(1)產(chǎn)生向上的升力用來(lái)克服直升機(jī)的重力。 即使直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)時(shí)， 駕駛員可通過(guò)操縱旋翼使其自轉(zhuǎn)，仍可產(chǎn)生一定升 力，減緩直升機(jī)下降趨勢(shì)。
(2)產(chǎn)生向前的水平分力克服空氣阻 力使直升機(jī)前進(jìn)，類(lèi)似于飛機(jī)上推進(jìn)器的作用(例 如螺旋槳或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))。
(3)產(chǎn)生其他分力及力矩對(duì)直升機(jī)； 進(jìn)行控制或機(jī)動(dòng)飛行，類(lèi)似于飛機(jī)上各操縱面的作用。 旋翼由數(shù)片槳葉及一個(gè)槳轂組成。工作時(shí)，槳葉與空氣作相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生空氣動(dòng)力；槳轂則是用來(lái)連接 槳葉和旋翼軸，以轉(zhuǎn)動(dòng)旋翼。槳葉一般通過(guò)鉸接方式與槳轂連接(如下圖所示)。
旋翼的運(yùn)動(dòng)與固定翼飛機(jī)機(jī)翼的不，因?yàn)樾淼臉~除了隨直升機(jī)一同作直線(xiàn)或曲線(xiàn)動(dòng)外，還要繞旋翼軸旋轉(zhuǎn)，因此槳葉空氣動(dòng)力現(xiàn)象要比機(jī)翼的復(fù)雜得多。
先來(lái)考察一下旋翼的軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)這就是直升機(jī)垂直飛行時(shí)旋翼工作的情況，它相當(dāng)于飛機(jī)上螺旋槳的情況。由于兩者技術(shù)要求不同，旋翼的直徑大且轉(zhuǎn)速?。宦菪龢闹睆叫《D(zhuǎn)速大。在分析、設(shè)計(jì)上就有所區(qū)別設(shè)一旋冀，槳葉片數(shù)為k，以恒定角速度Ω 繞軸旋轉(zhuǎn)，并以速度 Vo沿旋轉(zhuǎn)軸作直線(xiàn)運(yùn) 動(dòng)。如果在想象中用一中心軸線(xiàn)與旋翼軸重合，而半徑為 r的圓柱面把槳葉裁開(kāi)(參閱圖 2，1—3)，并將這圓柱面展開(kāi)成平面，就得到槳葉剖面。 既然這時(shí)槳葉包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于葉剖面來(lái)說(shuō)，應(yīng)有用向速度 (等于Ωr)和垂直于旋轉(zhuǎn)平面的速度(等于 Vo)， 而合速度是兩者的矢量和。顯然可以看出(如圖2．1—3)，用不同半徑的圓柱面所截出來(lái)的各個(gè)槳葉剖面，他們的合速度是不同的： 大小不同，方向也不相同。如果再考慮到由于槳葉 運(yùn)動(dòng)所激起的附加氣流速度(誘導(dǎo)速度) )，那么槳葉各個(gè)剖面與空氣之間的相對(duì)速度就更加 不同。與機(jī)翼相比較，這就是槳葉工作 條件復(fù)雜，對(duì)它的分析比較麻煩的原因所在。
旋翼拉力產(chǎn)生的滑流理論
現(xiàn)以直升機(jī)處于垂直上升狀態(tài)為例，應(yīng)用滑流理論說(shuō)明 旋翼拉力產(chǎn)生的原因。此時(shí)，將流過(guò)旋翼的空氣，或正 確地說(shuō)，受到旋翼作用的氣流，整個(gè)地看做一根光滑流 管加以單獨(dú)處理。假設(shè)：
根據(jù)以上假設(shè)可以作出描述旋翼在： 垂直上升狀態(tài)下滑流的物理圖像，如下圖所示，圖中選取三個(gè)滑流截面， So、 S1和 S2，在 So面，氣流速度就是直升機(jī)垂直上升速度 Vo，壓強(qiáng)為大氣壓Po，在 S1的上面， 氣流速度增加到V1= Vo+v1，壓強(qiáng)為P1上，在S1 的下面，由于流動(dòng)是連續(xù)的，所以速度 仍是 V1，但壓強(qiáng)有了突躍Pl下＞P1上，P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面，氣流速度繼續(xù)增加至V2=Vo+v2，壓強(qiáng)恢復(fù)到大氣壓強(qiáng)Po。
