Взаимодействие лопасти с вихрям

Теория элемента лопасти основана на предположении, что каждое сечение лопасти работает как профиль в двумерном потоке, а влияние следа несущего винта полностью учтено величиной индуктивной скорости в этом сечении. Тогда, зная движение лопасти и условия обтекания данного сечения, можно использовать профильные характеристики для расчета нагрузок каждого сечения. Индуктивную скорость можно найти различными способами по импульсной теории, по вихревой теории или путем расчета неравномерного распределения скоростей протекания численными методами. Для применения рассматриваемой теории удлинение лопастей должно быть большим, что как раз и характерно для винтокрылых аппаратов. Однако вблизи конца лопасти или в тех областях, где вследствие взаимодействия лопасти с вихрем велики градиенты индуктивной скорости, для уточнения результатов следует применять теорию несущей поверхности. [c.171]

На режиме висения концевой вихрь до подхода следующей лопасти успевает лишь ненамного сместиться вниз и к оси винта. Поэтому вихрь приближается к концевой части лопасти, а расстояние между ними мало. В результате сильно изменяется нагрузка на конце лопасти, что оказывает заметное влияние на аэродинамические характеристики винта на режиме висения (см. также разд. 2.7.4). При полете вперед вихревой след винта уносится потоком, так что концевые вихри перемещаются вдоль всего диска винта, а не остаются лишь вблизи концевых сечений лопастей. Взаимодействие лопастей с вихрями происходит главным образом на боковых частях диска винта, где вихри оказываются в непосредственной близости от лопастей. Поэтому на режиме полета вперед индуктивные скорости распределяются по азимуту крайне неравномерно, что порождает высшие гармоники нагрузок, амплитуды которых велики. Таким образом, при полете вперед неоднородность поля индуктивных скоростей существенно влияет на нагрузки, вибрации вертолета и шум винта. Довольно велико влияние этого поля и на первую гармонику нагрузки, а следовательно, и на эффективность циклического управления винтом. С изменением режима полета влия- [c.652]

В работе [В.120] приводятся результаты измерений импульсного шума вертолета в полете. Выделены три четко различаю-ш,ихся типа импульсного шума, которые характеризуются разными зависимостями изменения звукового давления по времени. К первому типу отнесены серии импульсов повышения давления, обнаруживаемых при различных скоростях полета и зависящих от скорости снижения вертолета. Эти импульсы возникают, по-видимому, при взаимодействии лопасти с вихрем. Импульсный шум второго типа — это импульсы разрежения с направленностью, имеющей максимум в плоскости вращения. Амплитуда таких импульсов быст к) возрастает с увеличением скорости полета вертолета, при максимальной скорости они доминируют в записи кривой акустического давления. Эти отрицательные импульсы, зависящие от числа Маха, связаны с проявлениями сжимаемости. При больших скоростях имеет место узкий пик давления, за которым немедленно следует пик разрежения — это импульсный шум третьего типа. В работе делается также вывод, что суждение о возникновении и силе хлопков лопастей на основе измерений в кабине может быть ошибочным. Дополнительная информация по этому вопросу имеется в работе [S.26]. [c.868]

Вихревой шум снижается с уменьшением силы тяги винта или нагрузки на лопасти Т/Ал. Шум враш,ения и хлопки лопастей ослабляются при уменьшении силы тяги или нагрузки Т/А на диск винта. Уменьшение частоты вращения винта снижает частоты шума, вызываемого несущим винтом, что может оказаться выгодным в случае винтов большого диаметра. Увеличение числа лопастей обычно приводит к уменьшению амплитуды гармоник шума вращения, но при этом повышается частота основного тона шума. Ослабление высоких гармоник изменения нагрузок лопасти уменьшает шум вращения. Одной из мер, обеспечивающей такой результат, является уменьшение нагрузок, вызванных взаимодействием лопастей с вихрями, с которым связаны также некоторые виды хлопков лопастей. Влияющие на шум винта параметры, особенно концевая скорость, нагрузка на диск и число лопастей, не менее сильно влияют и на летные свойства винта. Отсюда следует, что любое улучшение аэродинамических характеристик винта может быть использовано для уменьшения шума проектируемого вертолета, если это усовершенствование не используется в полной мере для улучшения летных данных или снижения стоимости машины. [c.869]

