Previous Entry Share Next Entry
Генераторы вихрей
falcon3000




Генераторы вихрей используются на большинстве современных коммерческих самолётов. На Боингах 737 и 767 генераторы вихрей установлены на верхней поверхности крыла и на мотогондолах. Также они могут устанавливаться передней кромке крыла, нижней поверхности стабилизатора, носовой и задней части фюзеляжа. Предназначение всех этих устройств одно – улучшить лётные качества самолёта, но использование их в каждом конкретном месте имеет свою собственную историю. Прежде чем обсуждать решения конструкторов по установке генераторов вихрей, рассмотрим принцип их работы.
Генератор вихрей представляет собой миниатюрное крылышко, создающее подъёмную силу, перпендикулярную своей поверхности. Создание подъёмной силы генерирует вихрь, который распространяется далее по потоку. Данный вихрь оказывает двойное влияние на окружающий поток:
- во-первых, он взаимодействует с пограничным слоем, обтекающим поверхность позади генератора вихрей. Вихрь смешивает пограничный слой с внешним потоком, обладающим большей энергией. Таким образом, уменьшается толщина и повышается энергия пограничного слоя, что позволяет задержать, контролировать, а иногда и предотвращать срыв пограничного слоя с поверхности. С этой целью генераторы вихрей устанавливают на верхней поверхности крыла.




- во-вторых, вихрь может изменять направление окружающего воздушного потока, действуя как дефлектор потока. Это позволяет задержать или предотвратить вредную интерференцию различных частей самолёта. С этой целью на мотогондолах Боингов 737 и 767 установлены большие генераторы вихрей.

Также генераторы вихрей используются для увеличения допустимой скорости самолёта, затягивания начала аэродинамической тряски, улучшения управляемости и уменьшения вибрации конструкции, вызванной отделением пограничного слоя. На Боингах 737, 757 и 767 они способствуют улучшению продольной устойчивости на больших числах М и уменьшают скорость сваливания в посадочной конфигурации.

Исторически необходимость использования генераторов вихрей возникла при создании Боинга 767.

Крыльевые генераторы вихрей.

На ранних стадиях проектирования 767 были приняты новые, более жёсткие правила сертификации. В частности увеличился требуемый градиент усилий на штурвале по перегрузке на угле атаки, близком к сваливанию (увеличилась требуемая степень продольной устойчивости).
Для самолётов с низко расположенным стабилизатором и стреловидным крылом характерно уменьшение продольной устойчивости на углах атаки близких к сваливанию, поскольку срыв зарождался первоначально на концевых частях крыла. Данную задачу можно было решить аэродинамическими средствами или дополнить систему управления самолёта автоматом устойчивости.
Боинг предпочёл первый путь, поскольку второй вёл к усложнению и удорожанию самолёта. Для получения максимального аэродинамического качества в крейсерской конфигурации крыло самолёта проектируют, подбирая профили и крутку крыла вдоль размаха. Цель - добиться эллиптического распределения аэродинамической нагрузки по размаху крыла.



Продувки в аэродинамической трубе показали, что спроектированное крыло при низко расположенном стабилизаторе не обеспечит получения требуемого градиента усилий по перегрузке при зарождающемся срыве потока.
Распределение аэродинамической нагрузки вдоль размаха стреловидного крыла показано на следующем рисунке. Наиболее нагруженными оказываются концевые части крыла.





Этому есть две причины:
- во-первых, внешние секции крыла обтекаются местным восходящим потоком, вызванным разрежением над передней кромкой корневой части крыла (поскольку корневая часть крыла находится впереди концевой части).
Таким образом, эффективный угол атаки концевой части крыла больше, чем у корневой. - во-вторых, перетекание пограничного слоя вдоль размаха от корня крыла к концевым
секциям. Это приводит к набуханию и срыву пограничного слоя первоначально на концевых секциях крыла. Поскольку они расположены сзади, то центр давления (фокус) смещается вперёд, продольная устойчивость (градиент усилий по перегрузке) падает.




Для выхода из ситуации рассматривались следующие варианты:
- Т-образное оперение, чтобы вывести стабилизатор из зоны влияния спутной струи крыла.
- дополнительная крутка концевых сечений крыла на меньшие углы атаки.
- подбором профилей спровоцировать первоначальный срыв на корневой части крыла. Но каждый из рассмотренных вариантов приводил к существенной потере аэродинамического качества самолёта. Лучшее решение было найдено с использованием генераторов вихрей. Модель самолёта в масштабе 1/10 была продута в аэродинамической трубе. Испытания показали, что небольшое количество маленьких генераторов вихрей, расположенных на крыле недалеко от двигательного пилона, очень эффективно влияют на развитие срыва потока и обеспечивают требуемый градиент усилий по перегрузке.

Лётные испытания самолёта сначала без, а затем, с установленными генераторами вихрей подтвердили данные, полученные на продувках. Кроме того, генераторы вихрей обеспечили усиление интенсивности аэродинамической тряски, при развитии срыва потока, что эффективно удерживает пилотов от дальнейшего увеличения угла атаки. Для этого на каждое крыло потребовалось установить только 7 генераторов вихрей высотой 1,9 см. Влияние на вес самолёта и лобовое сопротивление незначительное.




Генератор вихрей на мотогондоле

Многие современные самолёты используют двигатели с высокой степенью двухконтурности, расположенные на пилоне под крылом. Чтобы уменьшить длину стоек шасси при обеспечении необходимого зазора между воздухозаборником двигателя и поверхностью аэродрома, двигатели устанавливают довольно близко к крылу.



Это близкое расположение мотогондолы и крыла приводит к вредной интерференции на больших углах атаки. В посадочной конфигурации на большом угле атаки происходит потеря подъёмной силы крыла.
На Боинге 747, где двигатели расположены далеко от крыла, вихрь от мотогондолы проходит под крылом. Но вихрь от близкорасположенной гондолы проходит над крылом и взаимодействует с пограничным полем. Влияние его положительно, пока он остаётся целым. Но на большом угле атаки на нисходящей части профиля возникает сильный отрицательный градиент давления, который разрушает данный вихрь. Это приводит к отделению пограничного слоя и уменьшению максимального значения подъёмной силы.






Решение проблемы было найдено путём установки на мотогондоле большого генератора вихря. Генератор устанавливается на стороне гондолы, обращённой к фюзеляжу, таким образом, чтобы вихрь, генерируемый самой гондолой, не взаимодействовал с пограничным слоем, а проходил над крылом.

Сильный вихрь от генератора вихрей сливается с вихрем от гондолы и не даёт ему разрушиться до достижения большего угла атаки. Таким образом, устраняется провал в максимальной подъёмной силе крыла.

При полёте в условиях высокой влажности воздуха, внутри этого вихря происходит конденсация водяного пара и он становится видимым.

Выражаясь в цифрах взлётно-посадочных характеристик можно сказать, что установка этого генератора вихрей привела к уменьшению скорости захода на посадку на 9 км/час и потребной длины ВПП на 80 метров.

Эксплуатационные процедуры.

Каждый самолёт должен быть периодически осмотрен на предмет наличия всех генераторов вихрей. Как правило, CDL (Configuration Deviation List) позволяет выполнять полёты при отсутствии нескольких генераторов вихрей. При этом могут налагаться некоторые ограничения.

Выводы.

Генератор вихрей это ценный аэродинамический инструмент, с помощью которого конструктор может улучшить летные характеристики самолёта. Использование этих устройств на новых Боингах способствует уменьшению расхода топлива, стоимости самолёта и эксплуатационных затрат.

Так и летаем!..
✈️

  • 1
Да нет. У А320 вроде те-же .82 что и у 737.
Тут уже про профиль крыла нужно говорить.
У В747 более критический профиль к примеру. Там и уже .92 если не ошибаюсь. ;)

  • 1
?

Log in

No account? Create an account