Кіріспе

Блед элементтері теориясы (BET) – бастапқыда Уильям Фруде (1878), Дэвид В. Тейлор (1893) және Стефан Джевьецкий (1885) винттердің қызметін анықтау үшін жасаған математикалық процесс. Ол бір пышақты бірнеше кішкентай бөліктерге бөлуді, содан кейін осы кішкентай пышақ элементтерінің әрқайсысына әсер ететін күштерді анықтауды қамтиды. Бұл күштер бүкіл пышақ бойымен және бір ротор айналымында интегралданады, осылайша бүкіл пропеллер немесе ротор тудыратын күштер мен моменттерді алуға болады. Басты қиындықтардың бірі – ротор дискісіндегі индукцияланған жылдамдықты модельдеуде. Осы себепті, блед элементтері теориясы көбінесе импульс теориясымен біріктіріледі, бұл ротор дискісіндегі индукцияланған жылдамдықты сипаттауға қажетті қосымша байланыстарды қамтамасыз етеді, нәтижесінде блед элементтері-импульс теориясы пайда болады. Ең қарапайым жағдайда, дискіде біркелкі индукцияланған жылдамдық деп есептелуі мүмкін: радиус бойымен индукцияланған жылдамдықтың өзгеруін, пышақтың кішкентай сақиналарға бөлу арқылы және әрбір сақинаға масса, импульс және энергия сақталу заңдарын қолдану арқылы модельдеуге болады. Бұл тәсіл кейде Фруде-Финстервальдер теңдеуі деп аталады. Егер блед элементтері әдісі алға қарай ұшатын тікұшақ роторларына қолданылса, пышақтардың тербеліс қозғалысын, сондай-ақ ротор дискісіндегі индукцияланған жылдамдықтың бойлық және көлденең таралуын ескеру қажет. Ең қарапайым алға қарай ұшу ағыны модельдері – бірінші гармоникалық модельдер.

Қарапайым пышақ элемент теориясы

Импульс теориясы идеалды тиімділікті анықтау үшін пайдалы болса да, ол бұрандалы винттердің әрекетін толыққанды сипаттамайды, басқа нәрселермен қатар, айналу моментін ескермейді. Пропеллердің әрекетін егжей-тегжейлі зерттеу үшін, қанаттар бірнеше кішкентай элементтерден тұрады деп есептеледі және әрбір элементке түсетін әуе күштері есептеледі. Осылайша, импульс теориясы ауа ағысымен айналысса, қанат элементтері теориясы негізінен винт қанаттарындағы күштерді зерттейді. Пропеллер қанаттарының элементар жолақтарындағы күштерді талдау идеясын алғаш рет 1878 жылы Уильям Фроуд жариялады. 1907 жылы Ланчестер бұл тақырыптағы бұрынғы жұмыстармен таныс болмай, қанат элементтері теориясының біршама жетілдірілген түрін жариялады. Дегенмен, қарапайым қанат элементтері теориясы көбінесе Джевэцкий теориясы деп аталады, өйткені Джевэцкий оны практикалық формаға енгізіп, оны кеңінен қолдануға жеткізді. Ол сондай-ақ бүкіл пропеллер үшін итермелеу және айналу моментін алу үшін қанат элементтеріндегі күштерді қорытындылаған және қанат элементтеріндегі күштерді анықтау үшін аэродинамикалық деректерді пайдалану идеясын алғаш рет ұсынған. Джевэцкийдің қанат элементтері теориясында пропеллер бұрылған немесе қисайған аэродинамикалық профиль ретінде қарастырылады, оның әрбір сегменті спиральді жолмен қозғалады және оны қарапайым қанаттың сегменті ретінде қарастыруға болады. Әдетте, қарапайым теорияда жел тоннелінде сынақтан алынған қанаттардың аэродинамикалық коэффициенттері (әдетте 6 қатынастағы қанаттар) бірдей қима пішініне ие пропеллер қанат элементтеріне тікелей қолданылады деп есептеледі. Әрбір элементтің айналасындағы ауа ағыны екі өлшемді деп есептеледі, сондықтан ол қанаттың жақын орналасқан бөліктеріне әсер етпейді. Кез келген радиустағы қанат элементтерінің көршілес элементтерге тәуелсіздігі теориялық тұрғыдан дәлелденді және сонымен қатар, осы мақсатта жасалған арнайы тәжірибелер арқылы қанаттың жұмыс бөлімдері үшін негізінен дұрыс екендігі көрсетілді. Сондай-ақ, ауа пропеллер арқылы радиалды ағынсыз өтеді (яғни пропеллер дискісінен өту кезінде ағынның жиырылуы болмайды) және қанаттың араласуы болмайды деп есептеледі.

