Symulacyjne określenie obciążeń wirnika nośnego śmigłowca z indywidualnym Sterowaniem kąta nastawienia łopat w warunkach lotu ustalonego



Podobne dokumenty
Dokument Obliczeniowo-Analityczny

MODELOWANIE PIONOWYCH DRGAŃ ŁOPAT ŚMIGŁOWCA W SYSTEMIE CATIA V5

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

Projektowanie Aerodynamiczne Wirnika Autorotacyjnego

MODELOWANIE ZJAWISKA INTERFERENCJI AERODYNAMICZNEJ OPŁYWU ŚMIGŁOWCA Z WYKORZYSTANIEM OPROGRAMOWANIA FLUENT

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

Mechanika lotu. TEMAT: Parametry aerodynamiczne skrzydła samolotu PZL Orlik. Anna Kaszczyszyn

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

BADANIA SYMULACYJNE FLATTERU ŁOPAT ŚMIGŁOWCA

Mechanika teoretyczna

WIRTUALNE PROTOTYPOWANIE UKŁADU STEROWANIA POCHYLANIA I PRZECHYLANIA ŚMIGŁOWCA JEDNOWIR- NIKOWEGO W UKŁADZIE KLASYCZNYM

SYmULACYjNE OkREśLANiE PARAmETRóW PRzELOTU śmigłowca PONAd PRzESzkOdą

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

BADANIA GRUNTU W APARACIE RC/TS.

Obliczeniowo-Analityczny

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

ANALizA możliwości zwiększenia PRędkOśCi PRzELOTOWEj i zmniejszenia POziOmU hałasu WiATRAkOWCA

PL B1. ANEW INSTITUTE SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Kraków, PL BUP 22/14. ANATOLIY NAUMENKO, Kraków, PL

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

KONCEPCJA WiELOŁOPATOWEGO W PEŁNi PRZEGUBOWEGO WiRNiKA OGONOWEGO DLA ŚMiGŁOWCA LEKKiEGO O MASiE KG

Fizyka I (mechanika), rok akad. 2011/2012 Zadania na ćwiczenia, seria 2

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z PRZEDMIOTU: KONSTRUKCJE BUDOWLANE klasa III Podstawa opracowania: PROGRAM NAUCZANIA DLA ZAWODU TECHNIK BUDOWNICTWA

NIESTABILNOŚĆ HUŚTAWKOWEGO WIRNIKA NOŚNEGO WIATRAKOWCA DZIAŁAJĄCEGO W OPŁYWIE OSIOWYM

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Mechanika i Budowa Maszyn

Płatew dachowa. Kombinacje przypadków obciążeń ustala się na podstawie wzoru. γ Gi G ki ) γ Q Q k. + γ Qi Q ki ψ ( i ) G ki - obciążenia stałe

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

ANALiZA AERODYNAMiCZNA WŁASNOŚCi ŚMiGŁOWCA Z UWZGLĘDNiENiEM NADMUCHU WiRNiKA NOŚNEGO

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

PL B1. POLBUD SPÓŁKA AKCYJNA, Bielsk Podlaski, PL BUP 16/13. BOGUSŁAW GRĄDZKI, Stok, PL WUP 06/16

Rys Przeciągniecie statyczne szybowca

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 5

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Mechanika ogólna Wydział Budownictwa Politechniki Wrocławskiej Strona 1. MECHANIKA OGÓLNA - lista zadań 2016/17

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

ANALiZA OBLiCZENiOWA WŁASNOŚCi AERODYNAMiCZNYCH WiRNiKA NOŚNEGO WiATRAKOWCA W STANiE LOTU USTALONEGO (AUTOROTACJi)

BADANIE STANÓW RÓWNOWAGI UKŁADU MECHANICZNEGO

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Hale o konstrukcji słupowo-ryglowej

Ć w i c z e n i e K 4

Napęd pojęcia podstawowe

Przykład Łuk ze ściągiem, obciążenie styczne. D A

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

PL B1. ŁAZUR ZBIGNIEW, Lublin, PL BUP 09/16. ZBIGNIEW ŁAZUR, Lublin, PL WUP 03/17 RZECZPOSPOLITA POLSKA

Wyznaczanie momentów bezwładności brył sztywnych metodą zawieszenia trójnitkowego

