Самолёт PJ-II "Dreamer"

[Malish]

Продолжим про расчёт вентилятора нашего самолёта профессором Шаховым В.Г.
Этот расчёт был основан на информации по схожему вентилятору ОВ-23М который был разработан и исследован в ЦАГИ. Я конечно не сомневаюсь в компетентности проф. Шахова или правильности исследований ЦАГИ, но есть одно большое различие между нашим вентилятором и вентилятором ОВ-23М.
Вентилятор ЦАГИ - это практически вентилятор в кольце, т.к. у него отсутствует входной канал. А наш вентилятор находится внутри относительно длинного канала(около трёх метров) и входной канал имеет длину 1800мм. Длинный воздушный канал скорее всего влияет на работу вентилятора и он работает по другому, чем находясь в кольце. Скорее всего вентилятор в длинном канале ещё в статике создаёт "свой" воздушный поток внутри канала и в дальнейшем(при наборе скорости в полёте) эта скорость практически не меняется. Это наверно и объясняет то что на нашем самолёте обороты двигателя(и вентиляторов) практически не меняются, о чём я ранее говорил... А если это так, то все остальные расчёты(кроме статического режима работы), которые зависят от скорости полёта самолёта, будут не верными🤔...

 

[Иванов]

А в расчёте учитывается изменение скорости потока по радиусу канала? У вентилятора в длинном канале, в "характерном сечении" неравномерность скорости порядка 30% от центра к стенке.

Массовый расход воздуха через канал не может не меняться при изменении скорости ЛА. Это же реактивное движение... Иначе не будет роста тяги

Предположу, что по мере разгона самолёта меняется распределение скоростей по радиусу. В статике, корневые сечения работали в режиме срыва, а концевые перегружены. При разгоне ЛА Меняется загрузка лопаток в сечениях по радиусу. Они начинают работать на оптимальных углах и увеличивать расход воздуха и тягу. Это позволяет поддерживать рост тяги примерно пропорционально увеличению скорости полета. Обороты при этом меняются мало.

Из этих соображений, осмелюсь предположить, что у вашего вентилятора завышены установочные углы - он перегружен.

 

[Malish]

А в расчёте учитывается изменение скорости потока по радиусу канала? У вентилятора в длинном канале, в "характерном сечении" неравномерность скорости порядка 30% от центра к стенке.

Массовый расход воздуха через канал не может не меняться при изменении скорости ЛА. Это же реактивное движение... Иначе не будет роста тяги

Предположу, что по мере разгона самолёта меняется распределение скоростей по радиусу. В статике, корневые сечения работали в режиме срыва, а концевые перегружены. При разгоне ЛА Меняется загрузка лопаток в сечениях по радиусу. Они начинают работать на оптимальных углах и увеличивать расход воздуха и тягу. Это позволяет поддерживать рост тяги примерно пропорционально увеличению скорости полета. Обороты при этом меняются мало.

Из этих соображений, осмелюсь предположить, что у вашего вентилятора завышены установочные углы - он перегружен.

Я почти согласен с Вами, здесь скорее всего и "кроется" проблема в расчётах. "Почти" - потому-что наши "старые" лопатки менее "закручены" чем новые, а это значит что на "новых" лопатках корневые сечения будут иметь ещё большие установочные углы. На наших вентиляторах(со старыми лопатками) расчётный установочный угол был 30 градусов и в статике действительно вентиляторы были "тяжёлыми" для двигателя, он не развивал расчётных оборотов(5000 об/м).
Когда мы уменьшили установочный угол лопаток до 20 градусов, то двигатель "вышел" на расчётные обороты и статическая тяга увеличилась, но это значит что мы просто "перевели" вентиляторы на режим наилучшего КПД в статике. Установочный угол в 30 градусов был рассчитан на скорость полёта 160-180 км/ч и это был "компромисс" между статическим(взлётным 0 км/ч) и крейсерским(300 км/ч) режимами работы вентиляторов(с наилучшим КПД).
А с новыми лопатками, проф. Шахов рекомендует следующие установочные углы лопаток, где:
Точка 1(для статики 0 км/ч) - примерно 24 градуса.
Точка 3(для круиза 250 км/ч) - примерно 35 градусов.
Точка 2(компромиссный режим 200 км/ч) - примерно 32 градуса.

