Obliczeniowo-Analityczny

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 1/57 naliza w ramach realizacji Projektu Wiatrakowiec STOL o unikalnej konstrukcji Projekt realizowany w ramach programu INNOTECH2, Hi-Tech, dofinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju dla Fusioncopter Sp. z o.o. NLIZ DOBORU PRMETRÓW WIRNIK NOŚNEGO WITRKOWC FUSIONCOPTER Opracowanie O P R C O W Ł:... Świdnik, marzec 213 rok.

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 2/57 S P I S T R E Ś C I. strona 1. WSTĘP 4 2. WYKZ WŻNIEJSZYCH OZNCZEŃ 4 3. WYBÓR TYPU WIRNIK 5 4. WYBÓR PROMIENI WIRNIK, CIĘCIWY I ILOŚCI ŁOPT 5 5. WYBÓR GEOMETRYCZNEGO ZWICHRZENI ŁOPTY, PROMIENI, PROFILU ŁOPTY, KĄT SKOKU OGÓLNEGO WIRNIK, KONSTRUKCYJNEGO KĄT STOŻK WIRNIK 23 5.1 DNE MSOWE I GEOMETRYCZNE 23 5.2 DNE ERODYNMICZNE PŁTOWC I USTERZEŃ 24 5.3 POZOSTŁE DNE 28 5.4 WPŁYW GEOMETRYCZNEGO ZWICHRZENI ŁOPTY WIRNIK 29 5.5 WPŁYW PROMIENI WIRNIK 34 5.6 WPŁYW PROFILU ŁOPTY WIRNIK 37 5.7 WPŁYW KĄT SKOKU OGÓLNEGO WIRNIK 43 5.8 WPŁYW KONSTRUKCYJNEGO KĄT STOŻK 5 6. WNIOSKI 54 7. WYKZ LITERTURY I MTERIŁÓW ŹRÓDŁOWYCH 57

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 3/57 1. WSTĘP Opracowanie to zawiera analizy i obliczenia mające na celu ustalenie parametrów wirnika nośnego wiatrakowca FUSIONCOPTER. Przyjmujemy, że masa maksymalna wiatrakowca wynosi 15kg i ona w istotnym stopniu decyduje o wymiarach wirnika. Dlatego wszelkie analizy zamieszczone w tym opracowaniu będą uwzględniały powyższą wartość masy maksymalnej wiatrakowca. Przy wyborze głównych parametrów wirnika Fusioncoptera będziemy uwzględniali także parametry wirników wiatrakowców będących aktualnie w produkcji i eksploatacji. Wirnik nośny wiatrakowca pracuje w warunkach autorotacjii i jego głównym zadaniem jest wytworzenie siły nośnej równoważącej siłę ciężkości wiatrakowca a także wytworzenie momentów sterujących powodujących pochylanie i przechylanie wiatrakowca. Najbardziej oczekiwanym byłby wirnik, który mógłby zapewnić ciąg równy ciężarowi wiatrakowca przy jak najmniejszej prędkości lotu i przy jak najmniejszych obrotach. to prowadziłoby do bardzo dużego promienia R. Jeśli wirnik posiada duży promień, to gabaryty wiatrakowca są duże i przy tym jest niekorzystna duża masa wirnika. Jak wynika z powyższego przy doborze parametrów wirnika trzeba stosować kompromisy. naliza niniejsza będzie dotyczyła rozpatrzenia następujących parametrów wirnika: typ wirnika promień cięciwa ilość łopat zwichrzenie geometryczne łopaty profil kąt skoku ogólnego konstrukcyjny kąt stożka. 2. WYKZ WŻNIEJSZYCH OZNCZEŃ m [kg] masa wiatrakowca G [N] ciężar wiatrakowca = mg V [m/s], [km/h] prędkość lotu wiatrakowca Vx [m/s], [km/h] składowa pozioma prędkości lotu wiatrakowca Vy [m/s] składowa pionowa prędkości lotu wiatrakowca Vz [m/s] składowa boczna prędkości lotu wiatrakowca T [N] składowa ciągu wirnika równoległa do jego osi H [N] składowa podłużna ciągu wirnika prostopadła do jego osi (> do tyłu) S [N] składowa boczna ciągu wirnika prostopadła do jego osi (> w prawo) R [m] promień wirnika 1W [deg] kąt odchylenia osi wału wirnika nośnego (> do tyłu)

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 4/57 B1W [deg] kąt przechylenia osi wału wirnika nośnego (> w prawo) 3. WYBÓR TYPU WIRNIK Zdecydowana większość współcześnie produkowanych wiatrakowców posiada wirniki typu huśtawka (rys.1). Rys.1. Wirnik typu huśtawka. Ten typ wirnika posiada tylko jeden wspólny przegub wahań. Jest to najprostszy układ wirnika. Wirnik nie posiada przegubów osiowych (ani tarczy sterującej) przez co sterowanie takim wirnikiem odbywa się poprzez pochylanie i przechylanie osi wirnika. Wirnik posiada mało elementów. Dlatego obsługa w eksploatacji nie jest pracochłonna i stosunkowo prosta. Także sposób sterowania wirnikiem jest prosty. Dlatego ten typ wirnika ma zdecydowaną przewagę w zastosowaniu do wiatrakowców i powinien być przyjęty do zastosowania na wiatrakowcu Fusioncopter. 4. WYBÓR PROMIENI WIRNIK, CIĘCIWY ŁOPTY I ILOŚCI ŁOPT Proces doboru promienia wirnika wiatrakowca rozpoczniemy od wykorzystania zależności promienia wirnika od masy wiatrakowca (rys. 2). Zależność ta uzyskana z dostępnych danych wiatrakowców aktualnie produkowanych i użytkowanych ale również tych wiatrakowców, które osiągnęły status prototyp lub experimental. Wszystkie wiatrakowce, których dane zamieszczone na wykresie oraz w poniższej tabeli 1 (oprócz jednego) posiadają wirniki dwułopatowe typu huśtawka. Jedynie wiatrakowiec MC Culloch J-2 (czerwona gwiazdka na wykresie) posiada wirnik czterołopatowy. Dlatego punkt odpowiadający temu wiatrakowcowi zdecydowanie odbiega od linii trendu dla pozostałych wiatrakowców.

