3

3. УГОЛ АТАКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА

Соответственно принятому в аэродинамике несущего винта разделению понятий аэродинамических поверхностей — лопасти винта и поверхности, ометаемой винтом при его вращении — необходимо разграничить понятие угла атаки сечения лопасти и угла атаки всего несущего винта.

Угол атаки в сечениях лопасти (обозначается греческой буквой α) аналогичен углу атаки крыла самолета и изменяется для сечений основной несущей части лопасти (от r = 0,5 R до r = R) от 0° до 15° (рис. 48).

Рис. 48. Угол атаки несущего винта

Угол атаки несущего винта (обозначается заглавной буквой А¹) — угол между направлением воздушного потока (противоположным направлению полета) и плоскостью вращения втулки несущего винта. Этот угол может иметь любое значение (от —180° до +180°) в зависимости от направления полета.

Если воздушный поток подходит к плоскости вращения винта снизу (автожирный режим), то угол атаки несущего винта считается положительным. Если воздушный поток набегает на несущий винт сверху, то угол атаки принимается отрицательным.

4. ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕСУЩЕГО

ВИНТА

Сравнительной характеристикой качества несущих винтов при различных их конструктивных параметрах будет являться, в конечном счете, величина тяги винта, создаваемой при затрате одной и

^{1 Обозначение буквой А принято автором.}

той же мощности. Чем больше тяга, получаемая на единицу мощности, тем выше качество винта. Основными параметрами, от которых зависит величина тяги несущего винта и которые обусловливают режим его работы, являются: характеристики профиля лопасти, относительная, удельная нагрузка на 1 м² ометаемой площади р, коэффициент заполнения σ, количество лопастей, форма лопасти в плане, геометрическая закрутка лопасти, вес лопасти, жесткость конструкции лопасти, концевые и комлевые потери несущего винта, аэродинамические характеристики фюзеляжа и интерференция фюзеляжа и несущего винта, угол установки лопасти φ, число оборотов в минуту несущего винта п, характеристика режима работы винта μ и коэффициент притекания λ. Наконец, тяга несущего винта зависит от мощности, передаваемой на винт от двигателя, и от плотности воздуха. Первые девять из перечисленных параметров являются конструктивными параметрами

данного винта; последние пять зависят от режима полета вертолета и от атмосферных условий.

Рассмотрим кратко перечисленные параметры. Профиль лопасти. При выборе профиля лопасти конструкторы стремятся к тому, чтобы он обладал: наибольшим качеством (отношением коэффициента подъемной силы с_у к коэффициенту сопротивления с_л), наименьшим изменением положения центра давления на профиле с изменением угла атаки сечений лопасти, т. е. по возможности наименьшим изменением момента аэродинамических сил (с_м), способностью самовращаться (авторотировать) в большом диапазоне углов атаки лопасти в полете с неработающим двигателем и возможностью простого конструктивного и технологического выполнения лопасти.

С целью получения наилучшего качества винта нередко лопасть проектируют с переменным по размаху профилем. Для лопастей несущих винтов современных вертолетов применяются профили крыльев самолета.

Рассматривая лопасть так же, как крыло самолета, для про филя ее сечения можно построить поляры (рис. 49) с учетом индуктивного скоса потока и без скоса потока (крыло с бесконечным удлинением).

Коэффициент лобового сопротивления с_х лопасти конечного размаха может быть представлен как сумма коэффициентов профильного и индуктивного сопротивлений, т. е.

С_х = С_хи+ C_хр

Из рис. 49 видно, что с увеличением угла атаки сечения лопасти несколько увеличивается профильное сопротивление с_хри значительно увеличивается индуктивное сопротивление с_хи.

Профильное сопротивление с_хр в большой степени зависит от . формы профиля, от того, насколько этот профиль искажается деформациями обшивки, а также от шероховатости поверхности лопасти. Лопасть с металлической обшивкой, сохраняющей при работе форму профиля, и с хорошей отделкой ее поверхности имеет меньшее профильное сопротивление, чем лопасть с полотняной или фанерной обшивкой.

В случае плохой, шероховатой поверхности лопасти срыв потока с нее наступает раньше (рис. 50).

Нагрузка на ометаемую площадь. Нагрузка р на 1 м² ометаемой площади является одним из наиболее важных параметров, определяющих летные свойства вертолета.

где G — полетный вес вертолета;

F — площадь, ометаемая винтом при его вращении.

