一种直升机桨叶的流动控制方法与流程

1.本发明涉及直升机旋翼的流场控制技术领域，特别是涉及一种直升机桨叶的流动控制方法。


背景技术：

2.直升机旋翼的流场复杂，其中以涡结构最为突出。桨盘外侧有复杂的桨尖涡不断脱落，桨叶不同展向位置上环量发生改变也会引起强度不等的涡溢出。在直升机流场中，由于涡的大量存在，桨/涡干扰、涡/涡干扰非常常见。当各类干扰发生时，桨叶表面的气动载荷会出现较大脉动，使旋翼出现较高的振动和噪声水平，甚至影响直升机寿命。
3.另一方面，旋翼前飞时后行侧桨叶存在动态失速现象。原因在于旋翼迎角过大时，桨叶前缘处产生脱体涡并快速后移，引起压力中心向后移动，导致低头力矩增加，使翼型扭转载荷大幅增加。由于动态效应，振荡翼型的失速迎角一般大于同等流场环境下的静态失速迎角，具有增大最大升力的作用；然而一旦超过失速迎角，动态失速涡的产生、移动和脱落会形成非常复杂的流动现象，产生很大的阻力和俯仰力矩峰值，引发升力急剧下降、阻力迅速增大的失速和颤振载荷问题，严重破坏流场的稳定性。对于直升机而言，动态失速会限制桨叶的气动性能及飞行包线，甚至导致飞行器失去操纵稳定性，是限制最大前飞速度的因素之一。
4.为降低桨/涡干扰效应，国内外学者采用了独立桨距控制(ibc)、高阶谐波控制(hhc)以及主动后缘襟翼控制(acf)等方法，一定程度上降低了桨涡干扰效应，但上述方法均属于主动控制方法，需要复杂的控制系统，技术实现较为困难。相比于主动控制方法，被动控制方法具有结构简单、无需外部能量输入而易于实施等特点。不同桨尖形状的桨叶对桨涡干扰效应有抑制作用，但降低桨/涡干扰的水平有限。因此，需要进一步研究更加简单且能有效降低桨涡干扰效应的方法。开孔方法作为一种简单且成熟的被动控制方法，已被应用于气动力及噪声等的控制研究。授权公告号为cn 208593491 u的中国专利公开了一种降低桨涡干扰效应的桨叶前缘开孔装置，包括上下翼面的圆孔、连接上下翼面孔的等直径通道以及控制孔打开与关闭的挡板，挡板与驱动装置连接。在桨叶前缘，通过设置开孔间距、孔的大小以及倾斜角度以有效降低桨涡干扰效应，在不同飞行状态下控制孔的打开与闭合满足气动性能及降低桨涡干扰效应的要求；该方案中的桨叶前缘开口能在一定程度上降低桨涡干扰效应，但是仍旧属于被动控制的范畴，且在桨叶尖端没有设置出气口，无法达到对桨尖涡的有效控制效果。
5.针对动态失速，包括被动流动控制和主动流动控制两种。被动流动控制主要是通过改变翼型或增加其他活动部件，使翼型附近的流场发生改变，从而改善动态失速，例如涡流发生器、叶尖小翼、后缘偏转襟翼、格尼襟翼、后缘变形、仿生波状前缘、固定前缘下垂、固定前缘缝翼等等。这类技术依赖预先设定的被动控制策略改变流场环境，当流场与预先设定情况产生偏差时，无法达到最佳控制效果，且一般控制周期较长。主动流动控制是当动态失速发生时，向流场中施加扰动来达到相应的控制目的，其优势在于它能在需要的时间和
部位出现。申请公布号为cn 108116661 a的中国专利公开了一种用于旋翼的主动流动控制装置及控制方法，该方案中旋翼桨叶的上表面开设有出气口，但是并没有在旋翼桨叶的尖端设置出气口，也就是说，该方案并没有考虑尖端出气的方式，无法达到对桨尖涡的有效控制效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种直升机桨叶的流动控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，在桨叶上表面设置有第一射流口，在桨叶尖端设置有第二射流口，根据直升机运行状态选择第一射流口发出射流还是第二射流口发出射流，通过第一射流口的射流减小脱体涡产生的失速影响，通过第二射流口的射流减小桨尖涡产生的干扰影响。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种直升机桨叶的流动控制方法，包括以下步骤：