Тогда, следуя Вашему заключению, учитывая что "новые" лопатки имеют большую крутку(чем наши), то их корневая часть будет ещё больше находиться в режиме "срыва", особенно в статическом режиме работы вентиляторов.
Я думаю, что не угол установки лопатки нужно уменьшать, а величину их крутки...

 

[Иванов]

На мой взгляд, "проблема" ( тонкое место ) расчетной методики состоит в том, что она учитывает "стационарный режим обтекания"... Под этим определением я понимаю установившиеся условия взаимодействия потока и лопатки на определенной скорости движения ЛА.
Рассматривая результаты проделанной Вами многотрудной работы по доведению вентилятором установки, осмелюсь предположить...:
- что для получения большей статической тяги, можно уменьшить крутку лопатки. ( вопрос поведения массового расхода на расчетной скорости остаётся "открытым"...);
- с той же целью, можно уменьшАть угол установки лопаток, скажем, с шагом в 1-2 градуса и оценивать поведение ЛА в разгоне и максимальную скорость. ( это в вашей конструкции сделать просто ).
Изменение крутки - это "тонкая настройка". Полагаю, начать следует с изменения углов установки.
Ещё можно поработать с организацией потока на входе и до плоскости вентилятора, чтобы выровнять скорости течения воздуха у стенки и в центре.
Или, ввести элементы управления потоком...
В общем, работа только начинается...

 

[Ромашчандр]

Я правильно понимаю, что новые лопатки вентилятора ещё не испытаны?

 

[Malish]

На мой взгляд, "проблема" ( тонкое место ) расчетной методики состоит в том, что она учитывает "стационарный режим обтекания"... Под этим определением я понимаю установившиеся условия взаимодействия потока и лопатки на определенной скорости движения ЛА.
Рассматривая результаты проделанной Вами многотрудной работы по доведению вентилятором установки, осмелюсь предположить...:
- что для получения большей статической тяги, можно уменьшить крутку лопатки. ( вопрос поведения массового расхода на расчетной скорости остаётся "открытым"...);
- с той же целью, можно уменьшАть угол установки лопаток, скажем, с шагом в 1-2 градуса и оценивать поведение ЛА в разгоне и максимальную скорость. ( это в вашей конструкции сделать просто ).
Изменение крутки - это "тонкая настройка". Полагаю, начать следует с изменения углов установки.
Ещё можно поработать с организацией потока на входе и до плоскости вентилятора, чтобы выровнять скорости течения воздуха у стенки и в центре.
Или, ввести элементы управления потоком...
В общем, работа только начинается...

В принципе мы так и делали с нашими вентиляторами, уменьшали угол установки лопаток на 2-3 градуса и проверяли тягу и обороты двигателя до тех пор, пока обороты двигателя не достигли расчётных 5000(взлётный режим), а тяга увеличилась на 25-30 кг. Правда делали это только в статике(без полётов) т.к. к этому времени СЛГ самолёта закончился, а летать без СЛГ в Волгоградском аэропорту было не реально. Делать новое СЛГ мы не хотели, т.к. уже были готовы менять шасси на убираемое, что-бы потом не делать его заново. Решили что проверим полётные данные после установки нового шасси и получения СЛГ.
Вот здесь и получился наш "прокол", после замены шасси самолёт стал совершенно другим и сравнивать уже было не с чем. Самолёт стал на 65 кг тяжелее, но самое главное изменились взлётные характеристики. В связи с тем что за основу мы взяли систему убираемого шасси(основные стойки) с самолёта Lancair IV(об этом я писал раньше), то длина этих стоек получилась на 50-60 мм длиннее не убираемых. Стояночный угол самолёта(крыла) изменился на отрицательный.
Всё это привело к увеличению взлётной скорости на 25 км/ч, если раньше самолёт "сам хотел" оторваться на скорости около 100 км/ч, то теперь что-бы ему поднять нос нужна скорость 125 км/ч.
Что либо делать с каналами сейчас(на этом самолёте) будет просто не реально, остаётся только "играть" с вентиляторами(т.е. с его лопатками). Если нам удастся получить статическую тягу 400-425 кг и крейсерскую скорость 250 км/ч(при оборотах двигателя 3800-4000 об/м(5400-5700 об/м на вентиляторе)), то этого будет вполне достаточно. А на это показывают расчёты проф. Шахова...

 

[Malish]

Я правильно понимаю, что новые лопатки вентилятора ещё не испытаны?

