MODELOWANIE LOTU ŚMIGŁOWCA W WARUNKACH WYSTĘPOWANIA PIERŚCIENIA WIROWEGO ZA POMOCĄ VIRTUAL BLADE MODEL

(1)

MODELOWANIE LOTU ŚMIGŁOWCA W WARUNKACH WYSTĘPOWANIA PIERŚCIENIA WIROWEGO

ZA POMOCĄ VIRTUAL BLADE MODEL

Katarzyna Grzegorczyk

^1a

1Instytut Lotnictwa

e-mail: ^akatarzyna.grzegorczyk@ilot.edu.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki trójwymiarowej analizy aerodynamicznej opływu śmigłowca znajdującego się w warunkach występowania zjawiska pierścienia wirowego. Zagadnienie rozwiązywano przy pomocy tzw. Modelu Wirtualnej Łopaty (VBM), opartego na sprzężeniu teorii elementu łopaty z równaniami pola przepływu. Oblicze- nia numeryczne wykonano przy wykorzystaniu geometrii i parametrów śmigłowca W-3 „Sokół”.

CD – współczynnik siły oporu CL – współczynnik siły nośnej

P – moc na wale wirnika nośnego [W]

T – siła ciągu [N]

w – pionowa składowa prędkości [m/s]

V – pozioma składowa prędkości [m/s]

(prędkość powietrza napływającego na śmigło ogonowe) vio – prędkość indukowana w zawisie [m/s]

α – kąt natarcia profilu łopaty [deg]

Φ – kąt skoku ogólnego [deg]

Ψ – azymut łopaty [deg]

ω – prędkość obrotu śmigłowca wokół osi pionowej [rad/s]

LTE – Loss of Tail Rotor Effectiveness (spadek efektywności śmigła ogonowego) VBM – Virtual Blade Model (model wirtualnej łopaty)

VRS – Vortex Ring State (stan pierścienia wirowego )

SIMULATION OF HELICOPTER FLIGHT IN THE VORTEX RING CONDITIONS USING VIRTUAL BLADE MODEL

Summary

The paper presents the results of three-dimensional aerodynamic analysis of the flow around the helicopter in the vortex ring conditions. A phenomenon solved by Virtual Blade Model (VBM) based on coupling the blade element theory (BET) with the flow field equations. Numerical calculations performed using the geometry and flight para- meters of helicopter W-3 "Sokół".

1. WSTĘP

Niniejsza praca stanowi kontynuację analiz (głównie numerycznych) z problematyki zjawiska pierścienia wirowego na śmigłowcu jednowirnikowym. Zjawisko pierścienia wirowego na śmigłowcu o takim układzie

konstrukcyjnym może wystąpić w dwóch postaciach, jako:

- VRS (Vortex Ring State), czyli stan pierścienia wirowego na wirniku nośnym

(2)

- LTE (Loss of Tail Rotor Effectiveness), czyli sp dek efektywności pracy śmigła ogonowego spow dowanego wejściem w obszar pierścienia wiroweg Obie formy tego zjawiska były tematem wcześniejszych rozważań, co pokrótce zostanie przedstawione w dalszej części artykułu. Natomiast kluczowym tematem ninie szej pracy jest modelowanie tego zjawiska na izolow nym śmigle ogonowym śmigłowca za pomocą Vir Blade Model (VBM).

