CC BY
451
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 629.735.45.015
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ Х-ОБРАЗНОГО РУЛЕВОГО ВИНТА С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
В.А. ИВЧИН, К. Ю. САМСОНОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
На аэродинамическом винтовом стенде были проведены экспериментальные исследования по определению влияния дифференциального угла установки лопастей двух модулей на аэродинамические характеристики Х-образного винта. Представлены основные результаты проведенных исследований и получены рекомендации, позволяющие улучшить тяговые характеристики Х-образного винта, состоящего из двух модулей.
Ключевые слова: аэродинамические характеристики, рулевой винт, вертолет, экспериментальные исследования.
Введение
При разработке проекта одновинтового вертолета Ми-28 в качестве рулевого винта была выбрана конструкция Х-образного двухмодульного винта, каждый модуль которого состоял из двух лопастей. В 1980 году для выбора параметров этого винта на ОАО "МВЗ им. М. Л. Миля" был проведен ряд исследований, в том числе экспериментальных.
В 1981 году на винтовом стенде ОАО "МВЗ им. М.Л. Миля" под руководством А.С. Бравермана с разработанной моделью рулевого винта были проведены экспериментальные исследования для подтверждения расчетных результатов по выбору основных конструктивных параметров натурного рулевого винта [1]. Дальнейшие испытания натурного рулевого винта на натурном стенде вертолета Ми-24 показали его преимущества по сравнению с серийным, трехлопастным рулевым винтом, применяемым ранее на вертолетах Ми-8 и Ми-24 [2].
Анализ результатов летных испытаний вертолета Ми-38 и Ми-24 показал, что при одинаковых углах установки лопастей верхнего и нижнего модулей, тяга между ними распределяется не одинаково (рис. 1, [3]). Причина заключается в том, что нижний модуль винта находится под сильным индуктивным воздействием верхнего модуля и имеет на 30 % - 50 % меньшую тягу.
В результате этого анализа авторами данной работы была высказана идея об улучшении характеристик Х-образного винта путем увеличения шага нижнего модуля по отношению к лопастям верхнего модуля. Для проверки этой идеи были проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены ниже.
Модель Х-образного рулевого винта и методика проведения испытаний
В качестве объекта испытаний была использована модель Х-образного рулевого винта, разработанная А.М. Гродзинским на основе двухлопастного рулевого винта с совмещенным гори-
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Шаг винта, градусы
Рис. 1
зонтальным шарниром вертолета Ми-2. Им была разработана специальная втулка, которая позволяла менять расстояние и азимутальный угол между модулями (рис. 2).
Лопасти рулевого винта вертолета Ми-2 имеют следующие параметры:
- диаметр винта 2Ярв = 2,7 м;
- хорда лопасти 0,22 м;
- профиль лопасти КЛСЛ00-12;
- число лопастей - 2.
Частота вращения модельного и натурного винта соответствует изменению числа Маха концов лопастей во всем диапазоне условий в пределах 0,5 < М < 0,7.
Диапазон изменения шага лопастей винта в экспериментальных исследованиях изменяется в пределах -13° < ф < +26°.
В качестве исходной конфигурации был выбран вариант винта, соответствующий по своим относительным параметрам натурному рулевому винту вертолета Ми-28, который имеет следующие параметры: относительное
расстояние между модулями составляет Нвн/Ярв = 0,1, а угол между модулями увн = 42°. Вследствие конструктивных особенностей втулки реальный угол между модулями модельного винта установлен несколько меньше: увн = 38°.
Кроме того, существует также отличие между удлинениями лопастей: натурные лопасти имеют удлинение 1л = 8,125, а лопасти модельного винта - 1л = 6,125. Последнее обстоятельство сказывается на отличии аэродинамических характеристик натурного и модельного винтов, но в рамках данной работы его влияние не исследовалось.
Испытания проводились на винтовом стенде ОАО "МВЗ им. М.Л. Миля" (рис. 3).
