Расчет тяги и мощности быстромашущих движителей летательных аппаратов, функционирующих в режиме висения

Расчет проведен по формулам (5.1) - (5.19) при следующих данных:

Я - длины лопастей крыльев..............................2 м и 0,3 м;

ср - размах угла махового движения крыла.....................120°;

Ф - угол наклона плоскости маховых движений крыльев......45°;

кг к„ с - коэффициенты, значения которых аналогичны для летательного аппарата и аэробионтов.

Введены следующие обозначения:

/ - частота маховых движений крыльев;

Ук - средняя окружная скорость концевого элемента крыла;

V - средняя импульсная индуктивная скорость потока;

тс - секундная масса воздуха, протекающего через вентилируемый объем;

Р. - средняя импульсная тяга в фазе махово-супинационного движения крыльев;

Р> - средняя эквивалентная тяга за период маховых движений;

М - масса летательного аппарата, вес которого уравновешивается тягой движителя;

N — импульсная мощность, непосредственно затрачиваемая на создание тяги в фазе махово-супинационного движения крыльев (без учета коэффициента полезного действия движителя);

р - удельная нагрузка импульсной тяги на ометаемую крыльями площадь в фазе махово-супинационного движения р ;

ры - удельная нагрузка импульсной тяги на импульсную мощность в фазе махово-супинационного движения крыльев = ТуТУ..

Основными параметрами, определяющими тягу, мощность и удельные нагрузки, являются: длина, удлинение и форма крыла, а также частота маховых движений и коэффициенты ]У, с .

Результаты вычислений представлены в виде графиков, рис. 5.5. - 5.8, рис. 5.9, 5.10, а также в таблицах 5.1 и 5.2.

Основные закономерности изменения рассмотренных параметров для летательного аппарата свидетельствуют об уменьшении потребной мощности с увеличением частоты маховых движений и уменьшением коэффициента индуктивной скорости с . Так, при длине лопасти крыла 2 м, с. =0,75,/= 12 Гц потребная мощность равна 889 кВт, в то время как при с. =0,25 и частоте /= 20 Гц эта мощность N. - 457 кВт {табл. 5.1). Однако следует помнить, что в данном случае речь идёт о мощности, потребной для обеспечения расчётных параметров воздушного потока, а не движителя. Для справки: коэффициент полезного действия движителя колибри равен 0,4 [Александер, 1970, с. 254]. Поэтому мощность двигателя летательного аппарата для обеспечения возможности активного маневрирования, как и природного аналога, должна быть увеличена, как минимум, в 3-4 раза.

0 5 10 15 20 25 /’Гц

Рис. 5.5. Зависимость импульсной тяги движителя в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений

крыльев / при длине лопасти крыла 2 м

Зависимость потребной импульсной мощности в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений

Рис. 5.6. Зависимость потребной импульсной мощности в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений

крыльев f при длине лопасти крыла 2 м

0 5 10 15 20 25 ^Гц

Рис. 5.7. Зависимость удельной нагрузки тяги на ометаемую площадь от коэффициента индуктивной скорости с и частоты маховых движений

крыльев / при длине лопасти крыла 2 м

Зависимость удельной нагрузки на потребную импульсную мощность в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с и частоты маховых движений крыльев / при длине лопасти крыла 2 м

Рис. 5.8. Зависимость удельной нагрузки на потребную импульсную мощность в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с и частоты маховых движений крыльев / при длине лопасти крыла 2 м

Таблица 5.1

Зависимость основных параметров движителя от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений крыльев/для контрольной массы М при длине лопасти крыла 2 м (режим - висение)

п/п

Параметры

Коэффициент индуктивной скорости С1

1

0,75

0,5

0,25

1

/ Гц

10

12

14

20

2

Ук > м/с

66.7

80

93.3

133.3

3

V, м/с

1 1

66.7

60

46.7

33.3

4

т , кг

с 9

205.8

246.9

288

411.6

5

Угн

1.37-104

1.48 -104

1.35 -104

1.37 -104

6

г, н

э 7

6.09 -10*

6.58 103

5.97 -103

6.09 • 103

7

М, кг

622

671

609

621.6

8

N., кВт

1 7

915

889

628

457

9

Р „, Н/м2

2.31 -103

2.49-103

2.26-103

2.31 -103

10

Ру, Н/кВт

15

16.67

21.43

30

С увеличением частоты маховых движений по квадратичному закону увеличивается тяга движителя (точки а, б, в и а , б', в' на рис. 5.5), а мощность - по кубическому закону, рис. 5.6.

