СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОЛЯ ОСРЕДНЕННЫХ ИНДУКТИВНЫХ СКОРОСТЕЙ НЕСУЩЕГО ВИНТА НА МАЛЫХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2009 года по МПК G01M9/00 G01P5/00 

Область техники

Изобретение относится к авиации, к области аэродинамики несущих винтов вертолета, а именно к измерению индуктивных скоростей несущего винта (НВ) на малых скоростях, и может быть использовано для повышения точности вычисления составляющих воздушной скорости вертолета.

Уровень техники

Известна система воздушных сигналов вертолета для определения в области малых скоростей полета углов скоса вихревой колоны НВ вертолета (полезная модель RU №55479 от 12.07.2005 г.).

Система позволяет производить вычисления составляющих вектора воздушной скорости и определение высотно-скоростных параметров вертолета, при вычислении составляющих вектора воздушной скорости полета используют вихревые теории для вычисления индуктивных скоростей в месте установки датчиков. Однако вихревые теории не отвечают процессам, возникающим на малых скоростях полета вертолета, что приводит к большим погрешностям в определении составляющих воздушных скоростей полета вертолета.

Известен способ расчета осредненной индуктивной скорости по диску несущего винта (Миль М.Л., Некрасов А.В. «Вертолеты. Расчет и проектирование». Кн.1. - М.: Машиностроение, 1996, с.108), в котором по материалам замеров индуктивных скоростей за моделями несущих винтов в аэродинамической трубе (Миль М.Л., Сперанский М.К. «Исследование поля скоростей вокруг ротора геликоптера при осевом и косом обтекании», Труды ЦАГИ, 1949, с.32) принята за площадь воздушной струи через несущий винт на малых скоростях полета половина площади, ометаемой лопастями несущего винта. Такой подход к уточнению осредненной индуктивной скорости по диску НВ хотя и улучшает аэродинамический расчет, но не дает полной картины из-за неточности определения поля индуктивных скоростей по диску модели НВ вследствие отсутствия в модельных экспериментах циклического шага на лопастях. Учитывая эти обстоятельства было принято, что индуктивная скорость в передней части диска равна нулю, а в задней - удвоенному среднему значению во всем диапазоне малых скоростей.

Несмотря на существенные усовершенствования теории Глауэрта-Локка в ней остается нетронутым основное допущение о стационарности поля индуктивных скоростей по диску НВ, определяемого по импульсной теории (Юрьев Б.Н. «Аэродинамический расчет вертолетов», Оборонгиз, 1956, стр.356-358).

В соответствии с импульсной теорией средняя индуктивная скорость по диску НВ для горизонтального установившегося полета вертолета на малых скоростях определяют по формуле

где υ_iср - средняя индуктивная скорость по диску винта;

Т - тяга НВ, равная полетному весу вертолета;

χ - коэффициент концевых потерь лопастей;

ρ - плотность атмосферного воздуха;

F - ометаемая несущим винтом площадь;

V - воздушная скорость горизонтального полета вертолета.

Это допущение значительно ограничивает возможности использования импульсной теории при расчетах.

Таким образом, известные способы оценки поля индуктивных скоростей НВ на малых скоростях полета вертолета не обладают достаточной достоверностью расчета махового движения лопастей, что снижает надежность полета вертолета па малых скоростях.

Сущность изобретения.

Техническим решением задачи является расширение возможностей использования заявленного способа, уточнение методов расчета махового движения лопастей и, тем самым, усовершенствование аэродинамического расчета HB на малых скоростях полета вертолета, за счет получения более близкого к действительности распределения индуктивных скоростей по диску НВ, уточнение площади сечения поджатого воздушного потока через HB по результатам визуализации спутного вихревого следа НВ в реальных условиях полета вертолетов.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что в способе оценки поля индуктивных скоростей HB на малых скоростях полета вертолета, включающем измерение воздушной скорости горизонтального полета, расчет ометаемой площади НВ, средней индуктивной скорости по диску винта с использованием импульсной теории по следующему соотношению:

где υ_iср - средняя индуктивная скорость по диску винта;

T - тяга НВ, равная полетному весу вертолета;

χ - коэффициент концевых потерь лопастей;

ρ - плотность атмосферного воздуха;

F - ометаемая несущим винтом площадь;

V - воздушная скорость горизонтального полета вертолета

согласно изобретению производят оценку перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску НВ в зависимости от скорости полета вертолета и величины поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока. Производят визуализацию концевых вихрей дымом от генератора дыма, который выпускают из концов лопастей вертолета при полете с относительными скоростями <0,2. Фиксируют с помощью кинокамеры величину поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока на расстоянии от оси вращения НВ до точки пересечения концевых вихрей с конусом лопастей на азимуте 180°. Определяют для заданной скорости вертолета относительную площадь поджатого воздушного потока струи через НВ по следующему соотношению:

где F_стр - площадь поджатого воздушного потока;

F - ометаемая площадь НВ,

затем производят оценку перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску НВ по относительной осредненной индуктивной скорости по диску НВ из соотношения

где _{- относительная осредненная индуктивная скорость по диску НВ;}

- относительная средняя индуктивная скорость по диску;

υ_iср - относительная средняя индуктивная скорость, полученная по импульсной теории;

ω - угловая скорость вращения НВ;

R - радиус несущего винта.

