Obliczeniowa Analiza Własności Aerodynamicznych Profili Łopat Nowoczesnych Wirników Autorotacyjnych Projektowanie Aerodynamiczne Wirnika Autorotacyjnego Wieńczysław Stalewski Adam Dziubiński
Działanie wirnika autorotacyjnego najłatwiej objaśnić na przykładzie pionowego opadania: Można wydzielić obszary dysku wirnika na: -Obszar napędzany -Obszar napędzający -Obszar w oderwaniu Składowa napędzająca Składowa hamująca
Realny wiatrakowiec zawsze porusza się z prędkością postępową. Vz Ciąg wirnika Vx Jak zatem zmienia się rozkład obszarów pod wpływem prędkości postępowej? Ciężar Ciąg śmigła Łopata odchodząca Łopata nacierająca Po pierwsze nastąpi wynikające z pola prędkości unoszenia przesunięcie punktu o zerowej prędkości, fragment łopaty odchodzącej porusza się do tyłu
Zarówno obszar oderwania jak i obszar napędzający przesuwają się w stronę łopaty odchodzącej.
Jak to więc się dzieje że wiatrakowiec nie przewraca się na jedną stronę? Łopaty mają przegub wahań pionowych: MNIEJSZA SIŁA NOŚNA, Łopata zaczyna się poruszać w dół, w przeciwną stronę niż powietrze -> ZWIĘKSZENIE KĄTA NATARCIA Przód wirnika wędruje do góry WIĘKSZA SIŁA NOŚNA, Łopata zaczyna się poruszać w górę, w tę samą stronę co powietrze ZMNIEJSZENIE KĄTA NATARCIA Zjawisko to znane jest pod nazwą BLADE FLAPPING
Jak to więc się dzieje że wiatrakowiec nie przewraca się na jedną stronę? BLADE FLAPPING Powoduje samohamowność wirnika, nie można go rozpędzić powyżej pewnej prędkości poziomej Tarcza wirnika sam ustawia się pod pożądanym kątem natarcia ALE Trzeba zapewnić miejsce na wahania podłużne wirnika Stabilizuje wiropłat w osi poprzecznej, nie ma on ochoty przechylić się na którąś ze stron, wszystkie momenty zamykają się w wirniku. Najczęściej kosztem usterzenia pionowego, i tak często przesłoniętego kadłubem
Sposoby modelowania wirników Pełne modelowanie obracającej się łopaty (dokładne, ale zasobożerne) Modelowanie za pomocą wirnika uproszczonego metodą elementu łopaty (Met. Drzewieckiego) w postaci: Dysku o pewnej grubości zawierającego źródłowości pędu (można w ten sposób określić również skręcenie strumienia zaśmigłowego). Powierzchni skoku ciśnienia (na płyn działają tylko siły prostopadłe do powierzchni tarczy śmigła). Źródła: [1,2]
Jak działa Metoda Elementu Łopaty Modelujemy w układzie lokalnym związanym ze śmigłowcem (i siatką) Prędkość postępowa wiropłata jest dla nas prędkością napływu strumienia powietrza na wirnik. Prędkość elementu łopaty względem środka wirnika: Prędkość napływu na element łopaty to różnica: Vr (pomijana) Wyciągamy z niej składowe: pionową (Vn) i poziomą (Vt) napływu na profil elementu łopaty, z premedytacją pomijając składową promieniową (Vr). Źródło: [1]
Jak działa Metoda Elementu Łopaty Z prędkości napływu otrzymujemy warunki pracy profilu (kąt natarcia α, prędkośc - > liczbę Ma) Parametry profilu są zadane w postaci tablic współczynników w funkcji Ma (albo Re) i α, z których sobie interpolujemy C L i C D Zwizualizowane tablice dookólnych rozkładów współczynników dla α = <-180, 180 > Źródło: [1]
