Файл: Лалетин К.Н. Практическая аэродинамика вертолета Ка-26 учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.06.2024
Просмотров: 126
Скачиваний: 0
i
Ka-26
I
I
i
К. н. ЛАЛЕТИН
ПРАКТИЧЕСКАЯ
АЭРОДИНАМИКА
ВЕРТОЛЕТА
Ка-26
Утверждено УУЗ МГА в качестве учебного пособия
для училищ гражданской авиации
Москва «Транспорт» 1974
УДК 629.735.533.601.3.004.2(022)
Практическая аэродинамика вертолета |
Ка-26. Л а- |
л е т и н К- Н. Изд-во «Транспорт», 1974, с. |
1— 192. |
В книге излагается практическая аэродинамика вер толета Ка-26; основы аэродинамики несущего винта, ба лансировка, устойчивость и управляемость вертолета, установившиеся и неустановившиеся режимы полета.
Особое внимание в книге уделяется вопросам лет ной эксплуатации вертолета, объяснению физических процессов, происходящих при выполнении различных ре жимов полета, особенностям пилотирования вертолетом. Подробно рассматриваются особые случаи в полете и разбираются специальные вопросы аэродинамики соосно го вертолета.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для слушателей летных училищ, пилотов учебно-трени ровочных отрядов, школ высшей летной подготовки гражданской авиации. Она может быть использована летным и инженерно-техническим составом производст венных подразделений.
Рис. 128, библ. 18.
31808—085 049(01)—74 '85—74 -
© Редиздат Министерства гражданской авиации С С С Р , 1974 г.
ВВЕДЕНИЕ
Многоцелевой вертолет Ка-26 с двумя поршневыми невысотными двигателями М-14В-26 создан под руководством д-ра техн. наук Героя Социалистического Труда Н. И. Камова.
Максимальный взлетный вес вертолета, кГ |
|
к Г |
3250 |
||||||
» |
вес коммерческой |
нагрузки, |
км /ч................................ |
900 |
|||||
Максимальное количество пассажиров |
....................................................... |
|
|
|
|
7 |
|||
Максимальная расчетная скорость полета, |
|
к м |
................................ |
170 |
|||||
Скорость полета по расписанию, |
км /ч |
....................................................... |
125 |
||||||
Дальность полета с подвесными |
баками, |
м |
|
................................ |
850 |
||||
Максимально допустимая высота полета, |
......................................... |
4000 |
|||||||
Максимальная |
эксплуатационная |
перегрузка в летных |
3 |
||||||
случаях |
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«четырех |
||
Вертолет спроектирован по соосной |
схеме и представляет собой |
опорное летающее шасси» с двухбалочной конструкцией фюзеляжа и Н-образным оперением. Каждый несущий винт состоит из трех стеклопластиковых лопастей. Мощность от двигателей передается на винты с помощью механической трансмис сии. Управление вертолетом осуществляется несущим винтом и рулями направ ления. Системы и оборудование вертолета позволяют выполнять полеты в простых и сложных метеоусловиях, днем и ночью.
Основными вариантами вертолета являются транспортный с подвесной грузо пассажирской кабиной или грузовой платформой и сельскохозяйственный с аппа ратурой опрыскивания или опыливания. К дополнительным вариантам вертолета Ка-26 относятся: лесопожарный, корабельный, геологоразведочный, аэрофото съемочный, учебный, санитарный, вертолет-кран и некоторые другие.
Вертолет с успехом участвовал в международных авиационных салонах в Швеции и Японии. Вертолет демонстрировался в Москве, Париже, Турине, Ганно вере, Беллунде, совершил демонстрационные полеты в Бельгию, Индию, Нидер ланды, Пакистан и другие страны, эксплуатируется в Болгарии, Венгрии, Румы нии, ГДР, ФРГ, Монголии. В 1966 г. он был удостоен золотой медали на
международной выставке «Современные сельскохозяйственные машины и обору дование» в Москве.
Основные преимущества вертолета связаны с использованием соосного рас положения несущих винтов [1], [3], [18].
Соосные несущие винты позволяют получить требуемую силу тяги при относительно небольшом диаметре несущей системы, так как хорошо используется ометаемая площадь, и нижний винт подсасывает добавочный воздух сбоку. Вер толет имеет относительно малые габариты, достаточно компактен, что упрощает его обслуживание, хранение, транспортировку, расширяет область применения. Малые габаритные размеры, уменьшая разнос масс, создают малые моменты инер ции, поэтому у вертолета большие угловые скорости вращения и высокая манев ренность. Отсутствие громоздкой хвостовой балки облегчает пилотирование на малых высотах, обеспечивает безопасность полета над пересеченной местностью и возможность выполнять авиационно-химические работы на малых скоростях и высотах, упрощает выполнение вынужденных посадок. Относительно короткий и легкий фюзеляж соосных вертолетов позволяет увеличить полезную нагрузку; хорошая обтекаемость планера — максимально снизить вредное сопротивление.
