Загрузка диска

с поршневым двигателем, Легкие многоцелевые вертолеты такие как Robinson R22, имеют относительно низкую нагрузку на диск несущего винта .

В гидродинамике или нагрузка на диск нагрузка на диск — это среднее изменение давления на диске привода , например, на воздушном винте. Воздушные винты с относительно низкой нагрузкой на диск обычно называют несущими винтами, включая вертолетов несущие и рулевые винты ; гребные винты обычно имеют более высокую нагрузку на диск. ^[1] Конвертоплан V-22 Osprey имеет высокую дисковую нагрузку относительно вертолета в режиме висения, но относительно низкую дисковую нагрузку в режиме неподвижного крыла по сравнению с турбовинтовым самолетом. ^[2]

Роторы

Нагрузка на диск зависшего вертолета равна отношению его веса кобщая площадь диска несущего винта. Его определяют путем деленияобщий вес вертолета по площади диска несущего винта, то есть площади, омываемой лопастями несущего винта. Площадь диска можно найти, используя размах одной лопасти ротора в качестве радиуса круга, а затем определив площадь, которую лопасти охватывают во время полного вращения. При маневрировании вертолета нагрузка на его диски меняется. Чем выше нагрузка, тем больше мощности требуется для поддержания скорости ротора. ^[3] Низкая нагрузка на диск является прямым показателем высокой эффективности подъемной тяги. ^[4]

Увеличение веса вертолета увеличивает нагрузку на диски. При заданном весе вертолет с более короткими винтами будет иметь более высокую нагрузку на диски и потребует большей мощности двигателя для зависания. Низкая нагрузка на диск улучшает авторотации характеристики винтокрылой машины . ^[5]^[6] Обычно автожир (или автожир) имеет меньшую нагрузку на диск несущего винта, чем вертолет, что обеспечивает меньшую скорость снижения на авторотации. ^[3]

Пропеллеры

В поршневых и винтовых двигателях нагрузку на диск можно определить как соотношение между скоростью, вызываемой винтом, и скоростью набегающего потока. ^{[ нужна ссылка ]} Меньшая нагрузка на диск повысит эффективность, поэтому с точки зрения эффективности обычно желательно иметь пропеллеры большего размера. Максимальная эффективность снижается по мере увеличения нагрузки на диск из-за вращающегося потока; использование гребных винтов встречного вращения может решить эту проблему, обеспечивая высокую максимальную эффективность даже при относительно высокой нагрузке на диск. ^[7]

Самолет Airbus A400M будет иметь очень высокую дисковую нагрузку на винты. ^[8]

Теория

Теория импульса или теория дискового привода описывает математическую модель идеального приводного диска, разработанную У.Дж.М. Рэнкином (1865 г.), Альфредом Джорджем Гринхиллом (1888 г.) и Р.Э. Фрудом (1889 г.). вертолета Несущий винт моделируется как бесконечно тонкий диск с бесконечным числом лопастей, вызывающих постоянный скачок давления по площади диска и вдоль оси вращения. вертолета Для зависшего аэродинамическая сила вертикальна и точно уравновешивает вес вертолета без боковой силы.

Направленная вниз сила воздуха, проходящего через ротор, сопровождается восходящей силой, действующей на диск несущего винта вертолета. Направленная вниз сила вызывает ускорение воздуха вниз, увеличивая его кинетическую энергию . Эта передача энергии от несущего винта к воздуху представляет собой индуцированную потерю мощности вращающегося крыла, которая аналогична лобовому сопротивлению самолета с неподвижным крылом, вызванному подъемной силой.

Сохранение линейного импульса связывает индуцированную скорость вниз по потоку в поле дальнего следа с тягой ротора на единицу массового расхода . Сохранение энергии учитывает эти параметры, а также индуцированную скорость диска ротора. Сохранение массы связывает массовый поток с индуцированной скоростью. Теория импульса, примененная к вертолету, дает взаимосвязь между наведенными потерями мощности и тягой несущего винта, которую можно использовать для анализа характеристик самолета. Вязкость и сжимаемость воздуха, потери на трение и вращение спутного потока в следе не учитываются. ^[9]

Теория импульса

Для приводного диска площадью $A$ , с равномерной индуцированной скоростью $v$ на диске ротора и с $\rho$ как плотность воздуха , массовый расход ${\dot {m}}$ через область диска составляет:

{\dot {m}}=\rho \,A\,v.