Jak działa Metoda Elementu łopaty Następnie przekształcamy Cl i Cd do układu związanego z osią wirnika, żeby wiedzieć ile będzie wynosił uśredniony skok ciśnienia na tej powierzchni po przejściu n łopat. Całka po łopacie, współczynnik wypełnienia, ilość łopat Źródło: [1]
Symulacja autorotacji Do określenia parametrów wirnika można użyć jednowymiarowego (dlatego pomijam zapis wektorowy) symulatora dynamiki, opisującego ruch tylko w osi obrotów, np. metodą Eulera: t0: V t0,f t0 a t1,v t1 t1: X t0 X t1 Ruch obrotowy CFD Solver Odpowiednik w ruchu postępowym Oczywiście schemat ten można dowolnie komplikować o trójwymiarowość (występuje wtedy przyspieszenie Coriolisa i sprzężenie kątów, nie wystarczy rozpisać powyższych równań na trzy składowe), o ruch pochylający głowicy, blade flapping, i tak to jest zrobione w VBM
ILW-LT-09.0 ILW-LT-10.0 ILW-LT-11.0 Badane Profile Dla optymalizacji przyjęto następujące punkty konstrukcyjne: dla profili łopaty powracającej: C L 1.2 1.5, M 0.2 0.35 dla profili łopaty nacierającej,: C L 0.2 0.4, M 0.4 0.55 kryterium projektowania profili, aby w przepływie turbulentnym* charakteryzowały możliwie najmniejszymi wartościami C D. Warunki atmosfery wzorcowej na poziomie morza (ISA/SL) Źródła: [4,6] NACA 9H12 Dwie liczby Reynoldsa odpowiadające przewidywanym cięciwom : C=0.220m oraz C=0.300m. Założenie turbulentności przepływu - wynik analiz, które wykazały nieefektywność stosowania technologii laminarnych do redukcji oporu na łopatach wirnika wiatrakowca.
Badane Profile przykładowe wyniki ILW-LT-09.0 ILW-LT-10.0 Obok badane profile przyjete do konstruowania łopaty Poniżej przykładowe charakterystyki aerodynamiczne odpowiadające cięciwie C= 220 mm dla jednego z nich. ILW-LT-11.0 Źródło: [4] 2.0 ILW-LT-11.0 C=220mm 2.0 ILW-LT-11.0 C=220mm 1.5 1.5 1.0 Mach Number 0.200 0.300 1.0 Mach Number 0.200 0.300 C L 0.400 0.500 C L 0.400 0.500 0.5 0.600 0.700 0.5 0.600 0.700 0.800 0.800 0.820 0.820 0.0-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0.0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10-0.5 a [deg] -0.5 C D
Porównanie wirników ILW.11/10/09.D8.6 i BASELINE [5] Źródło: [5] Prędkość pozioma Kąt skoku ogólnego Kąt natarcia wirnika Siła nośna Opór Doskonałość aerod. Obroty wirnika Wirnik V [km/h] Q R [deg] Q B [deg] L [kg] D [kg] L/D W R [rpm] ILW.11/10/09.D8.6 180.00-2.673 5.000 600.000 45.024 13.326 296.206 BASELINE 180.00-1.651 4.500 600.000 46.127 13.008 338.513
Bibliografia [1] A. Dziubiński Autorski program do obliczeń śmigieł i wirników nośnych za pomocą metody elementu łopaty. Sprawozdanie nr 36/BA-a2/p/13 [2] K. Surmacz Modelowanie lotu śmigłowca w warunkach występowania pierścienia wirowego za pomocą Virtual Blade Model, Modelowane inżynierskie, Gliwice 2012. [3] www.copters.com [4] W. Stalewski Obliczeniowa Analiza Własności Aerodynamicznych Profili Łopat Nowoczesnych Wirników Autorotacyjnych, raport nr. R13026_BA2-24/2014 [5] W. Stalewski Obliczeniowa Analiza Własności Aerodynamicznych Autorotacyjnego Wirnika ILW.11/10/09.D8.6, raport nr. R13026_BA2-27/2014 [6] http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html
Dziękuję za uwagę!