Автомат перекоса вертолета. Общий принцип управления. Лопасть вертолета


Конструкция лопасти несущего винта вертолета

 

 

Лопасти несущего винта вертолета надо построить так, чтобы они, создавая необходимую подъемную силу, выдерживали все возникающие на них нагрузки. И не просто выдерживали, а имели бы еще запас прочности на всякие непредвиденные случаи, которые могут встретиться в полете и при техническом обслуживании вертолета на земле (например, резкий порыв ветра, восходящий поток воздуха, резкий маневр, обледенение лопастей, неумелая раскрутка винта после запуска двигателя и т. д.).

Одним из расчетных режимов для подбора несущего винта вертолета является режим вертикального набора на любой избранной для расчета высоте. На этом режиме из-за отсутствия поступательной скорости в плоскости вращения винта потребная мощность имеет большую величину.

Зная приблизительно вес конструируемого вертолета и задаваясь величиной полезной нагрузки, которую должен будет поднимать вертолет, приступают к подбору винта. Подбор винта сводится к тому, чтобы выбрать такой диаметр винта и такое число его оборотов в минуту, при которых бы расчетный груз мог быть поднят винтом отвесно вверх с наименьшей затратой мощности.

При этом известно, что тяга несущего винта пропорциональна четвертой степени его диаметра и только второй степени числа оборотов, т. е. тяга, развиваемая несущим винтом, более зависит от диаметра, чем от числа оборотов. Поэтому заданную тягу легче получить увеличением диаметра, чем увеличением числа оборотов. Так, например, увеличив диаметр в 2 раза, получим тягу в 24 = 16 раз большую, а увеличив число оборотов в два раза, получим тягу только в 22 = 4 раза большую.

Зная мощность двигателя, который будет установлен на вертолете для приведения во вращение несущего винта, сначала подбирают диаметр несущего винта. Для этого применяют следующее соотношение:

Лопасть несущего винта работает в очень тяжелых условиях. На нее действуют аэродинамические силы, которые ее изгибают, скручивают, разрывают, стремятся оторвать от нее обшивку. Чтобы «противостоять» такому действию аэродинамических сил, лопасть должна быть достаточно прочной.

При полетах в дождь, в снег или в облаках при условиях, способствующих обледенению, работа лопасти еще более усложняется. Капли дождя, попадая на лопасть с огромным» скоростями, сбивают с нее краску. При обледенении па лопастях образуются ледяные наросты, которые искажают ее профиль, мешают ее маховому движению, утяжеляют ее. При хранении вертолета на земле на лопасть разрушающе действуют резкие изменения температуры, влажность, солнечные лучи.

Значит, лопасть должна быть не только прочной, но она еще должна быть невосприимчивой к влиянию внешней среды. Но если бы только это! Тогда лопасть можно было бы сделать цельнометаллической, покрыв ее противо-коррозийным слоем, и задача была бы решена.

Но есть еще одно требование: лопасть, кроме этого, должна быть еще и легкой. Поэтому ее изготовляют полой За основу конструкции лопасти берут металлический лонжерон, чаще всего — стальную трубу переменного сечения, площадь которого постепенно или ступенчато уменьшается от корневой части к концу лопасти.

Лонжерон, как главный продольный силовой элемент лопасти, воспринимает перерезывающие силы и изгибающий момент. В этом отношении работа лонжерона лопасти схожа с работой лонжерона самолетного крыла. Однако на лонжерон лопасти действуют в результате вращения винта еще центробежные силы, чего нет у лонжерона крыла самолета. Под действием этих сил лонжерон лопасти подвергается растяжению.

К лонжерону привариваются или приклепываются стальные фланцы для крепления поперечного силового набора — нервюр лопасти. Каждая нервюра, которая может быть металлической или деревянной, состоит из стенок и полок. К металлическим полкам приклеивается или приваривается металлическая обшивка, а к деревянным полкам приклеивается фанерная или пришивается полотняная обшивка или к носку приклеивается фанерная обшивка, а к хвостику пришивается полотняная, как показано. В носовой части профиля полки нервюр крепятся к переднему стрингеру, а в хвостовой части — к заднему стрингеру. Стрингеры служат вспомогательными продольными силовыми элементами.