Obsługa programu Soldis

GŁOWICA WIATRAKOWCA IL-28 UMOŻLIWIAJĄCA PIONOWY START

Analiza stanu przemieszczenia oraz wymiarowanie grupy pali

Olga Kopacz, Adam Łodygowski, Krzysztof Tymber, Michał Płotkowiak, Wojciech Pawłowski Poznań 2002/2003 MECHANIKA BUDOWLI 1

Wydział Inżynierii Środowiska; kierunek Inż. Środowiska. Lista 2. do kursu Fizyka. Rok. ak. 2012/13 sem. letni

OSIE ELEKTRYCZNE SERII SHAK GANTRY

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

ANALizA możliwości zastosowania SkOkU CYkLiCzNEgO NA śmigle PChAjąCYm W UkłAdACh WiROPłATóW zespolonych TYPU WiATRAkOWiEC

Wewnętrzny stan bryły

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Wytrzymałość Materiałów

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

Ruch drgający i falowy

a, F Włodzimierz Wolczyński sin wychylenie cos cos prędkość sin sin przyspieszenie sin sin siła współczynnik sprężystości energia potencjalna

Karta (sylabus) przedmiotu Transport Studia I stopnia. Podstawy budowy i lotu statków powietrznych. Język polski

Ścinanie i skręcanie. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

WSPOmAgANiE PROCESU PROjEkTOWANiA ORAz badań STRUkTURY NOWOPROjEkTOWANEj konstrukcji śmigłowca NA POdSTAWiE LEkkiEgO śmigłowca bezpilotowego

METODA SIŁ KRATOWNICA

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Elementy dynamiki mechanizmów

Mgr inż. Wojciech Chajec Pracownia Kompozytów, CNT Mgr inż. Adam Dziubiński Pracownia Aerodynamiki Numerycznej i Mechaniki Lotu, CNT SMIL

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

wiczenie 15 ZGINANIE UKO Wprowadzenie Zginanie płaskie Zginanie uko nie Cel wiczenia Okre lenia podstawowe

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA FLIGHTLAB I FLUENT W PROJEKTOWANIU WIRNIKA NOŚNEGO ŚMIGŁOWCA

SYSTEMY MES W MECHANICE

Sił Si y y w ewnętrzne (1)(1 Mamy my bry r łę y łę mate t r e iralną obc ob iążon ż ą u kła k de d m e si m ł si ł

\"':" 2.1. Wprowadzenie teoretyczne BADANIE DRGAŃ GIĘTNYCH BELKI PRZY WYMUSZENIU BEZWŁADNOŚCIOWYM 17 ( 3 )

5. Indeksy materiałowe

Napęd pojęcia podstawowe

KONCEPCJA I ANALIZA DZIAŁANIA PROJEKTU WIRNIKA NOŚNEGO WSPÓŁOSIOWEGO WSPÓŁBIEŻNEGO NA PRZYKŁADZIE ROZWIĄZANIA DLA ŚMIGŁOWCA IS-2

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Kurs teoretyczny PPL (A) Dlaczego samolot lata?

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Wytrzymałość Materiałów

MECHANIKA I WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW - OBLICZANIE SIŁ WEWNĘTRZNYCH W BELKACH

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Rozwiązania zadań egzaminacyjnych (egzamin poprawkowy) z Mechaniki i Szczególnej Teorii Względności

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Karta (sylabus) przedmiotu Mechanika i Budowa Maszyn Studia II stopnia

Dr inż. Janusz Dębiński

Transkrypt:

Symulacyjne określenie obciążeń wirnika nośnego śmigłowca z indywidualnym Sterowaniem kąta nastawienia łopat w warunkach lotu ustalonego Jarosław Stanisławski Instytut Lotnictwa Streszczenie Przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych zmian obciążeń wirnika śmigłowca w locie ustalonym dla przypadku wprowadzenia dodatkowego indywidualnego sterowania kątem nastawienia łopat. 1. WproWadzenie Głównym źródłem drgań występujących na śmigłowcach są zmienne obciążenia aerodynamiczne i masowe łopat wirnika nośnego. Gwałtowny wzrost poziomu drgań występuje w zakresie dużych prędkości lotu, kiedy na łopacie nacierającej pojawiają się efekty ściśliwości przy wysokich liczbach Ma opływu oraz na azymutach dla łopaty powracającej, gdzie może zaistnieć strefa oderwania przy dużych kątach natarcia. Konwencjonalny układ sterowania kątem nastawienia łopat wirnika z zastosowaniem tarczy sterującej ogranicza możliwości zmiany kąta nastawienia do częstości zgodnej z pierwszą harmoniczną obrotów wirnika i amplitudzie wynikającej z przechylenia oraz pochylenia tarczy sterującej. Zmniejszenie wibracji lub zwiększenie prędkości lotu przy zachowanym umiarkowanym poziomie drgań może być efektem dodatkowego indywidualnego sterowania łopatami wirnika. Poprzez wprowadzenie sterowania indywidualnego (IBC Individual Blade Control) można lokalnie zmienić wartości obciążeń aerodynamicznych unikając przekroczenia krytycznych wartości parametrów opływu dla wybranych położeń azymutalnych łopat. Koncepcję sterowania indywidualnego można realizować poprzez sterowanie siłownikami u nasady łopaty, zmiany kąta wychyleń ruchomych klapek znajdujących się na krawędzi spływu, aktywnego odkształcania integralnej krawędzi spływu łopaty lub aktywnego sterowania odkształceniami skrętnymi łopaty [1]. W Niemczech prowadzone badania nad zastosowaniem sterowania IBC przeszły fazę badań w locie na śmigłowcach Bo-105 oraz EC-145. Wydaje się, że opracowanie nowych konstrukcji śmigłowców o podwyższonych osiągach w porównaniu do obecnie eksploatowanych będzie wymagało wprowadzenia dodatkowego sterowania łopatami. Zastosowanie zmodyfikowanej wersji wcześniejszego oprogramowania symulacyjnego [2], [3], [4] pozwala ocenić skuteczność wprowadzenia dodatkowego sterowania oraz oszacować wymagane zakresy parametrów pracy układu zmiany kąta nastawienia łopat. 132 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

2. Model Wirnika śmigłowca Model wirnika nośnego tworzą łopaty wraz z ramionami głowicy. W algorytmie obliczeniowym zrealizowano analizę wielołopatową, gdzie dla danej chwili czasu wyznaczane są parametry ruchu i obciążenia łopat znajdujących się na różnych azymutach tarczy wirnika. Po zsumowaniu oddziaływań od wszystkich łopat określane jest obciążenie wału wirnika dla tej chwili czasu. Analiza wielołopatowa umożliwia badanie wirników z łopatami o różnych własnościach aerodynamicznych oraz rozkładach mas i sztywności. Rys. 1. Model fizyczny łopaty wirnika nośnego; segment łopaty o długości l i, masie mi oraz masowych momentach bezwładności I xi, I yi, I zi zastąpiono masą skupioną Model łopaty wirnika zdefiniowano przyjmując następujące założenia: ciągły rozkład masy rzeczywistej łopaty zastąpiono układem mas skupionych zaczepionych w środkach ciężkości segmentów łopaty przekroje łopaty z masami skupionymi połączono odcinkami odkształcalnej osi sprężystej, którym przypisano własności sprężyste łopaty masy skupione leżące poza osią sprężystą połączono z nią przy pomocy nieważkich i nieodkształcalnych łączników oś sprężysta łopaty może jednocześnie podlegać skręcaniu oraz zginaniu w płaszczyznach ciągu i obrotów masom skupionym przypisano masowe momenty bezwładności segmentów łopaty łopatę zawieszono przegubowo lub sprężyście względem trzech osi (przeguby poziomy, pionowy i osiowy) uwzględniono sprzężenie kinematyczne wahań i przekręceń łopaty zakłada się doskonałą sztywność wału wirnika nośnego w stanie nieodkształconym oś sprężysta pokrywa się z osią przekręceń łopaty. SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 133