Пока нет, но подготовкой занимаемся. К тому-же делаем модификацию системы охлаждения двигателя(тоже есть о чём рассказать). И как всегда у самолёта закончилось СЛГ, поэтому пока со всеми этими "переделками" не закончим, то летать нельзя...

 

[Иванов]

Пока нет, но подготовкой занимаемся. К тому-же делаем модификацию системы охлаждения двигателя(тоже есть о чём рассказать). И как всегда у самолёта закончилось СЛГ, поэтому пока со всеми этими "переделками" не закончим, то летать нельзя...

Поражает трудоёмкость Ваших работ.
Однако, обстоятельства - не радуют.... Нельзя переместить самолёт для облётов на другую площадку? Или вопрос с наличием СЛГ - это принципиальная позиция?...


На мой взгляд, не стоит абсолютизировать методику расчёта. Особенно "виртуальные" ( компьютерные ) продувки. Пока нет продувок в трубе, или натурных испытаний и данных с облёта, любая комплексная методика - это +30/ -70% точности результата от того, что будет в натуральном виде. Про виртуальные продувки - это отдельная "песня"... ( Впрочем, я слышал, что у Казанцев, как раз по пропеллерам, есть неплохие наработки в компьютерном моделировании...)

Я не дипломированный специалист в области аэродинамики. ( Некогда... Но могу починить и запустить аэродинамическую трубу, шестикомпонентные весы,... Изготовить модель, установить на весах и провести измерения продувочных коэффициентов... ( впрочем, с этим, даже наученные студенты справляются ). Так же, я достаточно давно в воздухе. )
Потому, на мой взгляд, есть существенное отличие представленного расчёта вентилятора ОВМ-23 и случая вашего вентилятора в канале. Однако, новая лопатка, с увеличенной круткой и бОльшим перекрытием, но выставленная на меньший угол ( на 0,75R ) чем лопатка предидущей формы, вполне может дать желаемый результат. Если не в статике, то на расчётной скорости.
Всё так и делается в "большой" авиации - считается прикидочно, подбирается натурно, сверяется с теорией, корректируется методика расчёта и - новый цикл... По результату, Вы станете счастливым обладателем уникальной методики расчёта и подбора вентиляторов в некотором диапазоне мощностей и скоростей полёта ЛА с подобной мотоустановкой...

Позволю ещё одно замечание.
Вы, вполне вероятно, "ловите" эффект влияния земли. Это когда воздухозаборник, как пылесос присасывается к поверхности по которой движется ЛА. Что создаёт значительное усилие на изменение тангажа канала с вентилятором ( "хобота пылесоса" ) и, поскольку у вас канал связан с корпусом ЛА, противодействует увеличению угла атаки крыла на взлёте.
Полагаю, что отрицательный угол атаки крыла из-за размеров шасси, легко переводился бы ( на скорости меньшей скорости отрыва ) в положительный, с помощью рулей высоты. Однако, как понимаю, этого не происходит - момент от рулей не может компенсировать момент от "присасывания"... Косвенным подтверждением такого эффекта могут служить ощущения ускорений при отрыве от полосы, воспринимаемые пилотом ( в продольном направлении и в вертикали ). Лучше, конечно иметь запись изменения скоростей Vy, Vx на взлёте и анализировать по графикам.

Для модифицирования каналов воздухозаборников не потребуется их переделывать. С целью улучшения характеристик потока, приходящего в "характерное сечение" ( место расположения вентилятора ) можно попробовать "нормировать" и отводить пограничный ( пристеночный ) слой... Но, сперва, резонно довести вентилятор до желаемых параметров.

 

[Malish]

Поражает трудоёмкость Ваших работ.
Однако, обстоятельства - не радуют.... Нельзя переместить самолёт для облётов на другую площадку? Или вопрос с наличием СЛГ - это принципиальная позиция?...


На мой взгляд, не стоит абсолютизировать методику расчёта. Особенно "виртуальные" ( компьютерные ) продувки. Пока нет продувок в трубе, или натурных испытаний и данных с облёта, любая комплексная методика - это +30/ -70% точности результата от того, что будет в натуральном виде. Про виртуальные продувки - это отдельная "песня"... ( Впрочем, я слышал, что у Казанцев, как раз по пропеллерам, есть неплохие наработки в компьютерном моделировании...)

