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    基础知识 | 图说直升机功率

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  • 直升机飞行过程中,需要保证能量平衡,也就是说,在任何定常飞行状态下直升机需用功率必须等于发动机输出的可用功率。那么,今天就来聊一聊直升机的需用功率。

            直升机水平飞行时,需用功率变化大致如下图所示。总需用功率包括:

          •诱导功率(与旋翼诱导速度相关);

          •型阻功率(与桨叶阻力相关);

          •废阻功率(与整机阻力相关);

          •其他部分(与尾桨功率、附件消耗功率、传动损失等相关)。

    基础知识 | 图说直升机功率

           诱导功率在悬停时起主导作用,高速前飞时占比较小。诱导功率可以近似理解为旋翼拉力与等效诱导速度的乘积。悬停改为前飞时,旋翼拉力变化不大,但是空气质量流量随前飞速度增加而增加,产生一定拉力所需的诱导速度减小,如下图所示。因此随着前飞速度增加,诱导功率显著降低。

    基础知识 | 图说直升机功率

           型阻功率可以理解为桨叶旋转阻力消耗的功率,随前飞速度呈现缓慢增长,直至高速时才明显上升。高速前飞时,其主要受两方面影响:

           1)后行桨叶失速的影响。旋翼桨盘两侧的气流不对称,前行桨叶流速快、后行桨叶流速慢,为保持左右两侧升力平衡,后行桨叶需要更大的迎角。当后行桨叶迎角超过翼型临界迎角时,就开始出现气流分离/失速,翼型阻力随之增加。    

           2)前行桨叶局部激波的影响。前行桨叶气流合速度为前飞速度和旋翼转速的叠加,假如前行桨叶桨尖的马赫数超过了临界马赫数,由于激波的出现,翼型阻力系数也会急剧增加。

           随着前飞速度进一步增加,失速和激波区域扩大,型阻功率也会更大,大致分布如下图所示。

    基础知识 | 图说直升机功率

           对于后行桨叶失速,翼型的气流分离过程如下图所示。

    基础知识 | 图说直升机功率

           废阻功率与前飞速度的三次方成正比关系,在悬停时为零,高速前飞时占主要部分。前飞时的废阻功率与整机气动外形相关,包括裸机身、起落架、桨毂、机身上突出物等均对整机废阻产生贡献;另一方面,前飞速度越大、机身低头越大,其阻力也越大。某直升机前飞时机身表面压力分布如下图所示。

    基础知识 | 图说直升机功率

           除了上述三个主要部分,还需考虑尾桨功率、传动损失以及发电机、散热风扇、环控等附件所消耗的功率,悬停抗侧风时,尾桨会消耗较大的功率。总体来说,这部分占比通常不大。

           综合对比后,可以得出以下结论:

    • 由于悬停时诱导功率为主要部分,因此对悬停性能要求较高的直升机,通常会考虑一些减小旋翼诱导功率的措施,比如采用较低的桨盘载荷、优化桨叶负扭转等;

    • 由于中等速度飞行时,诱导功率和型阻功率均占有较大比例,因此对续航时间要求较高的直升机,除了要考虑尽可能降低诱导功率外,还可以通过优化桨尖速度、旋翼实度等来降低型阻功率;

    • 对高速性能要求较高的直升机,则会采取措施尽可能降低整机废阻,并推迟和延缓气流分离和激波的发生。

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