自转旋翼机的基本构造和原理-1

《自转旋翼机的基本构造和原理-1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自转旋翼机的基本构造和原理-1（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、自转旋翼机的基本构造和原理自转旋翼机的基本构造涉及: 机身、旋翼、尾翼、起落装置、动力装置、座舱仪表。如图3-1所示。图-1 自转旋翼机的基本构造一、机身机身的重要功能是为其他部件提供安装构造。机身的常用材料是金属材料和复合材料。可以是焊接或是螺栓连接，也可以采用搭配组合方式来实现。二、旋翼旋翼的重要功能是为自转旋翼机提供必须的升力和控制能力。常用的构造是带桨毂倾斜控制的跷跷板式旋翼。翘翘板式旋翼，也就是两片桨叶刚性地连接在一起，当一片桨叶向上运动时,另一片桨叶向下运动。图3-2跷跷板式构造的旋翼头三、尾翼尾翼由垂直尾翼和水平尾翼构成。重要功能是为自转旋翼机提供稳定性及偏转控制。四、起落装置起

2、落装置的功用是提供航空器起飞、着陆和地面停放之用。它可以吸取着陆冲击能量,减少冲击载荷,改善滑行性能。自转旋翼机一般有三个起落架，其中两个重要起落架位于重心附近的机身两侧,起重要的支撑作用,另一种起落架在机头或机尾。若在机尾,则称为后三点式,较适合在粗糙道面上行进;若在机头,则称为前三点式，为大多数自转旋翼机所采用，并且该前轮可通过方向舵脚蹬控制偏转，以便地面滑行时灵活转弯。轮式起落架一般设有减震装置,能吸取大部分着陆能量,可以在硬性路面上进行滑行起飞和降落。能在水上起降的自转旋翼机,采用浮桶式起落架。五、动力装置为自转旋翼机提供动力，推动其迈进的装置称为动力装置。它由发动机、燃料系统以及导管

3、、附件仪表等构成。在地面,动力装置提供旋翼系统预旋的动力；飞行时，动力装置不为旋翼系统提供动力。六、座舱仪表座舱仪表是提供应飞行员观测和判断飞行状态,以做出对的的操纵控制。它们一般涉及发动机仪表（如转速表、油压表等）、气动仪表(如空速表、升降速度表等)、电子仪表（如地平仪、导航仪）等。不同的自转旋翼机根据构造复杂限度选装不同配备的仪表。图3-6为常用的自转旋翼机座舱仪表。图36 常用的自转旋翼机座舱仪表自转旋翼机的工作原理自转旋翼机是通过旋翼来产生升力的，因此，理解旋翼空气动力的产生和变化，是掌握自转旋翼机运动规律和操纵原理的基本。本章简介旋翼、桨叶的工作参数,分析旋翼升力、阻力的产生和影响因

4、素,以及桨叶运动的空气动力。第一节 旋翼和桨叶一、旋翼(一）旋翼直径和桨盘载荷旋翼直径:旋翼旋转时，桨尖所划圆圈的直径，叫做旋翼直径,用表达。如图1所示。图4-1 旋翼直径桨盘面积：桨叶旋转所划圆的面积,叫桨盘面积,用表达。桨盘载荷：自转旋翼机的飞行重量与桨盘面积的比值，叫做桨盘载荷。即式中:P-桨盘载荷(公斤/米2） G旋翼机的飞行重量（公斤） F-旋翼的桨盘面积（米2)（二) 旋翼实度（或称充填系数)所有桨叶面积之和同桨盘面积的比值,叫做旋翼实度,用表达。式中 K片数 F-一片桨叶的面积(米2）(三) 旋翼转速和桨毂旋转平面旋翼转速:旋翼每分钟旋转的圈数，叫旋翼转速，用表达。旋翼转动的快慢

