БЕРП-ротор

Департамент столичной полиции Токио EH101 (AW101)

Конструкция лопастей несущего винта BERP была разработана в рамках Британской экспериментальной программы роторов . Первые лопасти несущего винта BERP были разработаны в конце 1970-х - середине 1980-х годов в рамках программы совместного предприятия Westland Helicopters и Королевского авиастроительного предприятия (RAE) с профессором Мартином Лоусоном в качестве со-патентоведателя. Целью было повысить грузоподъемность и максимальную скорость вертолетов за счет новых конструкций и материалов.

Как это работает

Когда объекты приближаются к скорости звука , ударные волны в областях, где локальный поток ускоряется выше скорости звука, образуются . Обычно это происходит на изогнутых участках, таких как окна кабины, передние кромки крыла и тому подобные места, где принцип Бернулли ускоряет воздух. Эти ударные волны излучают большое количество энергии, которую приходится передавать двигателям, что проявляется для самолета в целом как большое дополнительное сопротивление, известное как волновое сопротивление . Именно появление волнового сопротивления породило идею звукового барьера .

У вертолетов есть дополнительная проблема: их роторы перемещаются относительно фюзеляжа при вращении. Даже во время зависания кончики несущего винта могут двигаться со скоростью, значительной частью скорости звука. По мере ускорения вертолета его общая скорость прибавляется к скорости законцовок, а это означает, что лопасти на движущейся вперед стороне несущего винта воспринимают значительно более высокую воздушную скорость, чем на стороне, движущейся назад, что приводит к асимметрии подъемной силы . Это требует изменения угла атаки лопастей, чтобы обеспечить одинаковую подъемную силу с обеих сторон, несмотря на большие различия в относительном потоке воздуха.

Именно способность несущего винта изменять схему подъемной силы накладывает ограничение на скорость движения вертолета; в какой-то момент скорость движения вперед означает, что скорость движения назад лопастей ниже их скорости сваливания . Точку, в которой это происходит, можно улучшить, заставив ротор вращаться быстрее, но тогда возникает дополнительная проблема: на высоких скоростях движущиеся вперед лопасти приближаются к скорости звука и начинают страдать от волнового сопротивления и других негативных эффектов.

Одним из решений проблемы волнового сопротивления является то же самое, что наблюдалось на реактивных истребителях 1950-х годов, — использование стреловидности крыла . Это снижает эффект волнового сопротивления без значительных негативных последствий, за исключением очень низких скоростей. В случае с истребителями это вызывало беспокойство, особенно при посадке, но в случае с вертолетами это не является проблемой, поскольку законцовки несущего винта существенно не замедляются даже во время приземления. Такие стреловидные законцовки можно увидеть на многих типах вертолетов 1970-х и 80-х годов, в частности на UH-60 Blackhawk и AH-64 Apache .

Однако, чтобы гарантировать, что центр тяжести или аэродинамическое перемещение центра позади упругой оси лопасти (которые могут вызвать нежелательные аэродинамические и инерционные связи) не возникают, кончик должен быть сконфигурирован со сдвигом площади вперед. Это можно свести к минимуму, если учесть, что число Маха меняется вдоль лопасти, поэтому нам не нужно использовать постоянный угол стреловидности, тем самым сводя к минимуму величину смещения передней поверхности.

Методология, использованная при проектировании лопасти BERP, гарантирует, что эффективное число Маха, нормальное к лопасти, остается номинально постоянным во всей рабочей области. Максимальная стреловидность, используемая на большей части лопасти BERP, составляет 30 градусов, а кончик начинается с безразмерного радиуса r/R = cos 30 = 86% радиуса. Распределение площади этой области кончика выполнено таким образом, чтобы гарантировать, что средний центр давления кончика расположен на упругой оси лопасти. Это делается путем смещения положения локальной оси 1/4 хорды вперед на радиус 86%.

Это смещение также приводит к разрыву передней кромки (так называемому вырезу), что приводит к другим интересным эффектам. Например, недавние расчеты с использованием кода CFD, основанного на уравнениях Навье-Стокса , показали, что эта «выемка» на самом деле помогает еще больше снизить силу ударных волн на лопасти. Таким образом, неожиданным побочным продуктом надреза, помимо основного эффекта развертки, является помощь в дальнейшем снижении эффектов сжимаемости.

Мы также должны признать, что подобная стреловидная геометрия кончика не обязательно улучшит характеристики лопасти при большом угле атаки, соответствующем отступающей стороне диска. Фактически, опыт показал, что отвал со стреловидным кончиком может иметь худшие характеристики сваливания по сравнению со стандартным кончиком лопасти.

Лопасть BERP имеет окончательную геометрию, которая работает как стреловидная законцовка при больших числах Маха и малых углах атаки, а также позволяет вершине работать при очень больших углах атаки без срыва. Этот последний атрибут был получен путем радикального увеличения стреловидности самой внешней части наконечника (приблизительно внешние 2%) до значения (70 градусов), при котором любой значительный угол атаки приведет к отрыву потока на передней кромке.

Поскольку передняя кромка имеет такую ​​большую стреловидность, это отделение передней кромки превращается в вихревую структуру, которая катится вокруг передней кромки и в конечном итоге оказывается над верхней поверхностью (как на самолете с треугольным крылом). Этот механизм усиливается за счет того, что передняя кромка крыла в этой области становится относительно острой.

По мере увеличения угла атаки этот вихрь начинает развиваться из точки все дальше и дальше вперед вдоль передней кромки, следуя геометрии в плане, в область с более умеренной стреловидностью. При достаточно большом угле атаки вихрь зарождается вблизи передней большей части передней кромки в районе «надреза».

Имеющиеся данные показали, что также образуется сильный вихрь с надрезом, который распространяется по лопасти. Этот вихрь действует как аэродинамический барьер и удерживает область отрыва потока от проникновения в область кончика. Дальнейшее увеличение угла атаки мало что меняет в структуре потока, пока не будет достигнут очень большой угол атаки (около 22 градусов!), когда поток резко разделится. Для обычной формы наконечника в плане можно ожидать, что аналогичный разрыв общего потока произойдет при местном угле атаки около 12 градусов.

Таким образом, лопасти BERP удается извлечь лучшее из обоих миров, уменьшая влияние сжимаемости на продвигающуюся лопасть и задерживая начало срыва отступающей лопасти. Конечным результатом является значительное увеличение диапазона эксплуатационных полетов.

Программы

Первоначальная программа BERP I изучала проектирование, производство и квалификацию композитных лопастей несущего винта. В результате были созданы новые лопасти несущего и рулевого винтов для Westland Sea King . Вслед за первой, вторая программа, BERP II, анализировала усовершенствованные секции аэродинамического профиля для будущих лопастей несущего винта. Это послужило основой для программы BERP III.

В конструкциях BERP III имеется выемка по направлению к внешнему концу лопасти несущего винта с большей стреловидностью от выемки к концу лопасти по сравнению с внутренней частью выемки. Кульминацией проекта BERP III стала демонстрация технологий на вертолете Westland Lynx . В 1986 году специально модифицированный зарегистрированный G-LYNX компании Lynx установил абсолютный рекорд скорости для вертолетов на дистанции 15 и 25 км, достигнув скорости 400,87 км/ч (249,09 миль в час). После успешной демонстрации технологии лезвие BERP III было запущено в производство.

В BERP IV используются: новый аэродинамический профиль, измененная форма кончика лопасти и увеличенный поворот лопасти. После 29 часов испытаний было обнаружено, что он «улучшает летные характеристики несущего винта, снижает потребность в мощности при висении и прямом полете, ... уменьшает вибрацию планера и двигателя для диапазона взлетной массы». Кроме того, «нагрузка на ступицу несущего винта оказалась такой же или меньшей, чем у лопасти BERP III, теперь установленной на вертолете EH101 ». Чтобы предотвратить эрозию передней кромки, в лопасти будет использоваться лента на резиновой основе, а не полиуретан, который используется на кораблях Sea Kings ВМС Великобритании. В ходе испытаний выяснилось, что он прослужит в пять раз дольше: 195 минут против 39 минут. Программа завершилась в августе 2007 года.

Применение технологии BERP

Текущие приложения:

• БЕРП III:

Агуста Вестленд AW101

Модернизированный Westland Super Lynx

• БЕРП IV:

Агуста Вестленд AW101

См. также

• Blue Edge Конструкция лопастей ротора

Дальнейшее чтение

• Броклхерст, Алан. AIAA-1990-3008, «Экспериментальное и численное исследование лопасти Британской экспериментальной программы ротора». АИАА, 1990.

Внешние ссылки

• Лопасти Британской экспериментальной программы роторов (BERP)
• Воздушные переносчики: Вестлендский разведчик, оса и рысь
• «Самые быстрые лопасти в мире» , 27 декабря 1986 г. Статья Flight International о роторе BERP Lynx.