9.在桨叶上表面设置有第一射流口，根据脱体涡的生成位置和强度确定所述第一射流口的设置位置以及射流的强度；
10.在桨叶尖端设置有第二射流口，根据桨尖涡的生成位置和强度确定所述第二射流口的设置位置以及射流的强度；
11.结合直升机的运行状态，判断脱体涡产生失速影响与桨尖涡产生干扰影响的大小；
12.当脱体涡产生失速影响较大时，通过所述第一射流口，在桨叶上表面向外发出射流；
13.当桨尖涡产生干扰影响较大时，通过所述第二射流口，在桨叶尖端向外发出射流。
14.优选地，所述第一射流口和所述第二射流口连通，所述第一射流口为进气口时、所述第二射流口为出气口，所述第一射流口为出气口时、所述第二射流口为进气口。
15.优选地，所述第一射流口沿桨叶的长度方向设置有多个，相邻的所述第一射流口存在矢量关系，且位于弦长的不同相对位置。
16.优选地，改变所述第一射流口的射流方向，形成多个脱体涡状态的流线图，根据流线图中对脱体涡处理状态的优劣，选择对脱体涡处理效果最优的流线图所对应的所述第一射流口的射流方向。
17.优选地，改变所述第一射流口的射流强度，形成多个脱体涡状态的流线图，根据流线图中对脱体涡处理状态的优劣，选择对脱体涡处理效果最优的流线图所对应的所述第一射流口的射流强度。
18.优选地，改变所述第二射流口的射流方向，形成多个桨尖涡状态的涡量图，根据涡量图中对桨尖涡处理状态的优劣，选择对桨尖涡处理效果最优的涡量图所对应的所述第二射流口的射流方向。
19.优选地，改变所述第二射流口的射流强度，形成多个桨尖涡状态的涡量图，根据涡量图中对桨尖涡处理状态的优劣，选择对桨尖涡处理效果最优的涡量图所对应的所述第二射流口的射流强度。
20.优选地，当悬停或小速度前飞时，此时，桨尖涡产生干扰影响较大，所述第一射流口向内进气，所述第二射流口向外发出射流。
21.优选地，当前飞速度增大时，此时，脱体涡产生失速影响较大，所述第一射流口向外发出射流，所述第二射流口向内进气。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.(1)本发明在桨叶上表面设置有第一射流口，在桨叶尖端设置有第二射流口，根据直升机运行状态选择第一射流口发出射流还是第二射流口发出射流；通过第一射流口的射流减小脱体涡产生的失速影响，可以实现对动态失速的有效控制，改变前缘涡的产生与发展，以削弱动态失速带来的非定常载荷，减少结构振动，延长旋翼寿命；通过第二射流口的射流减小桨尖涡产生的干扰影响，利用第二射流口减少桨尖位置的气流翻折，削弱桨尖涡的强度，调整桨尖涡的形成位置；
24.(2)本发明第一射流口和第二射流口连通，第一射流口为进气口时、第二射流口为出气口，第一射流口为出气口时、第二射流口为进气口，气流流动方式简单，进气和出气的位置互不干扰互不影响；
25.(3)本发明悬停或小速度前飞时，桨/涡干扰现象明显，后行侧桨叶动态失速可能尚未发生，此时在桨尖位置形成向外的射流，更好地减弱桨尖涡；当前飞速度增大时，桨尖涡很快离开旋翼区域，桨/涡干扰现象减弱，且随着周期变距操纵的幅值增加，后行侧的动态失速开始出现，则采用上表面发出射流，桨尖进气的方式，着重解决动态失速问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明叶片的结构示意图；
28.图2为显示第一射流口的设置位置参数的图1局部俯视图；
29.图3为本发明第一射流口的矢量关系示意图；
30.图4为本发明桨叶表面无开孔上表面产生涡的流线图；
31.图5为本发明桨叶表面有开孔上表面产生涡的流线图；
32.图6为本发明无翼尖射流引发的翼尖位置上表面的涡量图；
33.图7为本发明有翼尖射流引发的翼尖位置上表面的涡量图；
