Численное моделирование и анализ границ режимов вихревого кольца несущего винта вертолета Ка-62
Опубликовано: 24.01.2024
Авторы: Макеев П.В., Игнаткин Ю.М., Шомов А.И., Селеменев С.В.
Опубликовано в выпуске: #1(145)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-1-2330
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов
Представлены результаты исследований аэродинамических характеристик несущего винта вертолета Ка-62 на режимах вихревого кольца. Использована нелинейная лопастная вихревая модель винта, разработанная на кафедре «Проектирование вертолетов» МАИ. Рассмотрены режимы вертикального и крутого снижения для углов атаки несущего винта в диапазоне от 90° до 30° и скоростей вертикального снижения от 0 до 30 м/с при постоянном осредненном по времени значении коэффициента тяги, равном 0,015. Получен большой объем данных, включающий картины обтекания несущего винта, интегральные аэродинамические характеристики и характер их изменения на различных режимах крутого снижения. На основе анализа этих аэродинамических характеристик с использованием комплекса специальных критериев построены границы режимов вихревого кольца в скоростных координатах по Vx и Vy. Полученные результаты сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными. Показана важность исследований границ области режимов вихревого кольца для конкретных винтов с учетом их индивидуальных особенностей, что существенно дополняет имеющийся опыт экспериментальных и численных исследований в данной области.
Литература
[1] Drees J.M., Hendal W.P. The field of flow through a helicopter rotor obtained from wind tunnel smoke tests. Journal of Aircraft Engineering, 1951, vol. 23 (266), pp. 107−111.
[2] Castles J., Gray R.B. Empirical relation between induced velocity, trust, and rate of descent of helicopter rotors as determined by wind-tunnel tests on four model rotors. NASA TN-2474, October 1951.
[3] Yaggy P.F., Mort K.W. Wind-tunnel tests of two VTOL propellers in descent. NASA TN D-1766, March 1963.
[4] Washizu K. et al. Experiments on a model helicopter rotor operating in the vortex ring state. Journal of Aircraft, 1966, vol. 3, iss. 3, pp. 225–230.
[5] Empey R.W., Ormiston R.A. Tail-rotor thrust on a 5.5-foot helicopter model in ground effect. In: American Helicopter Society 30th Annual National V/STOL Forum. Washington, D.C., May 1974, 13 p.
[6] Xin H., Gao Z. A Prediction of the helicopter vortex-ring state boundary. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 1996, no. 1, pp. 14–19.
[7] Betzina M.D. Tilt-rotor descent aerodynamics: a small-scale experimental investigation of vortex ring state. In: American Helicopter Society 57th Annual Forum, Washington, D.C., May 2001, 12 p.
[8] Green R.B., Gillies E.A., Brown R.E. The flow field around a rotor in axial descent. Journal of Fluid Mechanics, 2005, vol. 534, pp. 237−261.
[9] Stack J., Caradonna F.X., Savas Ö. Flow visualizations and extended thrust time histories of rotor vortex wakes in descent. Journal of the American Helicopter Society, 2005, vol. 50, no. 3, pp. 279–288.
[10] Brotherhood P. Flow through a helicopter rotor in vertical descent. Aeronautical Research Council, R&M no. 2735, July 1949.
[11] Stewart W. Helicopter behaviour in the vortex-ring conditions. Aeronautical Research Council, R&M No. 3117, November 1951.
[12] Yeates J.E. Flight measurements of the vibration experienced by a tandem helicopter in transition, vortex-ring state, landing approach, and yawed flight. NASA TN 4409, September 1958.
[13] Акимов А.И. Аэродинамика и летные характеристики вертолетов. Москва, Машиностроение, 1988, 144 с.
[14] Петросян Э.А. Аэродинамика соосного вертолета. Москва, Полигон-Пресс, 2004, 820 с.
[15] Jimenez J., Desopper A., Taghizad A., Binet L. Induced velocity model in steep descent and vortex-ring state prediction. In: 27th European Rotorcraft Forum. Moscow, Russia, September 2001.
