CN102700710B - 一种直升机旋翼叶间减摆器布局 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机旋翼叶间减摆器的布局，属于直升机动力学设计领域。本发明中将叶间减摆器连接在前一片旋翼桨叶的桨叶前缘与后一片旋翼桨叶的桨叶后缘之间。叶间减摆器的安装支臂与浆毂平面之间的夹角处于-150°到-180°之间。采用上述布局后的直升机旋翼摆振后退型的模态阻尼增加，而叶间减摆器定常载荷减小，可以提高旋翼系统的动稳定性。

Description

一种直升机旋翼叶间减摆器布局

技术领域

本发明属于直升机动力学设计领域，具体涉及一种直升机旋翼叶间减摆器的布局设计方法。可用于铰接式、无铰式和无轴承旋翼直升机旋翼桨叶叶间减摆器设计。

背景技术

直升机是一个非常复杂的动力学系统，不但存在旋翼与机体之间的耦合，而且旋翼桨叶内部也存在着挥舞、摆振和变距耦合。在某些情况下，由于彼此之间耦合的存在，使得不同自由度会有相互激励作用，并导致动不稳定现象。如地面共振和空中共振就是由于旋翼与机体耦合作用的结果，并成为了直升机设计的重要问题。

为了避免动不稳定现象的发生，必须引入阻尼，由此在直升机旋翼设计时引入了减摆器。减摆器有常规和叶间两种布局方案。常规减摆器布局是将减摆器布置在每一片桨叶和桨毂之间，而叶间减摆器则布置在相邻桨叶之间。随着桨叶数量的增加，常规布局的减摆器会受到桨毂尺寸的限制，不利于在桨毂和桨叶之间布置减摆器，而叶间减摆器具有占用空间小和易于布置的特点，当旋翼桨叶叶片数目较大时，叶间减摆器显然比常规减摆器布局型式更好。并且桨叶叶间减摆器的连接型式，不但能够在一定程度上提高直升机空中和地面共振的稳定性，还能降低桨毂重量，目前已在多个直升机设计中采用。

桨叶间的减摆器通过相邻桨叶运动调节摆振运动，避免共振。桨叶挥舞、摆振和变距本身就存在耦合，由于叶间减摆器的存在，使得旋翼和机体系统变得更加复杂。叶间减摆器的安装支臂长度及其与桨毂平面之间的夹角对旋翼和机体系统的动稳定性有很大的影响，如何布置叶间减摆器成为了直升机旋翼系统设计的重要问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中具有叶间减摆器的旋翼系统存在的动稳定性问题，提出了一种新的直升机旋翼叶间减摆器的布局方式，可以提高旋翼系统的动稳定性。由于叶间减摆器的出现，使得原本极其复杂的旋翼桨叶动力学设计变得更加困难。在传统的叶间减摆器设计中，往往假设叶间减摆器的刚度和阻尼均具有线性特征，并假设叶间减摆器连接在相邻桨叶的变距轴线上，因此减摆器仅仅与挥舞和摆振运动存在耦合，而没有考虑与桨叶变距运动之间的耦合作用。本发明在传统的叶间减摆器布局基础上，通过引入叶间减摆器与桨叶变距之间的耦合作用，考虑了计及全部自由度的运动方程，采用数值模拟计算和时域分析方法，通过对比分析得到了一种提高直升机动稳定性的旋翼叶间减摆器布局。

所述的布局是将叶间减摆器布置在相邻两片桨叶之间，直升机旋翼桨叶数目大于等于3，叶间减摆器连接在前一桨叶前缘和后一桨叶后缘之间。叶间减摆器的安装支臂与桨毂平面之间的夹角在-150°到-180°之间。

本发明的优点在于：

（1）与传统的旋翼叶间减摆器相比，本发明提出的旋翼叶间减摆器布局使旋翼系统模态阻尼提高50％以上。

（2）本发明提出的旋翼叶间减摆器布局使定常循环载荷的幅值下降39.4％，提高了旋翼系统的动稳定性。

附图说明

图1是现有的直升机旋翼叶间减摆器布局示意图；

图2是现有技术中的直升机旋翼桨叶与叶间减摆器位置示意图；

图3是本发明中叶间减摆器的布局示意图；

图4是本发明中的旋翼叶间减摆器结构示意图。

图中:

1、叶间减摆器      2、旋翼桨叶      3、桨毂        4、挥舞铰

5、摆振铰          6、变距铰        7、桨叶前缘    8、桨叶后缘

9、减摆器安装点    10、安装支臂     11、变距轴线

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的提高直升机动稳定性的旋翼叶间减摆器布局进行详细说明。

如图1为传统地直升机旋翼系统的叶间减摆器1示意图，直升机旋翼桨叶2叶片数量大于等于3，旋翼桨叶2固定连接在桨毂3上，叶间减摆器1连接在相邻两片旋翼桨叶2之间，叶间减摆器1主要用来增加旋翼系统阻尼，提高动其稳定性的目的。图2所示为现有技术中直升机旋翼采用叶间减摆器布置型式示意图，叶间减摆器1连接在相邻的两个旋翼桨叶2之间，具体为叶间减摆器1连接在前一旋翼桨叶2的桨叶后缘8和后一旋翼桨叶2的桨叶前缘7之间。