Вертушка китайская 26 Взаимодействие лопасти с вихрями 652, 680, 866 [c.1022]

Хлопки лопастей представляют собой импульсные возмущения звукового давления, происходящие с частотой прохождения лопастей NQ. Воспринимаемый как звуки периодических ударов, такой шум доминирует над всеми остальными источниками шума и ощущается как весьма неприятный. Хлопки лопастей повышают общий уровень шума вследствие увеличения его спектра в широком диапазоне высоких частот, а импульсный характер хлопков усиливает беспокоящее действие шума. Хлопки лопастей можно рассматривать как предельный случай шума вращения, что обнаруживают зависимости звукового давления от времени, демонстрирующие резкие импульсы. Причиной хлопков лопастей может быть любое аэродинамическое явление, при котором происходят быстрые изменения нагрузки на лопасти, такие, как влияние сжимаемости и толщины конца лопасти, пересечение лопастями вихрей следа, а возможно, и срыв потока на лопасти. Возникновение хлопков лопастей зависит от конструктивных параметров и режима работы винта. При больших концевых скоростях или больших скоростях полета основными причинами хлопков являются, по-видимому, сжимаемость воздуха и влияние толщины лопасти. В тех случаях, когда лопасти подходят близко к вихревым следам своего или соседнего винта, важной причиной хлопков лопастей становится взаимодействие их с вихрями. [c.865]

При приближении вращающейся лопасти несущего винта к вихревому следу предыдущей лопасти аэродинамические нагрузки на ней сильно меняются в зависимости от относительного положения следа и лопасти. Поэтому для определения переменных индуктивных скоростей и аэродинамических нагрузок в первую очередь нужно установить форму системы вихрей. При вращении лопасти с нее сходят как продольные, так и поперечные вихри. Далее элементы этих вихрей переносятся с местной скоростью воздушного потока, складывающейся из скорости невозмущенного потока и скорости, которую индуцирует на соответствующем элементе система вихрей винта. В предположении постоянства индуктивной скорости сходящая с вращающейся лопасти пелена вихрей имеет вид скошенной винтовой поверхности. На самом деле индуктивные скорости в разных точках пелены вихрей (как и на диске винта) существенно различны. Поэтому действительная форма пелены вихрей, определяемая путем интегрирования перемещений ее точек в неоднородном поле местных скоростей, существенно отличается от упомянутой идеальной пелены. На большом расстоянии вниз по потоку система вихрей винта стремится свернуться в два вихревых жгута, подобных концевым вихрям кругового крыла. Однако для определения нагрузок существенны деформации пелены только вблизи диска винта, и в особенности положение элементов концевых вихрей нри первом приближении их к последующей лопасти. Явление взаимодействия свободного вихря с лопастью не исчерпывается возникновением на лопасти соответствующих аэродинамических нагрузок. Лопасть в свою очередь влияет на вихрь, вызывая значительное изменение скорости [c.671]

Непосредственное применение теории несущей поверхности к вращающейся лопасти рассмотрено в разд. 13.6. Другой подход к этой проблеме состоит в том, чтобы на базе теории несущей поверхности сформулировать задачу взаимодействия вихря с лопастью, а затем применить полученное решение к определению вызванных влиянием вихря нагрузок на лопасти. При таком подходе можно существенно уменьшить объем вычислений по сравнению с тем, который необходим при непосредственном рассмотрении лопасти с позиций теории несущей поверхности. Кроме того, поскольку влияние пелены, образующейся при взаимодействии свободного вихря с лопастью, уже учтено такой моделью, применение ее к несущему винту исключает необходимость рассмотрения этой части системы вихрей. [c.684]

Расчеты нагрузки на лопастях несущего винта при помощи модели. взаимодействия несущей поверхности с вихрем представлены в работах [J.31, J.32]. Рассматривалось крыло бесконечного размаха с хордой с, находящееся в неограниченном дозвуковом потоке, несущем прямолинейный бесконечный вихрь. Вихрь располагался под крылом в плоскости, параллельной плоскости хорд и отстоящей от нее на расстояние h, причем проекция вихря на плоскость хорд составляла с осью крыла угол Л (рис. 13.21). Вихрь перемещался относительно крыла со [c.684]