При проектировании вертолета конструкторам приходится выбирать величину нагрузки с таким расчетом, чтобы она наиболее удачно удовлетворяла как режиму максимальной скорости, так и режимам висения и полета при самовращении несущего винта.

Для современных вертолетов величина р имеет значение 20 -- 25 кг/м².

Коэффициентом заполнения поверхности, ометаемой несущим винтом при его вращении, называется отношение площади всех лопастей к площади этой поверхности.

где z—число лопастей;

Fлоп — площадь лопасти;

F—площадь, ометаемая несущим винтом при его вращении.

Коэффициент заполнения зависит от числа лопастей и площади каждой лопасти. Величина σ в зависимости от схемы вертолета выбирается в пределах 0,03—0,08.

Уменьшение σ сверх указанных пределов невыгодно, так как с уменьшением площади лопасти для создания необходимой подъемной силы потребуется увеличить угол установки лопасти, что в результате приведет к ограничению максимальной скорости горизонтального полета из-за возникновения срыва потока при больших углах атаки.

Увеличение σ более 0,08 за счет увеличения площади

Рис. 51. Сужение лопасти

лопасти или числа лопастей также невыгодно, так как это снижает к. п. д. несущего винта. Количество лопастей несущего винта. Наиболее выгодными несущими винтами, удовлетворяющими требованиям уравновешенности и обладающими достаточно хорошим коэффициентом полезного действия, являются трехлопастные и четырехлопастные воздушные винты. Уменьшение числа лопастей приводит к неуравновешенности винта и вследствие этого к вибрациям конструкции вертолета.

Форма лопасти в плане. Наиболее распространены лопасти трапецевидной формы с сужением ее к концу. Такая форма лопасти является наиболее выгодной. Хорда ее у комля примерно в 2— 3 раза больше хорды на конце (рис. 51). Однако существуют вертолеты, которые имеют прямоугольную форму лопасти в плане.

Влияние формы лопасти на величину тяги сравнительно с влиянием других параметров невелико.

Геометрическая крутка лопасти. Обычно лопасти несущих винтов вертолетов имеют отрицательную линейную крутку, так что у комля они работают на больших углах атаки (рис. 52). Это дает более равномерное распределение аэродинамических сил вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери несущего винта, вызываемые неравномерно-

стью распределения по
тока,

Недостаточная эффективность малой окружной скорости ωr комля по сравнению с окружной скоростью конца лопасти частично компенсируется увеличением коэффициента подъемной силы с_у

за счет увеличения угла атаки α и за счет большей величины хорды лопасти (рис. 53).

Вес лопасти. Вес лопасти, учитываемый в аэродинамике несущего винта через массовую характеристику γ, оказывает существенное влияние на характеристики маховых движений лопасти, которые определяют величины горизонтальных составляющих полной аэродинамической силы несущего винта и сильно влияют на устойчивость несущего винта.

Массовая характеристика у представляет собой соотношение между массовыми и аэродинамическими силами (рис.54).

где А— градиент изменения коэффициента подъемной силы, равный ΔC_y/ΔC_x

ρ — οлотность воздуха;

b— величина хорды лопасти на 0,7 R;

J_rm— момент инерции лопасти относительно горизонтального

шарнира;

R— радиус несущего винта.

Для лопастей несущих винтов современных вертолетов у = = 4 -- 8. Тяжелые лопасти имеют меньшую величину, легкие лопасти — большую.

В отличие от статического момента, равного произведению массы m на плечо r, момент инерции лопасти представляет собой сумму произведений масс отдельных ее элементов на их плечи относительно горизонтального шарнира во второй степени r², вычисленных по всей длине лопасти.

Если момент инерции отдельного элемента (J_э) равен

то момент инерции всей лопасти относительно горизонтального шарнира соответственно выразится формулой

Рис. 54. Статический момент элемента лопасти

На рис. 18 были схематически показаны силы, действующие на лопасть при вращении ее в косом потоке, когда она совершает маховые движения. Там условно все силы приложены к одной точке (к центру тяжести лопасти). На самом деле эти силы, представляющие собой равнодействующие от элементарных сил по всей длине лопасти, приложены в разных точках, имеющих различные плечи относительно оси вращения.

Из этого рисунка видно, что три силы из четырех прямо зависят от массы (или веса) лопасти. Чем больше вес лопасти, тем больше величина центробежной силы, которая стремится уменьшить угол взмаха лопасти и распрямить коническую поверхность вращения несущего винта.

