cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-2-80-93caht-2338Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРасчетные исследования аэродинамических характеристик соосного несущего винта вертолета Ка-226Т на режимах «вихревого кольца»Computational investigations of Ka-226T helicopter coaxial rotor aerodynamics in the vortex ring stateМакеевП. В.MakeevP. V.

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

г. Москва

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

Moscow

makeevpv@mai.ruИгнаткинЮ. М.IgnatkinYu. M.

Игнаткин Юрий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования вертолетов

г. Москва

Yuri M. Ignatkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Helicopter Design Chair

Moscow

k102@mai.ruШомовА. И.ShomovA. I.

Шомов Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, главный конструктор по направлению

пос. Томилино, Московская область

Alexander I. Shomov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chief Designer

Tomilino

a.shomov@nhc.aeroСелеменевС. В.SelemenevS. V.

Селеменев Сергей Витальевич, технический руководитель КБ 3.3

пос. Томилино, Московская область

Sergey V. Selemenev, Technical Director of the Design Office 3.3

Tomilino

s.selemenev@kamov.ruМосковский авиационный институтРоссияMoscow Aviation Institute (MAI)Russian FederationАО «НЦВ Миль и Камов»РоссияJSC “Russian Helicopters”Russian Federation2024060520242728093Copyright © Макеев П.В., Игнаткин Ю.М., Шомов А.И., Селеменев С.В., 20242024Макеев П.В., Игнаткин Ю.М., Шомов А.И., Селеменев С.В.Makeev P.V., Ignatkin Y.M., Shomov A.I., Selemenev S.V.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/2338

Режимы «вихревого кольца» наблюдаются при обтекании винта с положительными углами атаки. Для несущего винта эти условия реализуются при крутом снижении вертолета с малыми скоростями. Режимы «вихревого кольца» винта сопровождаются рядом характерных явлений, связанных с поведением его аэродинамических характеристик, в том числе явлений негативного характера. К последним относятся прежде всего снижение тяги винта, рост потребной мощности, пульсации тяги и крутящего момента, неустановившееся маховое движение лопастей и др. С точки зрения пилотирования вертолета они выражаются в резкой потере высоты, росте расходов управления, высоком уровне вибраций, «размытии» конуса вращения лопастей, ухудшении управляемости. Все это определяет актуальность исследований данных режимов и важность практической реализации задачи определения их границ. В последнее время в связи с бурным развитием вычислительной техники и совершенствованием расчетных моделей появляется возможность выполнять численные исследования аэродинамических характеристик винтов на режимах «вихревого кольца». В работе представлены результаты исследований аэродинамических характеристик соосного несущего винта вертолета Ка-226Т на режимах крутого снижения в области режимов «вихревого кольца». Рассмотрены углы атаки винта αВ = 90...30° и диапазон скоростей вертикального снижения Vу = 0…26 м/с. Использована оригинальная нелинейная лопастная вихревая модель винта, разработанная в Московском авиационном институте (МАИ). Рассчитаны суммарные и распределенные аэродинамические характеристики винта. Проанализированы формы вихревого следа и картины обтекания винта. Построены границы режимов «вихревого кольца» в скоростных координатах «Vx − Vy» по различным критериям, отражающим известные особенности данных режимов. Полученные результаты существенно дополняют имеющийся опыт экспериментальных и численных исследований в данной области.

The vortex ring states are observed when the rotor is flowed at positive angles of attack. For the main rotor, these conditions are realized during a steep descent of the helicopter at low speeds. The rotor vortex ring states are affected by significant phenomena related to the behavior of its aerodynamics, including negative phenomena. The latter is, firstly, referred to decrease in rotor thrust, increase in the required power, pulsations of thrust and torque, unsteady flapping blade motion, etc. In terms of helicopter piloting, it means a sharp loss of altitude, increase in the control force, a high level of vibration, defocusing attenuation of rotor spinning cone, as well as controllability deterioration. All these factors determine the relevance of research on these modes and the importance of solving a problem of defining their boundaries. Recently, due to the rapid development of computer technologies and computational models, it has become practical to perform numerical research of the rotor aerodynamics in vortex ring states. The paper presents the study results of Ka-226T helicopter coaxial rotor aerodynamics in steep descent modes in the field of vortex ring states. The angles of rotor attack αВ = 90...30° and the range of vertical descent velocities Vу = 0...26 m/s are considered. The original nonlinear bladed vortex model of the rotor developed at the Moscow Aviation Institute (MAI) was used. The total and distributed aerodynamic rotor characteristics were calculated. The shapes of the vortex wake and the rotor flow patterns were analyzed. The boundaries of the vortex ring states in velocity coordinates “Vx − Vу” were constructed according to various criteria reflecting the known features of these states. The results obtained significantly complement the existing experience of experimental and numerical research in this field.

соосный несущий винтнелинейная вихревая модельвисениекрутое снижениережимы «вихревого кольца»аэродинамические характеристикиграницы режимов «вихревого кольца»coaxial main rotornonlinear vortex modelhoversteep descentvortex ring statesaerodynamicsboundaries of vortex ring statesReferencesАкимов А.И. Аэродинамика и летные характеристики вертолетов. М.: Машиностроение, 1988. 144 с.Akimov, A.I. (1988). Aerodynamics and flight characteristics of helicopters. Moscow: Mashinostroyeniye, 144 p. (in Russian)Петросян Э.А. Аэродинамика соосного вертолета. М.: Полигон-пресс, 2004. 820 с.Petrosian, E.A. (2004). Coaxial helicopter aerodynamics. Moscow: Polygon-Press, 820 p. (in Russian)Leishman J.G. Principles of helicopter aerodynamics. Cambridge University Press, 2006. 826 p.Leishman, J.G. (2006). Principles of helicopter aerodynamics. Cambridge University Press, 826 p.Johnson W. Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 2013. 927 p.Johnson, W. (2013). Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 927 p.Johnson W. Model for vortex ring state influence on rotorcraft flight dynamics. NASA/TP-2005-213477 [Электронный ресурс] // NASA. 2005. 76 p. URL: https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Johnson_TP-2005-213477.pdf (дата обращения: 12.12.2023).Johnson, W. (2005). Model for vortex ring state influence on rotorcraft flight dynamics. NASA/TP-2005-213477. NASA, 76 p. Available at: https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Johnson_TP-2005-213477.pdf (accessed: 12.12.2023).Anikin V.A. Helicopter main rotor aerodynamic performance in descent conditions // Proceedings of the 58th Annual Forum of the American Helicopter Society. Montreal, Canada, 11–13 June 2002. 15 p.Anikin, V.A. (2002). Helicopter main rotor aerodynamic performance in descent conditions. In: proceedings of the 58th Annual Forum of the American Helicopter Society. Montreal, Canada, 11–13 June, 15 p.Leishman J.G., Bhagwat M.J., Ananthan S. Free-Vortex wake predictions of the vortex ring state for single rotor and multi-rotor configurations // Proceedings of the 58th annual forum of the American Helicopter Society. Montreal, Canada, 11–13 June 2002. 30 p.Leishman, J.G., Bhagwat, M.J., Ananthan, S. (2002). Free-Vortex wake predictions of the vortex ring state for single rotor and multirotor configurations. In: Proceedings of the 58th annual forum of the American Helicopter Society. Montreal, Canada, 11–13 June, 30 p.Bailly J. A qualitative analysis of vortex ring state entry using a fully time marching unsteady wake model // Proceedings of the 36th European Rotorcraft Forum. Paris, France, 7–9 September 2010. 18 p.Bailly, J. (2010). A qualitative analysis of vortex ring state entry using a fully time marching unsteady wake model. In: Proceedings of the 36th European Rotorcraft Forum, Paris, France, 7–9 September, 18 p.Brown R. Blade twist effects on rotor behaviour in the vortex ring state / R. Brown, J. Leishman, S. Newman, F. Perry // Proceedings of the 28th European Rotorcraft Forum. Bristol, UK, 17–20 September 2002. 14 p.Brown, R., Leishman, J., Newman, S., Perry, F. (2002). Blade twist effects on rotor behaviour in the vortex ring state. In: Proceedings of the 28th European Rotorcraft Forum, Bristol, UK, 17–20 September, 14 p.Крымский В.С., Щеглова В.М. Исследование вихревой системы и индуктивных скоростей несущего винта на режимах висения и крутого планирования // Научный Вестник МГТУ ГА. 2014. № 200. С. 86–90.Krimskiy, V.S., Shcheglova, V.M. (2014). The investigation of rotor's inflow and main rotor's induced velocity at hover and steep descents. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 200, pp. 86–90. (in Russian)Ahlin G.A., Brown R.E. Wake structure and kinematics in the vortex ring state // Journal of the American Helicopter Society. 2009. Vol. 54, no. 3. Pp. 1–18. DOI: 10.4050/JAHS.54.032003Ahlin, G.A., Brown, R.E. (2009). Wake structure and kinematics in the vortex ring state. Journal of the American Helicopter Society, vol. 54, no. 3, pp. 1–18. DOI: 10.4050/JAHS.54.032003Mohd N.A.A.R., Barakos G. Performance and wake analysis of rotors in axial flight using computational fluid dynamics // Journal of Aerospace Technology and Management. 