3
Исключение непроизводительных потерь на привод хвостового винта дает возможность уменьшить диаметр несущих винтов потому, что улучшается исполь зование мощности двигателя. Уменьшение длины лопастей винтов приводит к уменьшению веса конструкции вертолета и увеличению коэффициента весовой отдачи (отношения полезной нагрузки к полетному весу). На основных вариантах применения вертолета Ка-26 удалось увеличить коэффициент весовой отдачи до 37% (против 31% у вертолета Ми-2).
Вращение несущих винтов в разные стороны с одинаковым числом оборотов позволяет считать соосную схему почти симметричной. Это позволяет получить относительную независимость в цепях системы управления и облегчает пилотиро вание вертолета. Упрощается переход на режим самовращения несущих винтов и обучение полетам на вертолете. Принципиально на соосном вертолете можно обеспечить меньший уровень вибраций, если нагрузки от винтов противоположны по фазе. Снижению уровня вибраций способствует и меньший диаметр несущих винтов, а также большее число лопастей.
Но так как идеальных конструктивных схем не существует, то конструкторы, занимаясь соосными вертолетами, столкнулись с целым рядом проблем. Для безопасной эксплуатации соосных вертолетов следует исключить опасное сближе ние лопастей, что особенно сложно при их шарнирном креплении. Увеличение разноса винтов удлиняет вал и утяжеляет конструкцию, существенно увеличивает высоту вертолета. При высоком расположении несущей системы, центра тяжести вертолета, упругом вале винта и шарнирном креплении лопастей усложняется решение проблемы земного резонанса. Некоторые особенности имеет и флаттер лопастей. На соосных вертолетах трудно устранить оборотные вибрации. Наличие двух соосных валов, проходящих один в другом, осуществление всех функций управления с помощью несущего винта усложняют конструкцию вертолета, вызы вают увеличение веса конструкции, удорожание производства и эксплуатации. Нижний несущий винт, работающий в потоке верхнего винта, имеет меньшую эффективность, и поэтому коэффициент полезного действия несущей системы меньше, чем у других двухвинтовых вертолетов. На соосных вертолетах сложнее обеспечить также путевую устойчивость из-за короткого фюзеляжа.
Эксплуатация соосных вертолетов в Советском Союзе показала, что конст рукторский коллектив, возглавляемый Н. И. Камовым, успешно преодолел труд ности, стоявшие при их создании. Теперь создан универсальный вертолет Ка-26. который выгодно отличается от серийных советских и зарубежных вертолетов данного класса.
Глава I ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА
И ПЛАНЕРА ВЕРТОЛЕТА
§ 1. ОБРАЗОВАНИЕ ТЯГИ ВИНТА
Общие сведения о воздушных винтах и потоках. Воздушные винты в основном предназначены для преобразования крутящего момента от вала двигателя в аэро динамическую силу. Пропеллеры (гребные воздушные винты) используют свою аэродинамическую силу для поступательного движения летательного аппарата. Несущие винты (роторы) в основном предназначены для создания подъемной силы, но могут использоваться и для создания движущей (пропульсивной) силы и выполнять функции управления. Воздушные винты, выполненные в виде осевых лопаточных машин, используются как вентиляторы, контрвинты (спрямляющие аппараты), ветряные двигатели, роторы компрессоров, газовых турбин и т. д.
На вертолетах применяются несущие винты, которые должны удовлетворять требованиям аэродинамики, прочности, жесткости, производства, эксплуатации и надежности. Большинство из этих требований входит в противоречие друг с дру гом, и поэтому создать несущий винт трудно.
Основными аэродинамическими требованиями к несущим винтам являются: обеспечение требуемой аэродинамической силы на всех режимах полета, получе ние возможно большего к. п. д. и возможно меньшей неравномерности нагрузок, отсутствие неустойчивости движений лопастей и опасных явлений в полете, не большие шарнирные моменты.
Многообразие функций, выполняемых несущим винтом, и требований, предъ являемых к нему, усложняют его конструкцию. Существует несколько теорий, объясняющих работу несущих винтов. Наиболее простой является теория идеального винта, разработанная русскими учеными еще в начале XX в. Работу реальных винтов объясняют две теории: классическая и вихревая. Относительно подробно теории несущего винта и его работа разбираются в курсах аэродинами ки вертолета [2, 4, 5, 7, 11, 14], поэтому в этой главе будут разобраны лишь неко торые узловые вопросы.