34.其中，1、桨叶；2、第一射流口；3、第二射流口；4、涵道。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明的目的是提供一种直升机桨叶的流动控制方法，以解决现有技术存在的问题，在桨叶上表面设置有第一射流口，在桨叶尖端设置有第二射流口，根据直升机运行状态选择第一射流口发出射流还是第二射流口发出射流，通过第一射流口的射流减小脱体涡产
生的失速影响，通过第二射流口的射流减小桨尖涡产生的干扰影响。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.本发明提供一种直升机桨叶的流动控制方法，包括以下步骤：
39.如图1
‑
3所示，在桨叶1的上表面设置有第一射流口2，第一射流口2能够向外发射出射流，该射流可以依靠射流源来产生气流形成，射流的强度和位置根据桨叶1的结构以及工作环境等因素进行设计，实现主动控制。具体的，桨叶1前缘的脱体涡是动态失速的主导，一般出现脱体涡时，桨叶1的上表面的压力梯度为负值，脱体涡在向后缘运动的过程中，可引发压力中心的移动，因此，可以根据脱体涡的生成位置将第一射流口2设置在靠近桨叶1前缘的位置，当动态失速发生时，为桨叶1上表面的流动注入能量，一方面使气流继续附着在桨叶1翼型表面，另一方面破坏前缘形成的涡结构。由于桨叶1的工作环境复杂，并不是产生脱体涡的大小均一致，因此，可以根据具体的工况模拟，设定不同工况下第一射流口2的射流强度，以针对性的改变向桨叶1表面注入的流动能量，有效的破坏前缘形成的涡结构，达到降低或消除脱体涡对于桨叶1运行的动态失速影响。
40.根据直升机运行状态选择第一射流口2发出射流还是第二射流口3发出射流，具体的，利用第一射流口2，并根据设定的射流强度，当脱体涡产生失速影响较大时，通过第一射流口2，在桨叶1上表面向外发出射流。
41.在桨叶1的尖端设置有第二射流口3，第二射流口3能够向外发射出射流，该射流可以依靠射流源来产生气流形成，射流的强度和位置根据桨叶1的结构以及工作环境等因素进行设计，实现主动控制。具体的，桨尖位置处形成的桨尖涡是对于桨叶1运行阻力的主要因素之一，桨尖涡的强弱与桨叶1升力大小直接相关，迎角越大，升力越大，桨尖涡越强，而桨尖涡形成后，拖出的尾迹出现在桨叶1后方，其中出现在桨叶1展向范围内的是向下的气流，增加了下洗流，也就意味着诱导阻力的增加，桨尖涡越强，诱导阻力越大，可以说桨尖涡构成了诱导阻力的相当大一部分。因此，为了降低桨尖涡对于桨叶1运行的阻力和影响，可以根据桨尖涡的生成位置将第二射流口3设置在桨叶1的尖端位置，另外，根据桨叶1的结构和工作环境设定第二射流口3的射流强度，以能够向桨尖涡注入气流能量，针对性的对桨尖涡进行破坏或消除。
42.根据直升机运行状态选择第一射流口2发出射流还是第二射流口3发出射流，具体的，利用第二射流口3，并根据设定的射流强度，当桨尖涡产生干扰影响较大时，通过第二射流口3，在桨叶1尖端向外发出射流，破坏桨尖涡，达到降低或消除桨尖涡对于桨叶1运行的影响。
43.进一步的，第一射流口2和第二射流口3可以通过涵道4相互连通，采用同一个气流源，例如将气流源设置在第一射流口2和第二射流口3之间的涵道4内，当然，气流源可以采用风扇的形式，通过改变风扇的旋转方向实现气流的改变。即第一射流口2为进气口时、第二射流口3为出气口，第一射流口2为出气口时、第二射流口3为进气口，也就是说，第一射流口2和第二射流口3均可以进气和发出射流。设置在桨叶1上表面的第一射流口2要么同时进气要么同时发出射流，在桨叶1上表面不会既产生正压又产生负压，而造成互相干扰影响，同理，在桨叶1的尖端也不会既产生正压又产生负压，而造成互相干扰影响。
44.如图2
‑
3所示，第一射流口2沿桨叶1的长度方向可以设置有多个，如果采用的气流
源是风扇，可以将风扇设置在最靠近桨叶1尖端的第一射流口2与第二射流口3之间的涵道4内。每一个第一射流口2在桨叶1上的二维坐标(x，y)受当前区域前缘的脱体涡生成位置影响，一般每一副桨叶1在特定的工作状态下才能确定前缘涡的产生位置。同时，第一射流口2自身的孔径r直接影响了该位置处射流的强弱情况，也就是说，当射流源的功率恒定时，不同孔径r导致的气流速度不一致，并且开孔过大会影响翼型的表面形状，因此，在实际设计第一射流口2的设置位置时要综合考虑上述因素。两个第一射流口2之间的相对位置可以由一个矢量表示，即第一射流口2在桨叶1上的实际开孔位置不一定位于弦长的同一相对位置。
