龙海斌，吴裕平

(中国直升机设计研究所 总体气动研究室，景德镇 333001)

0 引 言

直升机桨毂由于表面有比较多的拉杆等零件，而且处于旋翼与机身的复杂流场之中，因此直升机桨毂阻力占全机废阻的比例比较大，而共轴式直升机旋翼桨毂阻力通常占到全机废阻的50%以上，研究其阻力特性和减阻设计更为迫切。随着共轴刚性旋翼高速直升机的发展[1]，桨毂阻力特性和减阻设计研究成为直升机研制中的一项重要工作。风洞试验技术在飞行器研制中得到了广泛应用[2]，因此风洞试验是获得桨毂阻力的重要方法。美国西科斯基公司在进行XH-59高速直升机研制时就进行了桨毂减阻设计和风洞试验，结果表明：加装上下桨毂整流罩和中间轴整流罩最多可以降低21%的阻力[3]。在之后研制X-2、S-97和SB>1等高速直升机过程中都进行了桨毂减阻研究。在X-2研制过程中对多种桨毂减阻方案、中间轴整流罩加装端板、加装涡流发生器和在中间轴整流罩靠近尾部位置进行喷气等进行了研究[4]。在S-97机身风洞试验过程中对三种上下桨毂整流罩方案和四种中间轴整流罩进行了组合吹风，并研究了旋转和桨毂支臂对桨毂减阻方案阻力的影响[5]。在SB>1直升机机身风洞试验中设计了单独桨毂减阻方案和带桨叶的桨毂减阻方案[6]。国内也对共轴式直升机桨毂减阻进行了一些研究；何龙等[7]对六种共轴刚性旋翼桨毂模型进行了风洞试验，研究了旋转速度、缝隙和外形参数对桨毂阻力的影响，结果表明：缝隙对桨毂阻力有比较大的影响；唐敏等[8]对四种共轴双旋翼桨毂模型进行了风洞试验，结果表明：与圆柱形中间轴方案相比，加装中间轴整流罩可以使桨毂阻力降低37%。除风洞试验方法之外，国内外也采用CFD方法对共轴式直升机桨毂阻力特性和减阻方案进行了研究；龙海斌等[9]对某共轴式直升机桨毂阻力特性进行了计算；B.E.Wake等[10]采用结构化网格对两种共轴双旋翼桨毂模型进行了阻力特性计算，并设计了两种在中间轴整流罩靠近后缘位置加装涡发生器的方案；S.S.Ochs等[11]应用不同的计算软件对两种共轴双旋翼桨毂模型进行了阻力计算，并与风洞试验结果进行了对比分析；曾伟等[12]、龙海斌等[13]采用CFD方法分别对不同的共轴式桨毂减阻方案的阻力进行了计算。

以上研究主要是在型号研制早期或在初步假定桨毂尺寸的基础上完成，研究成果在直升机型号生产制造中的应用较少。本文针对某定型直升机共轴双桨毂，通过风洞试验研究共轴双桨毂的阻力特性，包括桨毂支臂方位角、旋转速度和攻角等对桨毂阻力的影响；对该桨毂减阻方案和在减阻方案上加装涡流发生器进行风洞试验，并在试验过程中进行封堵整流罩之间的缝隙试验，研究缝隙对减阻方案阻力的影响，以及减阻方案和在减阻方案上加装涡流发生器的减阻效果。

1 试验设备与模型

1.1 风洞简介

共轴式直升机桨毂阻力特性与减阻方案风洞试验在某研究所Φ3.2 m风洞开口试验段中进行。该风洞是一座开/闭口两用的回流式风洞，试验段截面为圆形，直径为3.2 m，开口试验段最低风速11.5 m/s，最高风速可达115 m/s。

1.2 试验设备

风洞试验在Φ1 m共轴双旋翼桨毂试验台上进行。试验台由台架系统、动力系统、传动系统、测量系统、数据采集处理系统、振动监视系统组成，可完成1 m直径量级共轴双旋翼桨毂模型的风洞试验。在风洞试验过程中桨毂模型的六力素由一台外置盒式天平测量。

1.3 试验模型

某共轴式直升机桨毂模型的主要材料为钢和铝合金，模型缩比为1∶2。模型主要由上桨毂、下桨毂、内转轴和外转轴等部分组成。减阻方案试验模型主要由上整流罩、下整流罩、中间段整流罩、内转轴、外转轴和支撑轴等部分组成。在试验过程中可以实现上下桨毂和整流罩同时正反旋转，而中间轴整流罩固定。由于需要实现上下桨毂整流罩正反旋转，因此在上下桨毂整流罩和中间轴整流罩之间留了一定的缝隙。为了研究缝隙对阻力的影响，在风洞试验过程中进行了封堵缝隙阻力测量试验。在中间段整流罩靠近后缘位置加装了一个可拆卸的涡流发生器，涡流发生器的截面采用某对称翼型。在试验过程中分析涡流发生器对整流罩减阻效果的影响。某共轴式桨毂模型、减阻方案以及在减阻方案上加装涡流发生器的原理示意图如图1所示。

(a) 桨毂原型

(b) 减阻方案

(c) 加装涡流发生器

1.4 试验状态

为了研究桨毂支臂方位角、攻角和旋转速度等对桨毂和减阻方案阻力的影响，风洞试验中进行变方位角、变攻角和变转速等阻力测量。减阻方案中还进行封堵缝隙试验。主要的试验状态如表1所示,其中试验风速为20、40、60、70和80 m/s。