Результаты испытаний по определению влияния увеличенного шага нижнего модуля на аэродинамические характеристики винта
Результаты испытаний каждого варианта были пересчитаны в безразмерные коэффициенты, а затем строились зависимости этих коэффициентов от угла установки и числа Маха. Первоначально был испытан винт, состоящий из одного модуля, для оценки его аэродинамических характеристик и для дальнейшего сравнения с вариантами двухмодульного, четырехлопастного винта. Полученные результаты представлены на рис. 4.
Затем были испытаны двухмодульные четырехлопастные варианты Х-образного винта, параметры которых описаны выше. В качестве примера на рис. 5 представлены такие зависимости для варианта винта с практически одинаковыми углами установки верхнего и нижнего модулей (Ду = -0,15°). В 1994 году В. А. Ивчиным и М. А. Грингаузом на том же винтовом стенде были проведены испытания натурного Х-образного винта вертолета Ми-28, в том числе и одномодульного двухлопастного варианта. Вследствие большего геометрического размера и больших величин нагрузок, превышающих мощность винтового стенда, эти испытания были проведены в весьма ограниченных пределах, однако сравнить аэродинамические характеристики натурного винта и его приближенной модели будет интересно.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
угол установки, градусы
Х-образный 4-х лоп.винт с проф.№СА 00-12 Вариант №6
угол установки, градусы
Рис. 4
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
угол установки, градусы
Х-образный 4-х лоп.винт с проф.ЫАСА 00-12 Вариант № 1
угол установки, градусы
Рис. 5
На рис. 6 представлены зависимости аэродинамических коэффициентов одномодульного, двухлопастного натурного винта и его модели, полученные для числа Маха равного М = 0,6.
-20 -10 0 10 20 30
угол установки, градусы
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014
угол установки, градусы
Рис. 6
Из графиков видно, что экспериментальные зависимости коэффициента тяги от общего шага для натурного винта и модели отличаются вследствие геометрических отличий параметров сравниваемых винтов. Заполнение модельного двухлопастного винта составляет ом = 0,1038, а натурного он = 0,0784. На рис. 7 представлены аналогичные графики для четырехлопастных винтов, один из которых является натурным рулевым винтом вертолета Ми-28, а второй модельным винтом. Из графиков видно, что выводы, сделанные для одномодульных винтов, можно с полным основанием отнести и на Х-образные четырехлопастные винты. При этом также следует учитывать отличие в заполнении четырехлопастных винтов: для модельного винта оно составляет ом = 0,2076, а натурного он = 0,1568.
Х-образный 4-х лопастной винт, Мах 0,6
угол установки, градусы
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
угол установки, градусы
Рис. 7
На рис. 8 представлено сравнение относительных кпд винтов для того же режима испытаний. Для двухлопастного винта относительный кпд практически одинаковый для натурного и модельного модуля, несмотря на то, что на натурных лопастях установлен профиль с более высоким качеством. Однако модельный двухлопастный модуль имеет на 32 % большее заполнение, вследствие чего его относительный кпд сравнивается с относительным кпд натурного двухлопастного винта.
-0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04
угол установки, градусы
Х-образный 4-х лопастной винт, Мах 0,6
угол установки, градусы
Рис. 8
На рис. 9 представлены результаты проведенных исследований. На левых графиках представлены зависимости приращения коэффициента тяги винта, а на правых - приращения коэффициента крутящего момента. За базовый вариант (рис. 5) принимается вариант с одинаковыми углами установки лопастей на модулях (фн - фв = 0°, где фн - угол установки лопастей нижнего модуля, фв - угол установки лопастей верхнего модуля). Из рис. 9 также видно, что в области начала срыва на лопастях (ф > 15°) эффект от увеличения шага нижнего модуля резко падает.
На рис. 10 представлены интегральные графики изменения коэффициента тяги и относительного кпд винта в зависимости от разницы в углах установки верхнего и нижнего модулей для шага винта ф = 12°. Максимальное увеличение тяги винта достигается при фн - фв = +3,11° и ф = 12° и составляет 18 % от тяги исходного варианта.
