Генератор вихрей

Вихревые генераторы Micro AeroDynamics для вторичного рынка, установленные на крыле Cessna 182K

Модель Cessna 182 K 1967 года в полете с вихревыми генераторами вторичного рынка на передней кромке крыла.

Symphony SA-160 был спроектирован с двумя необычными вихревыми генераторами на крыле, чтобы обеспечить эффективность элеронов в свалке.

Генератор вихрей ( ВГ ) — это аэродинамическое устройство, состоящее из небольшой лопатки , обычно прикрепленной к несущей поверхности (или аэродинамическому профилю , например крылу самолета ). ^{[ 1 ]} или лопасть ротора ветряной турбины . ^{[ 2 ]} VG также могут быть прикреплены к какой-либо части аэродинамического транспортного средства, например, к фюзеляжу самолета или автомобиля. Когда профиль или тело движется относительно воздуха, ВГ создает вихрь , ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]} который, удаляя некоторую часть тихоходного пограничного слоя, контактирующего с поверхностью профиля, задерживает локальный отрыв потока и аэродинамическое сваливание , тем самым улучшая эффективность крыльев и поверхностей управления , таких как закрылки , рули высоты , элероны и рули направления . ^{[ 3 ]}

Метод работы

Генераторы вихрей чаще всего используются для задержки отрыва потока . Для этого их часто размещают на внешних поверхностях транспортных средств. ^{[ 4 ]} и лопасти ветряных турбин. Как на самолетах, так и на лопастях ветряных турбин они обычно устанавливаются довольно близко к передней кромке аэродинамического профиля , чтобы поддерживать постоянный поток воздуха над рулями на задней кромке. ^{[ 3 ]} VG обычно имеют прямоугольную или треугольную форму, примерно такую же высоту, как и локальный пограничный слой , и проходят линиями по размаху обычно возле самой толстой части крыла. ^{[ 1 ]} Их можно увидеть на крыльях и вертикальном оперении многих авиалайнеров .

Генераторы вихрей расположены наклонно, так что они имеют угол атаки по отношению к местному воздушному потоку. ^{[ 1 ]} для создания концевого вихря, который втягивает энергичный, быстро движущийся внешний воздух в медленно движущийся пограничный слой, находящийся в контакте с поверхностью. Турбулентный пограничный слой отделяется с меньшей вероятностью, чем ламинарный, и поэтому желателен для обеспечения эффективности управления задней кромкой. Для запуска этого перехода используются генераторы вихрей. Другие устройства, такие как вортилоны , передние удлинители и передние манжеты , ^{[ 5 ]} также задерживает отрыв потока при больших углах атаки за счет повторной подачи энергии в пограничный слой. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

Примеры самолетов, использующих VG, включают ST Aerospace A-4SU Super Skyhawk и Symphony SA-160 . Для трансзвуковых конструкций со стреловидным крылом VG смягчают потенциальные проблемы сваливания (например, Harrier , Blackburn Buccaneer , Gloster Javelin ).

Установка послепродажного обслуживания

Многие самолеты оснащены лопастными вихревыми генераторами с момента производства, но есть также поставщики вторичного рынка, которые продают комплекты VG для улучшения характеристик взлета и посадки некоторых легких самолетов. ^{[ 6 ]} Поставщики вторичного рынка утверждают, что (i) VG снижают скорость сваливания и уменьшают скорости взлета и посадки, и (ii) что VG повышают эффективность элеронов, рулей высоты и рулей направления, тем самым улучшая управляемость и безопасность на низких скоростях. ^{[ 7 ]} Для самодельных и экспериментальных китпланов VG дешевы, экономичны и могут быть быстро установлены; однако для сертифицированных авиационных установок затраты на сертификацию могут быть высокими, что делает модификацию относительно дорогим процессом. ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}

