CC BY
60
Томі
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И /97»
м з
УДК 629.735.45.015.3.035.62
О ЯВЛЕНИИ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЙ ПРИ ОБТЕКАНИИ НЕСУЩЕГО ВИНТА КОСЫМ ПОТОКОМ
А. В. Ларин
Представлены результаты экспериментального определения с использованием- метода кавитации структуры и формы вихревого следа за многолопастным шарнирным несущим винтом в косом потоке для летного диапазона нагрузок и режимов обтекания винта. Дано описание впервые обнаруженного явления вторичного сворачивания системы концевых вихрей и соответствующей методики исследования.
Центральное место в теории вертолета занимает задача определения поля ско-несущим винтом в окружающем течении воздуха. Эта задача ростей, индуцируемых особенно сложна для режимов косого обтекания многолопастных тяжелонагружен-ных винтов при малых углах атаки диска винта (а~ + Ю), для которых упрощающие допущения о жесткости вихревой пелены, отсутствии каких-либо явлений вторичного сворачивания вихрей в следе за винтом становятся неприемлемыми. Это стало более очевидным с получением в 1963—1964 гг. первых опытных данных по визуализации вихревой системы моделей многолопастных несущих винтов методом кавитации* [1] и [9] и результатов расчетной оценки влияния на поле индуктивных скоростей нелинейности системы концевых вихрей при сравнительно малых скоростях полета [2].
При построении вихревой теории, позволяющей вычислить поле мгновенных и средних по времени индуктивных скоростей как в зоне диска винта, так и в зонах возможного расположения других несущих винтов или органов стабилизации и управления вертолета, основополагающим является определение (теоретически или экспериментально) структуры и геометрии вихревого следа, образованного за винтом в результате сложнейшего взаимодействия каждого элемента свободного’ вихря со всей остальной вихревой системой. Е теоретическом плане эта задача для режимов косого обтекания винта пока еще не решена.
В работе приводятся результаты экспериментального определения структуры и формы вихревого следа за несущим винтом (н. в.) в косом потоке, содержащие описание неизвестного ранее вторичного сворачивания системы концевых вихрей, явившихся в свою очередь результатом первичного сворачивания пелены вихревых нитей у задней кромки каждой лопасти.
Возможность экспериментального изучения этого сложнейшего вихреобразова-ния позволяет с несколько другой стороны подойти как к установлению упрощенной модели вихревой системы за несущим винтом для разработки более совершенной вихревой теории, так и к определению поля индуктивных скоростей вокруг н. в., минуя трудоемкие расчеты на ЭЦВМ. Эти перспективы открываются на пути развития методов электрического моделирования вихревых полей [3], определяемых из опыта.
Задача экспериментального определения вихревой системы для основного экс-• v cos а
плуатационного диапазона режимов вертолета (а = — 12° = 10°, - =
= 0,15 -т-0,4) долгое время оставалась нерешенной. Для этих режимов попытки визуализации вихревого следа за шарнирным многолопастным винтом с помощью вы* Доложено автором на семинаре ЦАГИ по аэродинамике в 1965 г.
пуска из лопасти струек дыма, бальзовых и дымовых спектров не увенчались успехом, а в ряде опытов с однолопастным и двухлопастным бесшарнирным винтом, в которых визуализация удалась только в пределах диска винта, сделан вывод о сохранении циклоидальной формы свободных концевых вихрей и в следе за пределами, диска (см, [4], стр. 448, фиг. 1). Эти представления и послужили обоснованием допущения о жесткости, недеформируемости концевых вихрей для реальных ком-ноновок винтов. Предположение о возможном преобразовании скошенного вихревого цилиндра в более сложную систему, включающую в себя продольные вихревые жгуты, впервые было высказано М. Л. Милем в 1949 г. после тщательного анализа материалов по измерению индуктивных скоростей в следе за моделью н.в. [5]. Позднее близкое к этому мнение высказано П. Р. Пейном в [6].
Только с разработкой прямого метода визуализации ядер свободных вихрей в следе за н.в. с использованием явлений кавитации удалось более или менее успешно подойти к решению указанной задачи экспериментальным путем.
Примененный метод визуализации вихрей при косом обтекании н.в. отличается от методики [7] для тяжелонагруженных гребных винтов в осевом потоке. В опытах [7] при постоянных по азимуту скоростях и углах притекания струй к сечениям лопастей кавитация возникала при достижении определенного отношения осевой скорости потока к окружной скорости лопастей, визуализируя с этого момента ядра концевых вихрей. Никаких средств управления явлением кавитации в целях визуализации не применялось.
Для случая относительно мало нагруженного н.в. в косом потоке, когда параметры обтекания лопастей изменяются в функции азимута Чг, потребовалась специальная настройка кавитационных явлений, подбор режимов обтекания шарнирного винта, его геометрических параметров и величины заглубления, а также их усиление с помощью системы аэрации воды для визуализации вихрей. Специальная конструкция модели шарнирного малонагруженного н.в. [1], [9] позволила реализовать эти кавитационные режимы с соблюдением геометрического и кинематического подобия с натурными винтами. Было выдержано подобие по числам БЬ, Ие в диапазоне летных режимов при соответствующих значениях коэффициентов тяги ст, крутящего момента тк, углах атаки а и установки <р, характеристиках режима ц, но с отступ-
лением от подобия по числу Коши.
