共轴刚性旋翼气动特性试验与分析

共轴刚性旋翼直升机是高速直升机的主要发展方向之一,为了深入了解前进比及升力偏置对共轴刚性旋翼气动特性的影响,在航空工业气动院FL-52风洞开展了共轴刚性旋翼气动特性风洞试验,通过合理的操纵与配平策略,实现了共轴刚性旋翼配平,并对悬停、多种前飞状态下气动特性及升力偏置对旋翼操纵特性及性能的影响机理进行了研究。结果表明,试验取得了比较好的配平效果,桨毂力矩、合扭矩及升力偏置配平误差分别优于±2 N·m、±0.5 N·m、±0.01;悬停状态扭矩配平与非配平状态下,上旋翼效率都大于下旋翼,差动总距效率随联动总距的增大而增大;前飞状态升力偏置可有效提升大前进比时旋翼气动效率而小前进比时则并不明显,升力偏置的增大会使上下旋翼的桨毂滚转力矩大幅增加。

转子翼驱动功率与升/阻力特性研究

为了研究新型的Magnus转子式减摇装置(转子翼)的驱动功率问题,本文通过转子翼上动态流体力矩和平均转子角速度计算伺服系统驱动功率。采用ANSYS-Fluent进行转子翼水动力三维瞬态仿真试验,得到横摇周期内动态水动力特性;根据动态流体力和转子角速度,按照惯性力矩、摩擦力矩和粘滞阻力矩3部分计算得出转子翼上的总力矩。研究结果表明:长度3 m、直径0.4 m的转子翼,航速7 kn时,平均升阻比大于4;转子翼在低航速时亦可产生足够升力;转子翼单位投影面积升力大于传统翅片形减摇鳍,阻力则反之;转子翼的驱动功率小于传统减摇鳍。

一种适用于核电厂的转子接地保护举刷装置

方家山核电工程的发电机组采用的是旋转无刷励磁系统,其转子接地保护为注入式原理构成。转子接地保护能够在发电机转子出现接地故障后发出报警,故障严重时可作用于跳机,从而保护发电机转子免受故障引起的破坏,对机组的安全有着重要作用。在发电机运行期间曾多次发生转子接地保护报警,根据现场检查分析后得出的结论为这几起报警均属于误报,其产生原因为原厂举刷装置在使用一段时间后会发生卡涩现象,举刷装置卡涩故障的存在会导致系统监测到转子接地电阻值不准确,汽轮机转子接地保护处于失效状态。针对这一情况,本文设计了一套适用于M310机组的转子接地保护举刷装置,同时本论文结合方家山发电机组转子接地保护的配置及其调试、运行、维修的经验,介绍了该举刷装置的原理、设计保护的构成原理,并分析了误报警形成的几个主要原因,针对这些原因给出了有效的方法,避免了举刷装置的卡涩,发挥其应有的作用。

升阻混合风轮的性能规律

为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能.结果证明:阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及.建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性.

基于悬停四旋翼位置姿态信息的风场估计方法研究

基于四旋翼飞行器悬停状态下的位置及姿态信息,提出了一种离线的风场估计方法。首先根据Dryden大气紊流模型建立了四旋翼飞行器所处的风场环境,并通过分析有风情况下旋翼升力的变化,得到旋翼升力与风场信息(风速、风向)的函数关系式;接着利用牛顿-欧拉方法推导出有风扰动下的四旋翼动力学方程,并进一步设计了用于保持飞行器悬停状态的PID控制器;最后,基于悬停状态下四旋翼飞行器的位置姿态信息,计算得到飞行器所处的风场环境信息。MATLAB仿真结果表明所提方法在有紊流干扰的情况下,能够有效地提取出风场环境里的主风信息。

悬停旋翼粘性绕流N-S方程数值模拟

通过求解薄层 Navier- Stokes方程数值模拟了悬停旋翼粘性绕流。为了方便实施旋转对称性边界条件和更为有效地捕捉尾涡系 ,采用了嵌套网格技术。空间离散方法采用中心有限体积法 ,时间推进格式为五步 Runge- Kutta法。考虑到旋翼绕流的特点 ,对远场边界条件作了合理的修正。应用本文方法对 Caradonna模型旋翼的两个实验状态进行了数值模拟 ,计算结果与实验值吻合很好 。

基于数值试验的喷水推进轴流泵的一体化设计

在给定流量、转速和扬程的设计指标下,综合分析和选取决定叶轮水动力性能的主要几何参数,采用升力法进行喷水推进轴流泵叶轮的水力设计。然后运用CFD方法对所设计轴流泵在设计点水动力性能进行数值模拟,计算结果表明:水力效率和扬程均满足设计要求。此基础上计算得到了该泵的扬程-流量、功率-流量、效率-流量特性曲线,进一步验证设计的合理性。最后将在设计工况下计算得到的水动力载荷导入有限元分析软件进行叶轮应力分析,校核了设计工况下叶片强度;同时,对叶轮进行模态分析,结果显示:所设计叶片固有频率远离轴频、叶频,能很好地避开叶轮共振。

