BERP rotor - BERP rotor

Tokyo Metropolitan Police Department EH101 (AW101)

Den BERP rotor blad design ble utviklet under den britiske Experimental Rotor Program . De første BERP-rotorbladene ble utviklet på slutten av 1970-tallet til midten av 1980-tallet som et joint venture-program mellom Westland Helicopters og Royal Aircraft Establishment (RAE), med professor Martin Lowson som medpatent . Målet var å øke helikopterens løftekapasitet og maksimal hastighet ved hjelp av nye design og materialer.

Hvordan det fungerer

Når objekter nærmer seg lydhastigheten , dannes sjokkbølger i områder der den lokale strømmen akselereres over lydhastigheten. Dette skjer vanligvis på buede områder, som cockpitvinduer, vingekanter og lignende områder der Bernoullis prinsipp akselererer luften. Disse sjokkbølgene utstråler en stor mengde energi som må tilføres av motorene, som ser ut til flyet som helhet som en stor mengde ekstra drag, kjent som wave drag . Det var begynnelsen på bølgedrag som gir opphav til ideen om en lydbarriere .

Helikoptre har det ekstra problemet at rotorene beveger seg i forhold til skroget når de roterer. Selv når du svever, kan rotortuppene bevege seg med en betydelig brøkdel av lydhastigheten. Når helikopteret akselererer, legges dets totale hastighet til spissene, noe som betyr at bladene på den fremovergående siden av rotoren ser betydelig høyere lufthastighet enn den bakovergående siden, noe som forårsaker en dissymmetri av heisen . Dette krever endringer i bladets angrepsvinkel for å sikre at heisen er lik på begge sider, til tross for de store forskjellene i relativ luftstrøm.

Det er rotorens evne til å endre løftemønsteret som setter en grense for fremoverhastigheten til et helikopter; på et tidspunkt betyr fremoverhastigheten at de bakovergående bladene er under stallhastigheten . Punktet hvor dette skjer kan forbedres ved å få rotoren til å snurre raskere, men da står den overfor det ekstra problemet at de fremovergående bladene nærmer seg lydhastigheten ved høye hastigheter og begynner å lide av bølgekraft og andre negative effekter.

En løsning på problemet med bølgedrag er den samme som ble sett på jetjager fra 1950-tallet, bruk av vingesveip . Dette reduserer effekten av bølgedrag uten signifikante negative effekter, bortsett fra ved svært lave hastigheter. Når det gjelder krigere, var dette en bekymring, spesielt ved landing, men når det gjelder helikoptre, er dette mindre av et problem fordi rotortuppene ikke sakte betydelig, selv under landing. Slike feietips kan sees på mange helikoptre fra 1970- og 80-tallet, særlig UH-60 Blackhawk og AH-64 Apache .

Men slik at vi ikke får tyngdepunkt eller aerodynamiske senterbevegelser bak bladets elastiske akse (som kan innføre uønskede aerodynamiske og treghetskoblinger), må spissen konfigureres med et områdeskift fremover. Dette kan holdes på et minimum ved å erkjenne at Mach-tallet varierer langs bladet, slik at vi ikke trenger å bruke en konstant sveipvinkel, og derved minimere mengden forskyvning fremover.

Metoden som brukes i utformingen av BERP-bladet, sikrer at det effektive Mach-tallet som er normalt til bladet, forblir nominelt konstant over det svepte området. Maksimal feiing som brukes på den store delen av BERP-bladet er 30 grader, og spissen begynner i en ikke-dimensjonal radius r / R = cos 30 = 86% radius. Arealdistribusjonen til dette spissområdet er konfigurert for å sikre at det midterste spissens sentrum er plassert på bladets elastiske akse. Dette gjøres ved å motregne plasseringen av den lokale 1/4- akkordaksen fremover i 86% radius.

Denne forskyvningen gir også en diskontinuitet i forkant (referert til som et hakk), noe som resulterer i andre interessante effekter. For eksempel har nylige beregninger som bruker en CFD-kode basert på Navier-Stokes-ligningene , vist at dette "hakket" faktisk bidrar til å redusere styrken til støtbølger på bladet ytterligere. Således er et uventet biprodukt av hakket utover den grunnleggende effekten av feiing å bidra til å redusere komprimerbarhetseffektene ytterligere.

Vi må også erkjenne at en geometri av denne sveipede spissen ikke nødvendigvis vil forbedre bladets ytelse ved høy angrepsvinkel som tilsvarer den tilbaketrekkende siden av skiven. Faktisk har erfaring vist at et svevet spissblad kan ha en dårligere stallkarakteristikk sammenlignet med standard spiss.

