Symulacja obliczeniowa opływu i obciążeń bezprzegubowego

Symulacja obliczeniowa opływu i obciążeń bezprzegubowego

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ
BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ
ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA
Airflow Simulations and Load Calculations of the Rigide with their
Influence on Rotor Working
Katarzyna Falkowicz - Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny
Niniejsza prezentacja poświęcona jest głównie:
koncepcji polegającej na wprowadzeniu w śmigle wytwarzającym ciąg
wzdłuż kadłuba, mającym sztywne oraz sztywno mocowane łopaty,
sterowania o zmiennym skoku okresowym,
analizie opływu i rozkładu pola prędkości indukowanej w zawisie przy
ciągu zerowym i pełnej antysymetrii obciążenia momentem gnącym
głowicę na niskich wysokościach,
pokazaniu propozycji rozwiązania numerycznego (modelu
obliczeniowego) uzyskanego z wykorzystaniem programu Ansys Fluent,
wykorzystaniu metody VBM, która łączy (przy znacznych
uproszczeniach wyznaczania obciążeń) oba modele: wyznaczanie
obciążeń (OBCWN) i opływ (FLUENT),
Zaprezentowaniu wyników obliczeń symulacyjnych.
Przykłady rozwiązań śmigieł reakcyjnych wybranych
śmigłowców
Widok na śmigło ogonowe w konfiguracji
pchającej śmigłowca S-61 F
Widok na klasyczne i pchające śmigło
ogonowe Śmigłowca AH-56 Cheyenne
Śmigłowiec Sikorsky X2
Śmigłowiec Piasecki X-49 Speedhawk
Wykorzystane metody obliczeniowe
1. W obliczeniach przepływów powietrza przez dysk śmigła ogonowego
wykorzystano oprogramowanie - ANSYS FLUENT ™, które służy do
analizy pola przepływu metodą objętości skończonych i które bazuje
na rozwiązaniu równań:
- pędu Naviera-Stokesa,
- zachowania masy,
- zachowania energii.
2. W obliczeniach dotyczących obciążeń wirnika wykorzystano program
OBCWN (Obciążeń Wirnika Nośnego) bazujący na metodzie
Galerkina.
Wykorzystanie pakietu Fluent do obliczeń przepływu przez
powierzchnię aktywnego dysku
Geometria śmigła ogonowego wykorzystywana w obliczeniach
Zaletą modelu jest możliwość nadania wirnikowi charakterystycznych mu cech.
Model bezprzegubowego śmigła ogonowego
Model geometryczny:
Geometria łopaty oraz jej dane aerodynamiczne,
sztywnościowe, masowe przyjęto jak dla śmigła
ogonowego śmigłowca PZL W-3 Sokół
Promień śmigła R=1,5 m
Promień nieczynny r = 0,5 m
Szerokość łopaty b = 250 mm
Częstość obrotów n = 1337 obr/min
Aby spełnić warunek śmigła bezprzegubowego łopata została
utwierdzona w piaście, a sztywność łopaty w płaszczyźnie ciągu została
zwiększona tak aby częstości drgań własnych łopaty zbliżone były do
częstości drgań łopat bezprzegubowych wirników nośnych /ze sztywnymi
łopatami tak jak w śmigłowcu ABC Sikorsky X2/
Siatki do obliczeń według MES rozpatrywanego
zagadnienia
a)
b)
model śmigła ogonowego
a)
siatka obliczeniowa
b)
model przestrzeni otaczającej śmigło ogonowe
schemat siatki obliczeniowej
Wyniki obliczeń opływu śmigła ogonowego
Opływ przykładowego śmigła w układzie 2D.
Opływ śmigła w układzie 3D.