旋翼/涵道/风扇升力系统的前飞气动特性

旋翼/涵道/风扇组合构成的升力系统,是一种结构紧凑、新颖、操纵较简易的垂直起降飞行器的升力系统。由于旋翼和风扇、旋翼和涵道、风扇和涵道之间等存在相互气动干扰,尤其是在前飞状态下,涵道风扇同时受到旋翼尾流和前方来流的共同作用,流场十分复杂,给该升力系统气动力的分析与预估带来很大困难。本文提出了一种确定旋翼/涵道/风扇组合升力系统气动力的理论分析方法,并通过理论与实验结果的比较,验证本文所述理论方法的有效性。

共轴刚性旋翼气动干扰特性风洞试验研究

针对共轴刚性旋翼上下旋翼间复杂气动干扰问题,利用4 m直径共轴刚性旋翼缩比模型开展了悬停及前飞状态风洞试验研究。试验中,采用两套六分量天平对共轴刚性旋翼的上下旋翼进行分开测力,并测量了相同操纵量输入时的孤立单旋翼气动力。通过分析双旋翼状态下的上下旋翼与孤立单旋翼的气动力的对比结果,研究了共轴刚性旋翼在悬停及前飞状态下的气动干扰特性。在此基础上,还进行了升力偏置对气动干扰影响的试验研究。结果表明:随着旋翼前进比的增大,上下旋翼之间的气动干扰逐渐减弱,共轴刚性旋翼的非对称气动干扰会使得双旋翼升力偏置增大。

涵道共轴双旋翼空气动力学特性分析

利用数值模拟对涵道共轴双旋翼的空气动力学特性进行研究。探讨在涵道的影响下,双旋翼距离的变化对上下旋翼拉力和扭矩的影响。通过与共轴双旋翼的对比确定涵道共轴双旋翼产生拉力的机理并分析涵道本体对共轴双旋翼气动特性的影响。数值结果表明:随着旋翼间距的增大,开始时上旋翼拉力大于下旋翼拉力,后来发生逆转。最后计算了上旋翼拉力占总拉力比值的变化关系。

分离式共轴刚性旋翼风洞试验技术研究

为在■3.2 m风洞开展高速直升机共轴刚性旋翼风洞试验,中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamic Research and Development Center,CARDC)开展了分离式共轴刚性旋翼风洞试验关键技术研究。解决了双旋翼共轴反向驱动、双旋翼联动和差动变距操纵、旋翼气动力分离测量、旋翼间距调整等关键技术问题,研制了■2 m直径共轴刚性旋翼试验台和旋翼天平、旋翼操纵系统,实现了旋翼共轴等速反向旋转、双旋翼联动和差动变距操纵、旋翼升力偏置调整、旋翼气动力孤立测量、旋翼间距调整等功能。通过开展风洞试验,验证了该试验技术,表明试验技术具有技术成熟度高、数据重复性精度高、可调节参数多的优点。

某四旋翼无人飞行器的力学仿真分析

旋翼无人飞行器具有垂直起降/着陆、可悬停、机动性好及结构简单等多种优点,无论是在军事领域还是民用领域,都有非常广泛的应用价值。文中采用Abaqus建立了某四旋翼无人飞行器的力学仿真模型。基于所建立的力学仿真模型,分析了该无人飞行器在旋翼升力、风载荷和降落冲击等工况下结构的强度和刚度响应,得到了相应的变形和应力云图。计算结果表明,该旋翼飞行器的结构设计满足总体设计要求。

转速对直叶片升力型风轮动力特性影响数值研究

采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对旋转直径3 m、高3 m和叶片弦长0.44 m的直叶片升力型风轮动力特性进行二维数值研究,分析在三种不同转速下单叶片动力特性、叶轮动力特性及叶片表面压力特性的变化规律。研究发现:随转速增加,上盘面叶片动力矩极高值先增加后减小存在最大值,下盘面动力矩极低值在逐渐减小且范围变广,证明上盘面为风轮的主要做功区域,下盘面对风轮出力贡献少甚至为负值;随转速增加,上盘面叶片表面压力差在增大,吸力面负压增加幅度较明显,压力面增加幅度较缓,证明吸力面对出力增加的贡献更大;叶轮整体出力由上盘面力矩、下盘面力矩和转速三个因素决定,只有均衡三者关系才能增大风轮整体出力。

共轴刚性旋翼桨尖间距建模与参数影响研究

共轴刚性旋翼桨尖间距是涉及直升机飞行安全的关键问题,建立了共轴刚性旋翼综合气弹分析模型,开展了升力偏置、前进比、旋翼交叉角、提前操纵角以及高阶气动载荷等因素对桨尖间距影响的数值计算和分析研究.研究结果表明,升力偏置是影响桨尖间距最重要的因素,随着升力偏置量增大,桨尖间距呈线性减小趋势,而且旋翼拉力越大,趋势直线的斜率就越大,本质上桨尖间距是由桨根动态挥舞弯矩决定的,桨尖间距不会随飞行速度的增大而减小,旋翼交叉角对桨尖间距有一定的调节作用,提前操纵角和高阶气动载荷则对桨尖间距影响很小.

