Файл: Лалетин К.Н. Практическая аэродинамика вертолета Ка-26 учеб. пособие.pdf

действующего с винтом. При подъеме секундная масса воздуха будет увеличи­ ваться, а при спуске уменьшаться. В соответствии с этим при постоянной индук­

тивной скорости тяга при подъеме должна увеличиваться, а при спуске умень­ шаться.

Теория активного диска. Винт, как любая машина, работает с определенными потерями. При анализе работы идеального винта предполагалось, что индуктивный поток по ометаемой поверхности равномерен. В действительности же скорость индуктивного потока изменяется и по длине лопасти вследствие различных условий ра­ боты ее элементов, и по ометаемой поверхности вследствие конеч­ ного числа лопастей, и вдоль вала винта при влиянии на струю вязкости воздуха. Кроме того, под воздействием вращающегося винта индуктивный поток закручивается, а неравномерность воз­ душного потока создает дополнительное закручивание потока за винтом, и индуктивная скорость не направлена вдоль оси винта, т. е. появляются так называемые тангенциальные составляющие. Если же учесть, что подвод винтом к струе дополнительной энер­ гии приводит к увеличению статического давления под винтом, то будет понятно образование на концах лопастей вихревых жгутов вследствие перетекания воздуха с нижней поверхности на верхнюю. Часть ометаемой винтом площади исключается из создания силы тяги в результате того, что лопасть имеет длину, меньшую радиуса ометаемого круга, так как в центральной части винта установлена втулка и размещаются агрегаты управления. Дополнительные за­ траты энергии у реального винта потребуются и на определение профильного сопротивления лопастей.

Но теорию идеального винта все же можно применить к реаль­ ному винту, если потери последнего учесть при создании силы тяги с помощью некоторого коэффициента, а за характерную индуктив­ ную скорость принять некоторую ее «среднюю» величину.

Импульсную теорию идеального винта в применении к реаль­ ному винту иногда называют теорией активного диска. При этом площадь, участвующую в создании силы тяги реального винта, на­ зывают э ф ф е к т и в н о й п л о щ а д ь ю . Процессы образования силы тяги у реального винта с некоторой эффективной площадью и у идеального винта с такой же ометаемой поверхностью условно можно считать аналогичными подобным процессам идеального винта.

Эффективную площадь реального винта или эквивалентную ей площадь идеального винта принято выражать через площадь, ометаемую реальным винтом, и коэффициент потерь х. Таким обра­

/

зом, тяга реального винта может быть определена как

Р эФФ = Fv.,

Y _ 2рFxVi . Или, если известна требуемая величина си­

лы тяги, можно определить среднюю потребную индуктивную ско­

Но мощность, потребная реальному винту для создания такого же индуктивного потока, как и у идеального винта, будет больше, потому что существуют непроизводительные потери. Основную часть этих потерь составляют потери на преодоление профильного сопротивления лопастей. Дополнительная мощность, потребная ре­ альному винту для создания такой же силы тяги, как и у идеаль­

ного, называется п р о ф и л ь н о й .

Если оси нескольких винтов находятся относительно друг дрѵга на достаточно большом расстоянии, то можно их тягу и потреб­ ную мощность рассчитывать как произведение тяги или мощности одного винта на их число. Но если винты работают вблизи друг друга, то они оказывают взаимное влияние. Так, если рассмотреть работу в осевом потоке соосных винтов, то нижний винт будет со­ здавать в плоскости вращения верхнего винта индуктивный поток со скоростью К\ а верхний винт будет создавать в плоскости вращения нижнего индуктивный поток со скоростью к2Ѵі п .

по данным экспериментов, можно считать с достаточной степенью точности для принципиального анализа, что нижний винт не влия­ ет на работу верхнего винта, т. е. /Сі~0. При этом концы лопастей нижнего винта будут работать в таких же условиях, как верхнего, потому что струя индуктивного ускоренного потока от верхнего винта сужается, как и у одиночного винта. Подобные условия ра­ боты приводят к увеличению эффективной площади соосных вин­ тов, но не в 2 раза, как можно предположить, а на меньшую вели­ чину, потому что центральная часть нижнего винта работает в режиме пропеллера и имеет пониженную эффективность.

Увеличение эффективной площади и массового расхода воздуха можно использовать для уменьшения потребной индуктивной ско­

рости и индуктивной мощности.

При постоянной подводимой мощности тяга соосного вертолета будет больше, чем тяга одновинтового вертолета. Относительно

8

двухвинтовой схемы с разнесенными винтами взаимное влияние винтов соосного вертолета приводит при постоянной требуемой тя­ ге« увеличению потребной мощности.

§2. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

ИОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА

Теория элемента лопасти. Теория активного диска устанавливает лишь связь между величиной тяги винта и массовым секундным расходом воздуха. При этом истинные значения индуктивных скоростей по ометаемой поверхности неизвестны, а массовый расход определяется их средней величиной.

Для нахождения истинных значений индуктивных скоростей и выявления влияния их на величину тяги и потребной мощности винта Н. Е. Жуковским была предложена строгая вихревая теория. По этой теории реально существующие ло­ пасти создают аэродинамические силы аналогично крылу конечного размаха. Как и крыло лопасти в расчетах заменяются присоединенными вихрями, и с концов лопастей, как и у крыльев, сбегают свободные вихри. Но если крыло движется поступательно и свободные вихри можно считать прямолинейными, то у винта концевой вихрь расположен по винтовой линии, потому что именно так движется конец лопасти. Центральный же вихревой шнур условно можно считать прямоли­ нейным, так как окружные скорости в центральной части винта невелики. По вели­ чине циркуляции вихрей подсчитываются индуктивные скорости у различных эле­ ментов лопастей, а затем определяются погонные нагрузки лопастей и аэродина­ мические силы винта.

