Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Київський міжнародний університет цивільної авіації
УДК 533.662
Українець Євген Олександрович
Аеродинамічні характеристики несучих систем літальних апаратів з
співосними гвинтовими рушіями
Спеціальність 05.07.01 Аеродинаміка та газодинаміка літальних апаратів.
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 1999 р.
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Харківському інституті льотчиків ВПС України
Науковий керівник: кандидат технічних наук Миргород Ю.І.,
начальник кафедри аеродинаміки та динаміки польоту
Харківського інституту льотчиків ВПС України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Єрошин В.Ф.,
Голова наукової ради АНТК ім. О.К. Антонова
кандидат технічних наук Шквар Є.О.
доцент кафедри вищої математики Київського міжнародного університету цивільної авіації
Провідна установа: Харківський державний аерокосмічний університет (ХАІ)
Захист дисертації відбудеться “22” “квітня” 1999 року о 14.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 у Київському міжнародному університеті цивільної авіації за адресою:
252058, Київ-58, Проспект Космонавта Комарова 1, КМУЦА, корпус 9, ауд. 9.308
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці університету.
Автореферат розісланий “19” “березня” 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05
кандидат технічних наук, доцент А.Г. Баскакова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Висока ефективність гвинтових рушіїв на малих швидкостях польоту зумовлює їх широке застосування в сучасній авіації. Повітряний гвинт залишається серйозним конкурентом реактивним рушіям, завойовуючи області все більших швидкостей. Проте, аеродинаміка гвинтового рушія, його вплив на аеродинамічні характеристики несучих систем, вивчені недостатньо повно.
Підбір гвинтового рушія до літального апарату завжди компроміс, спроба задовольнити суперечливим вимогам достатньої тяги і високого коефіцієнта корисної дії при обмеженні геометричних розмірів. Традиційно ця проблема вирішується збільшенням числа лопатей гвинтового рушія, або збільшенням кількості самих гвинтових рушіїв. Особливо ефективним виявляється застосування співосних гвинтових рушіїв протилежного обертання, здатних без втрати коефіцієнта корисної дії і збільшення діаметра зняти з двигуна істотно більшу, при однорядному гвинтовому рушії, потужність. Крім того, обдув співосними гвинтовими рушіями більш сприятливо відбивається на аеродинамічних характеристиках несучих систем, ніж обдув однорядними гвинтовими рушіями, і це питання вимагає подальшого дослідження.
В нинішній час аеродинамічні характеристики несучих систем літальних апаратів з урахуванням роботи гвинтових рушіїв одержують або в натурному експерименті, або шляхом продувок в аеродинамічній трубі геометрично подібних моделей гвинтових рушіїв, або за полуемпіричними залежностями. З іншого боку, рівень розвитку аеродинаміки і обчислювальної техніки дозволяють отримати ці характеристики з достатньою для практичної мети точністю.
Одержання аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з гвинтовими рушіями в льотному експерименті пов'язане з певним ризиком, великими матеріальними витратами і календарними термінами. Трубний експеримент із-за неможливості погодження всіх критеріїв подібності ускладнений і також пов'язаний з високими витратами. Розробка і впровадження в практику проектування розрахункової методики одержання подібних аеродинамічних характеристик дозволить зменшити частку експерименту при проектуванні і доводці літальних апаратів, провести широкі параметричні дослідження по вибору раціональних геометричних і кінематичних параметрів несучих систем і, завдяки цьому, скоротити календарні та матеріальні витрати.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Тема дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку кафедри “Аеродинаміки та динаміки польоту літальних апаратів” факультету загальної авіаційної підготовки Харківського інституту льотчиків та комплексній програмі АНТК “Антонов” досліджень впливу роботи гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики крила і оперення.
Мета роботи
Метою роботи є розробка методики розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями на основі чисельного моделювання на ЕОМ.
