ЗАКОНЦОВКА ЛОПАСТИ ВЕРТОЛЕТА

Изобретение полезной модели «Законцовка лопасти вертолета» относится к авиационной технике, в частности к аэродинамике обтекаемых конструкций, создающих подъемную или тяговую силу и может быть использовано для несущих и управляющих лопастей вертолетов, крыла самолета, а также для воздушных винтов самолетов. Кроме того, изобретение может быть использовано в гидродинамике при создании лопастей винтов, гидротурбин, подводных крыльев.
Современный уровень техники проанализирован на основе известных заявителю технических решений. Так, известна лопасть несущего винта вертолета ЕПВ (ЕП) 3 №0351104 от 17.01.90 г., скошенный конец которой имеет скошенную концевую кромку. Кромка опущена вниз для изменения распределения присоединенного вихря, вызванного продольным воздушным потоком над скошенной кромкой. В результате, уменьшается аэродинамический продольный момент от лопасти в переднем и заднем секторах, ометаемого несущим винтом при прямолинейном горизонтальном полете вертолета.
Действительно, отклоненная вниз концевая кромка способствует изменению положения присоединенного вихря по высоте профиля. Однако, это положение не изменяет его интенсивности и связанных с этим потерь тягового КПД лопасти. Поэтому, данное устройство недостаточно эффективно для повышения тягового КПД лопасти.
Известна лопасть с криволинейной концевой частью для вращающейся лопасти летательного аппарата ЕПВ (ЕП) 3 №0298826 от 11.01.89 г.
Лопасть отличается тем, что наклон вниз концевой части выполнен по всему размаху этой части. При этом, концевая часть лопасти имеет такую кривизну, что ее верхняя поверхность выпуклая, а нижняя вогнутая.
Данное устройство концевой части лопасти представляет собой концевую шайбу по типу вертикального крылышка Уиткомба для крыла самолета.
Такое крылышко-шайба для вращающейся лопасти, действительно, препятствует продольному потоку вдоль лопасти. Однако, это препятствие утолщает пограничный слой в концевой части лопасти. Это приводит к необходимости обтекания более «толстого» профиля, то есть к возрастанию профильного сопротивления с более интенсивным отрывом потока и, поэтому, с недостаточно эффективным тяговым КПД лопасти. Данное устройство лопасти наиболее близко по технической сущности к заявляемому и принято за прототип.
Нами предложено дальнейшее развитие несущей поверхности лопасти путем создания дополнительной концевой вихревой поверхности, способной более эффективно регулировать распределение давление на лопасти с использованием энергии концевого вихря и утилизации ее для создания нового вихревого пограничного слоя между оконечностью лопасти и окружающей средой. Реализация этого развития является устройство лопасти винта с более низким собственным сопротивлением при создании подъемной силы и снижением изгибающего момента, действующего на лопасть.
Более того, при традиционной аэродинамической компоновке лопасти (крыла), когда установлен изогнутый вверх профиль по всему размаху лопасти до самого ее конца, имеет место известный концевой эффект лопасти (крыла). Сжатый на нижней поверхности лопасти воздух устремляется вверх в зону разрежения на верхней поверхности лопасти. Этот интенсивный переток происходит именно в районе торцевой кромки лопасти, где поток завихряется и этот возникший вихрь, как вихревой канат, тянется за лопастью на достаточно большом удалении. Он уносит, как установлено, около 50% энергии движетеля и снижает КПД лопасти (аэродинамическое качество).
С целью уменьшения интенсивности перетока воздуха с нижней поверхности лопасти на верхнюю, концевую поверхность лопасти (законцовку), составляющую около 5% площади лопасти, снабжают специальными
профилями, которые создают поверхность с обратной (отрицательной) подъемной силой. Благодаря этому уменьшается разница давлений на нижней и верхней поверхности лопасти в районе законцовки, т.е. ослабляется источник возникновения вихря.
Степень ослабления интенсивности вихря зависит от скорости набегающего потока, рабочих углов атаки лопасти, что имеет особо важное значение при обтекании лопасти сверхзвуковым потоком.
Согласно изобретения это достигается тем, что концевая поверхность лопасти выполнена в виде профилированной поверхности, срединная плоскость которой расположена выпуклостью вниз. Размах концевой поверхности примерно равный 1-2 длинам опорной (исходной) хорды лопасти вертолета.
Примером конкретного осуществления предложенной полезной модели служит конструкция, показанная на чертежах.
На фиг.1 - дан вид законцовки сверху.
На фиг.2 (сеч. А-А) - дана типовая форма профиля лопасти наиболее часто применяемая на современных вертолетах.
На фиг.3 (сеч. Б-Б) - дана форма типового профиля переходной зоны от лопасти к законцовке, толщина типового профиля - 5-15%.
На фиг.4 (сеч. В-В) - дана форма типового профиля законцовки по предмету патентования, толщина типового профиля - 5-15%.
На фиг.5 - дана форма срединной плоскости типового профиля законцовки относительно хорды (вогнутостью вниз).
На фиг.6, 7 - показано моделирование обтекания законцовки лопасти и продувочная модель законцовки по предмету патентования.
На исходной лопасти 1, имеющей в общем случае некоторую стреловидность передней и задней кромок установлена законцовка 2 новой лопасти 8, содержащая переднюю кромку 3 заканчивающуюся оконечностью 4 и заднюю кромку 5.
Профилированные верхняя и нижняя поверхность лопасти 1 плавно сопряжены с верхней и нижней поверхностью законцовки 2 по переходной зоне
6 с образованием типового профиля фиг.3 (сеч. Б-Б). Начало законцовки определяется опорной хордой 7 исходной лопасти 1.
Длина хорды 7 определяет при построении размер законцовки 2, а именно ее размах, т.е. длину задней кромки 5 законцовки 2. Размах законцовки 2 составляет 5-15% размаха итоговой лопасти 8. Размах итоговой лопасти 8 состоит из размаха исходной лопасти 1 и размаха законцовки 2.
Работает законцовка следующим образом. При больших углах атаки, например на взлете или посадке, когда интенсивность концевого вихря на лопасти 8 максимальна, передняя поверхность законцовки создавая подсасывающую силу разворачивает концевой вихрь в сторону продолжения лопасти, увеличивая тем самым эффективное удлинение лопасти. За счет этого 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 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 в целом.
При этом, наличие отрицательной подъемной силы в зоне законцовки, благоприятно трансформирует общую эпюру распределения давления вдоль лопасти, сдвигая точку приложения равнодействующей подъемной силы к корню - за счет создания небольшой зоны отрицательной подъемной силы на законцовке, что соответственно уменьшает изгибающий момент. Это повышает прочность конструкции, ее грузоподъемность и высотность.
Кроме того, как показали исследования экспериментальных и математических моделей (фиг.6, 7), предложенная профилированная поверхность заявляемой законцовки создает благоприятный продольный момент на кабрирование в зоне законцовки, что снижает вибропрочностные нагрузки на лопасть и уменьшает тряску в системе управления вертолетом.