Model matematyczny tworzą równania ruchu odkształcalnej osi sprężystej, które można wyprowadzić wykorzystując równania Lagrange a: gdzie: T - energia kinetyczna układu, U - energia potencjalna układu, q i - współrzędna uogólniona, Q i - siła uogólniona, n - liczba współrzędnych uogólnionych. i = 1,..., n (1) Energia potencjalna osi sprężystej podlegającej zginaniu w dwóch płaszczyznach oraz skręcaniu wynosi: Momenty gnące i skręcające działające w przekrojach osi można wyrazić w zależności od odpowiednich odkształceń - ugięć y, z oraz kąta skręcenia φ: Po podstawieniu wyrażeń (3) do zależności (2) otrzymamy: (2),, (3) Energia kinetyczna osi sprężystej o ciągłym rozkładzie masy wynosi: (4) Po podstawieniu zależności (4) i (5) do równania (1) oraz po wykonaniu działań można uzyskać równania ruchu osi sprężystej w poniższej postaci: (5) (6a) (6b), gdzie: L 0 L I ( d x ) dx dx GJ d X + X dx M S x M S x dx ZEW B dx = ( ( ) ( ) ) 0 0 L (6c) dx osi sprężystej - siły tnące i moment skręcający obciążenia zewnętrznego działające na odcinek - siły bezwładności i skręcający moment sił bezwładności pomniejszone odpowiednio o składniki działające na odcinek dx osi. 134 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

W przypadku wirującej łopaty w równaniach ruchu osi sprężystej należy uwzględnić usztywniający efekt odśrodkowych sił bezwładności. Wydatek odśrodkowych sił bezwładności działający na element dx wirującej, odkształconej osi sprężystej i zmniejszający jej zginanie wynosi: w płaszczyźnie ciągu (7a) w płaszczyźnie obrotów (7b) gdzie: siła odśrodkowa działająca w przekroju położonym w odległości r od osi wału wirnika. Uzupełniając związki (6) o wyrażenia (7) otrzymano równania ruchu osi sprężystej wirującej łopaty: (8a) (8b) (8c) Układ równań (8) opisujący drgania osi o ciągłym rozkładzie mas można rozwiązać metodą Galerkina zgodnie, z którą przyjmuje się, że odkształcenia osi sprężystej y, z, są równe sumie składowych odkształceń pochodzących od uwzględnianych postaci drgań własnych osi: ; ; ; (9a) gdzie: y i1, z i2, φ i3 - uwzględniane postacie drgań własnych odpowiednio giętnych w płaszczyźnie obrotów, giętnych w płaszczyźnie ciągu oraz skrętnych; p i1, δ i2, i3 - zmienne w czasie wagi poszczególnych postaci własnych, których wartości są wyznaczane przy rozwiązywaniu równań ruchu; i1, i2, i3 - liczby uwzględnianych postaci giętnych w płaszczyźnie obrotów, giętnych w płaszczyźnie ciągu oraz skrętnych Podobnie wykorzystując postacie własne można wyznaczyć pochodne po czasie odkształceń osi sprężystej: ; ; (9b) ; ; (9c) SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 135

Po podstawieniu związków (9) do równań (8) i następnie po przemnożeniu kolejno: - równania (8a) przez postać drgań yi10, gdzie i10 = 1,..., I1; - równania (8b) przez postać drgań zi20, gdzie i20 = 1,..., I2; - równania (8c) przez postać drgań i30, gdzie i30 = 1,..., I3 W otrzymanych wyrażeniach pomijane są składniki zawierające te iloczyny postaci własnych, które są równe zeru na podstawie warunku ortogonalności: dla i i0 Po wykorzystaniu warunku ortogonalności postaci własnych każde z równań (8) można przekształcić w układ równań, w którym poszczególne równania opisują ruch drgający ekwiwalentnej struktury o jednym stopniu swobody, przy czym częstość drgań własnych struktury jest równa częstości jednej z uwzględnianych postaci własnych łopaty. Po przekształceniach równania (8) można zapisać w prostszej formie:, i1 = 1,..., I1 (10a), i2 = 1,...,I2 (10b) gdzie:, i3 = 1,...,I3 (10c) - siły uogólnione dla branych pod uwagę postaci własnych. Równania ruchu (10) ekwiwalentnych mas o jednym stopniu swobody można rozwiązać metodą Runge-Kutty. Po wyznaczeniu dla chwili czasu ti + t wartości wag przemieszczeń; prędkości,, oraz przyspieszeń,, dla poszczególnych postaci własnych będzie możliwe określenie według związków (9) wielkości wypadkowych odkształceń osi sprężystej oraz prędkości i przyspieszenia mas skupionych łopaty. Powtórzenie obliczeń dla kolejnych przedziałów czasu t umożliwia symulacyjne wyznaczenie przebiegów czasowych parametrów ruchu oraz sił i momentów działających na poszczególne masy modelu łopaty, a po ich zsumowaniu dla wszystkich łopat można wyznaczyć składowe obciążenia wału wirnika nośnego. Siły aerodynamiczne działające na segment łopaty w danym położeniu azymutalnym na tarczy wirnika są wyznaczane przy wykorzystaniu teorii elementu łopaty. Lokalny kąt natarcia jest zależny od chwilowych warunków opływu profilu łopaty: (11) v Z, v X - składowe pionowa i pozioma opływu profilu łopaty, φ- chwilowy kąt nastawienia elementu łopaty: φ φ o + φ z cos ωt + φ y sin ωt + φ s - + φ IBC, (12) gdzie: φ o - skok ogólny, x, y - skok cykliczny przechylania i pochylania, s - odkształcenie skrętne łopaty w danym przekroju, - współczynnik wahań i przekręceń, - chwilowy kąt wahań łopaty wokół przegubu poziomego, φ IBC chwilowy dodatkowy kąt nastawienia łopaty (przekroju) w wyniku dołączenia sterowania indywidualnego. 136 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

