懸停旋翼槳葉表面壓力測量方法

廖會生，黃建萍，李新民，陳衛星，江露生

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

旋翼是直升機的關鍵部件，是直升機的升力面、推進面和操縱面，其氣動性能的好壞直接影響到直升機整體性能的優劣。槳葉的自身結構和工作環境復雜，限制了槳葉表面壓力測試設備的安裝，影響了槳葉測壓試驗的設計，使得直升機槳葉表面壓力測量更復雜和困難。

國內外對直升機模型旋翼槳葉表面壓力測量的研究開展得比較早，許多機構在20世紀中期就開始通過在槳葉表面直接布置傳感器、布置壓力帶等方式進行測壓研究。在槳葉表面測壓點上布置微型壓力傳感器進行壓力測量的方式，測壓過程中微型壓力傳感器安裝在槳葉表面預設的槽中，槽的尺寸較大對測壓點處的流場影響較大，影響測量的準確性；同樣，使用槳葉表面布置壓力帶的方式進行壓力測量，為了采集更準確的壓力數據，對壓力帶在槳葉表面的安裝要求很高。同時，上述兩種方法在槳葉復雜運動中，可靠性不足，傳感器幾乎不可重復利用。考慮測試精度、可重復性、試驗穩定性和槳葉制作工藝復雜程度等因素，本文使用金屬毛細管結合測壓設備進行槳葉表面壓力的測量。

懸停試驗過程中，模型旋翼槳葉表面的壓力比較穩定，但是毛細管中的空氣受離心力的影響，在管中產生壓力，影響試驗精度。本文利用數值計算消除離心力的影響，最后通過試驗結果與理論計算進行對比分析，評估理論計算結果的有效性。

1 測量原理

本文研究的是一種使用金屬毛細管結合測壓設備進行壓力測量的新方法。該方法與傳統掃描閥測壓不同，其測壓方式如圖1所示。

圖1給出了使用金屬毛細管結合測壓傳感器進行壓力測量的簡圖。毛細管可以預埋在試驗件表面，一端封堵，一端通過橡皮軟管與測壓傳感器連接。根據測壓的需要在毛細管不同位置設置測壓孔，當需要測量某個孔處的壓力時，將該孔打開，封閉其它孔，進行壓力測量。使用該方法的好處在于一個傳感器與一根毛細管連接，可以測量多個點的壓力；并且將毛細管預埋在槳葉表面對制造工藝的要求更低；測壓點處可以加工較小的氣孔，對該點周邊的流場影響小，提高了測量的準確性。

圖1 測壓原理簡圖

2 旋翼懸停試驗

旋翼槳葉表面壓力測量試驗是在直升機所風洞中進行(如圖2)。其中旋翼模型安裝在動導數試驗臺短艙上，短艙安裝在風洞機構上。

圖2 直升機所風洞試驗段

圖4 測壓設備與毛細管連接

表1 測壓管弦向位置分布

圖3 旋翼槳葉試驗件

圖5 測剖面壓力簡圖

3 計算與試驗結果對比分析

通過懸停試驗獲得了懸停狀態下9個剖面162個點的壓力數據，但是毛細管中的空氣受離心力的影響，氣體分布不均，沿徑向產生不同的壓力，影響試驗精度。本文采用數值計算方法消除離心力對試驗數據的影響，并與試驗結果對比分析，確定該消除離心力方法的有效性；同時用該方法對試驗結果進行修正，保證試驗結果的準確性和有效性；最后，槳葉表面壓力試驗結果與理論計算進行對比分析，評估理論計算結果的有效性。

3.1 試驗數據處理

圖6 毛細管簡圖

假設管中氣壓為不可壓縮。

(1)

=·(0.75+)

(2)

=

(3)

其中：，，，，分別為空氣密度，旋翼轉速，空氣質量，管截面積，旋翼半徑。

將=750 rpm，管截面積，=2.1 m帶入公式(1)、(2)、(3)可得：

=7949.3·(1.575+)·

(4)

1.907 kPa

=3.418 kPa

=5.008 kPa

=5.960 kPa

=6.974 kPa

圖和0.98剖面離心力與總距的關系

將上述計算所得的離心力產生的壓力帶入表面壓力無量綱公式中，可得無量綱化的表面壓力數據。

=(-+)[0.5()]

(5)

其中，為測壓設備采集到的壓力數據，為懸停試驗前的初讀數，為離心力產生的壓力。

3.2 理論計算與試驗數據對比分析

本文采用CFD技術進行懸停狀態旋翼槳葉表面壓力理論計算。根據上述旋翼數模參數，完成旋翼模型槳葉計算C-O型網格劃分，如圖8所示。通過控制方程求解計算得出旋翼槳葉表面壓力分布云圖，如圖9所示。對理論計算所得的旋翼槳葉表面壓力數據進行處理獲得各剖面的壓力分布曲線。

圖8 單片槳葉網格

圖9 旋翼槳葉表面壓力分布云圖

圖10 Ct=0.0136，θ0.7=6°理論計算與試驗Cp對比

4 結論

本文使用金屬毛細管結合測壓設備測量懸停狀態旋翼槳葉表面的壓力，并且利用數值計算消除離心力的影響，最后通過試驗結果與理論計算進行對比分析，評估理論計算結果的有效性，得出如下結論：

1) 使用金屬毛細管結合測壓設備測量懸停旋翼槳葉表面壓力，數據穩定、可靠，能夠為后期相關課題研究提供技術支持；

2)利用數值計算消除離心力的影響，基本能夠滿足數據處理的需要，得到的試驗數據可信度高；

3)理論計算與試驗結果的對比分析結果表明，旋翼懸停狀態表面壓力的理論計算結果準確度較高，能夠為后期旋翼槳葉表面壓力的預估提供支撐。