В работе [W.80] теоретически исследован импульсный шум, вызываемый взаимодействием лопасти несущего винта с вихрем. Получено хорошее соответствие с данными экспериментов как по форме импульса, так и по величине пикового значения звукового давления (в децибелах). [c.866]

При полете вертолета вперед вихревой след винта сворачивается, причем сворачивание происходит в два этапа. Сначала отдельные вихри, сходящие с концевой части лопасти, быстро сворачиваются в вихревые жгуты, которые тянутся за каждой лопастью и образуют систему переплетающихся, заходящих одна в другую спиралей. Затем эти спирали, взаимодействуя, сворачиваются в дальнем следе в два вихря, похожие на вихри за круглым крылом. В наблюдавшейся экспериментально картине [c.141]

В работе [С.98] найдено, что имеется связь между возникновением хлопков лопастей и значительными изменениями нагрузок вследствие влияния вихрей. На этом основании сделан вывод, что хлопки лопастей при малых скоростях полета, по-видимому, вызваны взаимодействием вихря с наступающей лопастью. Зависимость хлопков лопастей от условий полета при этом объясняется изменением структуры вихревых следов. При больших скоростях полета хлопки лопастей, по-видимому, связаны с образованием местного скачка уплотнения на конце наступающей лопасти. Эти вопросы исследовались также в работе [С.94]. [c.865]

В работе [В.33] описано экспериментальное исследование импульсного шума несущего винта на режиме висения и при полете вперед. Сделан вывод, что импульсный шум на режиме висения вызывается высокочастотными изменениями нагрузок вследствие взаимодействия вихрей с лопастями. Хлопки, лопастей при полете вперед связываются с влиянием больших концевых чисел Маха на распространение акустических волн давления и на рост сил сопротивления наступающей лопасти. [c.866]

Форма законцовки лопасти и профили концевых сечений могут влиять на шум винта вследствие изменения аэродинамических нагрузок на конце лопасти и распределения завихренности в концевых вихревых жгутах. Форма и относительная толщина профилей концевых сечений должны выбираться из условия обеспечения хороших аэродинамических характеристик при больших числах Маха, поскольку эффекты сжимаемости оказывают существенное влияние на шум вращения и хлопки лопастей. Форма законцовки лопасти должна выбираться таким образом, чтобы уменьшить сворачивание пелены в концевой вихрь и тем самым снизить нагрузки от взаимодействия с ним лопасти. [c.869]

Подробные сведения о кавитационном разрушении при вихревой кавитации отсутствуют. В машинах с высокой быстроходностью, которые не имеют бандажа на рабочем колесе, каверны, образующиеся при течении через зазоры между стенкой корпуса и наружными концами лопастей, обладают многими свойствами, присущими вихревой кавитации, и производят иногда значительные разрушения, особенно если эти каверны соприкасаются с поверхностью лопасти [1]. Действительно, если степень развития этой кавитации достаточно велика, с выходных кромок лопастей могут сходить свободные кавитационные вихри, которые можно наблюдать на больших расстояниях за выходными каналами. Однако было замечено также, что кавитация в зазоре у концов лопастей производит разрушение лопасти со стороны низкого давления на небольшом радиальном расстоянии от конца. Можно предположить, что в этих местах поверхность лопасти пересекается с концевым вихрем. В этих условиях течение имеет все основные особенности течения с присоединенной каверной. Зона разрушения появляется в ожидаемом месте. Вероятно, нечто похожее может проис.хо-дить и в выходных каналах, если ядро свободного вихря взаимодействует со стенками каналов машины. [c.620]

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). [c.65]

