Будет ли соосный винт со вторым винтом медленнее и больше, чтобы улучшить скорость?

Я думаю, что в идеале вы хотели бы иметь быстро вращающийся «внутренний» пропеллер и более медленный «внешний», или на самом деле пропеллер, обороты которого постепенно уменьшаются изнутри наружу. Хотя это выглядело бы круто, но это не работает с нежидкими материалами для ротора :o) Итак, следующий лучший вариант - иметь два друг за другом, где нижний по потоку вращается немного медленнее.

Как я понимаю ваше предложение

Вращающиеся в противоположных направлениях винты имеют то преимущество, что второй может «выпрямлять» поток от первого, эффективно работая аналогично (но не совсем так) паре ротор/статор в турбореактивном двигателе. Это означает, что они могут передавать больше мощности на площадь ротора, чем отдельные роторы. Поместив более медленно вращающийся позади, эта пара оставит меньше завихрений в потоке, чем наоборот, что мне кажется хорошей идеей.

Трудности с обычными роторами, вращающимися в противоположных направлениях

В паре роторов, вращающихся в противоположных направлениях, второй ротор подвергается воздействию не только средней закрутки, исходящей от его вышестоящего партнера (для чего он предназначен и что может повысить его эффективность), но также и сигнатур давления и следов, исходящих от каждой лопасти. . Каждый раз, когда лопасть проходит через одну из них, давление торможения на ее передней кромке очень резко падает, а затем снова возрастает. Это создает много шума, а также вызывает вибрацию лезвия, которое затем необходимо сделать достаточно сильным, чтобы справиться с этим. Это также является причиной того, что большинство таких винтов имеют такие стреловидные лопасти: ^{Антонов АН-70 со стреловидными винтами, вращающимися в противоположных направлениях; изображение с https://wordlesstech.com/revolutionary-airplane-propeller-action/}

Это означает, что ни в какой момент вся лопасть нижнего по потоку ротора не будет находиться в следе за верхней по потоку лопастью, а будет постепенно проходить сквозь нее. Тем не менее, лезвия должны быть достаточно прочными, что также не позволяет им быть очень длинными. Это, в свою очередь, ограничивает возможность повышения эффективности за счет создания длинных и тонких лопастей, которые производят меньшую тягу на площадь ротора, но компенсируют ее радиус (например, ветряные турбины). Это одна из причин, почему большинство таких конфигураций в наши дни можно увидеть в военных самолетах, где большие элегантные пропеллеры снижают маневренность, но тут же требуется большая тяга. Кроме того, эти машины в любом случае имеют очень прочную конструкцию, поэтому можно справиться с дополнительными вибрациями. В пассажирском самолете один только шум было бы трудно продать авиакомпаниям, но разработать механические компоненты также было бы непросто.

Тем не менее: эти концепции продолжают появляться, и кажется, что должно быть возможно и эффективно использовать вращающиеся в противоположных направлениях несущие винты с сильно изогнутыми лопастями для замены турбовентиляторных двигателей на скоростях, которые кажутся немного высокими для обычных винтов (но, возможно, немного низкий для турбовентиляторных двигателей). Вот два источника, которые я только что нашел, которые дают вам некоторое представление о том, как выглядит поток и какие типы аэродинамических и акустических проблем приходится решать дизайнерам:

• Документ 2014 года, обобщающий проектную и исследовательскую деятельность.
• Слайды из презентации 2010 года по моделированию потока, эффективности и акустике — очень красивые картинки и хороший способ получить представление о том, как выглядит поток от пропеллера.

Проблема с большим нисходящим винтом

Вы также можете видеть в ссылках выше, что обычно нисходящие лезвия на самом деле короче, чем восходящие лезвия. Причина в том, что в противном случае верхние вихри от верхнего по потоку винта ударили бы по нижнему по потоку, а это акустически, аэродинамически и конструктивно некрасиво. Даже без этих вихрей это имело бы смысл, потому что нижний винт получает больше вибраций в любом случае, поэтому он должен быть более прочным (помогут более короткие и толстые лопасти!). Я думаю, что некоторые из существующих конфигураций (например, АН-70 выше) имеют одинаковую длину лопастей, но они очень известны своей громкостью, а это не может быть ни в одном новом гражданском применении.

Самый последний пример открытого вентилятора противоположного вращения, который был фактически построен и испытан, — это открытый ротор SAFRAN: ^{фото Эрика Друина / SAFRAN} SAFRAN утверждает, что конструкция может летать со скоростью 0,8 Маха и примерно такая же громкая, как сопоставимый турбовентиляторный двигатель. от предыдущего поколения (т.е. все еще громче, чем последние ТРДД, но тоже не ужасно). Как видите, в этой конфигурации выходной ротор также короче.

Шум, кстати, также является одной из причин, почему большинство обсуждаемых конфигураций (за некоторыми исключениями, потому что они всегда есть...) имеют установленные в хвостовой части фюзеляжа несущие винты, обращенные назад: в пассажирском салоне, а не рядом с их окнами (что уже достаточно громко с обычными опорами, что может подтвердить любой пассажир Saab 2000). Это также позволяет предотвратить несчастные случаи, когда лезвие отламывается и попадает в пассажирский салон...

Предполагая, что ваш вопрос не касается таких ситуаций, как AN70, где винт поглощает так много энергии, что оба винта должны быть как можно больше и прочнее, мы ищем наиболее эффективное распределение тяги через диск винта. . Вам нужно плавное распределение, как для крыла.

Тяга, развиваемая вращающейся лопастью винта, меньше на меньших радиусах, где относительная скорость меньше. Большая часть тяги типичного лопасти винтов приходится на внешнюю треть . Похоже, что другая лопасть меньшего размера могла бы обеспечить дополнительную тягу к центру, чтобы получить более равномерное распределение по диску винта.

Однако на самом деле вам не нужно эллиптическое распределение подъемной силы на лопасти, как на крыле, по той же причине, по которой внутренний винт не создает такой большой тяги; внутренняя опора не перемещается так далеко и имеет меньший объем для заполнения позади опоры.

На что вам действительно нужно обратить внимание, так это на слипстрим. Здесь вы видите, что «дыра» в воздушном потоке намного меньше, чем можно было бы предположить по распределению тяги лопастей, и большая ее часть заполнена гондолой двигателя. Вероятно, возможно пятипроцентное улучшение. Толкатель может быть другим, но даже в этом случае центральная четверть винта составляет всего шесть процентов от его площади, что ограничивает его потенциал для улучшения.

Вывод состоит в том, что теоретическое повышение эффективности не оправдывает вес и сложность соосной опоры, где избыточная мощность не является ограничением.

Соосные винты, вращающиеся в противоположных направлениях, являются одним из способов повысить эффективность двигателя по сравнению с одним винтом. При статических или стендовых испытаниях без подачи воздуха на стойки передняя опора будет нести большую нагрузку, чем задняя (что могло привести к этому вопросу).

Пропеллеры с фиксированным шагом немного «разгружаются», когда самолет начинает движение. У моделей можно услышать отчетливое увеличение оборотов. Этот эффект также называют «ветряной мельницей».

Таким образом, при встречном вращении винта нагрузки на передний и задний винты будут больше выравниваться в полете.

Увеличение веса и сложности коробки передач заставило многих отказаться от этой конструкции, но это интересное исследование, поскольку начинают использоваться мощные электродвигатели с гораздо более высокими диапазонами оборотов.

Пропеллеры, вращающиеся в противоположных направлениях, могут иметь лучшую эффективность, чем одиночный пропеллер, поскольку струя пропеллера «выпрямляется», а тангенциальная составляющая воздушного потока значительно уменьшается. Кроме того, при очень высокой мощности двигателей эти винты также имеют то преимущество, что они могут поглощать гораздо большую мощность. Но это все...