[16] Вождаев Е.С. Теория несущего винта на режимах вихревого кольца. Труды ЦАГИ, вып. 1184. Москва, 1970, 18 с.
[17] Шайдаков В.И. Теоретические исследования работы несущего винта вертолета на режимах вертикального снижения. Известия вузов. Авиационная техника, 1960, № 1, с. 43–51.
[18] Белоцерковский С.М., Локтев Б.Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и упругих характеристик винтов вертолета. Москва, Машиностроение, 1992, 224 с.
[19] Тябрисова Н.У., Ивчин В.А. Математическое моделирование индуктивных скоростей при положительных углах атаки несущего винта и расчет границ «вихревого кольца». Труды МВЗ им. М.Л. Миля. Москва, 1997, с. 97−106.
[20] Leishman J.G., Bhagwat M.J., Ananthan S. Free-vortex wake predictions of the vortex ring state for single rotor and multi-rotor configurations. In: American Helicopter Society 58th Annual Forum, June 11–13, 2002, Montreal, Canada. 30 p.
[21] Аникин В.А., Павлиди Ф.Н. Особенности аэродинамики несущих винтов на режимах снижения и торможения вертолета. Общероссийский научно-технический журнал «Полет», 2004, № 9, с. 52−59.
[22] Celi R., Ribera M. Time marching simulation modeling in axial descending through the vortex ring state. In: American Helicopter Society 63th Annual Forum, May 1–3, 2007, Virginia Beach, USA, 32 p.
[23] Крымский В.С., Щеглова В.М. Исследование вихревой системы и индуктивных скоростей несущего винта на режимах висения и крутого планирования. Научный вестник МГТУ ГА, 2014, № 200, с. 86−90.
[24] Ahlin G.A., Brown R.E. Wake structure and kinematics in the vortex ring state. Journal of the American Helicopter Society, 2009, vol. 54, no. 3, pp. 1–18.
[25] Mohd R.N., Barakos G.N. Performance and wake analysis of rotors in axial flight using computational fluid dynamics. Journal of Aerospace Technologies and Management, 2017, vol. 9, no. 2, pp. 193−202.
[26] Kinzel M.P., Cornelius J.K., Schmitz S., Palacios J., Langelaan J.W., Adams D.S., Lorenz R.D. An investigation of the behavior of a coaxial rotor in descent and ground effect. In: AIAA Scitech 2019 Forum. American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 2019, San Diego, USA. https://doi.org/10.2514/6.2019-1098
[27] Johnson W. Model for vortex ring state influence on rotorcraft flight dynamics. NASA/TP-2005-213477. Ames Research Center, Moffett Field, California, 2005, 61 p.
[28] Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И., Шайдаков В.И. Расчетные исследования режимов крутого снижения несущего винта на базе нелинейной лопастной вихревой модели. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2019, № 2, с. 68−77.
[29] Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Гревцов Б.С., Шомов А.И. Нелинейная лопастная вихревая теория винта и ее приложения для расчета аэродинамических характеристик несущих и рулевых винтов вертолета. Вестник Московского авиационного института, 2009, т. 16, № 5, с. 24−31.
[30] Макеев П.В., Игнаткин Ю.М. Влияние геометрической компоновки на аэродинамические характеристики несущего винта на режимах «вихревого кольца». Вестник Московского авиационного института, 2023, т. 30, № 2, с. 82−95.
[31] Makeev P.V., Ignatkin Yu.M., Shomov A.I. Numerical investigation of full scale coaxial main rotor aerodynamics in hover and vertical descent. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, vol. 34, iss. 5, pp. 666–683.
[32] Makeev P.V., Ignatkin Yu.M., Shomov A.I., Ivchin V.A. Comparative study of 3-bladed and scissors tail rotors aerodynamics in axial flow. International Review of Aerospace Engineering (IREASE), 2022, vol. 15, iss. 2, pp. 181–191.