Благодаря сохранению массы массовый расход постоянен поперек потока как вверх, так и после диска (независимо от скорости). Поскольку поток далеко вверх по потоку от вертолета при горизонтальном висении покоится, стартовая скорость, импульс и энергия равны нулю. Если однородный поток далеко за диском имеет скорость $w$ , за счет сохранения импульса полная тяга $T$ развиваемый по диску, равен скорости изменения количества движения, которая при нулевой начальной скорости равна:

T={\dot {m}}\,w.

Благодаря сохранению энергии работа, совершаемая ротором, должна равняться изменению энергии в спутном потоке:

T\,v={\tfrac {1}{2}}\,{\dot {m}}\,{w^{2}}.

Замена на $T$ и исключив слагаемые, получим:

v={\tfrac {1}{2}}\,w.

Таким образом, скорость потока далеко за диском в два раза превышает скорость на диске, что является тем же результатом, что и для эллиптически нагруженного крыла, предсказанного теорией подъемной линии . ^[9]

Принцип Бернулли

Чтобы рассчитать нагрузку на диск по принципу Бернулли , мы предполагаем, что давление в спутном потоке далеко вниз по потоку равно пусковому давлению. $p_{0}$ , что равно атмосферному давлению . От начальной точки до диска имеем:

p_{0}=\,p_{1}+\ {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}.

Между диском и далеким следом имеем:

p_{2}+\ {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}=\,p_{0}+\ {\tfrac {1}{2}}\,\rho \,w^{2}.

Объединив уравнения, загрузка диска $T/\,A$ является:

{\frac {T}{A}}=p_{2}-\,p_{1}={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,w^{2}

Полное давление в дальнем следе равно:

p_{0}+{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,w^{2}=\,p_{0}+{\frac {T}{A}}.

Таким образом, изменение давления на диске равно нагрузке на диск. Над диском изменение давления равно:

p_{0}-{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}=\,p_{0}-\,{\tfrac {1}{4}}{\frac {T}{A}}.

Под диском изменение давления равно:

p_{0}+{\tfrac {3}{2}}\,\rho \,v^{2}=\,p_{0}+\,{\tfrac {3}{4}}{\frac {T}{A}}.

Давление вдоль слипстрима всегда падает вниз по потоку, за исключением положительного скачка давления на диске. ^[9]

Требуемая мощность

Согласно теории импульса, тяга равна:

T={\dot {m}}\,w={\dot {m}}\,(2v)=2\rho \,A\,v^{2}.

Индуцированная скорость:

v={\sqrt {{\frac {T}{A}}\cdot {\frac {1}{2\rho }}}}.

Где $T/A$ это загрузка диска по-прежнему, а мощность $P$ при наведении (в идеальном случае) требуется:

P=Tv=T{\sqrt {{\frac {T}{A}}\cdot {\frac {1}{2\rho }}}}.

Следовательно, индуцированную скорость можно выразить как:

v={\frac {P}{T}}=\left[{\frac {T}{P}}\right]^{-1}.

Таким образом, индуцированная скорость обратно пропорциональна силовой нагрузке. $T/P$ . ^[10]

Примеры

Сравнение загрузки диска
Самолет	Описание	Макс. вес брутто	Общая площадь диска	Макс. загрузка диска
Робинсон R22	Легкий многоцелевой вертолет	1370 фунтов (635 кг)	497 футов ² (46,2 м ²)	2,6 фунта/фута ² (14 кг/м ²)
Белл 206B3 ДжетРейнджер	Турбовальный многоцелевой вертолет	3200 фунтов (1451 кг)	872 фута ² (81,1 м ²)	3,7 фунта/фута ² (18 кг/м ²)
CH-47D Чинук	с тандемным винтом Вертолет	50 000 фунтов (22 680 кг)	5655 футов ² (526 м ²)	8,8 фунта/фута ² (43 кг/м ²)
Ми-26	Тяжелый вертолет	123 500 фунтов (56 000 кг)	8495 футов ² (789 м ²)	14,5 фунтов/фут ² (71 кг/м ²)
CH-53E Супер Жеребец	Тяжелый вертолет	73 500 фунтов (33 300 кг)	4900 футов ² (460 м ²)	15 фунтов/фут ² (72 кг/м ²)
МВ-22Б Скопа	Конвертоплан С КРЕСЛОМ	60 500 фунтов (27 400 кг)	2268 футов ² (211,4 м ²)	26,68 фунта/фута ² (129,63 кг/м ²)