Задачі дослідження
Для досягнення мети вирішені наступні основні задачі:
- розроблена математична модель обтікання потоком газу несучої системи літального апарата з співосними гвинтовими рушіями;
- на базі розробленої математичної моделі створена робоча програма розрахунку;
- проведені методичні дослідження по вибору раціональних параметрів дискретизації;
- обгрунтована вірогідність розробленої методики зіставленням результатів моделювання на ЕОМ обтікання широкого класу об'єктів з експериментальними даними і результатами розрахунків інших авторів;
- проведені дослідження впливу геометричних і кінематичних параметрів гвинтових рушіїв на їхні аеродинамічні характеристики, поля швидкостей навколо комбінації “гвинтовий рушій - мотогондола”, аеродинамічні характеристики крила та оперення;
- проведені дослідження ефективності мір по зменшенню впливу струменів від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики оперення.
Наукова новизна
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
- розроблена методика розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями;
- розроблена методика розрахунку серійних діаграм гвинтових рушіїв;
- розроблена методика розрахунку аеродинамічних характеристик комбінацій типу “гвинтовий рушій - мотогондола”;
- проведено дослідження впливу обдува струменями від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики крила і оперення, визначено характерні відзнаки аеродинамічних характеристик несучих систем з співосними гвинтовими рушіями від аеродинамічних характеристик несучих систем з однорядними гвинтовими рушіями;
- проведено чисельні дослідження поля течії газу в районі оперення транспортних літаків, встановлено залежності моментних характеристик несучих систем від геометричних та кінематичних параметрів гвинтових рушіїв, крила, оперення.
Практична значимість роботи
Створено програму розрахунку розподілених і сумарних аеродинамічних характеристик складних комбінацій з співосними і однорядними гвинтовими рушіями, в тому числі за наявності поверхні розділу і кута ковзання.
Вироблено рекомендації по раціональному вибору параметрів дискретизації.
Досліджено вплив роботи гвинтових рушіїв на поле швидкостей в районі оперення транспортних літаків. Вироблено рекомендації по вибору раціональних геометричних параметрів горизонтального оперення за умови мінімального впливу зміненні режиму роботи гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення.
Реалізація результатів роботи
Розроблені автором положення реалізовані:
- програма розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями - в авіаційному науково-технічному комплексі “Антонов” для досліджень впливу струменів від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики крила і оперення;
- методика і програма розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями - в навчальному процесі Факультету загальної авіаційної підготовки ХІЛ ВПС.
Розроблена методика використана в науково-дослідній роботі №096209 (шифр “Алгоритм-14”). Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при розробці і модернізації авіаційної техніки.
Доповіді і публікації
Основні результати роботи доповідалися, обговорювалися і отримали позитивну оцінку на:
- науково-технічних семінарах в АНТК “Антонов”, Київ, 1997.1998 рр.;
- міжнародній конференції “Відкриті інформаційні і комп'ютерні інтегровані технології”, Харків, 1998 р.;
- міжнародній конференції “Розвиток легкомоторної авіації України”, КМУГА, Київ, 1998 р.;
- семінарі молодих вчених факультету загальної авіаційної підготовки ХІЛ ВПС, Харків, 1997 р.;
- семінарах кафедри аеродинаміки та динаміки польоту літальних апаратів ФЗАП ХІЛ ВПС, Харків, 1996, 1997, 1998 рр.
За темою дисертації опубліковано 7 статей.
Структура і обсяг дисертації.
Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота виконана на 148 сторінках, містить 131 рисунок. Список літератури містить 100 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обгрунтована актуальність обраного напрямку дослідження на підставі проведеного аналізу існуючих методів визначення аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з гвинтовими рушіями, сформульвана мета досліджень, показані основні положення, що визначають наукове та практичне значення роботи.
У першому розділі представлена методика розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з гвинтовими рушіями.
Проведено аналіз існуючих математичних моделей газу. Робиться висновок про найбільшу ефективність моделі потенційної течії ідеальної рідини для дослідження аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з гвинтовими рушіями.
Робота обмежується розгляданням прямих задач аеродинаміки, в яких просторові форми несучих поверхонь та кінематичні параметри задані як функції координат і часу. Для комбінації, що складається з співосних гвинтових рушіїв (СВР) і несучих поверхонь (НП), та рухається в нев`язкому нестискуваному середовищі з поступальною швидкістю, не накладається будь яких геометричних обмежень. Лопаті СВР і НП можуть обтікатися як плавно, так і з відривом потоку, при цьому місця сходу вихрових пелен вважаються апріорі відомими і (або) фіксованими на краях. В загальному випадку потрібно визначити розподілені та сумарні аеродинамічні навантаження, діючі по несучий системі.
