倾转旋翼机气动干扰分析及机翼优化
发布时间：2021-03-23 14:47
倾转旋翼机创造性地结合了直升机和固定翼飞机两种类型飞行器的优良性能,是未来航空运输的发展方向之一。但其悬停状态的强烈的旋翼/机翼气动干扰制约了载重能力,国外的研究中明确提出了倾转翼（tiltwing）概念。针对目前的倾转旋翼机常见的气动布局,为进一步探究采用倾转翼构型的降载效果及旋翼对机翼气动的性能影响,开展了两种构型悬停和过渡状态旋翼对机翼气动干扰特性以及机翼受力的对比研究。机翼作为飞行器的核心部件,其设计很大程度上决定了飞行器的性能。开展对倾转旋翼飞行器机翼的气动优化设计,对于提高倾转旋翼飞行器飞行性能具有重要意义。本文的工作主要分为两个方面:一部分是旋翼/机翼间的气动干扰分析,另一部分是机翼的优化。基于嵌套网格和动量源方法,对倾转旋翼机的倾转旋翼构型、倾转翼构型悬停和过渡状态干扰流场进行了数值模拟,并对两种构型的干扰流场和机翼气动力进行了对比,分析了不同状态下旋翼对机翼干扰特性。计算结果表明:采用倾转翼构型,悬停状态机翼所受的向下载荷约为旋翼拉力的1%,且降低了旋翼对机翼的气动干扰,干扰气流不足以在对称面形成“喷泉效应”。过渡状态时,倾转旋翼构型受旋翼下洗流的影响机翼会产生向下的...
【文章来源】：南昌航空大学江西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾转旋翼构型(tiltrotorlayout)
(a)VZ-2 (b)XC-142图 1-2 倾转翼构型(tiltwing layout)1951 年，美国陆军和美国空军开始联合研究计划，探索用可垂直起降技术建造新飞机的可能性。除了 McDonnell 飞机公司的复合 XV-1 飞机外，还提出了Sikorsky 公司的 XV-2 和 Bell 直升机公司的 XV-3 倾转旋翼飞机。XV-1 原型机无法克服典型的直升机问题很快显示出其局限性，尽管存在许多技术问题，XV-3 型飞机还是被认为有可能克服直升机的主要限制的新型飞行器。在 1953 年至 1968 年期间，贝尔和 NASA 进行了一系列飞行和地面风洞试验。XV–3 研究计划终止时，工程师们认识到这种飞机的主要技术困难与几个因素有关：在过渡模式和前飞模式中发生的动态失稳是由于旋翼/旋翼短舱/机翼系统的气动弹性失稳引起的；直升机式旋翼桨叶不是倾转旋翼飞机的最佳选择，因为它们在前飞模式高速飞行时由于空气的可压缩性效应而导致功率损失。此外，为了解决这些问题，对飞机原始结构进行了进一步的修改，但导致了悬停和巡航飞行性能的下降。1971年，贝尔直升机公司赢得了NASA提出的XV-15项目合同，也叫贝尔301。在接下来的 20 年里，贝尔设计并开发了两架倾转旋翼原型机，这两架原型机也是
了 AgustaWestlandAW609 项目的立项，也称为 Bell-Agusta BA609(1998)。旋翼和机翼间的气动干扰明显影响了倾转旋翼飞行器的悬停性能和载重能力。在直升机飞行模式下，旋翼下方的机翼显著地改变了旋翼尾迹，因此导致了旋翼性能的损失。更重要的是，当旋翼尾迹冲击机翼表面，旋翼/机身组合体整体的向上气动力损失为 10-15％。为了克服当前倾转旋翼机（XV-15，V-22 和 BA609）的这些限制，通常将旋翼直径增大，但更大的旋翼会增加旋翼与机翼、旋翼与旋翼之间的干扰。此外，较大的旋翼限制了倾转旋翼机像固定翼飞机一样起降，并且导致了巡航飞行时的一些限制，例如所达到的最大巡航速度和燃油消耗过快导致航程大大缩减。提高前飞模式的性能是新型倾转旋翼飞机未来发展的方向之一，在保留直升机模式性能的前提下，非常规的倾转旋翼机构型有待进一步研究。提高前飞模式性能(即推进效率和巡航速度)的一种可能途径是通过减小旋翼直径，以获得与涡桨飞机类似的螺旋桨作为推进装置。这个解决方案导致了最近在欧洲 ERICA(Enhanced Rotorcraft Innovative Concept Achievement)项目的开发中采用的倾转翼(tiltwing)概念，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响[J]. 陈皓,陆志良,郭同庆. 航空动力学报. 2018(11)
[2]悬停状态下倾转旋翼机向下载荷被动减缓措施研究[J]. 陈皓,陆志良,郭同庆. 空气动力学学报. 2018(03)
[3]基于CFD方法的倾转旋翼/螺旋桨气动优化分析[J]. 招启军,蒋霜,李鹏,王博,张航. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]倾转旋翼机多部件对机翼气动干扰的分析及优化[J]. 朱秋娴,招启军,林永峰,李鹏. 航空动力学报. 2017(06)
[5]倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰理论与试验[J]. 张铮,陈仁良. 航空学报. 2017(03)
[6]Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode[J]. Ye Liang,Zhang Ying,Yang Shuo,Zhu Xinglin,Dong Jun. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(04)
[7]过渡状态倾转旋翼气动力模拟的高效CFD方法[J]. 李鹏,招启军,汪正中,王博. 南京航空航天大学学报. 2015(02)
[8]基于Hicks-Henne型函数的翼型参数化设计以及收敛特性研究[J]. 刘丽娜,吴国新. 科学技术与工程. 2014(30)
[9]重叠网格方法的研究进展[J]. 李鹏,高振勋,蒋崇文. 力学与实践. 2014(05)