5、又可用角速度(）表达。角速度以每秒钟转过的弧度为单位(弧度/秒)。两者的关系为:2(n/0）n/30(弧度/秒)圆周速度():桨叶某一切面在旋转中的切向速度。其数值等于旋翼的旋转角速度和该切面至旋转中心的距离的乘积，即。桨毂旋转平面：桨毂旋转时与桨毂轴垂直的旋转平面，叫桨毂旋转平面。在研究问题时，它是桨叶和旋翼很重要的基准面。(四) 旋翼的有效工作面积旋翼工作时，整个桨盘面积并不均有效地产生拉力。桨叶尖端由于存在桨尖涡流，桨盘上下压力差减小，产生的拉力很小。桨毂不产生拉力，因此，在计算有效面积时应减去旋翼桨盘面积的中心和边沿部分。有效面积约为桨盘面积的92%-。（五） 旋翼迎角旋翼迎角:相对气

6、流与桨毂旋转平面之间的夹角，叫旋翼迎角。二、桨叶(一）桨叶的平面形状桨叶一般有矩形、梯形、混合梯形和桨尖具有后掠形，目前旋翼机普遍采用矩形桨叶。如图-2所示。图-2 桨叶的平面形状（二） 桨叶的切面形状桨叶一般为平凸型、双凸型和对称型,如4.3图所示。自转旋翼机一般采用S翼型,如H-1翼型。图- 桨叶的切面型状(三) 桨叶的工作参数1.桨叶切面安装角桨叶的弦线与桨毂旋转平面之间的夹角,叫桨叶安装角，用表达。如图4所示。相对于桨毂旋转平面,桨叶前缘高于后缘，为正。桨距:桨叶半径等于.7R处的切面（该切面称特性切面）的安装角。总距:各片桨叶的桨距的平均值叫旋翼的总距,用7表达。图4-4桨叶安装角2

7、. 桨叶切面迎角桨叶旋转时,桨叶切面的相对气流合速度（W)与其翼弦之间的夹角,用表达。相对气流从弦线下方吹来，迎角为正。一般特性切面的迎角，叫桨叶迎角，用7表达。桨叶迎角和旋翼迎角是不同的。.桨叶切面来流角桨叶的相对气流合速度W与桨毂旋转平面的夹角。用表达。相对气流合速度与桨毂旋转平面一般是不平行的。W从上方吹向桨毂旋转平面，为正;反之，从下方吹向桨毂旋转平面,为负。如图45所示。图4-5 桨叶安装角、迎角、来流角三者的关系从图-中不难看出,安装角、桨叶迎角、来流角三者之间的关系为： =-第二节 旋翼的自旋一、自旋直升机和自转旋翼机之间的一种主线不同:在于依托动力维持飞行的过程中，直升机通过发

8、动机的动力旋转翼面，从上方吸取气流;自转旋翼机旋翼系统工作在自旋状态下。这意味着旋翼依托向上流过翼面的气流维持自身的自由旋转。在自旋过程中产生的力一方面维持旋翼的旋转，另一方面产生将飞行器维持在空中的升力。从空气动力学的角度而言,在正常飞行时自转旋翼机旋翼系统的运转和直升机的旋翼系统在发动机失效时,向前自旋下降时的运转方式同样。如图所示。图4在自转旋翼机上气流通过旋翼系统的方向和动力飞行状态下的直升机相反二、垂直自旋当旋翼机垂直下降时，桨叶也可以产生自旋,这称为垂直自旋。由于旋翼机做垂直下降,这相称于有一种垂直气流吹向桨叶，此外,由于桨叶在自旋，这相称于有一种与桨叶转动盘面平行的气流吹向桨叶。

