CN104002966A - 一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型，属于倾转旋翼机技术领域。包括桨叶大梁、蒙皮和填芯，保持大梁的位置、桨叶翼型及扭转角不变的基础上，从桨叶的某一径向位置起至桨尖位置，在各剖面的翼型中弦线上距前缘点一定距离处将中弦线向上偏折一定角度，蒙皮和填芯同时也向上偏折相同角度，偏折部分的长度随径向位置的增加而线性增加。这种旋翼桨叶构型可以有效减小旋翼摆振面内的剪切气动力，增加系统阻尼，因而具有良好的回转颤振抑制效果，并有效提高回转颤振速度。该构型满足倾转旋翼机旋翼桨叶结构基本性能的要求，而且结构简单，不会增加桨叶重量。

Description

一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计

技术领域

本发明属于倾转旋翼机技术领域，具体涉及一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计。

背景技术

倾转旋翼机是一种介于直升机和固定翼飞机之间的新构型飞行器，其特点是旋翼相对于机翼可以向前倾转90°。当旋翼处于垂直位置时，旋翼产生向上的拉力，此时旋翼相当于直升机的旋翼，使倾转旋翼机以直升机模式起落和悬停；当旋翼处于水平位置时，旋翼产生向前的拉力，此时旋翼相当于飞机的螺旋桨，而升力完全由机翼产生，使倾转旋翼机以飞机模式高速飞行。倾转旋翼机兼具直升机垂直飞行和螺旋桨飞机高速前飞的能力的同时，也必然存在比直升机和螺旋桨飞机更复杂、更严重的动力学不稳定问题，特别是在飞机模式高速前飞时，由于旋翼摆振面内剪切气动力与机翼弹性变形之间的激励耦合造成的一种气动弹性不稳定现象——回转颤振。回转颤振是倾转旋翼机的固有问题，严重制约了倾转旋翼机效率与性能的提高，是倾转旋翼机设计研发过程中必须解决的关键技术问题。

与其它飞行器的设计要求一样，倾转旋翼机在整个飞行包线内，不允许存在气动弹性不稳定。如何抑制回转颤振是一个极其复杂的问题，目前工程上采用旋翼系统设计和机翼结构设计两种手段解决。在旋翼系统设计方面，增加万向铰挥舞约束刚度、桨叶刚度和操纵系统刚度可以抑制回转颤振，但受重量和许用载荷的限制，以上三种方法对回转颤振的抑制效果是相当有限的，无法在实际旋翼系统设计中应用。在机翼结构设计方面，目前已有的倾转旋翼机全部采用扭转刚度很高的机翼来抑制回转颤振。这必然带来机翼相对厚度的增加(通常为机翼弦长的23％)，同时使全机重量和机翼的废阻增加，进而大幅降低了倾转旋翼机高速飞行时的效率和性能。

发明内容

本发明针对已有设计方法在倾转旋翼机回转颤振抑制方面存在的不足，提出了一种采用旋翼桨尖偏折的旋翼桨叶构型，用于倾转旋翼机回转颤振抑制问题。此旋翼桨叶构型在满足倾转旋翼机旋翼桨叶结构基本性能要求的同时，具有良好的回转颤振抑制效果，并提高回转颤振速度，而且结构简单，不会增加桨叶重量。

本发明提供的旋翼桨叶构型是在倾转旋翼机用桨叶的基础上，保持设计时采用的翼型不变，首先，将0.75R～0.80R的径向位置处翼型后缘点设为起始点；然后，从该起始点至桨尖位置向上偏折一定角度，保持偏折角度不变，偏折部分的长度随径向位置的增加而线性增加，在桨尖位置处偏折部分的长度占剖面翼型弦长的40％～50％。这种旋翼桨叶构型可以有效减小旋翼摆振平面内的剪切气动力，因而可以有效抑制回转颤振。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的旋翼桨叶构型能够有效抑制回转颤振并提高回转颤振速度。

