Արագավազի անիվների սպոկների դիզայն. Քամու դիմադրության նվազեցում

Աերոդինամիկայի հիմունքներ. Ինչպես է սպոկների երկրաչափությունը ազդում արագավազի անիվների դիմադրության վրա

Կողային քամու դեպքում սպոկ–մատակարարի միացման տեղում առաջացող խառնարանային հոսանքներ

Երբ լայնական քամին հարվածում է հեծանիվի անիվներին, դա առաջացնում է սուր օդի հոսանքի անջատում այն տեղում, որտեղ սպոկները միանում են շրջանակին: Սա առաջացնում է պտտվող վորտեքսներ, որոնք աերոդինամիկ դիմադրությունը մեծացնում են մինչև 18 % համեմատած հարթ մակերևույթ ունեցող անիվների հետ՝ համաձայն քամու խողովակային փորձարկումների: Եթե այդ միացման կետերը կլորացված եզրեր ունեն, այլ ոչ թե սուր անկյուններ, ապա օդը ավելի լավ է հոսում դրանց շուրջ: Ի՞նչ է ստացվում այդ դեպքում: Զգալիորեն ավելի հարթ անցումներ և համակարգչային մոդելավորման տվյալներով՝ մոտավորապես 40 %-ով պակաս խառնված կինետիկ էներգիա համեմատած ավանդական քառակուսի պրոֆիլների հետ: Մրցավազքերի ժամանակ հաճախ լայնական քամի ունեցող մրցավազորդների համար այդ միացման կետերի ձևի ճիշտ ընտրությունը իրական տարբերություն է ստեղծում: Օպտիմալ դիզայնները նվազեցնում են դիմադրության գործակիցը 0,03–0,05 միջակայքում, որը կարող է թվալ փոքր ազդեցություն, սակայն տալիս է հեծանվորդներին մրցավազքերում մեկ վայրկյանի համար կարևոր առավելություն:

Ճնշման տարբերության ասիմետրիա և պտտվող սպոկների զանգվածում վորտեքսների արտանետում

Երբ անիվները պտտվում են, դրանց թելերը ստեղծում են բարձր և ցածր ճնշման հերթափոխվող գոտիներ, ինչը հանգեցնում է այն նյարդային վորթեքսային արտանետման երևույթներին, որոնք առաջացնում են պուլսացիոն դիմադրություն: Սովորական 24 թել ունեցող անիվների դեպքում այս տատանումները տեղի են ունենում 80–120 անգամ մեկ վայրկյանում՝ շարժվելով մոտավորապես 40 կմ/ժ արագությամբ, ինչի արդյունքում կորցվում է մոտավորապես 15–25 վատտ հզորություն: Նոր սաղավարտաձև թելերը մոտավորապես 30 տոկոսով նվազեցնում են այս արտանետման խնդիրը, քանի որ դրանց ավելի հարթ ձևը օդի հոսանքը երկար ժամանակ պահում է միացված անիվին: Սակայն այստեղ նույնպես կա մի փոխզիջում: Այդ հաստ սաղավարտաձև հատվածները մեծացնում են պտտման զանգվածը, ինչը դժվարացնում է հեծանիվի արագ արագացումը սկզբնական դիրքից: Այսօր մեծամասնությամբ դիզայներները ընտրում են սաղավարտաձև թելերի սահմանափակված հաստության մոտեցում, որտեղ թելը կենտրոնից դեպի շրջանակ ընթանալիս հաստությունը նվազում է՝ պահպանելով մոտավորապես 1–3 հաստության հարաբերություն: Դա օգնում է նվազեցնել անիվի հետևում առաջացող սահմանային շերտի անկայունությունը՝ միաժամանակ պահպանելով բոլոր բաղադրիչների ամրությունը իրական աշխարհի վարման պայմանների համար՝ համաձայն քամու թունելում կատարված փորձարկումների և համակարգչային մոդելավորման:

Սուրավոր, կլոր և հիբրիդային թելիկներ. Հատուկ ցուցանիշներով անիվների համար փոխզիջումներ

Սուրավոր թելիկներ. Միտումնային կայունության աճը ընդդեմ կոշտության և արտադրելիության սահմանափակումների