9、也就是说，有两股气流吹向桨叶(见图-7，图中所示为桨叶的某一剖面)。其中，吹向桨叶的垂直气流的速度一般是不变的，等于下降速度，而平行桨盘吹向桨叶某一剖面的气流速度事实上是该桨叶剖面转动的线速度，其大小正比于该桨叶剖面到转轴的半径，也就是说,在桨盘外侧桨尖处,平行桨盘吹向桨叶的气流速度大,在桨盘内侧桨毂处,平行桨盘吹向桨叶的气流速度小（见图4-8）。旋翼上某一桨叶剖面升力的定义跟固定桨叶上升力的定义是相似的,升力方向都是垂直于相对气流的方向。注意,桨叶剖面的升力与旋翼升力的概念是不同的,旋翼上垂直于飞行方向的力称为旋翼升力,由图图可见。图4 某一桨叶剖面所处的相对气流与合成的相对气流图-8桨尖和

10、桨毂处的相对气流三、桨盘分区无论选用何种翼型，平行桨盘吹向桨叶的气流速度从桨毂到桨尖逐渐增大,而向上气流速度不变，因此,从桨尖到桨毂迎角逐渐增大(在桨叶没有扭转的条件下）。这样,在桨毂附近,由于迎角大，也许超过错速迎角,桨毂附近就称为失速区(见图4-9)。在桨尖附近,由于迎角小，升力几乎都在垂直方向,略向前（即桨叶运动方向)倾斜,加上阻力后,合力就略向后倾斜,这意味着合力阻碍桨叶转动,这里就称为被动区,由于此处的升力、阻力特性就像直升机螺旋桨同样，因此，也称为螺旋桨区,此外，由于桨尖附近相对气流速度高,升力大,平衡自转旋翼机重量的旋翼升力大部分都是在此区产生的。在桨叶中段,迎角逐渐增大,升力向

11、前（即桨叶运动方向)倾斜的角度也增大，加上阻力后，合力向前倾斜，这意味着合力驱使桨叶转动,这里就称为驱动区,由于桨叶不需要发动机动力驱动而自行转动。图-9 被动区驱动区/失速区图41 桨叶不同部位产生的力旋翼桨尖部位的受力重要是垂直向上的（参见图4-10）,正是这部分垂直向上的力（即旋翼升力)使自转旋翼机飞在空中，而在旋翼的中间部位,旋翼重要受到推力而向前转动。四、前飞行时旋翼的自旋前面，我们讲述了自转旋翼机垂直下降时,旋翼的相对气流、迎角以及桨盘的分区。自转旋翼机一般的飞行状态是前飞，此时旋翼的相对气流速度就要考虑前飞速度。前行桨叶的相对气流速度是转动速度加上前飞速度，升力增大;后行桨叶的相

12、对气流速度是转动速度减去前飞速度,升力减小。前行和后行桨叶的相对气流速度不同,导致桨盘左右两侧的升力不对称，为了避免升力不对称,可以让前行桨叶向上挥动以减小迎角和升力，同步另一侧的后行桨叶向下挥动以增大迎角和升力。实现桨叶上下挥动的机构如图411所示,旋翼环绕挥动铰做跷跷板式的上下挥动。图4-1 桨叶上下挥动的机构具体来说,前行桨叶产生的升力不小于后行桨叶产生的升力,那么前行桨叶向上挥动,同步，后行桨叶将向下挥动。由于桨叶的向上挥动或向下挥动,导致流向桨叶的相对气流的方向发生变化,即迎角发生变化。桨叶的向上挥动导致迎角减小，桨叶的向下挥动导致迎角增大。桨叶前行时迎角减小,这就增大了被动区,桨叶

13、后行时迎角增大,这就增大了失速区,这样使桨盘的分区向后行桨叶一侧偏移（参见图12)。图412后行桨叶失速l 后行桨叶失速前飞时自转旋翼机后行桨叶失速发生在从桨毂向外0%到40左右区域（见图4-12），而直升机后行桨叶失速发生在桨尖。由于自转旋翼机后行桨叶失速是固有的，失速区在后行桨叶内侧，随着前飞速度增大,后行桨叶的迎角需要增大以避免左右两侧力不对称,这样，失速区会向后行桨叶的外侧移动,由于失速区是由内侧向外侧发展，并不像直升机失速一开始就出目前桨尖（在桨叶没有扭转的条件下,直升机从桨毂到桨尖迎角逐渐增大,刚好与自转旋翼机相反）,因此,相对自转旋翼机的重心，力矩变化较小，驾驶员也许感到抖动有一

