Chương 4 KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CÔNG SUẤT YÊU CẦU TRÊN
4.2. Khảo sát chế độ bay treo và đánh giá hiệu quả của kết cấu cánh quay
4.2.2. Đặc tính mô men cản trên trục với cánh quay ba khớp và hiệu quả giảm công suất yêu cầu
Khảo sát quá trình hội tụ của lực nâng và mô men cản quay trên trục thu đƣợc đồ thị nhƣ trên các hình 4.6, 4.7. Đồ thị hội tụ lực nâng cho thấy các giá trị lực nâng bắt đầu hội tụ từ bước tính 80, tương ứng góc quay 800o. Trong khi đó, mô men cản quay vẫn tiếp tục dao động đồng thời cho thấy sự phụ thuộc vào góc lắc lá cánh. Đồ thị hội tụ góc lắc lá cánh đƣa ra trên hình 4.8.
So sánh hai đồ thị hội tụ mô men cản quay và góc lắc, cho thấy mô men cản quay biến thiên gần đồng bộ với góc lắc ở chu kỳ biến thiên đầu tiên. Khi mô men cản quay tăng, lá cánh bị kéo lùi lại phía sau và ngƣợc lại khi mô men cản giảm các lá cánh tiến về phía trước. Trong hầu hết các trường hợp, góc lắc các lá cánh đều âm (lùi về phía sau, ngƣợc chiều quay). Khi mô men cản tăng, số gia (tốc độ tăng) của nó giảm dần cho đến không, lúc này mô men cản đạt giá trị lớn nhất tương ứng với góc lùi lá cánh lớn nhất. Quá trình này được giải thích do khi đó thành phần lực ly tâm cũng tăng lên triệt tiêu thành phần lớn hơn của lực cản khí động cho đến khi lực ly tâm lớn hơn lực cản khí động và quán tính thì lá cánh lắc đổi chiều tiến về phía trước. Sự tiến lên về trước của các lá cánh làm giảm lực ly tâm. Quá trình ngƣợc lại diễn ra, mô men cản giảm cho đến khi đạt giá trị nhỏ nhất, các lá cánh đổi chiều lắc, lùi về sau. Sự tiếp diễn của hai quá trình trên tạo thành sự dao động trong chuyển động lắc của lá cánh và mô men cản ở các vòng quay ban đầu.
Hình 4.6 Hội tụ lực nâng ở chế độ bay treo
Hình 4.7 Hội tụ mô men cản quay trên trục ở chế độ bay treo
Hình 4.8 Hội tụ góc lắc ở chế độ bay treo
Ở các góc sải chung lớn, đồ thị hội tụ mô men cản quay xuất hiện các bước nhảy tăng, ở góc sải chung 0 9o bước nhảy ở góc quay 420o, 0 11o bước nhảy ở góc quay 260o, 0 13o bước nhảy ở các góc quay 200o và 720o. Các góc quay xuất hiện bước nhảy mô men cản tương ứng tại các thời điểm lá cánh chạm vào mấu giới hạn góc lắc 11o trên đồ thị hội tụ góc lắc. Tại đó lực quán tính lắc bị triệt tiêu, mô men cản quay tăng đột biến.
Ở các thời điểm lá cánh chạm mấu giới hạn góc lắc với các góc sải chung 9o, 11o và thời điểm chạm giới hạn góc lắc lần đầu với góc sải chung 13o, lá
cánh lắc trở lại. Số liệu tính toán (phụ lục 1) cho thấy trước đó chuyển động lắc của lá cánh đang chậm dần (gia tốc âm), tức là tổng hợp thành phần mô men giảm lắc lùi của các lực khác đã lớn hơn thành phần mô men gây lắc lùi của lực cản khí động, lá cánh lúc này chuyển động lùi theo quán tính. Khi chạm mấu giới hạn, chuyển động lắc quán tính bị triệt tiêu dẫn đến lá cánh lắc trở lại theo chiều dương. Sau va chạm mô men cản quay giảm dần.
Ở thời điểm lá cánh chạm mấu giới hạn góc lắc lần thứ hai với góc sải chung 13o, lá cánh không lắc trở lại theo chiều dương, giữ nguyên vị trí tỳ lên mấu giới hạn. Số liệu tính toán cho thấy trước đó chuyển động lắc lùi của lá cánh đang nhanh dần (gia tốc dương), tổng hợp thành phần mô men giảm lắc lùi của các lực khác nhỏ hơn thành phần mô men gây lắc lùi của lực cản khí động, đè lá cánh ép vào mấu giới hạn. Lúc này lá cánh không còn chuyển động lắc, mô men cản quay sau đó có sự hội tụ về một giá trị xác định.
Ở số lượng bước tính toán chạy chương trình để khảo sát (152 bước tính, chương trình chạy trong 48 giờ) có thể thấy ở hầu hết các góc sải chung (0 13o) mô men cản quay chƣa đạt đƣợc giá trị hội tụ khi lá cánh vẫn tiếp tục lắc, chƣa cố định về một vị trí. Tuy nhiên trên cơ sở số liệu thu đƣợc và quy luật biến thiên có thể lấy đƣợc giá trị gần đúng của góc lắc khi hội tụ là giá trị mà đồ thị dao động xung quanh. Giá trị mô men cản quay đƣợc lấy là giá trị trung bình trong một chu kỳ biến thiên của nó. Với góc sải chung
0 13o
giá trị mô men cản quay đã hội tụ, lấy ở bước tính cuối cùng. Các giá trị này đƣợc đƣa ra trong bảng sau:
Bảng 4.1 Mô men cản trên trục và công suất cản trung bình chế độ bay treo
0( )o
( )o Myoct( . )N m Poct(HP)
1 -2,3 -47595 -1299
3 -2,7 -50053 -1366
5 -3,3 -53720 -1466
7 -4,2 -57798 -1578
9 -5,8 -68877 -1880
11 -8,6 -82767 -2259
13 -11,0 -113617 -3102
Đặc tính mô men cản trên trục và công suất yêu cầu đối với hệ thống động lực theo góc sải chung của cánh quay ở chế độ bay treo đƣợc xây dựng trên các đồ thị hình 4.9 và 4.10. Trên đồ thị biểu diễn đặc tính công suất yêu cầu, đưa ra thêm đường công suất cấp lớn nhất của hai động cơ.
Hình 4.9 Đặc tính mô men cản quay trên trục chế độ bay treo
Hình 4.10 Đặc tính công suất yêu cầu trên trục chế độ bay treo
Từ đặc tính công suất yêu cầu của cánh quay, thấy rằng khi không xét đến vấn đề lực nâng và khối lƣợng của trực thăng, cánh quay chỉ có thể thực hiện bay treo với góc sải chung 0 13o. Khi đó công suất cấp của động cơ có thể đáp ứng đƣợc công suất yêu cầu trên trục.
Hình 4.11 So sánh đặc tính công suất yêu cầu bay treo của cánh quay ba khớp và cánh quay cứng.
So sánh công suất yêu cầu trên trục giữa cánh quay ba khớp và cánh quay cứng ở chế độ bay treo, tiến hành xây dựng đồ thị trên hình 4.11. Trong đó các số liệu công suất yêu cầu đối với mô hình cánh quay cứng đƣợc tính toán từ đặc tính mô men cản trên trục (hình 3.8) đã đưa ra trong chương 3. Thấy rằng công suất yêu cầu đối với cánh quay ba khớp giảm đi rất lớn so với công suất yêu cầu của cánh quay cứng. Mức giảm tương đối của công suất yêu cầu đƣa ra trong bảng 4.2. Khi góc sải chung càng lớn mức giảm công suất yêu cầu càng lớn. Nhƣ đã nói trên, với công suất cấp giới hạn của các động cơ, cánh quay ba khớp có thể thực hiện chế độ bay treo ở góc sải chung dưới 13o (phù hợp với tài liệu kỹ thuật [40]) trong khi đó cánh quay cứng chỉ có thể thực hiện chế độ bay treo với góc sải chung dưới 7o.
Bảng 4.2 Mức giảm tương đối của công suất yêu cầu khi cánh quay có khớp so với cánh quay cứng
0( )o
Mức giảm công suất yêu cầu
1 34%
3 32%
5 31%
7 48%
9 58%
11 65%
13 66%
Qua việc khảo sát chế độ bay treo của cánh quay, có thể thấy việc sử dụng kết cấu cánh quay trực thăng với các lá cánh có khớp, đảm bảo cho các lá cánh có các chuyển động đặc thù lắc và vẫy không chỉ có tác dụng trong việc giảm ứng suất uốn tập trung tại gốc lá cánh nhƣ nhiều tài liệu lý thuyết chung về trực thăng đã nêu ra mà còn là một biện pháp thực tế có hiệu quả cao trong việc giảm công suất yêu cầu trên trục của cánh quay, đặc biệt với các cánh quay nhiều lá cánh, kích thước lớn của trực thăng vận tải hạng nặng.