Обшивка, покрывающая полки нервюр, образует собой профиль лопасти в любом ее сечении. Наиболее легкой является полотняная обшивка. Однако во избежание искажения профиля в результате прогиба полотняной обшивки на участках между нервюрами, нервюры лопасти приходится ставить очень часто, примерно через 5—6 см одна от другой, что утяжеляет лопасть. Поверхность лопасти с плохо натянутой полотняной обшивкой выглядит ребристой и обладает низкими аэродинамическими качествами, так как ее лобовое сопротивление велико. В процессе одного оборота профиль такой лопасти меняется, что способствует появлению дополнительной вибрации вертолета. Поэтому полотняная обшивка пропитывается аэролаком, который по мере своего высыхания сильно натягивает полотно.

При изготовлении обшивки из фанеры жесткость лопасти увеличивается и расстояние между нервюрами может быть увеличено в 2,5 раза по сравнению с лопастями, обтянутыми полотном. Для того чтобы уменьшить сопротивление, поверхность фанеры гладко обрабатывается и полируется.

Хороших аэродинамических форм и большой прочности можно добиться, если изготовить полую цельнометаллическую лопасть. Трудность ее производства состоит в изготовлении переменного по сечению лонжерона, который образует носовую часть профиля. Хвостовая часть профиля лопасти изготовляется из листовой металлической обшивки, которую передними кромками заподлицо приваривают к лонжерону, а задние кромки склепывают между собой.

Профиль лопасти винта вертолета выбирается с таким расчетом, чтобы при увеличении угла атаки срыв обтекания возникал на возможно больших углах атаки. Это необходимо для того, чтобы избежать срыва обтекания на отступающей лопасти, где углы атаки особенно велики. Кроме того, во избежание вибраций профиль надо подобрать такой, у которого бы при изменении угла атаки не менялось положение центра давления.

Очень важным фактором для прочности и работы лопасти является взаимное расположение центра давления и центра тяжести профиля. Дело в том, что при совместном действии изгиба и кручения, лопасть подвержена самовозбуждающейся вибрации, т. е. вибрации со все возрастающей амплитудой (флаттеру). Во избежание вибрации лопасть должна балансироваться относительно хорды, т. е. должно быть обеспечено такое положение центра тяжести на хорде, которое исключало бы самовозрастание вибрации. Задача балансировки сводится к тому, чтобы у построенной лопасти центр тяжести профиля находился впереди центра давления.

Продолжая рассматривать тяжелые условия работы лопасти несущего винта, необходимо отметить, что повреждение деревянной обшивки лопасти каплями дождя может быть предотвращено, если вдоль ее передней кромки укрепить листовую металлическую окантовку.

Борьба же с обледенением лопастей представляет собой более сложную задачу. Если такие виды обледенения в полете, как иней и изморозь, большой опасности для вертолета не представляют, то стекловидный лед, постепенно и незаметно, но чрезвычайно прочно наращивающийся на лопасти, приводит к утяжелению лопасти, искажению ее профиля и, в конечном счете, к уменьшению подъемной силы, что приводит к резкой потере управляемости и устойчивости вертолета.

Существовавшая одно время теория о том, что лед вследствие машущего движения лопастей будет в полете скалываться, оказалась несостоятельной. Обледенение лопасти начинается раньше всего у корневой части, где изгиб лопасти при ее машущем движении невелик. В дальнейшем слой льда начинает распространяться все дальше к концу лопасти, постепенно сходя на нет. Известны случаи, когда толщина льда у корневой части достигала 6 мм, а у конца лопасти — 2 мм.

Предотвратить обледенение возможно двумя путями.

Первый путь — это тщательное изучение прогноза погоды в районе полетов, обход встретившихся по пути облаков и изменение высоты полета с целью выхода из воны обледенения, прекращение полета и т. д.

