Исследование вихревои системы несущего винта вертолета Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том I

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И 7970

№ 4

УДК 629.735 45.015.3.035.62

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ СИСТЕМЫ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

В. Г. Колков

Методом визуализации исследована вихревая система несущего винта вертолета при круговой обдувке его в широком диапазоне скоростей полета и величин удельной нагрузки. Установлена зависимость формы вихревой системы от скорости невозмущенного потока и от удельной нагрузки на винт. Определены формы вихревых систем на различных режимах работы несущего винта. Установлены границы применимости существующих моделей вихревых систем.

Несущий винт вертолета обтекается как при малых, так и при больших положительных и отрицательных углах атаки (—90° <*<; -)-90°) в широком диа-

пазоне скоростей полета, включая режим работы винта на месте. В связи с этим наблюдается многообразие форм вихревой системы винта с весьма сложным полем индуктивных скоростей в окружающем винт пространстве. Анализ этого поля важен для определения аэродинамических характеристик несущего винта и систем винтов с учетом их взаимной индукции, а также для решения ряда вопросов интерференции несущего винта, крыла и других элементов вертолета. Поэтому экспериментальное изучение вихревой системы несущего винта на различных режимах его работы представляет практический интерес и позволяет в известной мере выяснить сущность происходящих в потоке физических процессов.

Одним из эффективных методов исследования вихревой системы винта является метод визуализации дымом вихрей, сбегающих с концов лопастей. Первые опыты на основе этого метода были выполнены А. С. Дьяченко [1] в 1957 г. на модели винта в косом потоке при малых а и на режимах вертикального снижения.

В данной статье приводятся некоторые результаты исследования форм вихревой системы при круговой обдувке винта в вертикальной аэродинамической трубе ЦАГИ.

Испытания проводились на модели двухлопастного винта диаметром 2,1 м. Для визуализации вихревой системы использовался масляный дым, выпускаемый из конца лопасти. Втулка винта была снабжена тензометрическим весовым элементом для измерения суммарных аэродинамических характеристик винта. В процессе эксперимента проводилась скоростная киносъемка визуализированной вихревой системы.

На фиг. 1 представлен режим набора высоты по вертикали с небольшой

скоростью подъема 0,05, где 1/^ — скорость потока в аэродинами-

ческой трубе, ш — угловая скорость вращения винта, /? — радиус винта. Видно, что в этом случае справедлива вихревая схема, предложенная Н. Е. Жуковским. Вихревая схема Н. Е. Жуковского имеет место и при достаточно быстром сни-

жепии, когда скорость снижения V = <Г — 2,5, где г1,, — средняя по ометае-

Уъ

мому диску индуктивная скорость на режиме висения. На этих режимах индуктивные скорости, создаваемые винтом, малы но сравнению со скоростью певоз-мущенлого потока.

На режимах снижения с малой скоростью картина обтекания винта существенно изменяется. В этом случае вызванные свободными вихрями скорости соизмеримы со скоростями движения элементов вихрей. Элементы свободных вихрей движутся настолько медленно, что успевают разрушиться в близкой к винту области. Наблюдается расширение вихревой системы, обусловленное тем, что ограниченная вследствие диффузии система свободных вихрей индуцирует скорости, радиальные составляющие которых направлены к периферии. Такое расширение может произойти, очевидно, только в вязкой жидкости.

Фиг. 1. Режим вертикального подъема: « = - 90е; с - 0,0086; Усо V 1

С увеличением скорости снижения вихревая система приближается к плоскости вращения винта (фиг. 2, а). В связи с этим индуктивные скорости в этой плоскости возрастают. Концевые вихревые жгуты имеют сложную спиралевидную форму. Наблюдается режим „вихревого кольца", особенностью которого является кольцеобразное движение масс воздуха вокруг вихревых жгутов. Свободные вихри на этом режиме создают в потоке интенсивную турбулентность, что вызывает повышенную тряску вертолета. ’

При дальнейшем увеличении скорости снижения свободные вихри уносятся вверх по потоку (фиг. 2,6), что приводит к уменьшению индуктивных скоростей. Наблюдаемое расширение вихревой системы можно объяснить различным действием отдельных участков этой системы друг на друга. Элементы вихрей,

расположенные вдали от плоскости вращения винта, вызывают вблизи винта индуктивные скорости, радиальные составляющие которых направлены наружу, что приводит к расширению системы за винтом. Элементы же вихрей, расположенные вблизи винта, вызывают у далеко расположенных вихрей индуктивные скорости, радиальные составляющие которых направлены к оси винта, что соответственно приводит к некоторому сужению расширенной вихревой системы. В качестве расчетной схемы для этих режимов можно принять приближенную теоретическую схему, предложенную Е. С. Вождаевым [2]. _

Визуализация концевых вихрей винта при различных величинах Усе и

рв= —н-= — 0,5 У ст (где ст =------------------—коэффициент силы тяги винта,

(«./?)* кф

Т—сила тяги винта, р0 — плотность воздуха у земли) показывает, что существенная трансформация вихревой системы винта происходит при скоростях снижения, соответствующих интервалу —2,5<^1/00<^— 0,5. Вне этого диапазо-

Фиг. 3. Набор высоты при а =

jj. ^ 0,05. с — 0,0123

- 60,

Фиг. 4. Плоская вихревая система при аи ст =

a) [j. ^ 0,05:

s 0,0095: 6) ц;

0,25

на скоростей справедлива цилиндрическая вихревая схема, предложенная Н. В.