Розглядувана комбінація складається з ряду несучих поверхонь, які з огляду на невелику відносну товщину лопатей вважаються нескінченно тонкими. Задача по розрахунку обтікання вирішується в безрозмірному вигляді. Засіб завдання геометричних параметрів адаптований для використання стандартних креслень лопатей повітряних гвинтів.
Використовуються підходи методу дискретних вихорів, припускається, що всюди поза поверхнями і сліду за ними течія є безвихрова, тоді для потенціалу збурених швидкостей справедливо рівняння Лапласа:
.
Задача полягає в знаходженні потенціалу швидкостей, що задовольнить рівнянню Лапласа при певних межових умовах:
На жорстких поверхнях виконується умова непротікання.
На вільних вихрових поверхнях виконується умова безперервності тиску і нормальної складової швидкості.
На нескінченному віддаленні від комбінації і сліду за ній потік незбурений.
На краях поверхонь, з яких сходять вільні вихрові поверхні, виконується умова Чаплигіна-Жуковського про кінцевість швидкостей.
Якщо замінити несучі поверхні та їх слід безперервними вихровими шарами з напруженістю, то поле швидкостей, індуковане цими шарами, задовольняє рівнянню Лапласа, умові на нескінченності. Для виконання умови безперервності тиску і нормальної складової швидкості на вільних вихрових поверхнях слід розглядається як вільна вихрова поверхня. Для визначення на несучих поверхнях використовується умова непротікання і умова, що характеризує місце сходу вихрової пелени.
Рішення проводиться в нелінійній нестаціонарній постановці. Оскільки вивчаються задачі, що описуються рівняннями нерозривності при нелінійних межових умовах на поверхні тіл та на невідомих поверхнях тангенціального розриву, то це дозволяє будувати рішення за допомогою методу дискретних вихорів, поле швидкостей яких автоматично задовольняє рівнянню нерозривності. Для рішення задачі вихрові системи тіл і сліду за ними моделюються системою дискретних вихорів. В роботі використовується модифікований метод дискретних вихорів, розроблений В.О.Апаріновим та О.В.Двораком, гідродинамічна замкнутість вихрової системи в якому забезпечується застосуванням замкнутих чотирикутних вихрових рамок, кожна з яких моделює охоплений нею елемент вихрових поверхонь. Застосування замкнутих вихрових рамок для моделювання вихрових поверхонь дозволяє функціонально поділити вихрові схеми несучих поверхонь та пелени на окремі модулі. Вихрова схема НП представляє собою універсальний незалежний модуль при рішенні задач з різноманітними схемами обтікання: відривними та безвідривними.
Заміна безперервного розподіленого вихрового шару дискретним дозволяє перейти від інтегро-диференційних рівнянь до системи алгебраїчних. Тоді потенціал і вектор швидкості визначаться підсумовуванням відповідно потенціалів та швидкостей від всіх цих рамок. Межова умова непротікання записується для контрольних точок у вигляді системи алгебраїчних рівнянь і використовується для знаходження невідомих циркуляцій вихрових рамок на НП. При сході вихрових пелен з країв, циркуляції вільного вихрового відрізка привласнюється значення відповідної циркуляції на НП, яка одержується з попереднього розрахункового кроку.
Застосування інтеграла Коші-Лагранжа до нижньої і верхньої сторін НП дозволяє знайти різницю тиску
=.
По відомому розподілу по поверхнях та обчисленим в контрольних точках векторам нормалей шляхом підсумовування по всім дільницям поверхонь одержуються коефіцієнти сил та моментів.
Вважаючи лопаті гвинтових рушіїв нескінченно тонкими, а середовище ідеальним, можливо розраховувати тільки одну складову крутячого моменту, обумовлену проекцією нормальної сили на площину обертання. Відомі роботи (Білоцерковський С.М., Локтєв Б.Є., Нішт М.І.), де пропонується засіб знаходження крутячого моменту з урахуванням реалізації підтягувальної сили та розрахунку опору, обумовленого силою тертя по добре відомим інженерним підходам, основаних на заміні перерізу лопаті еквівалентною пластиною. В даній роботі для визначення коефіцієнта профільного опору кожного поперечного перерізу використовуються розраховані місцеві коефіцієнти нормальної сили і поляра профілю II роду. Таким чином, без ускладнення математичної моделі і збільшення потрібного часу розрахунку уточнюється модель ідеального нестискуваного газу і з'являється можливість побудови серійних діаграм повітряних гвинтів по запропонованій методиці.