2022 թվականին «Aerodynamics Journal» ամսագրի համար կատարված քամու խցիկում արված փորձարկումների արդյունքում ցույց է տրվել, որ սաղավարտավոր սպիկները նվազեցնում են դիմադրությունը մոտավորապես 8%-ով՝ համեմատած ավանդական շրջանաձև սպիկների հետ: Դա տեղի է ունենում նրանց թեքաթիվ ձևի շնորհիվ, որը հիմնականում կանխում է այդ նյարդային առաջացող պտտակների առաջացումը, երբ անկյունները շեղվում են կենտրոնից մոտավորապես 15 աստիճանով: Սակայն այստեղ կա մեկ կարևոր նկատառում: Սաղավարտերը այնքան բարակ են, որ դրանք իրականում նվազեցնում են անիվի կողային կոշտությունը՝ կողային կոշտությունը նվազեցնելով 15–20 տոկոսով ամենամեծ ուժային մեծ մարտկոցների ժամանակ: Այս անիվների արտադրությունը մեկ այլ հարց է: Արտադրական գործընթացը պահանջում է շատ ճշգրիտ վերահսկում, օրինակ՝ սաղավարտերի պտտման անկյունների պահպանումը կես աստիճանի սխալով: Շատ ընկերություններ չունեն այս ճշգրտության աշխատանքների համար անհրաժեշտ հատուկ ածխածնային մետաղաձուլական ձուլատակերի մուտքը: Ուրեմն ի՞նչ է եզրակացությունը: Այն հեծանվորդները, ովքեր ավելի շատ հետաքրքրված են երկար հատվածներում առավելագույն արագությունը պահպանելով, քան պայթյունային սպրինտներ կատարելով, հավանաբար կգտնեն, որ այս աերոդինամիկ շահույթները արժանի են այս կոշտության և արտադրական բարդության զոհաբերությունների:

Հիբրիդային էլիպսաձև–եզրավոր դիզայնները UCI-ի հաստատած մրցաշահավետ անիվներում

Հիբրիդային թեքված մասերի դիզայնը միավորում է էլիպսաձև հիմնական կառուցվածքներ, որոնք ամրապնդում են անիվների կենտրոնական մասը, և եզրավոր հատվածներ, որոնք սուղանում են դեպի անիվների եզրը: Այս համադրությունը ստեղծում է լավ հավասարակշռություն աերոդինամիկայի, մշակման կայունության և անհրաժեշտ կանոնակարգերի պահպանման միջև: UCI-ի հաստատած մոդելների փորձարկումները ցույց են տալիս, որ այս դիզայնները 2023 թվականի վերջերս կատարված վավերացման ուսումնասիրությունների համաձայն՝ համեմատած ավանդական լրիվ եզրավոր անիվների հետ, քամու տարբեր անկյունների դեմ դիմադրության տատանումները մոտավորապես 12 %-ով ցածր են: Դրանք նաև համապատասխանում են UCI-ի կանոնագրքի անիվների չափսերի նկատմամբ ներկայացված պահանջներին, մասնավորապես՝ 1.3.018 հոդվածում նշված 2.5-ից 1 լայնության և խորության հարաբերությանը: Այս ճարտարապետական մոտեցման այդքան արդյունավետ լինելու պատճառն այն է, որ այն միաժամանակ լուծում է մի քանի մրցաշահավետության գործոններ, առանց որևէ մեկի կորցնելու:

• 5–7 % -ով ցածր պտտման իներցիա՝ համեմատած ավանդական եզրավոր թեքված մասերի հետ
• լրիվ եզրավոր դիզայնների ուղիղ գծով դիմադրության նվազեցման 94 %-ը
• Լրիվ համապատասխանություն UCI-ի անվտանգության ստանդարտներին՝ սպոկների շեղման վերաբերյալ

Առաջադեմ թելիկների կոնֆիգուրացիաներ. Y-ձև թելիկներ, բազմաթելիկ համակարգեր և կառուցվածքային արդյունավետություն

Թելիկների քանակի և ճյուղավորման անկյան օպտիմալացում փուլային համատեղելիության և պտտման իներցիայի համար

Ասիմետրիկ անիվների կառուցվածքների (օրինակ՝ Y-ձև թելիկներ և բազմաթելիկ համակարգեր) նախագծումը նպաստում է պտտման իներցիայի նվազեցմանը, քանի որ այդ կառուցվածքները զանգվածի մեծ մասը տեղավորում են անիվի կենտրոնին մոտ: Սա բերում է լավացված արագացման, միաժամանակ պահպանելով բարձր կողային կայունություն: Այնուամենայնիվ, երբ այդ կառուցվածքներում թելիկների քանակը փոքր է, ճյուղավորման անկյունները ճիշտ չլինելու դեպքում բարձր հարվածման անկյունների դեպքում ավելի ուժեղ վիրավորներ են առաջանում: Քամու խողովակներում կատարված փորձարկումները ցույց են տվել, որ ճյուղավորման անկյունները 25–35 աստիճանների միջակայքում լինելու դեպքում օդի հոսանքը հարթ է շրջանցում սալիկը՝ չբաժանվելով շատ վաղ փուլում: Այդ արդյունքում օդի հոսանքը երկար է մնում անիվի հետևի մասին կպած՝ վերջնական բաժանվելով միայն վերջնական կետում:

Աղբյուր՝ «Հողմի ինժեներագիտություն և արդյունաբերական աերոդինամիկա» ամսագիր, 2023 թ.