表1 风洞试验状态

2 试验结果分析

2.1 桨毂阻力特性

共轴式直升机桨毂阻力特性试验结果如图2～图5所示。

图2 方位角变化时桨毂阻力系数图

图3 攻角变化时桨毂阻力系数图

图4 旋转速度变化时桨毂阻力系数图

图5 桨毂各部件阻力系数占比图

从图2可以看出：上下桨毂支臂变化时桨毂阻力系数相差约为5%，说明上下桨毂支臂方位角变化对桨毂阻力影响比较小。这是由于试验模型的桨毂为三支臂，方位角变化时迎风面积变化比较小。

从图3可以看出：攻角在-4°至4°范围内变化时，桨毂阻力系数变化比较小。

从图4可以看出：在0°攻角时随着旋转速度的不断增大，桨毂阻力系数随风速的波动越来越大。这是因为旋转速度增大之后，桨毂周围的气流受桨毂旋转的扰动越来越大，流动分离也比较严重。

从图5可以看出：由于下桨毂部分的迎风面积比较大，因此下桨毂部分的气动阻力也比较大。由于上下桨毂单独吹风时有一部分轴在风洞中，因此上下桨毂阻力之和大于桨毂总阻力。

2.2 减阻方案阻力特性

共轴式直升机桨毂减阻方案阻力系数随方位角变化情况如图6所示，可以看出：桨毂支臂方位角变化时，减阻方案的阻力变化在5%左右。这是由于加装整流罩之后，桨毂支臂的迎风面积比较小，因此方位角变化对减阻方案的阻力影响比较小。

图6 方位角变化时减阻方案阻力系数图

在0°攻角时，上下桨毂整流罩旋转速度变化对减阻方案的阻力系数影响如图7所示，可以看出：随着上下桨毂整流罩旋转速度的增大，减阻方案的阻力略有增大，变化趋势与桨毂阻力变化趋势一致。

图7 旋转速度变化时减阻方案阻力系数图

攻角变化对减阻方案阻力的影响如图8所示，可以看出：由于试验时攻角变化范围比较小，减阻方案的阻力系数变化也比较小。减阻方案的减阻百分比如图9所示。

图8 攻角变化时减阻方案阻力系数图

图9 减阻方案减阻百分比图

从图9可以看出：在风速超过40 m/s之后，减阻方案的减阻百分比在33%左右，说明加装整流罩之后降低约1/3的阻力。

上下桨毂整流罩与中间轴整流罩之间的缝隙对阻力有比较大的影响，因此在风洞试验过程中将上下桨毂整流罩与中间整流罩之间的两条缝隙进行了封堵。封堵前后的减阻方案阻力系数变化如图10所示，封堵缝隙之后的阻力降低百分比如图11所示，可以看出：风速超过40m/s之后，封堵缝隙可使减阻方案阻力再降低10%～18%，说明缝隙对减阻方案的阻力影响比较大，因此在进行减阻设计时应尽量减小各部件之间的缝隙。

图10 封堵缝隙前后时减阻方案阻力系数图

图11 堵缝隙之后减阻方案阻力降低百分比图

2.3 加装涡流发生器

涡流发生器的工作原理是在迎面气流中产生比较强的桨尖涡，这种桨尖涡的能量比较高。高能量的桨尖涡与下游低能量的边界层流动混合之后，将自身的能量传递给边界层，这样原本处于逆压梯度中的边界层就可以继续贴附在物体表面流动，因此减小了气流分离，降低了压差阻力。中间轴整流罩加装涡流发生器之后的阻力系数变化与减阻百分比如图12～图13所示，可以看出：加装涡流发生器对中间轴整流罩并没有明显的减阻效果。而且由于加装涡流发生器导致迎风面积和浸润面积的增大，部分状态下中间轴整流罩的阻力还略微增大。说明中间轴整流罩的尾流区域的流动分离并不严重；涡流发生器产生的高能量涡对上下桨毂整流罩周围的流动产生干扰，从而达到减阻的目标。

图12 加装涡发生器前后中间轴整流罩阻力系数图

图13 加装涡发生器之后中间轴整流罩阻力降低百分比图

整个减阻方案加装涡流发生器前后的阻力系数变化情况和相对于减阻方案的减阻百分比如图14～图15所示。

图14 加装涡发生器前后减阻方案阻力系数图

图15 加装涡发生器之后减阻方案阻力降低百分比图

从图14～图15可以看出：总体上看加装涡流发生器对桨毂减阻方案的进一步减阻效果不是特别明显，同时随着攻角的变化，减阻百分比的变化比较明显，其中-4°攻角时减阻效果最好，而在-4°攻角时涡流发生器产生的高能量桨尖涡主要掺入下桨毂整流罩的尾流之中，说明下桨毂整流罩的尾流区域流动分离比较大，需要进一步进行减阻设计。

3 结 论

(1) 桨毂支臂方位角、攻角和旋转速度对共轴式直升机桨毂和减阻方案的阻力影响比较小。在雷诺数达到一定数值之后，来流风速变化对桨毂和减阻方案阻力几乎没有影响。

(2) 上下桨毂整流罩和中间轴整流罩之间的缝隙对桨毂减阻方案的阻力影响比较大。由于目前还未考虑桨毂支臂与整流罩之间的缝隙，因此在共轴式桨毂减阻设计需要重点考虑缝隙的影响。

(3) 在中间轴整流罩靠近尾缘位置加装翼型截面的涡流发生器对桨毂减阻方案的进一步减阻并没有明显的效果。