14、点增长，但不会感觉会有较大俯仰或滚转的趋势。第三节 旋翼的平衡一、旋翼的锥体和拉力的方向旋翼拉力的方向与旋翼转动时所处的位置有关。旋翼不旋转时,桨叶受自身重力的作用而下垂。旋翼旋转时,每片桨叶上的作用力除重力外,尚有空气动力和惯性离心力。图4-13 旋翼上挥形成锥体如图-13所示，当旋翼高速旋转时，桨叶拉力(T叶)对桨毂形成使桨叶上挥的力矩。重力(G叶)对桨毂形成的力矩使桨叶下垂。惯性离心力(F惯）将桨叶向外拉。三个外力迫使旋翼产生弹性变形形成向上挥动的锥体,从而使旋翼处在平衡状态。旋翼的桨叶不管转到哪个方位，都是向上倾斜的,因此拉力向内倾斜。旋翼产生的拉力始终与桨盘法线方向一致。当旋翼受到气

15、流扰动或由于机动飞行使两片桨叶的气流速度不一致时，旋翼会自发地产生挥动运动来平衡两桨叶的不均匀拉力。二、旋翼的挥动运动旋翼的挥动运动，即旋翼叶片在绕旋翼转轴旋转的同步周期性地上下运动。这是旋翼用来抵消由于速度差产生的升力不均匀的重要途径。图-14 旋翼挥动时迎角的变化在桨盘的一边，叶片向前运动(与飞行方向一致）,称前行桨叶;而另一边叶片向后运动(称后行桨叶)。由于整个飞行器是向前飞行的，前后行桨叶存在速度差。前行桨叶上某一点的来流速度等于旋转的线速度加上飞行速度；而后行桨叶上相对称的一点上的来流速度等于旋转的线速度减去飞行速度。速度差的存在使得前行桨的升力不小于后行桨产生的升力，这称为升力的不

16、对称。翘翘板式的旋翼依托周期性的挥动运动来自发地抵消升力的不对称。由于广义不平衡力的存在,旋翼在惯性力的作用下产生周期性的挥动运动，而挥动运动使旋翼在旋转的各个位向上的实际迎角发生变化,从而产生附加的气动力来平衡两边升力的不对称。如图.1所示,在0至8方位内,桨叶的相对气流速度大;在180至36方位内，相对气流速度较小。由至方位，相对气流速度逐渐增大。桨叶相对气流速度增大愈多，由于桨叶自动调节拉力向上挥动的就愈快,在9方位桨叶相对气流速度增大最多，上挥最快。由90至180方位，相对气流速度的增量逐渐减小,上挥速度逐渐减慢，但桨叶仍继续上挥。转至80方位,相对气流速度的增量为零，桨叶上挥速度为零

17、，但桨叶挥动的位置最高。桨叶挥动最快和最高的方位相差9。由于跷跷板式旋翼的特点是一边向上运动，一边则向下运动，一边向上运动的速度与另一边向下运动的速度大小同样，方向相反，因此，当一片桨叶在0至9方位上向上作加速挥动运动时，另一片桨叶在180至20方位上向下作加速挥动运动;同理,当一片桨叶在9至8作减速挥动运动时，另一片桨叶在270至360方位上作减速挥动运动。旋翼挥动运动的特点是在于飞行方向成0和180的地方,旋翼挥动有最大幅值，而在0和270的地方挥动运动速度最大。由于有了挥动运动，前行桨叶的实际迎角比无挥动运动时的迎角要小，升力也相对要小某些；而后行桨的实际迎角比无挥动时的迎角要大，升力也相对大某些。于是,这种附加的升力匹配调节了前后行桨叶的升力的不对称,从而使旋翼保持稳定。