Исследование влияния струй от воздушных винтов на аэродинамические характеристики самолета

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

УДК 629.735.015

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУЙ ОТ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САМОЛЕТА

И.С. ВАСИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Рассматриваются некоторые особенности экспериментальных исследований в аэродинамических трубах по определению влияния струй от воздушных винтов на аэродинамические характеристики модели самолета.

Ключевые слова: аэродинамические характеристики, экспериментальные исследования, аэродинамические трубы, влияние воздушных винтов.

Проектирование самолетов с турбовинтовыми двигателями выдвигает требование определения влияния струй от воздушных винтов (ВВ) на аэродинамические характеристики (АДХ) на этапе проектирования самолета до начала летных испытаний. Такие исследования с моделированием работы силовой установки с ВВ являются сложной технической задачей и ранее они проводились на крупномасштабных макетах - моделях самолетов в большой аэродинамической трубе (АДТ) ЦАГИ Т - 101. Однако испытания этих макет-моделей, даже без моделирования работы силовой установки, как правило, заканчивались после начала летных испытаний самолета. Получаемые результаты экспериментальных исследований опаздывали для анализа, а следовательно, заметно возрастал риск в отношении обеспечения безопасности начальных испытательных полетов самолета.

В 1970 -х годах в ЦАГИ проводились работы по дальнейшему развитию методов расчета влияния воздушных винтов на аэродинамику самолета под руководством Наумова С.Я. [1].

С появлением технических возможностей по изготовлению достаточно мощных малогабаритных высокоскоростных электродвигателей (работа выполнена Новосибирским электротехническим институтом по инициативе ОКБ АК "Ил" в конце 1980-х годов) в СибНИА были разработаны методика и технология аэродинамического эксперимента с работающими имитаторами силовой установки (ИСУ) на маломасштабных аэродинамических моделях в АДТ Т-203 [2].

В аэродинамической трубе Т-203 СибНИА было обеспечено проведение испытаний моделей с моделированием работы силовой установки по двум принципиально различающимся схемам:

• По традиционной схеме "с присоединенной силовой установкой", когда ИСУ крепятся на модели через внутримодельные тензометрические весы, которые измеряют силы и моменты, действующие на ВВ, а все суммарные силы и моменты, действующие на модель и ВВ, замеряются на аэродинамических весах АДТ. Реализация технологии испытаний "с присоединенной силовой установкой" требует соответствующих габаритов высокоскоростных электроприводов ВВ, которые смогут быть размещены в объемах мотогондол аэродинамической модели. В этом случае аэродинамические нагрузки, действующие только на модель, получают как разность аэродинамических нагрузок, измеренных на внешних аэродинамических весах АДТ и внутримо-дельных тензометрических весах ИСУ. Это обстоятельство требует высокой точности измерений обоих весов. Кроме того, наличие механической связи от модели через жгут, обеспечивающий подвод питания к электродвигателям ИСУ и передачу замеров тензометрии, может создавать определенные трудности в обеспечении корректных измерений аэродинамических нагрузок.

• По схеме "с отсоединенной силовой установкой", когда устройство привода ВВ, например электродвигатели, устанавливается в мотогондолах модели с зазором, обеспечивающим от-

сутствие механического контакта силовой установки и модели, и поддерживающимися специальными стойками, через которые передаются аэродинамические нагрузки от ВВ на весы. Весы в этом случае располагаются вне модели в любом удобном месте. В такой схеме одни весы измеряют силы и моменты, создаваемые ИСУ с ВВ, другие - только аэродинамические нагрузки, действующие на модель. Раздельное, непосредственное измерение нагрузок силовой установки и модели, обеспечиваемое этой схемой, создают условия для существенного повышения точности измерений. Однако при испытаниях на углах скольжения и повышенных углах атаки применение этой технологии, зависящей от формы и габаритов специального устройства, поддерживающего ИСУ с ВВ, может давать дополнительную погрешность.

Такие экспериментальные исследования (с двумя схемами установки ИСУ) были впервые выполнены в практике ОКБ в конце 1980-х годов при испытаниях маломасштабной аэродинамической модели двухдвигательного самолета типа Ил-114 (масштаб модели 1 : 12) [ 3, 4 ].