R [m] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 5/57 Zależność promienia wirnika od masy maksymalnej wiatrakowca 7. 6.5 6. 5.5 5. 4.5 4. 3.5 3. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 1. 11. 12. 13. 14. W [kg] Rys. 4.1 Tabela 1. Lp. Wiatrakowiec Masa Promień Uwagi m [kg] R [m] 1. Commander 447 25. 3.5 2. Littlewingautogyro 5. 4.1 3. MI-28 55. 5. 4. 56. 4.2 5. Sycamore Mk1 62. 4.6 6. Sparrowhawk III 68. 4.6 7. I-28 7. 4.7 8. UFO Heli Traster 725. 4.4 9. MC Culloch J-2 725. 4. Wirnik 4 łopat. 1. SportCopter 771. 4.7 11. ir&space 18, 3 łop. 816. 5.3 12. Ochotnik 3 85. 4.9

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 6/57 13. Pegassus III 97. 5.6 14. Mk IIB (Springkaan) 1. 5.6 Wydł.=22.5 15. Groen Hawk 4 127. 6.4 Wydł.=18.3 Z wykresy rys. 4.1 wynika, że dla masy wiatrakowca m=15kg promień wirnika dwułopatowego powinien wynosić R=5.6m a dla masy 11kg R=5.8m. W celu dokładniejszej analizy wykonamy obliczenia aerodynamiczne wiatrakowca z kilkoma wartościami promieni wirnika bliskimi R=5.6. Do obliczeń aerodynamicznych wymagana jest cięciwa łopaty oraz zwichrzenie geometryczne łopaty. Zwykle łopaty wiatrakowców posiadają łopaty z zerowym kątem geometrycznego zwichrzenia. Trudności technologiczne wykonania łopat o zwichrzeniu geometrycznym różnym od zera oraz wzrost kosztów wytwarzania takich łopat powoduje przyjęcie zerowego zwichrzenia dla docelowej łopaty Fusioncoptera. Należy podkreślić, że z uwagi na charakter pracy wirnika wiatrakowca (praca na autorotacjii), zerowe geometryczne zwichrzenie łopaty jest bliskie optymalnemu. Cięciwę łopaty można wstępnie określić na podstawie rozpiętości łopat stosowanych na wiatrakowcach. Przez rozpiętość łopat rozumiemy L=R/C, gdzie : R - promień wirnika, C cięciwa łopaty. Dla łopat wiatrakowców ich rozpiętość L waha się w granicach od 16 do 22. Ten warunek pozwoli nam określić zakres cięciw łopaty do dokładniejszej analizy obliczeniowej. Należy zaznaczyć, że rozpatrywać będziemy tylko łopaty prostokątne jako najprostsze w wykonaniu zatem i najtańsze w produkcji. Zestawienie parametrów do dalszej analizy przestawia tabela 2. Tabela 2. Lp. Promień Cięciwa R [m] C1 [m] C2 [m] C3 [m] 1. 5.2.26.28.3 2. 5.5.26.28.3 3. 5.8.26.28.3 W tej części analizy obliczeniowej zakładamy, że wirnik ma kąt skoku ogólnego 7=2 stopnie i jeden profil łopaty NC-9-H-12-MOD. Przyjęcie takiego założenia nie spowoduje ograniczania w doborze promienia wirnika i cięciwy łopaty. Obliczenia zostały wykonane dla wysokości ciśnieniowej H= i H=2km i dla warunków tmosfery Wzorcowej (W). Wyniki obliczeń przedstawiono na poniższych wykresach.

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 7/57 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.2m, V=6km/h, H= 16 15 14 13 12 11 1 C=.26m 9 C=.28m 8 C=.3m 7 6 295 3 35 31 315 32 325 33 335 34 345 NR [obr/min] Rys. 4.2 26 24 22 Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.2m, V=6km/h, H= 2 18 16 C=.26m C=.28m C=.3m 14 12 1 295 3 35 31 315 32 325 33 335 34 345 NR [obr/min] Rys. 4.3

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 8/57 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.2m, V=6km/h, H=2km C=.26m C=.28m C=.3m 3 31 32 33 34 35 36 37 38 39 NR [obr/min] Rys. 4.4 Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.2m, V=6km/h, H=2km 33 31 C=.26m C=.28m 29 C=.3m 27 25 23 21 19 17 15 3 31 32 33 34 35 36 37 38 39 NR [obr/min] Rys. 4.5

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 9/57 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.5m, V=6km/h, H= 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 C=.26m C=.28m C=.3m 6 27 28 29 3 31 32 33 34 35 NR [obr/min] Rys. 4.6 28 26 24 Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.5m, V=6km/h, H= 22 2 18 16 C=.26m C=.28m C=.3m 14 12 1 28 29 3 31 32 33 34 NR [obr/min] Rys. 4.7

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 1/57 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.5m, V=6km/h, H=2km 295 3 35 31 315 32 325 33 335 34 345 NR [obr/min] Rys. 4.8 C=.26m C=.28m C=.3m Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.5m, V=6km/h, H=2km 28 26 24 22 2 C=.26m 18 C=.28m 16 C=.3m 14 12 1 295 3 35 31 315 32 325 33 335 34 345 NR [obr/min] Rys. 4.9

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 11/57 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.8m, V=6km/h, H= 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 C=.26m C=.28m C=.3m 26 24 22 6 25 26 27 28 29 3 31 32 33 NR [obr/min] Rys. 4.1 Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.8m, V=6km/h, H= 2 18 16 14 12 C=.26m C=.28m C=.3m 1 25 26 27 28 29 3 31 32 33 NR [obr/min] Rys. 4.11

lfa [deg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 12/57 16 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 Zależność ciągu wirnika od obrotów, R=5.8m, V=6km/h, H=2km 275 28 285 29 295 3 35 31 315 32 325 NR [obr/min] Rys. 4.12 C=.26m C=.28m C=.3m Zależność kąta natarcia wirnika od obrotow wirnika dla warunku autorotacji, R=5.8m, V=6km/h, H=2km 26 24 22 2 18 16 C=.26m C=.28m C=.3m 14 12 1 275 28 285 29 295 3 35 31 315 32 325 NR [obr/min] Rys. 4.13

NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 13/57 Powyższe wykresy przedstawiają wyniki obliczeń ciągu i wymaganego kąta natarcia wirnika dla zapewnienia autorotacji wirnika przy prędkości rozbiegu wiatrakowca V=6km/h na wysokości ciśnieniowej H= i H=2km w warunkach W. Do analizy przyjęto prędkość V=6km/h jako racjonalną wartość prędkości oderwania się wiatrakowca od ziemi z maksymalną masą startową. Na podstawie powyższych wykresów możemy wyznaczyć niezbędne parametry wirnika dla uzyskania ciągu równego ciężarowi wiatrakowca. Np. na podstawie rys. 4.2 ( promień wirnika R=5.2m, wysokość H=) m dla masy wiatrakowca m=11kg wymagane obroty wirnika wynoszą NR=337obr/min przy cięciwie łopaty C=.26m i odpowiednio NR=325obr/min i NR=315obr/min przy cięciwach łopaty C=.28m i C=.3m. Z rys. 4.4. możemy wyznaczyć niezbędne kąty natarcia wirnika, które wynoszą lfa=2.1 st., lfa=19.7 st. i lfa=19.6st. odpowiednio dla cięciw C=.26m, C=28m i C=.3m. Powyższe wykresy dla zadanej masy startowej wiatrakowca pozwalają nam utworzyć zależności wymaganych obrotów i wymaganego kata natarcia wirnika w zależności od promienia wirnika dla poszczególnych wartości cięciw. Te zależności przedstawiono na poniższych wykresach rys. 4.14 do 4.21. Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H= 34 33 C=.26m C=.28m 32 C=.3m 31 3 29 28 27 26 25 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.14

