Способ определения демпфирующих свойств моделей самолетов с винтовыми движителями
Владельцы патента RU 2344397:
ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина" (RU)
Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике и может быть использовано для определения в аэродинамических трубах характеристик демпфирования моделей самолетов с винтовыми движителями. Способ заключается в испытании модели самолета с винтовыми движителями в аэродинамической трубе. В модель устанавливается винтовой движитель, выполненный в виде воздушного винта и газовой турбины. Через поддерживающие устройства и внутримодельный узел вращения в турбину подается сжатый воздух, приводящий винт во вращение со скоростью, необходимой для моделирования работы винтового движителя. Определение характеристик аэродинамического демпфирования модели осуществляется по методу "работ", основанному на равенстве изменения кинетической энергии вращающегося маховика за оборот и работой аэродинамических сил и сил трения в узлах вращения экспериментальной установки за период колебаний модели. Испытания ведутся в режиме колебаний модели с постоянной амплитудой и изменяющейся по времени частотой при наличии и отсутствии воздушного потока в аэродинамической трубе. Технический результат заключается в повышении достоверности характеристик аэродинамического демпфирования моделей самолетов с винтовыми движителями, получаемых в аэродинамической трубе за счет моделирования работы винтомоторной силовой установки. 1 ил.
Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике и предназначено для определения в аэродинамических трубах характеристик демпфирования моделей самолетов с винтовыми движителями.
Известны способы экспериментального определения нестационарных аэродинамических характеристик моделей самолетов, в том числе характеристик демпфирования (см. С.М.Белоцерковский, Б.К.Скрипач, В.Г.Табачников. Крыло в нестационарном потоке газа. М.: Издательство «Наука», 1971, глава VIII, §3...8, с.188-208). Там же приведены возможные конструктивные схемы устройств, реализующих эти способы. Однако эти устройства не позволяют определять характеристики аэродинамического демпфирования моделей с моделированием работы силовой установки.
Схема устройства, позволяющего определять нестационарные аэродинамические характеристики моделей самолетов с моделированием работы силовой установки, опубликована в статье By Delma С.Freeman, Jr., Sue В. Grafton and Richard D'Amato. Static and Dynamic Stability Derivatives of a Jet Transport Equipped With External - Flow Jet - Augmented Flaps. NASA Technical Note. NASA TN D-5408, 1969. Недостатком этого устройства является то, что имитаторы двигателей работают от сжатого воздуха, находящегося в баллонах, расположенных внутри модели. Это обуславливает существенное ограничение возможностей экспериментальных исследований из-за его ограниченного запаса внутри модели.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения простых вращательных производных на колеблющихся моделях в аэродинамических трубах и устройство для осуществления способа (см. а.с. № 130351, по кл. G01M 9/00, за 1969 г.). Определение демпфирующих свойств по этому способу осуществляется по методу "работ", основанному на равенстве изменения кинетической энергии вращающегося маховика за оборот, и работой аэродинамических сил и сил трения в узлах вращения экспериментальной установки за период колебаний модели. Реализация этого способа описана также:
- в статье B.C.Быков, Ю.А.Прудников. Экспериментальное определение вращательных производных методом свободных колебаний с постоянной амплитудой и изменяющейся во времени частотой. Труды ЦАГИ, вып.854, 1962 г.;
- в книге С.М.Белоцерковский, Б.К.Скрипач, В.Г.Табачников. Крыло в нестационарном потоке газа. М.: Издательство «Наука», 1971, глава VIII, §9, с.214, 1971 г.
Кинематическая схема устройства, реализующая этот способ, представляет собой механизм, состоящий из модели, шарнирно закрепленной на поддерживающих устройствах и соединенной тягой через эксцентрик с маховиком, закрепленным на платформе. Величина комплексов коэффициентов аэродинамических производных, характеризующих моменты демпфирования модели, определяется по разности приращения угловой скорости вращения маховика в потоке Δω и без него Δω0. Эта разность характеризует изменение кинетической энергии маховика за один оборот под воздействием аэродинамического демпфирования модели. При проведении эксперимента модель с помощью поддерживающих устройств крепится на платформе и привод раскручивает маховик до заданной скорости вращения ωmax. После отключения привода измеряется среднее значение угловой скорости вращения маховика и ее приращение за оборот.
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является отсутствие возможности определения характеристик демпфирования моделей с моделированием работы силовой установки. Это снижает достоверность получаемой экспериментальной информации вследствие несоответствия характера обтекания несущих элементов модели в аэродинамической трубе и несущих элементов самолета, находящихся под воздействием струи работающего винта.
Цель изобретения - повышение достоверности получаемых экспериментальных данных по характеристикам аэродинамического демпфирования самолетов с винтовыми движителями за счет моделирования работы винтомоторной силовой установки, что в значительной степени позволяет приблизить характер обтекания несущих элементов модели к натурным условиям.
Поставленная цель достигается тем, что в модель устанавливается винтовой движитель, выполненный в виде воздушного винта и газовой турбины. К турбине через поддерживающие устройства и внутримодельный узел вращения подается сжатый воздух, приводящий винт во вращение со скоростью, необходимой для моделирования работы силовой установки.
Изобретение поясняется чертежом, где:
1 - модель самолета;
2 - газовая турбина;
3 - вал;
4 - винт;
5 - узел вращения;
6 - поддерживающие устройства;
7 - измерительный маховик.
Устройство работает следующим образом: модель самолета 1 через узел вращения 5 устанавливается на поддерживающих устройствах 6 стенда с измерительным маховиком 7. Сжатый воздух Р через поддерживающие устройства 6 и узел вращения 5 подается в размещенную внутри модели газовую турбину 2, на валу которой 3 закреплен винт 4.
Определение характеристик аэродинамического демпфирования моделей производится как и по способу-прототипу, в режиме колебаний модели 1 с постоянной амплитудой и изменяющейся по времени частотой. В начале эксперимента на вал турбины 3 устанавливается рабочий винт 4. Через поддерживающие устройства 6 и внутримодельный узел вращения 5 сжатый воздух Р подается в турбину 2, обеспечивая скорость вращения винта, необходимую для моделирования работы силовой установки. В присутствии воздушного потока маховик 7 разгоняется до заданной скорости вращения и после отключения привода в диапазоне приведенных частот, соответствующих натурным условиям полета самолета, измеряется среднее значение скорости вращения маховика и ее приращение за оборот. Измерение угловых скоростей вращения маховика 7 осуществляется на базе нескольких периодов его вращения (n=10...15), а время периода Т определяется как среднее арифметическое за n оборотов, т.е. 
Затем, для учета влияния гироскопических моментов турбины 2 и вращающегося винта 4, на заключительном этапе испытаний на вал турбины 3 вместо рабочего винта 4 устанавливается его макет с аналогичными массово-инерционными характеристиками и производятся рассмотренные выше операции при отсутствии воздушного потока.
Выражение для рабочей формулы имеет вид
где
А - комплекс коэффициентов аэродинамических производных, характеризующий демпфирование соответствующей формы возмущенного движения:
при движении по тангажу 
при движении по крену 
при движении по рысканию 
Imax - момент инерции маховика;
Δω - приращение угловой скорости вращения маховика за один оборот в потоке, определяющее общую потерю кинетической энергии маховика;
Δω0 - приращение угловой скорости вращения маховика за один оборот без потока, определяющее потерю кинетической энергии маховика, затрачиваемой на компенсацию гироскопических моментов турбины и воздушного винта, а также сил трения в узлах вращения устройства;
q=ρV2/2 - скоростной напор потока в аэродинамической трубе;
S, ba, L - характерные площадь и линейные размеры модели;
Θ0 - амплитуда колебаний модели.
Способ определения характеристик аэродинамического демпфирования модели самолета с винтовым движителем, основанный на задании вращения маховику и колебаний механически связанной с ним модели, установленной в потоке аэродинамической трубы, и регистрацией параметров вращения маховика, отличающийся тем, что в начале испытаний в модель устанавливается винтовой движитель, выполненный в виде воздушного винта, установленного на валу газовой турбины, к которой через поддерживающие устройства и внутримодельный узел вращения подается сжатый воздух, приводящий винт во вращение со скоростью, необходимой для моделирования работы силовой установки, в присутствии воздушного потока маховик разгоняется до заданной скорости вращения, и после отключения привода производятся измерения средней скорости вращения маховика и ее приращение за оборот, затем, для учета влияния гироскопических моментов турбины и вращающегося винта, на заключительном этапе испытаний вместо рабочего винта устанавливается его макет с аналогичными массово-инерционными характеристиками и уже в отсутствии воздушного потока маховик вновь разгоняется до заданной скорости вращения, и после отключения привода также производятся измерения средней скорости вращения маховика и ее приращение за оборот, а затем, по разности приращений средней скорости вращения маховика за оборот, полученных в присутствии и отсутствии потока, определяются характеристики аэродинамического демпфирования модели самолета.