Жуковским.

На режимах косой обдувки несущий винт испытывался в широком диапазоне углов атаки (—60° ^ а <; 60°).

При больших отрицательных углах атаки (фиг. 3) реальная вихревая система удовлетворительно соответствует вихревой модели несущего винта в косом потоке, предложенной Г. И Майкапаром [3]. На этих режимах элементы вихрей располагаются на значительном удалении от плоскости вращение винта. Вызываемые ими индуктивные скорости в этой плоскости невелики. На режиме косой обдувки винта под углом а = 0 (фиг. 4, а) наблюдаемое отклонение вихревой системы от плоскости вращения происходит лишь вследствие наличия осевой составляющей индуктивной скорости, которая соизмерима со скоростью невозмущенного потока. Угол наклона получающегося при этом вихревого цилиндра зависит как от величины скорости набегающего па винт невозмущенного потока, так и от величины нагрузки на винт. При большой скорости по-

( Уж COS а \

лета I ;л= —------->0,15 ) вихревую систему можно считать плоской (фиг. 4,6).

Индуктивные скорости па этих режимах пренебрежимо малы по сравнению со скоростью набегающего на винт невозмущенного потока. Согласно данным Л. С. Вильдгрубе [4], вихревая пелена будет практически плоской, если

^>-1,15 У с-р. При сг = 0,0095 находим <_>. > 0,112. Таким образом, это соотношение удовлетворительно подтверждается экспериментом.

Значительный интерес представляет исследование малоизученных режимов крутого планирования. При планировании иод углом а. = 30° при и = 0,05 и малой нагрузке на винт форма вихревой системы близка к теоретической схеме косого вихревого цилиндра (фиг. 5, а). С увеличением нагрузки па випт скорость движения элементов свободных вихрей становится меньше, что приводит

Фиг. 5. Режимы планирования при а ~ 30° и ^ ^ 0,05: а) — 0,0055; б) с — 0,015

Фиг. 6. Режим планирования при

а 30°; а 0.1; = 0.008/

Фиг. 7. Режимы крутого планирования при а — 60° и ц ^ 0.05: я) су -- 0,0087; б) г ~ 0,017-1

не

к более интенсивной диффузии вихрей вследствие возросшего влияния сил вязкости (фиг. 5, б) и к разрушению вихревой системы. Таким образом, обычные вихревые теории оказываются неприменимыми к расчету этих режимов. Расчет по схеме косого вихревого цилиндра здесь можно проводить лишь при очень малых значениях величины удельной нагрузки на винт. При большей скорости планирования (фиг. 6) заметна деформация концевых вихревых жгутов, вызванная взаимодействием элементов вихрей друг с другом. Для этих режимов, по-видимому, следует применять нелинейные методы расчета, учитывающие деформацию элементов вихрей.

При исследовании режимов крутого планирования под углом а = 60° (фиг. 7) наблюдалась неравномерность движения элементов свободных вихрей по диску винта. Скорость движения элементов вихрей, отходящих от задней части диска винта, меньше скорости движения элементов вихрей, отходящих от передней его части. Вихревой цилиндр сохраняется на значительном удалении от плоскости вращения винта, а отмеченная неравномерность движения, элементов вихрей наблюдается в пределах косого вихревого цилиндра (см. фиг. 7, а). При большой величине удельной нагрузки на винт (см. фиг. 7,6) элементы вихрей в задней части диска винта переходят под плоскость вращения. Таким образом, вихревая система располагается с двух сторон от плоскости вращения винта.

На фиг. 7, б видно темное ядро вихря лопасти, из которой дым не выпускался. Как видим, дым извне не попадает в ядро вихря. Это означает, что вихревая трубка вблизи винта состоит из одних и тех же частиц воздуха (вихревая трубка перемещается вместе с воздухом), что соответствует второй теореме Гельмгольца. Таким образом, в данном случае влияние диффузии вблизи винта мало и им можно пренебречь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баскин В. Э., Дьяченко А. С., Майкапар Г И., Мартынов А. И. Исследование течения воздуха и нагрузок на лопасти винта вертолета в горизонтальном полете. „Инж. журн." АН СССР, т. III, вып. 3. 1963.

2. Вождаев Е. С. Теория несущего винта на режимах .вихревого кольца*. Труды ЦАГИ, вып. 1184, 1970.

3. Майкапар Г. И. Вихревая теория несущего винта. Сборник работ по теории воздушных винтов. БНИ ЦАГИ, 1953.

4. Вильдгрубе Л. С. Аэродинамический расчет вертолетов. Труды ЦАГИ, 1954.

Рукопись поступила 21VII1969 г.

9— Уненые записки № 4

117