Таким образом, зная более близкие к действительности распределения индуктивных скоростей по диску НВ, можно определить поля осредненных индуктивных скоростей НВ с учетом поджатого воздушного потока, проходящего через НВ на малых скоростях полета вертолета, и уточнить методы расчета махового движения лопастей с целью усовершенствования аэродинамического расчета НВ на малых скоростях полета вертолета.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 представляет, вид сбоку, траекторию движения визуализированных концевых вихрей вблизи НВ вертолета Ми-8 в горизонтальном полете, при относительной воздушной скорости =0,068, с углом атаки НВ α=2,6°, коэффициентом тяги НВ Ст=0,0108, на высоте полета Н=200 м, где

А-В - граница площади поджатого воздушного потока НВ;

В-С - граница площади поджатия воздушного потока НВ;

1 - лопасть НВ;

2 - визуализированные концевые вихри.

Фиг.2 показывает, вид сбоку, траекторию движения визуализированных концевых вихрей вблизи несущих винтов вертолета Ка-32 в горизонтальном полете при =0,17, α₃=-5,8°, Ст=0,16, H=200 м.

Фиг.3 показывает зависимость величины поджатия струи через НВ со стороны набегающего воздушного потока от скорости полета вертолета r_x=f(), где

3 - зависимость для вертолета Ми-4;

4 - зависимость для вертолета Ми-8;

5 - зависимость для нижнего винта вертолета Ка-32;

6 - зависимость для верхнего винта вертолета Ка-32.

Фиг.4 показывает, вид сверху, визуализацию дымом концевых вихрей, сходящихся с лопастей НВ, где

7 - площадь поджатия воздушного потока через НВ;

8 - площадь поджатого воздушного потока;

9 - точка пересечения концевых вихрей с конусом лопастей.

Фиг.5 показывает результаты сравнения зависимости осредненных индуктивных скоростей по диску винта для уменьшенного сечения струи через НВ от скорости полета вертолета, полученных экспериментально при визуализации дымом концевых вихрей по заявленному способу, с расчетными теоретическими значениями средних индуктивных скоростей, подсчитанных для вертолета Ми-4, при Ст=0,0079, где

10 - расчетное теоретическое значение средних индуктивных скоростей;

11 - осредненные индуктивные скорости.

Способ осуществляется следующим образом. Проведены летные исследования по изучению спутного вихревого следа НВ вертолетов Ми-4, Ми-8 и Ка-32 заявленным способом путем визуализации дымом от генератора дыма концевых вихрей, который выпускают из конца лопастей вертолета. Полученные в этой работе материалы свидетельствуют о том, что одним из основных ранее неизвестных явлений на малых скоростях полета (<0,2) как на одновинтовых, так и на соосных вертолетах является сильное поджатие отбрасываемой НВ струи со стороны набегающего воздушного потока (фиг.1 и 2), что приводит к перераспределению средних значений индуктивных скоростей по диску НВ в зависимости от скорости горизонтального полета и величины поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока. Производят визуализацию концевых вихрей дымом от генератора дыма, который выпускают из концов лопастей вертолета при полете с относительными скоростями <0,2. Фиксируют с помощью кинокамеры величину поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока на расстоянии от оси вращения НВ до точки пересечения концевых вихрей с конусом лопастей на азимуте 180°. При этом впервые зафиксировано, что передние части циклоид концевых вихрей находятся выше лопастей на удалении, соизмеримом с диаметром вихрей, и на определенном удалении от передней кромки диска, смещающихся под НВ, частично размываемых лопастями. Занимаемая ими зона 7 на разных вертолетах заметно отличается друг от друга, существенно изменяется по скорости полета и на одновинтовых вертолетах распространяется даже за ось вращения НВ (фиг.3 и 4).

Полученные материалы по визуализации концевых вихрей могут быть использованы для расчета осредненного значения индуктивной скорости путем учета перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску винта с использованием импульсной теории по следующему соотношению:

где υ_iср - средняя индуктивная скорость по диску винта;

Т - тяга НВ, равная полетному весу вертолета;

χ - коэффициент концевых потерь лопастей;

ρ - плотность атмосферного воздуха;

F - ометаемая несущим винтом площадь;

V - воздушная скорость горизонтального полета вертолета.

В основу перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску винта можно положить зависимости

_x=f(),

где - относительный радиус, характеризующий величину поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока (см. фиг.4) на расстоянии от оси вращения НВ до точки 9 пересечения концевых вихрей с конусом лопастей на азимуте 180° - точку встречи концевых вихрей с конусом лопастей при их смещении под НВ;

R - радиус НВ;

- относительная воздушная скорость горизонтального полета вертолета;

ω - угловая скорость вращения НВ.

