Исследование оптимальных характеристик двухлопастных несущих винтов соосного вертолета малой взлетной массы

УДК 629.735.45

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХЛОПАСТНЫХ НЕСУЩИХ ВИНТОВ СООСНОГО ВЕРТОЛЕТА МАЛОЙ ВЗЛЕТНОЙ МАССЫ

В.В. ДУДНИК

(Донской государственный технический университет), В.А. УДОВЕНКО

Представлены результаты расчетов характеристик несущего винта с различными геометрическими и кинематическими параметрами. Сделан выбор оптимальных характеристик соосного винта на режиме висения для сельскохозяйственной модификации белорусско-российского вертолета «Брат». Ключевые слова: соосный вертолет, лопасть, несущий винт, аэродинамический угол атаки.

Введение. С появлением раздельных автоматов перекоса верхних и нижних винтов в мире интенсивно стали появляться вертолеты соосной схемы малых весовых категорий - сверхлегкие и очень легкие. В настоящее время ряд проектов еще находятся в стадии разработки, испытаний и опытной эксплуатации, но следует ожидать, что в ближайшие годы они найдут применение. В частности, совместный белорусско-российский проект соосного вертолета «Брат» проходит этап макетирования и проектирования.

Для применения в экономике предусматривается сельскохозяйственная версия, которая должна иметь высокоэффективный несущий винт (НВ) на режимах малой скорости и висении.

Соосные вертолеты отличаются высокими характеристиками на многих режимах [1]. Как показывают эксперименты [2, 3], на значительных скоростях полета (ц>0,25) влияние верхнего винта на нижний сказывается весьма незначительно. На осевых режимах это влияние существенно. Для сравнительной оценки соосного и изолированного винта были рассчитаны аэродинамические характеристики двухлопастного винта сельскохозяйственной модификации белорусско-российского вертолета «Брат» (рис.1) на режиме висения. Данные, используемые для расчета, представлены в таблице.

Вестник ДГТУ. 2012. № 3

Данные для расчета основных параметров НВ сельскохозяйственного варианта вертолета «Брат»

Диаметр винта 8,6 м

Хорда лопасти 0,21 м

Окружная скорость 186-200 м/с

Массовая характеристика лопасти 2,6

Профиль лопасти NACA 23012, NACA 63А012

Масса лопасти 11,8 кг

Момент инерции лопасти 100,7 Kr-M¿

Статический момент лопасти 31,8 кг м

Крутка лопасти линейная, 7.5°

Относительное расстояние между винтами 0,191

Коэффициент использования мощности на режиме висения 0,86

Силовая установка с максимальной располагаемой мощностью 165,26 кВт

В данной работе при расчете характеристик несущих винтов соосной схемы использовались программные продукты, базирующиеся на нескольких теориях.

1. Классическая теория элемента лопасти НВ, которая базируется на численном интегрировании характеристик обтекания лопасти [4]. Численное интегрирование позволяет учитывать нелинейную зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки сечений, влияние зоны обратного обтекания, влияние сжимаемости и т.д. Использование характеристик профилей сечений лопасти при различных значениях чисел Маха и Рейнольдса позволяет учитывать нестационарность обтекания на больших углах атаки, влияние формы лопасти в плане, влияние крутки.

2. Теория винта, базирующаяся на методе дискретных вихрей (МДВ). Основные положения метода дискретных вихрей изложены в работе [5]. Метод дискретных вихрей позволяет рассчитывать структуру течения в окрестности соосных винтов, учитывать взаимное влияние винтов на различных режимах полета, получать распределенные характеристики верхнего и нижнего винтов. Сложностью в применении МДВ является большое время счета на ЭВМ, так как это связано с реальным моделированием формирования вихревой структуры соосной комбинации.

3. Математическая модель, основанная на вихревой теории, когда вихревая пелена НВ представляет вихревую колонну. Применяемая в программном обеспечении математическая модель описана в работе [б].

Для данного вертолета предлагается два вида лопастей, использующих разные аэродинамические профили: несимметричный NACA 23012 и симметричный NACA 63А012.

