Слои атмосферы насыщены переохлажденными каплями воды, из-за чего на лопастях винтовых двигателей летательных аппаратов образуется корка льда. Ее неравномерное разрушение может привести к повреждению установки. Существующие способы борьбы с наледью эффективны для большой авиации, а для малоразмерных летательных аппаратов необходимы методы, которые предотвращают сам факт чрезмерного нарастания льда. Ученые Пермского Политеха изучили, как на состояние винта влияет жесткость лопастей при обледенении и как возможно снизить возникающие вибрации и напряжения.
Статья с результатами опубликована в «Вестнике Московского авиационного института», 2024 год. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-19-20118 и Минобрнауки Пермского края.
Для двигательных установок, которые применяют в пассажирской и грузовой авиации, существуют различные противообледенительные системы. Однако они малоприменимы для летательных аппаратов и винтовых двигателей небольших размеров, например, конвертопланов, которые используют для мониторинга экологической обстановки и картографировании местности.
В этом случае необходимы пассивные методы, которые полностью предотвращают обледенение или чрезмерное нарастание льда. Одна из самых дешевых и простых пассивных защит заключается в кратковременном резком увеличении частоты вращения винта. Это позволяет сбросить присоединенную на него массу льда. Но во многом процесс зависит от жесткости лопастей и степени обледенения. Важно не допустить большой вибрационной нагрузки, которая может повысить напряжение и привести к повреждению двигателя.
Ученые Пермского Политеха предположили, что применение в конструкции винта пар лопастей с различной жесткостью позволит снизить вибрации при сбросе льда. При этом каждая пара противоположных лопастей должна обладать одинаковой жесткостью.
Политехники разработали два варианта конструкции вентилятора с различными сочетаниями жесткостей лопаток. Эксперимент проводили в специальной холодильной аэродинамической трубе, где изучали, как изменение жесткости лопастей винта влияет на его вибрационные характеристики при эксплуатации.
Испытания показали, что намораживание льда на вентиляторе с менее жесткими лопатками сопровождается резким ростом виброскорости и возникновением критического режима. У вентилятора с более жесткими лопатками такого не наблюдается.
Исследователи также провели моделирование различных сочетаний разножестких лопастей и рассчитали, как распределяются напряжения в ледяной корке во время сильного вращения вентилятора (10 000 оборотов/мин).
– Мы выявили, что повышение жесткости лопасти винта с 800 до 1620 Н/м приводит к выравниванию напряженно-деформированного состояния в ледяной корке. При ее увеличении на 36% средние напряжения в наледи уменьшаются на 22%. Если жесткость увеличить на 174%, средние напряжения уменьшатся на 52%, – поделился Станислав Калюлин, заместитель декана аэрокосмического факультета по науке и инновациям ПНИПУ, заместитель директора Центра высокопроизводительных вычислительных систем, кандидат технических наук.
Ученые Пермского Политеха доказали, что изменения напряжений в ледяной корке зависят от значений жесткости лопастей вентилятора. Результаты исследования позволят оптимизировать конструкцию и предотвратить повреждение винтовых двигателей малоразмерных летательных аппаратов при обледенении.