Еще в работе [8] было показано, что при су^>0,4 кавитируют в первую очередь свободные вихревые шнуры, сходящие с концов подводного крыла, а не области на верхней поверхности крыла в его средних сечениях. Это обстоятельство по существу
определяет преимущества разработанного прямого метода визуализации [1] перед
другими методами, применявшимися ранее для тех же режимов. Поскольку кавитация автоматически возникает только в ядрах вихревых нитей и жгутов, где разрежение достигает максимальной величины и там скапливаются пары воды и растворенный в воде воздух, то с помощью этого метода стало возможным не только проследить положение точки схода вихревых шнуров непосредственно на лопасти, оценить их размеры, но и изучить поведение и взаимодействие одиночных шнуров с разных лопастей в следе за винтом на протяжении нескольких радиусов н.в. в зависимости от числа и формы лопастей и параметров режима ст; <р0; а; (л.
Особенность условий работы н.в. в воде по сравнению с работой в воздушной среде заключается в том, что моменты гидродинамических сил относительно шарниров винта не могут быть уравновешены инерционными силами. Это обусловило разработку особой схемы втулки [9], обеспечивающей устойчивость махового движения лопастей и их прочность. Для некоторых из исследуемых режимов, в которых числа Ие на конце лопасти уменьшаются до значений Не<С6-105, когда проявляется их влияние на критическое число кавитации оКр, применена специальная система аэрации, позволившая получить более полное и равномерное насыщение воды воздухом в рабочей зоне винта и активизировать возникновение кавитации.
Визуализированная описанным методом система свободных вихрей за лопастями н.в. фиксировалась на фотопленку тремя синхронно включаемыми фотокамерами в трех проекциях: в плане (фиг. 1, 4, а), под углом 45° к вектору поступательной скорости (фиг. 2) — с помощью стереофотокамер и импульсных источников света, а при виде сбоку (фиг. 3, 4,6) — с помощью фотокамеры из подводного бокса. При этом стереофотоснимки давали изображение вихрей в связанной с винтом системе координат, а снимки камерой из подводного бокса — в поточной.
Динамика процесса вихреобразования фиксировалась на широкую кинопленку с помощью скоростной кинокамеры (120—140 кадр!сек), перемещавшейся на тележке вместе с моделью н.в. Образец кадра скоростной киносъемки представлен на фиг. 5.
Для детального изучения геометрии вихревой системы на определенном режиме целесообразно рассматривать фотографии всех трех проекций, полученные одновременно.
Специальная расшифровка сотен кадров скоростного кинофильма, фотостереопар, фотографий боковой проекции следа позволила воспроизвести на проволочных моделях и в структурной схеме (фиг. 6 и 7) форму концевых свободных вихрей, близкую к их действительной форме.
Y = ?'■ ■ а ■ - 5 -'* и 0, 19
Фиг. 1. Кадр фотостереопары вихревой системы модели пятилопастного несущего винта
(вид в плане)
При сопоставлении фотографий визуализированной системы концевых дискретных вихрей на режимах больших отрицательных углов атаки винта (см. фиг. 4) с соответствующими фотографиями вихревой системы этого же винта на режимах малых углов атаки (см. фиг. 1—3) обнаруживается явление вторичного сворачивания вихрей в продольные жгуты новой структуры. Сущность этого явления состоит в образовании из полупетель (см. фиг. 6 и 7) одиночного вихревого шнура, сошедшего с конца каждой лопасти, нескольких спиралевидных витков вокруг оси, смещенной вглубь вихревой колонны. Эти витки образуют по краям следа (см. фиг. 6, б)) элементы продольных вихревых трубок, а в совокупности при коаксиальном их совмещении со сдвигом по фазе образуют два больших результирующих продольных жгута (см. фиг. 6,а). Жгуты связаны между собой по всей длине двумя разнесен-
_ кх 2
ными по высоте слоями перемычек с шагом Ах = —Jj- ~ , из продолжений оди-
1\ /с COS сс
ночных вихревых шнуров противоположной циркуляции. Эта пространственная вихревая система за границей диска винта уже при х!>1 в сечении подобна схеме фиг. 7 и ,по структуре существенно отлична от свернувшегося вихревого следа за крылом. Это вихреобразование обнаружено на характерных для современных вертолетов режимах ц «к 0,15-н0,4; а «г — 12-нО.
Описать в динамике это явление точно на основании фотографий с отдельных кадров кинофильма (см. фиг. 5) затруднительно. Ясное представление о процессе
9 Ученые записки № 3
117
2. Кадр фотостереопары вихревой системы модели пятилопастного несущего винта (вид под углом 45° к вектору поступательной скорости винта)
Лро1?мьные результирующие ЗихреНые жгуты
Фиг. 3. Боковая проекция вихревой системы модели пятилопастного несущего винта (фотосъемка из подводного бокса)
Начальная стадия информации аёиночних нонцеЗых Зихрей перед формированием
результирующих праіїзльншх жгртвЗ
Фиг. 4. Вихревая колонна за пятилопастным несущим винтом на режиме с отсутствием вторичного вихреобразования
формирования и о деталях в структуре вихреобразования дает только просмотр в замедленном темпе фильма скоростной киносъемки.
