旋翼反扭矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響分析

唐 敏，唐正飛，吳浩東

(南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016)

0 引言

旋翼反扭矩系統(tǒng)是直升機(jī)中最重要的系統(tǒng)之一，用于平衡直升機(jī)旋翼反作用力矩、保證直升機(jī)方向操縱性和穩(wěn)定性。在無尾槳系統(tǒng)中，美國麥道公司開發(fā)的NORTAR系統(tǒng)具有噪音低、振動(dòng)小以及安全性、可靠性高等特點(diǎn)，而該系統(tǒng)的不足在于使用效率不高，需要占用發(fā)動(dòng)機(jī)較多的功率等。從已有的型號(hào)來看，主要應(yīng)用在輕小型直升機(jī)中。針對(duì)這種系統(tǒng)的不足，南京航空航天大學(xué)的學(xué)者提出了一套全新的基于橫流風(fēng)扇流動(dòng)控制的旋翼反扭矩系統(tǒng)。

這種新型的旋翼反扭矩系統(tǒng)的原理如圖1所示，在尾梁內(nèi)部安裝橫流風(fēng)扇，尾梁的上部開有進(jìn)氣口，在其側(cè)面開有排氣口。當(dāng)橫流風(fēng)扇工作時(shí)，從上端吸入氣流，包括旋翼下洗流，經(jīng)過橫流風(fēng)扇的加速，從側(cè)面的排氣口噴出，使尾梁獲得足夠的側(cè)向力，從而達(dá)到平衡旋翼反扭矩的目的。

圖1 基于橫流風(fēng)扇流動(dòng)技術(shù)的旋翼反扭矩原理

橫流風(fēng)扇(Cross-flow fan，CFF)是該系統(tǒng)的核心部件，它是Paul Mortier于1892年發(fā)明的，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，產(chǎn)生的氣流平穩(wěn)、動(dòng)壓系數(shù)較高以及噪音低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而，該風(fēng)扇的特殊結(jié)構(gòu)，加上其氣流運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱性與復(fù)雜性，使得對(duì)其性能影響的各因素還不明了，至今沒有普遍公認(rèn)的設(shè)計(jì)理論。目前對(duì)于橫流風(fēng)扇的研究主要通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究進(jìn)行。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，借助CFD軟件(Fluent12.0)，對(duì)這種新型旋翼反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，分析了該旋翼反扭矩系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響，以期找到最優(yōu)的參數(shù)組合，為進(jìn)一步的試驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算

本文采用有限體積法離散控制方程，對(duì)系統(tǒng)的定常流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型模擬湍流，及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來處理近壁區(qū)變量特性。壓力－速度耦合采用SIMPLIC算法，壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率均采用二階迎風(fēng)離散格式。

根據(jù)旋翼反扭矩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特點(diǎn)，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為葉輪區(qū)域和蝸殼區(qū)域(見圖4所示)，選擇多重參考系模型(MRF:Multiple Reference Frame Model)對(duì)反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)做二維定常近似模擬，同時(shí)求解動(dòng)區(qū)和靜區(qū)流場(chǎng)，兩個(gè)子區(qū)的流場(chǎng)信息通過共享的交界面?zhèn)鬟f并且相互影響。動(dòng)區(qū)和靜區(qū)采用不同的坐標(biāo)系，動(dòng)區(qū)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，靜區(qū)為靜止坐標(biāo)系。

為了快速、準(zhǔn)確地模擬反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)特性，本文采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密和邊界層加密處理。蝸殼區(qū)域尺寸較大，流場(chǎng)特性不是很復(fù)雜，采用適當(dāng)尺寸的網(wǎng)格即可，而蝸殼間隙空間為整個(gè)系統(tǒng)的重要流動(dòng)區(qū)域，且間隙較小，所以要對(duì)間隙空間的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最終生成的網(wǎng)格見圖2所示。

圖2 上為整體網(wǎng)格，下為葉片和間隙的局部加密網(wǎng)格

2 算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文計(jì)算方法的可靠性，我們選用了和美國海軍研究院使用的相近的模型進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖3是美國海軍研究生院與本文CFD模擬得到的橫流風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)的馬赫數(shù)分布云圖的對(duì)比(下圖為本文計(jì)算結(jié)果)，可以發(fā)現(xiàn)二者的計(jì)算基本一致。因此，可以認(rèn)為本文針對(duì)橫流風(fēng)扇的算法可靠，同時(shí)這套算法用于計(jì)算內(nèi)置橫流風(fēng)扇的旋翼反扭矩系統(tǒng)的流場(chǎng)也是可行的。

圖3 馬赫數(shù)分布云圖對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 旋翼反扭矩系統(tǒng)的主要參數(shù)

本文的旋翼反扭矩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由葉輪和殼體兩部分組成(見圖4)，葉輪葉片前傾，殼體由蝸舌、蝸殼構(gòu)成。主要參數(shù)有葉輪內(nèi)徑R1、外徑R2，葉片安裝角A、葉片數(shù)量X和殼體間隙δ等。