Застосування гвинтового рушія, при якому він може вважатися ізольованим, зустрічається рідко. В рамках теорії потенційних течій для моделювання інтерференції в складних конфігураціях типу “гвинтовий рушій - мотогондола” використовується блочно-ітераційний метод, що дозволяє застосовувати різні розрахункові методи для моделювання різних елементів конфігурації: метод дискретних вихорів для моделювання гвинтового рушія та панельний метод для моделювання тілесної мотогондоли. В цій роботі для моделювання обтікання мотогондоли використовується панельний метод Маріно (Калкаманов С.А.), в відповідності з яким розглядається інтегральне подання рішення диференційного рівняння Лапласа для потенціалу збурених швидкостей. При ітераційному моделюванні обтікання комбінації “гвинтовий рушій - мотогондола” урахування інтерференції здійснюється через умову непротікання твердих поверхонь:
- в контрольних точках панелей мотогондоли - з урахуванням збурених швидкостей від вихрової системи гвинтового рушія;
- в контрольних точках на поверхнях гвинтового рушія - з урахуванням збурених швидкостей від мотогондоли.
Другий розділ присвячений дослідженням по методиці розрахунку.
Приводиться блок-схема та характеристики робочої програми розрахунку, комплексу графічних програм.
Наголошується на важливості раціонального вибору параметрів розрахунку, оскільки надмірне розбиття на поверхнях та малий часовий крок значно збільшує тривалість виконання розрахунку, а мале розбиття та великий часової крок можуть призвести до великої похибки одержуваних результатів. Дослідження проводилися за наступною схемою:
- визначення міри дискретності та розрахункового часового інтервалу для одержання сумарних аеродинамічних характеристик ізольованого гвинта;
- визначення параметрів рахунку для одержання розподілених і сумарних аеродинамічних характеристик НП в сліді за гвинтовим рушієм.
В результаті досліджень встановлено, що для одержання сумарних аеродинамічних характеристик ізольованого гвинта необхідно використати розбиття по хорді лопаті n3, розбиття по розмаху лопаті N4, величина розрахункового часового інтервалу вибирається в залежності від кількості лопатей, з яких складено гвинт. Для вивчення сумарних аеродинамічних характеристик НП в сліді за гвинтовим рушієм значення n/=3 та
вважаються достатніми для одержання високої точності розрахунку; при визначенні розподілених аеродинамічних характеристик по НП необхідно враховувати значення розбиття як по хорді (n3), так і по розмаху (N 8).
Працездатність створеної методики обгрунтовується порівнянням розрахунків з результатами фізичних експериментів та відомими розрахунками інших авторів для широкого класу аеродинамічних тіл: крил різних подовжень, гвинтових рушіїв з різними геометричними та кінематичними параметрами (приклад: рис. 1, 2).
Рис. 1 Розподіл навантаження Рис.2 Серійна діаграма повітряного гвинта
по крилу малого подовження СДВ-1
При рішенні задач в нелінійній нестаціонарній постановці виникають труднощі, обумовлені значним збільшенням часу розрахунку. Це призвело до необхідності дослідження підходів по його скороченню.
Досліджено неврахуння дальнього вихрового сліду на комбінації, що знаходилася в потоці з U==0,24 та =5 та складалася з двох трилопатевих повітряних гвинтів та несучої поверхні, при обчисленні навантажень на несучій поверхні, і знесення сліду по швидкості набігаючого потоку. Встановлено, що при віддаленні сліду на відстань 2R зміни в аеродинамічних характеристиках несучої поверхні не перевищують 1% відносно усталених значень, тому його неврахування не призводить до великої похибки, а потрібний час розрахунку зменшується в два рази при куті проворота гвинтів . Таким чином, неврахування дальнього вихрового сліду дозволяє суттєво скоротити потрібний час розрахунку без втрати точності.