См. также

Загрузка крыла

Ссылки

^ Степневский, WZ; Киз, Китай (1984). Аэродинамика винтокрыла . Нью-Йорк: Dover Publications. п. 3. ISBN 0-486-64647-5 . OCLC 565962623 . Интересно отметить, что всегда существовала сильная интуитивная ассоциация винтокрылых самолетов с низкой нагрузкой на диск, что отражено в общепринятом названии несущего винта, присвоенном их подъемным воздушным винтам.
^ Ван, Джеймс М.; Джонс, Кристофер Т.; Никсон, Марк В. (27 мая 1999 г.). Гражданский конвертоплан изменяемого диаметра для ближнемагистральных перевозок . 55-й ежегодный форум Американского вертолетного общества. Монреаль, Квебек , Канада. CiteSeerX 10.1.1.45.612 . Конвертоплан изменяемого диаметра (VDTR) - это концепция Sikorsky, направленная на улучшение характеристик конвертоплана в режиме висения и крейсерского полета, которые в настоящее время ограничены нагрузкой на диск, которая намного выше при висении, чем у обычного вертолета, и намного ниже в крейсерском режиме, чем у турбовинтовых систем.
^ Jump up to: ^а ^б Справочник по полетам на винтокрылых машинах (PDF) . Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации США. 2000. стр. 2–4, 19–3, G-2. ФАА-8083-21. ЗАГРУЗКА НА ДИСК — общий вес вертолета, разделенный на площадь диска несущего винта.
^ Мейзел, Мартин Д., Демо Дж. Джулианетти и Дэниел К. Дуган. НАСА SP-2000-4517, «История исследовательского самолета с поворотным винтом XV-15: от концепции к полету» (PDF), стр. 2. НАСА , 2000. По состоянию на 17 марта 2012 г.
^ Нур, Ахмед Хайри (1996). Будущие аэронавтические и космические системы (Прогресс в космонавтике и воздухоплавании) . AIAA (Американский институт аэронавтики и астронавтики). п. 66. ИСБН 1-56347-188-4 . Уменьшенная нагрузка на диск в вертикальном режиме также приводит к уменьшению смыва вниз и улучшению возможностей авторотации.
^ Лейшман, Дж. Гордон. « Разработка автожира: техническая перспектива. Архивировано 31 декабря 2005 г. в Wayback Machine », стр. 5. Университет Хофстра , Нью-Йорк, 2003 г.
^ Бердсолл, Дэвид (1996). Летно-технические характеристики самолета . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 99 . ISBN 0-521-56836-6 . При использовании гребных винтов противоположного вращения эту потерю вращения можно устранить и получить максимальный КПД, приближающийся к 0,9, даже при высокой нагрузке на диск.
^ Рейнхард Хильбиг; Вагнер, Зигфрид; Ульрих Рист; Ханс-Иоахим Хайнеманн (2002). Новые результаты в численной и экспериментальной механике жидкости III . Заметки по числовой механике жидкости и междисциплинарному проектированию. Том. 3. Берлин: Шпрингер. п. 82. ИСБН 3-540-42696-5 . А400М будет приводиться в движение четырьмя современными турбовинтовыми двигателями с высокой нагрузкой на диски. Нагрузка на диски винтов значительно выше, чем на бывших тактических транспортных самолетах, таких как C130H или Transall C160.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Джонсон, Уэйн (1994). «2». Теория вертолета . Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 28–34 . ISBN 0-486-68230-7 . В анализе теории импульса ротор моделируется как приводной диск, который представляет собой круглую поверхность нулевой толщины, которая может выдерживать разницу давлений и, таким образом, ускорять воздух, проходящий через диск.
^ Лейшман, Дж. Гордон (2006). Основы аэродинамики вертолета . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-85860-7 . OCLC 61463625 .