2. OPIS ZJAWISKA

Przyczyną obu zjawisk – VRS i LTE –

nie się prędkości indukowanej przez wirnik nośny lub śmigło ogonowe oraz przeciwnie zwróconej prędkości napływu. Efektem tego jest powstawanie wokół wirnika (rys. 1a.) lub śmigła (rys. 1b.) rotacyjnego ruchu powi trza. Stan pierścienia wirowego stanowi poważne zagr żenie bezpieczeństwa lotu, wynikające z niekontrolow nego opadania – w przypadku pierścienia na wirniku nośnym lub niekontrolowanego obrotu śmigłowca wok osi pionowej – w przypadku pierścienia na śmigle og nowym.

a)

b)

Rys.1. Schemat wirów generowanych w stanie pierścienia wirowego a) w płaszczyźnie tarczy wirnika nośnego b) w płaszczyźnie tarczy śmigła ogonowego

Zjawisko (jego inicjalizacja, rozwój

przebiega w określonych warunkach lotu śmigłowca, dlatego na podstawie korelacji między odpowiednimi parametrami lotu (w szczególności prędkości indukow

LTE (Loss of Tail Rotor Effectiveness), czyli spadek efektywności pracy śmigła ogonowego spowo- dowanego wejściem w obszar pierścienia wirowego Obie formy tego zjawiska były tematem wcześniejszych rozważań, co pokrótce zostanie przedstawione w dalszej części artykułu. Natomiast kluczowym tematem niniejszej pracy jest modelowanie tego zjawiska na izolowanym śmigle ogonowym śmigłowca za pomocą Virtual

– jest równoważe- nie się prędkości indukowanej przez wirnik nośny lub śmigło ogonowe oraz przeciwnie zwróconej prędkości napływu. Efektem tego jest powstawanie wokół wirnika 1a.) lub śmigła (rys. 1b.) rotacyjnego ruchu powietrza. Stan pierścienia wirowego stanowi poważne zagro- żenie bezpieczeństwa lotu, wynikające z niekontrolowa- w przypadku pierścienia na wirniku nośnym lub niekontrolowanego obrotu śmigłowca wokół w przypadku pierścienia na śmigle ogo-

Rys.1. Schemat wirów generowanych w stanie pierścienia wirowego a) w płaszczyźnie tarczy wirnika nośnego b) w

Zjawisko (jego inicjalizacja, rozwój i intensyfikacja) przebiega w określonych warunkach lotu śmigłowca, dlatego na podstawie korelacji między odpowiednimi parametrami lotu (w szczególności prędkości indukowa-

nej i prędkości napływu) możliwe jest wyznaczenie zakresu bezpiecznej eksploatacji. T

występowania zjawisk VRS I LTE zilustrowano na poniższym rysunkach. Na rys. 2a przedstawiono bezw miarowy wykres składowych prędkości (

pionowa, v – prędkość pozioma, gdzie czynnikiem ubezwymiarawiającym

indukowana w zawisie v^io. Na osie tego wykresu nani siono eliptyczny obszar występowania stanu pierścienia wirowego (szare pole). Schemat dostarcza informacji na temat niebezpiecznych zakresów poszczególnych skł dowych prędkości, które dają

w=(0,5÷1,5)vio, v=(-1÷1)vio,

natomiast zobrazowano strefy, w których zwiększa się ryzyko wystąpienia pierścienia wirowego na śmigle ogonowym. Ustalono, że konstrukcjom śmigłowców, w których wirnik nośny obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zagrażają podmuchy powietrza z prawej strony (z kierunku Ψ=30° ÷ 150°). I analogic nie, konstrukcjom, w których wirnik nośny obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zagrażają p dmuchy powietrza z lewej strony (z kierunku

330°), co schematycznie przedstawiono na rysunku.

a)

b)

Rys.2. Schemat granic niebezpiecznego użytkowania śmigłowca a) w przypadku pierścienia wirowego na wirniku nośnym [3]

b) w przypadku pierścienia wirowego na śmigle ogonow nej i prędkości napływu) możliwe jest wyznaczenie zakresu bezpiecznej eksploatacji. Teoretyczne zakresy występowania zjawisk VRS I LTE zilustrowano na poniższym rysunkach. Na rys. 2a przedstawiono bezwy- miarowy wykres składowych prędkości (w – prędkość

prędkość pozioma, u – prędkość boczna), gdzie czynnikiem ubezwymiarawiającym jest prędkość . Na osie tego wykresu nanie- siono eliptyczny obszar występowania stanu pierścienia wirowego (szare pole). Schemat dostarcza informacji na temat niebezpiecznych zakresów poszczególnych skła- dowych prędkości, które dają się opisać zależnościami:

, u=(-1÷1)vio. Na rys.2b.

natomiast zobrazowano strefy, w których zwiększa się ryzyko wystąpienia pierścienia wirowego na śmigle ogonowym. Ustalono, że konstrukcjom śmigłowców, aca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zagrażają podmuchy powietrza z Ψ=30° ÷ 150°). I analogicz- których wirnik nośny obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zagrażają po-

rony (z kierunku Ψ=210° ÷ 330°), co schematycznie przedstawiono na rysunku.

Rys.2. Schemat granic niebezpiecznego użytkowania śmigłowca a) w przypadku pierścienia wirowego na wirniku nośnym [3]

b) w przypadku pierścienia wirowego na śmigle ogonowym [4]

(3)

Wyniki doświadczeń przeprowadzonych w celu zbadania tego zagadnienia pokazały [1, 2], że rzeczywisty obszar pierścienia wirowego może być większy niż wynika to z analizy teoretycznej. Z tego powodu istnieje koniecz- ność wyznaczania indywidualnych charakterystyk śmigłowców ze wskazaniem stref bezpiecznych i niebezpiecznych zakresów jego użytkowania. Na poniższym rysunku przedstawiono teoretyczne zakresy występowa- nia zjawisk VRS I LTE.

3. MODELOWANIE ZJAWISKA

Obiektem badań podczas dotychczasowych analiz w zakresie występowania pierścienia wirowego był śmigłowiec W-3 „Sokół” (we wszystkich obliczeniach wykorzystywane były parametry i geometria tego śmi- głowca). Pierwsza część prac dotyczyła modelowania pierścienia wirowego na wirniku nośnym, druga obej- mowała modelowanie zjawiska na śmigle ogonowym. W obu przypadkach geometrię obliczeniową stanowił kadłub śmigłowca z wirnikiem nośnym i śmigłem ogonowym (rys. 3.).

Rys. 3. Geometria obliczeniowa śmigłowca

Trójwymiarowe obliczenia zostały wykonane za pomocą oprogramowania FLUENT. W początkowych analizach oba wirniki modelowane były za pomocą funkcji FAN (przy założeniu stałego skoku ciśnienia na całej tarczy).

Przypadek stanu pierścienia wirowego na wirniku no- śnym obejmował [3]:

• analizę pola przepływu wokół śmigłowca dla pio- nowego opadania przy prędkości zniżania z zakresu od 0 do 30 m/s,

• wyznaczenie charakterystyk, istotnych z punktu widzenia sterowania śmigłowcem, takich jak:

krzywa prędkości indukowanej w funkcji prędko- ści opadania, wypadkowej prędkości napływu powietrza na wirnik w funkcji prędkości opadania, mocy silnika w funkcji prędkości opadania

oraz kąta skoku ogólnego w funkcji prędkości opadania

• analizę pola przepływu wokół śmigłowca dla opadania z prędkością postępową

• symulację pulsacji siły ciągu na wirniku

Następnie przeprowadzane były analizy mające na celu zasymulowanie zjawiska pierścienia wirowego na śmigle ogonowym [5]. W tym celu wykonano obliczenia dla następujących przypadków:

• zawis śmigłowca śmigłowca z bocznym podmuchem wiatru

• obrót śmigłowca wokół osi pionowej, przeciwnie do zwrotu prędkości indukowanej przez śmigło

4. OBLICZENIA ZA POMOCĄ VBM

W użytym do obliczeń programie FLUENT pracę wirników, wentylatorów czy śmigieł można symulować z wykorzystaniem następujących metod [6]:

• FAN model

• VBM

• SRF/MRF (Single, Multiple Reference Frame models), MPM (Mixing Plane Model), SMM (Sliding Mesh Model)

Najprostszym narzędziem spośród wyżej wymienionych jest FAN model. Jest to uproszczona metoda, w której nie definiuje się parametrów wirnika, a zastępuje się go modelem aktywnego dysku (powierzchnią o zerowej grubości), do którego przypisuje się warunek uśrednio- nego, jednorodnego przyrostu ciśnienia na całej tarczy (rys. 4.). Takie podejście umożliwia uzyskanie wyników szybko i w prosty sposób, ale dzieje się to kosztem mniejszej dokładności.