Под хлопками лопастей подразумевается весьма резкий звук ударов, следующих с частотой прохождения лопастей, который создается несущим винтом в определенных условиях полета. Хлопки лопастей определяются периодическими импульсами звукового давления и могут считаться предельным случаем шума вращения. Когда указанные импульсы существенно превышают уровень шума других источников в диапазоне частот от 20 до 1000 Гц (для несущего винта), они воспринимаются как четко выраженные хлопки. Эти хлопки чаще всего наблюдаются при таких маневрах, как заход на посадку, полет с небольшим снижением, резкий разворот с торможением, а также при полете вперед с большой скоростью. У некоторых вертолетов хлопки лопастей отмечаются и при полете вперед с умеренной скоростью. Наиболее вероятной причиной таких хлопков представляется взаимодействие лопастей с вихрями и влияние толщины, лопасти при больших числах Маха. Эти аэродинамические явления сопровождаются большими по величине и локализованными изменениями сил на лопасти, что приводит к им- пульсному характеру звукоизлучения. Возможно, определенную роль играет возникновение местных срывных зон и областей со сверхзвуковым потоком. У вертолета продольной схемы такие хлопки возникают вследствие того, что лопасти заднего винта пересекают концевые вихри лопастей переднего винта. [c.823]

В работе [L.72] путем направления потока воздуха на диск винта, работающего на режиме висения, имитировалось поле скоростей вихря, взаимодействующего с лопастью. При этом исследовались случаи вихря, параллельного лопасти (что соответствует вертолету продольной схемы), и вихря, перпендикулярного лопасти (случай вертолета одновинтовой схемы). Установлено, что как по спектрам шума, так и по зависимостям от времени такое моделирование хорошо отражает основные черты возникающих в полетах хлопков лопастей. Сделан вывод, что причиной хлопков лопастей является взаимодействие лопастей с концевыми вихрями движущихся перед ними лопастей или винтов. Эксперименты по моделированию хлопков и теория, развитая для оценки шума от них, показали, что уровень звукового давления пропорционален четвертой степени концевой скорости и квадрату интенсивности вихря, т. е. (Q7 )Продолжение исследований [L.58] предполагаемых механизмов возникновения хлопков (нестационарные нагрузки, обусловленные срывом или взаимодействием лопасти с вихрем, а также образование ударных волн в местных сверхзвуковых зонах при больших концевых скоростях или в вихревых зонах) показало, что наиболее вероятным является взаимодействие вихря с лопастью. Поскольку интенсивность Г концевого вихря пропорциональна T/pNQR , энергия шума, вызванного взаимодействием лопасти с вихрем, определялась соотношениями Wв [ QRYT ]/N A. Найдено, что величина Wb хорошо отражает субъективную оценку силы хлопка. Автор продолжил эти исследования [L.61], [c.866]

При полете вперед набегающий поток уносит спиральные вихри, сходящие с концов лопастей, назад (вследствие наличия составляющей скорости ц,, параллельной диску) и вниз (вследствие наличия составляющей скорости X, нормальной к диску). Поэтому след состоит из вихревых нитей, которые сходят с каждой лопасти и имеют форму скошенных спиралей (рис. 4.6). Угол скоса следа х = ar tg( u ) можно надежно рассчитать по импульсной теории. Режимам малых ц (О < цДв < 1,5) приблизительно соответствует диапазон О < х < 60°. При вращении несущего винта положения лопастей относительно отдельных вихрей следа периодически изменяются, что вызывает сильные изменения поля индуктивных скоростей, в котором работают лопасти, а значит, и нагрузок лопастей. Таким образом, при полете вперед индуктивные скорости на самом деле распределены весьма неравномерно. Взаимодействие между лопастями и следом особенно сильное в тех частях диска, где вдоль радиуса лопасти скользит вихрь, сошедший с лопасти, идущей впереди. На определенных режимах полета, при которых след располагается близко к диску винта, вихри индуцируют очень большие нагрузки. [c.140]

