共轴式直升机桨毂阻力特性计算研究

2018-10-09龙海斌吴裕平

直升机技术 2018年3期

龙海斌，吴裕平

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

直升机桨毂是连接旋翼和机身的重要部件，由于表面有比较多的拉杆、铰结构等小部件，因此在前飞时会产生比较大的气动阻力。常规单旋翼直升机桨毂阻力一般占全机废阻的20%～30%，而共轴式直升机的桨毂阻力一般占全机废阻的50%以上[1]。随着高速直升机的快速发展[2]，气动减阻在直升机研制中越来越受到重视，其中桨毂减阻是直升机减阻的重要部分[3],而桨毂阻力特性研究是进行气动减阻的基础。目前通常采用风洞或水洞试验和数值计算两种方法对直升机桨毂阻力特性进行研究。风洞试验模型包括单独的桨毂模型和带桨毂机身模型两种，在带桨毂机身模型风洞试验中采用去桨毂的方式(增量法)来获得桨毂阻力特性。文献[4]采用1:17缩比模型对某常规单旋翼桨毂进行了水洞试验，研究了不同桨毂构型、雷诺数和方位角时的阻力特性。文献[5]在风洞中对2/5缩比的AH-56四桨叶桨毂模型进行了阻力特性测试试验，得到了不同构型、方位角时的阻力值。试验结果表明,去掉桨毂顶部的陀螺仪可以降低50%的阻力。文献[6]在水洞中对某四桨叶单旋翼桨毂进行了阻力特性测试，包括不同雷诺数和方位角时状态，之后采用不同的求解器和湍流模式对该桨毂模型阻力特性进行了计算。文献[7]在风洞中对四片桨叶单旋翼直升机机身和桨毂进行了阻力特性试验，得到了不同的桨毂减阻方案的阻力值，对比分析了桨毂减阻设计对总阻力和极曲线的影响。文献[8]在直流风洞中对不同的共轴双桨毂组合模型进行了风洞试验，研究了不同整流模型、各部件间缝隙和转速对阻力特性的影响，结果表明各部件间缝隙和组合方式对阻力影响比较大。数值计算方法主要为CFD方法，该方法在气动特性计算中应用比较广泛[9]，可以快速计算得到桨毂以及各组成部件的阻力值，同时在网格划分之前可以比较方便地修改桨毂各部件的外形，为桨毂减阻设计提供技术支持。文献[10]采用CFD方法对某常规单旋翼直升机桨毂的阻力特性进行了计算，结构划分为非结构化网格，包括不同方位角和旋转状态下的阻力特性。文献[11]应用CFD方法对某四片桨叶常规单旋翼桨毂的原有方案和改进设计方案进行了阻力特性和流场计算。文献[12]采用CFD方法对某常规旋翼桨毂在不同方位角时的阻力特性进行了计算，并与水洞试验值进行了对比分析。桨毂附近为嵌套网格，远场为结构网格。湍流模式分别为SA-DDES和HRLES模式。文献[13]首先对某共轴式直升机桨毂进行了减阻设计，之后采用求解N-S方程的方法对桨毂原型和减阻方案的阻力特性进行了研究。文献[14]采用求解N-S方程的方法对某共轴式直升机的阻力特性进行了计算，包括无桨毂和带桨毂、不同前飞速度等状态。本文采用求解N-S方程的方法对某共轴式直升机桨毂的阻力特性进行了计算，包括前飞速度、上下桨毂方位角和计算模型尺寸等状态。根据计算结果分析了桨毂各部件的阻力特性和各计算状态的桨毂阻力特性，研究了影响共轴式直升机桨毂阻力特性的因素和周围的流动机理。

1 计算模型与网格划分

由于在计算共轴式桨毂阻力特性的过程中一般会保留桨叶根部(上下支臂)，因此某型共轴式直升机桨毂主要由上桨毂、上支臂、上中间轴、下桨毂、下支臂、下中间轴和底座组成，气动外形及各部件组成如图1所示。首先对桨毂模型表面进行修理，去掉了部分对阻力特性影响比较小的零部件。采用八叉树(Octree)方法对空间网格进行划分，该方法首先生成体网格，然后进行网格调整，再将网格映射到线和点上。在网格划分过程中可以根据需要对表面局部细节进行捕捉或忽略。在桨毂表面划分附面层网格，同时对流动比较复杂的区域进行加密处理，网格划分如图2所示。