С приемлемой точностью за площадь сечения поджатой воздушной струи 8 (зона А-В, фиг.1), протекающей через винт F_стр, можно считать ометаемую лопастями площадь F=πR² за вычетом заштрихованной (см. фиг.4) площади сегмента 7 высотой h=R-r_x, характеризующей занимаемую концевыми вихрями зону под лопастями НВ. Тогда относительная площадь воздушной струи 8, ограниченной концевыми вихрями 2 (зона В-С, фиг.1) и протекающей через НВ, будет определяться выражением

(2)

где F_стр - площадь сечения воздушной струи, протекающей через НВ;

F - площадь, ометаемая лопастями НВ.

Используя формулу (2) и среднее значение индуктивной скорости по диску, по формуле (1) можно получить осредненную индуктивную скорость для малых скоростей полета для уменьшенного значения сечения струи через НВ. С этой целью обратимся к уравнению неразрывности струи, откуда будем иметь

где - относительная площадь поджатого воздушного потока струи через НВ;

- относительная осредненная индуктивная скорость;

_{- относительная средняя индуктивная скорость, полученная по импульсной теории.}

Полученная в соответствии с формулой (3) осредненная индуктивная скорость для уменьшенного сечения струи через НВ качественно и количественно отличается от средних значений индуктивной скорости, подсчитанных по формуле (1), например, для вертолета Ми-4 (фиг.5).

Практическое значение изобретения

Полученная новая информация в летных исследованиях при визуализации концевых вихрей на малых скоростях полета вертолета (≤0,2) позволяет уточнить расчетные средние индуктивные скорости по импульсной теории путем более правильного перераспределения ее по диску НВ. Зная более близкое к действительности распределение индуктивных скоростей по диску, можно уточнить методы расчета махового движения лопастей и усовершенствовать аэродинамический расчет НВ на малых скоростях полета вертолета с целью повышения надежности расчетных характеристик несущих винтов.

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний, в частности к области аэродинамики несущих винтов вертолета, а именно измерению индуктивных скоростей несущего винта (НВ) на малых скоростях, и может быть использовано для повышения точности вычисления составляющих воздушной скорости вертолета. В ходе реализации способа производят измерение воздушной скорости горизонтального полета, расчет ометаемой площади НВ, средней индуктивной скорости по диску винта с использованием импульсной теории. Затем оценивают перераспределение средних значений индуктивных скоростей по диску НВ в зависимости от скорости полета вертолета и величины поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока. Осуществляют визуализацию концевых вихрей дымом от генератора дыма, который выпускают из концов лопастей вертолета при полете. Фиксируют с помощью кинокамеры величину поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока на расстоянии от оси вращения НВ до точки пересечения концевых вихрей с конусом лопастей на азимуте 180°. Определяют для заданной скорости вертолета относительную площадь поджатого воздушного потока струи через НВ. Затем производят оценку перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску НВ по относительной осредненной индуктивной скорости по диску НВ. Технический результат заключается в усовершенствовании аэродинамического расчета НВ на малых скоростях полета вертолета. 5 ил.

Способ оценки поля осредненных индуктивных скоростей несущего винта на малых скоростях полета вертолета, включающий измерение воздушной скорости горизонтального полета, расчет ометаемой площади несущего винта (НВ), средней индуктивной скорости по диску винта с использованием импульсной теории по следующему соотношению:

где υ_icp - средняя индуктивная скорость по диску винта;

Т - тяга НВ, равная полетному весу вертолета;

χ - коэффициент концевых потерь лопастей;

ρ - плотность атмосферного воздуха;

F - ометаемая несущим винтом площадь;

V - воздушная скорость горизонтального полета вертолета,

отличающийся тем, что производят оценку перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску НВ в зависимости от скорости полета вертолета и величины поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока путем обеспечения визуализации концевых вихрей дымом от генератора дыма, который выпускают из концов лопастей вертолета при полете с относительными скоростями <0,2, фиксируют с помощью кинокамеры величину поджатия воздушной струи через НВ со стороны набегающего потока, равной расстоянию между осью вращения НВ и точкой пересечения концевых вихрей с конусом лопастей на азимуте 180°, определяют для заданной скорости вертолета относительную площадь поджатого воздушного потока струи через НВ по следующему соотношению:

где F_стр - площадь поджатого воздушного потока;

F - ометаемая площадь НВ;

затем производят оценку перераспределения средних значений индуктивных скоростей по диску НВ по относительной осредненной индуктивной скорости по диску НВ из соотношения

где - относительная осредненная индуктивная скорость по диску НВ;

- относительная средняя индуктивная скорость по диску;

υ_icp - средняя индуктивная скорость, полученная по импульсной теории;

ω - угловая скорость вращения НВ;

R - радиус несущего винта.