Энергетический анализ и выбор проектных параметров рулевого устройства одновинтового вертолета типа фенестрон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Афшин Манучехрифар

  • Афшин Манучехрифар
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 1999, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.07.02
  • Количество страниц 162
Афшин Манучехрифар. Энергетический анализ и выбор проектных параметров рулевого устройства одновинтового вертолета типа фенестрон: дис. кандидат технических наук: 05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов. Москва. 1999. 162 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Афшин Манучехрифар

• Введение

1. Анализ работ в области исследования и проектирования рулевого устройства вертолета типа фенестрона.

2. Постановка задачи выбора проектных параметров и оптимизации аэродинамической компоновки фенестрона с килем.

3. Энергетический анализ фенестрона с килем.

3.1. Основные цели и задачи энергетического анализа фенестрона с килем.

3.2. Энергетический анализ фенестрона с килем на режиме висения вертолета.

3.2.1. Методика расчета аэродинамических и энергетических характеристик фенестрона на режиме висения вертолета.

3.2.2. Сравнение расчетных аэродинамических характеристик фенестрона на режиме работы на месте с экспериментом.

3.2.3. Алгоритм расчета аэродинамических и энергетических характеристик фенестрона на режиме висения вертолета.

3.2.4. Параметрические исследования и выбор параметров аэродинамической компоновки фенестрона по энергетическим характеристикам его работы на режиме висения вертолета.

3.3. Энергетический анализ фенестрона с килем на режиме полета вертолета с горизонтальной скоростью.

3.3.1. Методика расчета аэродинамических характеристик фенестрона на режиме полета вертолета с горизонтальной скоростью при нулевом угле атаки.

3.3.2. Сравнение расчетных характеристик фенестрона с результатами эксперимента в горизонтальном полете вертолета с нулевым углом скольжения.

3.3.3. Методика определения аэродинамических характеристик киля с учетом влияния корпуса фенестрона.

3.3.4. Алгоритм расчета аэродинамических характеристик фенестрона на режиме полета вертолета с горизонтальной скоростью.

3.3.5. Определение эффективного качества фенестрона с килем на режиме горизонтального полета вертолета

3.3.6. Параметрические исследования фенестрона с килем на режиме полета вертолета с горизонтальной скоростью и рекомендации по выбору параметров киля.

3.3.7. Рекомендации по выбору площади киля 105 4. Анализ функциональной эффективности вертолета с фенестроном и килем.

4.1. Основные цели и задачи анализа функциональной эффективности вертолета с фенестроном и килем.

4.2. Выбор критериев функциональной эффективности.

4.3. Методика расчета основных характеристик и критериев функциональной эффективности вертолета с фенестроном и килем. 110 4.3.1. Определение потребной мощности двигательной установки на основных режимах работы вертолета.

4.3.1.1. Определение мощности, потребной на привод несущего винта.

4.3.1.2. Определение мощности, потребной на привод винта фенестрона и рулевого винта.

4.3.2. Весовой расчет вертолета.

4.3.2.1. Весовые формулы, используемые для определения массы агрегатов, систем и оборудования вертолета.

4.3.2.2. Определение массы фенестрона с килем.

4.4. Параметрические исследования функциональной эффективности и разработка рекомендаций по выбору диаметра винта и длины диффузора фенестрона.

4.4.1. Исследование влияния относительной длины диффузора.

4.4.2. Исследование влияния относительное диаметра винта.

4.5. Сравнение характеристик вертолета с фенестроном и килем и вертолета с обычным рулевым винтом.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», 05.07.02 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетический анализ и выбор проектных параметров рулевого устройства одновинтового вертолета типа фенестрон»

В настоящее время на ряде легких и средних одновинтовых вертолетов в качестве альтернативы обычному рулевому винту для обеспечения путевой балансировки и управления по курсу применяется фенестрон. Фенестрон представляет собой систему, состоящую из многолопастного винта, относительно небольшого размера, и корпуса с цилиндрическим каналом, в котором установлен винт. Как правило, фенестрон используется вместе с килем. Киль устанавливается сверху на корпусе фенестрона и служит для его разгрузки в горизонтальном полете а также обеспечивает путевую устойчивость вертолета.

Интерес к фенестрону вызван стремлением преодолеть ряд недостатков, которыми обладает обычный рулевой винт, и прежде всего эксплуатационных. Основными преимуществами использования фенестрона с килем в качестве рулевого устройства являются:

1) Повышение безопасности полета вертолета на малых высотах благодаря корпусу фенестрона, который защищает винт от возможных ударов о различные препятствия вблизи земли.

