01电控旋翼桨叶颤振特性分析-戴昌(7).doc

第二十八届(2012)全国直升机年会论文
电控旋翼桨叶颤振特性分析
戴昌陆洋
(南京航空航天大学旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016)
摘要:针对电控旋翼易产生的挥扭耦合不稳定现象,本文基于Hamilton原理,在旋转系下将电控旋翼桨叶挥舞、变距铰的刚性转角作为广义自由度,推导了电控旋翼桨叶的挥扭耦合动力学方程;并以改进型电控旋翼为算例,利用时域法识别系统的模态阻尼与频率,进行颤振特性研究。研究结果表明:旋翼转速、桨根扭转刚度、桨叶有效重心位置,前飞速度对电控旋翼颤振特性有重要影响。
关键词:电控旋翼;桨叶;气弹响应;颤振特性
1 引言
电控旋翼是本世纪初提出的一种新概念旋翼系统,被认为是九项航空革命性概念(REVCON)项目之一[1]。电控旋翼通过控制位于桨叶后缘的伺服襟翼使桨叶变距,实现旋翼操纵。它给旋翼操纵带了了很大的便利,但同时要求桨根扭转刚度很低或者桨叶很柔软,这使得桨叶的基阶扭转固有频率与常规直升机相比要小很多,颤振现象更容易发生。为弄清襟翼引入后旋翼桨叶出现的稳定性问题,摸清关键设计参数对电控旋翼颤振特性的影响,需要开展专门的电控旋翼颤振特性研究。
颤振特性属于气弹稳定性的一个方面,故本文将国内外对电控旋翼气弹稳定性的分析一并进行回顾。国外,美国Ames研究中心的Ormiston针对具有弹性桨根约束的刚体桨叶的电控旋翼,采用二维准定常气动模型计算带襟翼翼型气动力,进行了气弹问题的初步分析[2]。此后,美国Maryland大学的Shen和Chopra进行了较为深入的理论研究,建立了气弹响应分析模型,利用Floquet 方法计算特征根,判断系统稳定性,并分析了重要参数对气弹稳定性的影响[3-5]。国内,陆洋对电控旋翼系统进行了较为深入的理论研究,建立了电控旋翼的气弹分析模型[6]。
本文开展了电控旋翼颤振特性分析,在Hamilton原理基础上建立电控旋翼刚性桨叶的动力学模型,利用时域(STD)法识别系统模态参数[7],并通过数值算例进行颤振特性研究,分析重要参数对系统颤振特性的影响。
2 电控旋翼桨叶动力学模型
此处利用Hamilton变分原理导出系统运动方程。对于旋翼系统,由于存在非保守力(气动力,结构阻尼力等),为非保守系统,对于这样的系统,可以适用广义Hamilton原理,表达式如下:
(1)
上式中是应变能的变分,是动能的变分,是外部力的虚功。电控旋翼模型中各项可分别表达如下:
应变能变分:
(2)
式中,,,分别为挥舞弹簧刚度系数、扭转弹簧刚度系数以及襟翼扭转弹簧刚度系数。,,分别为挥舞角、变距角以及襟翼偏角。
动能变分:
(3)
式中b代表基本桨叶部分,a代表襟翼部分。为材料密度,为速度矢量。
外部力的虚功:
(4)
式中,, 分别为气动力对桨叶挥舞铰、变距铰以及襟翼铰的力矩。
根据Theodorsen气动力模型[8],忽略气动力矩中的浮沉运动,有
气动力:
(5)
气动力对变距轴力矩:
(6)
气动力对襟翼轴力矩:
(7)
图1给出了Theodorsen气动力模型中带襟翼翼型的各参数定义,为桨叶迎角,b为桨叶翼型半弦长,a为变距轴位置,l为襟翼移轴补偿,V为来流速度,为外形参数。将气动力和力矩方程沿桨叶径向积分可求得,, 。
图1 襟翼翼