(2)该旋翼桨叶构型符合旋翼设计的强度、刚度、气动等方面的要求，同时不会对旋翼的使用、维护性产生不利影响。

(3)该旋翼桨叶构型具有结构简单和不增加重量的特点。

(4)该旋翼桨叶构型仅对桨尖附近部分的升力有影响，因而不会对倾转旋翼机原有旋翼的悬停性能和前飞性能产生太大影响。

附图说明

图1是抑制回转颤振旋翼桨叶构型的示意图；

图2是图1中大梁4的剖面示意图；

图3是图1中桨叶偏折的径向截面A-A剖面图；

图4是A-A剖面图蒙皮过渡处的局部放大图；

图5是图1中的B-B剖面图；

图6是图1中过渡部分6的C向视图；

图7是图1中圆弧形桨尖后缘7的局部放大图；

图8a是系统模态频率随空速变化图；

图8b是系统模态阻尼比随空速变化图；

图中：

1、桨叶            2、上表面蒙皮       3、下表面蒙皮       4、大梁

5、泡沫或蜂窝填芯  6、过渡部分         7、圆弧形桨尖后缘   8、C形大梁

9、D形大梁         10、管型大梁        11、多闭腔结构大梁  12、翼型前缘点

13、中弦线偏折点   14、改进后的中弦线  15、原中弦线        16、原上下表面蒙皮

17、翼型后缘点     18、前段蒙皮        19、后段蒙皮        20、中间段蒙皮

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的抑制回转颤振的旋翼桨叶构型设计进行详细说明。

倾转旋翼机的回转颤振是由于旋翼摆振面内剪切气动力和机翼弹性变形之间的激励耦合造成的，这种剪切气动力起到负阻尼的作用，使系统稳定性下降。从这一基本原理出发，本发明提出的旋翼桨叶构型，通过桨尖附近部分偏折，改善旋翼的气动特性，减小旋翼摆振平面内的剪切气动力以达到增加系统阻尼、抑制回转颤振及提高回转颤振速度的目的。

如图1所示，倾转旋翼机旋翼桨叶1结构主要包括上表面蒙皮2、下表面蒙皮3、大梁4、填芯5。

大梁4可由合金钢或钛合金挤压成型或采用复合材料整体成型。如图2所示，大梁4的结构形式可以采用C形大梁8、D形大梁9、管型大梁10或多闭腔结构大梁11等。由于倾转旋翼机旋翼桨叶存在较大的非线性负扭转，大梁4需要保持与桨叶相同的扭转角。填芯5可采用泡沫塑料或蜂窝结构，其与上下表面蒙皮组成的夹层结构与大梁4采用胶接方式连接。

本发明保持大梁4的位置、扭转角及桨叶翼型不变的基础上，对桨尖附近部分采用向上偏折的方式进行改进。

桨叶向上偏折，偏折径向起点为距旋转中心0.75R～0.8R的翼型后缘点，径向终点为桨尖处翼型中弦线40％～50％处，偏折角度为10°～15°，桨叶偏折长度随径向位置增加呈线性增加。

其中，桨叶上表面、下表面过渡处采用圆弧过渡。

其中，桨叶桨尖的后缘为圆弧形状。

如图1所示，桨叶偏折的径向起始点距旋转中心0.75R～0.8R处。如图3所示，在截面A-A位置，从翼型中弦线偏折点13起，使上表面蒙皮2、下表面蒙皮3和填芯5整体向上偏折，以使改进后的中弦线14相对于原中弦线15向上偏折一定角度，该角度为10°～15°。偏折后，在桨叶上下表面，前段蒙皮18与后段蒙皮19会形成凹凸尖角，考虑到桨叶气动上的限制，如图4所示，前段蒙皮18与后段蒙皮19采用圆弧相切过渡形成中间段蒙皮20。前段蒙皮18、中间段蒙皮20和后段蒙皮19与填芯5紧密贴合并胶接。

如图5所示，在桨尖处的截面B-B位置，从距翼型前缘点12处50％～60％弦长处的中弦线偏折点13起，使上表面蒙皮2、下表面蒙皮3和填芯5整体向上偏折，以使改进后的中弦线14相对于原中弦线15均向上偏折一定角度，该角度与截面A-A相同。在桨叶上下表面过渡处，上表面蒙皮2、下表面蒙皮3的处理方式也与A-A截面相同。如图4所示，前段蒙皮18与后段蒙皮19采用圆弧相切过渡形成中间段蒙皮20。前段蒙皮18、中间段蒙皮20和后段蒙皮19与填芯5紧密贴合并胶接。

