Вертолет, 2004 №1, стр. 12

Глеб ГЛАДУН, Галина КАРФИДОВА, Григории Л КЕМ ЕН КО, ОАО «Камов»

Аэродинамические особенности винта схемы «ножницы»

Работы по совершенствованию аэродинамической схемы винта вертолета ведутся на Московском вертолетном заводе в нескольких направлениях. Это и разработка совместно с Центральным аэрогидродинамическим институтом новых, более совершенных профилей, имеющих более высокое качество при относительно невысоком уровне шарнирных моментов, и поиск оптимальной формы лопасти в плане, что выразилось в целом комплексе работ по исследованию форм законцовок лопастей. В статье, которую мы прерагаем вниманию читателей журнала, анализируются результаты работ по исследованию характеристик винта с неравномерным расположением лопастей в плоскости вращения, получившего название винт схемы «ножницы», или х-винт.

Концепция винта схемы «ножницы» впервые была реализована на вертолете Apache более 30 лет назад, примерно в то же время были опубликованы результаты исследований фирмы Bell Как выяснилось, они имели принципиальные отличия от результатов исследований характеристик х-винта, проведенных на МВЗ позже, около 20 лет назад. Испытания модели винта схемы «ножницы» в Китае, в Нанкинском университете аэронавтики и астронавтики подтвердили результаты, полученные на МВЗ, но обозначили новую проблему — значительное падение эффективности х-винта при угле между модулями винта, равном 60°.

Решено было повторить испытания х-образного винта, проведя их в более широком диапазоне чисел М, шага винта и угла «ножниц», и уделить особое внимание обозначенной китайскими исследователями проблеме. Для испытаний был выбран рулевой винт вертолета Ми-2, из двух комплектов лопастей которого был собран винт схемы «ножницы». А для исследования влияния на аэродинамические характеристики винта таких параметров, как азимутальный угол между парами лопастей в плоскости вращения и превышение одной пары над другой вдоль оси винта, была разработана и изготовлена специальная втулка, позволявшая варьировать эти параметры. Геометрические параметры экспериментального винта представлены в табл. 1.

Конструкция втулки позволяла собрать и испытать винт в двух типах конфигурации:

— нижняя лопастъ впереди верхней — Н-форма;

— верхняя лопасть впереди нижней — В-форма.

Под нижним и верхним положением лопастей понимается их положение относительно направления тяги винта при положительных углах установки лопастей (рис. 1).

Испытания винтов проводились на башне винтового аэродинамического стенда при натурных скоростях вращения винта. Окружная скорость концов лопастей соответствовала числам М=0,5; 0,6; 0,65; 0,7.

В испытаниях было выявлено существенное влияние на характеристики винта углового положения пар лопастей относительно друг друга. На рис. 2 показано изменение тяги винта в зависимости от азимутального положения лопастей при значении относительного расстояния h=h/R=0,074 между плоскостями вращения модулей винта (приведена размерная тяга винта, чтобы было понятно, каков порядок сил, развиваемых винтом).

Рис. 1. Положение лопастей относительно направления тяги винта

Рис. 2. Зависимость тяги винта от угла «ножниц» при шаге 18°, М=0,65

Рис. 5. Влияние расстояния между плоскостями вращения пар лопастей на тягу винта, O=18°

Испытания показали, что оптимальной конфигурацией винта является Н-форма, когда впереди идет нижняя лопасть. При этом существует диапазон угла «ножниц» между лопастями, оптимальный для получения наибольшего прироста силы тяги. Для h=h/R=0.074 это ?=45–60°. И наоборот, как видно из графика, минимальная тяга получена при расположении пар лопастей одна над другой — схема «биплан». В этой компоновке падение величины тяги относительно тяги винта при ортогональном. расположении лопастей составило более 20 %. Очевидно, что в этом случае проявляется отрицательное индуктивное влияние лопастей друг на друга.

Максимальное увеличение тяги винта относительно величины тяги при у =90° при изменении азимутального положения лопастей составило около 7 %. На рис. 2 приведены результаты измерения силы тяги винта для угла установки лопастей 18°, при котором был получен наибольший по величине прирост силы тяги. Увеличение тяги винта было получено и при других углах установки лопастей.

Существенное влияние угла «ножниц» на величину тяги винта отмечено в диапазоне углов установки лопастей от 10 до 20 градусов: увеличение тяги винта достигает 7 % по сравнению с тягой винта с ортогональным расположением лопастей. В диапазоне шагов винта от -9° до +9° зависимости ty(O) для различных значений угла «ножниц», кроме 0°, практически совпадают при соответствующих значениях чисел М.

Исследование зависимости тяговых характеристик винта от азимутального положения лопастей производилось при трех значениях расстояния между плоскостями вращения. На рис. 3 представлены некоторые результаты этих исследований для двух конфигураций винта при окружной скорости, соответствующей числу М=0,65. Левая часть графика соответствует В-форме винта, правая — Н-форме. Рассмотрев данные графика, можно сделать совершенно определенный вывод: конфигурация винта с лидирующей нижней лопастью имеет преимущества перед В-формой при всех испытанных расстояниях между модулями винта. Отчетливо видно, что у винта Н-формы зависимости тяги винта от угла ножниц Т(?) имеют максимум в диапазоне углов 30–60°. При этом превышение величины тяги x-винта в оптимальной конфигурации над величиной тяги винта с ортогональным расположением лопастей составляет от 5 до 8 %. У винта В-формы также имеется оптимум, расположенный в районе 30°, но максимальное значение тяги на 5-10 % меньше, чем у винта Н-формы. У винта этой конфигурации наблюдается существенное падение величины тяги в диапазоне азимутальных углов 45–60°, что может быть объяснено отрицательным влиянием вихревого следа идущей впереди выше расположенной лопасти на лопасть, идущую следом, но расположенную ниже по оси винта. На этот факт впервые обратили внимание китайские специалисты.

При расположении пар лопастей одна над другой (схема «биплан») обращает на себя внимание резкое падение величины тяги винта, из чего следует, что зависимость тяги винта от угла установки в компоновке «биплан» с увеличением шага винта растет гораздо медленнее, чем при других конфигурациях винта (рис. 4). Очевидно, что в этом проявляется отрицательное индуктивное взаимодействие между лопастями верхнего и нижнего ярусов винта. С уменьшением расстояния между плоскостями вращения пар лопастей действие этого фактора увеличивается и, соответственно, увеличивается величина падения тяги винта.