A simplified blade element theory model for a coaxial rotor

Despite the presence of a fair number of numerical and experimental models, a systematic and a more complete theoretical study of coaxial rotor systems is still missing. The purpose of this study is to develop a numerical model based on the blade element theory (BET), to evaluate the performance of a coaxial rotor system. The validity of the proposed model has been analysed by establishing a proper basis of comparison between the BET predictions and the experimental measurements. The proposed model has tried to investigate the aerodynamic interactions and performance of a coaxial rotor system, in both hover and in forward flight conditions. Since we are mainly interested in validating the BET model, therefore, the study is focussed only on the coaxial rotor models that were used previously during the experiments. A coaxial rotor produces a more complex flow field because the wake of the upper rotor interacts with the lower rotor, as the lower rotor constantly operates inside the vena contracta of the upper rotor. The study of the aerodynamic interactions becomes even more difficult in the forward flight condition because the position of the vena contracta changes with the helicopter speed. We have attempted to investigate these aerodynamic interactions between the upper and the lower rotors of a coaxial helicopter. This basically involved studying the influence of the upper rotor’s wake on the performance of the lower rotor at different flight conditions. For the hovering flight condition, the predictions made by the BET model were compared well with the experimental measurements. However, there was an underprediction in power, but the overall trend was well captured, and the predictions were consistent with the experimental measurements. There was a little underprediction in power at low advance ratios which had grown even further as we moved towards a high-speed flight, possibly caused by the poor trimming of the coaxial rotor. However, the difference was very small, and the overall trend in power variation with the level forward flight was well captured and the BET model for the forward flight seemed to be validated.

Nonostante la presenza di un discreto numero di modelli numerici e sperimentali, manca ancora uno studio teorico sistematico e più completo sui sistemi a rotore coassiale. Lo scopo di questo studio è di sviluppare un modello numerico basato sulla teoria dell'elemento pala (BET), per valutare le prestazioni di un sistema a rotore coassiale. La validità del modello proposto è stata analizzata stabilendo una base adeguata di confronto tra le previsioni BET e le misurazioni sperimentali. Il modello proposto ha tentato di studiare le interazioni aerodinamiche e le prestazioni di un sistema a rotore coassiale, sia in volo sospeso che in condizioni di volo in avanti. Poiché siamo principalmente interessati a convalidare il modello BET, quindi, lo studio è focalizzato solo sui modelli di rotore coassiale che sono stati utilizzati in precedenza durante gli esperimenti. Un rotore coassiale produce un campo di flusso più complesso perché la scia del rotore superiore interagisce con il rotore inferiore, poiché il rotore inferiore opera costantemente all'interno della scia del rotore superiore. Lo studio delle interazioni aerodinamiche diventa ancora più difficile nelle condizioni di volo in avanti perché la posizione della scia cambia con la velocità dell'elicottero. Abbiamo tentato di indagare su queste interazioni aerodinamiche tra i rotori superiore e inferiore di un elicottero coassiale. Ciò fondamentalmente ha comportato lo studio dell'influenza della scia del rotore superiore sulle prestazioni del rotore inferiore a diverse condizioni di volo. Per le condizioni di volo al passaggio del mouse, le previsioni fatte dal modello BET sono state confrontate bene con le misurazioni sperimentali. Tuttavia, c'era una sottovalutazione in termini di potenza, ma la tendenza generale è stata ben catturata e le previsioni erano coerenti con le misurazioni sperimentali. C'era un po 'di sottostima in potenza alle basse velocità che era cresciuta ulteriormente mentre ci dirigevamo verso un volo ad alta velocità, probabilmente causato dal cattivo assetto del rotore coassiale. Tuttavia, la differenza era molto piccola e la tendenza generale nella variazione di potenza con il volo in avanti è stata ben catturata e il modello BET per il volo in avanti sembrava essere convalidato.