CN114560082B - 一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构及设计方法，属于流动控制技术领域，其组合修形的桨尖外形设计，涉及“后掠”、“下反”和“尖削”三个基本桨尖的几何特征。首先，采用逐阶分段连续的设计方法，实现桨尖“后掠”、“下反”和“尖削”的逐阶分段外形设计。且设计的修形比可调，以满足不同组合修形的桨尖设计。然后，采用多项式曲线拟合方法，对设计的“后掠”、“下反”和“尖削”桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计。该组合修形桨尖具有三维变化的下反桨尖，可以有效控制桨尖涡的位置和强度，改善旋翼的气动特性。

Description

一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构及设计方法
技术领域
本发明涉及直升机流动控制技术领域，具体涉及一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构及设计方法。
背景技术
与固定翼飞机类似，直升机在飞行过程中，桨尖处下表面的高压气流会绕过桨尖流向上表面的低压区，形成强烈集中的桨尖涡。同时，由于桨叶是不断高速旋转的，前一个桨叶产生的桨尖涡还没有散去，后边的桨叶就刚好迎面撞上来，从而在后行桨叶上产生强烈的冲击气动载荷和桨涡干扰噪声。因此，降低桨尖涡强度对提高直升机寿命以及降低噪声水平非常关键。
研究结果表明，桨尖涡的产生与桨尖的外形和附近的流动特性有关。旋翼的桨尖既是桨叶的高速流动区,又是桨尖涡的形成和逸出处，是桨叶的气动敏感控制区。通过对桨尖外形的合理设计，如采用后掠、尖削和下反的桨尖外形，可以有效的控制桨尖涡的位置和减弱桨尖涡的强度，减小桨叶振动和降低桨涡干扰噪声。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构及设计方法，采用逐阶连续分段的设计方法，设计具有桨尖“后掠”、“下反”和“尖削”的桨尖外形。然后，采用多项式曲线拟合方法，对设计的桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构，其特征在于，所述桨尖结构包括基础旋翼和组合修形桨尖，所述的组合修形桨尖设置在基础旋翼的端部，所述组合修形桨尖是采用逐阶连续分段的设计，组合修形桨尖的外形具有“后掠”、“下反”和“尖削”的几何特征，是具有三维变化的下反桨尖，能有效控制桨尖涡的位置和强度，改善旋翼的气动特性，组合修形桨尖沿桨叶展向的修形量较小。
优选的，所述组合修形桨尖沿桨叶展向的修形量小于12％。
另外，为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，包括如下步骤：
首先，采用逐阶连续分段的设计方法，将基础旋翼的桨尖沿桨叶展向进行逐阶连续划分为几段，通过改变桨尖沿桨叶展向的长度，实现桨尖外形的变长度设计，该逐阶连续分段的修形比可以调节；
其次，逐阶连续分段改变桨尖的后掠角度，实现每段桨尖外形的逐阶连续变后掠角度设计，该逐阶连续变化的后掠角可以调节；
然后，在后掠桨尖的基础上，继续采用逐阶连续分段的设计方法，逐阶连续分段改变桨尖的下反角度，实现桨尖外形的逐阶连续变下反设计，该逐阶连续变化的下反角可以调节；
最后，采用多项式曲线拟合法，对以上设计的桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计，得到组合修形的桨尖结构。
优选的，所述的逐阶连续分段改变桨尖的后掠角度，实现每段桨尖外形的逐阶连续变后掠角度设计，具体包括：
逐阶连续改变桨尖前缘的后掠角度，实现桨尖前缘的变后掠设计；
逐阶连续改变桨尖后缘的后掠角度，实现桨尖后缘的变后掠设计。
优选的，所述桨尖前缘的后掠角度按照逐阶分段的顺序呈递增趋势改变；所述桨尖后缘的后掠角度按照逐阶分段的顺序呈递减趋势改变。
