Цель работы. Расчет и анализ влияния закона изменения хорды на газодинамические параметры биротативного толкающего винтовентилятора. Произведен расчет интегральных характеристик биротативного винтовентилятора. Расчет программы управления углами установки при различных скоростях полета.
Ключевые слова: парусность, угол установки, вынос центра масс, тяговая характеристика, изменение хорды, расчет
Основная задача аэродинамических расчетов при проектировании лопастей винтовентиляторов — это поиск оптимальных параметров течения газа в межлопаточном канале. На данный момент CAE-технологии предоставляют простые методы расчета в области проектирования, охватывающие широкий круг задач теплофизического моделирования, в которых тепловые процессы протекают одновременно с другими процессами. Данная технология позволяет рассчитывать геометрически сложные объекты при изменяемых граничных условиях, а также позволяет учесть влияние объектов, входящих в граничные условия задачи, друг на друга.
Особенностью выбранного метода расчета является ускорение процесса проектирования и доводки профилей с целью получения требуемой эффективности и экономичности винтовентилятора (ВВ). Основой для решения поставленной задачи является геометрическая модель. Данная модель представляет собой биротативный восьмилопастной толкающий винтовентилятор с имитацией внешнего обтекателя двигателя. Модель состоит из подвижных частей и стационарной. Профили, используемые для моделирования лопастей, были предварительно рассчитаны и построены с использованием методов проектирования лопаточных машин.
В данной работе был проведен анализ влияния закона изменения хорды по высоте и выноса центра масс на аэродинамические характеристики винтовентилятора. Рассматриваемые вариант изменения хорды:
1) Парусность = 1
2) Парусность = 1,2
3) Парусность = 0,42
4) Парусность = 0,42 с выносом ц.м
Трехмерные модели рассчитываемых вариантов показаны на рисунке 1
Рис. 1. Трехмерный вид различных исполнений ВВ: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Исследование производится на режиме крейсерского полета (
Рис. 2. Суммарная тяга различных исполнений ВВ: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Исходя из полученных результатов можно сказать, что лучшим по данному параметру является вариант с парусностью 1,2, превышающий второй по эффективности вариант с парусность 1 на 3,38 %. Можно отметить снижение суммарной тяги при уменьшении концевой хорды лопасти вв. Однако, вынос центра масс благоприятно сказывается на суммарной тяге. Так же был произведен анализ общей эффективности лопастей ВВ, показанный на рисунке 3.
Рис. 3. Суммарная эффективность различных исполнений ВВ: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Также получены картины течения на характерных сечениях лопасти ВВ на рисунках 4–6.
Рис. 4. Относительные числа Маха на втулочным диаметре: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Рис. 5. Относительные числа Маха на среднем сечение: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Рис. 6. Относительные числа Маха на концевом диаметре: 1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М
Закон изменения хорды так же повлиял и на эффективность различных исполнений лопастей вв. Эффективность варианта 4 с выносом центра масс является наиболее предпочтительным среди всех исполнений. Так же у данного варианта наименее выраженные присоединенные скачки уплотнения и отсутствие прямых скачков на передней кромке лопасти первого и второго рядов вв. Варианты 1 и 2 показали приблизительно одинаковые значения эффективности, но более широкая концевая часть лопасти при сверхзвуковых числах Маха приводит к снижению эффективности винта из-за влияния волновых потерь.
Рис. 7. Эффективность каждого ряда при различных исполнениях ВВ
(1 — Парусность =1; 2 — Парусность = 1,2; 3 — Парусность =0,42; 4 — Парусность =0,42 с выносом Ц.М)
Эффективность отдельно первого ряда достигается при парусности, равной 0,42, но без выноса центров масс второй ряд значительно прогревает в эффективности всем трем вариантам. В значительной степени на эффективность оказывает влияние прямые и косые скачки, находящиеся на лопастях вв. В зависимости от варианта исполнения лопасти, меняется интенсивность прямых и косых скачков, наиболее интенсивный прямой скачек наблюдается на передней кромке варианта 3 с парусностью 0,42. Благоприятное протекание наблюдается у варианта 4 с парусностью 0,42 и выносом центров масс сечения, обеспечивающий минимальные потери эффективности.
Расчет аэродинамической характеристики ВВ
Проведем расчет тяговой характеристики проектируемого винтовентилятора при крейсерской частоте вращения винтов
Рис. 8. Зависимость изменения тяги от скорости набегающего потока для двурядного ВВ
Рис. 9. Зависимость КПД от скорости набегающего потока для двурядного ВВ
Результаты расчета говорят о том, что для максимизации КПД следует выбирать скорости в диапазоне 180…210 м/с. При скоростях более 210 м/с наблюдается резкое падение тяги и КПД. Максимальная тяга достигается на скорости 150 м/с.
