CC BY
0
УДК 621.548
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ
Д. В. Борковец, М. Г. Елизарьева Научный руководитель - Г. Д. Коваленко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: dmitrvborkovets@vandex.ru
Массовая автомобилизация населения не решает проблему внутригородской мобильности, а только усугубляет её. Использование общественного наземного и подземного транспорта упирается в дороговизну и ограниченность пространства. Поиск средства решения проблемы городской аэромобильности является актуальным в настоящее время.
Ключевые слова: крыльчатый движитель, воздушная среда, лопатка, ротор.
RESEARCH OF ADVANCET AIRCRAFT DRIVER
D. V. Borkovets, V. G. Elizareva Scientific supervisor - G. D. Kovalenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: dmitryborkovets@yandex.ru
Mass motorization of the population does not solve the problem of intracity mobility, but only exacerbates it. The use of public surface and underground transport rests on the high cost and limited space. The search for a means of solving the problem of urban air mobility is currently relevant.
Key words: vane mover, air medium, blade, rotor.
Введение Современные представления о городском авиационном транспортном средстве (ГАТС) подразумевают: приемлемый уровень издаваемого шума; шаговая доступность взлётно-посадочных площадок; способность к вертикальному взлёту и посадке, режиму зависания; небольшие габариты; частичную или полную безпилотность; высокую надёжность; отсутствие или защищённость опасных вращающихся частей конструкции; наличие аварийной спасательной системы; экологичность эксплуатации, производства и утилизации; приемлемая стоимость лётного часа;
Перечисленные требования к ГАТС значительно сужают варианты возможных конструкций и особенно используемых на них движителях. Поиск и разработка подходящего движителя, является важнейшей задачей создания ГАТС.
1.Все известные аэродинамические движители условно можно подразделить на дисковые и цилиндрические. В дисковых устройствах рабочие органы - лопасти - движутся в плоскости перпендикулярной оси вращения. В цилиндрических устройствах лопасти описывают цилиндрическую траекторию параллельно оси вращения.
Оба вида этих устройств являются обратимыми, то есть могут работать как движителем, так и двигателем для преобразования внешней энергии.
К дисковым устройствам можно отнести воздушный винт (ВВ), несущий винт (НВ), осевую турбину. Примерами цилиндрических устройств являются центробежный насос, ротор Савониуса, ротор Дарье, а также крыльчатый движитель (КД). Рассмотрим последний подробнее.
Идея крыльчатого движителя была предложена Р. Гуком в 1681году. Практический интерес к нему появился на заре авиации в начале ХХ века. Но ни один из вариантов не получил развития ввиду большей сложности КД в сравнении с ВВ.
В это же время схема КД под названием ФОЙТА-ШНАЙДЕРА была успешно реализована в качестве судового движителя (рис. 1) [1].
Следующая волна интереса к схеме КД пришла в начале 2000-х годов. Наибольшего прогресса добились студенты Сеульского университета и группы D-DALUS из Австрии (рис. 2). [2]
Рис. 2. Прототипы австрийской и корейской групп
Результатом их работы стало получение силовых характеристик КД и полёт безпилотных прототипов. Полученные экспериментальным путём удельные характеристики цилиндрического ротора не уступают характеристикам дисковых устройств. Наибольший интерес представляет показатель удельной тяги, характеризующую энергетическую эффективность движителя, а также удельная плотность тяги, говорящая о компактности устройства (табл.1) [3,4].
Таблица 1
Сравнительные характеристики аэродинамических движителей_
Устройство создающее аэродин. силу Характерная размерность (м) Нагрузка на ометаемую площадь (кг/м2) Потребляемая мощность (квт) Удельная тяга (кг/квт)
Дисковые устройства
НВ (соосный) D 7,2 17,7 73,5 9,7
ВВ (движитель) Б 1,8 75 48 3,75
Цилиндрические устройства
КД (Сеул) 0,5х0,5 16,8 0,55 7,7
1х1,7 16,8 23,5 6,3
КД (Австрия) 1,2х1,2 142 70 2,9
КД (Красноярск) 0,85х0,8 31 3,5 6
Тяга аэродинамического движителя характеризуется массой (объёмом) и скоростью отбрасываемого воздуха. Следовательно, чем больше воздуха отбросит (прокачает через себя) устройство при постоянной скорости потока, тем эффективнее оно работает.
Целью данной работы является исследование путей повышения эффективности работы крыльчатого движителя.
2. Экспериментальная часть
Исследовательская работа проводилась на стационарном стенде. Ротор КД закреплён в маятниковом подвесе и имеет ремённый привод от электродвигателя. Лопатки ротора имеют возможность ручной регулировки по углу атаки и циклическому шагу. Стенд оснащён параметрической аппаратурой, фиксирующей обороты и энергопотребление двигателя, обороты и тягу ротора, поле скоростей отбрасываемого потока (рис.3).
Рис. 3. Стационарный стенд КД
Характеристики стенда: диаметр ротора 0,85 м., длина лопаток 0,8м., хорда лопаток 0,12м., профиль лопаток несимметричный, составной, мощность электродвигателя 5 квт., обороты ротора - 0.. .1400 об/мин.
Для определения особенностей взаимодействия ротора КД с окружающей средой применялся метод дымовой визуализации. Дым вырабатывался сценическим дымогенератором. Ввод дымовой струи производился в заранее определённых точках на передней, нагнетающей и торцевой поверхностях ротора. Исследовались два варианта торцевого диска: открытый (газопроницаемый) и закрытый (сплошной). Фиксация картины обтекания производилась с помощью фотокамеры (рис 4,5)
Рис. 4. Картина обтекания ротора с открытыми торцевыми дисками
Для оценки эффективности работы лопастей КД в заднем секторе ротора применялся метод мелкодисперсного окрашивания (МДО). Суть его состоит в распылении воздухом спиртового раствора краски.
Рис. 5. Картина обтекания ротора с закрытыми торцевыми дисками
Струя красителя вводилась во внутренний объём ротора через задний сектор открытого торцевого диска. Производилась фотофиксация окрашивания различных частей профиля лопасти (рис.6).
Рис. 6. Применение метода МДО
Выводы. Из полученных материалов дымовой визуализации видно, что забор рабочего тела (воздуха) в варианте закрытых торцевых дисков происходит по цилиндрическому сектору передней нагнетающей части ротора. При открытых торцевых дисках площадь поступления воздуха значительно больше. На основании этого можно сделать предположение о большей величине параметра удельной плотности тяги, и, следовательно, такой вариант конструкции ротора КД может иметь меньшие габариты при равных параметрах тяги, либо обеспечивать большую высотность ЛА.
На основании результатов метода МДО получено оптимальное значение установочного угла лопастей ротора и, следовательно, улучшены его тяговые показатели.
Библиографические ссылки
1. Грузинов В.И. и др. Крыльчатые движители. - Л.: Судостроение, 1973. - 136 с., ил.
2. Carlos M. Xisto; J. A. Leger; J. C. Pâscoa; L. Gagnon «Parametric Analysis of a Large-Scale Cycloidal Rotor in Hovering Conditions», Journal of Aerospace Engineering,Volume 30 Issue 1 -January 2017
3. Spalart P. R. and Allmaras S.R. « A one-equation turbulence model for aerodynamic flows», №1, 1994, рр. 5-21
4. Structural Design of Cyclocopter Blade System; In Seong Hwang*, Chang Sup Hwang* and Seung Jo Kim; Seoul National University,San 56-1 Sillim-dong Gwanak-gu, Seoul 151-742, South Korea
© Борковец Д. В., Елизарьева М. Г., 2022
