Влияние крутки лопастей и нагрузки на ометаемую поверхность на аэродинамические характеристики несущего винта на режимах «вихревого кольца»
Опубликовано: 02.07.2024
Авторы: Макеев П.В.
Опубликовано в выпуске: #7(151)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-7-2370
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов
Представлены результаты параметрических исследований влияния геометрической компоновки (крутки лопастей) и нагрузки на ометаемую поверхность на аэродинамические характеристики несущего винта (НВ) и границы режимов «вихревого кольца». Рассмотрены режимы вертикального снижения НВ в определенном диапазоне скоростей при фиксированном угле установки лопастей. Эксперименты проведены на базе нелинейной лопастной вихревой модели винта, разработанной на кафедре «Проектирование вертолетов» МАИ. Выполнена валидация модели на основе данных известных экспериментов Вашизу и Азума (Washizu & Azuma). Исследованы 16 моделей НВ с разными сочетаниями крутки лопастей и нагрузки на ометаемую поверхность (на висении). Установлено, что рассмотренные параметры оказывают существенное влияние на аэродинамические характеристики НВ и границы режимов «вихревого кольца», включая построенные в безразмерных относительных скоростях снижения. Сделаны выводы, помогающие объяснить наблюдаемые в экспериментах различия в границах режимов «вихревого кольца», построенных в относительных координатах, связывая их с параметрами винтов. Следовательно, при анализе границ режимов «вихревого кольца» винтов вертолетов необходимо осуществлять комплексный учет крутки лопастей и нагрузки на ометаемую поверхность винта.
EDN RIPEOA
Литература
[1] Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И. Расчетное исследование влияния геометрической компоновки несущих винтов на КПД на режиме висения на базе нелинейной лопастной вихревой модели. Научный вестник МГТУ ГА, 2018, 21(6), с. 43–53.
[2] Акимов А.И. Аэродинамика и летные характеристики вертолетов. Мoсква, Машиностроение, 1988, 144 с.
[3] Петросян Э.А. Аэродинамика соосного вертолета. Москва, Полигон-Пресс, 2004, 820 с.
[4] 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.
[5] Yeates J.E. Flight measurements of the vibration experienced by a tandem helicopter in transition, vortex-ring state, landing approach, and yawed flight. NACA-TN-4409, September 1958.
[6] 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.
[7] Castles J., Gray R.B. Empirical relation between induced velocity, trust, and rate of descent of a helicopter rotor as determined by wind-tunnel tests on four model rotors. NASA-TN-2474. October 1,1951.
[8] Yaggy P.F., Mort K.W. Wind-tunnel tests of two VTOL propellers in descent. NASA-TND-1766. March 1, 1963.
[9] 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.
[10] Azuma A., Obata A. Induced Flow Variation of the helicopter rotor operating in the vortex ring state. Journal of Aircraft, 1968, vol. 5, iss. 4, pp. 381–386.
[11] 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, DC, 1974, May, 13 p.
[12] Xin H., Gao Z. A Prediction of the helicopter vortex-ring state boundary. In: Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 1996, no. 1, pp. 14–19.
[13] Betzina M.D. Tiltrotor descent aerodynamics: a small-scale experimental investigation of vortex ring state. In: American Helicopter Society 57th Annual Forum. Washington, DC, 2001, May, 12 p.
[14] 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.
[15] 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.
[16] Шайдаков В.И. Теоретические исследования работы несущего винта вертолета на режимах вертикального снижения. Известия вузов. Авиационная техника, 1960, № 1, с. 43–51.
[17] Вождаев Е.С. Теория несущего винта на режимах вихревого кольца. Труды ЦАГИ, вып. 1184. Москва, 1970, 18 с.
[18] Wolkovitch J. Analytical prediction of vortex-ring state boundaries for helicopters in steep descents. Journal of the American Helicopter Society, 1972, vol. 17, no. 3, pp. 13–19.
[19] Peters D.A., Chen S.Y. Momentum theory, dynamic inflow, and the vortex ring state. Journal of the American Helicopter Society, 1982, vol. 27, no. 3, pp. 18–24.
[20] 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, 1997, с. 97−106.
[21] 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.
[22] 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: American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., AIAA Scitech 2019 Forum. San Diego, USA, 2019.
[23] Stalewski W., Surmacz K. Investigations of the vortex ring state on a helicopter main rotor using the URANS solver. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2020, vol. 92, no. 9, pp. 1327–1337.
[24] Murat Şenipek, Ilgaz Doğa Okcu, Ozan Tekinalp, Kemal Leblebicioğlu. System identification of E-VTOL rotor in vortex ring state by viscous vortex particle method. In: 49th European Rotorcraft Forum. Bückeburg, Germany, September 2023.
[25] Белоцерковский С.М., Локтев Б.Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и упругих характеристик винтов вертолета. Москва, Машиностроение, 1992, 224 с.
[26] 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.
[27] 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.
[28] 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.
[29] 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.
[30] Brown R., Leishman J., Newman S., Perry F. Blade twist effects on rotor behaviour in the vortex ring state. In: 28th European Rotorcraft Forum, Bristol, UK, September, 2002.
[31] 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.
[32] 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.
[33] Макеев П.В., Игнаткин Ю.М., Шомов А.И., Селеменев С.В. Численное моделирование и анализ границ режимов вихревого кольца несущего винта вертолета Ка-62. Инженерный журнал: наука и инновации, 2024, вып. 1. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2024-1-2330
[34] 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.