SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

Transkrypt

1 SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA Airflow Simulations and Load Calculations of the Rigide with their Influence on Rotor Working Katarzyna Falkowicz - Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny

2 Niniejsza prezentacja poświęcona jest głównie: koncepcji polegającej na wprowadzeniu w śmigle wytwarzającym ciąg wzdłuż kadłuba, mającym sztywne oraz sztywno mocowane łopaty, sterowania o zmiennym skoku okresowym, analizie opływu i rozkładu pola prędkości indukowanej w zawisie przy ciągu zerowym i pełnej antysymetrii obciążenia momentem gnącym głowicę na niskich wysokościach, pokazaniu propozycji rozwiązania numerycznego (modelu obliczeniowego) uzyskanego z wykorzystaniem programu Ansys Fluent, wykorzystaniu metody VBM, która łączy (przy znacznych uproszczeniach wyznaczania obciążeń) oba modele: wyznaczanie obciążeń (OBCWN) i opływ (FLUENT), Zaprezentowaniu wyników obliczeń symulacyjnych.

3 Przykłady rozwiązań śmigieł reakcyjnych wybranych śmigłowców Widok na śmigło ogonowe w konfiguracji pchającej śmigłowca S-61 F Śmigłowiec Sikorsky X2 Widok na klasyczne i pchające śmigło ogonowe Śmigłowca AH-56 Cheyenne Śmigłowiec Piasecki X-49 Speedhawk

4 Wykorzystane metody obliczeniowe 1. W obliczeniach przepływów powietrza przez dysk śmigła ogonowego wykorzystano oprogramowanie - ANSYS FLUENT, które służy do analizy pola przepływu metodą objętości skończonych i które bazuje na rozwiązaniu równań: - pędu Naviera-Stokesa, - zachowania masy, - zachowania energii. 2. W obliczeniach dotyczących obciążeń wirnika wykorzystano program OBCWN (Obciążeń Wirnika Nośnego) bazujący na metodzie Galerkina.

5 Wykorzystanie pakietu Fluent do obliczeń przepływu przez powierzchnię aktywnego dysku Geometria śmigła ogonowego wykorzystywana w obliczeniach Zaletą modelu jest możliwość nadania wirnikowi charakterystycznych mu cech.

6 Model bezprzegubowego śmigła ogonowego Model geometryczny: Geometria łopaty oraz jej dane aerodynamiczne, sztywnościowe, masowe przyjęto jak dla śmigła ogonowego śmigłowca PZL W-3 Sokół Promień śmigła R=1,5 m Promień nieczynny r = 0,5 m Szerokość łopaty b = 250 mm Częstość obrotów n = 1337 obr/min Aby spełnić warunek śmigła bezprzegubowego łopata została utwierdzona w piaście, a sztywność łopaty w płaszczyźnie ciągu została zwiększona tak aby częstości drgań własnych łopaty zbliżone były do częstości drgań łopat bezprzegubowych wirników nośnych /ze sztywnymi łopatami tak jak wśmigłowcu ABC Sikorsky X2/

7 Siatki do obliczeń według MES rozpatrywanego zagadnienia a) b) model śmigła ogonowego siatka obliczeniowa a) b) model przestrzeni otaczającej śmigło ogonowe schemat siatki obliczeniowej

8 Wyniki obliczeń opływu śmigła ogonowego Opływ przykładowego śmigła w układzie 2D. Opływśmigła w układzie 3D.

9 Wyniki obliczeń opływu śmigła ogonowego Opływ śmigła ogonowego od dołu wirnika przy prędkości napływu powietrza 5 m/s Opływ śmigła ogonowego w bok przy prędkości napływu powietrza 5 m/s

10 Wyniki symulacji przepływu przez dysk śmigła ogonowego z pełną antysymetrią (13s) ujęcie filmowe

11 Wyniki symulacji przepływu przez dysk śmigła ogonowego z pełną antysymetrią (20s) ujęcie filmowe

12 Wyniki obliczeń symulacyjnych a) b) moment gnacy nasade lopaty Mc [Nm] Obciążenia segmentów łopaty momentem gnącym w funkcji promienia azymut lopaty [deg] Obciążenia segmentów łopaty momentem gnącym w funkcji azymutu a) b) ugiecie konca lopaty z [m] azymut lopaty [deg] Odkształcenia segmentów łopaty w funkcji promienia Odkształcenia segmentów łopaty w funkcji azymutu

13 Wyniki obliczeń symulacyjnych skrecenie konca lopaty fi [deg] Obciążenia segmentów łopaty momentem skręcającym w funkcji promienia azymut lopaty [deg] Obciążenia segmentów łopaty momentem skręcającym w funkcji azymutu 8.00 kat natarcia konca lopaty alfa [deg] Zmiany kąta natarcia segmentów łopaty w funkcji promienia azymut lopaty [deg] Zmiany kąta natarcia segmentów łopaty w funkcji azymutu

14 Wyniki obliczeń Wpływ liczby łopat na zdolność wytwarzania momentu sterowania kierunkowego

15 Dyskusja otrzymanych wyników 1. Jak wynika z przeprowadzonych analiz w przypadku 2D nie jest możliwe uzyskanie spodziewanego momentu sterującego, ponieważ obszar indukowany kształtuje się w postaci pierścienia. Zwiększenie skoku ciśnienia spowoduje tylko przyspieszenie przepływu w utworzonym pierścieniu dlatego też sterowanie momentem nie jest możliwe. 2. W opływie 3D natomiast utworzył się przepływ w kierunku osi obrotu śmigła gdzie powietrze zostaje zasysane z całej przestrzeni wokół niego. Dlatego w tym przypadku ukształtowane oddzielne strugi dają możliwość wytworzenia momentu przy zerowym ciągu, a także sterowania nim. 3. W przypadku od dołu wirnika widać, że nie zasysają się jeszcze strugi przez stronę z podciśnieniem, a prędkość styczna do płaszczyzny obrotów wynosi 5 m/s przy max prędkości indukowanej ~ 15 m/s. 4. Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć wpływ liczby łopat na zdolność wytwarzania momentu sterowania kierunkowego.

16 Podsumowanie 1. Pierwsze próby analiz 2D nie nastrajały optymistycznie dopiero rozwiązanie 3D potwierdziło możliwość poprawnego rozwiązania tej koncepcji sterowania. 2. Śmigło o zmiennym skoku okresowym mogłoby być zastosowane w wiatrakowcach i na ultralekkich śmigłowcach. Rozwiązaniezanie takie posiadałoby szereg zalet skłaniających do dalszego rozwoju podobnych konstrukcji. Można by jednocześnie wykorzystać zalety układów ze śmigłem pchającym. 3. W celu weryfikacji i uściślenia modelu symulacyjnego należałoby dodatkowo wykonać badania doświadczalne na specjalnie do tego skonstruowanym stanowisku pomiarowo-badawczym.

17 Dziękuję za uwagę