NR [obr/min] lfa [deg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 14/57 Zależność kąta natarcia WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H= 2 19.5 19 C=.26m 18.5 C=.28m 18 C=.3m 17.5 17 16.5 16 15.5 15 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.15 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H= 35 34 C=.26m 33 C=.28m 32 C=.3m 31 3 29 28 27 26 25 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.16

NR [obr/min] lfa [deg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 15/57 Zależność kąta natarcia WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H= 21 2 19 Serie2 Serie4 Serie6 18 17 16 15 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.17 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H=2km 37 35 33 Serie1 Serie3 Serie5 31 29 27 25 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.18

NR [obr/min] lfa [deg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 16/57 Zależność kąta natarcia WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H=2 27 25 23 C=.26m C=.28m C=.3m 21 19 17 15 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.19 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H=2km 39 37 35 C=.26m C=.28m C=.3m 33 31 29 27 25 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.2

lfa [deg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 17/57 Zależność kąta natarcia WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H=2 29 27 25 C=.26m C=.28m Serie6 23 21 19 17 15 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 R [m] Rys. 4.21 Jeśli przyjmiemy racjonalne kryteria na maksymalne obroty podczas startu, to wówczas na podstawie powyższych wykresów (rys. 4.14 do rys.4.21) możemy wyznaczyć promień wirnika i cięciwę łopaty. Na podstawie danych dotyczących aktualnie produkowanych i eksploatowanych wiatrakowców można założyć, ze maksymalne obroty wirnika do startu wiatrakowca Fusioncopter nie mogą przekroczyć 28obr/min (chodzi o to aby prędkość łopaty wynosiła ok. 16m/s). To dla masy startowej m=15kg dla wysokości H= (rys. 4.14) otrzymujemy: promień R= 5.54m, cięciwa C=.3m promień R= 5.66m, cięciwa C=.28m promień R= 5.77m, cięciwa C=.26m Natomiast dla masy m=11kg dla wysokości H= (rys. 4.16) otrzymujemy: promień R= 5.62m, cięciwa C=.3m promień R= 5.74m, cięciwa C=.28m promień R= 5.86m, cięciwa C=.26m Jeśli założyliśmy, że maksymalne obroty wirnika podczas oderwania się wiatrakowca od ziemi na wysokości H= wynoszą NR=28obr/min, to dla wysokości H=2km musimy przyjąć wartość wyższą o ok. 3obr/min lub też przyjąć, że na dużych wysokościach ciśnieniowych dopuszczalna masa wiatrakowca do startu będzie odpowiednio niższa. Wynika to z mniejszej gęstość powietrza na wysokości H=2km. Można z dobrą dokładnością określić zależność pomiędzy masą wiatrakowca na H=2km i H= wg poniższej zależności: m 2 =m 1 (2-H)/(2+H)=m 1 18/22= m 1.82 przy obrotach wirnika dla wysokości H= a zależność między obrotami wirnika na H=2km i H= można określić wg wzoru: NR 2 =NR 1 ((2+H)/(2-H))= NR 1 (22/18)= NR 1 1.1 - przy masie do startu na H=

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 18/57 Oznaczenia w powyższych wzorach: m 1 - masa wiatrakowca do startu na wysokości H=km m 2 - masa wiatrakowca do startu na wysokości H=2km NR 1 obroty wirnika nośnego podczas oderwania się wiatrakowca od ziemi na H=km NR 2 obroty wirnika nośnego podczas oderwania się wiatrakowca od ziemi na H=2km Wykorzystując powyższe wzory otrzymujemy : m 2 = 15kg.82= 861kg lub m 2 = 11kg.82=92 kg lub NR 2 =28obr/min 1.1 = 38obr/min. Ograniczenie obrotów wirnika podczas startu wiatrakowca do wartości NR=38obr/min na wysokości H=2km daje nam takie same wartości promienia wirnika jak dla wysokości H=km. Z przeprowadzonych powyżej analiz i obliczeń wynika, że najbardziej optymalnym wirnikiem będzie wirnik dwułopatowy o promieniu R=5.6m z łopatami o cięciwie.3m. Dla takich parametrów wydłużenie łopaty L=5.6/.3= 18.7. Prędkość końca łopat wirnika podczas startu na wysokości H=km wynosi : R=28* /3 5.6= 164m/s. Jest to wartość nieco wyższa niż dla lekkich wiatrakowców, których prędkość końcowa łopat wirnika wynosi ok. 15m/s. Należy jeszcze wspomnieć, że ustanawianie kryterium na kąt natarcia nie jest celowe. Kąt natarcia w odróżnieniu od obrotów wirnika bardzo mocno zmienia się z prędkością lotu w zakresie prędkości od 5km/h do 1km/h. Poczynając od prędkości 6km/h do prędkości 1km/h kąt natarcia wirnika zmniejszyć się może o 1 do 15 stopni. W praktyce podczas startu wirnik nośny ustawiony jest np. na kąt 1 do 15 stopni i gdy wirnik nośny już osiągnie obroty startowe a wymagany kąt natarcia wirnika jest większy od ustawionego, to oderwanie wiatrakowca od ziemi nastąpi przy prędkości nieco większej od przyjętej w analizie. Natomiast obroty wirnika praktycznie nie ulegną zmianie. Oprócz wirnika dwułopatowego celowym jest przeanalizowanie możliwości zastosowania na wiatrakowcu Fusioncopter wirnika czterołopatowego tj. dwóch wirników dwułopatowych typu huśtawka zbudowanych na jednej głowicy wirnika. Osie łopat wirników są przesunięte o 9 stopni w płaszczyźnie obrotów, a płaszczyzny wirników ze względów konstrukcyjnych są oddalone od siebie. nalizę wirnika z czterema łopatami ograniczymy do jednej wartości cięciwy łopaty. naliza będzie nakierowana na zastosowanie łopat dostępnych na rynku o cięciwie C=.2m i profilu łopaty NC-9-H-12-MOD. W celu dokładniejszej wykonano obliczenia aerodynamiczne wirnika wiatrakowca z wartościami promieni wirnika R=4.2m, 4.4m i 4.6m. Promień wirnika z zastosowaniem gotowej dostępnej na rynku łopaty można dostosowywać poprzez dobieranie długości ramienia piasty - elementu łączącego dwie łopaty zwanego łącznikiem. Zwichrzenie geometryczne łopaty jest równe. Łopata jest prostokątna. Podobnie jak w analizie wirnika dwułopatowego zakładamy, że kąt skoku ogólnego wirnika 7=2 stopnie. Obliczenia zostały wykonane dla wysokości ciśnieniowej H= i H=2km i dla warunków tmosfery Wzorcowej (W). Wyniki obliczeń przedstawiono na poniższych wykresach.

