Design and application of an Electric Tail Rotor Drive Control (ETRDC) for helicopters with performance tests

With the development of electric helicopters’ motor technology and the widespread use of electric drive rotors, more aircraft use electric rotors to provide thrust and directional control. For a helicopter tail rotor, the wake of the main rotor influences the tail rotor’s inflow and wake. In the procedure of controlling, crosswind will also cause changes to the tail disk load. This paper describes requirements and design principles of an electric motor drive and variable pitch tail rotor system. A particular spoke-type architecture of the motor is designed, and the performance of blades is analyzed by the CFD method. The demand for simplicity of moving parts and strict constraints on the weight of a helicopter makes the design of electrical and mechanical components challenging. Different solutions have been investigated to propose an effective alternative to the mechanical actuation system. A test platform is constructed which can collect the dynamic response of the thrust control. The enhancement of the response speed due to an individual motor speed control and variable-pitch system is validated.     

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响,本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法;首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面,便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化,验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内;然后改写了非线性动力学方程,采用谐波平衡法对其进行求解,使用经典Newmark方法验证其准确性;最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级,均造成了临界转速的降低和振动响应的提高,而其影响程度可由各阶振型大致推测,且响应幅值受剪切刚度影响较大;使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％,较连续模型提升显著;在连接刚度各向异性时,每一阶临界转速均出现两个响应峰值,轴心轨迹变成椭圆;考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后,转子的响应峰值发生“歪扭”特性,且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

高温合金涡轮转子叶片裂纹形成机理

高温合金涡轮转子在经历过多次发动机试车后荧光检查发现叶片根部存在裂纹,对涡轮转子叶片裂纹进行分析。结果表明,涡轮转子叶片裂纹位于叶片根部进出口薄壁区,裂纹的开裂模式为高温疲劳开裂,属于低周疲劳,为寿命型失效。试车过程中转子叶片根部应力集中部位在高温及交变应力的交互作用下,叶尖根部应力集中区域发生蠕变和晶界择优氧化,高温蠕变和沿晶氧化相互促进,导致叶片根部的晶界弱化开裂,形成了疲劳源区,进而在后续工作过程中发生高温疲劳扩展。     

基于干扰距离控制的直升机桨-涡干扰噪声降噪方法

提出了一种适用于直升机旋翼桨-涡干扰距离计算的方法。针对桨-涡干扰距离计算中必需的旋翼桨盘入流及桨盘倾角,又分别建立了旋翼耦合N-S （Navier-Stokes）/自由尾迹模型和桨盘配平模型进行求解,其特点是兼顾计算精度和计算效率;并从悬停、前飞两方面验证了方法的有效性。应用所建立的桨-涡干扰距离计算方法,着重分析了直升机纵向平面力以及飞行参数对旋翼桨-涡干扰距离的影响机理,并进一步计算了不同纵向平面力作用下的旋翼地面声场特性及影响规律。结果表明:合理施加纵向平面力、加速度等措施后,地面最大噪声降低约4dB。同时,还通过研究桨-涡干扰距离与飞行参数的影响关系,得到了一些对直升机低噪声飞行具有实际指导意义的结论。      

磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承

为满足应用于航天器姿控、储能的磁悬浮飞轮采用的扁平构型或高转速转子需求,提出了一种新型异极性永磁偏置径向磁轴承,具有轴向长度短、结构紧凑的优点,有利于扁平转子或高速转子的磁悬浮控制。在新型径向磁轴承磁路分析的基础上,通过应用于50 Nms反作用飞轮的设计实例,经仿真分析,校验了新型径向磁轴承的基本性能;并与传统同极性永磁偏置径向磁轴承进行了比较,验证了新型径向磁轴承的优点。     

轮盘端面齿连接的周向拉杆转子刚度研究

针对轮盘端面齿连接的周向拉杆转子模型,理论分析得到转子各组成部分刚度计算方法.应用商业有限元软件ANSYS,基于三维有限元非线性接触算法计算预紧力下轮盘端面齿连接段的弯曲刚度和扭转刚度,得到刚度修正系数和刚度无量纲系数.分析周向拉杆刚度和轮盘刚度的关系,提出拉杆刚度比例系数.计算结果表明:刚度系数无量纲系数小于1时,刚度修正系数保持不变;刚度无量纲系数大于1时,此时预紧力不足,齿面发生滑移,刚度修正系数会突然降低,拉杆弯曲刚度比例系数会增加.刚度无量纲系数具有明确的物理意义,可为带端面齿的燃气轮机转子设计和故障诊断提供参考.      

