cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2018-21-6-43-53caht-1402Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION, ROCKET AND SPACE TECHNOLOGYРАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ КОМПОНОВКИ НЕСУЩИХ ВИНТОВ НА КПД НА РЕЖИМЕ ВИСЕНИЯ НА БАЗЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ЛОПАСТНОЙ ВИХРЕВОЙ МОДЕЛИCALCULATED RESEARCH OF INFLUENCE OF HELICOPTER MAIN ROTORS GEOMETRY ON THE EFFICIENCY IN HOVER MODE BASED ON THE NONLINEAR VORTEX MODELИгнаткинЮ. М.IgnatkinY. M.

Игнаткин Юрий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой проектирования вертолетов

Yurii M. Ignatkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Helicopter Design Chair

k102@mail.ruМакеевП. В.MakeevP. V.

Макеев Павел Вячеславович, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования вертолетов

Pavel V. Makeev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Helicopter Design Chair

vaultcity13@gmail.comШомовА. И.ShomovA. I.

Шомов Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования вертолетов МАИ

Alexander I. Shomov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Helicopter Design Chair

shomov_aleksandr@mail.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2018261220182164353Copyright © Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И., 20182018Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И.Ignatkin Y.M., Makeev P.V., Shomov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1402

Эффективность работы несущего винта (НВ) вертолета на режиме висения очень важна, поскольку этот режим в значительной степени определяет летно-технические характеристики вертолета. Особенностью аэродинамики НВ является значительное индуктивное влияние друг на друга его лопастей, в существенной мере определяющее его аэродинамические характеристики на большинстве режимов. В статье рассмотрены вопросы влияния величины крутки лопасти и пространственной геометрической компоновки НВ на его аэродинамические характеристики на режиме висения для фиксированных значений заполнения. В качестве критерия эффективности работы винта на висении используется относительный коэффициент полезного действия (КПД). Результаты получены методом численного моделирования на основе нелинейной лопастной вихревой модели винта, разработанной на кафедре «проектирование вертолетов» МАИ. Модель позволяет учесть сложную пространственную форму свободного вихревого следа, отходящего от лопастей и определяющего их взаимовлияние. На примере четырехлопастного НВ с прямоугольными в плане лопастями проведено исследование влияния величины крутки лопастей на относительный КПД на режиме висения. Для различных значений тяги винта определены значения и диапазоны углов крутки лопасти, обеспечивающие максимальный положительный эффект прироста КПД на висении. Для фиксированного значения крутки прямоугольной в плане лопасти, величины заполнения НВ и одинаковых условий работы проведено исследование влияния различных схем и компоновок НВ на его КПД на висении. Рассмотрены одиночные НВ с различным количеством лопастей (от 2 до 6), Х-образный НВ, соосные НВ, НВ с перекрещивающимися лопастями типа «синхроптер». Получены значения прироста КПД на висении в зависимости от компоновки НВ по сравнению с базовым двухлопастным винтом. Представлен сравнительный анализ эпюр индуктивных скоростей и характера обтекания НВ схемы «синхроптер», НВ соосной схемы и эквивалентного соосному НВ одиночного НВ. Полученные результаты могут быть полезны на этапе предварительного проектирования вертикально взлетающих летательных аппаратов при выборе параметров их несущей системы.

The efficiency of the helicopter main rotor in the hover mode is very important, because this mode essentially determines the performance characteristics of the helicopter. A feature of the helicopter rotor aerodynamics is a significant inductive blade influence that highly defines its aerodynamic characteristics. The problem of the influence of the blade twist and spatial geometric layout of the main rotor on its aerodynamic characteristics in the hover mode for a fixed value of the rotor solidity has been considered in this article. As a criterion of efficiency of the rotor in the hover mode relative efficiency (FoM – Figure of Merit) is used. The results are obtained by numerical simulation based on the nonlinear vortex blade model of the rotor, developed at the Helicopter Design Chair of the MAI. The model allows taking into account a complicated spatial shape of the free vortex path of the rotor blades that determines their inductive interaction. As the example of a four-blade main rotor with rectangular blades in plan, the influence of the value of the blades twist on the efficiency in the hover mode is studied. For different values of the rotor thrust, the values and ranges of the blade twist angles are determined, providing the maximum positive effect of the efficiency increase in hovering. For a fixed value of the blade twist, the rotor solidity, and the same operating conditions, the effect of various schemes and configurations of rotor on its efficiency in hover mode is studied. A single rotor with a different number of blades (from 2 to 6), an X-shaped rotor, coaxial rotor and rotor with crossed blades type "synchropter" are considered. The values of the efficiency increase in hovering depending on the rotor layout in comparison with the two-blade rotor are obtained. The comparative analysis of inductive velocities and streamlines for the "synchropter" rotor scheme, coaxial rotor scheme and its equivalent single rotor scheme is presented. The obtained results can be useful at the stage of preliminary design of vertically taking-off aircraft when selecting the parameters of their main rotor system.