涵道唇口对共轴双旋翼气动特性的影响

涵道本体对于提高飞行器整体拉力起着显著作用。单旋翼和共轴双旋翼高速旋转时在涵道唇口产生绕流,形成低压区,使涵道本体产生附加拉力。基于有限体积法,研究涵道唇口对单旋翼和共轴双旋翼的影响。分析表明,涵道唇口对单旋翼以及共轴双旋的气动特性产生强烈影响,单旋翼产生的拉力随着唇口半径的逐渐增大而增大。对于共轴双旋翼,唇口半径的变化在一定程度上改变上下旋翼拉力分配,使得上旋翼拉力逐渐增大,下旋翼拉力逐渐减小。当半径无限增大,涵道共轴双旋翼机构趋同于共轴双旋翼机构,计算结果也表明,其上下旋翼拉力分配关系与共轴双旋翼的相吻合。

高速升力偏置旋翼桨叶结构形变特性研究

对于共轴刚性旋翼而言,过大的桨叶结构变形可能导致上下旋翼桨尖发生碰撞,从而影响高速直升机的飞行安全。本文建立了一套含升力偏置配平目标的共轴刚性旋翼综合气弹分析模型,并利用XH-59A风洞试验数据验证了计算方法的有效性,获得了不同升力偏置和前进比状态下的桨叶结构变形特性,并进一步从剖面来流动压、剖面桨距角以及桨根挥舞弯矩载荷等方面进行剖析,揭示了桨叶结构变形的影响作用机理。研究结果表明,在低速小前进比阶段,桨叶结构变形主要由升力偏置控制决定,随着前飞速度的增加,前进比的影响将越来越突出,两者均对桨叶结构变形有重要影响,在高速飞行状态下,适当增大升力偏置可以减小桨叶结构变形,进而有利于桨尖间距控制。

类椭圆型采油螺杆泵举升性能分析

鉴于对类椭圆型采油螺杆泵举升性能研究较少的现状,建立了类椭圆型采油螺杆泵有限元模型,通过对螺杆泵接触带泄漏位置判定和接触应力计算分析,给出了临界接触应力随低压腔室压力变化的关系式,为该型螺杆泵的举升压力计算分析提供了高效快捷的方法。分析了不同腔室压差情况下临界接触应力与低压腔室压力的关系以及举升压力随螺杆泵级数变化的规律。研究结果表明:类椭圆型螺杆泵最易发生泄漏的位置通常出现在其窄带上,并且均在1/3导程范围内;随着低压腔室压力的增大,临界接触应力随之减小;随着螺杆泵级数的增加,举升压力增大,但增速逐渐变缓,因此在螺杆泵工作时,由下至上,单级腔室对采油螺杆泵举升压力的贡献逐渐减小。研究结果可为类椭圆型螺杆泵的设计提供参考。

共轴刚性旋翼气动外形优化设计

采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力,然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此,本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计,通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS(Reynold-saveraged Navier-Stokes,RANS)方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟,在此基础上建立了代理模型结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)的高效共轴旋翼气动布局优化方法,以前飞升阻比为目标函数进行优化,得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升(前进比为0.6状态下升阻比提升约30%),证明了优化的有效性。

共轴刚性旋翼高速直升机风洞试验研究综述

共轴刚性旋翼高速直升机是下一代直升机发展的重点构型之一,风洞试验是突破其中关键空气动力学技术、推动该构型直升机从原理验证走向型号研制所依赖的重要手段。文中对国内外共轴刚性旋翼试验设施及相关风洞试验进行了介绍,综述了共轴刚性旋翼升力偏置、流场显示与测量、桨毂减阻、推进螺旋桨和机身气动特性等技术领域的试验研究概况及主要成果。结合国内外研究现状,对中国共轴刚性旋翼高速直升机在风洞试验设备建设、研究能力拓展以及试验结果应用等方向的发展提出了思考。

增升增效倾转翼农用植保无人机的设计与仿真

【目的】为满足无人机田间作业既具有旋翼机灵活起降的功能又具备固定翼长航时的特征,设计了一种X字布局的旋翼、固定翼混合结构且具有倾转功能的新型农用植保无人机。【方法】根据农田喷施作业的负载动力要求对无人机的增升装置进行了翼型和参数的设计。利用SolidWorks软件搭建了植保无人机的机体结构,使用Fluent软件结合Spalart-Allmaras湍流模型,对植保无人机增升增速参数进行了气动仿真分析。【结果】仿真试验发现,升力系数与迎角和空速呈正相关,其中,迎角从4°至6°变化时的影响较为强烈;迎角对应5°~30°前倾角时,升力系数达到0.81。在5 m/s的空速下,迎角和前倾角的关系几乎呈线性分布,机头前倾即可增大升力系数,进而增加有效负载,使得整体植保无人机的作业效率得到提升。【结论】本文为设计倾转翼植保无人机提供了理论依据,也为植保无人机延长续航时间、提升作业效率打开了新思路。