CN113460299A - 一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法 - Google Patents

一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法，该射流结构包括上桨毂整流罩、下桨毂整流罩、设于所述上桨毂整流罩和所述下桨毂整流罩之间的中间轴整流罩，所述中间轴整流罩上设有射流孔，所述射流孔从中间轴整流罩内部空腔延伸至中间轴整流罩罩体外。本发明解决了现有技术存在的难以进一步减小桨毂阻力等问题。

Description

一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法
技术领域
本发明涉及流体流动控制技术领域，具体是一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法。
背景技术
目前，共轴刚性旋翼高速直升机的桨毂高度更高，外形更为复杂，其受旋翼尾流、旋翼轴后分离流的影响更加严重，阻力通常占全机阻力的50%左右，以美国XH-59验证机的飞行试验为例，在高速前飞时该型高速直升机要用全机的45%的功率来克服桨毂阻力。所以，大的桨毂阻力是限制共轴刚性旋翼高速直升机最大飞行速度和航程进一步提升的重要因素，为实现高速飞行，必须解决共轴刚性旋翼桨毂阻力巨大这一关键问题。
根据国内外研究认为：1.已基本掌握共轴刚性旋翼桨毂阻力特性和流动机理，加装中间轴整理罩能有效减小桨毂阻力(《共轴刚性旋翼桨毂阻力特性及流动机理》DOI：10.16356/j.1005-2615.2019.02.006)；文献《共轴刚性旋翼桨毂阻力特性试验研究》（DOI：10.16356/j.1005-2615.2019.02.011）对比了不同中间轴整流罩的减阻效果，获得了较优的中间轴整流效果（也就是本专利的中间轴整流罩外形）。但是，通过中间轴整流罩和塔座延伸段的外形优化已经难以进一步减小共轴桨毂的阻力。3. 用中间轴整流罩处加装涡流发生器的方法来减小桨毂阻力的效果有限（《共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究》DOI：10.16356/j.1005-2615.2019.02.017）。
根据国内外研究认为：1.中间轴整流罩的外形优化已经难以进一步减小共轴桨毂的阻力；2. 用中间轴整流罩处加装涡流发生器的方法来减小桨毂阻力的效果有限。
被动流动控制方法包括外形优化、格尼襟翼、前缘缝翼、涡流发生器等；主动流动控制主要有吹/吸气、零质量射流、等离子体等方式。对比二者，被动流动控制操纵简单，但是控制效果欠佳；主动流动控制技术暂未在共轴刚性旋翼桨毂上进行应用。为此，本发明基于被动流动控制和主动流动控制技术，采用二者结合的方式，进一步减小共轴刚性旋翼桨毂阻力。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构及其使用方法，解决现有技术存在的难以进一步减小桨毂阻力等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，包括上桨毂整流罩、下桨毂整流罩、设于所述上桨毂整流罩和所述下桨毂整流罩之间的中间轴整流罩，所述中间轴整流罩上设有射流孔，所述射流孔从中间轴整流罩内部空腔延伸至中间轴整流罩罩体外。
由于射流孔的设置，在工作时，从中间轴整流罩内部空腔向中间轴整流罩罩体外吹气，所述射流孔起到了减小桨毂阻力的效果。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔的延伸方向竖直向下或与竖直向下方向的夹角范围为（0，80°]。
这种射流孔的延伸方向的设置，起到了进一步的减小桨毂阻力的效果。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔设于所述中间轴整流罩后缘。
气流多在后缘分离，射流孔设置在后缘可将吹气的能量注入即将分离的附面层，减少低能气流堆积并减小逆压梯度，避免气流过早分离。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔的长度与宽度之比为95~100。
长宽比过大，吹气气流的布置长度较长，需要的气流流量更大，难以实现；如果过小，在相同吹气长度的条件下，吹气注入附面层的能量偏少，不能有效抑制气流分离。均达不到流动控制技术的最优效果，所述射流孔的长度与宽度在合适范围能实现最佳的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述中间轴整流罩前缘两侧的涡流发生器。
涡流发生器的设置，使所述射流结构具备了被动流动控制功能，从而具备能通过主被动复合流动控制实现进一步的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，所述涡流发生器为方形涡流发生器。
相关测量结果表明，相比较于圆形和长方形的涡流发生器，方形涡流发生器对抑制桨毂后方气流分离更具有积极意义。
作为一种优选的技术方案，所述涡流发生器沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm。
