旋翼反扭矩系統(tǒng)結構參數(shù)對其氣動特性的影響分析

唐 敏，唐正飛，吳浩東

(南京航空航天大學直升機旋翼動力學重點實驗室，江蘇南京 210016)

0 引言

旋翼反扭矩系統(tǒng)是直升機中最重要的系統(tǒng)之一，用于平衡直升機旋翼反作用力矩、保證直升機方向操縱性和穩(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、振動小以及安全性、可靠性高等特點，而該系統(tǒng)的不足在于使用效率不高，需要占用發(fā)動機較多的功率等。從已有的型號來看，主要應用在輕小型直升機中。針對這種系統(tǒng)的不足，南京航空航天大學的學者提出了一套全新的基于橫流風扇流動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)部安裝橫流風扇，尾梁的上部開有進氣口，在其側面開有排氣口。當橫流風扇工作時，從上端吸入氣流，包括旋翼下洗流，經(jīng)過橫流風扇的加速，從側面的排氣口噴出，使尾梁獲得足夠的側向力，從而達到平衡旋翼反扭矩的目的。

圖1 基于橫流風扇流動技術的旋翼反扭矩原理

橫流風扇(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，由于結構簡單、體積小，產(chǎn)生的氣流平穩(wěn)、動壓系數(shù)較高以及噪音低等特點而被廣泛應用。然而，該風扇的特殊結構，加上其氣流運動的非對稱性與復雜性，使得對其性能影響的各因素還不明了，至今沒有普遍公認的設計理論。目前對于橫流風扇的研究主要通過數(shù)值模擬和試驗研究進行。

本文采用計算流體力學(CFD)的方法，借助CFD軟件(Fluent12.0)，對這種新型旋翼反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流場進行了二維數(shù)值模擬，分析了該旋翼反扭矩系統(tǒng)的主要結構參數(shù)對其氣動特性的影響，以期找到最優(yōu)的參數(shù)組合，為進一步的試驗研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計算

本文采用有限體積法離散控制方程，對系統(tǒng)的定常流動進行數(shù)值模擬，采用標準κ－ε模型模擬湍流，及標準壁面函數(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、動量、湍動能、湍動能耗散率均采用二階迎風離散格式。

根據(jù)旋翼反扭矩系統(tǒng)的結構及流動特點，將整個計算區(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)對反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流動做二維定常近似模擬，同時求解動區(qū)和靜區(qū)流場，兩個子區(qū)的流場信息通過共享的交界面?zhèn)鬟f并且相互影響。動區(qū)和靜區(qū)采用不同的坐標系，動區(qū)為旋轉坐標系，靜區(qū)為靜止坐標系。

為了快速、準確地模擬反扭矩系統(tǒng)的內(nèi)部流場特性，本文采用了結構化網(wǎng)格，并對葉輪區(qū)域進行了網(wǎng)格局部加密和邊界層加密處理。蝸殼區(qū)域尺寸較大，流場特性不是很復雜，采用適當尺寸的網(wǎng)格即可，而蝸殼間隙空間為整個系統(tǒng)的重要流動區(qū)域，且間隙較小，所以要對間隙空間的網(wǎng)格進行加密處理，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 算例驗證

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

圖3 馬赫數(shù)分布云圖對比

3 計算結果及分析

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)的結構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)橫流風扇的不同用途具體設置，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，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圓弧半徑大小不變的情況下，葉片端點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 計算結果分析

3.2.1 葉片安裝角的影響

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

表1 葉片安裝角A的取值

當葉片數(shù)量為30片，轉速為2000rpm，蝸殼間隙為3mm時，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，負值表示推力方向與坐標軸正方向相反。水平推力用來提供平衡直升機反扭矩的推力，而垂直推力則使尾梁受到向下的作用力。依據(jù)這兩個力的特點，我們認為具有較大水平推力以及較小的垂直推力時，旋翼反扭矩系統(tǒng)的性能即達到優(yōu)化。通過圖6容易看出當安裝角為30°時，水平推力最低，而垂直推力也達到一個比較高的值(與最高峰值僅相差20N，可以忽略)，此時系統(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)量對反扭矩系統(tǒng)氣動特性的影響，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比

表2 葉片數(shù)量X的取值

當葉片安裝角為30°，轉速為2000rpm，蝸殼間隙為3mm時，葉片數(shù)量對推力的影響如圖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，負值表示推力方向與坐標軸正方向相反。從水平推力曲線圖中我們發(fā)現(xiàn)，當葉片數(shù)量達到40片時，由蝸殼產(chǎn)生的推力開始減小，因此，我們認為當葉片數(shù)量為36片時，該反扭矩系統(tǒng)的性能處于最優(yōu)狀態(tài)。

3.2.3 葉輪轉速的影響

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

表3 轉速R的取值

圖7 水平和垂直方向上的反作用推力對比

圖8 水平和垂直方向上的反作用推力對比

當葉片安裝角為30°，葉片數(shù)量為36片，蝸殼間隙為3mm時，轉速對推力的影響如圖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，負值表示推力方向與坐標軸正方向相反。從圖中可以看出，隨著轉速的增大，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。通過對比不同轉速下的壓力分布云圖(見圖9)，我們發(fā)現(xiàn)，影響橫流風扇的關鍵因素——內(nèi)部偏心渦在轉速R=1500～2500rpm時，處于平穩(wěn)狀態(tài)，隨著轉速的增加，在轉速R=3000rpm時開始有破壞跡象，當R=3500rpm時內(nèi)部偏心渦的破壞已經(jīng)很明顯。因此，我們認為當轉速在1500～2500(rpm)的范圍內(nèi)，反扭矩系統(tǒng)處于最佳工況。

圖9 不同轉速下的壓力分布云圖對比

4 結論

本文運用基于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)的結構參數(shù)對其氣動特性的影響，得出如下結論:

1)當葉片安裝角為30°，葉片數(shù)量為36片時，反扭矩系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)，能夠為系統(tǒng)提供較大的反作用推力。

2)當反扭矩系統(tǒng)的轉速在1500～2500rpm的時候，該系統(tǒng)處于最佳工況。

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