Расчет поляр одиночного винта с профилями NACA 23012 и NACA 63А012 на режиме висе-ния велся по двум теориям. Расчет по разным теориям дал хорошую сходимость результатов. При одинаковых значениях коэффициента крутящего момента винт с профилем NACA 63А012 имеет лучшие несущие свойства, что подтверждает график зависимости КПД винта на режиме висения (рис.2). Применение симметричного профиля NACA 63А012 позволяет увеличить КПД винта на режиме висения на 7-10%. При этом согласно расчетам увеличивается тяга одиночного винта на 7%. При равной потребной индуктивной мощности профильная составляющая меньше практически на 10 кВт.

Повышенная эффективность симметричного профиля на режимах висения обусловлена низкой нагрузкой на винт. В таких условиях аэродинамический угол атаки лопасти становится минимальным - 1-3°. На этих углах на большинстве чисел Рейнольдса качество симметричного профиля NACA 63А012 становится выше качества несимметричного NACA 23012. Поэтому в дальнейшем рассматривались только лопасти с профилем NACA 63А012.

п

а 7

ÜJ6

0,4 03 о?

0,1

О OJO 02 0,001 OJOOB OJOOO CD1 Щ

Рис.2. Зависимость КПД одиночного изолированного винта при использовании различных аэродинамических профилей

На рис.3, а, б приведены мгновенные поля скоростей на режиме висения при обтекании соосной несущей системы и изолированного винта с величиной угла общего шага 10° на седьмом сечении, рассчитанные методом дискретных вихрей. Индуцируемые винтами скорости показывают существенное изменение структуры индуктивного потока при использовании соосной комбинации. На представленном изображении хорошо видно сужение струи верхнего винта, воздействующей на нижний винт, и высокая интенсивность вихревого движения.

Сравнение осредненных значений показывает, что верхний винт, работающий в невозмущенном потоке, имеет характеристики, практически равные изолированному винту, - отклонение оказывается в пределах 3-4%.

Рис.3. Мгновенное поле скоростей соосных винтов

на режиме висения при ф7=10°

Вследствие наличия вихревой пелены от верхнего винта характеристики нижнего винта ухудшаются по сравнению с изолированным несущим винтом, что приводит к увеличению потребной мощности. На рис.4 показаны поляры верхнего и нижнего винтов в соосной схеме. При одном и том же коэффициенте крутящего момента нижний винт имеет на 18-20% более низкий коэффициент тяги.

Вестник ДГТУ. 2012. № 3

Коэффициент тяги С(

Расчет зависимости коэффициентов тяги и крутящего момента от угла общего шага для верхнего и нижнего винтов соосной комбинации показывает, что угол установки нижнего винта должен превышать верхний винт на 0,6°. Невыполнение этого условия приведет к несимметричности установки педалей на вертикальных режимах вследствие уменьшения аэродинамических углов атаки на сечениях нижнего винта (рис.5). Несмотря на увеличение угла установки лопастей на режиме висения, нижний винт будет иметь более низкие несущие свойства, пропорциональные коэффициенту тяги , т.е. на 18-20%.

Соосная к Iг.тшти иттт кл=4,С=0 0622, йШ= я 95 м/с СС Г,гра, д /

оД0° 10 У:;/

б!/"

\ X .... 2

% =4°/ ш ^

н * о ш ижний винт Верхи Ш В1ШТ

Г 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Г Рис.5. Изменение углов атаки сечений лопасти верхнего и нижнего винтов в зависимости от угла общего шага винта на режиме висения

Воздействие индуктивного потока верхнего винта на нижний винт приведет к уменьшению КПД нижнего винта до величины 50% на висении с рабочими частотами вращения. Следует отметить, что такой перепад характеристик между верхним и нижним винтом будет наблюдаться только на режиме висения. При разгоне характеристики винтов начнут выравниваться, и после достижения скорости ц>0,25 станут практически идентичными.

Еще одним объектом исследований было выявление оптимальной окружной скорости в пределах рабочего диапазона скоростей 186-200 м/с. С увеличением окружной скорости при постоянной массе потребные углы установки снижаются, однако потребная мощность растет вследствие увеличения лобового сопротивления профиля. КПД винта при понижении окружной скорости с 200 до 186 м/с увеличивается на 5%, при этом потребный угол установки вырастает на 1,2°, а потребная мощность при максимальной загрузке - на 4 кВт. Учитывая низкую скорость полета сельскохозяйственной версии СЛВ «Брат», целесообразно принять минимальное значение окружной скорости для режимов практической эксплуатации.