随着涡流发生器高度的变化，涡流发生器产生的涡流强度不同。当涡流发生器沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm时，中间轴整流罩后缘的低能区较少，此时整流效果较其余工况好。原因在于空气均匀流经桨毂发生绕流；当涡流发生器高度过小时，产生的涡流强度较小，注入即将分离的附面层的能量就偏少，不能有效减少低能气流堆积，即不能有效抑制气流分离，流动控制效果不显著；当涡流发生器高度过大，产生的涡流强度较大，虽然减小了桨毂表面的低能流体区域，缓解了气流分离，但由于涡流发生器自身型阻过大，致使桨毂整体阻力不减反增。当涡流发生器沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm时，涡流发生器流动控制效果最佳。
所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构的使用方法，包括以下步骤：
S1，从中间轴整流罩内部空腔向中间轴整流罩罩体外吹气或吸气；
S2，比较不同射流孔的延伸方向的所述射流结构的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S3，设置不同吹气速度，比较不同吹气速度的所述射流结构的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S4，采用还包括设于所述中间轴整流罩前缘两侧的涡流发生器的所述射流结构，比较同时具有射流孔及涡流发生器的所述射流结构在不同射流孔的延伸方向以及不同吹气速度工况下的减阻效果。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明由于射流孔的设置，在工作时，从中间轴整流罩内部空腔向中间轴整流罩罩体外吹气，所述射流孔起到了减小桨毂阻力的效果；
（2）本发明射流孔的延伸方向的设置，起到了进一步的减小桨毂阻力的效果；
（3）本发明气流多在后缘分离，射流孔设置在后缘可将吹气的能量注入即将分离的附面层，减少低能气流堆积并减小逆压梯度，避免气流过早分离；
（4）本发明所述射流孔的长度与宽度在合适范围能实现最佳的减阻效果；
（5）本发明涡流发生器的设置，使所述射流结构具备了被动流动控制功能，从而具备能通过主被动复合流动控制实现进一步的减阻效果；
（6）本发明方形涡流发生器对抑制桨毂后方气流分离更具有积极意义；
（7）本发明当涡流发生器沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm时，涡流发生器流动控制效果最佳。
附图说明
图1为本发明所述的射流结构的结构示意图之一；
图2为本发明所述的射流结构的结构示意图之二；
图3为本发明所述的射流结构的结构示意图之三；
图4为本发明所述射流孔延伸方向的示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、上桨毂整流罩，2、中间轴整流罩，3、下桨毂整流罩，4、塔座，5、射流孔，6、涡流发生器，7、塔座延伸段。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
值得说明的是，塔座4、塔座延伸段7并非本发明的关键发明点，故未对其结构进行进一步的阐述。
实施例1
如图1至图4所示，一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，包括上桨毂整流罩1、下桨毂整流罩3、设于所述上桨毂整流罩1和所述下桨毂整流罩3之间的中间轴整流罩2，所述中间轴整流罩2上设有射流孔5，所述射流孔5从中间轴整流罩2内部空腔延伸至中间轴整流罩2罩体外。
由于射流孔5的设置，在工作时，从中间轴整流罩2内部空腔向中间轴整流罩2罩体外吹气，所述射流孔5起到了减小桨毂阻力的效果。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔5的延伸方向竖直向下或与竖直向下方向的夹角范围为（0，80°]。
这种射流孔5的延伸方向的设置，起到了进一步的减小桨毂阻力的效果。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔5设于所述中间轴整流罩2后缘。
气流多在后缘分离，射流孔设置在后缘可将吹气的能量注入即将分离的附面层，减少低能气流堆积并减小逆压梯度，避免气流过早分离。
作为一种优选的技术方案，所述射流孔5的长度与宽度之比为95~100。
长宽比过大，吹气气流的布置长度较长，需要的气流流量更大，难以实现；如果过小，在相同吹气长度的条件下，吹气注入附面层的能量偏少，不能有效抑制气流分离。均达不到流动控制技术的最优效果，所述射流孔5的长度与宽度在合适范围能实现最佳的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述中间轴整流罩前缘两侧的涡流发生器6。
涡流发生器6的设置，使所述射流结构具备了被动流动控制功能，从而具备能通过主被动复合流动控制实现进一步的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，所述涡流发生器6为方形涡流发生器。
相关测量结果表明，相比较于圆形和长方形的涡流发生器，方形涡流发生器对抑制桨毂后方气流分离更具有积极意义。