Zmienne w czasie współczynniki aerodynamiczne cx, cz, cm elementu łopaty wyznaczano na podstawie, podanych w formie tabelarycznej, charakterystyk statycznych profili łopaty wirnika zależnych od lokalnych warunków opływu: kąta natarcia i liczby Macha. W trakcie obrotu wirnika przy ciągłych zmianach kąta natarcia i jednoczesnych zmianach liczby Macha na zmniejszenie zmiennych składowych obciążenia wirnika może wpłynąć odpowiednio dobrane dodatkowe indywidualne sterowanie kątem nastawienia łopat. Przyjęto, że funkcja dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat określonajest następująco:, (13) gdzie: φ amp_ib - amplituda kątowych wychyleń dodatkowego sterowania łopaty względem przegubu osiowego, n IBC - harmoniczna częstości kołowej dodatkowego sterowania odniesiona do prędkości obrotowej wirnika, ψ IBC - przesunięcie fazowe dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopaty. W modelu obliczeniowym założono, że realizacja wprowadzenia indywidualnego sterowania będzie następować poprzez popychacze zmian skoku poszczególnych łopat, co odpowiada przekręcaniu całej łopaty w przegubie osiowym o dodatkowy kąt. Indywidualne sterowanie kątem nastawienia może być realizowane w przedziale położeń azymutalnych łopaty odpowiadających wycinkowi obwodu tarczy sterującej lub w zakresie pełnego jej obwodu. Ze względu na sposób przejścia składowych obciążeń wirnika z układu wirującego poprzez głowicę na kadłub śmigłowca (tabela 1) największego wpływu dodatkowego sterowania można oczekiwać przy wprowadzaniu zmian kąta nastawienia z częstościami odpowiadającymi wielokrotności iloczynu liczby łopat wirnika i prędkości obrotowej wału wirnika. Tabela 1. Transformacja składowych obciążeń wirnika przy przejściu na kadłub 3. przykład obliczeniowy W celu sprawdzenia możliwości zmian obciążeń wirnika poprzez wprowadzenie dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat (IBC) wykonano symulacyjne obliczenia w warunkach lotu ustalonego śmigłowca o masie m=7500 kg. Obliczenia przeprowadzono dla pięciołopatowego wirnika przy hipotetycznych rozkładach mas i sztywności łopaty wzdłuż promienia. SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 137

