Расчетные исследования аэродинамических характеристик соосного несущего винта вертолета Ка-226Т на режимах «вихревого кольца»

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 α_В = 90...30° и диапазон скоростей вертикального снижения V_у = 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 «V_x − V_y» по различным критериям, отражающим известные особенности данных режимов. Полученные результаты существенно дополняют имеющийся опыт экспериментальных и численных исследований в данной области.

1. Акимов А.И. Аэродинамика и летные характеристики вертолетов. М.: Машиностроение, 1988. 144 с.

2. Петросян Э.А. Аэродинамика соосного вертолета. М.: Полигон-пресс, 2004. 820 с.

3. Leishman J.G. Principles of helicopter aerodynamics. Cambridge University Press, 2006. 826 p.

4. Johnson W. Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 2013. 927 p.

5. 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).

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.54.032003

12. Mohd 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.v9i2.623

13. Stalewski 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-12-2019-0264

14. Kinzel 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: 10.2514/6.2019-1098

15. Игнаткин 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.

16. Makeev 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.2020.12.011

17. Vassiliyev 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.

18. 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.

19. 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/S0022112005004155

20. Savas 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.54.022001