Wyniki obliczeń opływu śmigła ogonowego
Opływ śmigła ogonowego „od dołu wirnika”
przy prędkości napływu powietrza 5 m/s
Opływ śmigła ogonowego „w bok” przy
prędkości napływu powietrza 5 m/s
Wyniki symulacji przepływu przez dysk śmigła
ogonowego z pełną antysymetrią (13s)
ujęcie filmowe
Wyniki symulacji przepływu przez dysk śmigła
ogonowego z pełną antysymetrią (20s)
ujęcie filmowe
Wyniki obliczeń symulacyjnych
2000.00
b)
moment gnacy nasade lopaty Mc [Nm]
a)
1000.00
0.00
-1000.00
-2000.00
6400.00
6600.00
6800.00
7000.00
7200.00
azymut lopaty [deg]
Obciążenia segmentów łopaty momentem gnącym
w funkcji promienia
Obciążenia segmentów łopaty momentem gnącym
w funkcji azymutu
0.08
a)
b)
ugiecie konca lopaty z [m]
0.04
0.00
-0.04
-0.08
6400.00
6600.00
6800.00
7000.00
7200.00
azymut lopaty [deg]
Odkształcenia segmentów łopaty w funkcji promienia
Odkształcenia segmentów łopaty w funkcji azymutu
Wyniki obliczeń symulacyjnych
0.60
skrecenie konca lopaty fi [deg]
0.40
0.20
0.00
-0.20
-0.40
Obciążenia segmentów łopaty momentem skręcającym
w funkcji promienia
6400.00
6600.00
6800.00
7000.00
7200.00
azymut lopaty [deg]
Obciążenia segmentów łopaty momentem skręcającym
w funkcji azymutu
kat natarcia konca lopaty alfa [deg]
8.00
4.00
0.00
-4.00
-8.00
6400.00
6600.00
6800.00
7000.00
7200.00
azymut lopaty [deg]
Zmiany kąta natarcia segmentów łopaty w funkcji promienia
Zmiany kąta natarcia segmentów łopaty w funkcji azymutu
Wyniki obliczeń
Wpływ liczby łopat na zdolność wytwarzania momentu sterowania
kierunkowego
Dyskusja otrzymanych wyników
1. Jak wynika z przeprowadzonych analiz w przypadku 2D nie jest możliwe
uzyskanie spodziewanego momentu sterującego, ponieważ obszar
indukowany kształtuje się w postaci pierścienia. Zwiększenie skoku
ciśnienia spowoduje tylko przyspieszenie przepływu w utworzonym
pierścieniu dlatego też sterowanie momentem nie jest możliwe.
2. W opływie 3D natomiast utworzył się przepływ w kierunku osi obrotu
śmigła gdzie powietrze zostaje zasysane z całej przestrzeni wokół
niego. Dlatego w tym przypadku ukształtowane oddzielne strugi dają
możliwość wytworzenia momentu przy zerowym ciągu, a także
sterowania nim.
3. W przypadku „od dołu wirnika” widać, że nie zasysają się jeszcze strugi
przez stronę z podciśnieniem, a prędkość styczna do płaszczyzny
obrotów wynosi 5 m/s przy max prędkości indukowanej ~ 15 m/s.
4. Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć wpływ liczby
łopat na zdolność wytwarzania momentu sterowania kierunkowego.
Podsumowanie
1.
Pierwsze próby analiz 2D nie nastrajały optymistycznie dopiero
rozwiązanie 3D potwierdziło możliwość poprawnego rozwiązania
tej koncepcji sterowania.
2.
Śmigło o zmiennym skoku okresowym mogłoby być
zastosowane w wiatrakowcach i na ultralekkich śmigłowcach.
Rozwiązanie takie posiadałoby szereg zalet skłaniających do
dalszego rozwoju podobnych konstrukcji. Można by
jednocześnie wykorzystać zalety układów ze śmigłem
pchającym.
3.
W celu weryfikacji i uściślenia modelu symulacyjnego należałoby
dodatkowo wykonać badania doświadczalne na specjalnie do
tego skonstruowanym stanowisku pomiarowo-badawczym.
Dziękuję
za uwagę