一种基于射流的旋翼流动控制系统及方法与流程

本发明涉及直升机空气动力学，更具体的是涉及基于射流的旋翼流动控制系统及方法。

背景技术：

1、作为直升机升力、操纵力和推力的主要提供单元，旋翼系统的技术先进性是衡量直升机性能的重要标志。现实情况是，直升机后退桨叶的动态失速最终限制了直升机的载重和最大飞行速度，而未来新一代直升机对有效载重、航程、最大平飞速度、噪声水平等具有更高的要求，而这些问题都与动态失速的控制有关，动态失速限制了直升机的机动性、敏捷性、速度和载重。

2、对于静态翼型，流体动量难以克服过大的吸力面逆压梯度，流动不再沿气动表面流动，这一现象被称为分离；此时，进一步增加翼型迎角导致分离加剧，引起升力降低，阻力和力矩增大。对于俯仰运动的翼型，伴随前缘集中涡结构的形成与脱落，即是动态失速涡。动态失速涡的形成和脱落，推迟了机翼分离的形成，使机翼达到比静态失速迎角更高的迎角下才分离，但是伴随而来的是运动到机翼后部的动态失速涡会产生有害的低头力矩。在一定条件下，动态失速涡会导致主流能量交换到机翼，产生不可避免的摆动和扭转。

3、因此，理想的流动控制器一方面要保持动态失速涡的增升效果，另一方面避免动态失速涡对桨叶俯仰力矩的严重影响和流场能量向桨叶大量转移。在固定翼上常用的升力控制装置，用在直升机旋翼上会更为复杂，它们必须配置在快速旋转的周期运动中。比如前缘缝槽技术可推迟直升机桨叶失速，但是在小迎角会引起前行桨叶的高阻力。另外，直升机旋翼加固合成的结构，可以抵抗高离心力的载荷，而在旋翼上部署任何运动单元都会遭受相应的高载荷。综上，适合旋翼桨叶的良好的流动控制手段要求气动激励具有强度大、结构简单、对原有气动型面影响较小等优点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于射流的旋翼流动控制系统及方法。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、本发明的一个方面提供一种基于射流的旋翼流动控制系统，包括通过管道依次连接的发动机引气口、空气滤芯、单向阀、高压气源驻室、减压阀以及比例阀；

4、比例阀将通过管道分别连接有气压缓冲器和供气滑环，比例阀电连接有供电电源和信号发生器，信号发生器提供控制比例阀开度的信号，供电电源和信号发生器均与机载控制器电连接；

5、供气滑环的定子部分与直升机的机体固定，供气滑环的转子部分与中空的旋翼主轴连接，供气滑环的转子部分随旋翼主轴旋转，供气滑环的转子部分与供气滑环的静子部分通气，供气滑环的转子部分的出气口连接有供气管，旋翼桨叶的内部布置有与供气管连通的内置气管，旋翼桨叶的上翼面前部分布有多个与内置气管连通的射流口。

6、具体来说，发动机引气口将高压空气通过管道连接空气滤芯，空气滤芯将高压空气通过管道连接单向阀，单向阀将高压空气通过管道充入高压气源驻室，高压气源驻室将高压空气通过管道连接减压阀，减压阀将减压后的中压空气通过管道连接比例阀，比例阀与其供电电源、信号发生器电连接，比例阀将一定流量的压缩空气通过管道分别连接气压缓冲器和供气滑环，供气滑环的定子部分通过法兰盘和螺钉与机体固定，供气滑环的转子通过传扭销钉与中空的旋翼主轴连接，供气滑环转子随旋翼主轴高速旋转，与供气滑环的静子可靠通气。供气滑环转子端出气口与供气管连接，旋翼桨叶的内部布置有内置气管，内置气管与供气管连通实现连接和通气，旋翼桨叶的上翼面前部分布有多个射流口，射流口与内置气管通气，保证压缩空气通过内置气管后从射流口喷出，形成射流型涡流发生器。

7、另外，上述用于连接的通气管道均为耐高压、耐高温的轻质金属管或非金属软管。

8、在一个实施方式中，连接空气滤芯与单向阀的管道上设置有第一压力传感器，位于高压气源驻室与减压阀之间的管道上设置有第二压力传感器，位于减压阀和比例阀之间的管道上设置有第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器均与机载控制器电连接。

9、在一个实施方式中，比例阀后侧的管道设置有压力流量传感器，压力流量传感器位于分别连接有气压缓冲器和供气滑环的主管道上。

10、具体来说，在系统的气流管道关键地方设置有压力传感器，分别是空气滤芯和单向阀之间设置第一压力传感器，高压气源驻室和减压阀之间设置第二压力传感器，减压阀和比例阀之间设置第三压力传感器，在比例阀和供气滑环之间设置压力流量传感器。