图1 桨毂各部件组成图

2 计算方法概述

(1)

(2)

来流空气设置为理想气体，外场边界条件设置为压力远场条件，前飞速度设置为80m/s，以模拟大速度前飞时的桨毂阻力特性。

图2 桨毂网格划分

3 计算结果分析

3.1 各部件阻力特性

在上、下桨毂支臂成60°方位角交错时，各部件的迎风面积如表1所示。从表中可以看出在不同的方位角时上、下支臂的迎风面积有一定的差别，下中间轴的迎风面积最大。

表1 各部件迎风面积(0°攻角)

桨毂各部件阻力占桨毂阻力的百分比以及各部件迎风面积占总迎风面积的百分比如图3所示。从图中可以看出下中间轴的阻力占桨毂总阻力的1/4以上。上、下支臂和桨毂轴的阻力都占到总阻力的40%以上。对比分析阻力的百分比和迎风面积的百分比可以看出，阻力和迎风面积呈正相关性，迎风面积越大，阻力也越大。但是上、下桨毂和上、下支臂的气动外形相同，而阻力系数却有一定的差别，说明所处的气流环境对气动阻力有一定的影响。

桨毂各部件的压差阻力占各自阻力的百分比随攻角的变化情况如图4所示。从图中可以看出在小攻角范围内，压差阻力占各自阻力的百分比基本上不变。由于上、下支臂的外形比较复杂，因此两者的压差阻力占各自阻力的百分比比较大。

图3 各部件阻力和迎风面积相关性分析

图4 压差阻力占各自阻力的百分比

3.2 不同速度状态时的阻力特性

为了对比研究不同飞行速度状态下的共轴式直升机桨毂的阻力特性，分别计算了40m/s、60m/s、80m/s和100m/s时的阻力特性。计算结果如图5所示。从图中可以看出，随着飞行速度的不断增大，桨毂的阻力有所增长。在0°攻角时，40m/s和60m/s前飞速度时阻力分别比80m/s时降低0.73%和1.33%，100m/s时阻力比80m/s时增大0.87%，说明前飞速度变化时，共轴式直升机桨毂阻力变化比较小。

图5 不同飞行速度时的桨毂阻力

不同前飞速度时的流线分布图如图6所示。从图中可以看出，在40m/s到100m/s速度范围内流过桨毂的气流基本上保持稳定，流动状态基本一致。

3.3 不同方位角时的阻力特性

上、下桨毂的支臂处于不同的方位时，气流经过桨毂时的流动状态存在一定的区别。在计算过程中上桨毂支臂的位置保持不变，下桨毂分别旋转30°和60°，得到了0°、30°和60°相互交错方位角时的桨毂阻力，如图7所示。从图中可以看出，30°方位角的桨毂阻力最大，上、下桨毂支臂方位角变化对桨毂阻力的影响比较小，在0°攻角时，30°方位角和60°方位角状态的桨毂阻力分别比0°方位角状态增大2.19%和1.20%。这是由于该桨毂有三个桨毂支臂，在方位角变化时总的迎风面积基本上不变。不同方位角时的表面压力分布图如图8所示。从图中可以看出，由于上、下桨毂支臂的距离比较大，因此下桨毂方位角的变化对上桨毂表面压力影响比较小。

图7 不同方位角时的桨毂阻力

3.4 不同尺寸时阻力特性

计算模型尺寸变化对物体表面的流动情况有一定的影响，分别对全尺寸、1：2缩比和1：5缩比桨毂计算模型的阻力特性进行了计算，阻力计算结果如图9所示。从图中可以看出,随着模型尺寸的不断增大，阻力系数呈不断减小的趋势。这是由于物体的尺寸越大，物体表面的层流区域越大。不同尺寸时的压差阻力占总阻力的百分比如图10所示。从图中可以看出,随着桨毂计算模型尺寸的不断增大，压差阻力占总阻力的百分比不断上升。这是由于桨毂计算模型尺寸增大，尾部的分离流动区域增大引起的。