Исследование картины течения около воздушного винта в профилированном кольце и без кольца при реверсе тяги Текст научной статьи по специальности «Физика»

Том X Ь

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 09

№ 2

УДК 629.7.015.3.035.55

ИССЛЕДОВАНИЕ КАРТИНЫ ТЕЧЕНИЯ ОКОЛО ВОЗДУШНОГО ВИНТА В ПРОФИЛИРОВАННОМ КОЛЬЦЕ И БЕЗ КОЛЬЦА ПРИ РЕВЕРСЕ ТЯГИ

С. П. ОСТРОУХОВ

В работе представлены результаты экспериментального исследования методом шелковинок картины течения около модели воздушного винта при работе его в профилированном кольце и без кольца на режиме реверса тяги в АДТ-104 на винтовом приборе ВП-107.

Дано сопоставление схем обтекания с результатами весовых измерений аэродинамических сил на винте и профилированном кольце.

Ключевые слова: воздушный винт, профилированное кольцо, реверс тяги, метод шелковинок, картина течения.

Исследование обтекания воздушного винта и винтокольцевого движителя (ВКД) на режиме реверса тяги проведено с использованием модели восьмилопастного винта СВ 10-01-510 диаметром £>в = 0.85 м и модели профилированного кольца ВК1 на винтовом приборе ВП-107 в тянущей схеме в АДТ-104.

Исследования проведены при углах установки лопастей на относительном радиусе _ 2г

г = — = 0.75 ф0 75 = 0, -10° и -20° при частоте вращения винта пв = 4100 об/мин в диапазоне

■^в

скоростей набегающего потока V =0—50 м/с. Испытания проводились с сеткой шелковинок, установленной вдоль потока в плоскости симметрии винтового прибора (рис. 1). Из-за трудностей с регулированием потока в аэродинамической трубе Т-104 в области малых скоростей с углами установки лопастей Ф0 75 = 0 и -20° не удалось получить экспериментальные точки при V < 9.5 и V < 16 м/с соответственно.

Картина течения фиксировалась на фотопленке обычным фотоаппаратом, а также записывалась видеокамерой. Часть полученных результатов представлена в работе в виде фотографий спектров шелковинок, а также схем течения около винта и ВКД, построенных на основе анализа материалов эксперимента. На рис. 2—4 такие результаты приведены для изолированного винта, а на рис. 5—7 для ВКД при Ф0.75 =-10°. Кроме этого в работе представлены полученные весовым способом коэффициенты тяги винта ав, кольца ак и ВКД аВКД, а также мощности в винта

в функции от относительной поступи X (на рис. 8 для изолированного винта, а на рис. 9 и 10 для ВКД).

Р

Коэффициенты тяги определялись по формуле а = —2—— где Р — тяга винта, кольца или

рПе^в

ВКД соответственно, р — плотность воздуха, пс — частота вращения винта в секунду, а коэф-

2пМ

фициент мощности по формуле в = —2—г, где М — крутящий момент на валу винта. Отно-

РПс2^в5

сительная поступь винта определялась по формуле X = V| (пс £>в).

3.

✓ у. / / у« у

/; у л / ✓ у ✓*

у у /■ ✓ / у ✓ у у

у / у- г У Г / ✓

У у / Г /■ у / ^ У

У у У /■ / / /• /■ г У

г /• / у / /■ / X г У

у •Н / / / У / г г

/ / Ґ / ( у г г

✓ г * Г і у г У

✓ / г /■ / / у

✓ / / ( / / г У

/ / г / / г (

у Г /■ / / у г г

✓ / / / ' / / і

У / г / / г / /

✓ г / /■ / /■ / /

Г / Л/,./ *» / (

/ / / г Г / г /

/ / /■ г ^ г

/* г г г Ґ г

у г ' г г г г

У у / г " / 1 г (

У 1 ' ( ' і с 4 1

✓ г г г ' 1 / \ г

у У ( г г / < і с

у у у У ' г г І 1

✓ у 1 У' /* Л г 1 V

*

/ А А / А У* А ✓ у

г г / / /• У / У У

г г /* Ґ У ** У

У У У г У У

/■ <г У У У

/ У г / У

У г У у

г г /

г У г /

У г г г

г г ! (

г У г (

“ г Г

г г *

г 1 і

( 1 I

г 1

с ч «

і 1 V

г г %

• \ '

% і * * V

• • *■ *■

4, у *

Г-* ~У

- * 4 • т в % V

I Г < І

І Г г У

- 1

Рис. 2. Обтекание изолированного винта на режиме реверса тяги (ф075 = -10°) на скорости V = 0

Рис. 3. То же, что на рис. 2, но V = 1Q.1 м/с

Рис. 4. То же, что на рис. 2, но V = l2.2 м/с

Рис. 5. Обтекание ВКД на режиме реверса тяги (0 75 = -10°) на скорости V = 0

Рис. 6. То же, что на рис. 5, но V = 8.6 м/с

Рис. 7. То же, что на рис. 5, но V = 21.1 м/с

Рис. 8. Зависимости коэффициентов тяги ав и мощности в изолированного винта от относительной поступи X

на режимах реверса тяги при ф0 75 = 0, -10° и -20°

Рис. 9. Зависимости коэффициентов тяги винта ав и профилированного кольца ак ВКД от относительной поступи X на режимах реверса тяги при ф0 75 = 0, -10° и -20°

Рис. 10. Зависимости коэффициентов тяги аВКД и мощности в ВКД от относительной поступи X на режимах

реверса тяги при ф0 75 = 0, -10° и -20°

Анализ полученных в эксперименте материалов позволил установить следующее. Картина течения на режиме реверса зависит от угла установки лопастей (т. е. от нагруженности мощностью винта) и от скорости потока, набегающего на винт.