В этой статье использованы общедоступные материалы из Справочник по полетам на винтокрылых машинах (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации .

[isbn0-486-64647-5-1] Степневский, WZ; Киз, Китай (1984). Аэродинамика винтокрыла . Нью-Йорк: Dover Publications. п. 3. ISBN 0-486-64647-5 . OCLC 565962623 . Интересно отметить, что всегда существовала сильная интуитивная ассоциация винтокрылых самолетов с низкой нагрузкой на диск, что отражено в общепринятом названии несущего винта, присвоенном их подъемным воздушным винтам.

[VDTR-2] Ван, Джеймс М.; Джонс, Кристофер Т.; Никсон, Марк В. (27 мая 1999 г.). Гражданский конвертоплан изменяемого диаметра для ближнемагистральных перевозок . 55-й ежегодный форум Американского вертолетного общества. Монреаль, Квебек , Канада. CiteSeerX 10.1.1.45.612 . Конвертоплан изменяемого диаметра (VDTR) - это концепция Sikorsky, направленная на улучшение характеристик конвертоплана в режиме висения и крейсерского полета, которые в настоящее время ограничены нагрузкой на диск, которая намного выше при висении, чем у обычного вертолета, и намного ниже в крейсерском режиме, чем у турбовинтовых систем.

[FAA-3] Jump up to: ^а ^б Справочник по полетам на винтокрылых машинах (PDF) . Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации США. 2000. стр. 2–4, 19–3, G-2. ФАА-8083-21. ЗАГРУЗКА НА ДИСК — общий вес вертолета, разделенный на площадь диска несущего винта.

[xv15-4] Мейзел, Мартин Д., Демо Дж. Джулианетти и Дэниел К. Дуган. НАСА SP-2000-4517, «История исследовательского самолета с поворотным винтом XV-15: от концепции к полету» (PDF), стр. 2. НАСА , 2000. По состоянию на 17 марта 2012 г.

[5] Нур, Ахмед Хайри (1996). Будущие аэронавтические и космические системы (Прогресс в космонавтике и воздухоплавании) . AIAA (Американский институт аэронавтики и астронавтики). п. 66. ИСБН 1-56347-188-4 . Уменьшенная нагрузка на диск в вертикальном режиме также приводит к уменьшению смыва вниз и улучшению возможностей авторотации.

[leishGyro-6] Лейшман, Дж. Гордон. « Разработка автожира: техническая перспектива. Архивировано 31 декабря 2005 г. в Wayback Machine », стр. 5. Университет Хофстра , Нью-Йорк, 2003 г.

[7] Бердсолл, Дэвид (1996). Летно-технические характеристики самолета . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 99 . ISBN 0-521-56836-6 . При использовании гребных винтов противоположного вращения эту потерю вращения можно устранить и получить максимальный КПД, приближающийся к 0,9, даже при высокой нагрузке на диск.

[8] Рейнхард Хильбиг; Вагнер, Зигфрид; Ульрих Рист; Ханс-Иоахим Хайнеманн (2002). Новые результаты в численной и экспериментальной механике жидкости III . Заметки по числовой механике жидкости и междисциплинарному проектированию. Том. 3. Берлин: Шпрингер. п. 82. ИСБН 3-540-42696-5 . А400М будет приводиться в движение четырьмя современными турбовинтовыми двигателями с высокой нагрузкой на диски. Нагрузка на диски винтов значительно выше, чем на бывших тактических транспортных самолетах, таких как C130H или Transall C160.

[Johnson-9] Jump up to: ^а ^б ^с Джонсон, Уэйн (1994). «2». Теория вертолета . Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 28–34 . ISBN 0-486-68230-7 . В анализе теории импульса ротор моделируется как приводной диск, который представляет собой круглую поверхность нулевой толщины, которая может выдерживать разницу давлений и, таким образом, ускорять воздух, проходящий через диск.

[isbn0-521-85860-7-10] Лейшман, Дж. Гордон (2006). Основы аэродинамики вертолета . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-85860-7 . OCLC 61463625 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]