桨叶负扭转对旋翼性能影响的研究

张青竹 张德平

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150066）

旋翼系统是直升机的升力面，其设计的优劣对直升机的飞行性能有着至关重要的影响。桨叶负扭转对旋翼性能有直接的影响。1948 年，Gessow 提出理想负扭转的概念，这种桨叶扭转分布可以使旋翼在悬停及轴流状态下的诱导速度沿桨尖平面均匀分布，从而使旋翼的诱导功率最小。受材料、制造工艺等因素的制约，早期直升机的旋翼桨叶多采用无扭转或简单的线性负扭转较小的设计方案[1]。随着材料、制造工艺等技术的进步，旋翼桨叶可以实现更大的负扭转角度，从而使桨叶的扭转分布更加接近理想负扭转。但是在大速度平飞时，桨叶由前行区至后行区的过程中，过大的负扭转使桨叶弯曲，产生大的振动，桨叶的动应力迅速增加[2]，对桨叶、拉杆的寿命和直升机的振动水平带来不利影响,是强度设计需要重点关注的方面。

直升机旋翼桨叶扭转一般选择在-8°至-14°这一范围内[3]。为研究桨叶负扭转对旋翼性能的影响，本文基于FLIGHTLAB 软件，以轻型单旋翼带尾桨直升机作为算例，在不改变旋翼桨叶平面几何形状及翼型分布的条件下，分别选用-10°、-12°、-14°、-16°和-18°扭转的旋翼桨叶，建立旋翼计算模型。在海平面、国际标准大气条件下通过对悬停效率、平飞时的旋翼型阻功率、平飞升阻比和自转升阻比的计算，研究不同桨叶负扭转对旋翼性能的影响。同时，计算了桨叶负扭转对旋翼失速限制的影响。

计算表明：在悬停状态、大拉力系数时，桨叶负扭转大的旋翼具有更高的悬停效率；平飞状态下，桨叶负扭转影响旋翼最大平飞升阻比，-16°桨叶扭转的旋翼具有最大平飞升阻比；大速度平飞时，旋翼平飞升阻比随桨叶负扭转的增加而增大,旋翼型阻功率随桨叶负扭转的增加而减小；自转状态下，桨叶负扭转小的旋翼具有更高自转升阻比。另外，桨叶负扭转对旋翼的失速限制影响不明显。

1 计算模型简介

本文基于FLIGHTLAB 软件建立单旋翼带尾桨直升机飞行动力学计算模型。旋翼系统为4 片刚性桨叶，桨叶翼型应用风洞试验得到的不同马赫数及迎角下的翼型气动特性数据表。采用六状态动力入流模型计算旋翼诱导速度。机体为刚体，应用无动力风洞试验得到的不同迎角和侧滑角下的气动特性数据表。尾桨系统为简单的尾桨计算模型。动力系统为理想发动机模型，不考虑发动机性能限制与传动系统扭矩限制。

2 研究方法

2.1 桨叶负扭转

本文为研究不同桨叶负扭转对旋翼性能的影响，在不改变桨叶平面几何形状及翼型分布的情况下，对桨叶扭转分布进行等比缩放，建立桨叶扭转为-10°、-12°、-14°、-16°和-18°的五种旋翼模型。桨叶扭转分布如图1 所示。

图1 五种桨叶负扭分布

2.2 悬停状态

对于悬停状态，悬停效率是衡量旋翼性能的一个重要指标。在海平面、国际标准大气、无地效条件下，对五种桨叶负扭转的孤立旋翼进行悬停配平计算，得到悬停效率随拉力变化的曲线。

2.3 平飞状态

2.3.1 旋翼平飞升阻比

平飞升阻比是衡量旋翼性能的又一个重要指标。在海平面、国际标准大气条件下，给定全机重量3600kg，对五种负扭转旋翼的直升机进行全机平飞配平计算，配平速度范围为10kt 至170kt，得到旋翼平飞升阻比和型阻功率随平飞速度变化的曲线以及最大平飞升阻比与桨叶负扭转的关系曲线。平飞状态下的旋翼升阻比[4]为：

其中，T 为旋翼拉力，αTPP为旋翼桨尖平面迎角，PMR为旋翼功率，V∞为直升机远前方来流，W 为全机重量。

2.3.2 旋翼的失速限制

大速度平飞时，后行桨叶将进入失速范围，导致旋翼受到高桨叶载荷、高操纵载荷以及高振动[3]。图2 给出-12°桨叶扭转的旋翼在海平面、国际标准大气条件下、平飞速度140kt 时的迎角分布计算结果：后行桨叶桨尖区域出现大迎角，旋翼此时已经受到失速的影响。

