纵向及横向的激振力及力矩，其频毂中心处的纵向及横向的激振力及力矩，其频率为旋翼转速率为旋翼转速。不平衡的力及力矩形成一个。不平衡的力及力矩形成一个垂直于旋翼轴与旋翼一起以角速度垂直于旋翼轴与旋翼一起以角速度回转的矢回转的矢量，从而引起直升机的振动（对旋翼没有影响）量，从而引起直升机的振动（对旋翼没有影响）。南京航空航天大学直升机技术研究所旋翼可能出现的不平衡：旋翼可能出现的不平衡：1 1）由于制造上的误差使各片桨叶对旋翼）由于制造上的误差使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，引起各片桨叶向离心力不能的夹角不相等，引起各片桨叶向离心力不能互相抵消，形成纵向及横向的激振力。互相抵消，形成纵向及横向的激振力。2 2）由于各片桨叶的气动外形、安装角或）由于各片桨叶的气动外形、安装角或扭转变形不相等，而引起的气动不平衡产生扭转变形不相等，而引起的气动不平衡产生的的11的桨毂力矩。的桨毂力矩。南京航空航天大学直升机技术研究所 1.1.离心力的平衡离心力的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所 2.2.升力的平衡升力的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所 3.3.气动铰链力矩的平衡气动铰链力矩的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所 4.4.离心力铰链力矩的平衡离心力铰链力矩的平衡南京航空航天大学直升机技术研究所 为了减少旋翼的质量和气动不平衡，为了减少旋翼的质量和气动不平衡，在桨叶制造过程中要严格控制静矩、弦在桨叶制造过程中要严格控制静矩、弦向重心、外形准确度、安装角等。另外，向重心、外形准确度、安装角等。另外，要有设计补偿措施。要进行旋翼的静平要有设计补偿措施。要进行旋翼的静平衡、动平衡（调锥度）。衡、动平衡（调锥度）。南京航空航天大学直升机技术研究所 动平衡动平衡南京航空航天大学直升机技术研究所 8.8.旋翼桨叶防冰旋翼桨叶防冰 （1 1）酒精防冰）酒精防冰（2 2）电热丝防冰）电热丝防冰