2006_penguin马里兰大学直升机设计大赛作品

小羚羊 · 发表于 2013-6-16 12:17:38

TURBINE TRAINER HELICOPTER
Alfred Gessow Rotorcraft Center
Department of Aerospace Engineering
University of Maryland, College Park
Graduate Level Design Category
Contents
Table of Contents ii
List of Figures vii
List of Tables ix
Abbreviations x
RFP Compliance xi
Executive Summary 1
Foldout 1: Four-View Drawing of the Penguin 6
Foldout 2: Inboard Profile 7
Foldout 3: Engine Drawing 8
1 Introduction 9
1.1 Design Drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Configuration Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Engine Design Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Preliminary Sizing and Weight Estimate 11
2.1 Design Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Main Rotor and Hub Design 16
3.1 Blade Aerodynamic Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Blade Structural Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 Blade Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 Blade Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.3 Vibration Reduction with Structural Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.4 Leading Edge Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.5 Tip Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.6 Trim Tab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.7 Lightning Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Hub Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 Hub Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Flexbeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3 Torque Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.4 Elastomeric Lag Damper/Frequency Adaptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Rotor Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.1 Dynamic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.2 Aeroelastic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.3 Ground and Air Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Tail Rotor 23
5 Variable Handling Qualities 24
5.1 Approaches to Variable Handling Qualities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2 Mechanical Phase-Lead System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.3 Mechanical Phase-Lag System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.4 Hybrid Lead-Lag Compensator Design for Penguin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6 ‘Pyros’ Engine 29
6.1 Configuration Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.1.1 Inlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.1.2 Radial Compressor/Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.1.3 Reverse Flow Annular Combustor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.1.4 Axial Flow Free Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.2 Engine Cycle Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.2.1 RFP requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.2.2 Parametric Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.2.3 Design Point Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.4 Off-Design Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.5 Altitude Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.3 Compressor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.3.1 Impeller Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.3.2 Vaneless Radial Diffuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.3.3 Vaned Radial Diffuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3.4 Vaned Axial Diffuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3.5 Rotor Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3.6 Stress Analysis and Material Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3.7 Manufacturing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4 Combustor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4.1 Sizing of Combustion Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4.2 Combustor Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.4.3 Fuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.4.4 Materials and Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.5 Turbine Section Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.5.1 Radial Turbine Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.5.2 Axial Turbine Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.5.3 Inter-Turbine Duct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.5.4 Turbine Blade Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.5.5 Manufacturing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.6 Foil Air Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.7 Accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.7.1 Fuel System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.7.2 Ignition System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.7.3 Starting System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.7.4 Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8 Engine Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.1 Engine Weight and Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.2 Engine Assembly and Disassembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.3 Engine Design Characteristics - A Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7 Drive System 53
7.1 Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2 Drive System Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.3 Gear Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.4 Weight Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.5 Tail Rotor Drive and Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.6 Lubrication, Filtering, Heat Removal and Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8 Health and Usage Monitoring System 58
8.1 Sensors for HUMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.2 Data Processing and Management System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.3 Vibratory Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9 Airframe Structural Design 60
9.1 Structural Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.2 Crashworthiness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.3 Engine Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10 Subsystems 63
10.1 Cockpit Instruments Layout and Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10.1.1 Steam-Gauge Cockpit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10.1.2 Glass Cockpit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
10.2 Flight Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.3 Electrical System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.4 Lighting System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.5 Heating and Ventilation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.6 Pitot Static System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.7 Flight Data Recorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
11 Performance Analysis 68
11.1 Drag Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
11.2 Hover Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
11.3 Forward Flight Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
11.4 Range and Endurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.5 Autorotational Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
12 Cost Analysis 73
12.1 Lean Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
12.2 Acquisition Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
12.3 Operating Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
12.4 Analysis Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
13 Conclusions 77
MIL-STD-1374 Weight Statement 78
References 79