Rys. 4. Schemat przyrostu ciśnienia na tarczy wirnika Najbardziej zaawansowane narzędzia (SRF/MRF, MPM, SMM) wymagają dokładnego odwzorowywania i dyskretyzacji geometrii łopat. Obliczenia za pomocą tych modeli dają najdokładniejsze wyniki, dostarczając jednocześnie najbardziej zaawansowanych danych, natomiast przekłada się to na czas dyskretyzacji

(4)

i obliczeń, a co za tym idzie na konieczność zapewnienia dużych mocy obliczeniowych. Takie modele o wysokiej dokładności i wiernie odtworzonej geometrii rzeczyw stych wirników, wentylatorów czy śmigieł wykorzyst wane są najczęściej przy projektowaniu łopat, łopatek oraz śmigieł.

Biorąc pod uwagę czynniki, takie jak: stopień trudności przygotowania modelu obliczeniowego, czas dyskretyz cji i obliczeń, niezbędne moce obliczeniowe, dokładność uzyskanych wyników, można stwierdzić, że gdzieś pomiędzy opisanymi metodami (Fan model oraz SRF, MRF, MPM, SMM) plasuje się Virtual Blade Model.

Pozwala on w prosty sposób odtworzyć przepływ wyw łany pracą wirujących elementów (łopat wirnika, łop tek wentylatora, śmigieł). VBM stanowi sprzężenie równań Naviera-Stokesa, opisujących pole przepływu obliczane w programie FLUENT z teorią elementu łopaty, w której to wartości sił i momentów oddziałuj cych na wirnik otrzymuje się poprzez całkowanie sił i momentów od poszczególnych elementów łopaty (rys.

5.).

Rys. 5. Prędkości i siły działające na element łopaty

W rzeczywistości rozkład prędkości indukowanej przez wirnik (czyli również rozkład ciągu i obciążenie tarczy wirnika) jest nierównomierny i zależy od azymutu, promienia i warunków pracy wirnika. VBM to moduł, który uwzględnia ten niejednolity rozkład

eczność zapewnienia dużych mocy obliczeniowych. Takie modele o wysokiej dokładności i wiernie odtworzonej geometrii rzeczywi- stych wirników, wentylatorów czy śmigieł wykorzystywane są najczęściej przy projektowaniu łopat, łopatek

wagę czynniki, takie jak: stopień trudności przygotowania modelu obliczeniowego, czas dyskretyzacji i obliczeń, niezbędne moce obliczeniowe, dokładność uzyskanych wyników, można stwierdzić, że gdzieś pomiędzy opisanymi metodami (Fan model oraz SRF, M, SMM) plasuje się Virtual Blade Model.

Pozwala on w prosty sposób odtworzyć przepływ wywo- łany pracą wirujących elementów (łopat wirnika, łopa- tek wentylatora, śmigieł). VBM stanowi sprzężenie

Stokesa, opisujących pole przepływu programie FLUENT z teorią elementu łopaty, w której to wartości sił i momentów oddziałują- cych na wirnik otrzymuje się poprzez całkowanie sił i momentów od poszczególnych elementów łopaty (rys.

Rys. 5. Prędkości i siły działające na element łopaty [7]

W rzeczywistości rozkład prędkości indukowanej przez wirnik (czyli również rozkład ciągu i obciążenie tarczy wirnika) jest nierównomierny i zależy od azymutu, promienia i warunków pracy wirnika. VBM to moduł, który uwzględnia ten niejednolity rozkład ciągu na

wirniku i skręcenie strumienia zawirnikowego (rys. 6.).