如图1所示，从径向起始点至桨尖处的截面B-B，各截面的上表面蒙皮2、下表面蒙皮3和填芯5处理方式与A-A截面相似，中弦线偏折点13距翼型前缘点12的距离随径向位置的增加而线性减小，但保持偏折角度与截面A-A和截面B-B相同。在桨叶上下表面过渡处，上表面蒙皮2、下表面蒙皮3的处理方式也与A-A截面和截面B-B相同。

如图1和图6所示，考虑到制造上的方便，桨叶偏折的径向起始点的过渡部分6采用圆弧过渡。

如图1和图7所示，考虑到桨叶桨尖激波和噪声的限制，桨叶桨尖部分的后缘形状为一圆弧7。

实施例

本例中针对XV-15倾转旋翼机半展长风洞模型，采用提出的旋翼桨叶构型进行回转颤振抑制。该模型采用的旋翼为万向铰式旋翼，旋翼转速Ω＝458r/min，旋翼半径R＝3.82m，共有3片桨叶。桨叶存在非线性负扭转，根部扭转角为0°，桨尖扭转角为-45°；桨叶弦长为356mm，桨叶根部翼型为NACA64-935a＝0.3，桨叶端部翼型为NACA64-208a＝0.3。本例中保持大梁4的位置、扭转角及桨叶翼型不变，仅对桨尖附近部分进行改进。图1桨叶偏折的径向起始点位于距旋转中心0.75R处。桨尖处面B-B剖面的中弦线偏折点13距翼型前缘点12的距离为弦长的50％。从径向起始点至桨尖处面B-B剖面，中弦线偏折点13距翼型前缘点12的距离随径向位置的增加而线性减小，但在各截面上，从中弦线偏折点13起，改进后的中弦线14相对于原中弦线15均向上偏折15°。

将旋翼桨叶构型改进前后，倾转旋翼机系统的模态频率与模态阻尼随空速变化情况进行对比。图8a和图8b分别为模态频率与模态阻尼随空速变化情况。由图8a可以看出，旋翼桨叶构型改进后，对系统具有稳定作用的ζ-1模态的频率有所增加。由图8b可以看出，旋翼桨叶构型改进后，系统基阶模态β-1、v、c、t的阻尼比有所增加，因此可以有效抑制回转颤振；特别是决定系统回转颤速度的关键模态v，其模态阻尼比的提高使得回转颤振速度较旋翼桨叶构型改进前提高了32km/h。

图中：c表示机翼弦向弯曲模态、v表示机翼垂直弯曲模态、t表示机翼扭转模态、β₀表示旋翼集合型挥舞模态、β-1表示万向铰低频挥舞模态、β+1表示万向铰高频挥舞模态、ζ-1表示旋翼低频摆振模态、ζ+1表示旋翼高频摆振模态。

本实例中，本发明提出的旋翼桨叶构型，具有良好的回转颤振抑制效果，并有效提高回转颤振速度。该构型满足倾转旋翼机旋翼桨叶结构基本性能的要求，而且结构简单，不会增加桨叶重量。

Claims (6)

1.一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，其特征在于，将桨叶向上偏折，偏折径向起点为x，径向终点为y，偏折角度为a，桨叶偏折长度随径向位置增加呈线性增加。

2.根据权利要求1所述的一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，所述的x为距旋转中心0.75R～0.8R的翼型后缘点。

3.根据权利要求1所述的一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，所述的y为桨尖处翼型中弦线40％～50％处。

4.根据权利要求1所述的一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，所述的a为10°～15°。

5.根据权利要求1所述的一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，所述桨叶的上表面蒙皮、下表面蒙皮过渡处采用圆弧过渡。

6.根据权利要求1所述的一种抑制倾转旋翼机回转颤振的旋翼桨叶构型设计，所述桨叶的桨尖的后缘为圆弧形状。