Владельцы выбирают VG послепродажного обслуживания в первую очередь для получения преимуществ на низких скоростях, но недостатком является то, что такие VG могут немного снизить крейсерскую скорость. В ходе испытаний, проведенных на самолетах Cessna 182 и Piper PA-28-235 Cherokee , независимые обозреватели зафиксировали потерю крейсерской скорости от 1,5 до 2 узлов (от 2,8 до 3,7 км/ч). Однако эти потери сравнительно невелики, поскольку крыло самолета на большой скорости имеет небольшой угол атаки, что позволяет свести сопротивление ВГ к минимуму. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Владельцы сообщают, что на земле с помощью VG может быть сложнее очистить снег и лед с поверхностей крыльев, чем с гладкого крыла, но VG обычно не склонны к обледенению в полете, поскольку они находятся в пограничном слое воздушного потока. VG также могут иметь острые края, которые могут порвать ткань чехлов планера, и поэтому может потребоваться изготовление специальных чехлов. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Что касается двухмоторных самолетов, производители заявляют, что VG уменьшают скорость управления одним двигателем ( Vmca ), увеличивают нулевой расход топлива и полную массу, улучшают эффективность элеронов и рулей направления, обеспечивают более плавный полет в условиях турбулентности и делают самолет более устойчивой приборной платформой. . ^{[ 6 ]}

Увеличение максимальной взлетной массы

Некоторые комплекты VG, доступные для легких двухмоторных самолетов, могут позволить увеличить максимальную взлетную массу . ^{[ 6 ]} Максимальная взлетная масса двухмоторного самолета определяется конструктивными требованиями и требованиями к скороподъемности с одним двигателем (которые ниже при более низкой скорости сваливания). Для многих легких двухмоторных самолетов требования к скороподъемности с одним двигателем определяют меньший максимальный вес, а не требования к конструкции. Следовательно, все, что можно сделать для улучшения характеристик набора высоты с одним неработающим двигателем, приведет к увеличению максимальной взлетной массы. ^{[ 8 ]}

В США с 1945 г. ^{[ 11 ]} до 1991 года, ^{[ 12 ]} Требования к набору высоты с одним неработающим двигателем для многомоторных самолетов с максимальной взлетной массой 6000 фунтов (2700 кг) или менее были следующими:

Все многомоторные самолеты, имеющие скорость сваливания $V_{s0}$ более 70 миль в час, должен иметь постоянную скорость набора высоты не менее $0.02(V_{s0})^{2}$ в футах в минуту на высоте 5000 футов, при неработающем критическом двигателе и работе остальных двигателей на максимальной продолжительной мощности, неработающем воздушном винте в положении минимального сопротивления, шасси убрано, закрылки в наиболее выгодном положении...

где $V_{s0}$ — скорость сваливания в посадочной конфигурации, миль в час.

Установка вихревых генераторов обычно позволяет несколько снизить скорость сваливания самолета. ^{[ 4 ]} и, следовательно, снизить требуемые характеристики набора высоты при одном неработающем двигателе. Снижение требований к скороподъемности позволяет увеличить максимальную взлетную массу, по крайней мере, до максимальной массы, разрешенной конструктивными требованиями. ^{[ 8 ]} Увеличение максимального веса, разрешенного конструктивными требованиями, обычно может быть достигнуто путем указания максимального веса с нулевым топливом или, если максимальный вес с нулевым топливом уже указан в качестве одного из ограничений самолета, путем указания нового, более высокого максимального веса с нулевым топливом. ^{[ 8 ]} По этим причинам комплекты вихревых генераторов на многих легких двухдвигательных самолетах сопровождаются снижением максимальной массы без топлива и увеличением максимальной взлетной массы. ^{[ 8 ]}

Требование к скороподъемности при одном неработающем двигателе не распространяется на одномоторные самолеты, поэтому прирост максимальной взлетной массы (исходя из скорости сваливания или конструктивных соображений) менее значителен по сравнению с таковым для близнецов 1945–1991 годов.

