3.4.3. Выбор профиля сечения лопасти

Аэродинамика несущей поверхности (лопасти винта) вертолета определяется, прежде всего, формой ее поперечных сечений.

Профиль представляет собой контур, образующийся при пересечении внешней (теоретической) поверхности лопасти плоскостью, перпендикулярной ее продольной оси, и характеризуется совокупностью параметров: хорда ( ), относительная толщина профиля ( ), стрела прогиба средней линии профиля ( ), относительная кривизна (вогнутость, ), положение центра давления (х_цд) и/или фокуса (х_ф).

На выбор профиля лопасти могут повлиять: конструктивно-технологические ограничения по размещению лонжерона, противофлаттерного груза, противообледенительной системы; материал силовых элементов конструкции лопасти; способы и технология изготовления лопасти.

Сам по себе профиль (контур, замкнутая линия) не может создавать ни подъемной силы, ни лобового сопротивления. Поэтому рассматривают аэродинамические характеристики участка единичной длины в лопасти бесконечного размаха.

Характеристики профиля, используемые в аэродинамике вертолета, — это зависимости коэффициентов подъемной силы (С_у), лобового сопротивления (С_х) и продольного момента (m_Z) профиля лопасти бесконечного размаха от угла атаки () и числа Маха (М) воздушного потока.

К профилю лопасти несущего винта вертолета предъявляются следующие требования:

• высокое аэродинамическое качество К_а = С_у /С_х;

• большое значение критического числа М_кр;

• неподвижность* (или относительно малое перемещение) центра давления (ЦД) по хорде с изменением углов атаки лопасти () (в т.ч. шага лопасти ) – т.к. перемещение ЦД по профилю назад создает на лопасти дополнительный пикирующий момент, который будет закручивать лопасть на нерасчетное уменьшение углов атаки, а следовательно, на уменьшение подъемной силы лопасти НВ;

• профили лопасти должны способствовать переходу НВ на режим самовращения в большом диапазоне углов атаки, т.е. чтобы при отказе двигателя на любом шаге несущий винт переходил на режим авторотации. Это требование обеспечивается высоким аэродинамическим качеством профиля лопасти, которое остается неизменным (или уменьшается незначительно) в большом диапазоне углов атаки;

• лопасть должна быть изготовлена с точным соблюдением формы назначенного профиля и размеров. В противном случае изменяются ее аэродинамические и другие характеристики, что приведет к ухудшению летных свойств вертолета. Отклонения от теоретического контура профиля лопасти, характеризуемого волнистостью, вызванной погрешностью изготовления и нерасчетной деформацией лопасти от нагрузок;

• профиль лопасти должен обеспечивать минимальное лобовое сопротивление собственно лопасти, величина которого зависит также от материала покрытия лопасти и качества внешней обработки этого материала. Предельно гладкая поверхность лопастей необходима не только для уменьшения общего сопротивления лопастей, что ведет к уменьшению потребной мощности вращения винта, но и для увеличения критического угла, при котором наступает срыв потока;

• центровка по хорде профиля должна быть предельно передней относительно ЦД, чтобы предотвращатьфлаттер лопастей.

С целью получения наилучшего качества НВ лопасть зачастую проектируют с переменным по размаху профилем.

Аэродинамические исследования профилей обычно ведутся не над одним каким-либо профилем, а над семейством профилей, построенных по тому или иному закону.

Семейство профилей ‑ совокупность профилей, у которых характер средней линии и форма одинаковы, а другие геометрические характеристики (относительная толщина, кривизна профиля, положения максимальной толщины и другие) изменяются в зависимости от серии.

Серией профилей называют семейства профилей, у которых положения максимальной толщины и кривизны неизменны, а изменяется только относительная толщина или относительная кривизна либо то и другое вместе. Например, профили NACA-23012 и NACA-3312 имеют разную кривизну, а профили NACA-22012 и NACA-2412 — разное положение максимальной кривизны. Они принадлежат к разным сериям, но к одному и тому же семейству.

