Чисельне дослідження втулкових втрат штовхаючих повітряних гвинтів з дворядними об’єднаними лопатями малорозмірних безпілотних повітряних апаратів
DOI:
https://doi.org/10.15587/2312-8372.2020.198084Ключові слова:
повітряний гвинт, вторинні втрати, гвинтовентилятор, втулковий вихор, тандемний профіль, стрічка Мьобіуса, коробчатий гвинт, тандемний гвинтАнотація
Об'єктом дослідження є штовхаючий тандемний гвинт з об’єднаними лопатями. При аналізі характеристик штовхаючих гвинтів виявлено, що одним з проблемних місць є зниження їх ефективності у зв’язку зі зменшенням осьової тяги, що відбувається через утворення зони зниженого тиску (розрідження) в області втулки та кока гвинта. Для штовхаючих гвинтів класичної схеми зниження ефективності сягає рівня 1–2 %. Зазначено, що відносно тандемних гвинтів така інформація відсутня у зв’язку з тим, що такі конструкції практично не застосуовуються на літальних апаратах. Однак в останні роки їх потенційні можливості та переваги перед класичними гвинтами підвищили інтерес дослідників до питань застосування тандемних гвинтів на літальних апаратах. Відзначено, що тандемний гвинт повинен мати більші втулкові втрати в порівнянні з класичним гвинтом, оскільки дифузорність міжлопаткового каналу більше. Для оцінки значення та встановлення факторів, які впливають на утворення втулкових втрат тандемних гвинтів, проведені дослідження методами чисельної газодинаміки. Для моделювання роботи тандемного гвинта використовувався програмний комплекс ANSYS CFX, в якому реалізований алгоритм вирішення нестаціонарних осереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'є-Стокса замкнутих моделлю турбулентності SST Ментера. В результаті моделювання встановлено, що на рівень вторинних втрат у втулковій частині дворядного гвинта істотно впливає взаємне розташування профілів першої та другої лопаті. При збільшенні кута установки профілів лопаті другого ряду, збільшується розрідження у втулковій частині та в зоні кока, що приводить до виникнення зворотньої тяги, яка зменшує тягу гвинта в середньому на 3–4 %. Отримані результати підтвердили припущення, що втулкові втрати тандемних гвинтів на пряму залежать від дифузорності міжлопаткового каналу в кореневій частині лопатей. Врахування результатів дослідження при проектуванні тандемних гвинтів дозволить зменшити втулкові втрати та підвищити ефективність гвинтів в цілому.
Посилання
- Atinault, O., Carrier, G., Grenon, R., Verbecke, C., Viscat, P. (2013). Numerical and Experimental Aerodynamic Investigations of Boundary Layer Ingestion for Improving Propulsion Efficiency of Future Air Transport. 31st AIAA Applied Aerodynamics Conference. doi: http://doi.org/10.2514/6.2013-2406
- Seitz, A., Gologan, C. (2014). Parametric design studies for propulsive fuselage aircraft concepts. CEAS Aeronautical Journal, 6 (1), 69–82. doi: http://doi.org/10.1007/s13272-014-0130-3
- European Comission. Flightpath 2050: Europe’s vision for aviation, report of the high level group on aviation research. (2011). Publications Office of the European Union.
- Drela, M., Mueller, T. J. (1989). XFOIL – An Analysis and Design System for Low Reynolds Number Airfoils. Low Reynolds Number Aerodynamics. Berlin: Springer-Velag, 1–12. doi: http://doi.org/10.1007/978-3-642-84010-4_1
- McGranahan, B. D., Selig, M. S. (2003). Surface Oil Flow Measurements on several Airfoils at Low Reynolds Numbers. 21st AIAA Applied Aerodynamics Conference, Orlando. doi: http://doi.org/10.2514/6.2003-4067
- Brandt, J. B. (2005). Small-Scale Propeller Performance at Low Speeds. Champaign. Available at: https://m-selig.ae.illinois.edu/props/volume-1/Brandt_2005_UIUC-MS-Thesis.pdf
- Wang, M. H. (1985) Hub Effects in Propeller Design and Analysis. Massachusetts. Available at: https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a158853.pdf
- Yin, J., Stuermer, A., Aversano, M. (2012). Aerodynamic and Aeroacoustic Analysis of Installed Pusher-Propeller Aircraft Configurations. Journal of Aircraft, 49 (5), 1423–1433. doi: http://doi.org/10.2514/1.c031704
- Yang, Y., Zhou, T., Sciacchitano, A., Veldhuis, L., Eitelberg, G. (2016). Propeller and inflow vortex interaction: vortex response and impact on the propeller performance. CEAS Aeronautical Journal, 7 (3), 419–428. doi: http://doi.org/10.1007/s13272-016-0198-z
- Yang, Y., Zhou, T., Sciacchitano, A., Veldhuis, L., Eitelberg, G. (2015). Propeller and inflow vortex interaction: vortex response and impact on the propeller performance. 5th CEAS Air & Space Conference. Delft, Sep.