T [kg] T [kg] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 19/57 Zależność ciągu wirnika od obrotów, V=6km/h, H=, W 15 14 13 12 11 1 R=4.2m 9 R=4.4m 8 R=4.6m 7 6 5 28 29 3 31 32 33 34 35 36 37 38 39 4 NR [obr/min] Rys. 4.22 Zależność ciągu wirnika od obrotów, V=6km/h, H=2km, W 12 11 1 9 8 7 6 5 R=4.2m R=4.4m R=4.6m 4 28 29 3 31 32 33 34 35 36 37 38 39 4 NR [obr/min] Rys. 4.23 Powyższe dwa wykresy przedstawiają wyniki obliczeń ciągu w warunkach gdy wirnik pracuje na autorotacji przy prędkości rozbiegu wiatrakowca V=6km/h na wysokości

NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 2/57 ciśnieniowej H= i H=2km w warunkach W. Do analizy przyjęto prędkość V=6km/h jako racjonalną wartość prędkości początku oderwania się wiatrakowca od ziemi z maksymalną masą startową. Na podstawie powyższych wykresów możemy wyznaczyć niezbędny promień wirnika dla uzyskania ciągu równego ciężarowi wiatrakowca. Np. na podstawie rys. 4.22 (wysokość H=) m dla masy wiatrakowca m=11kg wymagane obroty wirnika wynoszą NR=4obr/min przy promieniu wirnika R=4.2m i odpowiednio NR=365obr/min i NR=336obr/min przy promieniu wirnika R=4.4m i R=4.6m. Na podstawie tych danych możemy utworzyć zależność wymaganych obrotów od promienia wirnika. Te zależności są przedstawione na wykresach rys. 4.24 i 4.27. 41 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H= 4 39 38 37 36 35 34 33 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 R [m] Rys.4.24

NR [obr/min] NR [obr/min] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 21/57 Rys. 4.25 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H= km 39 38 37 36 35 34 33 32 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 R [m] 49 48 47 46 45 44 43 42 41 4 39 38 5 48 46 44 42 4 38 36 34 32 3 Rys. 4.26 Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=11kg, H=2km Zależność obrotów WN od promienia wirnika, oderwanie wiatrakowca od ziemi przy V=6km/h, m=15kg, H=2km 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 R [m] Rys.4.27 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 R [m]

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 22/57 Jeśli przyjąć maksymalną prędkość końca łopaty podczas startu wiatrakowca U k = R ok.165obr/min to obroty wirnika dla startu z masą maksymalną powinny wynosić ok. 365obr/min. Wówczas z wykresu rys. 4.24 otrzymujemy, ze promień wirnika powinien wynosić 4.4m. Z przeprowadzonych powyżej analiz i obliczeń wynika, że najbardziej optymalnym wirnikiem z czterema łopatami będzie wirnik o promieniu R=4.4m z łopatami o cięciwie.2m. Dla takich parametrów wydłużenie łopaty L=4.4/.2= 22. Prędkość końca łopat wirnika podczas startu na wysokości H=km wynosi : R=365* /3 4.4= 168m/s. Jest to wartość nieco wyższa niż dla lekkich wiatrakowców, których prędkość końcowa łopat wirnika wynosi ok. 15m/s. 5. WYBÓR GEOMETRYCZNEGO ZWICHRZENI ŁOPTY, PROMIENI, PROFILU ŁOPTY, KĄT SKOKU OGÓLNEGO WIRNIK, KONSTRUKCYJNEGO KĄT STOŻK WIRNIK Wybór parametrów wirnika zostanie wykonany poprzez obliczenia porównawcze charakterystyk lotnych wiatrakowca i poprzez ocenę wpływu zmian parametrów na charakterystyki lotne. Obliczenia porównawcze charakterystyk lotnych wiatrakowca obejmują : zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu zależność obrotów wirnika od prędkości lotu zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu. zależność kąta podłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu Do wykonania obliczeń niezbędne są dane masowe wiatrakowca oraz charakterystyki aerodynamiczne płatowca i usterzenia przytoczone poniżej. 5.1 DNE MSOWE I GEOMETRYCZNE Maksymalna masa wiatrakowca Podłużne położenie środka masy wiatrakowca - Boczne położenie środka masy wiatrakowca - Pionowe położenie środka masy wiatrakowca - Podłużna współrzędna środka piasty śmigła - Pionowa współrzędna środka piasty śmigła - Boczna współrzędna środka piasty prawego śmigła - 15 kg -.3 m. m.137 m 1.55 m.14 m -1.259 m Podłużna współrzędna środka piasty wirnika nośnego przy zerowym zasterowaniu -. m Pionowa współrzędna środka piasty wirnika nośnego przy zerowym zasterowaniu - 1.96 m Podłużna współrzędna środka parcia statecznika poziomego - Pionowa współrzędna środka parcia statecznika poziomego - Boczna współrzędna środka parcia prawej połówki płata statecznika poziomego - 3.157 m.323 m -.67 m

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 23/57 Podłużna współrzędna środka parcia statecznika pionowego - Pionowa współrzędna środka parcia statecznika pionowego - Boczna współrzędna środka parcia prawego statecznika pionowego - 3.438 m.16 m -1.1 m Kąt początkowego odchylenia osi wału wirnika nośnego - Kąt maksymalnego odchylenia osi wirnika nośnego do tyłu - Kąt maksymalnego odchylenia osi wirnika nośnego do przodu - Kąt maksymalnego odchylenia osi wirnika nośnego na boki - Maksymalny kąt nastawienia statecznika poziomego - Minimalny kąt nastawienia statecznika poziomego - Maksymalny kąt nastawienia steru kierunku - Minimalny kąt nastawienia steru kierunku - Kąt ustawienia osi śmigła względem osi OX - +. stopni + 15. stopni - 5. stopnie 1. stopni +1. stopni - 1. stopni +2. stopni - 2. stopni. stopni 5.2 DNE ERODYNMICZNE PŁTOWC I USTERZEŃ PODWOZIE SCHOWNE Charakterystyki płatowca i usterzeń zostały uzyskane z opracowania pt. Raport z analiz numerycznych geometrii kadłuba wiatrakowca w wersji m1-2_2 uzyskane z obliczeń programem FLUENT i zostały zmodyfikowane w celu uwzględnienia aktualnych zmian konstrukcyjnych. Szczegółowy opis zmian i ich wpływu na charakterystyki aerodynamiczne łatowca zawiera opracowanie lit. [1]. Poniżej przedstawiono wynikowe charakterystyki.