W przykładzie obliczeniowym dla lotu poziomego śmigłowca z prędkością V=250 km/h na wysokości h=2000 m przy temperaturze otoczenia t=22 o C ( t AW +20 o C) przyjęto następujące warunki równowagi: - pochylenie osi wału wirnika względem pionu α wał = - 4,926 o ; - skok ogólny na promieniu 0,7R φ 07 = 13,2455; - pochylenie tarczy sterującej φ y = -1,8553 o (+) dla zadzierania, drążek na siebie ; - przechylenie tarczy sterującej φ x = 0,11 o (+) wychylenie w kierunku azymutu 90 o ; - składowa poziom ciągu T xo = 4830 N; - składowa pionowa ciągu T zo = 74305 N Porównanie uzyskanych wyników dla przypadku sterowania konwencjonalnego oraz wariantów z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem kątem nastawienia łopat przedstawiono w formie tabelarycznej (tabele 2 4) i na rys. 2 15: składowe siły i momenty obciążenia wału wirnika przy sterowaniu zwykłym oraz sterowaniu dodatkowym φ IBC =0,1*sin(5*ω*t+45) rys. 2 7 ; odkształcenia końca łopaty przy sterowaniu zwykłym oraz sterowaniu dodatkowym φ IBC =0,1*sin(5*ω*t+45 o ) rys. 8 10 ; kąty wahań łopaty względem przegubu pionowego i poziomego przy sterowaniu konwencjonalnym oraz sterowaniu dodatkowym φ IBC =0,1*sin(5*ω*t+45 o ) rys. 11 oraz rys. 12; moment sterowania łopaty bez oraz ze sterowaniem dodatkowym φ IBC =0,1*sin(5*ω*t+45 o ) rys. 13; wpływ przykładowych zmian amplitudy i fazy dodatkowego sterowania na ciąg wirnika nośnego rys. 14 i rys. 15. Po wprowadzeniu dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat o postaci φ IBC =0,1*sin(5*ω*t+45 o ), aktywnym dla położeń azymutalnych na całym obwodzie tarczy sterującej uzyskano wyraźny spadek piątej harmonicznej ciągu wirnika (tablica 2), jednocześnie nastąpił wzrost 10 harmonicznej ciągu. Porównanie przebiegów czasowych ciągu wirnika bez sterowania IBC oraz z wprowadzonym dodatkowym przekręcaniem łopat o amplitudzie a IBC =0,1 o pokazano na rys. 2. Pozostałe składowe obciążenia wykazują nieznaczny wzrost w wyniku dołączenia indywidualnego sterowania łopat. Wartości zmniejszenia zmiennej składowej ciągu są bardzo czułe na poprawny dobór amplitudy, jak też przesunięcia fazowego dodatkowego sterowania. Przy amplitudzie a IBC =0,1 o po zmianie przesunięcia fazowego do ψ IBC =51 o uzyskano najmniejszą wartość piątej harmonicznej ciągu wirnika T z5 =109 N, co oznacza redukcję do poziomu około 20% wartości amplitudy T z5 =630 N bez dodatkowego sterowania (tabela 2). Porównanie przebiegów czasowych ciągu wirnika dla przesunięcia fazowego ψ IBC =45o i ψ IBC =51 o przedstawiono na rys. 14. Należy zaznaczyć, że przy niewłaściwym doborze parametrów dodatkowego sterowania, zwiększona amplituda a IBC =0,2 o przy przesunięciu fazowym ψ IBC =51 o otrzymano wzrost wszystkich składowych obciążenia wirnika, w tym piątej harmonicznej ciągu T z5 =966 N. Porównanie przebiegów ciągu dla najlepszego sterowania oraz z amplitudą a IBC =0,2 o pokazano na rys. 15. Tabela 2. Zmiany wartości stałych oraz harmonicznych sił obciążających wał wirnika po wprowadzeniu sterowania dodatkowego 138 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

Tabela 3. Zmiany wartości stałych oraz harmonicznych momentów obciążających wał wirnika po wprowadzeniu sterowania dodatkowego Tabela 4. Zmiany wartości stałych oraz harmonicznych momentu sterowania łopaty po wprowadzeniu sterowania dodatkowego Rys. 2. Porównanie zmian ciągu wirnika nośnego śmigłowca w locie poziomym z prędkością V=250 km/h przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC; φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 139

Rys. 3. Porównanie zmian siły podłużnej H prostopadłej do osi wału wirnikanośnego w locie poziomym z prędkością V=250 km/hprzy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC; φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg,(+) do przodu Rys. 4. Porównanie zmian siły bocznej S prostopadłej do osi wału wirnika nośnego w locie poziomym z prędkością V=250 km/h przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) w kierunku azymut 90 140 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