Для облегчения анализа работы несущего винта различают несколько режи мов его работы в зависимости от направления набегающего воздушного потока.
Ориентацию воздушного |
потока |
относительно винта |
характеризует к о н с т р у к |
т и в н ы й у г о л а т а к и |
а к, т. |
е. угол, заключенный между вектором невозму |
|
щенного воздушного потока и конструктивной плоскостью вращения винта. |
|||
За конструктивную плоскость вращения обычно |
принимают плоскость, пер |
пендикулярную оси несущего винта и проходящую через середину втулки или по осям горизонтальных шарниров. У винтов с шарнирным креплением лопастей иногда за характерную плоскость удобнее брать плоскость вращения концов лопастей.
Если конструктивный угол атаки равен нулю, то набегающий воздушный поток называют плоским, а режим работы винта — режимом плоского (бокового) обтекания. Режим плоского обтекания может возникнуть при висении под дей ствием ветра. Если конструктивный угол атаки равен по абсолютной величи не 90°, то воздушный поток называют осевым (прямым), а режим работы винта —
5
режимом осевого обтекания. Осевое обтекание может возникнуть при висении и вертикальных режимах полета. Но наиболее общий случай обтекания, когда поток направлен к плоскости вращения под произвольным углом. Этот режим обтекания характерен для большинства режимов полета вертолета и называется режимом косого обтекания. Невозмущенный воздушный поток также называют косым.
Если невозмущенный воздушный поток набегает на плоскость вращения сверху, то углы атаки винта считаются отрицательными. Если же поток подходит к плоскости вращения снизу, то углы атаки положительны. Работа несущего винта на положительных углах атаки, когда винт получает энергию не от двига
теля, а от воздушного потока, рассмотрена |
в гл. V II. |
В некоторых случаях при снижении |
с работающими двигателями вокруг |
несущего винта может возникнуть циркуляция воздушного потока. Подобный режим, называемый вихревым кольцом, вместе с режимом самовращения разобран в главе «Особые случаи в полете». В этой главе проанализированы осевое и плос кое обтекания, так как косой поток можно условно считать состоящим из плос кого и прямого.
Тяга идеального несущего винта в прямом потоке. Физический смысл обра зования аэродинамической силы винта наиболее просто объясняется импульсной теорией идеального винта.
И д е а л ь н ы м в и н т о м называют винт, работающий без потерь; у такого винта вся подводимая к нему мощность расходуется только на создание полезной аэродинамической силы. Если идеальный винт обтекается осевым потоком, то спектр обтекания симметричен, и аэродинамическая сила, возникающая в резуль тате взаимодействия винта с воздухом, является силой тяги, так как направлена она вдоль оси винта.
Дополнительная скорость, получаемая воздушным потоком в результате взаимодействия с несущим винтом, называется индуктивной скоростью Vі . Индук тивную скорость в плоскости вращения винта называют индуктивной скоростью подсасывания Ѵі индуктивную скорость за винтом называют индуктивной ско
ростью отбрасывания Ѵі 2- Индуктивные скорости, сообщаемые винтом воздуш
ному потоку, увеличивают скорость потока, потому что винт подводит потоку дополнительную энергию от двигателя. Сила, ускоряющая воздушный поток, мо жет быть определена по второму закону механики, т. е. P = M j . А из третьего за кона механики следует, что с какой силой винт действует на воздух, с такой же силой воздух действует на винт. Поэтому тяга винта может быть подсчитана как реактивная сила T = P = M j .
Секундная масса воздуха |
М |
взаимодействующего с несущим винтом, |
возрастает при увеличении площади F, ометаемой винтом, массовой плотности р и скорости воздушного потока в плоскости вращения Ѵі = Ѵу + Ѵ і , а на режиме висения Ѵі = Ѵі и ускорение воздушного потока определится как разность CKO-
П..
ростей за винтом и до винта. Следовательно, / — -— - . Тяга винта на режиме
висения может быть определена как |
t |
|
|
Т = М ] = |
М Ѵ ■ |
= РF V iV u . |
Если же рассмотреть баланс кинетической энергии воздушного потока, то не трудно установить, что индуктивная скорость отбрасывания в два раза больше индуктивной скорости подсасывания. Действительно, работа силы тяги в единицу времени равна разности кинетических энергий секундных масс воздушного потока за винтом и до винта. На режиме висения это может быть записано как
|
пѴ\1 |
|
mV; |
Формула силы тя |
T V I |
— ------ — или |
m V,I 2 |
и поэтому |
|
|
2 |
|
|
|
ги идеального винта на режиме висения принимает вид Т ~ 2 p F V 'ii ,
6