Шектеулер

Импульс теориясына сәйкес, пропеллер арқылы өтетін ауаға жылдамдық беріледі, ал осы жылдамдықтың жартысы пропеллер жазықтығына жеткен кезде ауаға беріледі. Ауаның жылдамдығының осылайша артуы, пропеллер дискісіне кіргенде ағын жылдамдығы деп аталады. Бұл әрқашан сұйықтықтағы қысымның үздіксіздігі болған жерде кездеседі. Қанат көлденең қозғалғанда, ауа төмен қарай жылдамдық алады, сурет 4-те көрсетілгендей, және теориялық тұрғыдан алғанда, бұл жылдамдықтың жартысы қанаттың алдында және үстінде, ал қалған жартысы төмен және артта беріледі. Бұл индуцирленген төменгі ағын қанаттың модельдік сынақтарында байқалады, олардан қанат элементі теориясында қолданылатын аэродинамикалық коэффициенттер алынады; демек, импульс теориясы көрсеткен ағын қарапайым қанат элементі теориясында автоматты түрде ескеріледі. Дегенмен, индуцирленген төменгі ағын әртүрлі қанаттың ендік қатынастары үшін мүлдем өзгеше, шексіз ендік қатынасы үшін нөлге тең. Әуе профиліне арналған модельдердің көпшілігі 6 шамасындағы кездейсоқ таңдалған тіктөртбұрышты қанаттармен жасалады, және мұндай сынақта төменгі ағын винт пердесінің әрбір элементінің ағынына сәйкес келеді деп есептеуге негіз жоқ. Шындығында, сынақтардың толық сериясынан алынған жалпы қорытынды, онда қысымның таралуы жел туннелінде жұмыс істейтін модельдік винттің 12 бөлігінде өлшенді, винт қақпақ элементінің көтеру коэффициенті 6-ы қанаттың ендік қатынасымен бірдей шабуыл бұрышында өлшенгеннен айтарлықтай ерекшеленеді. Бұл қарапайым қанат элементі теориясының ең үлкен кемшіліктерінің бірі. Тағы бір кемшілігі – пропеллер қанаттары арасындағы әсер ескерілмейді. Кез келген радиустағы қанаттардың элементтері, суретте көрсетілгендей, теріс бұрылыспен көп жазықтықты құрайтын каскадты құрайды. 4. Ұштарында, кеңістік үлкен болған жерде, әсер өте аз, бірақ қанат түбірлеріне қарай ол өте үлкен. Нақты пропеллерлерде қанат элементі теориясы ескермейтін ұшқыш жоғалу бар. Теория бойынша есептелген итеру және айналу күштері ұшқа жақын элементтер үшін тәжірибе арқылы анықталғандардан үлкен болады. Масштабтық әсерді жою үшін жел туннеліндегі қанаттардың модельдік сынақтары пропеллер қанаттарының сәйкес элементтеріндегі Рейнольдс санының (масштаб) бірдей мәнінде жүргізілуі керек. Ауа жылдамдығы 30 м/сағ. сияқты төмен масштабта өлшенген аэродинамикалық сипаттамалар, 3 дюймтік хордасы бар аэрофойл, пропеллер элементтерінің масштабымен салыстырылатын масштабта сынақтар жүргізілген кезде табылмайтын ерекшеліктерді көрсетеді. 11, 12, 13 және 14 суреттерінде көрсетілген стандартты пропеллер бөлімінің сипаттамалары НАКА-ның өзгермелі тығыздықтағы туннеліндегі жоғары Рейнольдс санының сынақтарынан алынған, және, бақытымызға орай, осы бөлімдердің ең қалың бөлігін қоспағанда, жоғары және төмен Рейнольдс сандарының сипаттамаларында өте аз айырмашылық бар. Бұл мәндер ауадағы дыбыс жылдамдығынан төмен жылдамдықпен жұмыс істейтін пропеллерлер үшін шамамен дәлдікпен қолданылуы мүмкін, сондықтан сығымдалу әсерінен салыстырмалы түрде бос. Қарапайым қанат элементі теориясының нашар дәлдігі Дюран мен Леслидің есебінде жақсы көрсетілген, онда олар көптеген модельдік пропеллерлердің (80) өнімділігін есептеп, есептелген мәндерді модельдік пропеллерлердегі сынақтардан алынған нақты өнімділіктермен салыстырды. Авторлардың сөздерімен айтқанда: Екі нәтижелер жиынтығының арасындағы айырмашылықтар, белгілі бір бірлік элементтерін көрсеткенмен, тұтастай алғанда, теорияны осы қарапайым түрінде шамамен бағалаудан басқа немесе салыстырмалы мақсаттарда пайдалануды негіздеу үшін тым үлкен және тым қалаулы түрде таратылған. Аэрофойлдар екі түрлі жел туннелінде және туннельдердің бірінде екі түрлі ауа жылдамдығында сыналды, ал үш топтамадан алынған пропеллер сипаттамалары 28%-ға дейін айырмашылықты көрсетеді, бұл аэрофойлдарды дұрыс масштабта сынау қажеттігін анық көрсетеді. Барлық қателіктеріне қарамастан, қарапайым қанат элементі теориясы тәжірибелі винт конструкторларының қолында пайдалы құрал болды. Оның көмегімен тәжірибелік факторларды білетін шебер дизайнер, әдетте, оларға қойылатын негізгі шарттарға өте жақсы сәйкес келетін пропеллер жасай алады, өйткені олар қозғалтқыштың қуатын тиісті айналым жылдамдығына жақын мөлшерде сіңіреді. Алайда, олар міндетті түрде өз мақсаттарына сәйкес ең тиімді пропеллер емес, өйткені қарапайым теория үдеудің таралуына, қанат пішініне және т.б. байланысты тиімділіктегі шағын айырмашылықтарды көрсетуге жеткілікті дәл емес.

Өзгерістер

Қарапайым қанат элементтері теориясына оны толықтыру және дәлдігін арттыру мақсатында көптеген түзетулер ұсынылды. Осы түзетілген теориялардың көпшілігі қанаттардың бір-біріне әсерін ескеруге бағытталған, ал кейбіреулері 6 сияқты шекті қанат кеңдігіне ие қанаттардағы сынақтардан алынған аэродинамикалық мәліметтерді қолданудан туындаған қателікті жоюға тырысады. Алғашқы түзету қарапайым Дзевецкий теориясын Фруде импульстік теориясымен біріктіру түрінде жасалды.