[10]基于Isight的自适应翼型前缘气动优化设计[J]. 周晨,王志瑾,支骄杨. 上海交通大学学报. 2014(08)
博士论文
[1]倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计研究[D]. 李鹏.南京航空航天大学 2016
硕士论文
[1]倾转旋翼机动态干扰流场模拟方法研究[D]. 何杰.南京航空航天大学 2016
[2]基于非定常动量源方法的倾转旋翼机气动分析及性能优化[D]. 朱秋娴.南京航空航天大学 2016
本文编号：3095983
【文章来源】：南昌航空大学江西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
倾转旋翼构型(tiltrotorlayout)
(a)VZ-2 (b)XC-142图 1-2 倾转翼构型(tiltwing layout)1951 年，美国陆军和美国空军开始联合研究计划，探索用可垂直起降技术建造新飞机的可能性。除了 McDonnell 飞机公司的复合 XV-1 飞机外，还提出了Sikorsky 公司的 XV-2 和 Bell 直升机公司的 XV-3 倾转旋翼飞机。XV-1 原型机无法克服典型的直升机问题很快显示出其局限性，尽管存在许多技术问题，XV-3 型飞机还是被认为有可能克服直升机的主要限制的新型飞行器。在 1953 年至 1968 年期间，贝尔和 NASA 进行了一系列飞行和地面风洞试验。XV–3 研究计划终止时，工程师们认识到这种飞机的主要技术困难与几个因素有关：在过渡模式和前飞模式中发生的动态失稳是由于旋翼/旋翼短舱/机翼系统的气动弹性失稳引起的；直升机式旋翼桨叶不是倾转旋翼飞机的最佳选择，因为它们在前飞模式高速飞行时由于空气的可压缩性效应而导致功率损失。此外，为了解决这些问题，对飞机原始结构进行了进一步的修改，但导致了悬停和巡航飞行性能的下降。1971年，贝尔直升机公司赢得了NASA提出的XV-15项目合同，也叫贝尔301。在接下来的 20 年里，贝尔设计并开发了两架倾转旋翼原型机，这两架原型机也是
了 AgustaWestlandAW609 项目的立项，也称为 Bell-Agusta BA609(1998)。旋翼和机翼间的气动干扰明显影响了倾转旋翼飞行器的悬停性能和载重能力。在直升机飞行模式下，旋翼下方的机翼显著地改变了旋翼尾迹，因此导致了旋翼性能的损失。更重要的是，当旋翼尾迹冲击机翼表面，旋翼/机身组合体整体的向上气动力损失为 10-15％。为了克服当前倾转旋翼机（XV-15，V-22 和 BA609）的这些限制，通常将旋翼直径增大，但更大的旋翼会增加旋翼与机翼、旋翼与旋翼之间的干扰。此外，较大的旋翼限制了倾转旋翼机像固定翼飞机一样起降，并且导致了巡航飞行时的一些限制，例如所达到的最大巡航速度和燃油消耗过快导致航程大大缩减。提高前飞模式的性能是新型倾转旋翼飞机未来发展的方向之一，在保留直升机模式性能的前提下，非常规的倾转旋翼机构型有待进一步研究。提高前飞模式性能(即推进效率和巡航速度)的一种可能途径是通过减小旋翼直径，以获得与涡桨飞机类似的螺旋桨作为推进装置。这个解决方案导致了最近在欧洲 ERICA(Enhanced Rotorcraft Innovative Concept Achievement)项目的开发中采用的倾转翼(tiltwing)概念，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响[J]. 陈皓,陆志良,郭同庆. 航空动力学报. 2018(11)
[2]悬停状态下倾转旋翼机向下载荷被动减缓措施研究[J]. 陈皓,陆志良,郭同庆. 空气动力学学报. 2018(03)
[3]基于CFD方法的倾转旋翼/螺旋桨气动优化分析[J]. 招启军,蒋霜,李鹏,王博,张航. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]倾转旋翼机多部件对机翼气动干扰的分析及优化[J]. 朱秋娴,招启军,林永峰,李鹏. 航空动力学报. 2017(06)
[5]倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰理论与试验[J]. 张铮,陈仁良. 航空学报. 2017(03)
[6]Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode[J]. Ye Liang,Zhang Ying,Yang Shuo,Zhu Xinglin,Dong Jun. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(04)
[7]过渡状态倾转旋翼气动力模拟的高效CFD方法[J]. 李鹏,招启军,汪正中,王博. 南京航空航天大学学报. 2015(02)
[8]基于Hicks-Henne型函数的翼型参数化设计以及收敛特性研究[J]. 刘丽娜,吴国新. 科学技术与工程. 2014(30)
[9]重叠网格方法的研究进展[J]. 李鹏,高振勋,蒋崇文. 力学与实践. 2014(05)
[10]基于Isight的自适应翼型前缘气动优化设计[J]. 周晨,王志瑾,支骄杨. 上海交通大学学报. 2014(08)
博士论文
[1]倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计研究[D]. 李鹏.南京航空航天大学 2016
硕士论文
[1]倾转旋翼机动态干扰流场模拟方法研究[D]. 何杰.南京航空航天大学 2016
[2]基于非定常动量源方法的倾转旋翼机气动分析及性能优化[D]. 朱秋娴.南京航空航天大学 2016
本文编号：3095983
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