直升機旋翼共錐度測量系統模型的研究

摘 要：對直升機旋翼進行動平衡的實驗，對檢驗旋翼的性能有著很重要的作用。通過對現有實驗裝置的研究，將實際系統按照一定的比例縮小成模型，使其具有與實際系統相同的特性，為今后對直升機旋翼共錐度測量新方法的探索研究提供實驗模型。

關鍵詞：分光鏡；模型；旋翼共錐度；電機

中圖分類號：TP302 文獻標志碼：A文章編號：1671-7953(2009)01-0041-04

A Total of Helicopter Rotor Taper Measurement System Model

XIA Gui-hua，JIA Gang，JIANG Mai

（College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Abstract: Helicopter rotor balancing on the conduct of experiments，testing the performance of the rotor has a very important role. The existing experimental device，the actual system in accordance with a certain scale into a model so that it will have the same characteristic. The model can supply a device for exploring the future of helicopter rotor taper of the new measurement methods.

Key words: spectroscope；model；helicopter rotor taper；motor

隨著直升機飛速的發展，對直升機模型的制作要求也越來越高，本套系統可以模擬演示直升機旋翼動平衡實驗臺的工作原理，并對直升機模型的旋翼錐度進行準確的測量。通過測量可以更好的調整直升機模型旋翼的動態工作穩定性，提高模型直升機的飛行精度。同時，由于該模型系統與生產中實際應用的直升機旋翼共錐度測試系統采用相似的工作原理，可對實際系統的工作精度進行驗證，并為今后的研究提供方便。

1 模型系統的實現概述

整套模型系統與實際系統采用相同的工作原理。旋翼模型由單相異步電機驅動，選用可調速電機，調整達到按照縮小比例計算出的恒定轉速，帶動基準槳葉、伴隨槳葉和被測槳葉，三片槳葉依次切割用激光器發出經兩個分光鏡分出的兩束平行激光和一束被反光鏡反射的與另外兩束相交的激光，由三個激光接收器接收激光信號，根據槳葉遮住激光時接收器的電平變化計算出三片槳葉的高度差。

設計出固定可調的模擬槳葉，通過人為調整槳葉高度，與系統測量結果進行比對，標定出整套系統的精度。

2 模型系統光路部分的實現

測量系統要求三束激光共面，如果用三個激光器分別發射激光，則將三束光線調整到共面是有一定難度的，因此在本模型里我們采用一個功率相對較大的激光器發射激光，激光被兩個個分光鏡分光后達到三個激光器發射激光的效果。

如圖1，分光鏡1為1：2分光鏡，將激光1/3的能量垂直向上反射到激光接收器上，將2/3的能量直接按原路徑直接投射到分光鏡2的分光面上；分光鏡2是一個1：1的分光鏡，它將從分光鏡1投射過來的激光的1/2能量垂直反射到激光接收器上，剩下的1/2能量的激光將繼續按原路線投射到一個反光鏡上，這里的反光鏡是一個我們定做的反光角度一定的反射鏡，角度已知更有利于我們之后求出h0。

按以上的原理制成的光路，如果安裝時能保證各個鏡片的底面和側面都平行，那么整個激光的光路都能保證在一個平面內。只要將這幾個鏡片安裝在光學試驗用的光具座和軌道上就很容易實現共面的條件。

3模型工作原理的介紹

旋翼旋轉一周，每片旋翼都要經過光路系統，因此會得到一系列隨時間變化的波形。得到脈沖波形圖如圖2所示。一周的時間內測得的9組時間數據表示的意義如下:

直升機旋翼共錐度測量系統模型的研究——

夏桂華，賈剛，姜邁

第1期船海工程第38卷

t1：為標準槳葉從切割激光束1到切割激光束2的時間；

t2：為標準槳葉從切割激光束2到切割激光束3的時間；

t3：為標準槳葉從切割激光束3到伴隨槳葉切割激光束1的時間；

t4：為伴隨槳葉從切割激光束1到切割激光束2的時間；

t5：為伴隨槳葉從切割激光束2到切割激光束3的時間；

t6：為伴隨槳葉從切割激光束3到被測槳葉切割激光束1的時間；

t7：為被測槳葉從切割激光束1到切割激光束2的時間；

t8：為被測槳葉從切割激光束2到切割激光束3的時間；

t9：為被測槳葉從切割激光束3到標準槳葉切割激光束1的時間。

設h1，h2，h3分別為標準槳葉、伴隨槳葉、被測槳葉相對于測量基準線高度，即絕對高度，h0為有效測量范圍的高度，為常數。則可求得：

h1/h0=t2/（t1+t2），h1=h0#8226;t2/（t1+t2）（1）

h2/h0=t5/（t4+t5），h2=h0#8226;t5/（t4+t5）（2）

h3/h0=t8/（t7+t8），h3=h0#8226;t8/（t7+t8）（3）

由公式（1）（2）（3）知和旋翼旋轉的速度沒有關系，且用的參數是時間的比值，即相對值，減少了系統的誤差，很容易求出h1，h2，h3，但前提條件是轉速恒定［1］。

4模型參數的確定與電機的選擇

4.1模型參數的確定

4.1.1模擬旋翼的旋翼半徑和旋翼轉速的確定

模擬旋翼的旋翼半徑和旋翼轉速主要由旋翼共錐度激光測量裝置中兩束平行的激光束1、3之間的距離決定，模擬旋翼的半徑、轉速由與真實旋翼的類比得到。在真實直升機上的旋翼半徑和旋翼轉速分別為旋翼半徑R=6m，旋翼轉速n=318r/min。

要滿足測量系統的原理，只要滿足模擬旋翼槳尖線速度與真實直升機槳尖線速度相同就可以了，因為切割距離一定，由

t=L0v（4）

（4）中L0為激光束1、3之間的距離，設真實旋翼切割激光束距離為1340mm，模擬旋翼切割激光束距離為280mm，t為真實旋翼切割時間（真實旋翼參數下標為1，模擬旋翼參數下標為2），v為旋翼槳尖線速度，要滿足t1=t2，只要L1v1=L2v2就可以達到條件。

又由旋翼槳尖線速度計算公式v=ΩR旋翼角速度公式Ω=πn/30可知，要使t1=t2，只要使n1R1L2=n2R2L1就可以了。式中Ω為旋翼角速度(rad/s)，n為旋翼轉速(r/min)，L為激光束1、3之間的距離。

綜上所述可知，模擬旋翼要滿足切割時間相同原理，只要滿足n1R1L2=n2R2L1即可。

已知真實旋翼半徑R1=6.0m，真實旋翼轉速n1=318r/min，激光束1、3之間的距離為L1=1340mm，根據模擬旋翼設計原則中的尺寸相似原則和其他一些相似性原則，在此選擇模擬旋翼半徑R2=1.0m（比例系數為6）模擬旋翼切割距離L2=280mm，則模擬旋翼轉速

n2=n1R1L2R1L1=318×6×2801.0×1340r/min=400r/min（5）

4.1.2模擬旋翼其他一些參數的確定

我們設計的模擬旋翼與真實旋翼要滿足盡量多的相似條件，其中最有實際意義的是速度比例等于1和密度比例等于1的結構相似的旋翼模型。對于速度比例等于1的旋翼模型條件，在求取模擬旋翼半徑和轉速時已經達到。對于模擬旋翼的其它相似性原則，在此以實驗結果的精確性為準則，以模型尺寸相似性原則為主要準則進行設計確定。

a、模擬旋翼實度σ

σ的數值約在0.04－0.11之間，與選擇的真實直升機旋翼實度一樣，選擇σ=0.08，由公式σ=kb/πR可以推導出槳葉半徑70%處的寬度，這個值接近于槳葉寬度的平均值。

b=σπRk=0.08*π*1.03m=0.084m（b是槳葉半徑70%處的寬度）（6）

b、槳葉剖面安裝角和槳距

由于槳葉剖面安裝角關系到直升機旋翼共錐度的具體數值，為了實現模擬旋翼共錐度值可調，所以不能給出它的具體數值。但是它的變化范圍在一定的數值之內，槳葉剖面的安裝角主要通過該片槳葉的槳距來表達，槳距的平均值為總距，總距的變化范圍為2－11。在進行模擬旋翼共錐度值的調整時，一定要注意這個變化范圍。

c、旋翼轉速和角速度

已知模擬旋翼轉速n2=400r/min，根據公式Ω=πn/30，可以得出模擬旋翼角速度

Ω2=πn30=π*40030rad/s=41.89rad/s（7）

由于旋翼迎角、旋翼狀態特性系數、旋翼剖面迎角和來流角等只是在直升機飛行時才用到，在此不考慮。

模擬旋翼系統的槳葉設計包括設計槳葉的平面形狀、剖面形狀、槳葉長度、初始安裝角和扭轉等。根據模擬旋翼的設計要求和設計的方便實用性，設計出的槳葉長度為800mm，剖面寬度為b2=50m，剖面高度為h2=8mm，初始安裝角為0，無扭轉［2］。