Rys. 5. Porównanie zmian momentu gnącego wał wirnika Mx, przechylającego śmigłowiec w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) przechylanie w kierunku azymutu 270 Rys. 6. Porównanie zmian momentu gnącego wał wirnika My, pochylającego śmigłowiec w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) pochylanie na nos - nurkowanie SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 141

Rys. 7. Porównanie zmian momentu skręcającego wał wirnika Mz, w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) wirnik napędzany przez silnik. Rys. 8. Odkształcenia skrętne końca łopaty wirnika w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) nosek profilu do góry 142 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

Rys. 9. Ugięcie yk końca łopaty wirnika w płaszczyźnie obrotów w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) w przód od kierunku promieniowego Rys. 10. Ugięcie zk końca łopaty wirnika w płaszczyźnie ciągu w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) w górę SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 143

Rys. 11. Kąt wahań łopaty wirnika względem przegubu pionowego w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) w przód od kierunku promieniowego Rys. 12. Kąt wahań łopaty wirnika względem przegubu poziomego w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (+) do góry 144 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

Rys. 13. Moment sterowania łopata wirnika w locie poziomym z prędkością V=250 km/h przy konwencjonalnym sterowaniu kątem nastawienia łopat oraz z wprowadzonym dodatkowym sterowaniem IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+45 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg, (-) nosek łopaty w dół Rys. 14. Zmniejszenie pulsacji ciągu wirnika nośnego przy zmianie kąta przesunięcia fazowego (ψ=45o oraz ψ=51o) funkcji dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, wprowadzone dodatkowe sterowanie IBC φibc=0,1*sin(5*ω*t+ψ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 145

Rys. 15. Znaczny wzrost pulsacji ciągu wirnika nośnego przy zmianie amplitudy (a=0,1o oraz a=0,2o) funkcji dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat w locie poziomym z prędkością V=250 km/h, wprowadzone dodatkowe sterowanie IBC φibc= a*sin(5*ω*t+51 o ), wirnik pięciołopatowy, masa śmigłowca m=7500 kg 4. UWagi Z przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych wynika, że wprowadzenie dodatkowego sterowania kątem nastawienia łopat umożliwia znaczące zmniejszenie zmiennej składowej obciążenia wirnika ( około 80% piątej harmonicznej ciągu wirnika). Stopień redukcji zmiennych obciążeń wirnika jest bardzo czuły na właściwy dobór parametrów dodatkowego sterowania łopatami. W przypadku lotu w warunkach rzeczywistych niezbędne będzie zastosowanie adaptacyjnego układu kontrolującego wielkość parametrów dodatkowego sterowania na podstawie bieżących pomiarów drgań konstrukcji śmigłowca. literatura [1] M.Miller, J.narkiewicz, W.kania, t.czechyra: Zastosowanie układów aktywnego sterowania łopat wirnika nośnego śmigłowca w redukcji hałasu i drgań oraz poprawy osiągów, Prace Instytutu Lotnictwa nr 184-185 (str.164-180), 2006 [2] J.Stanisławski: Instrukcje użytkowania programów komputerowych dotyczących zagadnień mechaniki lotu śmigłowca i obciążeń łopat wirnika nośnego, Opracowanie GR/01/BP/2004, Instytut Lotnictwa, wydanie wewn., Warszawa 2004. [3] J.Stanisławski: Obliczenia w wybranych stanach lotu parametrów pracy czterołopatowego wirnika nośnego śmigłowca PZL Sokół z profilami NACA, Opracowanie GR/0011/BP/2008, Instytut Lotnictwa, wydanie wewn., Warszawa 2008. [4] J.Stanisławski: Wirnik nośny śmigłowca z indywidualnym sterowaniem kątem nastawienia łopat w warunkach lotu ustalonego, Opracowanie 0034/BP/2009, Instytut Lotnictwa, wydanie wewn., Warszawa 2009. Summary Paper presents the results of simulation calculations of helicopter rotor load changes in steady flight for the case of introduction of additional means for control of individual blades angle. 146 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr 201

SYmULACYjNE OkREśLENIE ObCIążEń WIRNIkA NOśNEGO śmigłowca z INdYWIdUALNYm... 147