這里的v1是槳盤(pán)處的誘導(dǎo)速度。v2是下游遠(yuǎn)處的誘導(dǎo)速度，也就是在均勻流場(chǎng)內(nèi)或靜止空氣中所引起的速度增量。對(duì)于這種現(xiàn)象，可以利用牛頓第三用動(dòng)定律來(lái)解釋拉力產(chǎn)生的原因。
旋翼的錐體
在前面的分析中，我們假定槳葉位：槳轂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，目前的直升機(jī)都具水平鉸。旋翼不旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉受垂直 向下的本身重力的作用(如下圖左)。旋翼旋轉(zhuǎn) 時(shí)，每片葉上的作用力除自身重力外， 還有空氣動(dòng)力和慣性離心力?？諝鈩?dòng)力拉力向上的分(T)方向與重力相反，它繞水平鉸構(gòu) 成的力矩，使槳葉上揮。慣性離心力(F離心)相對(duì) 水乎鉸所形成的力矩，力求使槳葉在槳轂 旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)(如下圖右)。在懸?；虼怪憋w 行狀態(tài)中，這三個(gè)力矩綜合的結(jié)果，使得 槳葉保持在與槳轂旋轉(zhuǎn)平面成某一角度的位置上，翼形成一個(gè)倒立的錐體。 槳葉從槳轂 旋轉(zhuǎn)平面揚(yáng)起的角度叫錐角。槳葉產(chǎn)生的拉力約為槳 葉本身重量的10一15倍，但槳葉的慣性和離心力更 大(通常約為槳葉拉力的十幾倍)，所以錐 角實(shí)際上并不大，僅有3度一5度。
懸停時(shí)功率分配
從能量轉(zhuǎn)換的觀(guān)點(diǎn)分析，直升機(jī)在懸停狀態(tài)時(shí)(如下圖) 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的軸功率，其中約90％用于旋翼，分配給尾槳、 傳動(dòng)裝置等消耗的軸功率加起來(lái)約占 10％。旋翼 所得到的90％的功率當(dāng)中，旋翼型阻功率又用去20％，旋翼用于 轉(zhuǎn)變成氣流動(dòng)能以產(chǎn)生拉力的誘導(dǎo)功率僅占70％。
旋翼拉力產(chǎn)生的渦流理論
根據(jù)前面所述的理論，只能宏觀(guān)地確定不同飛行狀態(tài)整個(gè)旋翼的拉力和需用功率，但 無(wú)法得知沿旋翼槳葉徑向的空氣動(dòng)力載荷，無(wú)法進(jìn)行旋設(shè)計(jì)。為此，必須進(jìn)一步了解旋翼周?chē)牧鲌?chǎng)，即旋 冀槳葉作用于周?chē)諝馑鸬恼T導(dǎo)速度，特別是沿槳葉的誘導(dǎo)速度，從而可計(jì)算槳葉各個(gè)剖面的受力分布。
在理論空氣動(dòng)力學(xué)中，渦流理論就是求解任一物體(不論飛機(jī)機(jī)翼或旋翼槳葉)作用于周?chē)諝馑鸬恼T導(dǎo)速 度的方法。從渦流理論的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，旋翼槳葉對(duì)周?chē)諝獾淖饔茫?相當(dāng)于某一渦系在起作用，也就是說(shuō)，旋翼的每片槳葉可 用一條(或幾條)附著渦及很多由槳葉后緣逸出的、以螺旋形在旋翼下游順流至無(wú)限遠(yuǎn)的尾隨渦來(lái)代替。
按照旋翼經(jīng)典渦流理論，對(duì)于懸停及垂直上升狀態(tài)(即軸流狀態(tài))，旋翼渦系模型就像 一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的渦拄，由一射線(xiàn)狀的圓形 渦盤(pán)的附著渦系及多層同心的圓柱渦面(每層渦面 由螺旋渦線(xiàn)所組成)的尾跡渦系兩部分所構(gòu)成(如下圖所示)。
直升機(jī)旋停、垂直上升狀態(tài)的渦柱
這套渦系模型完全與推進(jìn)螺旋槳的情況相同。至于旋冀在前飛狀態(tài)的渦系模型，可以合 理地引伸為一個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的斜向渦柱，由一圓形渦盤(pán)的附著渦系及多層斜向螺旋渦線(xiàn)的斜向渦面的尾跡渦系兩部分所構(gòu)成(如下圖所示)。
直升機(jī)前飛狀態(tài)的渦柱