При использовании схемы свободного следа предварительно находились нагрузки для жесткого следа. По полученным таким образом значениям интенсивности присоединенных вихрей определялась деформированная форма концевых вихрей. После этого для новой формы вихрей вычислялись индуктивные скорости и аэродинами1 ские нагрузки. Поскольку форма свободного следа мало зависит от деталей изменения циркуляции присоединенного вихря, дальнейшие приближения обычно не требуются. Анализ экспериментальных аэродинамических нагрузок несущего винта показывает, что нагрузки на стороне наступающей лопасти максимальны, когда сошедший с впереди идущей лопасти вихрь впервые приближается к следующей лопасти. С ростом if) во время прохождения лопасти вблизи вихря эта нагрузка уменьшается. В работе [J.30] установлены причины такого снижения нагрузок, которые состоят в следующем. При сближении внешнего вихря и лопасти происходит изменение его свойств, в частности может произойти резкое увеличение (распухание) ядра вихря. Кроме того, внешний вихрь взаимодействует со сходящими с лопасти продольными вихрями, которые объединяются с внешним вихрем в результате диффузии. Причиной снижения вызванных внешним вихрем нагрузок может быть и местный отрыв потока вследствие больших радиальных градиентов давления на лопасти. Эти эффекты моделировались в работе [S.47] путем увеличения ядра вихря при его встрече с лопастью и распространения такого распухания ядра вверх по потоку. Оказалось, что введение вызванного лопастью и распространяющегося вверх по потоку распухания вихря достаточно для удовлетворительного расчета аэродинамических нагрузок. Переход к схеме несущей поверхности приводит к существенному снижению расчетных нагрузок, вызванных приближающимися к лопасти вихрями, но этого оказывается все же недостаточно для того, чтобы такие нагрузки хорошо согласовывались с экспериментальными. Нужно заметить, что описанный выше способ [c.670]

Линейная (жесткая) система вихрей строится довольно просто и не требует существенных затрат времени на вычисления, но она представляет собой наиболее грубое приближение к реальной системе вихрей. В условиях полета, когда элементы вихрей быстро отходят от диска винта (при больших скоростях полета вперед, которым соответствуют большие углы пкл наклона плоскости концов лопастей, или при больших скоростях набора высоты), взаимодействием вихрей с лопастями можно пренебречь, и модель жесткого следа оказывается приемлемой. ГГостроение полужесткой модели не требует дополнительной вычислительной работы, так как в ней используется лишь информация об индуктивных скоростях на диске винта. Допуш,е-ние о том, что элементы вихрей переносятся со скоростью, равной скорости на диске винта, справедливо лишь в течение небольшого промежутка времени после схода вихря с лопасти и это допущение определенно нарушается, когда к указанному элементу вихря подходит следующая лопасть. Таким образом модель полужесткого следа в общем не дает особого улучшения по сравнению с предыдущей. Когда вихри проходят вблизи лопастей, деформация вихрей в следе существенно влияет на нагружение лопастей, и необходимо применять модель свободного следа. Расчет деформации вихрей требует определения индуктивных скоростей не только на диске винта, но и на каждой пелене, так что приходится выполнять очень большой объем вычислительной работы. Использование модели предписанной формы следа ограничено необходимостью проведения измерений для рассматриваемого винта и заданных условий полета. Выбор модели следа определяется, как правило, компромиссом по соображениям точности и экономичности вычислений. Возможности экономичного решения ряда задач на основе модели свободного следа в настоящее время отсутствуют, так что используется модель жесткого следа. Здесь имеет значение и то обстоятельство, что повышение точности путем учета деформаций вихрей не может быть реализована до тех пор, пока существенные усовершенствования не будут введены в остальные элементы расчетной модели. [c.674]

В теории несущей поверхности взаимодействие крыла с пеленой вихрей рассматривается весьма полно. Это достигается тем, что крыло заменяется вихревой поверхностью, причем граничные условия выполняются во всех ее точках. Поэтому теория несущей поверхности пригодна для случаев сильного изменения индуктивных скоростей и нагрузок, имеющих место вблизи конца лопасти, а также при взаимодейетвии ее с вихревой пеленой. В развитии теории несущей поверхности применительно к крылу в последнее время достигнуты значительные успехи. Однако перенесение этой теории на случай вращающейся лопасти представляет собой весьма сложную задачу. Поскольку лопасти винта при вращении попадают в собственный вихревой след, модель такого следа должна строиться достаточно аккуратно, так как в противном случае применение схемы несущей поверхности не будет оправдано. Необходимо использовать модель свободного следа, учитывать сворачивание пелены в концевой жгут и другие тонкости структуры следа. Лишь /на режиме висения задача может рассматриваться как стационарная. Исследование работы винта на режиме полета вперед требует построения нестационарной теории несущей поверхности. Хотя при этом внешний поток и нагрузки являются периодическими, все гармоники решения связаны друг с другом. Наконец, ввиду того, что у большинства винтов концевые скорости велики, необходим учет влияния сжимаемости. [c.687]

