直升机桨叶等离子体流动控制装置

1.本发明涉及直升机旋翼流动控制技术领域，特别是涉及一种直升机桨叶等离子体流动控制装置。


背景技术：

2.主动流动控制(activecontrol)通过在动态失速流场中施加适当的扰动并与原有流动的模式相互耦合来达到相应控制目的，其优势在于它能够在需要的时间部位出现，通过能量的输入，获得局部或者全局的流动改变，进而使得动态失速的性能变化得到显著改善。
3.等离子体控制器作为近年来国内外研究的热门领域，其主要利用高电压作用于等离子体激励器，使带电粒子在电场作用下运动，伴随发光、发热现象，对流场形成可控扰动。等离子体控制器易产生快速、可控的宽频气动激励，结构简单，但等离子体控制器在直升机旋翼桨叶上的布设形式通常较为复杂，不易实施。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，其结构简单，易于实施。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明公开了一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，包括：
7.内部具有空腔的直升机桨叶；
8.脉冲电压等离子体激励器，包括第一激励器和第二激励器；所述第一激励器沿径向布置于所述直升机桨叶的上翼面前缘，所述第二激励器沿径向布置于所述直升机桨叶的上翼面后缘；
9.电流导线，包括为所述第一激励器供电的第一导线组和为所述第二激励器供电的第二导线组；所述第一导线组和所述第二导线组均穿过所述空腔；
10.外接电源，所述外接电源同时与所述第一导线组、所述第二导线组相连，以分别向所述第一激励器和所述第二激励器供电。
11.优选地，所述第一激励器和所述第二激励器均为纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器。
12.优选地，所述纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器包括绝缘介质层、暴露电极和埋入电极；所述绝缘介质层设置于所述直升机桨叶的上翼面，所述暴露电极暴露在所述绝缘介质层外，所述埋入电极埋设于所述绝缘介质层内。
13.优选地，所述暴露电极、所述埋入电极均沿所述直升机桨叶的径向布置，所述暴露电极、所述埋入电极在所述直升机桨叶的横向位置相互错开。
14.优选地，所述暴露电极为锯齿状，且锯齿尖端朝向所述埋入电极；所述埋入电极为条状。
15.优选地，所述空腔包括靠近所述直升机桨叶的前缘的第一空腔，以及靠近所述直升机桨叶的后缘的第二空腔；所述第一空腔与所述第二空腔通过腹板分隔开，所述腹板上设有连通所述第一空腔与所述第二空腔的通孔；所述第一空腔的侧壁上设有一个进线孔和两个第一出线孔，所述第二空腔的侧壁上设有两个第二出线孔。
16.优选地，所述第一导线组包括第一导线和第二导线，所述第二导线组包括第三导线和第四导线；所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线均由所述进线孔进入所述第一空腔；所述第一导线经一个所述第一出线孔与所述第一激励器的所述暴露电极相连，所述第二导线经另一个所述第一出线孔与所述第一激励器的所述埋入电极相连；所述第三导线和所述第四导线均由所述通孔进入所述第二空腔；所述第三导线经一个所述第二出线孔与所述第二激励器的所述暴露电极相连，所述第四导线经另一个所述第二出线孔与所述第二激励器的所述埋入电极相连。
17.优选地，所述第一激励器沿所述直升机桨叶的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿所述直升机桨叶的横向位置布置在以上翼面前缘为基准15％～35％弦长的范围内；所述第二激励器沿所述直升机桨叶的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿所述直升机桨叶的横向分布于上翼面以前缘为基准70～90％范围内。
18.优选地，所述直升机桨叶上与所述第一激励器对应位置设有第一凹槽，所述直升机桨叶上与所述第二激励器对应位置设有第二凹槽。
19.优选地，所述直升机桨叶等离子体流动控制装置还包括全铰接式桨毂、旋转轴和环流器；所述直升机桨叶安装于所述全铰接式桨毂的摆振铰位置上；所述旋转轴为空心轴，所述电流导线穿过所述全铰接式桨毂并进入所述空心轴内；所述环流器安装于所述空心轴上，所述电流导线、所述外接电源均与所述环流器相连。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
21.本发明的直升机桨叶等离子体流动控制装置在使用时，外接电源通过第一导线组向第一激励器供电，外接电源通过第二导线组向第二激励器供电。当直升机桨叶旋转时，第一激励器可以对直升机桨叶上翼面前缘附近的气流产生影响，第二激励器可以对直升机桨叶上翼面后缘附近的气流产生影响。该直升机桨叶等离子体流动控制装置的结构简单，易于实施。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本直升机桨叶等离子体流动控制装置的原理图；