2) Увеличение живучести вертолета благодаря использованию большого киля, который в горизонтальном полете на крейсерском режиме практически полностью разгружает фенестрон.

3) Малый уровень динамических напряжений в лопастях винта фенестрона даже на больших скоростях полета, что благоприятно сказывается на увеличении его ресурса.

Когда вертолет с вращающимися несущим и рулевым винтами находится на земле, незащищенный рулевой винт представляет большую опасность для находящихся вблизи вертолета людей, особенно в экстремальных ситуациях, когда внимание человека ослаблено. При низком расположении рулевого винта это обстоятельство приводит в ряде случаев к травмам, иногда со смертельным исходом. Поскольку винт фенестрона защищен корпусом, то попадание в него человека практически исключено.

Статистика использования вертолетов, в частности проведенная фирмой «Аэроспасьяль» (Франция) [43], показывает, что 15% всех аварий вертолетов происходит из-за поломки рулевого винта при его столкновении с препятствиями у земли (деревья, здания, линии электропередачи и т.п.) или попадания в него посторонних предметов. Использование фенестрона с защитой винта корпусом значительно снижает в этих случаях возможность его поломки. Согласно данным, представленным фирмой «Аэроспасьяль», при эксплуатации 1200 вертолетов Газель и 400 вертолетов Дофен не произошло ни одной серьезной аварии вертолетов из-за ударов рулевого устройства этих вертолетов о препятствия вблизи земли.

Использование фенестрона вместо обычного рулевого винта существенно увеличивает живучесть вертолета боевого применения, т.к. в связи с малыми размерами винта фенестрона примерно в два раза уменьшается вероятность попадания в винт снаряда малого калибра. Но даже в случае попадания уменьшается вероятность фатального исхода, поскольку наличие на фенестроне большого киля обеспечивает возможность возврата вертолета в точку базирования и увеличивает его выживаемость.

Следует также отметить, что обычный рулевой винт в горизонтальном полете вертолета работает в сложных условиях. Помимо внешнего потока на него воздействует спутная струя и вихри от несущего винта и фюзеляжа, что приводит к появлению большого уровня знакопеременных нагрузок и в ряде случаев к динамической неустойчивости. Установка винта в канале фенестрона дает более равномерное распределение поля скоростей по диску винта, что улучшает условия его работы. Кроме того установка в канале значительно разгружает винт, поскольку существенная доля подъемной силы фенестрона создается профилированной входной частью канала (коллектором). Все это ведет к уменьшению переменных напряжений в конструкции винта фенестрона и увеличивает срок службы рулевого устройства вертолета.

Процесс проектирования фенестрона включает в себя выбор параметров, определяющих геометрию профилированного канала, в который устанавливается винт, а также параметров самого винта. При заданных относительных размерах канала фенестрона и его винта основным проектным параметром является удельная нагрузка на площадь фенестрона (активную площадь диска винта и корпуса фенестрона, создающих подъемную силу). В чисто методических целях иногда удобно всю подъемную силу фенестрона относить к площади активного диска винта. От этого параметра зависит уровень энергетических затрат, идущих на привод винта фенестрона, а также масса конструкции всего рулевого устройства, включающего корпус фенестрона, винт и киль. Энергетические затраты на привод винта фенестрона и масса конструкции во многом определяют эффективность его применения на вертолете. Оценке этой эффективности и выбору параметров фенестрона с килем с учетом различных условий работы данного рулевого устройства вертолета посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель исследований данной диссертационной работы заключается в создании методик расчета и выработке рекомендаций по выбору проектных параметров фенестрона и киля на основе комплексного подхода, учитывающего влияние этих параметров на энергетические, массовые, летно-технические характеристики вертолета и на показатель функциональной эффективности применения вертолета в целом.

Актуальность диссертационной работы обусловлена возрастанием числа строящихся и проектируемых одновинтовых вертолетов, использующих фенестрон в качестве альтернативы обычному рулевому винту, и необходимостью при этом решать задачу выбора параметров фенестрона, обеспечивающих вертолету наилучшие энергетические и летно-технические характеристики.

Новизна научных исследований диссертационной работы заключается в комплексном подходе к выбору параметров фенестрона на основе анализа их влияния на показатели энергетического совершенства, массовые и летно-технические характеристики вертолета с данным рулевым устройством. При этом были решены следующие задачи:

1. На основе методов аэродинамического расчета системы «винт в кольце», созданных на кафедре «Проектирование вертолетов» МАИ, разработаны алгоритмы и программы расчета аэродинамических характеристик фенестрона с килем на режимах висения и горизонтального полета.