4.2電機的選擇

在選擇具體的電動機之前，有必要根據驅動系統的類型、轉速控制、經濟性能等條件先確定出所要選擇電動機的所屬類型。在此，先給出驅動系統要求的一些工作性能：轉速較高、無極變速、運行轉矩較低、運行平穩、功率較低、長時間通電、維修方便、經濟性能好等一些性能。

電動機按其電源形式和旋轉原理可以大致分為直流電機、換向器電機（通用型電機）、三相籠形異步電動機、三相繞線異步轉子電動機和單相異步電動機。直流電動機雖然有轉速控制和轉向控制方便的性能，但是與異步電動機相比，它有價格貴、需要直流電源裝置、換向器維修比較麻煩等缺點，在此不予選擇。單相串勵換向器電動機可以使用交流電源，也可使用直流電源，所以稱為交直流兩用電動機，或通用型電動機。單相串勵換向器電動機，可以制成小型、高速（10000-20000r/min）電動機。因為可以利用電抗線圈和變壓器進行電壓控制從而去實現轉速控制或切換勵磁繞組的抽頭而得到變速，所以這種電動機得到廣泛應用。但是由于轉矩小、輸出功率不夠、變速不夠方便等缺點在此也不使用。

根據上面的分析可知，選擇模擬旋翼的驅動系統時不能選用直流電動機和換向器電動機，所以只能選用三相異步電機或者單相異步電動機。下面再具體分析它們的性能，以進行比較。

下面看看三相籠形異步電機的工作性能。三相籠形電動機中的普通籠形一般用于功率小于3.7kw的場合，凡是轉速變動較小，不需要轉速控制的場合，采用這種電機最為適合。深槽式特殊籠形異步電機一般用于輸出功率較大的情況。使用普通導體的雙籠形則往往運用于需要較大啟動轉矩的恒速負載。使用高電阻材料的雙籠形其啟動轉矩非常大，而最大轉矩較小，轉差率也比較大，因而這種形式的電動機可以實現轉速控制。三相繞線轉子異步電動機不僅可以實現轉速控制，而且具有啟動性能好的優點。但是，三相繞線轉子異步電動機重量大、價格高、功率因數和效率都較差。從上面的分析可知，三相籠形異步電動機也不適合作為模擬旋翼的驅動裝置，三相繞線轉子異步電機雖然有較好的性能，但是經濟性能不好，也不予選擇。

單相異步電動機結構簡單、容易制造，所以往往價格低廉，下面看看它的工作性能。單相異步電動機根據其工作方式不同可分為：分相啟動式、電容啟動式、電容運轉式和罩極式電動機。分相啟動式電機因為啟動繞組是用細導線繞成的，當電超過3秒時，就會有燒毀的危險，所以要用離心開關或繼電器自動將啟動繞組的電路切斷。電容啟動式電機因為其繞線比較粗，所以其啟動轉矩很大，但是啟動電容器長時間流過電流，就會有擊穿的危險。電容運轉式電機可長期運行，因為長期運行通電，所以要使用油浸式或金屬膜紙介質電容器，因不能使用容量大的電容，所以啟動轉矩較小。罩極式電機結構簡單、價格低廉，但也有效率低、轉差率大、啟動轉矩約小于40%的缺點［3］。

綜上所述，選擇電容運轉式單相異步電機作為模擬旋翼的驅動裝置是最合適的。雖然電容運轉式異步電機起動轉矩較小，但模擬旋翼并不要求有大的啟動轉矩。電容運轉式異步電機轉速可調、運行穩定、可長時間通電，而且經濟性能好、保修方便，正符合模擬旋翼驅動系統的要求。

5結束語

本文研究的直升機旋翼共錐度測量系統模型能夠很好的演示出實際系統的工作原理，并可實現對部分模型旋翼的參數測量。整套模型按照實際系統按一定比例進行了縮小，為今后對實際測量系統的研究搭載了有利的實驗平臺，并對以后研發出其他的共錐度測量方法的精確度驗證提供了的參考數據。

參考文獻

［1］蔡成濤，朱齊丹，李磊.直升機旋翼共錐度測量系統的設計與實現［J］.哈爾濱工程大學學報，2006(6)：395-399.

［2］郭士龍，郭才根.直升機總體設計［M］.北京：航空工業出版社，1995

［3］［日］曲澤真淵著，電動機的選用與維修［M］.北京：機械工業出版社，1987.