本发明针对现有技术中的叶间减摆器1的布局进行了改进，如图3所示，旋翼由若干片（3片以上）旋翼桨叶2组成，并绕桨毂中心旋转，以此为直升机提供升力，叶间减摆器1连接在前一旋翼桨叶2的桨叶前缘7和后一旋翼桨叶2的桨叶后缘8之间，叶间减摆器1通过安装支臂10与旋翼桨叶2上的减摆器安装点9铰接。

图4为本发明的提出的旋翼叶间减摆器结构示意图，旋翼桨叶2与桨毂3之间有挥舞铰4、摆振铰5和变距铰6，叶间减摆器1通过减摆器安装点9安装在前一旋翼桨叶2的桨叶前缘7和后一旋翼桨叶的桨叶后缘8之间，减摆器安装点9与桨叶变距轴线11的距离为安装支臂10，安装支臂10与桨毂平面的夹角分别为C1和C2，其中桨毂平面为与桨毂轴线垂直的平面。

本发明建立了具有叶间减摆器的桨叶运动方程，通过数值模拟计算表明，当叶间减摆器1安装支臂10与桨毂平面之间的安装夹角为正时，会影响旋翼系统的动稳定性，会造成旋翼系统模态阻尼的的降低，从而使减摆器定常载荷幅值的提高。当安装支臂的安装角C1和C2处于-150°到-180°之间时，加入叶间减摆器1之后的旋翼系统模态阻尼均会提高，而叶间减摆器的定常载荷会降低。本发明提出的叶间减摆器1布局方式对安装支臂10的长度没有要求，而安装支臂10的安装角度C1和C2在-150°到-180°之间。此时叶间减摆器1为一种非常规的布局方式，即为如图3所示的叶间减摆器1连接在前一旋翼桨叶2的桨叶前缘7和后一旋翼桨叶2的桨叶后缘8之间。

本发明提出的叶间减摆器属于一种非常规的布局设计型式，叶间减摆器连接在前一片旋翼桨叶的前缘与后一片旋翼桨叶的后缘之间，此时有效利用了几何耦合因素能够有效提高旋翼桨叶的模态阻尼。采用实际桨叶验证本发明的叶间减摆器方案，选取某一铰接式旋翼直升机，由4片铝合金均匀直桨叶组成，桨叶弦长0.0254m，剖面最大厚度为0.0016m，旋翼半径为0.986m，旋转频率为30Hz，旋翼总距为6°，旋翼轴前倾角为4°，原始桨叶安装支臂长度均为3mm，由计算得到当支臂安装角为15°左右，此时叶间减摆器仍然连接在前一旋翼桨叶后缘和后一旋翼桨叶前缘之间，得到的阻尼值为0.771s^-1，与原始设计相比阻尼值降低了51.2％，而当安装角为－165°时，阻尼值达到了2.397s^-1，此时模态阻尼比增加了52％，通过计算表明此时的减摆器载荷仅为原始直升机的39.4％。由此表明采用本发明提供的设计方法能够大大提高旋翼系统的模态阻尼，同时降低叶间减摆器定常载荷值。

Claims (1)

1.一种直升机旋翼叶间减摆器布局，将叶间减摆器布置在相邻两片旋翼桨叶之间，直升机旋翼桨叶数目大于等于3，其特征在于：应用于铰接式、无铰式和无轴承旋翼直升机结构，选取某一铰接式旋翼直升机，由4片铝合金均匀直桨叶组成，桨叶弦长0.0254m，剖面最大厚度为0.0016m，旋翼桨叶绕桨毂中心旋转，旋翼半径为0.986m，旋转频率为30Hz，旋翼总距为6°，旋翼轴前倾角为4°，叶间减摆器通过减摆器安装点连接在前一旋翼桨叶的桨叶前缘和后一旋翼桨叶的桨叶后缘之间，减摆器安装点与桨叶变距轴线的距离为安装支臂长度；原始桨叶安装支臂长度均为3mm，支臂安装角为15°左右，叶间减摆器通过安装支臂与旋翼桨叶上的减摆器安装点铰接；安装支臂与桨毂平面的夹角分别为C1和C2，其中桨毂平面为与桨毂轴线垂直的平面；当叶间减摆器安装支臂与桨毂平面之间的安装夹角为正时，会影响旋翼系统的动稳定性，造成旋翼系统模态阻尼的的降低，从而使减摆器定常载荷幅值的提高；当安装支臂的安装角C1和C2处于-150°到-180°之间，选用－165°时，阻尼值达到了2.397s^-1，此时模态阻尼比增加了52％，加入叶间减摆器之后的旋翼系统模态阻尼均会提高，而叶间减摆器的定常载荷会降低；

所述旋翼桨叶与桨毂之间有挥舞铰、摆振铰和变距铰；挥舞铰、摆振铰和变距铰依次连接在桨毂和桨叶之间。