Эти исследования были завершены до первого вылета самолета, и их результаты были использованы для обеспечения начала летных испытаний.

Подобные исследования на тематических аэродинамических моделях двухдвигательных самолетов проводились Деришевым С.Г. с последующим подробным анализом полученных результатов [ 5 ].

При разработке в ОКБ АК "Ил" нового легкого транспортного самолета исследования по определению влияния струй от ВВ на аэродинамические характеристики выполнялись в ЦАГИ по принятой технологии "с присоединенной силовой установкой" на маломасштабной аэродинамической модели в АДТ Т-102 ЦАГИ [ 6, 7, 8 ].

Остановимся на основных особенностях этих экспериментальных исследований и технологии обработки полученных результатов.

На аэродинамической модели, выполненной в масштабе 1 : 9,6, устанавливались два ИСУ, вписанные в габариты мотогондол двигателей (разработка ЦАГИ). ИСУ включали: модельные ВВ, выполненные геометрически подобными однорядному 6-лопастному винту АВ-112; электроприводы - высокочастотные асинхронные электродвигатели; 6-тикомпонентные внутримо-дельные тензовесы, измерители числа оборотов и термоиндикаторы для контроля температуры обмотки электродвигателей.

Комплексные испытания по методике ЦАГИ включали в себя 4 вида испытаний:

1. Определение АДХ модели без ВВ (база).

2. Определение характеристик модели изолированного ВВ в АДТ на специальной установке, состоящей из гондолы с установленными в ней электродвигателем и 6-компонентными тен-зовесами для измерения сил и моментов, действующих на ВВ.

3. Методические испытания модели при наличии обтекателя кабелей электропитания электроприводов и тензометрии.

4. Определение суммарных сил и моментов, действующих на модель с работающими ВВ с помощью механических весов АВ-102 с одновременными измерениями сил и моментов, действующих на ВВ, с помощью внутримодельных 6-компонентных тензовесов.

На основе результатов испытаний изолированного винта (п. 2 ), выполненных при различных величинах углов установки лопастей ВВ (фл), числа оборотов (пс, 1/с) и скорости потока в АДТ, определяются основные параметры подобия - коэффициент нагрузки на ометаемую винтом площадь (Бом): В = ТВ/ддаЕом, где ТВ - фактическая тяга винта; - скоростной напор набе-

гающего потока; относительная поступь винта Хв = У«/псБВ, где БВ - диаметр ВВ.

По результатам испытаний, выполненных в соответствии с п.п. 1, 3 и 4 методики, сначала определяются аэродинамические коэффициенты с работающими ВВ в зависимости от углов атаки и скольжения при различных конфигурациях модели. Исключается влияние обтекателя кабелей энергообеспечения электроприводов ВВ и измерительных коммуникаций. Определяются суммарные АДХ модели как без, так и с работающими ВВ при различной интенсивности

обдува. Эти характеристики включают в себя силы и моменты на ВВ в компоновке полной модели самолета и аэродинамические силы, действующие на планер модели самолета в условиях обдува струями ВВ.

Вычитая из характеристик модели с ВВ измеренные внутримодельными тензовесами составляющие сил и моментов (фактически замеренные силы и моменты на ВВ), определяются АДХ при различной интенсивности обдува струями от ВВ.

На рис. 1, 2 для конфигурации с закрылками, отклоненными на угол БЗ = 20°, показаны типовые характеристики: несущие свойства и поляра модели при коэффициенте обдува В = 1,0 с силами от ВВ и с исключением сил от ВВ, а также характеристики без ВВ (база) и в режиме установки винтов во флюгерное положение.

Су

Суа

Видно, как изменяются характеристики при учете сил, действующих на ВВ.

Разница между характеристиками модели при В = уаг с исключением сил от ВВ (рис. 1, 2) и характеристиками модели без ВВ (база) дает изменение аэродинамических характеристик при разной интенсивности обдува.