2. Проведен энергетический анализ данного рулевого устройства на указанных режимах. В результате анализа получены рекомендации по выбору: относительных размеров кольцевого канала (7К -относительный радиус скругления входной кромки коллектора, о.д -угол раствора диффузора) и параметров винта (авф- заполнение винта и геометрия лопастей). Также получены рекомендации по выбору оптимальной величины разгрузки фенестрона килем на крейсерском режиме полета вертолета.

3. Разработана методика весового расчета и определения массы груза, перевозимого вертолетом с фенестроном и килем.

4. На примере типовой транспортной операции продемонстрирован процесс выбора параметров фенестрона с использованием показателя функциональной эффективности: массы груза, перевозимого вертолетом на заданную дальность. В результате получены рекомендации по выбору основных проектных параметров фенестрона (относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Ди и относительной длины диффузора фенестрона Нд / Явф) для вертолетов различной весовой категории.

5. Проведено сравнение характеристик вертолета с фенестроном и вертолета с обычным рулевым винтом.

Достоверность научных выводов и результатов диссертационной работы определяется тем, что в основу разработок методик, алгоритмов и программ расчетов характеристик фенестрона были положены методы расчета аэродинамических характеристик системы «винт в кольце», подтвержденные экспериментами. Имеет место хорошее совпадение результатов расчетов характеристик фенестрона с результатами модельных экспериментов с системой «винт в кольце» как на режиме висения, так и на режимах работы фенестрона с горизонтальной скоростью (продувки модели с системой «винт в кольце в аэродинамической трубе МАИ [26]). Достоверность научных выводов диссертации подтверждается тем, что полученные рекомендации по выбору проектных параметров фенестрона находятся в соответствии с параметрами реальных вертолетов.

Содержание диссертационный работы. Диссертационная работа состоит из четырех разделов.

В первом разделе дается анализ исследований в области проектирования рулевого устройства вертолета типа фенестрон. Рассматриваются известные прототипы вертолетов с фенестроном, используемые компоновки фенестрона и проектные параметры фенестрона. Приводится обзор работ, посвященных проектированию и аэродинамическому расчету фенестрона.

Во втором разделе дается постановка задачи диссертационной работы, которая заключается в выборе проектных параметров и оптимизации аэродинамической компоновки фенестрона с килем на основе энергетического и весового анализа данного рулевого устройства.

В третьем разделе представлен энергетический анализ фенестрона с килем на режиме висения и в горизонтальном полете. Даются методики и алгоритмы расчета энергетических характеристик фенестрона с килем. Проводится сопоставление используемых методик расчета с данными экспериментов, проводимых на моделях фенестрона. В этом же разделе обсуждаются результаты энергетического анализа фенестрона на режиме висения и фенестрона с килем на режиме горизонтального полета. В итоге даются рекомендации по выбору параметров фенестрона и киля, определяющих аэродинамическую компоновку канала и винта фенестрона, а также разгрузку фенестрона килем на крейсерской скорости полета вертолета.

В четвертом разделе представлен выбор проектных параметров фенестрона: относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Бнв и относительной длины диффузора Нд= Нд/ Явф. Выбор этих параметров проводится на примере типовой транспортной операции по критерию функциональной эффективности вертолета. В качестве критерия функциональной эффективности принята величина массы груза, перевозимого вертолетом на заданную дальность. В этом разделе также дается сравнение характеристик вертолета с фенестроном и килем и вертолета с обычным рулевым винтом.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в возможности использования ее результатов в конструкторских бюро вертолетостроения на этапах проектирования вертолетов с фенестроном, а также для исследований эффективности использования фенестрона на вертолетах различных весовых категорий. Материалы диссертации могут быть также рекомендованы для использования в учебном процессе при обучении студентов вертолетной специальности.

Апробация диссертационной работы проведена в виде представления полученных научных результатов на конференциях, в статьях и научных отчетах.

1- Энергетический анализ фенестрона, Доклад на третьем международном форуме российского вертолетного общества, 1998 г.

2- Энергетический анализ фенестрона на режиме висения, Статья на второй иранской конференции по авиации, 1998 г.

3- Энергетический анализ фенестрона с килем, Доклад на вторых научных чтениях по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского, 1999 г.

4- Выбор параметров рулевого устройства типа «фенестрон». - Седьмые научные чтения, посвященные памяти академика Б.Н. ЮРЬЕВА (к 110-летию со дня рождения), М., 10-12 ноября 1999

Похожие диссертационные работы по специальности «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», 05.07.02 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Афшин Манучехрифар

Основные результаты и выводы.