Чем тяжелее лопасть, тем меньше амплитуда маховых движений, меньше завал конуса вращения назад и вбок, а следовательно, меньше величины продольного и поперечного наклона оси несущего винта. И, наконец, чем больше вес лопасти, тем большей инерцией вращения обладает винт и тем больше запас времени для осуществления перехода на режим самовращения при отказе двигателя.

Однако увеличение веса лопастей ставит более высокие требования к прочности винта и всей конструкции вертолета, утяжеляет управление и уменьшает его весовую отдачу.

Жесткость конструкции лопасти. В полете лопасти несущего винта имеют упругие изгибные и крутильные деформации, что предъявляет большие требования к их прочности вообще и особенно к динамической (усталостной) прочности. Эти деформации, кроме того, несколько изменяют аэродинамику лопасти, изменяя ее истинные углы атаки и углы взмаха. Поэтому вполне естественно, что лопасти различной жесткости оказывают различное влияние на условия работы несущего винта. Слишком упругие лопасти не могут обеспечить достаточную жесткость, так как они весьма чувствительны к случайным возмущениям потока и снижают эффективность управления несущим винтом. Чрезмерно жесткие лопасти имеют большой вес, неспособны поглощать неравномерность действия на них аэродинамических и массовых сил и вследствие этого невыгодны с точки зрения вибраций.

Концевые и комлевые потери ометаемой площади несущего

винта. В работе несущего винта не вся ометаемая площадь достаточно эффективно участвует в создании тяги.

По концам лопастей в силу перетекания воздуха снизу вверх из зоны повышенного давления в зону разрежения внешняя часть поверхности, ометаемой винтом при его вращении, образующая

узкое кольцо, из расчета эффективной площади несущего винта должна быть исключена (рис. 55).
Комлевая часть лопасти, представляющая собой узлы крепления и шарниры ее подвески, а также втулка несущего винта в создании тяги не участвуют. В поступательном полете при косой обдувке винта в центральной части поверхности, ометаемой винтом при вращении, некоторая часть лопасти в азимутах от 180 до ЗбО⁹обдувается с хвостика профиля и не создает подъемной силы. Следовательно, центральная часть площади несущего винта также должна быть исключена при подсчете эффективной площади.

Таким образом, в создании тяги участвует не вся площадь диска, а несколько меньшая, которая называется эффективной площадью и подсчитывается по формуле

где β — коэффициент потерь комлевой площади;

В — коэффициент потерь концевой площади.

Эффективная площадь составляет примерно 0,9—0,92 от всей площади, ометаемой несущим винтом при его вращении.

Аэродинамические характеристики фюзеляжа и влияние его на несущий винт. Сопротивление фюзеляжа в полете вертолета по сравнению с полной аэродинамической силой несущего винта невелико. В среднем на малых скоростях оно составляет 3—5% от тяги винта.

Однако, когда скорость полета приближается к максимальной, вредное сопротивление (сопротивление фюзеляжа, шасси и других ненесущих частей) начинает играть существенную роль. Рост сопротивления с увеличением скорости усугубляется тем, что фюзеляж вертолета, наклоняясь вперед и разворачиваясь в сторону, увеличивает свой “лоб”, т. е. фронтальное сечение, перпендикулярное встречному потоку (рис. 56).

Аэродинамические формы фюзеляжа оказывают существенное влияние на работу несущего винта.

Воздушный поток, отбрасываемый несущим винтом, наталкивается на фюзеляж и хвостовую балку, в результате чего частично изменяет свое направление, подвергаясь определенным возмущениям. При этом отдельные струи потока образуют вихри, действие которых сообщается соседним слоям воздушного потока и передается той его зоне, которая непосредственно взаимодействует с лопастями винта (рис. 57).

Если площади фюзеляжа и балки, Лежащих на пути этого потока, невелики, а формы их хорошо обтекаемы, то влияние их на работу винта незначительно. Если же аэродинамические формы вертолета не “облагорожены”, фюзеляж и другие элементы конструкции расположены очень близко к винту и имеют большую площадь, то это будет понижать к. п. д. винта, служить причиной вибраций вертолета и усложнять управление им.

