﻿ 共轴刚性双旋翼非定常气动干扰载荷分析<sup>*</sup>
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1. 南京工业大学 机械与动力工程学院, 南京 211816;
2. 清华大学 航天航空学院, 北京 100084;
3. 航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司飞机设计研究所, 哈尔滨 150066

TAN Jianfeng1, SUN Yiming1, WANG Haowen2, LIN Changliang3
1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China;
2. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Institute of Aircraft Design, AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd., Harbin 150066, China
Received: 2017-01-18; Accepted: 2017-08-11; Published online: 2017-09-08 16:14
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (11502105); Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161537); The General Project of Natural Science Research of Higher Education Institutions of Jiangsu Province, China (15KJB130004)
Corresponding author. TAN Jianfeng, E-mail: Jianfengtan@njtech.edu.cn
Key words: rigid coaxial rotor     unsteady aerodynamic load     reverse flow     panel method     viscous vortex particle method

1 计算方法 1.1 共轴刚性双旋翼桨叶气动基本原理

 图 1 X2高速共轴刚性双旋翼桨叶翼型和网格 Fig. 1 Airfoil and grid of X2 high-speed rigid coaxial rotor blade

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1.2 共轴刚性双旋翼桨叶反流区气动模型

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 图 2 高速共轴刚性双旋翼反流区气动模型 Fig. 2 Reverse flow aerodynamic model of high-speed rigid coaxial rotor

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1.3 共轴刚性双旋翼桨尖涡-桨叶气动干扰模型

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1.4 共轴刚性双旋翼尾迹模型

 图 3 X2高速共轴刚性双旋翼桨尖涡和镜面映射 Fig. 3 Tip vortex of X2 rigid coaxial rotor and mirror mapping of vorticity

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1.5 共轴刚性双旋翼配平

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 图 4 Harrington共轴双旋翼性能 Fig. 4 Performance of Harrington coaxial rotor

2 高速共轴刚性双旋翼非定常气动干扰特性 2.1 X2高速共轴刚性双旋翼非定常气动载荷

 (°) 变量 PRASADUM[7] CFD[7] 本文 θ0 5.84 6.38 8.87 Δθ0 0.32 0.1 0.1 θ1c 3.38 1.77 0.27 Δθ1c 0 0 0 θ1s 0.21 0.34 0.33 Δθ1s 4.29 4.1 5.7

 图 5 不同前飞速度下的X2旋翼截面载荷 Fig. 5 Sectional load of X2 rotor at different forward speeds
 图 6 上旋翼后行边桨叶截面涡量(278 km/h) Fig. 6 Vorticity of blade section at retreating side of upper rotor (278 km/h)
2.2 上、下旋翼之间的非定常气动干扰特性

 图 7 不同前飞速度下上、下旋翼截面载荷 Fig. 7 Sectional load of upper and lower rotor at different forward speeds
 图 8 不同前飞速度下的X2旋翼尾迹结构 Fig. 8 Wake structure of X2 rotor at different forward speeds
 图 9 X2旋翼诱导入流分布 Fig. 9 Induced flow distribution of X2 rotor

2种前飞速度的上、下旋翼总距分别为(8.85°、9.08°)和(11.5°、11.4°)，且均存在一定的横向周期操纵量，分别为(7.9°、-7.9°)和(5.2°、-4.7°)，因此图 10中2种前飞速度下的拉力主要分布在前半侧。低速状态下，共轴刚性双旋翼与常规旋翼相似，旋翼反流区较小，升力偏置较小，因而旋翼前半部分和后部分为旋翼主要升力区域(见图 10(a1)(a2))。上、下旋翼前半部分均受到旋翼桨尖涡的干扰影响(见图 8(a))，由此引起上、下旋翼载荷波动，且上、下旋翼桨尖涡位置存在交叉，因而上、下旋翼载荷波动交叉出现，并导致上、下旋翼升力差表现出由桨尖涡干扰导致的丝带特性；此外，上旋翼桨尖涡将穿过下旋翼后部(见图 8(a))，因而上、下旋翼升力差表现出60°与300°处卷起桨尖涡干扰特性(见图 10(a3))。随着前飞速度增加，与常规旋翼不同，共轴刚性双旋翼反流区增大，升力偏置明显向前行边移动，因而前行边为双旋翼主要升力区域(见图 10(b1)(b2))。此外，上、下旋翼升力差呈现出与桨叶片数相关的辐射状特性，而桨尖涡干扰导致的丝带特性和60°与300°处卷起桨尖涡干扰特性减弱(见图 10(b3))。主要原因在于高速前飞状态下，上旋翼桨尖涡远离下旋翼(见图 8(c))，桨尖涡干扰效应降低，而旋翼载荷增加，上旋翼对下旋翼时变干扰载荷增加(见式(9))，因而升力特性表现出8片桨叶的辐射状干扰。

 图 10 X2旋翼截面升力分布 Fig. 10 Sectional force distribution of X2 rotor

 图 11 X2旋翼桨尖涡位置互换(102 km/h) Fig. 11 Interchange of tip vortex position of X2 rotor (102 km/h)
 图 12 上、下旋翼诱导入流和截面载荷的频谱特性 Fig. 12 Frequency spectrum of induced flow and sectional load of upper and lower rotor
2.3 共轴刚性双旋翼与单旋翼气动载荷特性差异

 图 13 共轴刚性双旋翼和单旋翼截面载荷与频率 Fig. 13 Sectional load and frequency of rigid coaxial rotor and single rotor

 图 14 单旋翼与共轴双旋翼的诱导速度和截面升力差异 Fig. 14 Change in induced velocity and sectional force due to single rotor and rigid coaxial rotor

3 结论

2) 低速状态，下旋翼桨叶载荷在60°和300°方位角出明显下降，但随着前飞速度增加，上、下旋翼气动载荷特性差异缩小。

3) 低速状态，上、下旋翼气动载荷差异呈现出由桨尖涡干扰导致的丝带特性和卷起桨尖涡干扰特性，而高速前飞状态则呈现出桨叶片数相关的辐射状特性。

4) 受双旋翼桨尖涡相互诱导作用，共轴刚性双旋翼出现桨尖涡位置互换现象。

5) 相比于单旋翼，低速状态的共轴刚性双旋翼升力系数1Ω谐波分量显著增加，并随前飞速度增加而减小，而高速状态8Ω谐波分量增加明显，且桨叶片数整数倍辐射状的桨叶干扰特征更加突出。

#### 文章信息

TAN Jianfeng, SUN Yiming, WANG Haowen, LIN Changliang