В третьому розділі приведені дослідження впливу геометричних та кінематичних параметрів гвинтових рушіїв на їх аеродинамічні характеристики, поле миттєвих індуктивних швидкостей, аеродинамічні характеристики крила, оперення, мотогондоли.
Для підбору повітряного гвинта до літака широко використовуються серійні діаграми (аеродинамічні характеристики) повітряних гвинтів. Створена методика здатна розрахувати серійну діаграму гвинтового рушія без обмежень на число і геометричні параметри лопатей, як з урахуванням інтерференції гвинта і літака, так і без її урахування.
Застосування гвинтового рушія, при якому він може вважатися ізольованим, зустрічається рідко. Як правило, в безпосередній близькості від гвинтового рушія знаходиться мотогондола, обдувка якої зменшує тягу на величину приросту опору. В свою чергу, мотогондола істотно впливає на поле швидкостей в прикомлевих перерізах гвинтового рушія, тому для дослідження полей швидкостей моделювання мотогондоли вважалося обов'язковим.
Для дослідження впливу числа лопатей однорядного гвинтового рушія на поле індуктивних швидкостей були вибрані двох- (рис. 3), трьох- та шестилопатеві повітряні гвинти, складені з однакових лопатей, що мали геометричну крутку та шаблевидний відгіб закінцівки. Розрахунок проводився при режимі роботи, що відповідає
режиму роботи шестилопатевого гвинта з коефіцієнтом тяги .
Мотогондола моделювалася еліпсоїдом обертання (рис. 3).
Для дослідження впливу числа лопатей співосного гвинтового рушія на поле індуктивних швидкостей були вибрані повітряні гвинти з числом лопатей відповідно в першому та другому рядах 3+3, 4+3, 6+6, 8+6 (рис. 4).
Рис. 3 Поля миттєвих швидкостей, що індукуються дволопатевим однорядним гвинтовим рушієм
Рис. 4 Поля миттєвих швидкостей, що індукуються співосним гвинтовим рушієм з числом лопатей 8 в першому ряді та 6 в другому ряді
Аналіз розрахованих полей швидкостей дозволяє зробити такі висновки:
- поле швидкостей, що індукується дволопатевим гвинтовим рушієм істотно нестаціонарне, періодично змінюється;
- за шестилопатевим гвинтовим рушієм потік характеризується сильною закруткою;
- за співосними гвинтовими рушіями потік істотно менш закручений у порівнянні з однорядними при більшому індуктивному впливі в площині OXY.
Досліджено вплив струменя від гвинтових рушіїв на розподіл аеродинамічного навантаження по прямокутному крилу, складеному з несиметричних профілів. Наприклад, крило знаходилося в потоку з кутом атаки =5, однорядний гвинтовий рушій складався з 6 лопатей, режим роботи характеризувався коефіцієнтом тяги В=1,25, співосний гвинтовий рушій мав 4 лопаті в передньому та 3 в задньому ряді, режим роботи характеризувався коефіцієнтом тяги В=1,35. Дослідження виявило принципово різний характер розподілу аеродинамічного навантаження по крилу (рис. 5), що пов`язано з великим ступенем закрутки потоку за однорядним, та практично відсутньою закруткою потоку за співосним гвинтовими рушіями.
а) б)
Рис. 5 Розподіл аеродинамічного навантаження по крилу, що обдувається:
а) однорядним гвинтовим рушієм; б) співосним гвинтовим рушієм
Дослідження комбінації “два шестилопатевих однорядних гвинтових рушія-крило-оперення-мотогондоли-фюзеляж” виявило такі закономірності:
- обдувка однорядними гвинтовими рушіями призводить до нестаціонарного та нерівномірного розподілу навантаження по крилу і горизонтальному оперенню;
- вплив крила призводить до підвищення коефіцієнту нормальної сили мотогондол, але розірвання крила мотогондолами призводить до зменшення несучих здатностей крила та падіння коефіцієнту нормальної сили і прилеглих перерізів крила.
Четвертий розділ присвячено дослідженню впливу струменя від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення в складі несучої системи.