Займемся дальнейшим развитием, нестационарной теории профиля с тем, чтобы приспособить ее к анализу обтекания вращающейся лопасти. Хотя основы теории уже излагались в предыдущих разделах, приложение ее к лопасти несущего винта требует учета целого ряда дополнительных факторов. Применение схемы несущей линии разделяет задачу расчета нестационарных аэродинамических нагрузок при пространственном обтекании на две части внутреннюю, в которой исследуются аэродинамические характеристики профиля, и внешнюю, состоящую из расчета индуктивных скоростей, создаваемых в сечении лопасти вихревым следом винта. Что касается внутренней задачи, то при стационарном обтекании плоского профиля аэродинамические нагрузки могут быть получены из эксперимента и представлены в виде табулированных зависимостей их от угла атаки и числа Маха. При нестационарном досрывном обтекании применимы результаты теории тонкого профиля. Решение внешней задачи затруднено тем, что система вихрей винта имеет весьма сложную конфигурацию. За каждой из вращающихся лопастей тянутся взаимодействующие винтовые вихревые поверхности, деформирующиеся в поле создаваемых ими индуктивных скоростей с возникновением областей сильной завихренности в виде концевых вихревых жгутов. Аналитическое определение индуктивной скорости на лопасти без весьма существенных упрощений модели вихревого следа (например, представления винта активным диском) оказывается невозможным. На практике неоднородное поле индуктивных скоростей определяют численными методами, подробно обсуждаемыми в гл. 13. Ввиду сказанного ниже не предполагается отыскивать зависимость между индуктивной скоростью и нагрузкой путем введения функции уменьшения подъемной силы. Напротив, сами индуктивные скорости являются фактором, учитываемым явно в нестационарной теории профиля. Для построения схемы несущей линии желательно, чтобы вычисление индуктивных скоростей производилось лишь в одной точке по хорде. Проведенное выше исследование обтекания профиля на основе схемы несущей линии указывает способ, который позволяет аппроксимировать нестационарные нагрузки с достаточно полным отображением влияния пелены вихрей. Применительно к лопасти достаточно рассмотреть лишь часть пелены, расположенную вблизи ее задней кромки. При построении нестационарной теории обтекания вращающейся лопасти надлежит учесть влияние обратного обтекания и радиального течения. Теоретические нагрузки должны быть скорректированы таким образом, чтобы они отражали влияние [c.480]

Вибрации вертолета с частотами, кратными NQ, вызваны высшими гармониками нагрузок на несущем винте. Источники этих нагрузок — след винта и эффекты срыва и сжимаемости на больших скоростях полета. На режиме висения вибрации вер-— толета невелики вследствие почти полной осевой симметрии его обтекания. Единственным возбудителем высокочастотных гармоник нагрузок является небольшая асимметрия, вносимая влиянием фюзеляжа и других винтов. На малых скоростях полета (при 0,1) обычно наблюдается резкое увеличение вибраций, обусловленное большой неравномерностью поля индуктивных скоростей. Аэродинамическое сопротивление вертолета на малых скоростях невелико, поэтому наклон ПКЛ также мал, и концевые вихри лопастей остаются вблизи диска винта. Характеристика режима полета все же достаточно велика, поэтому лопасти проходят вблизи концевых вихрей предшествующих лопастей. Такое взаимодействие вихрей и лопастей приводит к сильному росту высших гармоник аэродинамических нагрузок, которые передаются через втулку и создают вибрации. Вибрации вообще увеличиваются в случаях, когда вихревая система находится вблизи диска винта, например на режимах торможения или снижения. Для увеличения скорости полета ПКЛ наклоняется вперед, что создает пропульсивную силу при этом вихри уносятся потоком от диска винта, и вибрации, вызванные влиянием вихрей, уменьшаются. На больших скоростях полета вибрации вновь возрастают в основном в результате увеличения высших гармоник нагрузок, вызванного эффектами срыва и сжимаемости. Максимальная скорость полета вертолета часто ограничивается именно этими вибрациями. [c.638]

Вопрос о взаимодействии концевого нихря с лопастью при учете деформаций сходящих с лопасти вихрей рассмотрен в работе [26]. — Прим. ред. [c.684]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...