Предварительная оценка влияния разного шага модулей на распределение тяги Х-образного винта между модулями
Графики рис. 1 использованы для сравнения нагружения лопастей модельного Х-образного винта при различных конфигурациях. Принято, что нижний модуль при положительном значении тяги винта оказывает влияние на верхний только в плане индуктивного скоса потока, про-
порционального величине Луинд~^/с^, без влияния концевого вихря нижнего модуля (ст - коэффициент тяги винта).
Изменение коэффициента тяги при постоянном шаге винта из-за влияния дифференциального шага
0.002 0.001 0.000 -0.001 о -0.002 -0.003 -0.004 -0.005 -0.006
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Шаг винта, град
Изменение коэффициента крутящего момента при постоянном шаге винта из-за влияния дифференциального шага
0.0010
0.0005
0.0000
-0.0005
^ -0.0010 г
-0.0015 -0.0020 -0.0025 -0.0030 -0.0035
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Шаг винта, град
Вариант 1: фн - фв = -2,38°
Изменение коэффициента тяги при постоянном шаге винта из-за влияния дифференциального шага
0.008 0.007 0.006 0.005 о 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Шаг винта, град
і Мах=.50 ► Мах=.60 ^ Мах=.70
•а
»♦
і.
Изменение коэффициента крутящего момента при постоянном шаге винта из-за влияния дифференциального шага
0.0035
0.0030
0.0025
0.0020
^ 0.0015 г
0.0010 0.0005 0.0000 -0.0005 -0.0010
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
Шаг винта, град
Вариант 4: фн - фв = +4,21° Рис. 9
Рі в = 120
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Рі н - Рі в
М=0.7, Рі в = 120
Рі н - Рі в
Рис. 10
При этом предполагалось, что индуктивный скос потока эквивалентен изменению шага верхнего модуля. Такой подход позволяет определить аэродинамические характеристики верхнего модуля по зависимостям, полученным для изолированного, одномодульного винта:
Сівм Сцм(ф ДфВнХ тквм тк1м(ф ДфBн),
где Лфвн = квн^с^ - эквивалентное изменение угла установки верхнего модуля вследствие воздействия скорости потока, индуцируемой нижним винтом у верхнего; квн - коэффициент пропорциональности; сам - коэффициент тяги одного изолированного модуля (безразмерный); с^м - коэффициент тяги верхнего модуля в составе винта; с^ - коэффициент тяги нижнего модуля в составе винта; тк - коэффициент крутящего момента винта; тк1м - коэффициент крутящего момента одного изолированного модуля; тквм - коэффициент крутящего момента верхнего модуля в составе винта.
Коэффициент влияния нижнего модуля на верхний определялся из анализа летных испытаний натурного рулевого винта на вертолете Мт-38 (правый график рис. 11).
Рис. 11
Изложенный подход был проверен на модельном Х-образном винте для варианта с одинаковыми углами установки модулей. На рис. 12 представлены сравнительные экспериментальные характеристики этого варианта винта и характеристики одномодульного модельного винта при числе Маха равном М = 0,6.
-20 -10 0 10 20 30
шаг винта, градусы
Рис. 12
Используя эмпирические зависимости по взаимовлиянию модулей винта, полученные выше, методом последовательных приближений было определено соотношение тяг между верхним и нижним модулем для модельного варианта винта.
На левом графике рис. 13 показаны сравнительные графики изменения коэффициента тяги в зависимости от шага винта для натурного и модельного винтов с одинаковыми углами установки верхнего и нижнего модулей. На правом графике рис. 13 показан коэффициент распреде-
ления тяги между модулями в относительной величине к суммарной величине тяги винта. На рис. 14 представлены графики изменения коэффициентов тяги модулей и их относительных кпд в зависимости от изменения шага для исходного варианта модельного винта. Для сравнения на рис. 14 приведены графики для одномодульного винта и для одной пары лопастей обычного плоского, четырехлопастного винта, имеющего геометрию лопастей, полностью идентичную лопастям модельного винта. Последний график получен путем пересчета характеристик одномодульного винта на основе расчетного метода.