BERP-bladet benytter en endelig geometri som fungerer som en svevet spiss ved høye Mach-tall og lave angrepsvinkler, men gjør det også mulig for spissen å operere i svært høye angrepsvinkler uten å stoppe. Dette sistnevnte attributtet ble oppnådd ved radikalt å øke feiingen av den ytterste delen av spissen (de ytre 2% tilnærmet) til en verdi (70 grader) hvor en hvilken som helst signifikant angrepsvinkel vil forårsake strømningsskille fra forkanten.

Fordi forkanten er så sterkt feid, utvikler denne forkantseparasjonen seg til en virvelstruktur som ruller rundt forkanten og til slutt sitter over den øvre overflaten (som på et delta-vingefly). Denne mekanismen forbedres ved å gjøre forkanten av aerofolie i denne regionen relativt skarp.

Når angrepsvinkelen økes, begynner denne virvelen å utvikle seg fra et punkt lenger og lenger frem langs forkanten, etter planformgeometrien i det mer moderat svepte området. Ved en tilstrekkelig høy angrepsvinkel vil virvelen starte nær den forreste delen av forkanten nær "hakk" -området.

Bevis har vist at det også dannes en sterk "hakk" -virvel som trekkes strømvis over bladet. Denne vortexen fungerer som et aerodynamisk gjerde og forsinker strømningsskilleregionen fra å komme inn i spissen. Ytterligere økninger i angrepsvinkelen gjør liten endring i strømningsstrukturen til en veldig høy angrepsvinkel er nådd (i nærheten av 22 grader!) Når strømmen vil skille seg grovt. For en konvensjonell spissplanform forventes en lignende brutto strømfordeling å forekomme i omtrent 12 grader lokal angrepsvinkel.

Derfor klarer BERP-bladet å gjøre det beste fra begge verdener ved å redusere komprimerbarhetseffekter på det fremrykkende bladet og forsinke utbruddet av tilbaketrekning av bladet. Nettoresultatet er en betydelig økning i den operasjonelle flykonvolutten.

Programmer

Det opprinnelige programmet, BERP I, studerte design, produksjon og kvalifisering av komposittrotorblad . Dette resulterte i å produsere nye hovedrotorer og halerotorblad for Westland Sea King . Etter det første, det andre programmet, BERP II, analyserte avanserte aerofoil- seksjoner for fremtidige rotorblader. Dette matet inn i BERP III-programmet.

BERP III-design har et hakk mot den ytre enden av rotorbladet, med større mengde sveip fra hakket til enden av bladet sammenlignet med innenbordet på hakket. BERP III kulminerte med en teknologidemonstrasjon på et Westland Lynx- helikopter. I 1986 satte en Lynx spesialmodifisert registrert G-LYNX og pilotert av Trevor Egginton en absolutt hastighetsrekord for helikoptre over en 15 og 25 km løype ved å nå 400,87 km / t (249,09 mph). Etter den vellykkede teknologidemonstrasjonen gikk BERP III-bladet i produksjon.

BERP IV bruker: en ny aerofoil, revidert knivspissform og økt bladvridning. Etter 29 timers testing har det vist seg å "forbedre rotorens flykonvoluttytelse, redusere strømbehovet i sveve og fremoverflyging, ... redusere flyramme og motorvibrasjon for en rekke startvekter." I tillegg er "rotornavbelastning funnet å være den samme eller mindre enn med BERP III-bladet som nå er montert på EH101 " -helikopteret. For å forhindre erosjon av forkant, vil bladet bruke et gummibasert tape i stedet for polyuretanet som brukes på den britiske marineblå Sea Kings. Under test ble det funnet at den varte fem ganger lenger, 195 minutter mot 39 minutter. Programmet avsluttet i august 2007

Anvendelser av BERP-teknologi

Nåværende applikasjoner er:

• BERP III:

AgustaWestland AW101

Oppgradert Westland Super Lynx

• BERP IV:

AgustaWestland AW101

VH-71 tårnfalk

Referanser

Videre lesning

• Brocklehurst, Alan. AIAA-1990-3008, "Experimental and numerical study of the British Experimental Rotor Program blade". AIAA, 1990.

Eksterne linker

• Det britiske bladet Experimental Rotor Program (BERP)
• Air Vectors: The Westland Scout, Wasp og Lynx
• "Raskeste blader i verden" , 27. desember 1986 Flight International- artikkel om Lynxs BERP-rotor