24.图2为直升机桨叶的剖视图；
25.图3为脉冲电压等离子体激励器的示意图；
26.图4为脉冲电压等离子体激励器的侧视图；
27.图5为脉冲电压等离子体激励器的俯视图；
28.图6为直升机桨叶与全铰接式桨毂的位置关系图；
29.图7为图6中电流导线的位置示意图；
30.附图标记说明：1-直升机桨叶；2-第二激励器；3-第一激励器；4-第二凹槽；5-第一凹槽；6-进线孔；7-束线套；8-第一导线；9-第二导线；10-第三导线；11-第四导线；12-外接电源；13-电压旋钮；14-频率旋钮；15-接线柱；16-第一空腔；17-第二空腔；18-通孔；19-腹板；20-第一出线孔ⅰ；21-第一出线孔ⅱ；22-第二出线孔ⅰ；23-第二出线孔ⅱ；24-绝缘介质层；25-暴露电极；26-埋入电极。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，其结构简单，易于实施。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本实施例中，直升机桨叶1的径向为其长度方向(图1中直升机桨叶1的左右方向)。直升机桨叶1的横向为与其径向相垂直的方向(图1中直升机桨叶1的上下方向)，也称弦向。直升机桨叶1的前缘为其相对较厚的一侧边缘，直升机桨叶1的后缘为其相对较薄的一侧边缘。在图4、图5中，l1＝4.10cm、l2＝0.20mm、l3＝0.02mm、l4＝3.0mm、l5＝1.50mm、l6＝0.50mm、l7＝3.00mm、l8＝0.02mm、l9＝17.0mm、l10＝2.20mm、l11＝2.20mm、l12＝84.20cm、a0＝12
°
。
34.参照图1～图7，本实施例提供一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，包括直升机桨叶1、脉冲电压等离子体激励器、电流导线和外接电源12。
35.直升机桨叶1的内部具有空腔，空腔用于降低直升机桨叶1的整体重量，并用于放置电流导线的部分区段。具体的，本实施例中，直升机桨叶1剖面采用naca0012翼型，其材质为中温固化环氧树脂材料。直升机桨叶1的径向长度为1.4m，直升机桨叶1的弦长0.2m。脉冲电压等离子体激励器包括第一激励器3和第二激励器2。第一激励器3沿径向布置于直升机桨叶1的上翼面前缘，第二激励器2沿径向布置于直升机桨叶1的上翼面后缘。电流导线包括为第一激励器3供电的第一导线组和为第二激励器2供电的第二导线组。第一导线组和第二导线组均穿过空腔。外接电源12同时与第一导线组、第二导线组相连，以分别向第一激励器3和第二激励器2供电。
36.本实施例的直升机桨叶等离子体流动控制装置在使用时，外接电源12通过第一导线组向第一激励器3供电，外接电源12通过第二导线组向第二激励器2供电。当直升机桨叶1旋转时，第一激励器3可以对直升机桨叶1上翼面前缘附近的气流产生影响，第二激励器2可以对直升机桨叶1上翼面后缘附近的气流产生影响。
37.作为一种可能的示例，本实施例中，第一激励器3和第二激励器2均为纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器。
38.具体的，本实施例中，纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器包括绝缘介质层24、暴露电极25和埋入电极26。暴露电极25和埋入电极26的材质均为铜，厚度均为0.02mm。绝缘介质
层24的材质可选用聚苯乙烯或聚氯乙烯，这些绝缘材料具有高电阻率、高耐热性等优点，介电常数通常是3～6。绝缘介质层24设置于直升机桨叶1的上翼面，暴露电极25暴露在绝缘介质层24外，埋入电极26埋设于绝缘介质层24内。暴露电极25、埋入电极26均沿直升机桨叶1的径向布置，暴露电极25、埋入电极26在直升机桨叶1的横向位置相互错开。暴露电极25在俯视方向为锯齿状，且锯齿尖端朝向埋入电极26。埋入电极26在俯视方向为长条状，其形状为矩形。需要说明的是，暴露电极25仅上表面暴露在绝缘介质层24外，暴露电极25并未形成向外凸出的结构。
39.第一激励器3和第二激励器2工作时，将会电离空气并产生大量带电粒子，埋入电极26和暴露电极25之间存在的的电场会让带电粒子快速移动，粒子之间相互碰撞会加热周围空气，并释放脉冲波，瞬间热效应形成周期性的压力扰动，局部诱导周期性压缩波，通过翼面附面层内外流动掺混和翼面流动频率耦合的作用抑制流动分离，从而改变翼面气动力。特别是直升机桨叶1在前行侧时，激波失速会影响整个桨盘的气动特性，等离子形成的循环脉冲扰动能够一定程度抑制激波失速的产生。