11оказательны графики расчетных удельных нафузок импульсной тяги на ометаемую площадь и на потребную импульсную мощность, изображенные на рис. 5.7 и 5.8.

Информация для сравнения с другими движителями по первому параметру. Удельная нагрузка на ометаемую несущим винтом площадь равна [Курочкин Ф„ 1977]:

  • - 500-1000 Н/м2 - для легконагруженных винтов;
  • - 1500-4500 Н/м2 - для средне- и тяжелонагруженных винтов.
  • 11ри этом окружная скорость концевого элемента лопасти несущего вин га многих эксплуатируемых вертолетов не превышает 220 м/с [Ромасевич В.Ф., 1980] в связи с приближением волнового кризиса на концевых сечениях наступающих лопастей.

Место рассматриваемого движителя среди других движителей может быть определено по второму удельному параметру - удельной нафузке импульсной тяги на потребную импульсную мощность.

Известный график зависимости этого параметра от скорости струи для различных типов движителей изображен на рис. 5.9 [Хафер К., 1985].

Зависимость импульсной тяги движителя в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений

Рис. 5.9. Зависимость импульсной тяги движителя в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений

крыльев / при длине лопасти крыла 0,3 м

Зависимость потребной импульсной мощности в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений крыльев / при длине лопасти крыла 0,3 м

Рис. 5.10. Зависимость потребной импульсной мощности в режиме висения от коэффициента индуктивной скорости с. и частоты маховых движений крыльев / при длине лопасти крыла 0,3 м

Таблица 5.2

Зависимость основных параметров движителя от коэффициента индуктивной скорости с и частоты маховых движений крыльев/для контрольной массы М при длине лопасти крыла 0,3 м (режим - висение)

пп

Параметры

Коэффициент индуктивной скорости с.

0.75

0.5

0.25

1

Г Гц

13

16

23

2

V., м/с

13

16

23

3

V., м/с

9.75

8

5.74

4

т , кг/с

С 9

0.9

1.11

1.6

5

8.8

8.9

9.2

6

и

3.9

3.9

4.1

7

М, кг

0.4

0.4

0.42

8

N.. Вт

1

85.8

71.1

52.8

Из сравнения параметров быстромашущего движителя с подобными параметрами других движителей на основании табл. 5.1, 5.2 и графика на рис. 5.11 может быть сделан вывод, что по основным параметрам - индуктивной скорости отбрасывания воздуха, удельной нагрузке на ометаемую площадь и удельной тяге (отношению тяги к мощности) - быстромашущий движитель занимает промежуточное положение между несущим винтом вертолета и реактивными подъемными и подъемно-маршевыми двигателями, приближаясь к тяжелонагруженным воздушным винтам. Эта особенность быстромашущих движителей открывает возможность создания в будущем летательных аппаратов, более экономичных на режимах висения, вертикального взлета и посадки, чем реактивные СВВП, и более скоростных в горизонтальном полете по сравнению с вертолетами.

лет

Зависимость отношения тяги к мощности от скорости струи для различных типов двигателей [Хафе

Рис. 5.11. Зависимость отношения тяги к мощности от скорости струи для различных типов двигателей [Хафер К., 1985]; 1 - вертолетный несущий винт; 2 - поворотный несущий винт; 3 - поворотный винтовой двигатель; 4 - вентилятор; 5 - двухконтурный двигатель; 6 - одноконтурный двигатель; 7 - турбореактивный двигатель с форсажной камерой; 8 - ракетный двигатель.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >