Исследование обтекания винтокольцевого движителя с механизированным кольцом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01110

НазваниеИсследование обтекания винтокольцевого движителя с механизированным кольцом

Руководитель Батраков Андрей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые слова Винтокольцевой движитель, воздушный винт, вычислительная аэродинамика, экспериментальная аэродинамика, аэродинамическая труба.

Код ГРНТИ73.49.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на совершенствование связанности территории Российской Федерации за счет развития путей сообщения с применением судна на воздушной подушке. В некоторых районах Российской Федерации применение такого вида транспорта как судно на воздушной подушке может оказаться экономически целесообразным по сравнению с другими видами транспорта. Экономическая эффективность применения данного вида транспорта зависит от его технических характеристик. Технические характеристики СВП преимущественно определяются аэродинамическими характеристиками применяемого воздушного винта. Из литературных данных известно, что в некоторых случаях применение профилированного кольцевого обтекателя позволяет увеличить тягу винта на 40%. В некоторых зарубежных работах рассматривается применение двойного кольцевого обтекателя. Результаты исследований показали потенциальную возможность существенного повышения тяги ВКД. Однако высокие показатели прироста тяги винта за счет применения профилированного кольцевого обтекателя соответствуют узкому диапазону рабочих режимов винта. Таким образом, расширение диапазона рабочих режимов винта, при котором целесообразно применение кольцевого обтекателя является актуальной задачей. В качестве решения данной задачи в рамках настоящего проекта предлагается рассмотреть возможность применение механизированного кольцевого обтекателя. Механизация обтекателя позволит адаптировать геометрию под различные режимы работы винта. Для определения диапазона рабочих режимов работы винта, при котором применение новой конструкции будет целесообразно необходимо провести комплексное исследование. В данном проекте предлагается провести исследование обтекания винтокольцевого движителя с механизированным обтекателем на различных режимах работы при различных параметрах обтекателя. Исследование планируется провести с применением численного и физического моделирования. Численное моделирование, основанное на решении уравнений Навье – Стокса, позволит провести параметрический анализ. Физические эксперименты в аэродинамической трубе позволят экспериментально подтвердить результаты численного моделирования. Результаты исследований позволят определить рациональные параметры механизированного кольцевого обтекателя, что обеспечит повышение эффективности движителя в широком эксплуатационном диапазоне, что подтверждает актуальность проекта. Предлагаемое к рассмотрению в данном проекте техническое решение является интеллектуальной собственностью авторов проекта, которое оформлено в виде патента на полезную модель, что подтверждает научную новизну.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Батраков А.С. Численное моделирование обтекания винтокольцевого движителя нового типа Сборник материалов конгресса (год публикации - 2024)

2. Батраков А.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ ВИНТОКОЛЬЦЕВОГО ДВИЖИТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ХОРДОЙ КОЛЬЦА Сборник трудов конференции (год публикации - 2024)

3. Гарипова Л.И., Батраков А.С., Хабибуллин Ф.Ф. Механические характеристики деталей, изготавливаемых методом FDM-печати Известия высших учебных заведений. Авиационная техника., #1, 2024 (год публикации - 2024)
-

4. Моисеева С.М., Батраков А.С. Компоновочное решение «винт в кольце» применительно к беспилотным летательным аппаратам «Гагаринские чтения – 2024»: Международная молодежная научная конференция, 9 -12 апреля 2024 г.: сборник тезисов работ. — М.: Издательство «Перо», 2024., Моисеева С.М., Батраков А.С. Компоновочное решение «винт в кольце» применительно к беспилотным летательным аппаратам // «Гагаринские чтения – 2024»: Международная молодежная научная конференция, 9 -12 апреля 2024 г.: сборник тезисов работ. — М.: Издательство «Перо», 2024. – С. 52. ISBN 978-5-00244-565-3 (год публикации - 2024)

5. Гарипова Л.И. , Батраков А.С. , Кальбах М.А. Анализ прочностных характеристик изделий, полученных методом 3D-печати СОВРЕМЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ. НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ Учредители: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", Л.И. Гарипова, А.С. Батраков, М.А. Кальбах. Анализ прочностных характеристик изделий, полученных методом 3D-печати // Современное машиностроение: Наука и образование 2024: материалы 13-й Международной научной конференции, 20 июня 2024 года / Под ред. А.Н. Евграфова и А.А. Поповича. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. - №13. - С. 233-244 (год публикации - 2024)
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-98

6. Батраков А.С. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ ОБТЕКАТЕЛЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТОКОЛЬЦЕВОГО ДВИЖИТЕЛЯ Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2024)", Батраков А.С. Влияние механизации обтекателя на аэродинамические характеристики винтокольцевого движителя// Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2024)", 4 октября 2024 год. - Казань. - 2024. - С.6-7. (год публикации - 2024)

7. Батраков А.С., Гарипова Л.И., Пахов В.В. Разработка модели винтокольцевого движителя и экспериментальное исследование ее аэродинамических характеристик ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. АВИАЦИОННАЯ ТЕХНИКА, номер 1, выпуск 2025. (год публикации - 2025)

8. Кальбах М.А., Батраков А.С. Применение 3D печати при создании экспериментальных моделей воздушных винтов «Гагаринские чтения – 2024»: Международная молодежная научная конференция, 9 -12 апреля 2024 г.: сборник тезисов работ. — М.: Издательство «Перо», Кальбах М.А., Батраков А.С. Применение 3D печати при создании экспериментальных моделей воздушных винтов // «Гагаринские чтения – 2024»: Международная молодежная научная конференция, 9 -12 апреля 2024 г.: сборник тезисов работ. — М.: Издательство «Перо», 2024. – С. 538-539. ISBN 978-5-00244-565-3 (год публикации - 2024)

9. Л.И. Гарипова, А.С. Батраков РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИОННОЙ 3D-ПЕЧАТИ Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2024): материалы IX Всероссийской научно-технической конференции. Казань, Гарипова Л.И., Батраков А.С. Разработка технологии создания воздушного винта методом экструзионной 3D-печати // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2024): материалы IX Всероссийской научно-технической конференции. Казань, 03-04 октября 2024 г. – Казань: ИП Сагиев А.Р., 2024. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – С. 166-167. – 546 с. – Текст: электронный. (год публикации - 2024)

10. Батраков А.С., Гарипова Л.И. Численное исследование обтекания винтокольцевого движителя с управляемой передней частью кольцевого обтекателя "Труды МАИ", Выпуск 142 2025г. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На текущем этапе работы выполнено численное моделирование обтекания винтокольцевого движителя с механизированным кольцевым обтекателем. Механизация обтекателя выполнена по аналогии с самолетного предкрылка. Отклонение предкрылка позволяет изменять угол раствора кольцевого обтекателя. Проведены параметрические исследования обтекания движителя при различных углах отклонения носовой части кольцевого обтекателя (от -10 до +25 градусов), различной скорости набегающего потока (от 0 м/с до 40 м/с с шагом 10 м/с), различных углах атаки обтекателя (0, 15, 30 и 45 градусов). Также исследовано влияние хорды отклоняемой части обтекателя на аэродинамические характеристикидвижителя. В результате выполненного исследования определены рациональные геометрические параметры отклоняемого носка кольцевого обтекателя и рациональный закон управления углом раствора кольца в зависимости от скорости набегающего потока. На основании полученных результатов численного моделирования определены рациональные параметры для изготовления продувочных моделей. Подготовлены CAD-модели и рабочие чертежи элементов кольцевого обтекателя движителя. По подготовленным чертежам изготовлены продувочные модели с различными параметрами носовой части, соответствующие различным углам отклонения механизированного предкрылка. Всего изготовлено 3 модификации кольцевого обтекателя. В аэродинамической трубе Т-1К проведены экспериментальные исследования обтекания изготовленных моделей. Скорость потока в аэродинамической трубе составляет 0 м/с, 10 м/с и 15 м/с. Рассмотрены режимы осевого обтекания (угол атаки 0 градусов) и косого обтекания при углах атаки движителя 15 и 30 градусов. Частота вращения винта варьировалась от 0 до 4500 об/мин. Винтокольцевой движитель исследован с углами установки лопастей воздушного винта 15 и 30 градусов. Получены протоколы испытаний моделей. Результаты экспериментальных исследований подтвердили данные численного моделирования. На основании проведенных исследований определен закон рационального управления механизацией кольцевого обтекателя движителя: при работе «на месте» угол отклонения рекомендуется установить +25 градусов, при увеличении скорости потока рекомендуется уменьшать угол по закону 0.00625*V^2-1.1*V+25. Данный закон применим только в рассмотренном диапазоне изменения скорости. При дальнейшем увеличении скорости потока угол отклонения рационально оставить неизменным.

Публикации