2017. Vol. 9, no. 2. Pp. 193–202. DOI: 10.5028/jatm.v9i2.623Mohd, N.A.A.R., Barakos, G. (2017). Performance and wake analysis of rotors in axial flight using computational fluid dynamics. Journal of Aerospace Technology and Management, vol. 9, no. 2, pp. 193–202. DOI: 10.5028/jatm.v9i2.623Stalewski W., Surmacz K. Investigations of the vortex ring state on a helicopter main rotor using the URANS solver // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2020. Vol. 92, no. 9. Pp. 1327–1337. DOI: 10.1108/AEAT-12-2019-0264Stalewski, W., Surmacz, K. (2020). Investigations of the vortex ring state on a helicopter main rotor using the URANS solver. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 92, no. 9, pp. 1327–1337. DOI: 10.1108/AEAT-12-2019-0264Kinzel M.P., Cornelius J.K., Schmitz S. et al. An investigation of the behavior of a coaxial rotor in descent and ground effect // Proceedings of the AIAA SciTech 2019 Forum. San Diego, USA, 7–11 January 2019. 13 p. DOI: 10.2514/6.2019-1098Kinzel, M.P., Cornelius, J.K., Schmitz, S. et al. (2019). An investigation of the behavior of a coaxial rotor in descent and ground effect. In: Proceedings of the AIAA SciTech 2019 Forum, San Diego, USA, 7–11 January, 13 p. DOI: 10.2514/6.2019-1098Игнаткин Ю.М. Расчетные исследования режимов крутого снижения несущего винта на базе нелинейной лопастной вихревой модели / Ю.М. Игнаткин, П.В. Макеев, А.И. Шомов, В.И. Шайдаков // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2019. № 2. C. 68–77.Ignatkin, Y.M., Makeev, P.V., Shomov, A.I., Shaidakov, V.I. (2019). Computational research of the main rotor steep descent modes based on the nonlinear blade vortex model. Russian Aeronautics, vol. 62, no. 2, pp. 244–253. DOI: 10.3103/S1068799819020107Makeev P.V., Ignatkin Yu.M., Shomov A.I. Numerical investigation of full scale coaxial main rotor aerodynamics in hover and vertical descent // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34, iss. 5. Pp. 666–683. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.011Makeev, P.V., Ignatkin, Yu.M., Shomov, A.I. (2021). Numerical investigation of full scale coaxial main rotor aerodynamics in hover and vertical descent. Chinese Journal of Aeronautics, vol. 34, issue 5, pp. 666–683. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.011Vassiliyev B.A. The Кa-226 helicopter flight performance and its compliance with the modern requirements / B.A. Vassiliyev, V.N. Kvokov, F.N. Pavlidi, E.A. Petrosian, E.B. Feofilov // Proceedings of the 33th European Rotorcraft Forum. Russia, Kazan, 11–13 September 2007. 12 p.Vassiliyev, B.A., Kvokov, V.N., Pavlidi, F.N., Petrosian, E.A., Feofilov, E.B. (2007). The Кa-226 helicopter flight performance and its compliance with the modern requirements. In: Proceedings of the 33th European Rotorcraft Forum. Russia, Kazan, 11–13 September, 12 p.Burtsev B.N., Ryabov V.I., Selemenev S.V. Mathematical modeling of Кa-226 / Кa-26 Helicopter main rotor blade flapping motion at rotor acceleration / Deceleration in wind conditions // Proceedings of the 33rd European Rotorcraft Forum. Russia, Kazan, 11–13 September 2007. 14 p.Burtsev, B.N., Ryabov, V.I., Selemenev, S.V. (2007). Mathematical modeling of Кa-226 / Кa-26 Helicopter main rotor blade flapping motion at rotor acceleration / Deceleration in wind conditions. In: Proceedings of the 33rd European Rotorcraft Forum, Russia, Kazan, 11–13 September, 14 p.Green R., Gillies E., Brown R. The flow field around a rotor in axial descent // Journal of Fluid Mechanics. 2005. Vol. 543. Pp. 237–261. DOI: 10.1017/S0022112005004155Green, R., Gillies, E., Brown, R. (2005). The flow field around a rotor in axial descent. Journal of Fluid Mechanics, vol. 543, pp. 237–261. DOI: 10.1017/S0022112005004155Savas O., Green R., Caradonna F. Coupled thrust and vorticity dynamics during vortex ring state // Journal of the American Helicopter Society. 2009. Vol. 54, no. 2. Pp. 1–10. DOI: 10.4050/JAHS.54.022001Savas, O., Green, R., Caradonna, F. (2009). Coupled thrust and vorticity dynamics during vortex ring state. Journal of the American Helicopter Society, vol. 54, no. 2, pp. 1–10. DOI: 10.4050/JAHS.54.022001

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