- Capitao Patrao, A. (2018). On the Aerodynamic Design of the Boxprop. Gothenburg, 74. Available at: https://www.researchgate.net/publication/328530718_On_the_Aerodynamic_Design_of_the_Boxprop
- Shen, C., Qiang, X., Teng, J. (2012). Numerical and experimental investigation of an axial compressor flow with tandem cascade. Journal of Thermal Science, 21 (6), 500–508. doi: http://doi.org/10.1007/s11630-012-0574-x
- Capitao Patrao, A., Avellán, R., Lundbladh, A., Grönstedt, T. (2016). Wake and Loss Analysis for a Double Bladed Swept Propeller. Proceedings of ASME Turbo Expo. Seoul. doi: http://doi.org/10.1115/gt2016-56540
- Ruchala, P. (2016). An influence of pusher propeller cover on its performance – A concept of wind tunnel investigation. Journal of KONES, 23 (4), 429–434. doi: http://doi.org/10.5604/12314005.1217263
- Xu, J.-H., Song, W.-P., Yang, X.-D., Zhang, Y. (2017). Investigation on Improving Efficiency of High-Altitude Propeller with Tandem Configuration. AIAA AVIATION Forum. 35th AIAA Applied Aerodynamics Conference. Denver, 12. doi: http://doi.org/10.2514/6.2017-3575
- Djihada, B., Omar, I. (2017). Impact of some geometrical aspects on the tandem co-rotating propeller hydrodynamic characteristics. Brodogradnja, 68 (1), 107–123. doi: http://doi.org/10.21278/brod68107
- Jiang, X., Li, T., Hu, J., Lin, Y. (2019). Numerical Simulation and Design of Parameter Matching on the Open Water Performance of CRP. The 29th International Ocean and Polar Engineering Conference. Honolulu, 8.
- Jung, H., Kanemoto, T., Liu, P. (2017). A Numerical Prediction of Tip Vortices from Tandem Propellers in the Counter-Rotating Type Tidal Stream Power Unit. Journal of Power and Energy Engineering, 5 (12), 66–74. doi:10.4236/jpee.2017.512009
- Tillman, G., Ochs, S. S., Kearney, J. S., Wake, B. E. (2006). Control of high-reynolds-number turbulent boundary layer separation using counter-flow fluid injection. 3rd AIAA Flow Control Conference, 14. doi: http://doi.org/10.2514/6.2006-3025
- Cerretelli, C., Gharaibah, E., Toplack, G., Gupta, A., Wuerz, W. (2009). Unsteady separation control for wind turbine applications at full scale reynolds numbers. 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 13. doi: http://doi.org/10.2514/6.2009-380
- Parra P. H. G., Angulo M. V. D., Gaona G. E. E. (2018). CFD Analysis of two and four blades for multirotor Unmanned Aerial Vehicle. Conference: 2018 IEEE 2nd Colombian Conference on Robotics and Automation (CCRA), 7. doi: http://doi.org/10.1109/ccra.2018.8588130
- Shi, W., Li, J., Yang, Z., Zhang, H. (2018). CFD Analysis of Contrarotating Open Rotor Aerodynamic Interactions. International Journal of Aerospace Engineering, 2018, 1–13. doi: http://doi.org/10.1155/2018/9538787
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32 (8), 1598–1605. doi: http://doi.org/10.2514/3.12149
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Mykola Kulyk, Fedir Kirchu, Hanesh Hussein
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
