Винт
Вычисление аэродинамических силы и момента винта.
Тип: SubSystem
|
Путь в библиотеке: |
Описание
Блок Винт рассчитывает составляющие аэродинамической силы и аэродинамического момента, формируемые воздушным винтом (пропеллером). В блоке также может учитываться наклон диска винта вследствие махового движения лопастей в горизонтальном полете.
Составляющие аэродинамической силы:
где
-
— коэффициент тяги винта;
-
— плотность воздуха;
-
— радиус винта;
-
— угловая скорость вращения винта.
Составляющие аэродинамического момента:
где — коэффициент крутящего момента винта.
Если установлен флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента, блок рассчитывает коэффициенты тяги и крутящего момента винта согласно теории элемента лопасти.
В соответствии с упрощенным методом учета концевых потерь, предложенным Прандтлем, коэффициент тяги элементарного сечения лопасти находится по формуле:
где
-
— функция, отражающая фактор падения нагрузки в концевом сечении лопасти;
-
— коэффициент протекания;
-
— относительный радиус сечения.
Показатель экспоненциальной функции, входящий в формулу , равен
где — количество лопастей, определяемое параметром Количество лопастей.
Согласно теории элемента лопасти коэффициент тяги элементарного сечения лопасти находится по формуле:
где
-
— коэффициент заполнения;
-
— хорда, определяемая параметром Хорда, [м];
-
— радиус, определяемый параметром Радиус, [м];
-
— наклон кривой подъемной силы, определяемый параметром Наклон кривой подъемной силы (на рад);
-
— угол установки на конце лопасти, определяемый параметром Закон изменения крутки.
После приравнивания правых частей уравнений, полученное уравнение решается численным методом относительно . Зная коэффициент протекания, можно определить коэффициент тяги всей лопасти по интегральной формуле.
Алгоритм расчета коэффициента крутящего момента аналогичен. Коэффициент крутящего момента связан с коэффициентом тяги элементарного сечения лопасти следующей зависимостью:
Ограничения
-
В блоке не моделируются качание и циклическое движение лопастей.
-
В блоке используются идеальный и линейный законы изменения крутки лопастей, задаваемые параметром Закон изменения крутки. При этом хорда и наклон кривой подъемной силы лопастей считаются постоянными.
Порты
Вход
#
Ωb(rad/s) —
угловая скорость винта
скаляр
Details
Угловая скорость вращения винта вокруг его оси относительно корпуса (фюзеляжа), рад/с.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
ρb(kg/m3) —
плотность воздуха
скаляр
Details
Плотность воздуха, кг/м3. Значение должно быть больше нуля.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
Vb(m/s) —
скорость винта
вектор 3 на 1
Details
Составляющие скорости винта в связанной системе координат, м/с.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
ωb(rad/s) —
угловая скорость летательного аппарата
вектор 3 на 1
Details
Составляющие угловой скорости летательного аппарата в связанной системе координат, рад/с.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
Выход
#
Fxyz(N) —
аэродинамическая сила
вектор 3 на 1
Details
Составляющие аэродинамической силы в связанной системе координат, заданные в виде вектора. Элементы вектора:
-
— продольная сила;
-
— сила тяги;
-
— боковая сила.
Измеряются в единицах силы.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
Mxyz(N-m) —
аэродинамический момент
вектор 3 на 1
Details
Составляющие аэродинамического момента в связанной системе координат, заданные в виде вектора. Элементы вектора:
-
— поперечный момент;
-
— нормальный момент;
-
— продольный момент.
Измеряются в единицах момента.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
CT —
коэффициент тяги
скаляр
Details
Коэффициент тяги.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите флажок Output computed CT and CQ.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
CQ —
коэффициент крутящего момента
скаляр
Details
Коэффициент крутящего момента.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите флажок Output computed CT and CQ.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
Параметры
Основные
#
Расчет силы тяги —
способ расчета силы тяги
Без учета геометрии лопастей | С учетом геометрии лопастей
Details
Способ расчета силы тяги:
-
Без учета геометрии лопастей— без учета геометрии лопастей; -
С учетом геометрии лопастей— с учетом геометрии лопастей и наклона диска винта в горизонтальном полете.
| Значения |
|
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Винт
# Количество лопастей — количество лопастей
Details
Число лопастей. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Вычислять коэффициенты тяги и момента — вычисление коэффициентов тяги и крутящего момента
Details
Установите этот флажок, чтобы коэффициенты тяги и крутящего момента винта рассчитывались внутри блока.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Выводить вычисленные коэффициенты тяги и момента — вывод вычисленных коэффициентов тяги и крутящего момента
Details
Установите этот флажок, чтобы добавить новые выходные порты для вывода рассчитанных коэффициентов тяги и крутящего момента винта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Коэффициент тяги (CT) — коэффициент тяги
Details
Коэффициент тяги винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Коэффициент момента (CQ) — коэффициент крутящего момента
Details
Коэффициент крутящего момента винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Лопасть
# Радиус, [м] — радиус
Details
Радиус винта, м. Значение должно быть больше нуля.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Хорда, [м] — хорда
Details
Хорта винта, м. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Вынос шарнира, [м] — вынос горизонтального шарнира
Details
Расстояние от оси вращения винта до оси шарнира, обеспечивающего маховое движение лопасти. Измеряется в метрах. Значение должно быть больше или равно нулю.
Как правило, для пропеллеров значение равно нулю.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Наклон кривой подъемной силы (на рад) — наклон кривой подъемной силы
Details
Производная коэффициента подъемной силы по углу атаки. Значение должно быть больше нуля.
Изменение значения в зависимости от угла атаки не учитываются.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Массовая характеристика — массовая характеристика
Details
Массовая характеристика лопасти винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
#
Закон изменения крутки —
закон изменения крутки
Линейный | Идеальный
Details
Закон изменения крутки:
-
Линейный— линейный.Модель геометрической крутки лопасти описывается зависимостью .
-
Идеальный— идеальный.Модель геометрической крутки лопасти описывается зависимостью .
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей.
| Значения |
|
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Угол установки сечения, [рад] — угол установки сечения
Details
Угол установки сечения лопасти винта , рад. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей, а для параметра Twist distribution установите значение Линейный.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Угол крутки, [рад] — угол крутки
Details
Угол крутки сечения лопасти винта , рад.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей, а для параметра Twist distribution установите значение Линейный.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Угол установки, [рад] — угол установки
Details
Угол установки лопасти винта , рад. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Вычислять коэффициенты тяги и момента или установите для параметра Расчет силы тяги значение С учетом геометрии лопастей, а для параметра Twist distribution установите значение Идеальный.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Литература
-
Pounds, P. E. I. (2007). Design, construction and control of a large quadrotor micro air vehicle (Doctoral dissertation, Australian National University).
-
Riether, F. (2016). Agile quadrotor maneuvering using tensor-decomposition-based globally optimal control and onboard visual-inertial estimation (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).
-
Алаян О. М. Аэродинамика и динамика полета вертолета: Учебник / О. М. Алаян, В. Ф. Ромасевич, В. С. Совгиренко; Под ред. канд. техн. наук А. М. Загордана. — М.: Воениздат, 1973. — 445 с.: ил.
-
Шайдаков В. И., Маслов А. Д. Аэродинамическое проектирование лопастей воздушного винта: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МАИ, 1995. — 68 с.: ил.
-
Б. Н. Юрьев. Аэродинамический расчет вертолетов. Государственное издательство оборонной промышленности. Москва, 1956.