Наиболее употребительными аэродинамическими профилями для НВ являются: профили NACA-23012, -23015, NACA-63А012, -63А015, симметричные профили NACA-000, скоростной профиль ЦАГИ П-57-9 и др., а также профили, специально созданные для лопастей НВ вертолетов (рис. 3.1, табл. 3.3).

Таблица 3.3

Профиль НН-02 получен для оптимизации С_у max при значении = 0,4: НН-02 имеет относительную толщину 9,5% и обеспечивает достижение высоких чисел без увеличения лобового сопротивления. Профиль НН-02, по мнению специалистов, вполне конкурентоспособен и имеет лучшие характеристики, чем профиль NACA-0012, т.к. отогнутая вверх концевая пластина в хвостовой части профиля способствует уменьшению момента пикирования, свойственного изогнутому профилю. При нулевом угле установки лопасти центр давления (ЦД) смещается по профилю НН-02 с обычного положения (25% хорды) до 27% хорды. Такое смещение ЦД дает возможность снизить массу противофлаттерного груза в носке лопасти (в частности, вертолет АН-64 летал с перегрузками > 3,5 при высоких скоростях, что является подтверждением высоких значений профиля НН-02 (табл. 3.3)). Профиль НН-02 благоприятно работает и при азимутах отступающей лопасти.

На аэродинамическое качество профиля влияет расположение поперечного сечения по длине лопасти, так как аэродинамические характеристики лопасти НВ существенно изменяются по радиусу НВ (и на режиме висения вертолета).

При горизонтальном полете вертолета сечения лопасти НВ и РВ работают в режиме косой обдувки. В этом случае скорости потока и углы атаки по сечениям лопасти изменяются не только по радиусу, но и по азимуту () [93]. Обтекание сечений становится нестационарным. Пограничный слой лопасти подвержен воздействию центробежных и кориолисовых сил. Вектор скорости набегающего потока в сечениях не перпендикулярен к передней кромке (оси) лопасти, и элементы лопасти обтекаются под различными углами скольжения.

Необходимость определения аэродинамических характеристик НВ в этих условиях требует принятия допущений (гипотезы плоских сечений, стационарности потока), которые упрощают реальную картину работы сечения лопасти (профиля) и расчеты.

Окончательный выбор профилей лопасти осуществляется путем оптимизации аэродинамических и аэроупругих характеристик винта.

На этапе эскизного проектирования выбор профиля носит предварительный характер и направлен на определение окружной скорости ( ) несущего винта с учетом ограничений по сжимаемости на наступающей лопасти и срыву потока на отступающей, а также на количественную оценку влияния характеристик НВ на массу и характеристики вертолета (табл. 3.4).

Таблица 3.4

При выборе профиля лопасти следует помнить: на отступающей лопасти в окрестности азимута  = 270º профиль должен иметь максимально возможное значение при малых значениях числа М ≤ 0,4, а на наступающей лопасти в окрестности азимута  = 90º ‑ максимально возможное значение при малых значениях коэффициента .

Вместе с тем важно, чтобы в окрестности азимутов  = 0 и 180º, где величины и имеют средние значения ( = 0,5...0,7), аэродинамическое качество сечения лопасти было максимальным.

Если подобрать три профиля, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям (при  = 90º, = 270º, = 0º или = 180º), то их геометрия будет существенно отличаться, что невыполнимо с точки зрения технологии изготовления лопасти. Поэтому находят компромиссное решение, исходя из наиболее важных для данного вертолета условий его летной эксплуатации. Считается, что значительное влияние на эффективность эксплуатации вертолета оказывает улучшение характеристик НВ на режиме висения, так как это позволяет увеличить грузоподъемность вертолета при неизменной мощности силовой установки. И лишь второй по важности задачей считается увеличение несущей способности НВ при полете вертолета с большой горизонтальной скоростью.

На рис. 3.2 показана зависимость от для профиля NACA-23012 и скоростного профиля [93, 94].

то необходимо ограничивать либо окружную скорость , либо корость полета V_max. Для уменьшения вредного влияния сжимаемости при полете на в концевых сечениях лопастей применяют симметричные профили малой относительной ( = 6…8%) толщины, а также специальные законцовки, показанные на рис. 3.3.