За допомогою створеної методики були розраховані залежності моменту тангажу несучих систем з однорядними (рис. 6а) та співосними (рис. 6б) гвинтовими рушіями без горизонтального оперення, моменту тангажу, створюваного горизонтальним оперенням, сумарного моменту тангажу несучої системи від кута атаки несучої системи при різноманітних коефіціентах тяги гвинтових рушіїв, різноманітних геометричних та кінематичних параметрах несучих систем. Зроблено висновок про те, що в каналі тангажу при безвідривному обтіканні вплив однорядних та співосних гвинтових рушіїв на моментні характеристики несучої системи розрізняється несуттєво. Тим не менше, розрахунок показує виникнення моменту крену у несучої системи з однорядними гвинтовими рушіями, чого у несучої системи з співосними гвинтовими рушіями не спостерігається. Причиною такого явища є малий ступінь закрутки потоку за співосним сильна закрутка потоку за однорядним гвинтовими рушієм , що створює передумови для виникнення відривної течії на крилі та оперенні.
а) б)
Рис. 6 Розрахункова схема несучої системи:
а) з однорядними гвинтовими рушіями; б) з співосними гвинтовими рушіями
Встановлено, що зміна режиму роботи гвинтових рушіїв призводить до зміни аеродинамічних характеристик не тільки крила, але, здебільшого, горизонтального оперення. Причиною нестабільності аеродинамічних характеристик горизонтального оперення є деформовані крилом струмені від гвинтових рушіїв, можливим наслідком - розбалансування літака, що особливо сильно виявляється в каналі тангажу. Оскільки розбалансування літака вимагає втручання льотчика в управління і ускладнює пілотування, бажано прийняти міри по зменшенню впливу гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення.
Навантаження по консолям горизонтального оперення, що обдувається однорядними гвинтовими рушіями (рис. 6а), розподіляється нерівномірно, причому ця нерівномірність зростає при підвищенні режиму роботи гвинтових рушіїв (рис. 7). Вплив режиму роботи співосних гвинтових рушіїв (рис. 6б) на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення вигідно відрізняється від впливу однорядних гвинтових рушіїв, оскільки нестабільність аеродинамічних характеристик горизонтального оперення істотно менша, навантаження по консолях горизонтального оперення розподіляється достатньо рівномірно (рис. 8), що спрощує міри по зменшенню впливу гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення.
Рис. 7 Поля індуктивних швидкостей в перерізах горизонтального оперения (позначені штрихпунктирною лінією), що обдувається однорядними гвинтовими рушіями
Рис. 8 Поля індуктивних швидкостей в перерізах горизонтального оперения (позначені штрихпунктирною лінією), що обдувається співосними гвинтовими рушіями
Досліджено вплив наближення несучої системи до поверхні розділу, наявності кута ковзання, відхилення механізації крила на аеродинамічні характеристики оперення при постійному режимі роботи гвинтових рушіїв. Встановлено, що наближення несучої системи до поверхні розділу призводить до деякої стабілізації аеродинамічних характеристик оперення. Наявність кута ковзання призводить до нерівномірного розподілу аеродинамічного навантаження по консолях горизонтального оперення, зростанню ступеня нестабільності його характеристик. Поле швидкостей, індукованих несучою системою в районі оперення, має складний характер (рис. 9).
Рис. 9 Поля індуктивних швидкостей в площині OYZ при куті ковзання = -10 :
а) безпосередньо за гвинтом; б) у носка горизонтального оперення
Найсуттєвіший вплив на аеродинамічні характеристики оперення проявляє відхилення механізації крила (схематизованого закрилка) (рис. 10), що підтверджується аналізом поля індуктивних швидкостей в районі оперення. Зміна моментних характеристик несучої системи може бути особливо небезпечною на злітно-посадочних режимах, коли механізація крила відхилена і гвинтові рушії працюють на максимальному режимі.
Рис. 10 Залежність відносної величини зміни коефіціента моменту тангажу горизонтального оперення від кута відхилення механізації
Досліджено ефективність таких засобів по зменшенню неоднозначності впливу струменів від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення, як:
- винос горизонтального оперення з зони впливу струменя від гвинтового рушія за рахунок надання йому кута поперечного V;
- вертикальний винос горизонтального оперення з зони впливу струменя від гвинтового рушія;
- використання асиметричного горизонтального оперення;
- використання нетрадиційного горизонтального оперення типу “метелик”.