Коэффициент тяги винта, М=0.65
“Т сум модель Вер .мод модель Ниж.мод модель ♦ Т сум по ЛИ - Вер.мод по ЛИ Ниж.мод по ЛИ 1 1 1 /1 1 L J/' і І і -^l 1 / ¿и. 1 •
*' 1 „ОЙІ
1 L 1 1 ^ 1 и' t!
1 ♦ I* * * • ^ 1 ■ «•** 1 1 *
u¡ -ті і 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 I I 1 1 1
10 15
Шаг винта, градусы
0.04
0.03
0.02
0.01
0
5
Коэффициент распределения тяги по модулям, М=0.65
Шаг винта, градусы
Рис. 13
Распределение тяги между модулями, М=0.60
Относительный кпд, М=0.60
Вариант 0, фн - фв = -0,15°
Рис. 14
Полученные расчетные результаты показывают, что при одинаковом угле установки верхний модуль имеет тягу выше, чем пара лопастей обычного плоского винта, а нижний - ниже. При этом относительный кпд нижнего модуля меньше, чем у пары лопастей плоского, четырехлопастного винта. У верхнего модуля относительный кпд совпадает с одномодульным винтом, что определяется принятым расчетным подходом к определению распределения тяги между модулями. В то же время одномодульный двухлопастной винт имеет относительный кпд выше, чем пара лопастей плоского, четырехлопастного винта.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования показали, что увеличение угла установки нижнего модуля по сравнению с верхним модулем увеличивает суммарную тягу Х-образного винта до 18 % при ф = 12° и до 6 % при больших шагах ф = 22°.
Положительный эффект увеличения угла установки верхнего модуля практически достигается при разнице в углах установки модулей Дф = +3°.
Увеличение угла установки нижнего модуля по сравнению с верхним модулем также приводит к снижению относительного кпд Х-образного винта на 0,05 (5 %) при разнице в углах установки модулей Дф = +3°, что не является принципиальным недостатком для рулевого винта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аэродинамические испытания спаренного винта "Ми-2": Технический отчет / ОАО "МВЗ им. М.Л. Миля"; № Б2922. - М., 1982.
2. Наземные испытания опытного Х-образного рулевого винта изд. 280 на натурном стенде изд. 240: Технический отчет / ОАО "МВЗ им. М. Л. Миля"; № 16А-84. - М., 1985.
3. Испытание на АДС одиночного модуля натурного Х-образного рулевого винта Ми-38 с лопастями увеличенной хорды: Технический отчет / ОАО "МВЗ им. М. Л. Миля"; № О-183-12. - М., 1994.
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE X-SHAPED TAIL ROTOR MODEL AIMED AT IMPROVING AERODYNAMIC CHARACTERISTICS THEREOF.
Ivchin V.A., Samsonov K. Yu.
The article presents the basic results of the conducted study and recommendations enabling improvement of the thrust characteristics of the X-shaped tail rotor consisting of two modules.
Сведения об авторах
Ивчин Валерий Андреевич, 1951 г.р., окончил МАИ (1974), кандидат технических наук, начальник отдела аэродинамики и динамики вертолета ОАО "Московский вертолетный завод им М.Л. Миля", автор 40 научных работ, область научных интересов - аэродинамика, динамика вертолета, математическое моделирование вертолета на пилотажных стендах, экспериментальные исследования аэродинамики винтов вертолета.
Самсонов Константин Юрьевич, 1983 г.р., окончил МАИ (2006), ведущий инженер летноиспытательного комплекса ОАО "Московский вертолетный завод им М.Л. Миля", автор 3 научных работ, область научных интересов - летные испытания вертолетов, динамика вертолета, летные исследования, обработка и анализ полученных результатов.