Я не дипломированный специалист в области аэродинамики. ( Некогда... Но могу починить и запустить аэродинамическую трубу, шестикомпонентные весы,... Изготовить модель, установить на весах и провести измерения продувочных коэффициентов... ( впрочем, с этим, даже наученные студенты справляются ). Так же, я достаточно давно в воздухе. )
Потому, на мой взгляд, есть существенное отличие представленного расчёта вентилятора ОВМ-23 и случая вашего вентилятора в канале. Однако, новая лопатка, с увеличенной круткой и бОльшим перекрытием, но выставленная на меньший угол ( на 0,75R ) чем лопатка предидущей формы, вполне может дать желаемый результат. Если не в статике, то на расчётной скорости.
Всё так и делается в "большой" авиации - считается прикидочно, подбирается натурно, сверяется с теорией, корректируется методика расчёта и - новый цикл... По результату, Вы станете счастливым обладателем уникальной методики расчёта и подбора вентиляторов в некотором диапазоне мощностей и скоростей полёта ЛА с подобной мотоустановкой...

Позволю ещё одно замечание.
Вы, вполне вероятно, "ловите" эффект влияния земли. Это когда воздухозаборник, как пылесос присасывается к поверхности по которой движется ЛА. Что создаёт значительное усилие на изменение тангажа канала с вентилятором ( "хобота пылесоса" ) и, поскольку у вас канал связан с корпусом ЛА, противодействует увеличению угла атаки крыла на взлёте.
Полагаю, что отрицательный угол атаки крыла из-за размеров шасси, легко переводился бы ( на скорости меньшей скорости отрыва ) в положительный, с помощью рулей высоты. Однако, как понимаю, этого не происходит - момент от рулей не может компенсировать момент от "присасывания"... Косвенным подтверждением такого эффекта могут служить ощущения ускорений при отрыве от полосы, воспринимаемые пилотом ( в продольном направлении и в вертикали ). Лучше, конечно иметь запись изменения скоростей Vy, Vx на взлёте и анализировать по графикам.

Для модифицирования каналов воздухозаборников не потребуется их переделывать. С целью улучшения характеристик потока, приходящего в "характерное сечение" ( место расположения вентилятора ) можно попробовать "нормировать" и отводить пограничный ( пристеночный ) слой... Но, сперва, резонно довести вентилятор до желаемых параметров.

Отличные комментарии и пояснения, жаль что Вы не в нашей команде(или то что от неё осталось)...
Постараюсь ответить на Ваши комментарии:
В своё время мы искали "площадку" для первого полёта нашего самолёта, зная что это должен быть аэродром с "твёрдой" ВПП длиной 1000-1500 метров. Ничего похожего в Волгограде и ближайших регионах(где нам бы разрешили летать) мы не нашли и только на аэродроме в Белевцах(под Краснодаром) нам "улыбнулось счастье", там мы и подняли наш самолёт в воздух первый раз. Сейчас воздушное пространство в Краснодаре и Ростове закрыто для полётов. Да и производить испытательные полёты и заниматься доводкой на чужой территории, вдали от "базы", дело не очень привлекательное(мы уже через это прошли в Краснодаре). Тем более что сейчас у нас на аэродроме в Средней Ахтубе(бывший аэродром ДОСААФ) сделали авиационный центр с шикарной грунтовой полосой(военные сделали её для Су-25), но там пока ещё нет ангаров(обещают нам там место, когда построят). Скорее всего туда и "перетащим" самолёт, но это будет скорее всего ближе к лету...
Я тоже больше "практик" чем теоретик, закончил КИИГА(где готовили "эксплуатационников", а не "разработчиков"), лётное обучение(CPL) получил в США, а всё остальное(конструкция, проектирование ЛА и аэродинамику) "постигал" сам.
Эффекта "присоса" скорее всего нет, во всяком случае со старым шасси такого не наблюдалось. Да, воздухозаборник "сосёт" всякую мелочь(листья, травинки и другие лёгкие предметы) и даже иногда видно пылевое "торнадо" идущее от земли в воздухозаборник, но не думаю что оно такое сильное что-бы присасывать.
Я всё-таки склоняюсь к тому что крыло встало на негативные углы атаки с новым шасси(у нашего самолёта угол установки крыла +3 градуса и крутка -2,5 градуса) и РВ на скорости ниже 110-120 км/ч уже "не хватает"(предыдущие полёты на сваливание показали что самолёт начинает "опускать нос" на скорости 110 км/ч при РУС полностью "на себя") что-бы пересилить прижимающий момент крыла. К тому-же самолёт имеет тенденцию "садиться на экран" у земли, поэтому он раньше "взбухал" на разбеге(на скорости около 100 км/ч) даже без поднятия носа, теперь(с новым шасси) на взлёте такой тенденции нет, но при посадке "усадка на экран" осталась и посадочная скорость осталась прежней. Так-же скорости набора(Vy, Vx) тоже практически не изменились.
Каналы у нас довольно прямые и я даже не вижу что с ними можно сделать для улучшения потока воздуха через них:

Изменилась только входная часть воздухозаборника после добавления обтекателя убираемого шасси снизу фюзеляжа.
До:

и после:

 

[Malish]

Нашёл информацию о вентиляторе ОВ-23М данные которого были взяты(проф. Шаховым) за основу при расчётах вентилятора для нашего самолёта. Думаю что это был не плохой выбор. Этот PDF файл слишком большой, поэтому здесь только "скриншаты"(что-бы его можно было найти кому интересно почитать).

В нём есть информация и о вентиляторе ЦАГИ ОВ-23М:

 

[Malish]

Потом сравнил данные с расчётами нашего вентилятора - похожи, надеюсь что будет положительный результат в работе нового вентилятора...
Сечения лопаток вентилятора и спрямляющего аппарата:

Лопатка и сам вентилятор:

 

[Malish]

Кроме лопаток вентилятора Шахов так-же рассчитал новый спрямляющий аппарат для этого вентилятора и новый статор. Проблема в том, что сейчас их переделать мы не сможем, т.к. они на прототипе являются частью планера самолёта(не съёмные). А вот на следующих самолётах их можно будет менять.
Лопатка спрямляющего аппарата:

сам спрямляющий аппарат со стекателем и статор:

 

[Malish]

А так выглядит вентилятор в сборе и в канале:

 

[Иванов]

А так выглядит вентилятор в сборе и в канале:

Посмотреть вложение 519704

М-м-м...
Может быть, с этого следовало начинать...?🙂

 

[Malish]

М-м-м...
Может быть, с этого следовало начинать...?🙂

Мы в принципе с этого и начинали, но только делали это сами исходя из знаний которые мы имели(читая разные источники). Для первого раза я думаю что не плохо получилось. Теперь имея эти расчёты проверим насколько мы правильно(или не правильно) это сделали. Как я уже сказал, сначала поменяем только лопатки вентилятора и если будет положительный результат, то на следующем самолёте поменяем всё(статор и спрямляющий аппарат). В принципе, если мы сможем получить статическую тягу в районе 400-450 кг, то это будет здорово... Шахов сказал что даже с нашим спрямляющим мы должны получить где-то 400-410 кг.
Но это покажут только испытания.
Это то что мы делали:

 

[Malish]

Появилась информация что у нас есть компания которая может печатать на 3D принтере матрицы для формовки авиационных деталей. Судя по фотографиям, качество поверхности матрицы очень хорошее и габариты приличные. Думаю что они смогут напечатать статор и спрямляющий аппарат на этом 3D принтере, осталось только выяснить в какую сумму это обойдётся.

 

[Иванов]

Статор ил ПОЛИАМИДА!?! Да он от изменения влажности воздуха "гуляет" в размере...

Из него даже продувочные модели не годятся к продувке... Только элементы.

 

[Malish]

Статор ил ПОЛИАМИДА!?! Да он от изменения влажности воздуха "гуляет" в размере...

Из него даже продувочные модели не годятся к продувке... Только элементы.

Я имел ввиду возможности 3D принтера(габариты детали и качество печати), а не материала из которого его изготавливать...
Так если Полиамид так плох, то и матрицу из него делать нельзя, а какого фига они матрицу авиационной детали тогда из него сделали?

 

[Malish]

Статор ил ПОЛИАМИДА!?! Да он от изменения влажности воздуха "гуляет" в размере...

Из него даже продувочные модели не годятся к продувке... Только элементы.

А что Вы скажете на счёт этого материала?

https://3d-diy.ru/wiki/3d-printery/raznovidnosti-plastikov-3D-pechati/#Carbon

 

[Иванов]

Я имел ввиду возможности 3D принтера(габариты детали и качество печати), а не материала из которого его изготавливать...
Так если Полиамид так плох, то и матрицу из него делать нельзя, а какого фига они матрицу авиационной детали тогда из него сделали?

Возможно их устраивает качество матрицы и = детали...