11、在一个实施方式中，发动机引气口为高压压气机引气口；空气滤芯的过滤粒径不高于20μm，初阻力<100pa。

12、具体来说，一般航空发动机压气机上均开有引气口；空气滤芯将发动机引气口进入的气体中的杂质滤除。

13、在一个实施方式中，单向阀的开启气压范围为0.2mpa-5mpa。

14、高压气源驻室的体积为3l-20l，高压气源驻室的材料为轻质耐高压材料，耐压范围不低于20mpa；

15、减压阀能够将气压减压至0.4mpa-0.9mpa；

16、比例阀的压力工作范围为0-0.9mpa，流量范围根据负载而定，一般为2-100g/s；

17、供电电源为24v直流源，信号发生器提供控制比例阀开度的信号，信号范围4ma-20ma或0-10v；

18、气压缓冲器能够缓解供气管道中的压力冲击和波动，承受压力范围为0.05-0.9mpa或0-10v；

19、供气滑环的通道数目可与旋翼桨叶数目对等，通道压力范围0-0.6mpa，流量范围根据桨叶尺寸、旋翼转速和来流速度而定，一般为2-100g/s；

20、供气滑环的定子端的法兰盘通过螺栓固定于直升机的机体隔框；供气滑环的转子端通过传扭销钉连接中空的旋翼主轴，传扭销钉一般要求硬化处理且强度极限不低于600n/mm2，具体根据供气滑环的扭矩特性而定；

21、旋翼主轴要求中空能通过供气管；通过旋翼主轴的供气管包覆耐磨层；气管接头用于连接供气管和内置气管连通，耐压值不低于0.6mpa，气管接头的通道直径与供气管直径一致。

22、在一个实施方式中，内置气管为厚度小于1mm的轻质耐高压金属管，耐压范围为0-0.6mpa，所述供气管和内置气管的截面积大于旋翼桨叶上所有射流口截面积总和。

23、在一个实施方式中，旋翼桨叶的前缘上并列布置有若干射流口，各射流口的形状均为圆形、矩形或椭圆形中的一种；

24、各射流口的弦向位置距离旋翼桨叶的前缘的弦向距离保持在5％c-15％c之间，0％c处对应旋翼桨叶的前缘顶点，c为对应旋翼桨叶的弦长；

25、各射流口与对应旋翼桨叶的型面之间存在纵向夹角α，纵向夹角α的角度范围在20°-40°之间，射流角度α为30°时最佳；

26、各射流口与对应旋翼桨叶的横向之间存在横向夹角β，横向夹角β的角度范围在0°-60°之间。

27、在一个实施方式中，各射流口的直径d的范围在0.1％c-1％c之间，直径为0.5％c时最佳；

28、相邻两个射流口之间的间隔l的范围在5％c-15％c之间，间隔为10％c时最佳。

29、具体来说，射流型涡流发生器为在旋翼桨叶上表面前5％c-15％c位置开设的若干射流口，其设计参数有射流口的纵向夹角α，射流口的横向夹角β，射流口直径d，射流口间距l，射流口弦向位置x。

30、本发明的另一个方面提供一种基于射流的旋翼流动控制方法，适用于上述一种基于射流的旋翼流动控制系统，该方法采用射流型涡流发生器流动控制技术，包括如下步骤：

31、s1、在发动机工作时，发动机高压压气机内的高压空气由发动机引气口经过管道依次流经空气滤芯和单向阀，在向高压气源驻室充气；

32、s2、根据压气机的一般特性，高压气源驻室气压可达到1-3mpa，高压气源驻室的高压空气经过减压阀将气压降低至0.6mpa；

33、s3、气流经过比例阀进一步将气压调节至0.2-0.4mpa，比例阀由24v直流电源供电，比例阀的阀门开度受信号发生器控制，信号发生器可发出4-20ma的电流信号控制比例阀，也可发出0-10v的电压信号控制比例阀，具体根据比例阀型号而定；

34、s4、通过压力流量传感器监测比例阀出口压力是否达到规定值，当比例阀出口压力低于规定值时，机载控制器发出指令，增大信号发生器的输出信号，调大比例阀开度；反之，减小比例阀开度；

35、s4、为防止比例阀开启后供气管道内的压力冲击和波动效应，在比例阀出口引出一支管路连接气压缓冲器，能有有效吸收气压冲击能量；

36、比例阀引出的另一支管路连接供气滑环，供气滑环将压缩空气由静子端传输给连接转子端的供气管，供气滑环的转子端通过传扭销钉与旋翼主轴连接，并随旋翼主轴转动，供气管进一步将压缩空气传输至内置气管，内置气管通过射流口将压缩空气喷出桨叶外部，，形成射流型涡流发生器。

37、具体来说，在高压气体喷出射流口时，与来流相互作用，一方面，射流会对附面层加速；另一方面，射流下游形成流向涡，流向涡对主流具有较强的夹带和裹挟作用，促进附面层内外流动掺混，从而抑制流动分离，实现对旋翼气动力的控制。

38、在一个实施方式中，同时，为便于维护和拆卸，在旋翼桨叶根部的内置气管和旋翼主轴引出的供气管之间设置气管接头。

39、本发明的有益效果如下：

40、1、本发明在直升机载重较大、直升机机动或前飞速度较大时，桨距较大，桨叶绕流易分离，限制了直升机的载重、机动动作和最大前飞速度。此时，开启直升机各个桨叶前缘的分布式射流，从而抑制流动分离，可提高直升机的载重上限、机动动作范围和最大前飞速度。本发明的装置还适用于旋转叶片的风力机、涡桨桨叶等旋转的叶片的分离控制。

41、2、与其它流动控制手段相比，射流型涡流发生器具有技术成熟度相对较高、气动激励强度大、结构简单、对原有气动型面影响较小等优点，在旋翼后行桨叶失速分离控制方面具有明显优势和应用潜力。