Չնայած Y-ճյուղանիները ապահովում են ամենաուժեղ դիմադրության նվազեցումը (միջինում՝ 12 %), բազմաճյուղանի համակարգերը առաջարկում են գերազանց հարվածային դիմացկունություն: Օպտիմալ կոնֆիգուրացիան միավորում է ճյուղերի նվազագույն քանակը երկրաչափորեն ճշգրիտ ճյուղավորման կետերի հետ՝ հաստատված CFD-ի միջոցով՝ աերոդինամիկ արդյունավետությունը մաքսիմալացնելու նպատակով և իրական պայմաններում տևականություն:

Ճյուղերի աերոդինամիկայի հաստատում. հողմի խողովակի և CFD փորձարկումներ արդյունավետության ապահովման համար նախատեսված անիվների համար

Ճանապարհի վրա ճշգրտված արդյունքներ ստանալու համար թելավոր անիվների աերոդինամիկայի վերաբերյալ անհրաժեշտ է իրական աշխարհի քամու խցիկներում կատարվող փորձարկումները միավորել մանրամասն համակարգչային մոդելավորման հետ, որը կոչվում է CFD մոդելավորում: Քամու խցիկները իրականում չափում են այն դիմադրությունը, որի դիմառնում են արդյունքավետ անիվները իրական կյանքում հանդիպող հատվածային և կողային քամիների ազդեցության տակ, ցույց տալով թելավորների, օղակների և օդի միջև այդ բարդ փոխազդեցությունների բոլոր տեսակները: Համակարգչային մոդելները այնուհետև լրացնում են բացթողումները՝ մանրամասն վերլուծելով ճնշման տարբերությունները և պտտվող օդի օրինակները շատ փոքր մասշտաբներով: Դրանք նշում են այն տեղերը, որտեղ թելավորները միանում են օղակներին և առաջացնում են ամենաուժեղ սահմանային շերտի խախտումները, ինչպես նաև որոշում են, թե ինչպես է թելավորների ձևի փոփոխությունը ազդում անիվի հետևի օդի հոսանքի վրա: Ամենահայտնի հեծանիվների բաղադրիչների արտադրողները ապրանքների մշակման ցիկլերի ընթացքում հիմնվում են երկու մեթոդների վրա: Նրանք ավելի արագ են կատարում դիզայնի փոփոխություններ, միաժամանակ պահպանելով բավարար ամրություն իրական վարելու պայմաններում: Ըստ վերջերս կատարված հետազոտությունների («Մեխանիկական ճարտարագիտության ամսագիր», 2023 թ.), լավագույն ընկերությունները իրենց համակարգչային մոդելները համապատասխանեցնում են քամու խցիկներում ստացված արդյունքներին մոտավորապես 3 տոկոսի սխալով: Այս մոտ համընկնելը նշանակում է, որ լաբորատորիայում ստացված ցանկացած առավելություն իրականում արտահայտվում է որպես դիմադրության նվազում, երբ հեծանվորդները դուրս են գալիս ճանապարհ:

FAQ բաժին

• Ինչ է պտտվող սպիկների զանգվածներում թռչնային շերտավորման երևույթը: Թռչնային շերտավորումը վերաբերում է սպիկների շարժման պատճառով առաջացող բարձր և ցածր ճնշման փոխարկվող տիրույթներին, որոնք հանգեցնում են պուլսացիոն դիմադրության և ազդում են անիվների աերոդինամիկ ցուցանիշների վրա:
• Ինչպես են սավառնակային սպիկները ազդում հեծանվավարության ցուցանիշների վրա: Սավառնակային սպիկները նվազեցնում են դիմադրությունը՝ ստեղծելով ավելի հարթ ձևեր, որոնք օգնում են պահպանել օդի հոսքի կպչունությունը, ինչը հանգեցնում է ավելի բարձր յավ (yaw) կայունության, սակայն նվազեցնում է լայնական կոշտությունը:
• Հիբրիդային էլիպսաձև-սավառնակային սպիկների դիզայնների առավելություններն ինչ են: Հիբրիդային դիզայնները ապահովում են դիմադրության փոփոխականության նվազեցման, աերոդինամիկ արդյունավետության և UCI-ի անվտանգության ստանդարտներին համապատասխանության հավասարակշռություն՝ ինտեգրելով էլիպսաձև և սուղ սավառնակային հատվածներ:
• Ինչու՞ է քամու խողովակում փորձարկումը կարևոր սպիկների աերոդինամիկայի համար: Քամու խողովակում փորձարկումը տրամադրում է իրական աշխարհի տվյալներ արդյունավետության անիվների դիմադրության մասին՝ տարբեր քամու պայմաններում, ինչը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ գնահատել և կատարելագործել սպիկների դիզայնը:
• Կարո՞ղ են արդյունավետության անիվները՝ ունենալով ավելի քիչ սպիկներ, առավելապես առավելապես օգտակար լինել: Փոքր թվով սպիկները նվազեցնում են պտտման իներցիան, ինչը բարելավում է արագացումը, սակայն պահանջում են ճշգրիտ ճյուղավորման անկյուններ՝ հարթ օդի հոսանքը պահպանելու և ուժեղ վիրտուալ հոսանքների առաջացումը կանխելու համար: