Wirnik BERP - BERP rotor

Tokyo Metropolitan Police Department EH101 (AW101)

Projekt łopaty wirnika BERP został opracowany w ramach brytyjskiego programu Experimental Rotor . Początkowe łopaty wirnika BERP zostały opracowane pod koniec lat 70. do połowy lat 80. XX wieku jako program joint venture pomiędzy Westland Helicopters i Royal Aircraft Establishment (RAE), z profesorem Martinem Lowsonem jako współpatentem. Celem było zwiększenie udźwigu śmigłowców i maksymalnej prędkości przy użyciu nowych konstrukcji i materiałów.

Jak to działa

Gdy obiekty zbliżają się do prędkości dźwięku , fale uderzeniowe tworzą się w obszarach, w których lokalny przepływ jest przyspieszany powyżej prędkości dźwięku. Zwykle ma to miejsce na zakrzywionych obszarach, takich jak okna kokpitu, przednie krawędzie skrzydła i podobne obszary, w których zasada Bernoulliego przyspiesza powietrze. Te fale uderzeniowe wypromieniowują dużą ilość energii, która musi być dostarczona przez silniki, co objawia się całemu samolotowi jako duży dodatkowy opór, znany jako opór falowy . To był początek oporu fali, który dał początek idei bariery dźwiękowej .

Helikoptery mają dodatkowy problem polegający na tym, że ich wirniki poruszają się względem kadłuba podczas obracania się. Nawet podczas zawisu końcówki wirnika mogą poruszać się ze znacznym ułamkiem prędkości dźwięku. Gdy helikopter przyspiesza, jego ogólna prędkość jest dodawana do prędkości końcówek, co oznacza, że ​​łopaty po stronie poruszającej się do przodu wirnika widzą znacznie większą prędkość niż po stronie poruszającej się do tyłu, co powoduje asymetrię siły nośnej . Wymaga to zmiany kąta natarcia łopatek, aby zapewnić podobną siłę nośną po obu stronach, pomimo dużych różnic we względnym przepływie powietrza.

To zdolność wirnika do zmiany wzorca uniesienia ogranicza prędkość helikoptera do przodu; w pewnym momencie prędkość jazdy do przodu oznacza, że ​​łopaty poruszające się do tyłu są poniżej swojej prędkości przeciągnięcia . Punkt, w którym to nastąpi, można poprawić, przyspieszając obracanie się wirnika, ale wtedy pojawia się dodatkowy problem polegający na tym, że przy dużych prędkościach łopatki poruszające się do przodu zbliżają się do prędkości dźwięku i zaczynają cierpieć z powodu oporu fal i innych negatywnych skutków.

Jednym z rozwiązań problemu oporu fal jest to samo, które zaobserwowano w myśliwcach odrzutowych z lat 50. XX wieku, kiedy używano zamiatania skrzydeł . Zmniejsza to efekt oporu fali bez znaczących negatywnych skutków, z wyjątkiem bardzo niskich prędkości. W przypadku myśliwców był to problem, zwłaszcza podczas lądowania, ale w przypadku śmigłowców jest to mniejszy problem, ponieważ końcówki wirnika nie zwalniają znacznie, nawet podczas lądowania. Takie zamiatane czubki można zobaczyć na wielu helikopterach z lat 70. i 80., zwłaszcza na UH-60 Blackhawk i AH-64 Apache .

Jednak aby nie uzyskać środka ciężkości ani aerodynamicznych ruchów środka za elastyczną osią łopatki (które mogą wprowadzać niepożądane sprzężenia aerodynamiczne i bezwładnościowe), wówczas końcówka musi być skonfigurowana z przesunięciem obszaru do przodu. Można to ograniczyć do minimum, rozpoznając, że liczba Macha zmienia się wzdłuż łopatki, więc nie musimy używać stałego kąta odchylenia, minimalizując w ten sposób wielkość przesunięcia obszaru do przodu.

Metodologia zastosowana w konstrukcji łopatki BERP zapewnia, że ​​efektywna liczba Macha normalna do łopatki pozostaje nominalnie stała w obszarze przetaczania. Maksymalne odchylenie zastosowane na dużej części łopatki BERP wynosi 30 stopni, a końcówka zaczyna się przy bezwymiarowym promieniu r / R = cos 30 = promień 86%. Rozkład powierzchni tego obszaru końcówki jest skonfigurowany tak, aby zapewnić, że średni środek nacisku końcówki znajduje się na osi sprężystej łopatki. Odbywa się to poprzez przesunięcie położenia lokalnej osi cięciwy 1/4 do przodu o promieniu 86%.

To przesunięcie powoduje również nieciągłość na krawędzi natarcia (nazywaną wycięciem), co daje inne interesujące efekty. Na przykład, ostatnie obliczenia z wykorzystaniem kodu CFD opartego na równaniach Naviera-Stokesa pokazały, że to „wycięcie” faktycznie pomaga w dalszym zmniejszaniu siły fal uderzeniowych na łopatce. Zatem nieoczekiwanym produktem ubocznym karbu, wykraczającym poza podstawowy efekt przeciągnięcia, jest pomoc w dalszym zmniejszaniu efektów ściśliwości.

Musimy również zdawać sobie sprawę z tego, że tego rodzaju skośna geometria końcówki niekoniecznie poprawi działanie ostrza przy dużym kącie natarcia odpowiadającym cofającej się stronie dysku. W rzeczywistości, doświadczenie pokazało, że ostrze ze skośnym końcem może mieć gorszą charakterystykę przeciągnięcia w porównaniu ze standardową końcówką ostrza.

Ostrze BERP wykorzystuje ostateczną geometrię, która działa jak zamiatana końcówka przy wysokich liczbach Macha i niskich kątach natarcia, ale umożliwia również działanie końcówki pod bardzo dużymi kątami natarcia bez przeciągania. Ta ostatnia cecha została uzyskana poprzez radykalne zwiększenie odchylenia najbardziej zewnętrznej części końcówki (około 2% zewnętrznej) do wartości (70 stopni), gdzie jakikolwiek znaczący kąt natarcia spowoduje oddzielenie przepływu krawędzi natarcia.

Ponieważ przednia krawędź jest tak silnie zamieciona, to oddzielenie krawędzi czołowej przekształca się w strukturę wirową , która toczy się wokół przedniej krawędzi i ostatecznie osadza się nad górną powierzchnią (jak w samolocie ze skrzydłem delta). Mechanizm ten jest wzmocniony przez wykonanie stosunkowo ostrej krawędzi natarcia płata w tym obszarze.

Wraz ze wzrostem kąta natarcia wir ten zaczyna się rozwijać od punktu coraz dalej do przodu wzdłuż krawędzi natarcia, podążając za geometrią płaskiego kształtu do obszaru o bardziej umiarkowanym uniesieniu. Przy dostatecznie dużym kącie natarcia, wir zostanie zainicjowany w pobliżu najbardziej wysuniętej do przodu części przedniej krawędzi w pobliżu obszaru „wycięcia”.

Dowody wykazały, że tworzy się również silny wir „karbowany”, który jest rozprowadzany strumieniowo po ostrzu. Wir ten działa jak ogrodzenie aerodynamiczne i powstrzymuje obszar separacji przepływu przed wnikaniem w obszar końcówki. Dalsze zwiększanie kąta natarcia powoduje niewielkie zmiany w strukturze przepływu, aż do osiągnięcia bardzo dużego kąta natarcia (w okolicach 22 stopni!), Kiedy przepływ znacznie się oddzieli. W przypadku konwencjonalnego planu końcówki, można by się spodziewać, że podobny całkowity zanik przepływu wystąpi przy około 12 stopniach lokalnego kąta natarcia.

Dlatego łopatka BERP udaje się wykorzystać to, co najlepsze z obu światów, zmniejszając wpływ ściśliwości na wysuwaną łopatkę i opóźniając początek przeciągnięcia cofającej się łopaty. Rezultatem netto jest znaczny wzrost zakresu lotów operacyjnych.

Programy

Wstępny program, BERP I, dotyczył projektowania, produkcji i kwalifikacji kompozytowych łopat wirnika. Zaowocowało to wyprodukowaniem nowych łopat wirnika głównego i ogonowego dla Westland Sea King . Kontynuując pierwszy, drugi program, BERP II, przeanalizowano zaawansowane sekcje płata pod przyszłe łopaty wirnika. Zostało to uwzględnione w programie BERP III.

Konstrukcje BERP III mają wycięcie w kierunku zewnętrznego końca łopaty wirnika, z większym odchyleniem od nacięcia do końca łopaty w porównaniu z wycięciem wewnątrz. BERP III zakończył się demonstracją technologii na helikopterze Westland Lynx . W 1986 roku specjalnie zmodyfikowany Lynx, zarejestrowany G-LYNX i pilotowany przez Trevora Eggintona, ustanowił absolutny rekord prędkości śmigłowców na kursie 15 i 25 km, osiągając 400,87 km / h (249,09 mil / h). Po udanej demonstracji technologii ostrze BERP III weszło do produkcji.

Zastosowania BERP IV: nowy płat, poprawiony kształt końcówki ostrza i zwiększony skręt ostrza. Po 29 godzinach testów stwierdzono, że „poprawia osiągi obwiedni wirnika, zmniejsza zapotrzebowanie na moc podczas zawisu i lotu do przodu,… zmniejsza drgania płatowca i silnika dla różnych mas startowych”. Ponadto „stwierdzono, że obciążenie piasty wirnika jest takie samo lub mniejsze niż w przypadku łopaty BERP III zamontowanej teraz w helikopterze EH101 ”. Aby zapobiec erozji krawędzi czołowej, ostrze będzie używać taśmy na bazie gumy zamiast poliuretanu używanego w brytyjskiej marynarce wojennej Sea Kings. Podczas testów stwierdzono, że trwało pięć razy dłużej, 195 minut vs 39 minut. Program zakończył się w sierpniu 2007 roku

Zastosowania technologii BERP

Aktualne aplikacje to:

  • BERP III:
AgustaWestland AW101
Ulepszony Westland Super Lynx
  • BERP IV:
AgustaWestland AW101
VH-71 Kestrel

Bibliografia

  1. ^ „Martin Lowson (Nekrologi)” (tylko wersja zapoznawcza) . The Times . Londyn. 12 sierpnia 2013 . Źródło 27 listopada 2015 r .
  2. ^ a b J. Gordon Leishman " ENAE 632 - The British Experimental Rotor Program (BERP) Blade Archived 2007-08-21 at the Wayback Machine ", University of Maryland, College Park , Źródło: 11 kwietnia 2010
  3. ^ Harrison, Stacey, Hansford " BERP IV The Design, Development and Testing of an Advanced Rotor Blade " 64. doroczne forum American Helicopter Society, 29 kwietnia - 1 maja 2008
  4. ^ a b c Coppinger, Rob (22 maja 2007). „BERP IV zwiększa ładowność Merlinów” . flightglobal.com . Źródło 27 listopada 2015 r .

Dalsza lektura

  • Brocklehurst, Alan. AIAA-1990-3008, „Experimental and numerical study of the British Experimental Rotor Programme blade”. AIAA, 1990.

Zewnętrzne linki