Rys. 6. Obraz skręcenia zawirnikowego generowanego w module VBM

Używając do obliczeń modułu VBM w modelu defini wane są dane geometryczne i parametry wirnika i jego łopat, między innymi takie jak: liczba łopat, promień wirnika, masa łopaty, momenty bezwładności łopat, prędkość obrotową wirnika (ze wskazaniem kierunku obrotów), współczynnik wahań i przekręceń, położenie środka dysku wirnika, orientację przestrzenną wirnika (pochylenie, przechylenie), skok ogólny i cykliczny.

Dane wejściowe stanowią również charakterystyki aerodynamiczne profili w funkcji liczby Macha i liczby Reynoldsa (CL=f(α), CD=f(α)). Oprócz tego wprowadza się również rozkład profili na łopacie i rozkład skręceń wzdłuż łopaty. Jest to bogaty pakiet danych, a im więcej danych wejściowych wprowadza się do programu, tym wierniejsze jest odwzorowanie pracy wirnika.

Wyniki analizy obliczeniowej, które zostaną przedst wione w niniejszym artykule, stanowią początek prac z wykorzystaniem modułu VBM, który w porównaniu do modelu FAN stanowi bardziej zaawansowane narz dzie, otwierając szerokie możliwości przy analizie zaga nienia pierścienia wirowego. Niniejsza praca poświęcona jest analizie zjawiska pierścienia wirowego na izolow nym śmigle ogonowym.

Do obliczeń wykorzystano parametry i geometrię śmigła ogonowego śmigłowca W

strukturalnej siatki obliczeniowej wykonano w progr mie GAMBIT [8]. Śmigło ogonowe odwzorowano za pomocą walca o małej grubości (rys. 7.), z

promienia nieczynnego aerodynamicznie. Obszar obl czeniowy stanowił walec obudowujący śmigło o wymi rach jak na rys. 8.

skręcenie strumienia zawirnikowego (rys. 6.).

Rys. 6. Obraz skręcenia zawirnikowego generowanego

Używając do obliczeń modułu VBM w modelu definio- wane są dane geometryczne i parametry wirnika i jego

kie jak: liczba łopat, promień wirnika, masa łopaty, momenty bezwładności łopat, prędkość obrotową wirnika (ze wskazaniem kierunku obrotów), współczynnik wahań i przekręceń, położenie środka dysku wirnika, orientację przestrzenną wirnika hylenie), skok ogólny i cykliczny.

Dane wejściowe stanowią również charakterystyki aerodynamiczne profili w funkcji liczby Macha i liczby )). Oprócz tego wprowadza się również rozkład profili na łopacie i rozkład skręceń paty. Jest to bogaty pakiet danych, a im więcej danych wejściowych wprowadza się do programu, tym wierniejsze jest odwzorowanie pracy wirnika.

Wyniki analizy obliczeniowej, które zostaną przedstawione w niniejszym artykule, stanowią początek prac

ystaniem modułu VBM, który w porównaniu do modelu FAN stanowi bardziej zaawansowane narzę- dzie, otwierając szerokie możliwości przy analizie zagadnienia pierścienia wirowego. Niniejsza praca poświęcona jest analizie zjawiska pierścienia wirowego na izolowa-

Do obliczeń wykorzystano parametry i geometrię śmigła ogonowego śmigłowca W-3 „Sokół”. Budowę strukturalnej siatki obliczeniowej wykonano w programie GAMBIT [8]. Śmigło ogonowe odwzorowano za pomocą walca o małej grubości (rys. 7.), z zaznaczeniem promienia nieczynnego aerodynamicznie. Obszar obliczeniowy stanowił walec obudowujący śmigło o wymia-

(5)

Rys. 7. Struktura siatki obliczeniowej walca o małej grubości

Rys. 8. Domena obliczeniowa wygenerowana wokół śmigła ogonowego

Dla przedstawionej poniżej domeny obliczeniowej prz jęto następujące typy warunków brzegowych: velocity inlet – zewnętrzne powierzchnie obszaru obliczeniowego, z wyjątkiem płaszczyzny za śmigłem, pressure outlet zewnętrzna powierzchnia obszaru ob

śmigłem (rys. 9).

Rys. 9. Domena obliczeniowa wygenerowana wokół śmigła ogonowego

W śmigłowcu W-3 „Sokół” wirnik nośny obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, śmigło ogonowe umieszczone jest po prawej stronie belki ogonowej śmigłowca (gdy patrzy się na śmigłowiec od tyłu) Rys. 7. Struktura siatki obliczeniowej walca o małej grubości

Rys. 8. Domena obliczeniowa wygenerowana wokół śmigła

Dla przedstawionej poniżej domeny obliczeniowej przy- jęto następujące typy warunków brzegowych: velocity

zewnętrzne powierzchnie obszaru obliczeniowego, z wyjątkiem płaszczyzny za śmigłem, pressure outlet – zewnętrzna powierzchnia obszaru obliczeniowego za

Rys. 9. Domena obliczeniowa wygenerowana wokół śmigła

3 „Sokół” wirnik nośny obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, śmigło ogonowe umieszczone jest po prawej stronie belki ogonowej a (gdy patrzy się na śmigłowiec od tyłu)

i w celu równoważenia momentu oporowego łopat wirnika nośnego generuje ciąg w lewą stronę, przyspi szając strumień powietrza stroną przeciwną. Należy dodać, że śmigło ogonowe obraca się tak, że patrząc na śmigłowiec z boku, widać, że dolna łopata przemieszcza się do przodu, tak też zamodelowano kierunek jego obrotów w przeprowadzonej symulacji (rys. 10.).

Rys. 10. Model śmigłowca W-3 „Sokół” z zaznaczonym kieru kiem obrotów wirnika nośnego i śmigła ogonowego

Pierwszy etap obliczeń z wykorzystaniem modelu VBM polegał na przeprowadzeniu symulacji zawisu śmigłowca z bocznym podmuchem wiatru z prędkością napływu od 0 do 20 m/s. dla dwóch ustawień kąta skoku ogólnego.

Dla konkretnego ustawienia skoku ogólnego stopn zwiększana była prędkość napływu na śmigło ogonowe.

Na rys. 11. przedstawiono rezultaty obliczeń w postaci wizualizacji pola przepływu w strefie śmigła ogonowego za pomocą linii prądu.

a)

i w celu równoważenia momentu oporowego łopat wirnika nośnego generuje ciąg w lewą stronę, przyspie- szając strumień powietrza stroną przeciwną. Należy dodać, że śmigło ogonowe obraca się tak, że patrząc na c z boku, widać, że dolna łopata przemieszcza się do przodu, tak też zamodelowano kierunek jego obrotów w przeprowadzonej symulacji (rys. 10.).

3 „Sokół” z zaznaczonym kierun- kiem obrotów wirnika nośnego i śmigła ogonowego

Pierwszy etap obliczeń z wykorzystaniem modelu VBM polegał na przeprowadzeniu symulacji zawisu śmigłowca z bocznym podmuchem wiatru z prędkością napływu od m/s. dla dwóch ustawień kąta skoku ogólnego.

Dla konkretnego ustawienia skoku ogólnego stopniowo zwiększana była prędkość napływu na śmigło ogonowe.