Вихревая теория несущего винта является наиболее точной, но при анализе работы отдельных элементов лопастей можно воспользоваться и более простой классической теорией. По этой теории распределение индуктивных скоростей за­ дается с учетом осредненной величины индуктивной скорости, определенной в теории активного диска. А по величине индуктивных скоростей находят истинные углы атаки и аэродинамические силы отдельных элементов лопастей.

Упрощенную классическую теорию несущего винта называют теорией эле­ мента лопасти. В этой теории лопасть считается состоящей из бесконечного числа отдельных элементов, работа которых аналогична работе профилей крыла. Обра­ зуется элемент лопасти при сечении ее двумя цилиндрическими поверхностями, радиусы которых отличаются друг от друга на бесконечно малую величину. По­ строение элемента лопасти двумя цилиндрическими поверхностями учитывает вращательное движение элемента. Бесконечно малая толщина элемента позволяет считать в пределах одного элемента скоростной напор постоянным, хотя по размаху лопасти скоростной напор в зависимости от окружной скорости сог изменяется, и у концевых элементов он больше, чем у корневых.

Для оценки различий в работе отдельных элементов лопасти вводят понятие

относительно плоскости вращения определяют углом установки ф. Под углом установки понимают угол между кон­

9

яа угла притекания зависит от величины осевого и окружного потоков элемента

поэтому угол атаки элемента лопасти при постоянном угле установки умень­

обтекании аэродинамическая сила элемента лопасти может быть разложена отно­ сительно суммарного воздушного потока на подъемную силу АУ и силу сопро­

Аналогично могут быть определены с использованием коэффициентов и ее со­ ставляющие АУ, АХ, AT, AQ. Найдя элементарные силы тяги и силы сопротивле­ ния вращению отдельных элементов, можно определить погонные нагрузки на лопасть в плоскости вращения и в вертикальной плоскости. Просуммировав эле­ ментарные силы тяги и силы сопротивления вращению, можно определить вели­ чину сил тяги и сопротивления вращению отдельных лопастей:

Гл = ХДГ и <зл = х л < з .

Точку приложения аэродинамических сил лопасти называют центром давле­ ния. Элемент лопасти и радиус, на которых расположен центр давления лопасти, обычно называют характерными или эффективными, а индуктивную скорость в этом сечении — характеристической. Но так как центр давления лопасти смещен относительно оси вращения к консоли, то сила сопротивления вращению образует

У отдельного винта силу тяги и момент сопротивления враще­ нию условно можно определить суммированием тяг и моментов сопротивления вращению его лопастей с учетом их взаимного влия­ ния. Аналогичным образом можно найти тягу и момент сопротив­ ления вращению соосных винтов. Но в аэродинамике принято вы­ ражать аэродинамические силы и моменты по формулам основного закона сопротивления воздуха. При этом в аэродинамике несуще­ го винта за характерный скоростной напор принят скоростной напор от окружной скорости вращения концевого элемента лопасти. Ха­ рактерной площадью является площадь, ометаемая винтом, пото­ му что вследствие инертности воздуха и относительно большой угловой скорости вращения в создании силы тяги и у реального винта участвует масса воздуха по всей поверхности. За характер­ ное плечо при определении момента принимается радиус винта.

га

Для поддержания постоянного числа оборотов винта момент сопротивления вращению и крутящий момент должны быть равны.

Основные геометрические и аэродинамические характеристики винта. Для вы­ равнивания поля погонных нагрузок лопасти, уменьшения момента сопротивле­ ния вращению и улучшения других аэродинамических и прочностных характери­ стик на лопастях применяют геометрическую и аэродинамическую крутку и под­

сительно плоскости вращения. Обычно величину геометрической крутки лопасти выражают как разность углов установки корневого и концевого элементов.

Лопасти вертолета Ка-26 имеют расчетную геометрическую крутку 11°6'. Но для отдельных элементов лопастей геометриче­ скую крутку задают .как разность углов установки рассматривае­ мого и эффективного элементов. На лопастях винтов вертолета Ка-26 геометрическая крутка нелинейная, и ее величина при вы­ бранной форме в плане подобрана для обеспечения оптимальных характеристик.

Лопасти винтов имеют трапециевидную форму в плане с рас­ четным сужением 2,42. Хорда эффективного сечения на относитель­ ном радиусе 0,7 равна 250 мм, концевая хорда — 175 мм, у корне­ вого сечения лопасти (7= 0,2) 350 мм. Лопасти скомпонованы из профилей серии NACA-230, у которых относительная кривизна 2%, удаление максимальной кривизны от передней кромки 15% хорды. Относительная толщина с профилей различается так: при

7=0,2 с= 15%, при 7=0,3 с = 12,4%, а при 7=0,44-1,0 с= 12%.

Аэродинамические характеристики профиля NACA-230-12, уста­ новленного на консоли лопасти, для двух чисел Маха изображены на рис. 2.

Используя подобные зависимости для различных профилей и зная истинные углы атаки, можно по теории элемента лопасти под­ считать характерные аэродинамические коэффициенты несущего винта сти пгк. Обычно величины коэффициентов Ст и т к для несу­ щего винта задают как функции угла установки лопастей расчет­ ного сечения. Для вертолета Ка-26 минимальные расчетные углы установки лопастей верхнего винта 14°±15/, а нижнего 16°±15'. Увеличение углов установки нижнего винта относительно верхнего позволяет несколько улучшить его эффективность, но не вызывает выравнивания аэродинамических характеристик винтов.

Применение на лопастях осевых шарниров позволяет увеличить углы установки и верхнего, и нижнего винтов. А система управле­ ния обеспечивает как одновременное, так и раздельное увеличение

11