ЗАКОНЦОВКА ЛОПАСТИ ВИНТА

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к лопасти винта летательного аппарата и может быть использована для создания винтов, работающих в условиях околозвукового обтекания.
Известно техническое решение по патенту «Многополостный воздушный винт летательного аппарата» (патент SU №1711664, 22.10.1987), содержащее многолопастный винт, имеющий количество лопастей более восьми, предназначенный для самолетов с околозвуковыми скоростями полета (число Маха >0,65), которое имеет оптимальное соотношение формы лопасти и относительной толщины профилей, что значительно улучшает характеристики многолопастного винта.
Однако указанные профили лопастей построены по теории несущей поверхности с образованием положительной кривизны профилей, что приводит к падению КПД лопасти.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели, является решение по патенту «Аэродинамический профиль лопасти воздушного винта летательного аппарата» (патент SU №1540653 A3, 18.11.1982), в котором лопасти выбраны из профилей, максимальная кривизна которых расположена на 35% хорды, а относительная толщина профилей составляет 2-6%, что обеспечивает снижение потребляемого топлива на 30%. Указанные профили имеют среднюю линию, расположенную выпуклостью вверх, то есть имеют положительную кривизну. Такое расположение средней линии профиля законцовки лопасти приводит к резкому перепаду давлений - от высоких давлений на тыльной стороне лопасти в зону низких давлений на фронтальной стороне лопасти.
Этот перепад давлений сопровождается зарождением мощных концевых вихрей, уносящих до 50% полезной энергии двигателя. Более того при приближении скорости обтекания концов лопасти к скорости звука появляются ударные волны, срывное обтекание на конце лопасти, высокочастотные колебания («зуд») конструкции, срывной флаттер, приводящий к мгновенному разрушению конструкции. Ослабить этот перепад давления можно за счет уменьшения разности давлений в зоне законцовки.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение интенсивности концевого завихрения лопасти при перетоке сжатого воздуха с тыльной стороны лопасти в зону разреженного воздуха на фронтальной стороне лопасти.
Техническим результатом, достигаемым заявленной полезной моделью, является повышение КПД лопасти винта на околозвуковых скоростях обтекания.
Согласно полезной модели, заявленный технический результат достигается тем, что законцовка лопасти винта, содержащая профилированную верхнюю и нижнюю поверхности, имеет профили, средние линии которых направлены выпуклостью вниз, при этом относительная площадь законцовки по отношению к общей площади лопасти составляет от 2 до 10%, площадь зоны сопряжения законцовки с лопастью составляет от 1 до 3% общей площади лопасти, а относительная толщина профилей законцовки составляет от 5 до 15%.
Полезная модель поясняется следующими фигурами чертежей:
Фиг.1 - форма законцовки лопасти заявленной полезной модели;
Фиг.2 - эпюрный профиль законцовки;
Фиг.3 - формы профилей законцовки, согласно полезной модели;
Фиг.4 - результаты испытаний законцовки.
Законцовка 2 имеет переднюю кромку 3 и заднюю кромку 4 и сопряжена с лопастью 1 по зоне 6, площадь сопряжения которой с лопастью составляет 1-3% общей площади лопасти, законцовка снабжена профилями 5.
Работает законцовка следующим образом. При больших углах установки лопасти на взлете или посадке, когда интенсивность концевого вихря на лопасти 1 максимальна, передняя кромка 3 законцовки, создавая подсасывающую силу, разворачивает концевой вихрь в сторону продолжения лопасти, увеличивая тем самым эффективное удлинение лопасти. За счет чего снижается индуктивное сопротивление законцовки и лопасти в целом. Энергия набегающего потока почти полностью реализуется в обратную подъемную силу в зоне законцовки, в то время как в районе задней кромки 4 законцовки образуется устойчивое вихревое течение безотрывное по отношению к задней поверхности законцовки. Такое взаимодействие двух устойчивых безотрывных структур потока в зонах передней и задней кромок законцовки создает безотрывное обтекание законцовки лопасти на больших околозвуковых и сверхзвуковых режимах обтекания.
Таким образом устанавливаемые на лопасти законцовки с новыми профилями, отличительной особенностью которых является измененная форма средней линии, которая направлена выпуклостью вниз (так называемая отрицательная кривизна)
позволяют создавать разрежение на тыльной стороне лопасти (там, где было давление) и давление на фронтальной стороне лопасти (там, где было разряжение). Такое новое перераспределение давления на законцовке лопасти существенно до 30% способно ослабить переток энергии в вихрь и соответственно повысить КПД винта, а также устранить высокочастотные колебания («зуд») винта и срывной флаттер.
В результате экспериментальных исследований лопасти с заявленной, согласно полезной модели, законцовкой определен оптимальный диапазон относительной толщины профилей законцовки, который составляет от 5 до 15% (относительная толщина профиля представляет собой отношение максимальной толщины профиля к длине хорды с=с/в, где в - длина хорды профиля, которая представляет собой отрезок прямой, соединяющий две наиболее удаленные друг от друга точки профиля). Результаты испытаний приведены на фиг.4, где видно повышение КПД до 12%.
При таком диапазоне относительной толщины профилей законцовки на околозвуковых скоростях отсутствуют скачки уплотнения на законцовке без ослабления конструкции.
В результате проведенных исследований выявлено оптимальное соотношение относительной площади законцовки к общей площади лопасти 2-10%, а также площади зоны сопряжения законцовки с лопастью 1-3% общей площади лопасти. Так, при большой относительной площади указанных зон, например, испытанных нами 20% площади законцовки происходит большая потеря тяговых свойств лопасти, которую не компенсирует положительный эффект законцовки. При малых относительных размерах, например, менее 2% эффект законцовки реализуется недостаточно, что видно из опытных данных на фиг.4.
Поэтому найдены целесообразные соотношения площадей законцовки и зоны сопряжения по отношению к общей площади лопасти, составляющей 2-10% и 1-3% соответственно.
Таким образом заявленная полезная модель решает проблему совершенствования условий обтекания законцовки лопасти, улучшения ее аэродинамических свойств. Проведенные испытания показали повышение КПД лопасти винта до 12%