Na rys. 11. przedstawiono rezultaty obliczeń w postaci wizualizacji pola przepływu w strefie śmigła ogonowego

(6)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Rys. 11. Obraz przepływu wokół śmigła ogonowego a) V=0 m/s, Φ=15º; b) V=10 m/s,

Φ=15 º; d) V=20 m/s, Φ=15º; e) V=15 m/s, Φ=12º; g) V=20 m/s, Φ

przepływu wokół śmigła ogonowego

m/s, Φ=15 º; c) V=15 m/s,

=15º; e) V=10 m/s, Φ=12º; f) Φ=12º

(7)

Na podstawie przedstawionych powyżej rysunków można wnioskować o charakterze przepływu wokół śmigła w warunkach występowania pierścienia wirowego. Zwiększanie prędkości napływu na śmigło ogonowe od 0 do 20 m/s powoduje stopniowe rozkręcanie pier- ścieniowych wirów (początkowo przed płaszczyzną obrotu śmigła – dla 10 m/s, w płaszczyźnie obrotu – dla 15 m/s i następnie za płaszczyzną obrotu – dla prędko- ści powyżej 15 m/s).

Bliskość granic zjawiska VRS ma również istotny wpływ na zmianę parametrów opisujących pracę zespołu śmigła ogonowego, takich jak np. siła generowanego ciągu czy moc na wale wirnika. Poniżej przedstawiono zestawienie wyników uzyskanych w trakcie analizy przypadku śmigła ogonowego z bocznym podmuchem. Wpływ zmian prędkości parametrów na pracę śmigła ogonowego określony będzie za pomocą zależności (1) (2), czyli stosunku siły ciągu/mocy dla zadanej prędkości napły- wu na śmigło ogonowe (przy zadanym kącie skoku ogólnego) do siły ciągu/mocy dla prędkości napływu V=10m/s (przy zadanym kącie skoku ogólnego).

% 100

* T

10

T = T

^Ν ⁽¹⁾

% 100

* P

10

P = P

^Ν ⁽²⁾

Tabela 1. Wyniki obliczeń dla przypadku śmigła ogonowego z bocznym podmuchem

lp. Φ [º]

V

[m/s]

T

[%]

P

[%]

1 15 0 101,29 101,03

2 10 100 100

3 15 89,61 97,57

4 20 97,43 101,08

5 12 10 100 100

6 15 80,68 89,82

7 20 109,97 102,19

Zamieszczone w tabeli 1. wyniki analiz numerycznych pokazują, że wyhamowywanie strumienia zawirnikowego oraz powstawanie pierścieniowych wirów w pobliżu tarczy śmigła ma negatywny wpływ na efektywność jego pracy. W zakresie prędkości napływu, przy której obserwuje się najbardziej rozbudowane struktury wirowe, odnotowano jednocześnie największy spadek siły ciągu; przemieszczenie się wirów za płaszczyznę tarczy śmigła powoduje ponowny wzrost tej siły. Spadek mocy na wale śmigła ogonowego w obszarze występowania VRS związany jest ze stratą energii na rozkręcanie pierścieniowych wirów.

Druga część prac z zakresu pierścienia wirowego na izolowanym śmigle ogonowym obejmowała modelowanie obrotu śmigła wokół osi pionowej, przechodzącej przez środek ciężkości śmigłowca. W celu stworzenia warun- ków sprzyjających rozwinięciu pierścienia wirowego śmigło obracano przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (przeciwnie do zwrotu prędkości indukowanej) z prędko- ścią obrotu ok. 1.5 rad/s.

Rys. 11. Obraz przepływu wokół śmigła ogonowego podczas obrotu wokół osi pionowej

(8)

Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rys. 11. Obra- zuje on zmiany przepływu w trakcie obrotu śmigła wokół osi pionowej umieszczonej w środku ciężkości śmigłowca; obserwuje się coraz intensywniejsze sturbu- lizowanie powietrza wokół śmigła. W takich warunkach lotu śmigłowca przepływ indukowany przez śmigło jest mało efektywny, masy powietrza nie są przyspieszane i odrzucane, lecz wirują w pobliżu tarczy śmigła. Wiry wpływają na spadek siły ciągu, co w praktyce skutkuje pogorszeniem sterowności śmigłowca. Śmigło ogonowe, które w normalnych warunkach swojej pracy służy do zapewnienia równowagi bocznej i kierunkowej śmigłow- ca oraz sterowania bocznego i kierunkowego, w warunkach występowania pierścienia wirowego przestaje pracować w sposób kontrolowany przez pilota.

Zmiana ustawienia kąta skoku ogólnego łopat nie wywołuje odpowiednich pożądanych zmian siły ciągu, co utrudnia sterowanie śmigłowcem.

5. PODSUMOWANIE

Badania nad zagadnieniem stanu pierścienia wirowego wynikają z potrzeby zwiększenia bezpieczeństwa eksploatacji śmigłowców. Przedstawiony w niniejszej pracy model obliczeniowy izolowanego śmigła ogonowego śmigłowca W-3 „Sokół”, w którym praca wirujących łopat odwzorowana została za pomocą tzw. Modelu Wirtualnej Łopaty, stanowi kontynuację analiz nad zagadnieniem pierścienia wirowego. Użycie tej metody daje możliwość wizualizacji pola przepływu (co jest trudne do uzyskania metodami eksperymentalnymi),

a także uzyskania wielu cennych informacji na temat odpowiedzi układu (w tym przypadku śmigła ogonowego) na zadane warunki lotu. Wielkości możliwe do wyekstrahowania przy użyciu metody VBM w tym przypadku obliczeniowym dostarczyły informacji na temat spadku siły ciągu czy wzrostu zapotrzebowania na moc w trakcie przelotu przez strefę pierścienia wirowego. Z punktu widzenia eksploatacji śmigłowca te dane stanowią wskazówkę o bliskości czy przekroczeniu granic niebezpiecznych parametrów lotu. Wyniki przeprowadzonych obliczeń dostarczają pilotowi informacji na temat przewidywanych ograniczeń użytkowania śmi- głowca.

Prace przy wykorzystaniu metody VBM będą kontynu- owane i rozwijane w celu stworzenia modelu obliczeniowego, złożonego z dokładnie odwzorowanego wirnika nośnego i śmigła ogonowego oraz bryły kadłuba śmi- głowca. Tak jak było wcześniej wspomniane, obszar występowania zjawiska pierścienia wirowego może być większy niż wskazuje analiza teoretyczna. Warto zatem, aby każda konstrukcja śmigłowca posiadała indywidu- alnie wyznaczone charakterystyki niebezpiecznych parametrów lotu. Wykonywanie badań eksperymental- nych w bliskości granic pierścienia wirowego może wiązać się z zagrożeniem życia i zdrowia załogi śmi- głowca. Wiernie odwzorowany model obliczeniowy śmigłowca pozwala na symulację każdego manewru i sprawdzenie wszelkich konfiguracji ustawień parame- trów lotu i układu sterowania, bez narażania załogi.

Literatura

1. Washizu K. i in.:: Experimentals on a model helicopter rotor operating in the vortex ring state. Tokyo 1966.

2. Juriew B.N.: Aerodynamika śmigieł i śmigłowców. Moskwa: WMON, 1956.

3. Grzegorczyk K.: Analiza zjawiska pierścienia wirowego na wirniku nośnym śmigłowca. Prace Instytutu Lotnictwa 2009, 6 (201), s. 52-66.

4. White W. J.: Unanticipated right yaw in helicopters. Advisory Circular, Waszyngton 1995 p. 90-95.

5. Grzegorczyk K.: Symulacja obrotu śmigłowa wokół osi pionowej w warunkach występowania LTE. Prace Instytu- tu Lotnictwa 2011, 219, s. 182-188

6. FLUENT 6.1 User’s Guide, Fluent Inc., 2003.

7. Seddon J.: Basic helicopter aerodynamics. Oxford: BSP Professional Books, 1990.

8. GAMBIT 2.4 User’s Guide, Fluent Inc., 2007.