Существенное значение имеет положение центра давления аэродинамических сил фюзеляжа и изменение его с изменением режима полета. Если линия действия равнодействующей аэродинамических сил фюзеляжа проходит далеко от центра тяжести и если расстояние до нее от Ц. Т. сильно изменяется с изменением режима полета, то управлять вертолетом становится труднее, особенно на переходных режимах.

Рис. 57. Влияние фюзеляжа на воздушный поток от несущего винта Рис. 58. Потребные величины общего шага для полета на различных скоростях и оборотах несущего винта

Угол установки или шаг лопастей (φ) для каждого режима определяется аэродинамическим расчетом для данного вертолета.

Системы управления современных вертолетов позволяют совершать полет при различных значениях общего шага, изменяемого в некотором небольшом диапазоне. При этом изменение общего шага вызывает и изменение числа оборотов несущего винта п (рис. 58).

Большое значение угла установки (шага) лопастей невыгодно из-за срыва потока. При малом же значении угла установки лопастей происходит раскрутка оборотов винта, увеличивается центробежная сила, чрезмерно нагружается конструкция винта и понижается к. п. д. несущего винта.

Число оборотов несущего винта. Увеличение числа оборотов несущего винта, выгодное с точки зрения получения больших скоростей полета, ограничивается влиянием сжимаемости воздуха при скорости на конце наступающей лопасти, близкой к скорости звука.

Испытания в аэродинамических трубах показали, что влияние сжимаемости воздуха сказывается на характеристике профиля лопасти при скоростях, равных 70—80% скорости звука. При этом центр давления на сечении лопасти смещается к задней кромке.
Характеристика режима работы винта μ и коэффициент

притекания λ

При вертикальном полете (вертикальный подъем или вертикальное снижение) и при висении встречный поток направлен по оси винта. В горизонтальном же полете или в любом наклонном полете наблюдается косая обдувка винта. При этом воздушный поток можно разложить на два составляющих потока: направленный по оси винта и в плоскости вращения (рис.59).

Если скорость встречного потока V, то скорость осевого составляющего потока будет равна V sin А а скорость пото-
ка в плоскости вращения V cos A. Рис. 59. Разложение вектора скорости полета на две составляющие

Отношение скорости потока, лежащего в плоскости вращения, к окружной скорости конца лопасти называется коэффициентом, характеризующим режим работы винта:

Для горизонтального полета, когда угол атаки несущего винта сравнительно невелик и косинус его близок к единице, можно без большой ошибки принимать за р отношение скорости полета к окружной скорости конца лопасти, т. е.

Можно сказать, что величина μ выражает степень скоса обдувки винта, μ — очень важная характеристика условий работы винта. В аэродинамическом расчете μ является основным параметром, относительно которого рассматриваются остальные характеристики. Величина μ для несущего винта вертолета изменяется в зависимости от скорости полета. В случае вертикального полета или висения μ = 0. В горизонтальном полете на максимальной скорости μ может достигать величины 0,35 -- 0,4. Дальнейшее увеличение μ, означающее либо увеличение скорости полета, либо уменьшение числа оборотов винта п вследствие значительной асимметрии обдувки создает неблагоприятные условия для работы винта. Зона срыва потока становится значительной, вертолет подвергается сильным вибрациям, усложняется управление вертолетом. Величина μ характеризует также величину зоны обратного обтекания лопасти (не с носика, а со стороны хвостика профиля) (рис. 60). На этом рисунке круг с диаметром d есть та часть площади, ометаемой винтом при вращении, где происходит обратное обтекание лопасти. Этот круг является неэффективной частью упомянутой площади, где не создается подъемной силы. Чем больше скорость полета, тем больше площадь этого круга, а это значит, что с увеличением скорости уменьшается эффективная площадь несущего винта.

Рис. 60. Распределение скоростей обтекания различных сечений лопасти при косой обдувке несущего винта

Рис. 61. Сложение индуктивной скорости и осевой составляющей скорости встречного потока

Важной характеристикой режима полета вертолета для аэродинамического расчета несущего винта является коэффициент притекания λ. (Коэффициентом притекания называется отношение составляющей скорости потока, направленной по оси несущего винта к окружной скорости на конце лопасти:

где и — средняя индуктивная скорость подсасывания воздуха в плоскости вращения винта (рис. 61).

Коэффициент притекания имеет наибольшее значение на режиме наивыгоднейшей скороподъемности, где λ ≈ 0,2. На режиме максимальной скорости λ = 0,02--0,03; на режиме висения λ= 0,08 -0,1.