优选的，所述桨尖前缘的后掠角度的变化范围为20°～75°；所述桨尖后缘的后掠角度的变化范围为40°～70°。
优选的，所述逐阶连续分段改变桨尖的下反角度是指呈递增趋势改变。
优选的，所述桨尖的下反角度的变化范围为4°～12°，桨尖下反修形量小于3％。
本发明中在此需要特别指出的是，文中所有涉及的“后掠”、“下反”和“尖削”的外形术语，仅是对本发明中的组合修形桨尖在其设计原理和方法上的描述，并不涉及其它内容，也不等同于其他“后掠”、“下反”和“尖削”的字面含义。
本发明的有益效果是：本发明采用逐阶分段连续的设计方法，设计具有“后掠”、“下反”和“尖削”的桨尖外形，利用多项式曲线拟合方法，实现桨尖外形的组合修形设计。该组合修形桨尖具有三维变化的下反桨尖外形特征，可以有效控制桨尖涡的位置和强度，通过桨尖涡的PIV实验测试表明，设计的组合修形桨尖可以降低桨尖涡的强度49.2％，是一种简单有效的桨尖涡控制方法。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的组合修形桨尖设计流程图；
图3为本发明的平直桨尖时连续分段法示意图；
图4为本发明的平直桨尖时变后掠角示意图；
图5为本发明的桨尖后掠时变下反角示意图；
图6为本发明的组合修形桨尖的外形示意图；
图7为本发明的组合修形桨尖的外形实体图；
图8为无控制下基础旋翼桨尖涡的流动显示结果图；
图9为本发明的组合修形桨尖控制下桨尖涡流动显示结果图；
图10为无控制下基础旋翼桨尖涡的涡量云图；
图11为本发明的组合修形桨尖控制下桨尖涡的涡量云图；
图中，1-基础旋翼，2-组合修形桨尖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图11，本发明提供一种技术方案：一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构，如图1所示，包括基础旋翼(1)和组合修形桨尖(2)，组合修形桨尖(2)设置在基础旋翼(1)的端部，所述组合修形桨尖(2)是采用逐阶连续分段的设计。
所述的基础旋翼1和组合修形桨尖2采用模压成型进行整体加工，桨叶剖面形状为等弦长无扭转的NACA0012翼型，桨盘旋转半径为0.6m，基础旋翼的展长为0.492mm，组合修形桨尖的长度为0.071mm，修形比小于12％，桨叶的展弦比10，组合修形桨尖(2)的外形具有后掠、下反和尖削的几何特征，是具有三维变化的下反桨尖，能有效控制桨尖涡的位置和强度。
一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其组合修形设计的流程图如图2所示。
首先，采用逐阶连续分段的设计方法，将基础旋翼的桨尖沿桨叶展向进行逐阶连续分段设计，如图2(1)所示。
其次，逐阶连续分段改变桨尖前缘和后缘的后掠角度，实现每段桨尖外形的逐阶连续变后掠角度设计，如图2(2)所示。
然后，在后掠桨尖的基础上，继续采用逐阶连续分段的设计方法，逐阶连续分段改变桨叶沿桨尖的下反角度，实现桨尖外形的逐阶连续变下反设计，如图2(3)所示。
最后，采用多项式曲线拟合法，对设计的桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计，如图2(4)所示。其各阶段详细的设计图分别如图3、图4、图5、图6所示。
组合修形设计采用逐阶连续分段法，如图3所示，将基础旋翼的桨尖划分为三段，通过改变桨尖沿桨叶展向的长度L1、L2和L3，可以实现桨尖外形的变长度设计。在本发明中，桨尖的长度L1、L2和L3分别为0.0282m、0.0193m和0.0236m。
组合修形设计采用逐阶连续分段法，如图4所示，逐阶连续改变桨尖前缘的后掠角χ1、χ2和χ3，可以实现桨尖前缘的变后掠设计。依次递增，在本发明中，桨尖前缘的后掠角χ1、χ2和χ3分别为20°、50°和75°。