作为一种优选的技术方案，所述涡流发生器6沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm。
随着涡流发生器6高度的变化，涡流发生器6产生的涡流强度不同。当涡流发生器6沿桨毂中间轴整流罩2表面凸出高度为0.5mm~5mm时，中间轴整流罩2后缘的低能区较少，此时整流效果较其余工况好。原因在于空气均匀流经桨毂发生绕流；当涡流发生器6高度过小时，产生的涡流强度较小，注入即将分离的附面层的能量就偏少，不能有效减少低能气流堆积，即不能有效抑制气流分离，流动控制效果不显著；当涡流发生器6高度过大，产生的涡流强度较大，虽然减小了桨毂表面的低能流体区域，缓解了气流分离，但由于涡流发生器6自身型阻过大，致使桨毂整体阻力不减反增。当涡流发生器6沿桨毂中间轴整流罩2表面凸出高度为0.5mm~5mm（尤其是1mm时）时，涡流发生器6流动控制效果最佳。涡流发生器6布置于中间轴整流罩2前缘两侧，布置方式为从上向下沿模型直线排布，间距约为15mm~20mm。
实施例2
如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构的使用方法，包括以下步骤：
S1，从中间轴整流罩2内部空腔向中间轴整流罩2罩体外吹气或吸气；
S2，比较不同射流孔5的延伸方向的所述射流结构的减阻效果。
优选的，步骤S1中从中间轴整理罩2前缘向后缘吹气，效果更佳。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S3，设置不同吹气速度，比较不同吹气速度的所述射流结构的减阻效果。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S4，采用还包括设于所述中间轴整流罩2前缘两侧的涡流发生器6的所述射流结构，比较同时具有射流孔5及涡流发生器6的所述射流结构在不同射流孔5的延伸方向以及不同吹气速度工况下的减阻效果。
实施例3
如图1至图4所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
射流孔5置于桨毂中间轴整流罩后缘两侧，开缝方式为从上至下沿模型竖直设置竖直射流孔5，射流孔5的长宽比为95~100。射流控制方法的吹气方向为沿射流孔从模型内部向外部吹气，射流角度θ定义为与来流方向的水平夹角，本实施例中来流方向从涡流发生器到射流孔，如图4所示，其中，U∞为来流速度，Ujet为吹气速度，U∞与Ujet在同一平面。
值得说明的是，吹气方向也可以为倾斜向上或者倾斜向下方向。
本实施例中，射流孔5的延伸方向竖直向下简称为竖直射流孔，射流孔5的延伸方向与竖直向下方向的夹角范围为（0，80°]称为倾斜射流孔。
分别取射流角度为0°、30°和60°，射流速度为100m/s和160m/s的对竖直射流和倾斜射流两种开孔方式下的桨毂气动阻力影响进行分析，如表1和表2所示，其中，表1和表2中的减阻比是指：（原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力-当前“桨毂+射流”工况下的气动阻力）/原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力，例如：表1中，射流速度和射流角度分别为100m/s-0°时，（1374.9906-1298.8823）/1374.9906=5.54%。其中，原始模型是指没有施加任何流动控制措施的模型状态。
表1和表2为不同射流速度和角度时计算出的桨毂阻力情况，通过比较可得，射流速度增大，流动控制效果增强；当射流速度一定时，随着射流角度增加，桨毂气动阻力先减小后缓慢增大，且均小于没有施加吹气流动控制时的桨毂阻力。因此，射流角度应控制在一定角度范围内，以寻求最佳控制效果，射流速度可根据减阻效果进行适当增加。
表1 竖直射流对桨毂气动阻力的影响
Figure 975872DEST_PATH_IMAGE001
表2 倾斜射流对桨毂气动阻力的影响
Figure 790245DEST_PATH_IMAGE002
表3对不同高度前置涡流发生器6的减阻效果进行了对比(来流速度为130m/s)，其中，减阻比是指：“桨毂”结构或“桨毂+减阻装置”结构时，（原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力-当前“桨毂+射流”工况下的气动阻力）/原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力；减阻装置指涡流发生器，涡流发生器为Vg1+Vg2；Vg1是图3中左边的涡流发生器6，Vg2是图3中右边的涡流发生器6。从表中可以看出，随着涡流发生器6的高度增加，减阻比先增大后减小，当高度为1mm时减阻效果最佳。
表3 不同减阻装置对桨毂的减阻效果
Figure 927221DEST_PATH_IMAGE003
表4对不同形状后置涡流发生器6的减阻效果进行了对比(来流速度为130m/s)，其中，减阻比是指：“桨毂”结构或“桨毂+减阻装置”结构时，（原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力-当前“桨毂+射流”工况下的气动阻力）/原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力；减阻装置指涡流发生器，涡流发生器为Vg1+Vg2；Vg1是图3中左边的涡流发生器6，Vg2是图3中右边的涡流发生器6。从表中可以看出，方形涡流发生器的减阻效果最佳。