При рассмотрении фотографий (см. фиг. 1, 2, 4, 5) следует иметь в виду, что центральная часть вихревого следа за пилоном установки закрыта от наблюдения буруном на поверхности воды, образующимся при обтекании пилона по границе раздела сред, в некоторой степени искажающим изображение прилегающих участков, вихревых перемычек между боковыми жгутами.
Фиг. 5. Кадр скоростной киносъемки вихревой системы модели пятилопастного несущего винта с прямоугольными лопастями (вид в плане)
Обобщение проведенных исследований обтекания винтов с разным числом 1г формой лопастей позволило установить некоторые общие закономерности и дать, приблизительное описание геометрии вихревой системы.
1. Свободные вихри сходят с концов лопастей в сечении /•«0,99.
2. Формирование продольных результирующих жгутов происходит непосредственного на границе диска в зоне азимутов ^ == 63° + 7° и г|) = 237° +11° для всего исследованного диапазона характеристики режима [X и нагрузки на винт ст .
3. Оси результирующих жгутов располагаются на разных расстояниях от оси
71 —
Ох. Со стороны = "2 ось ядра жгута имеет координаты г = 0,89 + 0,05, а со» стороны 1]э = 3/2я — координату г = 0,94 + 0,05.
4. Жгут, начинающийся из зоны азимута т|з я» 63°, состоит из большего числа закрученных в ядре спиральных витков и участков концевых вихревых нитей (т. е. имеет и большую интенсивность) и наклонен под большим углом к вектору скорости, чем жгут противоположной интенсивности, начинающийся в зоне -ф«237°. Последнее объясняется разным по интенсивности воздействием на жгуты несимметричного поля индуктивных скоростей за винтом.
Продольные. результирующие кГгиты (совокупность /гадхек-ауты/о совмещенных /ихреоых трубок от нескольких лопастей)
Нижний слои участков кон-цедых шнура#
Верхний слой участков хо*-еви/х шнуроо
Лнару/неямая рорма лреобразо Дания крайних Циклоидальных участно/} концеоого 0ихря д злементы НихреАых трудом, состоящих из нескольких слирале/ианых диткод
Яздестмая циклоидальная форме одинечнагв концедояе вихря до преобразования (ос*-30’
Фиг. 6
5. Участки дискретных вихревых шнуров, сошедших с концов лопастей при их движении по задней границе ометаемого диска винта (г|з 270°—0—90°) и по передней границе (г|з ;=« 90°—180°—2Т00), образуют соответственно верхний и нижний слой вихревых «перемычек» между ядрами продольных жгутов и чередуются на протя-
— 2л(Л
жении всего фиксируемого участка следа с шагом &.х» . • •
6. Радиус ядра дискретных вихрей, сошедших с концов лопастей, превышает величину гя.в = —~ 0,007 + 0,003.
Условный радиус ядра результирующего жгута в среднем составляет гя Шг ~ ~ 0,05 ± 0,03. ' ‘
0,01 Л
Фиг. 7. Схема сечения пространственной системы концевых вихрей несущего винта при х > I
7. Вторичное сворачивание вихрей для вйнтов с большим числом лопастей проявляется при сравнительно меньших скоростях и больших отрицательных значениях углов атаки.
* *
*
ЛИТЕРАТУРА
1. Ларин А. В., М а в р и ц к и й В. И. Метод и некоторые результаты исследования геометрии вихревой системы несущих винтов различных компоновок. Труды ЦАГИ, вып. 1014, 1966.
2. Б а с к и н В. Э., Королева К- К- К нелинейной вихревой теории винта вертолета в горизонтальном полете. Труды ЦАГИ, вып. 1013, 1966.
3. Рязанов Г. А. Электрическое моделирование с применением вихревых полей. М., «Наука», 1969.
4. Баскин В. Э., Дьяченко А. С., Майк ап ар Г. И., Мар-
тынов А. И. Исследование течения воздуха и нагрузок на лопасти винта вертолета в горизонтальном полете. Инженерный журнал, т. 3, вып. 3, 1963. -
5. М и л ь М. Л., Сперанский М. К. Исследование поля скоростей вокруг ротора геликоптера при осевом и косом обтекании. Труды ЦАГИ, 1949.
6. П е й н П. Р. Динамика и аэродинамика вертолета. М., Оборон-
гиз, 1963. ,
7. Fla mm О. Jahrbuch d. Schiffbautechn. Gesellsch. В. 9 (1908), S. 427.
8. Эпштейн Л. А. О возникновении кавитации в вихревых шнурах, сбегающих с крыла конечного размаха. Труды ЦАГИ, вып. 716, 1958.
9. Л а р и и А. р. Авторское свидетельство № 30885 от 14/V 1964.
Рукопись поступила 23/VI 1969 г.