1. Разработана методика выбора оптимальных параметров рулевого устройства вертолета типа «фенестрон» на основе комплексного энергетического анализа фенестрона и киля на характерных режимах работы вертолета и весового анализа вертолета с данным рулевым устройством.

2. На основе энергетического анализа фенестрона на режиме висения разработаны рекомендации по выбору параметров, определяющих геометрическую компоновку канала фенестрона и основных параметров винта.

Установлено, что оптимальная величина относительного радиуса скругления входной кромки коллектора гк находится в диапазоне 0.1.0.13. Величину угла раствора диффузора следует принимать ад = 12°, величина заполнения винта фенестрона находится в диапазоне значений авф = 0.4.0.5 .

Рекомендуется использовать прямоугольные лопасти с умеренной круткой, что обеспечивает более высокую относительную тягу кольца фенестрона при тех же энергетических затратах, что и для трапециевидной лопасти.

3. На основе энергетического анализа фенестрона и киля на режиме горизонтального полета определена рекомендуемая степень разгрузки фенестрона килем на крейсерском режиме полета вертолета. Установлено, что для получения минимальных затрат суммарной мощности вертолета с фенестроном, тяга на фенестроне должна составлять 20.30% от общей боковой силы рулевого устройства, необходимой для обеспечения путевой балансировки вертолета.

4. На основе анализа энергетических и весовых характеристик вертолета с фенестроном на примере выполнения вертолетом транспортной операции даны рекомендации по выбору основных проектных параметров фенестрона. Оптимальное значение относительной длины диффузора рекомендуется брать в диапазоне Нд = 0.5-•-0.7. Оптимальное значение относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Вт зависит от нагрузки на площадь, ометаемой лопастями несущего винта, и от взлетной массы вертолета. С увеличением взлетной массы, относительный диаметр винта фенестрона должен увеличиваться (в соответствии с графиком 4.31). Так например, для взлетной массы вертолета 2500 кг оптимальное значение Овф / Виа =0.08, а при взлетной массе вертолета 10000 Ввф / Вт =0.12.

5. В результате сравнения транспортной эффективности, определяемой массой перевозимого груза вертолетом с фенестроном и вертолетом с обычным рулевым винтом, установлено, что при небольших взлетных массах до 2000. 2500 кг установка фенестрона практически не ухудшает транспортную эффективность вертолета. При этом вертолет с фенестроном обладает большей безопасностью эксплуатации, увеличенным ресурсом рулевого устройства и приобретает ряд других эксплуатационных преимуществ. С ростом взлетной массы показатели функциональной эффективности вертолета с фенестроном по сравнению с вертолетом с обычным рулевым винтом имеют тенденцию к ухудшению (см. Раздел 4.5). В частности, для вертолета с фенестроном с взлетной массой 10000 кг проигрыш в массе перевозимого груза составляет 12. 18% от массы груза перевозимого вертолетом с рулевым винтом, на больших дальностях полета 600.800 км.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Афшин Манучехрифар, 1999 год

1. Баршай М.М. Вихревая теория фенестрона., Москва, МВЗ, Труды ОКБ № 10,1977

2. Богданов Ю. С, Михеев Р. А, Скулков Д. Д. Конструкция вертолетов, М., Машиностроение, 1990., 272 е., ил

3. Вильдгрубе Л.С, Вертолеты. Расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно, технических данных., М., Машиностроение, 1977, 152 с

4. Горлин С.М, Экспериментальная аэродинамика. Учебник для вузов., М. 1970

5. Далин В. Н, Курочкин Ф. П. Конструирование агрегатов вертолета, М., МАИ, 1984

6. Жустрин Г.К., Кронштадтов В.В. Весовые характеристики вертолета и их предварительный расчет.,М., Машиностоение, 1978

7. Завалов О.А, Скулков Д. Д. Проектирование вертолетов, М., МАИ, 1990

8. Завалов О.А, Шайдаков В.И., Манучехрифар А. Энергетический анализ фенестрона с килем на режиме полета вертолета с горизонтальной скоростью. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е.Жуковского. М., 1999

9. Завалов О.А, Шайдаков В.И., Манучехрифар А. Энергетический анализ фенестрона, Доклад третьего форума российского вертолетного общества, 1998

10. Игнаткин Ю.М. Аэродинамика элементов вертолета, М., МАИ, 1987

11. Игнаткин Ю.М. Аэродинамический расчет вертолета, Конспект лекций. Экспериментальная аэродинамика вертолета, М., МАИ, 1975

12. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки., М., Высшая школа, 1967

13. Колобков А.Н, Николаев М.И. Оптимизация несущей поверхности по минимуму индуктивного сопротивления. Ученые записки ЦАГИ, том XXII, № 1,1991, стр. 27,31

14. Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолетов с вертикальным взлетом и посадкой., М., Машиностроение, 1970

15. Лев Берне, Новый Ка-60, журнал. «Крылья Родины» №10, 1998

16. Лепилкин A.M. Теоретическое и экспериментальное исследование аэродинамики фенестрона, М., МВЗ, Труды ОКБ № 12, 1984

17. Манучехрифар А., Выбор параметров рулевого устройства типа «фенестрон»., Седьмые научные чтения, посвященные памяти академика Б.Н. Юрьева., М„ 1999

18. Мартынов А. К. Экспериментальная аэродинамика, ГИОП, 1956

19. Масленников М.М., Бехли Ю.Г., Шальман Ю.Л. Газотурбинные двигатели для вертолетов., М., Машиностроение, 1969

20. Мойзых Е.И, Завалов О.А, Кузнецов А.В, Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик дискообразного ДПЛА., Доклад третьего форума российского вертолетного общества, 1998

21. Ружицкий Е.И., Вертолеты., М., Виктория, ACT, 1997

22. Тишенко М. Н, Некрасов А. В, Радин А. С, Вертолеты. Выбор параметров при проектировании, М., Машиностроение, 1976

23. Трошин И. С, Монашев В. М Расчет устойчивости и управляемости вертолета, М., МАИ, 1982

24. Ханжонков В.И. Аэродинамика аппаратов на воздушной подушке., М., Машиностроение, 1972

25. Ханжонков В.И. Аэродинамические характеристики коллекторов. М., БНИ ЦАГИ, Сер. Промышленная аэродинамика., № 4, 1953

26. Шайдаков В.И, Завалов О.А, Манучехрифар А. Аэродинамические исследования дистанционно, пилотируемого питательного аппарата с системой «винт в кольце». Технические отчеты по теме № 102-98-11, 1998, 1999

27. Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце в условиях обтекания потоком под нулевым углом атаки. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е.Жуковского, М., 1999

28. Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце с коллектором и цилиндрическим диффузором ограниченной длины. Доклад третьего форума российского вертолетного общества, М., 1998

29. Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце., М., МАИ, 1996

30. Шайдаков В.И. Аэродинамический расчет вертолета- М.,МАИ, 1988

31. Шайдаков В.И. Исследование свойств цилиндрического вихревого слоя., В кн., Аэродинамика вертолета, Тематический сборник научных трудов МАИ, Вып. 251., М., МАИ, 1972

32. Шайдаков В.И., Аэродинамические исследования системы «винт в кольце» на режиме висения. В кн. исследования в области теоретической и прикладной аэрогидродинамики, оборонгиз, М., 1959

33. Шайдаков В.И., Влияние глубины расположения винта в кольце на аэродинамические характеристики системы для режима работы на месте. ИВУЗ, серия «Авиационная техника», № 2, 1960

34. Шайдаков В.И., Завалов О.А. Аэродинамическое проектирование фенестрона., М., МАИ, 1980

35. Шайдаков В.И. и др., Алгоритмы и программы расчетов в задачах динамики вертолета. М., МАИ, 1989

36. Шайдаков В.И., Исследование аэродинамических характеристик системы винт в кольце на режимах висения и вертикального взлета. Аэродинамический расчет летающих платформ на этих режимах (автореферат диссертации)., ВВИА им Н.Е.Жуковского., М., 1960

37. Шейнин В.М., Козловский В.И. Весовое проектирование и эффективность пассажирских самолетов., М., Машиностроение, 1977

38. Юрьев Б.Н. Аэродинамический расчет вертолета. Избранные труды, т. 1., М., Оборонгиз, 1961

39. Clark D.R. Aerodynamic design rationale for the fan-in-fin on the S-67 helicopter. American Helicopter Society Preprint N 904, 1975

40. Horst T.J, Reshak R.J. Designing to survive tail rotor loss. 31 st. AHS Fourm, may 1975

41. Logan A.H. Helicopter with no tail rotor. Air World, №; 2, 1989

42. Rene Mouille. The "Fenestron" shrouded Tail Rotor of the SA341 Gaselle. Journal of the American helicopter society, N 4, 1970

43. Russier M. The Fenestron Antitorque Concept. The Royal Aeronautical Society Conference on Helicopter Yaw Control Concepts, London, March 1990

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.