表4 部分减阻方案的减阻效果对比
Figure 194254DEST_PATH_IMAGE004
表5给出了不同来流速度情况下前置方形涡流发生器和后置射流控制结合之后的减阻结果，其中，减阻比是指：“桨毂”结构、“桨毂+射流”结构或“桨毂+射流+减阻装置”结构时，（原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力-当前“桨毂+射流+减阻装置”工况下的气动阻力）/原始模型的“桨毂”工况下的气动阻力；Vg1是图3中左边的涡流发生器6，Vg2是图3中右边的涡流发生器6。结合表1、表2、表3、表5可以看出，将前置方形涡流发生器和后置射流控制结合之后的减阻效果要明显优于单独采用涡流发生器6或射流控制方法的减阻效果，且当采用竖直射流方式、射流角度为30°及射流速度为160m/s时，减阻效果最佳，达到了16.02%。
表5 复合式减阻方案的减阻效果对比
Figure 393155DEST_PATH_IMAGE005
值得说明的是，比较不同减阻效果的步骤可选：
步骤N1、采用单独涡流发生器6进行减阻考核；安装在中间轴整流罩2不同的位置、选用不同的涡流发生器6形状、选用不同的涡流发生器6高度进行涡流发生器6减阻考核，优选出最佳位置、最佳形状和最佳高度。（考核的状态较多，每个位置都有不同的涡流发生器6形状，不同的形状还设置了不同高度）
步骤N2、采用单独设有射流孔5的射流结构进行减阻考核；在中间轴整流罩2不同的位置、选用不同的射流速度、选用不同的射流角度、选用不同的射流形状长宽比进行涡流发生器6减阻考核，优选出最佳位置、最佳射流速度、最佳射流角度和最佳射流形状长宽比。（考核的状态较多，每个位置都有不同的射流速度，不同的射流速度还设置了不同射流角度，不同的射流角度还设置了不同射流形状的长宽比）
步骤N3、选出最佳或较佳的单独涡流发生器6减阻状态，和最佳或较佳的单独设有射流孔5的射流结构状态，二者进行复合，选出最佳的复合减阻效果。（本发明示意图中的减阻效果是目前优选的最佳结果，减阻达到16%以上。）
其中，步骤N1、步骤N2的顺序可以交换。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，包括上桨毂整流罩（1）、下桨毂整流罩（3）、设于所述上桨毂整流罩（1）和所述下桨毂整流罩（3）之间的中间轴整流罩（2），所述中间轴整流罩（2）上设有射流孔（5），所述射流孔（5）从中间轴整流罩（2）内部空腔延伸至中间轴整流罩（2）罩体外。
2.根据权利要求1所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，所述射流孔（5）的延伸方向竖直向下或与竖直向下方向的夹角范围为（0，80°]。
3.根据权利要求2所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，所述射流孔（5）设于所述中间轴整流罩（2）后缘。
4.根据权利要求3所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，所述射流孔（5）的长度与宽度之比为95~100。
5.根据权利要求4所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，还包括设于所述中间轴整流罩前缘两侧的涡流发生器（6）。
6.根据权利要求5所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，所述涡流发生器（6）为方形涡流发生器。
7.根据权利要求6所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构，其特征在于，所述涡流发生器（6）沿桨毂中间轴整流罩表面凸出高度为0.5mm~5mm。
8.权利要求1至7任一项所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，从中间轴整流罩（2）内部空腔向中间轴整流罩（2）罩体外吹气或吸气；
S2，比较不同射流孔（5）的延伸方向的所述射流结构的减阻效果。
9.根据权利要求8所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构的使用方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S3，设置不同吹气速度，比较不同吹气速度的所述射流结构的减阻效果。
10.根据权利要求9所述的一种用于共轴刚性旋翼桨毂减阻的射流结构的使用方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S4，采用还包括设于所述中间轴整流罩前缘两侧的涡流发生器（6）的所述射流结构，比较同时具有射流孔（5）及涡流发生器（6）的所述射流结构在不同射流孔（5）的延伸方向以及不同吹气速度工况下的减阻效果。
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