40.本实施例中，直升机桨叶1的上翼面上与第一激励器3对应位置设有第一凹槽5，直升机桨叶1上与第二激励器2对应位置设有第二凹槽4。第一凹槽5与第二凹槽4尺寸相同，其长度(即径向长度)为84.20cm，宽度(即弦向长度)为4.10cm，深度为0.2mm。对于第一凹槽5内的绝缘介质层24，其长度和宽度均与第一凹槽5相同，厚度为0.2mm。对于第二凹槽4内的绝缘介质层24，其长度和宽度均与第二凹槽4相同，厚度为0.2mm。绝缘介质层24外表面与直升机桨叶1开槽前的气动外形保持一致。
41.本实施例中，由于暴露电极25采用新式的锯齿状布局，与旧式矩形布局相比，其对空气流动的控制效果更好，产生的诱导射流速度更大。且旧式布局的等离子体激励器无法在高雷诺数下实现对流动分离的控制，而经改进的锯齿状布局的等离子体激励器在较高雷诺数下，依旧保持良好的控制效果，经研究在雷诺数达到3.2*105时，仍有一定的控制效果。
42.本实施例中，锯齿状等离子体激励器在齿尖处放电剧烈，齿根槽处放电较弱，因此产生的诱导射流集中在齿尖平面，这就会在齿根槽处形成相反的涡流，并沿桨叶的展向周期分布，这就使得诱导射流更加集中且速度更高，进而控制效果更好。
43.本实施例中，等离子体激励器主要由两种调制参数来调节：无量纲脉冲频率h和空占比k。两种调制参数均可在一定范围内连续变化，经研究在低雷诺数情况下，调制参数较小，雷诺数越大，最佳控制点的调节参数也越大。雷诺数为0.8*105时，最优调制参数为h＝0.61，k＝6％；雷诺数为2.1*105时，最优参数为h＝1.52，k＝51％；雷诺数为3.2*105时，最优参数为h＝6.3，k＝64％。两种参数中，h对流动控制的影响效果更大，而k对控制效果的影响较小。
44.作为一种可能的示例，本实施例中，空腔包括靠近直升机桨叶1的前缘的第一空腔16，以及靠近直升机桨叶1的后缘的第二空腔17。第一空腔16与第二空腔17通过腹板19分隔开，腹板19上设有连通第一空腔16与第二空腔17的通孔18。第一空腔16的侧壁上设有一个进线孔6和两个第一出线孔，第二空腔17的侧壁上设有两个第二出线孔。两个第一出线孔分别包括第一出线孔ⅰ20和第一出线孔ⅱ21，两个第二出线孔分别包括第二出线孔ⅰ22和第二出线孔ⅱ23。第一空腔16弦向长度为4.50cm，第二空腔17的弦向长度为8.20cm。
45.第一导线组包括第一导线8和第二导线9，第二导线组包括第三导线10和第四导线
11。第一导线8、第二导线9、第三导线10和第四导线11均由进线孔6进入第一空腔16，均采用za-yjv耐高压高温铜芯电缆。第一导线8经一个第一出线孔与第一激励器3的暴露电极25相连，第二导线9经另一个第一出线孔与第一激励器3的埋入电极26相连。第三导线10和第四导线11均由通孔18进入第二空腔17。第三导线10经一个第二出线孔与第二激励器2的暴露电极25相连，第四导线11经另一个第二出线孔与第二激励器2的埋入电极26相连。外接电源12采用双通道高压脉冲等离子体电源，可调整的工作电压范围为15kv～35kv，频率范围为100hz～3000hz。外接电源12上设有电压旋钮13和频率旋钮14，分别用于调整工作电压和工作频率。
46.第一激励器3沿直升机桨叶1的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿直升机桨叶1的横向位置布置在以上翼面前缘为基准15％～35％弦长的范围内。第二激励器2沿直升机桨叶1的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿直升机桨叶1的横向分布于上翼面以前缘为基准70～90％范围内。国内外文献表面，第一激励器3和第二激励器2的上述位置是抑制动态失速涡衍生以及发展的最佳位置。
47.作为一种可能的示例，本实施例中，直升机桨叶等离子体流动控制装置还包括全铰接式桨毂、旋转轴和环流器。直升机桨叶1安装于全铰接式桨毂的摆振铰位置上。旋转轴为空心轴，电流导线穿过全铰接式桨毂并进入空心轴内。环流器安装于空心轴上，电流导线、外接电源12均与环流器相连。使用时，外接电源12经环流器为电流导线供电，进而通过电流导线将电能传输至第一激励器3和第二激励器2。
48.该直升机桨叶等离子体流动控制装置可采用以下控制方式：
49.以直升机桨叶1的初始位置为0
°
，当直升机桨叶1旋转到170
°
位置时，第一激励器3和第二激励器2关闭。这样做主要是减小能耗，并且在此位置直升机桨叶1表面流体稳定，无需等离子发出流场控制。
50.当直升机桨叶1旋转到270
°
位置时，直升机桨叶1由于来流速度降低处于大迎角状态，并且由于直升机桨叶1的挥舞，会发生动态失速，第一激励器3和第二激励器2开启。
