直升机飞行原理资料
27页1、 1 旋翼的空气动力特点 直升机是一种由一个或多个水平旋转的旋翼提供向上升力和推进力而进行飞行的航空器。直升机具有大多 数固定翼航空器所不具备的垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行的特点。这些特点使得直升机在很多 场合大显身手。直升机与飞机相比,其弱点是速度低、耗油量较高、航程较短。 (1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。 即使直升机的发动机空中停车时, 驾驶员可通过 操纵旋翼使其自转,仍可产生一定升 力,减缓直升机下降趋势。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻 力使直升机前进,类似于飞机上推进器的作用(例 如螺旋桨 或喷气发动机)。 (3)产生其他分力及力矩对直升机; 进行控制或机动飞行,类似于飞机上各操纵面的作用。 旋 翼由数片桨叶及一个桨毂组成。工作时,桨叶与空气作相对 运动,产生空气动力;桨毂则是用来连 接 桨叶和旋翼轴,以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。 旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不,因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外,还要 绕旋翼轴旋转,因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。 先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋
2、翼工作的情况,它相当于飞机上螺 旋桨的情况。由于两者技术要求不同,旋翼的直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、 设计上就有所区别设一旋冀,桨叶片数为 k,以恒定角速度 绕轴旋转,并以速度 Vo 沿旋转轴作直 线运 动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合,而半径为 r 的圆柱面把桨叶裁开(参阅图 2, 13),并将这圆柱面展开成平面,就得到桨叶剖面。 既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动,对于 2 叶剖面来说, 应有用向速度 (等于 r)和垂直于旋转平面的速度(等于 Vo), 而合速度是两者的矢量 和。显然可以看出(如图 213),用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是 不同的: 大小不同, 方向也不相同。 如果再考虑到由于桨叶 运动所激起的附加气流速度(诱导速度) ), 那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加 不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作 条件复杂, 对它的分析比较麻烦的原因所在。 旋翼拉力产生的滑流理论旋翼拉力产生的滑流理论 现以直升机处于垂直上升状态为例,应用滑流理论说明 旋翼拉力产生的原因。此时,将流过旋 翼的空气,或正 确地说,受到旋翼作用
3、的气流,整个地看做一根光滑流 管加以单独处理。假设: 空气是理想流体,没有粘性,也不可压缩; 旋转着的旋冀是一个均匀作用于空 气的无限薄的圆盘(即桨盘), 流过桨盘的气流速度 在桨盘 处各点为一常数; 气流流过旋翼没有扭转(即不考虑 旋翼的旋转影响),在正常飞行中,滑流没有周期性的变化。 根据以上假设可以作出描述旋翼在: 垂直上升状态下滑流的物理图像,如下图所示,图中选取 三个滑流截面, So、 S1 和 S2,在 So 面,气流速度就是直升机垂直上升速度 Vo,压强为大气压 Po, 在 S1 的上面, 气流速度增加到 V1= Vo+v1,压强为 P1 上,在 S1 的下面,由于流动是连续的,所以 速度 仍是 V1,但压强有了突跃 Pl 下P1 上,P1 下一 P1 上即旋翼向上的拉力。在 S2 面,气流速度 继续增加至 V2=Vo+v2,压强恢复到大气压强 Po。 3 这里的 v1 是桨盘处的诱导速度。v2 是下游远处的诱导速度,也就是在均匀流场内或静止空气中 所引起的速度增量。对于这种现象,可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。 旋翼的锥体旋翼的锥体 在前面的分析中,我们假
4、定桨叶位:桨毂旋转平面内旋转。实际上,目前的直升机都具水平铰。 旋翼不旋转时,桨叶受垂直 向下的本身重力的作用(如下图左)。旋翼旋转 时,每片叶上的作用力除 自身重力外, 还有空气动力和惯性离心力。空气动力拉力向上的分(T)方向与重力相反,它绕水平铰 构 成的力矩,使桨叶上挥。惯性离心力(F 离心)相对 水乎铰所形成的力矩,力求使桨叶在桨毂 旋转 平面内旋转(如下图右)。在悬停或垂直飞 行状态中,这三个力矩综合的结果,使得 桨叶保持在与桨 毂旋转平面成某一角度的位置上,翼形成一个倒立的锥体。 桨叶从桨毂 旋转平面扬起的角度叫锥 角。桨叶产生的拉力约为桨 叶本身重量的 10 一 15 倍,但桨叶的惯性和离心力更 大(通常约为桨叶 拉力的十几倍),所以锥 角实际上并不大,仅有 3 度一 5 度。 悬停时功率分配悬停时功率分配 4 从能量转换的观点分析,直升机在悬停状态时(如下图) 发动机输出的轴功率,其中约 90用于 旋翼,分配给尾桨、 传动装置等消耗的轴功率加起来约占 10。旋翼 所得到的 90的功率当中, 旋翼型阻功率又用去 20,旋翼用于 转变成气流动能以产生拉力的诱导功率仅占 70
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