Cxk, Cyk [ - ] Cmz Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 24/57 Współczynnik momentu pochylającego płatowca (bez stat. poziomego). -25-2 -15-1 -5 5 1 15 2 25 -.1 -.2 -.3 -.4 -.5 -.6 -.7 alfa [deg] Rys. 5.1 Współczynniki siły nośnej i oporu płatowca (Cyk bez stat. poziomego).5.4.3.2.1-25 -2-15 -1-5 -.1 5 1 15 2 25 -.2 -.3 -.4 -.5 alfa [deg] Czk Cxk

Cmx [-] Cmyk [-] Obliczeniowo-nalityczny Rys. 5.2 Strona / Stron 25/57 Współczynnik momentu odchylającego płatowca.1 alfa=-2.8 alfa=-1.6 alfa=.4 alfa=1.2 alfa=2. -3-2 -1 -.2 1 2 3 -.4 -.6 -.8 -.1 Beta [deg] Rys. 5.3 Współczynnik momentu przechylajacego płatowca.4.3.2.1 alfa=-2 st. alfa=-1 st. alfa= st. alfa=+1 st. alfa=+2 st.. -3-2 -1 1 2 3 -.1 -.2 -.3 -.4 Beta [deg] Rys. 5.4

Czk [-] Czsp [-] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 26/57 Współczynnik siły nośnej statecznika poziomego 1.8.6.4.2-25 -2-15 -1-5 -.2 5 1 15 2 25 -.4 -.6 -.8 alfa [deg] Rys. 5.5 Zależność współczynnika siły bocznej płatowca od kąta ślizgu.5.4 alfa=-2.3 alfa=-1 alfa=.2 alfa=1.1 alfa=2. -3-2 -1 -.1 1 2 3 -.2 -.3 -.4 -.5 Beta [deg] Rys. 5.6

dcmzk [-] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 27/57 Przyrost współczynnika momentu pochylającego.15.1.5. -3-2 -1 -.5 1 2 3 -.1 -.15 -.2 -.25 -.3 alfa=-2 alfa=-1 alfa= alfa=1 alfa=2 -.35 beta [deg] Rys. 5.7. 5.3 POZOSTŁE DNE Pozostałe dane do obliczeń zestawiono poniżej : ELT =.313 m odległość osi pochylania wirnika od osi przegubu wahań wirnika ELB =.343m odległość osi przechylania wirnika od osi przegubu wahań wirnika P=-1 parametr sterujący ( =1, gdy obroty wirnika są prawe tzn. zgodne z ruchem wskazówek zegara, gdy na wirnik patrzymy z dołu, -1 gdy lewe) PS11 =-1 parametr sterujący: gdy obroty śmigła są prawe (patrząc w kierunku lotu), to PS11=1, w przeciwnym przypadku PS11= - 1 N9=2 ilość wczytywanych przekrojów łopat WN K7=21 numer przekroju łopaty, od którego liczy się drugi profil K8=21 numer przekroju łopaty, od którego liczy się trzeci profil KSP=1 współczynnik sterujący, jeśli KSP=1 to oznacza, że prawe śmigło pracuje. KSL=1 współczynnik sterujący, jeśli KSL=1 to oznacza, że lewe śmigło pracuje.

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 28/57 KH= [-] kinematyczny współczynnik sprzężenia wahań pionowych łopaty WN z przekręceniami (kompensator wahań) SSP=1.94 [m 2 ] powierzchnia statecznika poziomego 1WK=[., 5., 15.] [deg] wektor kątów odchylenia osi wirnika, dla których podajemy kąty ustawienia statecznika poziomego. EPSSPK [.,.,.] [deg] wektor kątów ustawienia statecznika poziomego podawanych dla współrzędnych wektora 1WK. Kąt zaklinowania statecznika poziomego mierzony względem płaszczyzny XOZ (dodatni gdy krawędź natarcia w górę).te dwa wektory realizują kinematyczne sprzężenie sterowania statecznikiem poziomym i odchylaniem wirnika. W obliczeniach przyjęto stały kąt nastawienia statecznika poziomego Epssp=. stopni SKIL =1.3 [m 2 ] powierzchnia steru kierunku - sumaryczna powierzchnia dwóch sterów kierunku DCYKIL=4.1 [-] gradient współczynnika siły nośnej statecznika pionowego BK=.69 [m] średnia cięciwa statecznika pionowego RWS =.85 [m] promień śmigła SGS=.994 [-] wypełnienie tarczy śmigła EPSM=[deg] kąt zaklinowania śmigła (kąt pomiędzy osią śmigła a osią OX układu współrzędnych) UKS =183.4[m/s] prędkość końca łopaty śmigła Wszystkie obliczenia wykonano dla aktualnej maksymalnej masy startowej m=15kg dla wysokości ciśnieniowej H= i warunków W (temperatura powietrza t=+15 st. C). Wyniki obliczeń przedstawiono na poniższych wykresach. 5.4 WPŁYW GEOMETRYCZNEGO ZWICHRZENI ŁOPTY WIRNIK. Dla oceny wpływu geometrycznego zwichrzenia łopaty wykonano obliczenia z łopatą płaską (zerowe zwichrzenie) i z łopatą o liniowym zwichrzeniu =1 (rys. 5.8). 1 o Rys. 5.4.1 1. r/r

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 29/57 Obliczenia porównawcze wpływu zostały wykonane dla promienia wirnika R=4.4m. 6 5 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m zwichrz.= zwichrz.=1st. 4 3 2 1 Rys. 5.4.2 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 1 5-5 zwichrz.= zwichrz.=1st. Rys.5.4.3

NR [obr/min] B1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 3/57 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.8 1.6 1.4 zwichrz.= zwichrz.=1st. 1.2 1.8.6.4.2 Rys. 5.4.4 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 42 4 38 zwichrz.= zwichrz.=1st. 36 34 32 3 Rys.5.4.5

Ps [kw] Ts [N] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 31/57 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 zwichrz.= zwichrz.=1st. Rys. 5.4.6 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 3 25 2 zwichrz.= zwichrz.=1st. 15 1 5 Rys. 5.4.7

1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 32/57 Z wykresów można wyciągnąć wniosek, że istotny wpływ na charakterystyki lotne przejawia się powyżej prędkości lotu V=15km/h. Łopata zwichrzona w porównaniu z łopatą płaską powoduje wzrost ciągu śmigieł i i wzrost mocy niezbędnej śmigieł. Łopata zwichrzona powoduje także pozytywny wpływ na obroty wirnika zmniejsza nieco obroty o 1obr/min na małych prędkościach lotu i o ok. 4obr/min na maksymalnej prędkości lotu). W sumie przeważa niekorzystny wpływ zwichrzenia przejawiający się w zwiększonym ciągu i zwiększonej mocy śmigieł. Rozpatrzono także przeciwne geometryczne zwichrzenie łopaty do pokazanego na rys. 5.4.1. Różnice uwidoczniły się tylko w kącie odchylenia osi wirnika 1W (rys. 5.4.8) oraz w obrotach wirnika NR (rys. 5.4.9). Na pozostałe charakterystyki ujemne geometryczne zwichrzenie łopaty wpływu nie miało. Wpływ ujemnego zwichrzenia na 1W z punktu widzenia zapasów sterowania jest wyraźny ale mało istotny. Zwichrzenie to powoduje wzrost obrotów wirnika na małych prędkościach lotu i zmniejszenie obrotów na dużych prędkościach lotu, które nie musi być korzystne z punktu widzenia drgań wiatrakowca. Na ogół zwiększenie obrotów wirnika powoduje zmniejszenie drgań, gdyż w wyniku zwiększenia obrotów wirnika granica oderwania strug na wirnika odsuwa się na większe prędkości lotu. 7 6 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m zwichrz.= zwichrz.= - 1st. 5 4 3 2 1 Rys. 5.4.8