组合修形设计采用逐阶连续分段法，如图4所示，逐阶连续改变桨尖后缘的后掠角λ1、λ2和λ3，可以实现桨尖后缘的变后掠设计。依次递减，在本发明中，桨尖后缘的后掠角λ1、λ2和λ3分别为70°、40°和40°。
组合修形设计采用逐阶连续分段法，如图5所示，逐阶连续改变桨尖的下反角τ1、τ2和τ3，可以实现桨尖的下反设计。依次递增，在本发明中，桨尖的下反角τ1、τ2和τ3分别为4°、8°和12°，桨尖下反修形量小于3％。
组合修形设计采用多项式曲线拟合方法，如图6所示，对设计的“后掠”、“下反”和“尖削”桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计。
组合修形设计的旋翼桨尖，具有典型三维变化的下反桨尖外形特征，如图7所示，可以有效控制桨尖涡的位置和强度。桨尖涡的流动控制效果图如图8-图11所示。
如图8和图9分别给出了无控制和组合修形桨尖控制时桨尖涡的流动显示结果。从图9中可以看出，组合修形桨尖可以有效控制桨尖涡的位置。与无控制时相比，图9中桨尖涡A的位置更靠近旋翼叶面，且图中旋涡的涡核尺寸有所降低，且第一个桨尖涡A和第二个桨尖涡B的涡核间距减小，说明组合修形桨尖加速了桨尖涡的耗散，旋涡的强度降低。
如图10和图11分别给出了无控制和组合修形桨尖控制时桨尖涡的涡量云图。为了定量分析桨尖涡的强度变化特性，利用面元积分法，分别对图10和图11中区域A内的涡量强度进行了离散积分计算。结果表明，与无控制时相比，组合修形桨尖可以使桨尖涡的强度降低49.2％，组合修形的桨尖外形设计是一种更加有效的桨尖涡控制方法。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
首先，采用逐阶连续分段的设计方法，将基础旋翼的桨尖沿桨叶展向进行逐阶连续划分为几段，通过改变桨尖沿桨叶展向的长度，实现桨尖外形的变长度设计；
其次，逐阶连续分段改变桨尖的后掠角度，实现每段桨尖外形的逐阶连续变后掠角度设计，具体包括：逐阶连续改变桨尖前缘的后掠角度，实现桨尖前缘的变后掠设计；逐阶连续改变桨尖后缘的后掠角度，实现桨尖后缘的变后掠设计；
然后，在后掠桨尖的基础上，继续采用逐阶连续分段的设计方法，逐阶连续分段改变桨尖的下反角度，实现桨尖外形的逐阶连续变下反设计；
最后，采用多项式曲线拟合法，对以上设计的桨尖外形进行三维光滑连续过渡，实现桨尖外形的组合修形设计，得到组合修形的桨尖结构；
所述桨尖结构包括基础旋翼（1）和组合修形桨尖（2），所述的组合修形桨尖（2）设置在基础旋翼（1）的端部，所述组合修形桨尖（2）是采用逐阶连续分段的设计，组合修形桨尖（2）的外形具有“后掠”、“下反”和“尖削”的几何特征，是具有三维变化的下反桨尖，能有效控制桨尖涡的位置和强度，组合修形桨尖沿桨叶展向的修形量较小。
2.根据权利要求1所述的能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：所述组合修形桨尖沿桨叶展向的修形量小于12%。
3.根据权利要求1所述的能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：所述桨尖前缘的后掠角度按照逐阶分段的顺序呈递增趋势改变；所述桨尖后缘的后掠角度按照逐阶分段的顺序呈递减趋势改变。
4.根据权利要求3所述的能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：所述桨尖前缘的后掠角度的变化范围为20°～75°；所述桨尖后缘的后掠角度的变化范围为40°～70°。
5.根据权利要求1所述的能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：所述逐阶连续分段改变桨尖的下反角度是指呈递增趋势改变。
6.根据权利要求5所述的能有效控制桨尖涡的组合修形的桨尖结构的设计方法，其特征在于：所述桨尖的下反角度的变化范围为4°～12°，桨尖下反修形量小于3%。
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