图2 -12°桨叶扭转旋翼迎角分布（V∞=140kt）

求出旋翼失速下限和失速上限对应的前飞速度，其中σ 为旋翼实度，CQ1为失速下限时的扭矩系数，CQ2为失速上限时的扭矩系数。

2.4 稳定自转状态

当直升机全发失效时，需要在接地前保持较低的飞行速度和下降率，以保证安全着陆。自转时的前飞速度和下降率之比被用来定义升阻比[3]。根据这个定义，在海平面、国际标准大气条件下，给定全机重量3600kg 及高、中、低三种旋翼转速，对五种桨叶负扭转旋翼的直升机进行全机自转配平计算，得到自转升阻比随速度变化的曲线。

3 计算结果及分析

3.1 悬停效率

图3 给出了不同桨叶负扭转对孤立旋翼悬停性能的影响。在小拉力时，随桨叶负扭转增大，旋翼悬停效率减小，减小幅度小于0.02。在大拉力时，随桨叶负扭转增大，旋翼最大悬停效率增加。在桨叶扭转-18°、拉力系数0.0101 时，旋翼具有最大悬停效率0.837。

图3 孤立旋翼悬停效率

3.2 平飞升阻比与型阻功率

图4 给出了不同桨叶负扭转对旋翼平飞升阻比的影响。在小速度和中等速度平飞时，桨叶负扭转对旋翼平飞升阻比影响不明显；在大速度平飞时，旋翼平飞升阻比随着桨叶负扭转的增加而增大。图5 给出了不同桨叶负扭转对旋翼最大平飞升阻比的影响。桨叶扭转由-10°增加到-16°，旋翼最大平飞升阻比随负扭转增加而增大；桨叶扭转由-16°增加到-18°，旋翼最大平飞升阻比随负扭转增加而减小。在桨叶扭转-16°、前飞速度140kt 时，旋翼具有最大前飞升阻比11.13。 图6 给出了不同桨叶负扭转对旋翼型阻功率的影响。在小速度和中等速度平飞时，桨叶负扭转对旋翼型阻功率影响不明显；在大速度平飞时，旋翼型阻功率随着桨叶负扭转的增加而明显减小。

图4 旋翼平飞升阻比

图5 旋翼最大平飞升阻比与桨叶负扭转的关系

图6 旋翼型阻功率随平飞速度变化曲线

3.3 旋翼失速限制

图7 给出了桨叶负扭转对旋翼失速限制的影响。桨叶扭转在-10°至-16°之间时，旋翼失速下限约为120kt，桨叶扭转为-18°时，旋翼失速下限减小到116kt；桨叶扭转在-10°至-18°之间时，旋翼失速上限约为162kt。

图7 桨叶负扭转对旋翼失速限制的影响

3.4 自转升阻比

图8 至图10 给出了不同桨叶负扭转的旋翼在旋翼转速320rpm、355rpm 和395rpm 时对自转升阻比的影响。最大自转升阻比随桨叶负扭转的增加而减小，且减小的幅度越来越大。在桨叶扭转-10°、飞行速度100kt、转速320rpm时，旋翼具有最大自转升阻比5.16。

图8 自转升阻比（旋翼转速320rpm）

图9 自转升阻比（旋翼转速355rpm）

图10 自转升阻比（旋翼转速390rpm）

4 结论

4.1 增加桨叶负扭转可提高直升机旋翼在大拉力时的悬停效率，改善悬停性能。在桨叶扭转-18°、拉力系数0.0101 时，旋翼具有最大悬停效率0.837。

4.2 改变桨叶负扭转会影响旋翼最大平飞升阻比。过大的桨叶负扭转反而会降低旋翼最大平飞升阻比。在桨叶扭转-16°、前飞速度140kt 时，旋翼具有最大平飞升阻比11.13。

4.3 大速度平飞时，旋翼型阻功率会随着速度的增加而激增。增加桨叶负扭转可以明显降低旋翼在大速度平飞时的型阻功率。

4.4 平飞状态下，桨叶负扭转对旋翼失速限制影响不明显。

4.5 减小桨叶负扭转会提高旋翼最大自转升阻比。在桨叶扭转-10°、飞行速度100kt、旋翼转速320rpm 时，旋翼具有最大自转升阻比5.16。

4.6 -16°桨叶扭转的旋翼具有最大平飞升阻比和较高的悬停效率，即具有优秀的平飞性能和良好的悬停性能。而自转状态不是一个常用的飞行状态，-16°桨叶扭转的旋翼能够保证一个可接受的自转性能。因此，从气动设计和性能方面考虑，本文算例直升机宜采用-16°桨叶扭转的旋翼为最佳。

4.7 从强度设计方面考虑，过大的桨叶负扭转会在大速度飞行状态下使旋翼桨叶产生较高的振动弯曲应力，对桨叶、拉杆的寿命和直升机的振动水平带来不利影响,可能会限制直升机的快速巡航能力。因此，在气动设计和性能方面表现优良的-16°桨叶扭转的旋翼不一定是最优方案，还需要综合考虑强度设计等其他专业。