Встановлено, що надання кута поперечного V горизонтальному оперенню, як і асіметричність, виявляє сприятливий вплив, однак не виключає повністю вплив роботи гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики оперення. Винесення горизонтального оперення по вертикалі здатне повністю виключити вплив струменів від гвинтових рушіїв. Найбільш компромісним варіантом може виявитися використання схеми з оперенням типу “метелик”.
ВИСНОВКИ
Проведено аналіз існуючих методів визначення аеродинамічних характеристик несучих систем з гвинтовими рушіями. Розроблено розрахункову методику визначення аеродинамічних характеристик несучих систем з співосними гвинтовими рушіями, що базується на модифікованому методі дискретних вихорів з замкнутою вихровою рамкою як дискретною особливістю, і має ряд переваг:
- низькі, порівняно з експериментальними методами, матеріально-календарні витрати;
- можливість дослідження, на відзнаку від полуемпіричних залежностей, принципово нових аеродинамічних схем;
- дозволяє, на відзнаку від розрахункових методів, основаних на рішенні рівнянь Навье-Стокса або рівнянь Эйлера, оперативно досліджувати нестаціонарні характеристики складних просторових несучих систем з гвинтовими рушіями.
Використання поляри профілю II роду для уточнення моделі нев`язкого газу та панельного методу Марино для моделювання мотогондоли дозволяє задовільно будувати серійні діаграми повітряних ґвинтів.
Доведено необхідність раціонального вибору параметрів дискретизації, тому проведення методичних досліджень для вибору ціх параметрів обов'язково.
Проаналізовано поля швидкостей, індуковані гвинтовими рушіями з різними геометричними параметрами, що дозволило зробити висновки про суттєву нестаціонарність потоку за дволопатевим гвинтовим рушієм, високий ступінь закрутки потоку за шестилопатевим однорядним гвинтовим рушієм, практично відсутню закрутку та незначний ступінь нестаціонарності потоку за співосним гвинтовим рушієм.
При дослідженні несучих систем з однорядними і співосними гвинтовими рушіями виявлено ряд закономірностей:
- вплив режиму роботи гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики крила і, здебільшого, на аеродинамічні характеристики горизонтального оперення в сліді, носить нелінійний нестаціонарний характер;
- зміна режиму роботи гвинтових рушіїв, наближення несучої системи літака до поверхні розділу, відхилення механізації крила призводить до істотної зміни аеродинамічних характеристик горизонтального оперення і, як можливий наслідок, до розбалансування літака;
- характер зміни аеродинамічних характеристик крила та горизонтального оперення, що обдувається однорядними та співосними гвинтовими рушіями відрізняється, що пов'язано з різним профілем швидкості та сильною закруткою потоку в струмені за однорядними, малою закруткою в струмені за співосними гвинтовими рушіями.
7. Проведені параметричні дослідження по вибору раціонального місця розташування і геометричних параметрів горизонтального оперення для зменшення негативного впливу режиму роботи гвинтових рушіїв на моментні характеристики несучих систем літаків з гвинтовими рушіями дозволяють зменшити матеріальні витрати та терміни одержання необхідної інформації як при проектуванні нових, так і для поліпшення аеродинамічних характеристик існуючих несучих систем літаків з гвинтовими рушіями.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Украинец Е.А. Исследования по методике расчета нелинейных нестационарных характеристик несущих систем летательных аппаратов с соосными винтовыми движителями // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета: Сборник научных трудов. -Харьков: ХГПУ, 1998. -Выпуск 14. - С. 66-69.
Калкаманов С.А., Миргород Ю.И., Украинец Е.А. Моделирование на ЭВМ обтекания самолета с учетом работы воздушных винтов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сборник научных трудов ХАИ. - Харьков: ХАИ, 1998. - Выпуск 1. - С. 160-164.
Миргород Ю.І., Українець Є.О. Математична модель обтікання несучих поверхонь потоком від гвинтових рушіїв // Збірник наукових праць. - Харків: ХІЛ ВПС, 1997. - Випуск 1. - С. 143-148.
