3.4.4. Определение окружной скорости несущего винта

Величина окружной скорости ( ‒ угловая скорость) несущего винта (НВ) существенно влияет на ЛТХ вертолета. Как и для самолета, вертолета в горизонтальном полете ограничена располагаемой мощностью силовой установки. Однако для вертолета максимальная скорость полета ограничивается также влиянием сжимаемости воздуха на наступающей и срывом потока на отступающей лопастях.

Окружную скорость концов НВ у современных вертолетов выбирают из условия, чтобы несущий винт на режиме висения имел достаточно высокий КПД ₀ (₀ = 0,72…0,77), а на максимальной скорости полета не было бы срыва потока на отступающей (идущей с набегающим потоком) лопасти и явлений сжимаемости на наступающей, идущей против потока, лопасти.

Окружная скорость концов НВ у современных легких вертолетов принимается равной = 180…205 м/с [28, 36, 93]. Представляют практический интерес НВ легких вертолетов с = 210…215 м/с.

Следует учитывать [28], что:

– двигатели силовых установок вертолетов не обеспечивают необходимой мощности при изменении оборотов в широких пределах;

– современные трансмиссии не дают переменной редукции;

– силу тяги НВ целесообразно повышать посредством увеличения шага ₀ НВ при уменьшении числа его оборотов до их минимально допустимой величины.

Минимально допустимая частота вращения НВ в полете на всех режимах ограничивается обеспечением:

– запаса по срыву потока с лопасти при полете на скорости ;

– запаса путевого управления на взлетно-посадочных режимах и продольно-поперечного управления при полете по маршруту;

– прочности главного редуктора по крутящему моменту НВ;

– запаса кинетической энергии вращения НВ для возможного перехода на режим самовращения;

– функционирования генераторов переменного тока и всей системы электроснабжения вертолета.

Максимально допустимая частота вращения НВ в полете на всех режимах ограничивается условиями:

– обеспечения прочности главного редуктора, втулки НВ, автомата перекоса и лопастей по центробежным силам;

– предотвращения волнового кризиса на конце наступающих лопастей НВ при полете вертолета на больших высотах и скоростях;

– обеспечения достаточного запаса по флаттеру лопастей НВ;

– предотвращения резкого возрастания уровня вибраций и переменных напряжений в лопастях НВ в связи с нестационарностью характера развития волнового кризиса;

– предотвращения возникновения (усиления) тряски вертолета;

– исключения срабатывания защиты свободной турбины от раскрутки, т.е. самопроизвольного выключения двигателей в полете;

– начала резкого увеличения мощности, потребной для вращения несущего винта.

Мерой оценки влияния срыва потока на НВ является величина С_Т / ‑ отношение коэффициента силы тяги НВ к коэффициенту заполнения, которое определяет средний по диску винта коэффициент подъемной силы лопасти . Для прямоугольной в плане лопасти

. (3.11)

Предельная величина С_Т / на азимуте  = 270º, определяемая по срыву потока при полете вертолета вперед, зависит от характеристики режима работы несущего винта μ (рис. 3.4) [ 28 ]:

, (3.12)

где ‒ угол атаки плоскости диска НВ ( – положительный при наклоне диска НВ вперед). В горизонтальном полете, когда мал:

. (3.12а)

Увеличение , усиливая неравномерность углов атаки по диску НВ, приводит к срыву потока на отступающей лопасти и уменьшению величины С_Т /. Срыв потока сопровождается нарастанием вибраций и нагрузок на винт и систему управления в результате больших переменных составляющих шарнирных моментов лопастей, периодически попадающих в срыв. Поэтому срыв потока на отступающей лопасти часто является главным фактором, ограничивающим .

Рис. 3.4. Зависимость от (или )

Мерой оценки влияния сжимаемости потока на характеристики НВ служит число для профиля на конце наступающей лопасти при азимуте  = 90º:

, (3.13)

где — скорость звука в воздухе.

Влияние сжимаемости на характеристики вертолета количественно можно определить по данным работ [28, 34, 36, 60, 93].

Для скоростного профиля при увеличение потребной мощности составляет 15...18%; при ‑ 30%. ‑ критическое значение, при достижении которого местная скорость обтекания хотя бы в одной точке на поверхности профиля становится равной скорости звука, = 0,78…0,82 ‒ для типовых профилей лопасти НВ. На современных скоростных вертолетах величина < 0,92...0,95 (исключение составляет вертолет Westland G-Lynx, у которого = 0,97). При влияние сжимаемости потока воздуха незначительно.

Для уменьшения вредного влияния сжимаемости при полете на в концевых сечениях лопастей применяют симметричные профили малой относительной толщины ( = 6...8%), а также специальные законцовки лопастей НВ (см. рис. 3.3).

Следует помнить, что большее значение числа оборотов НВ ограничено сжимаемостью воздуха на азимуте  = 90º, а малое – срывом потока на азимуте  = 270º.

Решая уравнения (3.12) и (3.13) относительно и , получим

; (3.14)

. (3.15)

Используя выражения (3.14) и (3.15), при заданном и выбираемом профиле можно найти и μ, а также построить диаграмму , а по ней определить и μ (рис. 3.5).

Ограничение по сжимаемости

Ограничение по срыву

Рис. 3.5. Диаграмма зависимости от V при и (= const)

Приведенные рекомендации и статистические данные позволяют обоснованно определить окружную скорость НВ. Например, для = 0,85 и = 250 км/ч получим = 214 м/с и μ = 0,32.

Для каждого значения окружной скорости конца лопасти существует наивыгоднейшее заполнение НВ, при котором значение относительного (вентиляторного) коэффициента полезного действия винта на режиме висения вертолета (в отсутствие ограничивающих поверхностей) максимально [63].

По выбранной величине ωR определяют частоту вращения НВ:

. (3.16)