1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 33/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 42 4 38 zwichrz.= zwichrz.= - 1st. 36 34 32 3 Rys. 5.4.9 5.5 WPŁYW PROMIENI WIRNIK Wpływ promienia wirnika na podstawowe charakterystyki lotne przedstawiają poniższe wykresy (rys. 5.5.1 do 5.5.6). Wykresy przedstawiają wyniki obliczeń dla wirnika o promieniu R=4.4m i cięciwie łopaty C=.2m oraz dla wirnika o promieniu R=5.6m i cięciwie łopaty C=.3m. Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg 7 6 R=4.4m R=5.6m 5 4 3 2 1

Tetk [st.] B1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Rys.5.5.1 Rys. 5.5.2 Strona / Stron 34/57 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg 1.4 1.2 R=4.4m R=5.6m 1.8.6.4.2 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg 25 2 15 1 5-5 R=4.4m R=5.6m Rys. 5.5.3

Ts [N] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 35/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg 43 41 39 37 R=4.4m R=5.6m 35 33 31 29 27 25 Rys. 5.5.4 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 R=4.4m R=5.6m Rys. 5.5.5

Ps [kw] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 36/57 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg 25 2 R=4.4m R=5.6m 15 1 5 Rys. 5.5.6 Porównanie wykresów dla różnych promieni wirnika wskazuje przede wszystkim na różnice w obrotach wirników co jest naturalne i zrozumiałe większy promień, to niższe obroty. Poza tym różnice w innych parametrach lotnych występują na małych prędkościach lotu. Na małych prędkościach lotu wiatrakowiec z wirnikiem o większym promieniu będzie mieć mniejszy kąt zadarcia kadłuba (TETK), będzie powodował mniejszy ciąg i mniejszą moc śmigieł. Różnice te zmniejszają się wraz ze wzrostem prędkości lotu i stają się zerowe na maksymalnej prędkości lotu. Na maksymalnej prędkości lotu prędkość końca łopaty o promieniu R=4.4m wynosi U k =19m/s a o promieniu 5.6m prędkość końca wynosi U k =194m/s czyli prędkości końców łopat są praktycznie takie same. Można sformułować wniosek, że wiatrakowiec na małych i średnich prędkościach lotu z wirnikiem o większym promieniu ma korzystniejsze parametry niż z wirnikiem o mniejszym promieniu. 5.6 WPŁYW PROFILU ŁOPTY WIRNIK Wpływ profilu łopaty wirnika na charakterystyki lotne określimy poprzez porównanie wyników obliczeń tych charakterystyk z profilem łopaty NC-9-H-12-MOD oraz z profilem ILHX4a1-12 i profilem ILH12. Profile ILHX4a1-12 i ILH12 opracowano w Instytucie Lotnictwa w Warszawie. Obliczenia porównawcze wykonano dla wirnika o promieniu R=4.4m i cięciwie łopaty C=.2m z zerowym zwichrzeniem geometrycznym dla warunków H= i temperatury powietrza t=+15st.c. Wyniki obliczeń przedstawiono na wykresach rys. 5.6.1 do 5.6.12.

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 37/57 7 6 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m profil NC-9-H profil ILHX4a1 5 4 3 2 1 Rys. 5.6.1 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 profil NC-9-H profil ILHX4a1 1 5-5 Rys. 5.6.2

B1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 38/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 46 44 42 profil NC-9-H profil ILHX4a1 4 38 36 34 32 3 Rys.5.6.3 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.4 1.2 profil NC-9-H profil ILHX4a1 1.8.6.4.2 Rys.5.6.4

Ps [kw] Ts [N] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 39/57 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 profil NC-9-H profil ILHX4a1 Rys.5.6.5 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 profil NC-9-H profil ILHX4a1 1 5 Rys.5.6.6

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 4/57 7 6 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m profil NC-9-H profil ILH12 5 4 3 2 1 Rys.5.6.7 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 profil NC-9-H profil ILH12 1 5-5 Rys.5.6.8

B1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 41/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 48 46 44 42 profil NC-9-H profil ILH12 4 38 36 34 32 3 Rys. 5.6.9 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.4 1.2 profil NC-9-H profil ILH12 1.8.6.4.2 Rys. 5.6.1

Ps [kw] Ts [N] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 42/57 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 profil NC-9-H profil ILH12 Rys. 5.6.11 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 profil NC-9-H profil ILH12 1 5 Rys. 5.6.12 Porównanie wyników dla profilu NC-9-H-12-MOD z profilem ILHX4a1-12 przede wszystkim pokazuje różnicę w obrotach wirnika nośnego. Obroty wirnika z profilem łopat

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 43/57 ILHX4a1-12 są wyższe z powodu większej wartości kąta zerowej siły nośnej tego profilu w stosunku do profilu NC-9-H-12-MOD.- dla wytworzenia przez wirnik tego samego ciągu przy niższych wartościach współczynników siły nośnej (obliczenia wykonywaliśmy przy jednakowych wartościach skoku ogólnego wirnika nośnego) wymagane są większe obroty. Konsekwencją wyższych obrotów są większe kąty natarcia wirnika przy tych samych prędkościach lotu. Przejawia się to w większych kątach podłużnego odchylenia osi wirnika do tyłu (1W) i podłużnego położenia kadłuba (TETK). Większe kąty TETK powodują większy opór kadłuba co skutkuje większym ciągiem i większą mocą przekazywaną na śmigła. Należy jednak podkreślić, że różnice w ciągu i mocy śmigieł nie są znaczne. Efekty większego kąta zerowej siły nośnej profilu ILHX4a1-12 w stosunku do profilu NC-9-H-12-MOD można zredukować poprzez zwiększenie kąta skoku ogólnego w przypadku zastosowania na łopatach wirnika nośnego profilu ILHX4a1-12. nalogiczne wnioski nasuwają się przy porównaniu wyników obliczeń profili NC-9-H-12- MOD i ILH12. 5.7 WPŁYW KĄT SKOKU OGÓLNEGO WIRNIK Wpływ kąta skoku ogólnego wirnika na charakterystyki lotne określimy poprzez porównanie wyników obliczeń tych charakterystyk z kątami skoku 7= o i 7=4 o względem charakterystyk obliczonych z kątem skoku ogólnego 7=2 o. Obliczenia będą wykonane z wirnikiem o promieniu R=4.4m (cięciwa łopaty wirnika C=.2m, łopata z zerowym zwichrzeniem geometrycznym, profil łopaty NC-9-H-12-MOD) dla warunkach W i H=. Ponadto porównane zostaną wyniki obliczeń wiatrakowca z wirnikiem ze skokiem ogólnym 7=4 o, którego łopaty mają profil ILH12 z wirnikiem o skoku ogólnym 7=2 o i łopatach z profilem NC-9-H-12-MOD. Wyniki porównania prezentują poniższe wykresy.