Миргород Ю.І., Українець Є.О. Дослідження розбалансування літака при зміні режиму роботи гвинтових рушіїв // Збірник наукових праць. -Харків: ХІЛ ВПС, 1998. -Випуск 2. - С. 48-52.
Миргород Ю.І., Українець Є.О. Дослідження засобів боротьби з розбалансуванням літака при зміні режиму роботи гвинтових рушіїв // Збірник наукових праць. - Харків: ХІЛ ВПС, 1998. - Випуск 2. - С. 53-56.
Миргород Ю.І., Калкаманов С.А., Українець Є.О. Дослідження впливу кількості лопатей на ступінь нестаціонарності струменя за гвинтовим рушієм // Збірник наукових праць. - Харків: ХІЛ ВПС, 1998. - Випуск 2. - С. 44-47.
Калкаманов С.А., Миргород Ю.И., Украинец Е.А. Математическая модель обтекания винтовентиляторов дозвуковым потоком сжимаемого газа // Труды международной научно-технической конференции: “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования” - Харьков: Институт проблем машиностроения, 1997. - С. 223-227.
АНОТАЦІЯ
Українець Є.О. Аеродинамічні характеристики несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.07.01 - Аеродинаміка та газодинаміка літальних апаратів. Київський міжнародний університет цивільної авіації, Київ, 1999.
Дисертацію присвячено розробці методики та розрахунку аеродинамічних характеристик несучих систем літальних апаратів з співосними гвинтовими рушіями. В роботі знаходить свій подальший розвиток метод дискретних вихорів з замкнутою вихровою рамкою як дискретною особливістю. Досліджено поля швидкостей, індуковані гвинтовими рушіями, вплив струменів від гвинтових рушіїв на аеродинамічні характеристики крила, мотогондоли, оперення в сліді. Досліджено вплив на моментні характеристики літака зміни режиму роботи гвинтових рушіїв, відхилення механізації крила, наближення до поверхні розділу, наявності ковзання. Основні результати роботи впроваджені в промисловості та в учбових процесах.
Ключові слова: математичне моделювання, співосний гвинтовий рушій, однорядний гвинтовий рушій, несуча система літального апарату, серійна діаграма, проектування.
Украинец Е.А. Аэродинамические характеристики несущих систем летательных аппаратов с соосными винтовыми движителями.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.01 - Аэродинамика и газодинамика летательных аппаратов. Киевский международный университет гражданской авиации, Киев, 1999.
Диссертация посвящена разработке методики расчета аэродинамических характеристик несущих летательных аппаратов с соосными винтовыми движителями. В работе развивается метод дискретных вихрей с замкнутой вихревой рамкой в качестве дискретной особенности. Исследованы поля скоростей, индуцируемые винтовыми движителями, влияние струй от винтовых движителей на аэродинамические характеристики крыла, мотогондолы, оперения в следе. Исследовано влияние на моментные характеристики самолета изменения режима работы винтовых движителей, отклонения механизации крыла, приближения к поверхности раздела, наличия скольжения. Основные результаты работы внедрены в промышленности и учебных процессах.
Ключевые слова: математическое моделирование, соосный винтовой движитель, однорядный винтовой движитель, несущая система летательного аппарата, проектирование.
Ukrainez Je. A. The aerodynamic characteristics of coaxial rotor flying vehicles carrying system.
Dissertation on competition of a scientific degree the candidat of engieneering sciens on a specialty 05.07.01 - The aerodynamics and dynamics of gases of flight vehicles. Kharkov institute of pilots Ukrainian air forces, Kharkov, 1998.
The dissertation is devoted to development of calculation technique of the aerodynamic characteristics of coaxial screw flying vehicles. The discrete vortex method with the closed vertical frame as a discrete feature is developed at this work. The velocity fields induced of screw currents, induced by screw on aerodynamic characteristics of wing, engine nacelles, empennage are investigated. The influences of engine operational mode changes, deviation of wing mechanization, approach to separation surfaces, presence of sliding on aircraft momentum characteristics are investigated. The main results of investigation are introduced in industry and in the educational process.
Key words: mathematical modeling, coaxial screw, single screw, aircraft carrying system, and designing.