При угле установки лопастей ф0 75 = 0 и скорости V =0 внешние сечения лопастей из-за наличия крутки имеют отрицательные углы установки и поэтому картина течения на этом режиме нестационарная. На отдельных кадрах видно, что поток по всей плоскости изолированного винта направлен в сторону создания положительной тяги. Это хорошо согласуется с результатами весовых измерений, коэффициент тяги при относительной поступи X = 0 (V =0) положителен (рис. 8). В то же время на других кадрах, сделанных на этом же режиме, на внешних радиусах винта имеет место обратное вихревое течение.

При наличии поступательной скорости V > 15.2 м/с (Х>0.26) воздушный винт при Ф075 = 0 работает как тормоз, струя за ним расширяется, а коэффициент тяги становится отрицательным. Такая картина течения сохраняется во всем исследованном диапазоне скоростей.

При отрицательном угле установки лопастей Ф075 =-10° при работе на месте (V =0) (см. рис. 2) течение около винта направлено вперед и движитель создает отрицательную тягу.

В диапазоне скоростей V = 0 +12 м/с происходит перестройка обтекания. Этот процесс является нестационарным, о чем свидетельствуют, в частности, кадры, снятые при V = 10.1 м/с (см. рис. 3). Видно, что от взаимодействия струи винта с набегающим потоком периодически возникают кольцевые вихри.

Затем при скорости V ~ 12 м/с имеет место вихревое обтекание воздушного винта, когда струя от винта встречным потоком отбрасывается назад и затем вновь засасывается винтом (см. рис. 4). Такой характер течения сохраняется далее во всем исследованном диапазоне скоростей.

При большем отрицательном угле установки лопастей Ф0 75 = -20° картина течения принципиально не отличается от той, которая имеет место при Ф0 75 = -10°. Однако в этом случае перестройка обтекания наступает при большей скорости (V ~ 15.5 м/с). При этом сразу же после перестройки обтекания поток из винта «пересиливает» набегающий поток.

Сопоставление схем обтекания одного и того же воздушного винта в кольце и без кольца показывает, что принципиальное отличие имеет место при скорости V =0 и близкой к ней. При работе на месте (V =0) (см. рис. 5) течение около ВКД имеет весьма сложную картину. Внешние сечения лопастей отбрасывают воздух вперед, а затем этот закрученный поток вновь засасывается в профилированное кольцо. (На схеме течения из-за сложности изображения закрутка потока не отображена.) В результате перед кольцом возникает тороидальный вихрь. В этом случае воздух в профилированное кольцо поступает также и через выходное сечение.

При наличии небольшой скорости V (при Ф0 75 = -10° величина V =8.6 м/с) происходит перестройка обтекания. Около ВКД возникает вихревое течение, направление которого противоположно направлению вращения тороидального вихря (см. рис. 6). Это явление сопровождается акустическим эффектом (хлопком).

По мере увеличения скорости V встречное течение из кольца усиливается и, наконец, при некоторой скорости (при Ф075 = -10° величина V =21.1 м/с) наступает момент, когда набегающий на ВКД поток уже не попадает в кольцо через переднее сечение. В этом случае ВКД обтекается как тело без протока (см. рис. 7).

При большем отрицательном угле установки лопастей Ф0 75 = -20° картина течения около ВКД принципиально не отличается от той, которая имеет место при Ф075 = -10°. Однако перестройка обтекания наступает в этом случае при большей скорости, при этом уже сразу после перестройки обтекания поток из кольца «пересиливает» набегающий поток.

В точном соответствии с картиной течения коэффициент тяги винта, работающего в профилированном кольце ав при Ф075 = 0 и X = 0 (V =0), оказался положительным (см. рис. 9). Следует отметить, что при всех исследованных углах установки лопастей коэффициент тяги кольца ак при малых скоростях обтекания также оказывается положительным, хотя при Ф0 75 = -10° и -20° обтекание внутренней поверхности носовой части кольца имеет противоположное направление.

Положительная тяга на кольце на режимах реверса обусловлена подсасывающей силой на его передней части, возникающей за счет обдува ее струей от винта.

Различие в обтекании свидетельствует о существенном отличии полей скоростей в плоскости вращения винта на режиме реверса при работе винта в кольце и без кольца.

В то же время сравнение коэффициентов тяги а и мощности в изолированного винта и винта в кольце при ф0 75 = const показывает, что значения коэффициентов в в рассматриваемых случаях практически совпадают, а значения коэффициентов а существенно различаются только при Фо 75 = 0, тогда как при больших отрицательных углах установки лопастей они близки между собой. Для лучшего понимания работы движителя на режиме реверса необходимо провести исследование полей скоростей внутри профилированного кольца.

Обращает на себя внимание то, что картина течения при малых скоростях потока изменяется весьма динамично, тогда как весовые характеристики и изолированного винта, и ВКД при этом изменяются достаточно монотонно, что может быть обусловлено инерционностью используемой измерительной системы. В проведенном эксперименте тяга и момент на валу винта измерялись тензовесами винтового прибора ВП-107, а тяга профилированного кольца тензовесами, встроенными в пилоны, на которых крепилось кольцо к корпусу винтового прибора. В связи этим целесообразно рассмотреть возможность измерения мгновенных значений аэродинамических сил на винте и ВКД, так как это может оказать существенное влияние на прочность движителя, а также на работу механизма изменения шага винта.

Необходимо продолжить применение методов визуализации течения около воздушных винтов и ВКД, в том числе и с использованием ускоренной киносъемки, поскольку это позволит получить новые знания, в частности на режимах косой обдувки.

Рукопись поступила 20/III2008 г.