На рис. 3, 4, 5 представлены полученные в результате обработки в ОКБ изменения несущих свойств, аэродинамического сопротивления и продольного момента от интенсивности обдува.

dC ya Обдув

Рис. 3. Изменение несущих свойств от интенсивности обдува

dCxa Обдув

Рис. 4. Изменение аэродинамического сопротивления от интенсивности обдува

Аналогичным образом можно проводить обработку боковых аэродинамических характеристик с учетом влияния обдува струями от ВВ.

Таким образом, используемая технология проведения испытаний в АДТ маломасштабных аэродинамических моделей с имитаторами турбовинтовых двигателей и проводимая обработка получаемых результатов позволяют получать не только суммарные АДХ модели с работающими ВВ, но и выделять их вклад в изменение характеристик, а также оценивать их влияние на продольную и боковую статическую устойчивость самолета, что важно для обеспечения безопасности начальных летных испытаний самолета.

В заключение автор приносит большую благодарность главному аэродинамику ОКБ АК "Ил" Муравьеву Г.Г. за постоянную поддержку и техническое руководство при проведении данной экспериментально-исследовательской работы. Необходимо также отметить большой вклад специалистов СибНИА под руководством Деришева С.Г. и ЦАГИ под руководством Петрова А.В. при отработке аэродинамики двухдвигательных самолетов ОКБ на маломасштабных аэродинамических моделях с ИСУ.

d m za Обдув

Рис. 5. Изменение продольного момента от интенсивности обдува

ЛИТЕРАТУРА

1. Наумов С.Я., Пустовойтов В.П., Руденя В.И. Методика расчета влияния воздушных винтов на аэродинамические характеристики самолета // Труды ЦАГИ, 1971. - Вып. 1312.

2. Деришев С.Г., Рогозин Ю.А., Сергеев А.В., Чемезов В. Л. Техника и методика испытаний моделей с работающими воздушными винтами в аэродинамической трубе Т-203 СибНИА: отчет СибНИА № 154-88. 1988.

3. Васин И.С., Рогозин Ю.А., Сергеев А.В. Результаты испытаний исполнительной модели самолета Ил-114 в аэродинамической трубе Т-203 СибНИА: отчет СибНИА № 140-89. 1989.

4. Васин И.С., Рогозин Ю.А., Сергеев А.В. Результаты испытаний исполнительной модели самолета Ил-114 в аэродинамической трубе Т-203 СибНИА с моделированием работы винтовых двигателей: отчет СибНИА № 15889. 1989.

5. Деришев С.Г. Аэродинамическая интерференция воздушных винтов и планера двухдвигательного самолета: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 2000.

6. Петров А.В., Степанов Ю.Г., Савин П.В., Кишалов А.Н., Михайлов Ю.С. Исследование продольных и боковых аэродинамических характеристик модели ЛВТС с имитаторами силовой установки на режимах взлета и посадки: отчет ЦАГИ; Инв. № 11464, 2006.

7. Кишалов А.Н., Петров А.В., Савин П.В., Степанов Ю.Г., Васин И.С., Муравьев Г.Г. Экспериментальные исследования влияния воздушных винтов на аэродинамические характеристики транспортного самолета в аэродинамической трубе Т-102 ЦАГИ. / материалы XX школы-семинара "Аэродинамика летательных аппаратов". -М.: ЦАГИ, 2009.

8. Предварительные результаты испытаний модели ЛВТС в АДТ Т-102 ЦАГИ по определению аэродинамических характеристик при различных углах отклонения закрылка с работающими ИСУ (симметричный обдув ВВ). 2008, 2009.

INVESTIGATION OF SLIPSTREAMS ON THE AIRPLANE AERODYNAMIC CHARACTERISTICS

Vasin I.S.

Some features of experimental investigation in the wind tunnel to determination of slipstream on the airplane aerodynamic characteristics are considered.

Сведения об авторе

Васин Игорь Сергеевич, 1938 г.р., окончил МАТИ (1961), ведущий аэродинамик ОКБ АК им. С.В. Ильюшина, кандидат технических наук, автор более 90 научных работ, область научных интересов - аэродинамика дозвуковых самолетов, аэродинамическое проектирование, безопасность летной эксплуатации.