После 1991 года требования к сертификации летной годности в США определяют требование набора высоты при одном неработающем двигателе как градиент, не зависящий от скорости сваливания, поэтому у вихревых генераторов меньше возможностей увеличить максимальную взлетную массу многомоторных самолетов, основа сертификации которых FAR 23 с поправкой 23-42 или более поздней. ^{[ 12 ]}

Максимальный посадочный вес

Поскольку посадочная масса большинства легких самолетов определяется конструктивными соображениями, а не скоростью сваливания, большинство комплектов VG увеличивают только взлетную массу, а не посадочную массу. Любое увеличение посадочной массы потребует либо структурных изменений, либо повторных испытаний самолета с более высокой посадочной массой, чтобы продемонстрировать, что сертификационные требования по-прежнему выполняются. ^{[ 8 ]} Однако после длительного полета могло быть израсходовано достаточно топлива, в результате чего самолет снова оказался ниже разрешенной максимальной посадочной массы.

Снижение шума самолетов

Генераторы вихрей использовались в нижней части крыла самолетов семейства Airbus A320 для снижения шума, создаваемого потоком воздуха через круглые вентиляционные отверстия для выравнивания давления в топливных баках. Lufthansa утверждает, что таким образом можно достичь снижения шума до 2 дБ. ^{[ 13 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Пепплер, Иллинойс: С нуля , стр. 23. Aviation Publishers Co. Limited, Оттава, Онтарио, двадцать седьмое исправленное издание, 1996. ISBN 0-9690054-9-0
^ Вихревые генераторы ветряных турбин , UpWind Solutions.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Микро АэроДинамика (2003). «Как работают Micro VG» . Проверено 15 марта 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б Клэнси, Ж.Дж. Аэродинамика , Раздел 5.31
^ Опущенная передняя кромка представляет собой «разрыв, создающий вихри», в «Развитие сопротивления вращению для малых самолетов», документ SAE 2000-01-1691.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Микро АэроДинамика (2003). «Микровихревые генераторы для одно- и двухмоторных самолетов» . Проверено 15 марта 2008 г.
^ «Земля короче! Преимущества» . Landshorter.com . Проверено 9 октября 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Буш, Майк (ноябрь 1997 г.). «Вихревые генераторы: пластыри или магия?» . Проверено 15 марта 2008 г.
^ Jump up to: ^а ^б Псутка, Кевин, Генераторы микровихрей , полет COPA , август 2003 г.
^ Jump up to: ^а ^б Киркби, Боб, Вихревые генераторы для Cherokee 235 , рейс COPA , июль 2004 г.
^ Правила гражданской авиации США, часть 3, §3.85a
^ Jump up to: ^а ^б Федеральные авиационные правила США, часть 23, §23.67, поправки 23-42, 4 февраля 1991 г.
^ Более 200 самолетов Lufthansa A320 станут тише. Архивировано 4 мая 2014 г. на Wayback Machine. Проверено 4 мая 2014 г.

Кермод, AC (1972), Механика полета , глава 11, стр. 350 - 8-е издание, Pitman Publishing, Лондон ISBN 0-273-31623-0
Клэнси, LJ (1975), Аэродинамика , Pitman Publishing, Лондон ISBN 0-273-01120-0

Внешние ссылки

Вихревые генераторы: 50 лет повышения производительности , история VG

[Peppler-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Пепплер, Иллинойс: С нуля , стр. 23. Aviation Publishers Co. Limited, Оттава, Онтарио, двадцать седьмое исправленное издание, 1996. ISBN 0-9690054-9-0

[WindTurbineVortexGenerators-2] Вихревые генераторы ветряных турбин , UpWind Solutions.

[MicroHow-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Микро АэроДинамика (2003). «Как работают Micro VG» . Проверено 15 марта 2008 г.

[Clancy-4] Jump up to: ^а ^б Клэнси, Ж.Дж. Аэродинамика , Раздел 5.31

[5] Опущенная передняя кромка представляет собой «разрыв, создающий вихри», в «Развитие сопротивления вращению для малых самолетов», документ SAE 2000-01-1691.

[Micro-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Микро АэроДинамика (2003). «Микровихревые генераторы для одно- и двухмоторных самолетов» . Проверено 15 марта 2008 г.

[7] «Земля короче! Преимущества» . Landshorter.com . Проверено 9 октября 2012 г.

[Busch-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Буш, Майк (ноябрь 1997 г.). «Вихревые генераторы: пластыри или магия?» . Проверено 15 марта 2008 г.

[COPAMay2003-9] Jump up to: ^а ^б Псутка, Кевин, Генераторы микровихрей , полет COPA , август 2003 г.

[COPAJuly2004-10] Jump up to: ^а ^б Киркби, Боб, Вихревые генераторы для Cherokee 235 , рейс COPA , июль 2004 г.

[11] Правила гражданской авиации США, часть 3, §3.85a

[FAR23-12] Jump up to: ^а ^б Федеральные авиационные правила США, часть 23, §23.67, поправки 23-42, 4 февраля 1991 г.

[13] Более 200 самолетов Lufthansa A320 станут тише. Архивировано 4 мая 2014 г. на Wayback Machine. Проверено 4 мая 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

v т и самолета Компоненты и системы
Airframe structure	Aft pressure bulkhead Cabane strut Canopy Crack arrestor Cruciform tail Dope Empennage Fabric covering Fairing Flying wires Former Fuselage Hardpoint Interplane strut Jury strut Leading edge Lift strut Longeron Nacelle Rib Spar Stabilizer Stressed skin Strut T-tail Tailplane Trailing edge Triple tail Twin tail V-tail Vertical stabilizer Wing root Wing tip Wingbox
Flight controls	Aileron Airbrake Artificial feel Autopilot Canard Centre stick Deceleron Dive brake Dual control Electro-hydraulic actuator Elevator Elevon Flaperon Flight control modes Fly-by-wire Gust lock HOTAS Rudder Rudder pedals Servo tab Side-stick Spoiler Spoileron Stabilator Stick pusher Stick shaker Trim tab Wing warping Yaw damper Yoke
Aerodynamic and high-lift devices	Active Aeroelastic Wing Adaptive compliant wing Anti-shock body Blown flap Channel wing Dog-tooth Drag-reducing aerospike Flap Gouge flap Gurney flap Krueger flap Leading-edge cuff Leading-edge droop flap LEX Slats Slot Stall strips Strake Variable-sweep wing Vortex generator Vortilon Wing fence Winglet
Avionic and flight instrument systems	ACAS Air data boom Air data computer Aircraft periscope Airspeed indicator Altimeter Annunciator panel Astrodome Attitude indicator Compass Course deviation indicator EFIS EICAS Flight management system Glass cockpit GPS Head-up display Heading indicator Horizontal situation indicator INS ISIS Multi-function display Pitot–static system Radar altimeter TCAS Transponder Turn and slip indicator Variometer Yaw string
Propulsion controls, devices and fuel systems	Autothrottle Drop tank FADEC Fuel tank Gascolator Inlet cone Intake ramp NACA cowling NACA duct Self-sealing fuel tank Splitter plate Throttle Thrust lever Thrust reversal Townend ring War emergency power Wet wing
Landing and arresting gear	Aircraft tire Arrestor hook Autobrake Conventional landing gear Drogue parachute Landing gear Landing gear extender Oleo strut Tricycle landing gear Tundra tire
Escape systems	Ejection seat Escape crew capsule
Other systems	Aircraft lavatory Auxiliary power unit Bleed air system Deicing boot Emergency oxygen system Environmental control system Flight recorder Hydraulic system Ice protection system In-flight entertainment system Landing lights Navigation light Passenger service unit Ram air turbine