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 44/57 8 7 6 5 4 3 2 1-1 -2 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m Rys. 5.7.1 skok=2 st. skok= st. skok=4 st. Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 1 5-5 skok=2 st. skok=st. skok=4 st. Rys. 5.7.2

B1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 45/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 46 44 42 skok=2 st. skok= st. skok=4 st. 4 38 36 34 32 3 Rys. 5.7.3 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.6 1.4 1.2 skok=2 st. skok= st. skok=4 st. 1.8.6.4.2 Rys. 5.7.4

Ts [N] Ps [kw] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 46/57 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 3 25 2 skok=2 st. skok= st. skok=4 st. 15 1 5 Rys. 5.7.5 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 6 5 4 skok=2 st. skok= st. skok=4 st. 3 2 1 Rys. 5.7.6

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 47/57 6 5 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 4 3 2 1 Rys. 5.7.7 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 1 5-5 skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 Rys. 5.7.8

B1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 48/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 44 42 4 skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 38 36 34 32 3 Rys. 5.7.9 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.4 1.2 skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 1.8.6.4.2 Rys. 5.7.1

Ps [kw] Ts [N] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 49/57 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 Rys. 5.7.11 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 skok=2 st., profil NC-9H skok=4 st., profil ILH12 15 1 5 Rys. 5.7.12

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 5/57 Z przedstawionych powyżej wykresów widoczny jest duży wpływ kąta skoku ogólnego wirnika na charakterystyki lotne wiatrakowca. Zwiększanie kąta skoku ogólnego powoduje przede wszystkim zmniejszenie obrotów wirnika nośnego NR i zmniejszenie kąta 1W odchylenia osi wirnika nośnego do tyłu. Zmniejszone obroty wirnika skutkują zmniejszeniem kąta TETK co pociąga za sobą zmniejszenie oporu kadłuba oraz zmniejszenie ciągu oraz mocy przekazywanej na śmigło. Należy podkreślić, że największe różnice występują przy zmianie kąta skoku od wartości do wartości 2 stopnie. Natomiast dalsze zwiększanie kąta ponad 2 stopnie zmniejsza jego wpływ na charakterystyki lotne wiatrakowca. Biorąc pod uwagę to, że przy mniejszych masach wiatrakowca obroty wirnika będą mniejsze, to zwiększanie kąta skoku ponad 2 stopnie dla łopaty z profilem NC-9-H-12-MOD wydaje się niecelowe kąt 2 stopnie jest kompromisem. Inaczej wygląda sytuacja dla łopaty wirnika z łopatami o profilu ILH12. Jak wcześniej wspomniano, profil ILH12 posiada większą wartość kąta natarcia dla zerowej siły nośnej w porównaniu z kątem zerowej siły nośnej profilu NC-9-H-12-MOD. W związku z tym zwiększenie kąta skoku ogólnego przybliża charakterystyki do siebie. Stąd wynika spostrzeżenie, ze dla każdego profilu łopaty dobiera się kąt skoku, który zapewni właściwe obroty wirnika w pełnym zakresie warunków eksploatacji wiatrakowca. 5.8 WPŁYW KONSTRUKCYJNEGO KĄT STOŻK Konstrukcyjny kąt stożka łącznika ma wpływ przede wszystkim na wartość średnią momentu gnącego łącznik. Moment gnący jest spowodowany siłami ciągu oraz odśrodkową działającymi na łopatę. Można zawsze tak dobrać kąt stożka aby dla danej masy wiatrakowca w locie w określonych warunkach średni moment gnący był bliski zeru. Przy pozostałych warunkach wartość tego momentu nie będzie równa zeru. Wykonanie łącznika o kącie stożka różnym od zera zawsze stanowi problem technologiczny. Wygodniej jest wykonać łącznik o nieco zwiększonej wytrzymałości by wyeliminować problemy technologiczne. Tym bardziej, że wartość średnia momentu gnącego w małym stopniu będzie wpływać na jego wytrzymałość zmęczeniową, która decydować będzie o okresie wymiany podczas eksploatacji. Dla oceny wpływu konstrukcyjnego kąta stożka na charakterystyki lotne wiatrakowca wykonano obliczenia porównawcze dla zerowego kąta i kąta równego a =3 stopnie (rys. 5.8.1). Przy tych obliczeniach pozostałe parametry wirnika były jednakowe (promień R=4.4m, cięciwa łopaty C=.2m, geometryczne zwichrzenie=, profil NC-9-H-12-MOD, skok wirnika=2 stopnie). a Rys. 5.8.1

Tetk [st.] 1W [st.] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 51/57 Wyniki obliczeń przedstawiono na poniższych wykresach. 6 5 Zależność kąta odchylenia osi wirnika od prędkości lotu, m=15kg, R=4.4m stożek= st. stożek =3 st. 4 3 2 1 Rys. 5.8.2 Zależność kąta pdłużnego położenia kadłuba od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 stożek =st. stożek =3 st. 15 1 5-5 Rys. 5.8.3

B1W [st.] NR [obr/min] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 52/57 Zależność obrotów wirnika od prędkosci lotu, m=15kg, R=4.4m 42 4 38 stożek = st. stożek =3 st. 36 34 32 3 Rys.5.8.4 Zależność kąta przechylenia osi wirnika od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 1.4 1.2 stożek = st. stożek =3 st. 1.8.6.4.2 Rys. 5.8.5

Ps [kw] Ts [N] Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 53/57 Zależność sumy ciągu śmigieł od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 stożek = st. stożek =3 st. Rys. 5.8.6 Zależność sumy mocy przekazywanej na śmigła od prędkości lotu, 15kg, R=4.4m 25 2 15 stożek = st. stożek =3 st. 1 5 Rys. 5.8.7