基于NURBS曲线的涡控蛇形进气道设计

利用NURBS(non-uniform rational B-spline)曲线成功实现了涡控蛇形进气道参数化描述,并运用数值仿真方法对其中两个关键设计参数进行参数化研究.仿真结果表明:①第二S弯上壁面两侧后掠状凸起型面诱导的受控旋涡能够将低能流牵引至出口两侧,从而抑制大范围的气流分离,但凸起角取值需权衡选取,否则将不利于涡控蛇形进气道综合性能的改善.②通过抬高第二S弯下壁面能够减缓上壁面沿程逆压力梯度,进而影响第二S弯上壁面的流态,恰当的取值能够以微小的总压损失换取大幅度的畸变改善.③当设计参数选取恰当时,涡控蛇形进气道在设计状态下总压恢复系数为0.9667,畸变指数为0.2451.进气道性能较传统方案有显著改善,使得蛇形进气道迈向工程实用成为可能.      

常数机动载荷对航空发动机转子系统振动特性的影响

考虑了一个带有非线性弹性支承的偏置圆盘Jeffcott转子系统,研究了常数机动载荷对该系统振动特性的影响.通过数值计算发现:常数机动载荷取不同值时,系统的幅频特性曲线可能出现滞后区变窄、消失以及二次跳跃现象;频率比不同值时,系统振幅与常数机动载荷关系曲线差别较大,在特定转速下,先将常数机动载荷缓慢增加至一定值,再缓慢降低至零,可能引起系统由小振幅稳态解跳跃至大振幅稳态解而无法恢复;转子轴心偏移量随着常数机动载荷增加而增大,受系统工作转速影响不大.      

直升机旋翼下洗气流对排气喷流的影响

采用数值模拟方法,对旋翼下洗气流作用下的排气喷流流动特征进行了研究,分析了旋翼下洗气流速度和排气喷口方向对排气喷流流动以及排气系统引射能力的影响.研究结果表明:排气喷流受到旋翼下洗气流的作用而发生明显的向后机身下方以及旋翼转动方向的偏转,其偏转程度随旋翼下洗气流速度的增大而加剧;当排气喷口向上排气时,排气喷流在旋翼下洗气流作用下的偏转能够形成对后机身表面的撞击,排气系统的引射能力有微弱的降低,引射系数减小约0.01;而当排气喷口斜向上或侧向时,排气喷流对后机身未形成撞击,引射能力得到了一定程度的提升,引射系数最大增大0.12.      

考虑旋翼调制影响的直升机RCS特性分析及评估

考虑旋翼调制的影响,建立了适合于直升机全机雷达散射截面(RCS)特性计算的“面元-边缘法”.兼顾计算效率和精度,在外形变化剧烈地区域,网格进行加密处理,并保证电磁网格密度和尺度满足雷达波波长大小的比例关系.以桨盘倾倒方式计入桨叶的挥舞和变距运动,采用准静态法模拟旋翼对全机RCS特性的影响.分析了某直升机RCS极化、姿态、频率响应特性,并根据直升机RCS和雷达探测距离关系,提出了4级预警机制和角域范围.研究表明:旋翼转动时全机RCS动态响应具有连续性和对称性,振荡区散射水平强,RCS幅值为-5~12dB ·m2;奇数片桨叶比偶数片桨叶的RCS减缩2~5dB ·m2,且有利于控制直升机RCS包络线和散射峰值的时域响应,增强雷达隐身性能.