CC BY
80
Том XXXIX
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 200 8
№ 3
УДК 533.6.071.088 533.6.071.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СТАТИЧЕСКОЙ АЭРОУПРУГОСТИ НЕКОТОРЫХ УСТРОЙСТВ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБ
О. С. МАМЕДОВ
Результаты экспериментально-расчетных исследований влияния упругости конструкции координатных устройств на точность измерения поля скоростей потока в трансзвуковой аэродинамической трубе.
К основным устройствам, используемым в экспериментальных исследованиях в аэродинамических трубах (АДТ), помимо аэродинамических моделей можно отнести их поддерживающие устройства, зонды для исследования поля скоростей потока и т. д. Исследование характеристик статической аэроупругости этих устройств необходимо для повышения точности результатов эксперимента благодаря учету упругих деформаций конструкции в потоке. Оно необходимо также для обеспечения безопасности испытаний.
В [1] подробно рассмотрены теоретические основы исследований влияния упругости и распределения масс конструкции на некоторые аэродинамические характеристики самолета в ква-зиустановившемся движении. В [2] рассмотрено влияние упругости конструкции «жестких» моделей на их аэродинамические характеристики, необходимое для внесения поправок в результаты испытаний. Показано, что вследствие упругих деформаций модели при больших числах М и
скоростных напорах д (числах Re), к примеру, производная подъемной силы по углу атаки
для весовой модели пассажирского самолета уменьшается на 4+8% , а первый аэродинамический
фокус ХРа = т®Iсау (отношение производных коэффициентов момента тангажа и подъемной
силы по углу атаки) смещается вперед на 1+2%. Учитывая высокие требования к точности экспериментальных исследований, необходимо вносить поправки в результаты измерений в АДТ.
Деформации поддерживающих устройств моделей — державок — также существенно влияют на результаты экспериментальных исследований в АДТ. При испытаниях аэродинамических моделей державки рассчитываются на большие нагрузки с запасом прочности, как правило, больше 4, и поэтому опасность дивергенции модели в АДТ практически отсутствует. При этом с помощью специальных градуировок или измерений с использованием датчиков углов поворота вносятся поправки, учитывающие деформации державки. Опасность дивергенции поддерживающих устройств наиболее остро может возникнуть при исследованиях поля скоростей потока с помощью зондов (координатников). С целью уменьшения влияния на исследуемый поток зонды выполняются с минимальными размерами в поперечном сечении (мидель) и максимальными вдоль потока (относительное удлинение зондов, как правило, намного больше 10). Кроме того, требования к точности измерений, например, скосов потока чрезвычайно высоки, ап <±10/, и поэтому учет деформаций зондов имеет не меньшее значение, чем учет деформации моделей и державок.
Основные расчетные исследования характеристик статической аэроупругости координат-ников проведены с использованием программного комплекса «Аргон» [3], основанного на мето-
де коэффициентов влияния (МКВ) [4]. МКВ основан на линеаризованной постановке расчета стационарных аэродинамических характеристик, при котором несущую поверхность моделируют тонкими профилированными слабоизогнутыми поверхностями, произвольно расположенными в пространстве. Этот метод базируется также на приближенной расчетной модели силовой конструкции агрегатов, в которой использован математический аппарат метода заданных форм, при этом упруго-массовые свойства конструкции воспроизводит система регулярных подконструк-ций, связанных между собой дискретными пружинами, а в качестве заданных форм используют полиномы.
Координатник рабочей части (РЧ) № 2 аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ. Это устройство, предназначенное для исследования поля скоростей, давлений, скосов и пульсаций потока, представляет собой систему, состоящую из прямого крыла с насадками и набора телескопических труб (державки), передающих поступательное и вращательное движение относительно оси ох крылу для более полного охвата поля РЧ (рис. 1). Для оценки нагрузок, действующих на крыло во время испытаний, и деформаций державка оснащена тензодатчиками, измеряющими изгибающий момент. Жесткостные характеристики опор крыла с державкой зависят как от положения крыла по крену (телескопические трубы имеют сердечник двутаврового сечения), так и от общей длины телескопических труб. Кроме того, крепление опор имеет некоторый люфт. С целью уточнения жесткостных характеристик всей системы в сборе и величины люфта проведены жесткостные испытания для различных позиций координатника на стапеле вне рабочей части и в контуре трубы. Деформации от распределенных сил веса (при общем весе О = 28.8 кН) всей системы в районе насадков составляют около 5 + 10.3' в зависимости от угла крена крыла. Люфт
г
Рис. 1. Схема координатника рабочей части № 2 аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ
—0гО4П П П’ • —
д- 22 кПа Т 40 кПа .