Выводы. Расчеты показывают, что несущий винт, обладающий малой нагрузкой, характерной для сверхлегких и очень легких вертолетов, более эффективен с симметричными профилями, работающими на более выгодных для них углах атаки. Пример расчета сельскохозяйственной модификации белорусско-российского соосного вертолета «Брат» показывает, что применение симметричного профиля NACA 63А012 позволяет увеличить КПД винта на режиме висения на 7-10%.

Сравнивая параметры соосного вертолета, можно сделать вывод, что верхний винт, работающий в невозмущенном потоке на режиме висения имеет характеристики, практически равные изолированному винту. При одном и том же коэффициенте крутящего момента нижний винт имеет на 18-20% более низкий коэффициент тяги. Угол установки нижнего винта соосного вертолета должен превышать верхний винт. Невыполнение этого условия приведет к несимметричности установки педалей на вертикальных режимах.

С увеличением окружной скорости при постоянной массе потребные углы установки снижаются, однако потребная мощность растет вследствие увеличения сопротивления. Например, КПД несущего винта исследуемого вертолета при понижении окружной скорости с 200 до 186 м/с увеличивается на 5%.

Библиографический список

1. Петросян Э.А. Аэродинамика соосного вертолета / Э.А. Петросян. - М.: Полигон-пресс, 2004. - 820 с.

2. Anikin V.A., Vassiliev В.А., Kvokov Modeling of Coaxial Helicopter Flight Characteristics // 33 European Rotorcraft Forum, Kazan, 2007. c.78.1-78.12.

3. Bourtsev B.N., Ryabov V.l., Selemenev S.V. Helicopter Wake Form Visualization results and their Application to Coaxial Rotor Analysis at Hover // 27 European Rotorcraft Forum, Moscow, 2001. c.64.1-64.13.

4. Миль М.Л. Вертолеты. Расчет и проектирование. Т.1: Аэродинамика / М.Л. Миль и др. -М.: Машиностроение, 1966. - 450 с.

5. Белоцерковский С.М. Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолётов / С.М. Белоцерковский, Б.Е. Локтев, М.И. Ништ. - М.: Машиностроение, 1992. - 160 с.

6. Ковалев Е.Д. Расчет аэродинамических характеристик воздушных винтов численными методами / Е.Д. Ковалев, В.А. Удовенко // Авиация общего назначения. - Харьков, 1999. - №11.

Материал поступил в редакцию 22.11.2011.

BecmnuK UTTY. 2012. № 3

References

1. Petrosyan E\A. ke rodinamika soosnogo vertolyota / E\A. Petrosyan. - M.: Poligon-press, 2004. - 820 s. - In Russian.

2. Anikin V.A., Vassiliev B.A., Kvokov Modeling of Coaxial Helicopter Flight Characteristics // 33 European Rotorcraft Forum, Kazan, 2007. - Pp. 78.1-78.12.

3. Bourtsev B.N., Ryabov V.I., Selemenev S.V. Helicopter Wake Form Visualization results and their Application to Coaxial Rotor Analysis at Hover // 27 European Rotorcraft Forum, Moscow, 2001. -Pp. 64.1-64.13.

4. MiP M.L. Vertolyoty\ Raschyot i proektirovanie. T.l: AeNrodinamika / M.L. MiT i dr. - M.: Mashinostroenie, 1966. - 450 s. - In Russian.

5. Belocerkovskij S.M. Issledovanie na ENVM aeN rodinamicheskix i ae'rouprugix xarakteristik vintov vertolyotov / S.M. Belocerkovskij, B.E. Loktev, M.I. Nisht. - M.: Mashinostroenie, 1992. - 160 s. -In Russian.

6. Kovalyov E.D. Raschyot aeNrodinamicheskix xarakteristik vozdushny'x vintov chislenny'mi metodami / E.D. Kovalyov, V.A. Udovenko // Aviaciya obshhego naznacheniya. - Xar'kov, 1999. -№11. - In Russian.

STUDY ON OPTIMAL CHARACTERISTICS OF TWO-BLADE ROTORS FOR COAXIAL HELICOPTER OF LIGHT TAKE-OFF WEIGHT

V.V. DUDNIK

(Don State Technical University), V.A. UDOVENKO

The calculations of the rotor with various geometric and linkage parameters are resulted. The hovering coaxial rotor optimal characteristics for the agricultural version of the Byelorussian-Russian helicopter «Brat» are chosen. Keywords: coaxial helicopter, blade, rotor, aerodynamic angle of attack.