вертолетнесущий винтрежим висениянелинейная вихревая моделькрутка лопастичисло лопастейсоосный винтвинт «синхроптер»Х-образный винтКПД винтаhelicoptermain rotorhover modenonlinear vortex modelblade twistnumber of bladescoaxial rotorsynchropter rotorX-shaped rotorefficiency coefficientReferencesИгнаткин Ю.М. Нелинейная лопастная вихревая теория винта и ее приложения для расчета аэродинамических характеристик несущих и рулевых винтов вертолета / П.В. Макеев, Б.С. Гревцов, А.И. Шомов // Вестник МАИ. 2009. Т. 16, № 5. С. 24–31.Ignatkin, Yu.M., Makeev, P.V, Shomov, A.I. and Grevcov, B.S. (2009). Nelineynaya lopastnaya vikhrevaya teoriya vinta i ee prilozheniya dlya rashcheta aerodinamicheskikh kharakteristik nesushchikh i rulevykh vintov vertoleta [Nonlinear blade vortex theory of rotor and its application for calculation of aerodynamic characteristics of helicopter rotor]. Vestnik MAI, vol. 16, no. 5, pp. 24–31. (in Russian)Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И. Аэродинамические схемы винтокрылых летательных аппаратов. М.: МАИ, 2018. 88 с.Ignatkin, Y.M., Makeev, P.V. and Shomov, A.I. (2018). Aerodinamika nesushchego vinta na rezhimakh osevogo obtekaniya [Main rotor aerodynamics at axial airflow modes]. Moscow: MAI, 100 p. (in Russian)Шайдаков В.И., Маслов А.Д. Аэродинамическое проектирование лопастей воздушных винтов. М.: МАИ, 1995. 68 с.Shaydakov, V.I. and Maslov, A.D. (1995). Aerodinamicheskoe proektirovanie lopastey vozdushnykh vintov [Rotor blades aerodynamic design process]. Moscow: MAI, 68 p. (in Russian)Шайдаков В.И., Игнаткин Ю.М., Маслов А.Д. Аэродинамические характеристики несущих винтов двухвинтовых вертолетов. Аэродинамическое проектирование лопастей воздушных винтов. М.: МАИ, 1983. 39 с.Shajdakov, V.I., Ignatkin, Yu.M. and Maslov, A.D. (1983). Aerodinamicheskie kharakteristiki nesushchikh vintov dvukhvintovykh vertoletov. Aerodinamicheskoe proektirovanie lopastey vozdushnykh vintov [Main rotor aerodynamic characteristics for twin rotor helicopters]. Moscow: MAI, 39 p. (in Russian)Johnson W. Rotorcraft aeromechanics, Cambridge University Press, 2013. 927 p.Johnson, W. (2013). Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 927 p.Johnson W. Helicopter theory. Courier Dover Publications, 1994. 1120 p.Johnson, W. (1994). Helicopter theory. Courier Dover Publications, 1120 p.Leishman J.G. Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press, 2000. 864 p.Leishman, J.G. (2000). Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press, 864 p.Юрьев Б.Н. Аэродинамический расчет вертолетов. М.: Оборонгиз, 1956. 560 с.Yurev, B.N. (1956). Aerodinamicheskiy raschet vertoletov [Helicopter aerodynamic prediction]. Moscow: Oborongiz, 560 p. (in Russian)Петросян Э.А. Аэродинамика соосного винта. М.: Полигон-пресс, 2004. 820 с.Petrosyan, E.A. (2004). Aerodinamika soosnogo vinta [Co-axial rotor aerodynamics]. Moscow: Poligon-press, 820 p. (in Russian)Миль М.Л. Вертолеты. Расчет и проектирование. Т. 1. Аэродинамика / А.В. Некрасов, А.С. Браверман, Л.Н. Гродко, М.А. Лейканд. М.: Машиностроение, 1966.Mil, M.L., Nekrasov, A.V., Braverman, A.S., Grodko, L.N. and Leykand, M.A. (1966). Vertolety. Raschet i proektirovanie [Helicopters. Calculation and design]. T. 1. Aerodinamika. Moscow: Mashinostroenie. (in Russian)Вождаев Е.С. Аэродинамический расчет воздушного винта на основе точных аналитических решений в задаче о нестационарном поле скоростей винтовых вихрей // Труды ЦАГИ. 2002. Вып. 2659. 23 с.Vozhdaev, E.S. (2002). Aerodinamicheskiy raschet vozdushnogo vinta na osnove tochnykh analiticheskikh resheniy v zadache o nestatsionarnom pole skorostey vintovykh vikhrey [Rotor aerodynamic prediction based on analytically precise solutions for the problem of blade vortex unsteady flow field]. Trudy TsAGI [Proceedings of TsAGI]. Iss. 2659, 23 p. (in Russian)Бурцев Б.Н. Феномен высокого полезного действия соосных несущих винтов на режиме висения / И.М. Вайнштейн, В.Н. Квоков, Э.А. Петросян // Труды 3-го форума Российского вертолетного общества. Москва. 1998. С. 103–121.Burtsev, B.N., Vainshtein, I.M., Kvokov, V.N. and Petrosian, E.A. (1998). Fenomen vysokogo poleznogo deystviya soosnykh nesushchikh vintov na rezhime viseniya [The co-axial rotor system high efficiency phenomenon at hover mode]. Trudy 3-go foruma Rossiyskogo vertoletnogo obshchestva. Moscow, pp. 103–121. (in Russian)Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.Miheev, R.A. (1984). Prochnost vertoletov [Helicopter strength]. Moscow: Mashinostroenie, 280 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.