0 01 \
\\ о / у, град
)0 -1 >0 -1 )° \«м 0 ( о гм 1 5 0 11 у г ;о 21
1
Л
— 1/
Рис. 2. Зависимости коэффициента аэродинамической подъемной силы су координатника рабочей части № 2 АДТ Т-128 от угла крена крыла у и скоростного напора д при числе М = 0.6
в опорах достигает 12'. Предварительные расчетные исследования показали, что деформации от аэродинамических нагрузок при числе М = 0.9 и скоростном напоре д = 40 кПа составляют 3 + 6.2'. Таким образом, можно сделать вывод, что исследования поля скоростей в АДТ Т-128 без учета упругих деформаций координатника приведут к большим погрешностям. С увеличением скоростного напора возникает опасность дивергенции крыла, например, при числе М = 0.95 скоростной напор дивергенции равен ддив = 96.5 кПа. Несмотря на то, что в АДТ Т-128 такой скоростной напор не реализовывается, опасность поломки из-за резкого возрастания аэродинамических нагрузок существует. Испытания координатника в РЧ № 2 АДТ Т-128 полностью подтвердили результаты расчетов. На рис. 2 приведены зависимости коэффициента аэродинамической подъемной силы су от угла крена крыла у и скоростного напора д при числe М = 0.6. Видно, что
с увеличением скоростного напора до 40 кПа величина коэффициента су возрастает на ~70%
в зависимости от угла у
Координатник РЧ № 3. Данное координатное устройство предназначено для измерения полного давления или скосов в следе модели, испытываемой в рабочей части № 3 АДТ Т-128 на механизме кругового обдува.
Основные требования, предъявляемые к координатнику РЧ № 3:
— число М <0.85, скоростной напор д <80 кПа, максимально ожидаемый скос потока — не более 1°;
— максимальное затенение сечений рабочей части < 2%;
— диапазон перемещения насадка по вертикали ±0.7 м, по горизонтали ±0.3 м;
— точность установки насадка в статике ±0.005 м, точность измерения положения насадка ±0.001 м, допускаются упругие перемещения носика насадка не более ±0.01 м.
Учитывая приведенные выше требования, в качестве основных критериев при выборе силовой схемы координатника были приняты:
— обеспечение минимального затенения потока;
— достижение минимальных упругих перемещений носика приемника давления;
— обеспечение безопасности от дивергенции и флаттера при испытаниях в АДТ.
Рассмотрены две схемы реализации координатника:
1) в виде двух лент, натянутых между полом и потолком рабочей части, по которым движется каретка с насадками (рис. 3);
2) в виде жесткой вертикальной стойки, являющейся направляющей для каретки с насадком (рис. 4).
Преимуществом первого варианта по отношению ко второму могло бы быть то, что с помощью натяжения лент можно регулировать жесткость стойки координатника при относительно малом миделевом сечении лент. А с другой стороны, это же является и недостатком данной схемы, так как неконтролируемое изменение силы натяжения лент во время эксплуатации (изменение температуры среды, износ устройств натяжения и деформации отдельных элементов и т. д.) могут привести к опасности возникновения статической и динамической неустойчивости системы. Расчетные исследования показали, что оба варианта по условиям безопасности от диверген-
г
Стенка рабочей части АДТ У Державка потока \ _ Ленты
Приемник 0 давления ^ Стенка рабочей части АДТ
Рис. 3. Схема координатника для рабочей части № 3 аэродинамической трубы Т-128 в виде двух растянутых лент
Рис. 4. Схема координатника для рабочей части № 3 аэродинамической трубы Т-128 в виде жесткой стойки
ции и флаттера отвечают требованиям технического задания. При этом замечание о сложности обеспечения безопасности во время эксплуатации первого варианта остается. Отклонение носика насадка за счет упругих деформаций системы в первом варианте значительно больше, чем во втором. Например, при числе М = 0.9 и скоростном напоре д = 80 кПа они равны соответственно 0.052 и 0.016 м. На основании расчетных исследований для второго варианта было выбрано положение узлов установки координатника в рабочей части АДТ, позволившее минимизировать аэродинамические нагрузки, действующие на стойку координатника и уменьшить перемещения носика насадка. Испытания РЧ № 3 в АДТ Т-128 подтвердили результаты предварительных исследований по подбору схемы и параметров координатника. Во время испытаний максимальные отклонения носика насадка за счет упругих деформаций всей системы составили в вертикальной плоскости ±0.001 м, в горизонтальной ±0.0015 м, что позволило при обработке результатов испытаний не вводить поправки на деформацию системы.
Проведенные комплексные экспериментально-расчетные исследования упругих деформаций зондов (координатников) позволили обеспечить необходимую точность измерений полей давления потока и безопасность испытаний по условиям статической аэроупругости.
ЛИТЕРАТУРА
1. АмирьянцГ. А. Теоретическое определение влияния упругости и распределения масс конструкции на некоторые аэродинамические характеристики самолета в квазиустано-вившемся движении // Ученые записки. 1979. Т. X, № 1.
2. АмирьянцГ. А., ЕфименкоС. В., СиротаС. Я. Влияние упругих деформаций «жестких» аэродинамических моделей на их аэродинамические характеристики // Ученые записки ЦАГИ. 1993. Т. XXIV, № 1.
3. Евсеев Д. Д., Ишмуратов Ф. З., Чедрик В. В. и др. Комплекс программ аэропрочностного проектирования самолета «АРГОН» // Ученые записки ЦАГИ. 1991. Т. XXII, № 5.
4. Евсеев Д. Д. Расчет некоторых аэродинамических характеристик упругого самолета методом коэффициентов влияния // Ученые записки ЦАГИ. 1978. Т. IX, № 6.
Рукопись поступила 27/112008 г.