51.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于，包括：内部具有空腔的直升机桨叶；脉冲电压等离子体激励器，包括第一激励器和第二激励器；所述第一激励器沿径向布置于所述直升机桨叶的上翼面前缘，所述第二激励器沿径向布置于所述直升机桨叶的上翼面后缘；电流导线，包括为所述第一激励器供电的第一导线组和为所述第二激励器供电的第二导线组；所述第一导线组和所述第二导线组均穿过所述空腔；外接电源，所述外接电源同时与所述第一导线组、所述第二导线组相连，以分别向所述第一激励器和所述第二激励器供电。2.根据权利要求1所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述第一激励器和所述第二激励器均为纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器。3.根据权利要求2所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述纳秒脉冲表面介质阻挡放电激励器包括绝缘介质层、暴露电极和埋入电极；所述绝缘介质层设置于所述直升机桨叶的上翼面，所述暴露电极暴露在所述绝缘介质层外，所述埋入电极埋设于所述绝缘介质层内。4.根据权利要求3所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述暴露电极、所述埋入电极均沿所述直升机桨叶的径向布置，所述暴露电极、所述埋入电极在所述直升机桨叶的横向位置相互错开。5.根据权利要求4所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述暴露电极为锯齿状，且锯齿尖端朝向所述埋入电极；所述埋入电极为条状。6.根据权利要求3所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述空腔包括靠近所述直升机桨叶的前缘的第一空腔，以及靠近所述直升机桨叶的后缘的第二空腔；所述第一空腔与所述第二空腔通过腹板分隔开，所述腹板上设有连通所述第一空腔与所述第二空腔的通孔；所述第一空腔的侧壁上设有一个进线孔和两个第一出线孔，所述第二空腔的侧壁上设有两个第二出线孔。7.根据权利要求6所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述第一导线组包括第一导线和第二导线，所述第二导线组包括第三导线和第四导线；所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线均由所述进线孔进入所述第一空腔；所述第一导线经一个所述第一出线孔与所述第一激励器的所述暴露电极相连，所述第二导线经另一个所述第一出线孔与所述第一激励器的所述埋入电极相连；所述第三导线和所述第四导线均由所述通孔进入所述第二空腔；所述第三导线经一个所述第二出线孔与所述第二激励器的所述暴露电极相连，所述第四导线经另一个所述第二出线孔与所述第二激励器的所述埋入电极相连。8.根据权利要求1所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述第一激励器沿所述直升机桨叶的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿所述直升机桨叶的横向位置布置在以上翼面前缘为基准15％～35％弦长的范围内；所述第二激励器沿所述直升机桨叶的径向布置在距离桨根20％～80％径长范围内，沿所述直升机桨叶的横向分布于上翼面以前缘为基准70～90％范围内。9.根据权利要求1所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：所述直升机
桨叶上与所述第一激励器对应位置设有第一凹槽，所述直升机桨叶上与所述第二激励器对应位置设有第二凹槽。10.根据权利要求1所述的直升机桨叶等离子体流动控制装置，其特征在于：还包括全铰接式桨毂、旋转轴和环流器；所述直升机桨叶安装于所述全铰接式桨毂的摆振铰位置上；所述旋转轴为空心轴，所述电流导线穿过所述全铰接式桨毂并进入所述空心轴内；所述环流器安装于所述空心轴上，所述电流导线、所述外接电源均与所述环流器相连。

技术总结
本发明公开了一种直升机桨叶等离子体流动控制装置，包括直升机桨叶、脉冲电压等离子体激励器、电流导线和外接电源。直升机桨叶内部具有空腔。脉冲电压等离子体激励器包括第一激励器和第二激励器。第一激励器沿径向布置于直升机桨叶的上翼面前缘，第二激励器沿径向布置于直升机桨叶的上翼面后缘。电流导线包括为第一激励器供电的第一导线组和为第二激励器供电的第二导线组。第一导线组和第二导线组均穿过空腔。外接电源同时与第一导线组、第二导线组相连，以分别向第一激励器和第二激励器供电。相比于现有技术，本发明的直升机桨叶等离子体流动控制装置结构简单，易于实施。易于实施。易于实施。


技术研发人员：孔卫红 李游 郭柯义 史勇杰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/5/12