На рисунках 10–12 показаны картины течения в межлопаточном канале.
Рис. 10. Скорости в межлопаточном канале на втулочном радиусе при изменениях скоростей от 65 до 230 м/с
Рис. 11. Скорости в межлопаточном канале на среднем радиусе при изменениях скоростей от 65 до 230 м/с
Рис. 12. Скорости в межлопаточном канале на концевом радиусе при изменениях скоростей от 65 до 230 м/с
При скорости набегающего потока ниже 180 м/с появляется срывы потока воздуха со спинки первого и второго РК на периферии винта. Постепенно с понижением скорости опускаясь к втулке.
На скорости 230 м/с образуется прямой скачок уплотнения на передней кромке первого и второго ряда вв. Также наблюдается срыв потока с корытца винта.
ВВ не обеспечивает требуемые значения эффективности при различных скоростях полета, поэтому требуется произвести расчет аэродинамических характеристик при различных углах установки лопастей с целью выбора оптимальных углов установки на различных скоростях.
Расчет аэродинамических характеристики ВВ с разными углами установки лопастей
Так как ВВ при своих «крейсерских» углах установки не в состоянии обеспечивать высокие значение КПД при различных скоростях полета, было принято решение о необходимости расчета «программы управления» вв. Наличие механизма переменного шага лопастей позволяет конструктору оптимизировать скорость вращения для заданной тяги и рабочих условий в пределах механических ограничений для ВВ, а также силовой турбины. Также позволяет более гибко управлять двигателем совместно с регулятором постоянства оборотов тем самым, не ухудшая условия работы турбины под требуемы условия полета. Как говорилось выше, изменяя аэродинамические характеристики можно оптимизировать не только рабочие характеристики, но и акустическое влияние вв.
Были рассчитаны характеристики винта при различных скоростях набегающего потока и разных углах установки. На рисунках 13–14 показаны графики характеристик винта при разных углах установки вв. Исходные углы установки лопастей γ 1вв =70,5̊ и γ 2вв =63,5̊, далее углы установки определяются через Δγ для первого и второго ряда.
Рис. 13. Суммарная аэродинамическая характеристика ВВ
Рис. 14. Характеристика изменения эффективности от скорости набегающего потока
При различных углах установки наблюдаются свои максимумы эффективности вв. Также наблюдается нулевые значения эффективности при больших скоростях набегающего потока. При изменении угла установки меняется характер изменения тяги от скорости. На больших углах установки имеется характерный экстремум, далее уменьшая угол установки экстремум пропадает так и уменьшается максимальное значение тяги.
С уменьшением угла установки винта значения тяги уменьшаются до некоторого предела, т. е. уменьшая угол установки винта мы уменьшаем его степень повышения давления, что влечет за собой снижение тяги лопастей вв.
КПД винта при уменьшении угла установки несколько уменьшается, и имеется нулевое значение будет при больших скоростях набегающего потока т. к. винт не в состоянии создать требуемую разность скоростей набегающего и выходящего из вв. При малых углах установки винтов КПД сравнительно не велик, с увеличением угла установки его эффективность увеличивается до предельного значения и далее несколько снижается. [1]
Предлагаемая программа углов установки ВВ при постоянной частоте вращения n вв =1280 об/мин. Которая обеспечивает близкие к максимальным значениям эффективности и лучшее протекание характеристик в межлопаточном канале в основном диапазоне работы двигателя на рисунке 15.
Рис. 15. Предлагаемые углы установки ВВ от скорости набегающего потока
Выигрыш по эффективности с использованием предложенной программы управления на минимальных скоростях составляет ~9,8 % (c 69,4 % до 79,2 %), на максимальных скоростях ~12,7 % (c 71,3 % до 84 %).
Заключение
Используя настоящую методику расчета аэродинамических параметров ВВ, был произведен анализ влияния изменения хорды по высоте лопатки, а также влияние выноса центра масс сечений. Результатом расчетов является изменение характера течения в межлопаточном канале в зависимости от варианта исполнения. Выгодным в плане эффективности, при этом не значительно проигрывая в тяги, является вариант 4 с парусностью меньшей единицы и выносом центров масс является, а вариант 3 с парусностью меньше единицы наихудшим вариантом среди всех предложенных. Тем самым можно сказать, что применение лопастей с выносом центров масс и парусностью меньше единицы целесообразно при проектировании биротативных винтовентиляторов.
Рассчитана тяговая характеристика ВВ на крейсерской частоте вращения, выявлены области пониженного КПД. Предложена программа управления углами установки лопаток ВВ для повышения КПД и расширения диапазона устойчивой работы. Повышение КПД при минимальной скорости потока на входе составило 10 % (с 69 % до 79 %), на максимальной скорости — 13 % (с 71 % до 84 %).
Литература:
- Александров В. Л. Воздушные винты. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1951;