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 54/57 Z powyższych wykresów wynika, że konstrukcyjny kąt stożka wirnika nie ma praktycznie wpływu na charakterystyki lotne wiatrakowca. 6. WNIOSKI 1. Najbardziej nadającym się typem wirnika do wiatrakowca Fusioncopter jest wirnik dwułopatowy typu huśtawka jako wirnik najprostszy technologicznie. W celu zmniejszenia gabarytów wirnika może być zastosowany wirnik czterołopatowy z dwoma wirnikami dwułopatowymi typu huśtawka zbudowanymi na jednej głowicy wirnika. Osie łopat wirników są przesunięte o 9 stopni w płaszczyźnie obrotów, a płaszczyzny wirników ze względów konstrukcyjnych są oddalone od siebie. 2. Wirnik dwułopatowy dedykowany dla wiatrakowca Fusioncopter o maksymalnej masie startowej nie przekraczającej 11kg może posiadać następujące parametry : promień R=5.6m cięciwa łopaty C=.3m łopata geometrycznie nie zwichrzona profil łopaty NC 9-H-12-MOD kąt skoku ogólnego równy 2 stopnie. konstrukcyjny kąt stożka = stopni wydłużenie łopaty jest równe 18.7 3. Wirnik czterołopatowy dedykowany dla wiatrakowca Fusioncopter o maksymalnej masie startowej nie przekraczającej 11kg może posiadać następujące parametry : promień R=4.4m cięciwa łopaty C=.2m łopata geometrycznie nie zwichrzona profil łopaty NC 9-H-12-MOD kąt skoku ogólnego równy 2 stopnie. konstrukcyjny kąt stożka = stopni wydłużenie łopaty jest równe 22 4. Na małych prędkościach lotu wiatrakowiec z wirnikiem o większym promieniu będzie mieć mniejszy kąt zadarcia kadłuba (TETK), będzie powodował mniejszy ciąg i mniejszą moc śmigieł. Różnice te zmniejszają się wraz ze wzrostem prędkości lotu i stają się zerowe na maksymalnej prędkości lotu. Na maksymalnej prędkości lotu prędkość końca łopaty o promieniu R=4.4m wynosi U k =19m/s a o promieniu 5.6m prędkość końca wynosi U k =194m/s czyli prędkości końców łopat są praktycznie takie same. Wiatrakowiec na małych i średnich prędkościach lotu z wirnikiem o większym promieniu ma korzystniejsze parametry niż z wirnikiem o mniejszym promieniu. Na dużych prędkościach lotu wyniki dla obu wirników są jednakowe.

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 55/57 5. W przypadku wirnika dwułopatowego zmniejszenie cięciwy z wartości.3m do wartości.28m powoduje zwiększenie obrotów wirnika o 1obr/min przy pozostałych parametrach wirnika bez zmian. Zwiększenie promienia o.2m powoduje zmniejszenie obrotów wirnika o ok. 2obr/min przy pozostałych parametrach wirnika bez zmian. 6. W przypadku wirnika czterołopatowego zwiększenie promienia o.2m powoduje zmniejszenie obrotów wirnika o ok. 3obr/min przy pozostałych parametrach wirnika bez zmian. 7. W przypadku wirnika czterołopatowego geometryczne zwichrzenie łopaty (dodatnie koniec łopaty ma większe kąty nastawienia) powoduje zmniejszenie obrotów wirnika o ok. 5obr/min i jednocześnie powoduje znaczny wzrost ciągu i mocy śmigieł przy pozostałych parametrach wirnika bez zmian. Możne sformułować stwierdzenie, że dodatnie zwichrzenie łopaty jest niekorzystne. Ujemne geometryczne zwichrzenie łopaty ( koniec łopaty ma mniejsze kąty nastawienia) ma mały wpływ na charakterystyki lotne wiatrakowca. Powoduje jedynie zwiększenie obrotów wirnika na małych prędkościach lotu i zmniejszenie obrotów na dużych prędkościach lotu (o ok. 2obr/min na V=3km/h). 8. Porównanie wyników z różnymi profilami wskazuje głównie na ich na obroty wirnika nośnego. Wirnik o łopatach z profilami, które mają większe wartości kąta zerowej siły nośnej dla wytworzenia tego samego ciągu co z profilami o mniejszym kącie zerowej siły nośnej wymaga większych obrotów (przy tym samym kącie skoku ogólnego). Konsekwencją wyższych obrotów są większe kąty natarcia wirnika przy tych samych prędkościach lotu. W związku z tym powodują większy opór kadłuba co skutkuje większym ciągiem i większą mocą przekazywaną na śmigła. Jednak różnice w ciągu i mocy śmigieł nie są znaczne. Efekty większego kąta zerowej siły nośnej profilu można zredukować poprzez zwiększenie kąta skoku ogólnego. Najmniejszy kąt zerowej siły nośnej spośród rozpatrywanych profili posiada profil NC-9-H-12-MOD. Dlatego ten profil może być preferowany dla łopat wirnika wiatrakowca. 9. Kąt skoku ogólnego wirnika ma duży wpływ na charakterystyki lotne wiatrakowca. Zwiększanie kąta skoku ogólnego przy niezmienionych innych parametrów wirnika powoduje przede wszystkim zmniejszenie obrotów wirnika nośnego NR i zmniejszenie kąta 1W odchylenia osi wirnika nośnego do tyłu. Zmniejszone obroty wirnika skutkują zmniejszeniem kąta podłużnego położenia kadłuba TETK co pociąga za sobą zmniejszenie oporu kadłuba oraz zmniejszenie ciągu i mocy przekazywanej na śmigło. Należy podkreślić, że największe różnice występują przy zmianie kąta skoku od wartości do wartości 2 stopnie. Natomiast dalsze zwiększanie kąta ponad 2 stopnie zmniejsza jego wpływ na charakterystyki lotne wiatrakowca. Biorąc pod uwagę to, że przy mniejszych masach wiatrakowca obroty wirnika będą mniejsze, to zwiększanie kąta skoku ponad 2 stopnie dla łopaty z profilem NC-9-H-12-MOD wydaje się niecelowe kąt 2 stopnie jest kompromisem.

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 56/57 1. Konstrukcyjny kąt stożka wirnika nie ma praktycznie wpływu na charakterystyki lotne wiatrakowca. 11. Konstrukcyjny kąt stożka wirnika ma istotny wpływ przede wszystkim na wartość średnią momentu gnącego łącznik łopat. Moment gnący jest spowodowany siłami ciągu oraz odśrodkową działającymi na łopatę. Można zawsze tak dobrać kąt stożka aby dla danej masy wiatrakowca w locie w określonych warunkach średni moment gnący był bliski zeru. Przy pozostałych warunkach wartość tego momentu nie będzie równa zeru. Wykonanie łącznika o kącie stożka różnym od zera zawsze stanowi problem technologiczny. Wygodniej jest wykonać łącznik o nieco zwiększonej wytrzymałości by wyeliminować problemy technologiczne. Tym bardziej, że wartość średnia momentu gnącego w małym stopniu będzie wpływać na jego wytrzymałość zmęczeniową, która decydować będzie o okresie wymiany podczas eksploatacji.

Obliczeniowo-nalityczny Strona / Stron 57/57 7. WYKZ LITERTURY I MTERIŁÓW ŹRÓDŁOWYCH [ 1 ] J. Bronowicz - Stateczność dynamiczna wiatrakowca - opracowanie nr JB-19/211/1 [ 2 ] J. Bronowicz - Stateczność statyczna i sterowność wiatrakowca opracowanie nr JB-1/212/L [ 3 ] Raport z analiz numerycznych geometrii kadłuba wiatrakowca w wersji m1-2_2. [ 4 ]. S. Brawerman, D. M. Perlsztejn, S. W. Lapisowa Balansirowka odnowintowogo wertoleta 1975 Maszinostrojenie [ 5 ] Dr Douglas Thomson, Dr Stewart Houston- Experimental and Theoretical Studies of utogyro Flight Dynamics, Department of erospace Engineering University of Glasgow.