45.同理，桨叶1尖端的第二射流口3的参数也包括了所处二维平面内的相对位置以及自身孔径的大小。对第二射流口3而言，其朝向也是需要考虑的因素之一。桨尖涡通常位于桨尖外侧，并向下流动，但桨叶1受桨毂的操纵影响，与涡之间的干扰形式很多。合理设置第二射流口3的朝向可以以更高效的方式削弱桨尖涡及其带来的影响。
46.如图4
‑
5所示，显示了桨叶1上表面有无开设第一射流口2的状态的流线图，图4是桨叶1上表面没有开设第一射流口2的状态，此时，桨叶段升力为1425n，图5为桨叶1上表面开设有第一射流口2的状态，在桨叶1上表面1/4弦线位置产生与上表面法向的射流(速度10m/s)，此时，桨叶段升力为1976n，显然，在设置第一射流口2并发出射流后，上表面产生的涡的位置有所延迟，且桨叶段所产生的升力有所增加。可以改变第一射流口2射流的方向，获得不同的流线图，根据模拟情况，按照第一射流口2不同的射流方向产生的控制效果，选择对于处理脱体涡效果最好的流线图所对应的第一射流口2的射流方向。
47.进一步的，可以改变第一射流口2射流强度的大小，需要说明的是，在改变射流强度的大小时，可以通过改变第一射流口2孔径的大小，获得不同的流线图，根据第一射流口2不同的射流强度(或不同第一射流口2孔径的大小)产生的控制效果，选择对于处理脱体涡效果最好的流线图所对应的第一射流口2的射流强度(或孔径大小)。
48.如图6
‑
7所示，显示了桨叶1尖端有无设置第二射流口3的状态的涡量图，图6是桨叶1尖端没有开设第二射流口3的状态，此时，在桨叶1的上表面存在涡干扰，使上表面的气动力存在较大损失，图7是桨叶1尖端开设有第二射流口3的状态，来流马赫数为0.8，迎角8
°
，翼尖射流10m/s，此时，桨叶1的翼尖上表面涡量分布更均匀。可以改变第二射流口3射流的方向，获得不同的涡量图，根据模拟情况，按照第二射流口3不同的射流方向产生的控制效果，选择对于处理桨尖涡效果最好的涡量图所对应的第二射流口3的射流方向。
49.进一步的，可以改变第二射流口3射流强度的大小，需要说明的是，在改变射流强度的大小时，可以通过改变第二射流口3孔径的大小，获得不同的涡量图，根据第二射流口3不同的射流强度(或不同第二射流口3孔径的大小)产生的控制效果，选择对于处理桨尖涡效果最好的涡量图所对应的第二射流口3的射流强度(或孔径大小)。
50.由于第一射流口2和第二射流口3进气/发出射流的方向是相反的，因此，第一射流口2和第二射流口3进气/发出射流的方向也是值得研究的一个影响因素。直观上讲，当失速或动态失速发生时，桨叶1上表面出现逆压梯度，向气流中注入能量可以使气流继续附着在桨叶1表面；桨尖向外喷气时，可以更具指向性地冲击桨尖涡。但实际飞行时，无法做到桨叶1上表面的第一射流口2与桨叶1尖端的第二射流口3同时向外发出射流。因此，需要根据直升飞机的运行状态合理的选择是第一射流口2发出射流还是第二射流口3发出射流。
51.具体的，当直升飞机悬停或小速度前飞时，桨/涡干扰现象明显，后行侧桨叶1动态失速可能尚未发生，此时，通过第一射流口2向内进气，第二射流口3向外发出射流，通过第二射流口3在桨叶1尖端位置形成向外的射流，更好地减弱桨尖涡。
52.当前飞速度增大时，桨尖涡很快离开旋翼区域，桨/涡干扰现象减弱，且随着周期变距操纵的幅值增加，后行侧的动态失速开始出现，此事，通过第二射流口3向内进气，第一射流口2向外发出射流，通过第一射流口2在桨叶1上表面形成向外的射流，着重解决动态失速问题。
53.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。