圖4 幾何模型以及計(jì)算域

我們給定這種新型反扭矩系統(tǒng)的入口尺寸為680mm，出口尺寸為125mm，殼體間隙為3mm。葉輪內(nèi)外徑的大小要根據(jù)橫流風(fēng)扇的不同用途具體設(shè)置，但內(nèi)外直徑的比例往往是確定的，大致在0.7上下，本文中風(fēng)扇的內(nèi)外徑比確定為0.7。根據(jù)該旋翼反扭矩系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，給定的葉輪內(nèi)外徑分別為R1=143mm，R2=204mm。

葉片安裝角的定義如圖5所示，在保證葉片的厚度和兩個(gè)圓弧半徑大小不變的情況下，葉片端點(diǎn)連線和圓直徑的夾角定義為葉片安裝角A。

圖5 葉片安裝角的定義

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 葉片安裝角的影響

本文首先對(duì)比研究了不同葉片安裝角對(duì)反扭矩系統(tǒng)的氣動(dòng)性能的影響，葉片安裝角A的取值見表1:

表1 葉片安裝角A的取值

當(dāng)葉片數(shù)量為30片，轉(zhuǎn)速為2000rpm，蝸殼間隙為3mm時(shí)，不同葉片安裝角下該反扭矩系統(tǒng)提供的旋翼反扭矩推力如圖6所示。左邊為水平方向的反作用推力，右邊為垂直方向的反作用推力，負(fù)值表示推力方向與坐標(biāo)軸正方向相反。水平推力用來提供平衡直升機(jī)反扭矩的推力，而垂直推力則使尾梁受到向下的作用力。依據(jù)這兩個(gè)力的特點(diǎn)，我們認(rèn)為具有較大水平推力以及較小的垂直推力時(shí)，旋翼反扭矩系統(tǒng)的性能即達(dá)到優(yōu)化。通過圖6容易看出當(dāng)安裝角為30°時(shí)，水平推力最低，而垂直推力也達(dá)到一個(gè)比較高的值(與最高峰值僅相差20N，可以忽略)，此時(shí)系統(tǒng)的反扭矩性能較為理想。

3.2.2 葉片數(shù)量的影響

為了研究不同葉片數(shù)量對(duì)反扭矩系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響，我們給出了葉片數(shù)量的取值如表2所示的:

圖6 水平和垂直方向上的反作用推力對(duì)比

表2 葉片數(shù)量X的取值

當(dāng)葉片安裝角為30°，轉(zhuǎn)速為2000rpm，蝸殼間隙為3mm時(shí)，葉片數(shù)量對(duì)推力的影響如圖7所示。上為水平方向的反作用推力，下為垂直方向的反作用推力，負(fù)值表示推力方向與坐標(biāo)軸正方向相反。從水平推力曲線圖中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片數(shù)量達(dá)到40片時(shí)，由蝸殼產(chǎn)生的推力開始減小，因此，我們認(rèn)為當(dāng)葉片數(shù)量為36片時(shí)，該反扭矩系統(tǒng)的性能處于最優(yōu)狀態(tài)。

3.2.3 葉輪轉(zhuǎn)速的影響

為了分析不同轉(zhuǎn)速對(duì)反扭矩系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響，根據(jù)直升機(jī)常規(guī)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，我們確定了一組轉(zhuǎn)速值，如表3所示:

表3 轉(zhuǎn)速R的取值

圖7 水平和垂直方向上的反作用推力對(duì)比

圖8 水平和垂直方向上的反作用推力對(duì)比

當(dāng)葉片安裝角為30°，葉片數(shù)量為36片，蝸殼間隙為3mm時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)推力的影響如圖8所示。左邊為水平方向的反作用推力，右邊為垂直方向的反作用推力，負(fù)值表示推力方向與坐標(biāo)軸正方向相反。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，水平方向的反作用推力也隨之增加，而垂直方向的反作用推力的變化并無明顯的趨勢(shì)。通過對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下的壓力分布云圖(見圖9)，我們發(fā)現(xiàn)，影響橫流風(fēng)扇的關(guān)鍵因素——內(nèi)部偏心渦在轉(zhuǎn)速R=1500～2500rpm時(shí)，處于平穩(wěn)狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，在轉(zhuǎn)速R=3000rpm時(shí)開始有破壞跡象，當(dāng)R=3500rpm時(shí)內(nèi)部偏心渦的破壞已經(jīng)很明顯。因此，我們認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速在1500～2500(rpm)的范圍內(nèi)，反扭矩系統(tǒng)處于最佳工況。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的壓力分布云圖對(duì)比

4 結(jié)論

本文運(yùn)用基于N－S方程的CFD數(shù)值模擬方法，分析了一種新型的旋翼反扭矩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響，得出如下結(jié)論:

1)當(dāng)葉片安裝角為30°，葉片數(shù)量為36片時(shí)，反扭矩系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供較大的反作用推力。

2)當(dāng)反扭矩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速在1500～2500rpm的時(shí)候，該系統(tǒng)處于最佳工況。

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