Второй путь — это оборудование лопастей противо-обледенительными устройствами.

Известен целый рад этих устройств для лопастей вертолета. Для удаления льда с лопастей несущего винта может

быть применен спиртовой противообледенитель, который разбрызгивает на передней кромке винта спирт. Последний, смешиваясь с водой, понижает температуру ее замерзания и препятствует образованию льда.

Скалывание льда с лопастей винта может быть осуществлено воздухом, который нагнетается в резиновую камеру, проложенную вдоль передней кромки несущего винта. Раздувающаяся камера надкалывает ледяную корку, отдельные куски которой затем сметаются с лопастей винта встречным потоком воздуха.

Если передняя кромка лопасти винта сделана из металла, то ее можно подогревать или электричеством, или теплым воздухом, пропускаемым через трубопровод, проложенный вдоль передней кромки несущего винта.

Будущее покажет, какой из этих способов найдет себе более широкое применение.

Для аэродинамических характеристик несущего винта большое значение имеют число лопастей несущего винта, и удельная нагрузка на ометаемую винтом площадь. Теоретически число лопастей винта может быть любым, от одной бесконечно большого их числа, настолько большого, что они в конечном счете сливаются в спиральную поверхность, как это предполагалось в проекте Леонардо да Винчи или в вертолете-велосипеде И. Быкова.

Однако есть какое-то наиболее выгодное число лопастей. Число лопастей не должно быть меньше трех, так как при двух лопастях возникают большие неуравновешенные силы и колебания тяги винта. Показано изменение тяги несущего винта около его среднего значения в течение одного оборота винта у однолопастного и двухлопастного винтов. Трехлопастной винт уже практически сохраняет среднее значение тяги в течение всего оборота.

Число лопастей винта не должно быть также очень большим, так как в этом случае каждая лопасть работает в потоке, возмущенном предыдущей лопастью, что снижает коэффициент полезного действия несущего винта.

Чем больше лопастей винта, тем большую часть площади ометаемого диска они занимают. В теорию несущего винта вертолета введено понятие коэффициента заполнения о, который подсчитывается как отношение суммарной площади

Для расчетного режима работы несущего винта вертолета (отвесный подъем) наивыгоднейшей величиной коэффициента заполнения является величина 0,05—0,08 (среднее значение 0,065).

Эта нагрузка является средней. Малой нагрузкой называют нагрузку в пределах 9—12 кг/м2. Вертолеты, имеющие такую нагрузку, маневренны и обладают большой крейсерской скоростью.

Вертолеты общего назначения имеют среднюю нагрузку в пределах от 12 до 20 кг/м2. И, наконец, большой нагрузкой, редко применяемой, является нагрузка от 20 до 30 кг/м2.

Дело в том, что хотя высокая удельная нагрузка на ометаемую площадь и обеспечивает большую полезную нагрузку вертолета, но при отказе двигателя такой вертолет на режиме самовращения будет снижаться быстро, что недопустимо, так как в этом случае нарушается безопасность снижения.

Отстройка от флаттера лопастей

Упруго-массовые характеристик лопасти НВ

Характристика втулки несущего винта вертолета

 

Агрегаты техники

avia.pro

Лопасти несущего винта вертолета

 

 

Условия работы лопасти несущего винта вертолета во многом отличаются от условий работы крыла самолета. Основная особенность в том, что действующие на нее нагрузки являются переменными во времени. Поэтому при выборе материала элементов лопасти в качестве главных выдвигаются следующие требования:

  • —    усталостная прочность: трещино стойкость (сопротивление распространению усталостной трещины) и слабая чувствительность к концентраторам напряжений;

  • —    неизменность механических свойств материала элементов и их соединений от заданного времени эксплуатации, температуры и атмосферных условий окружающей среды;

  • —    технологические требования: возможности производства по обеспечению заданных форм сечения элементов конструкции; повышение ресурса элементов конструкции методами упрочнения; контроль за качеством соединений и заданными геометрическими

 

размерами при изготовлении элементов конструкции в процессе сборки лопасти; ремонтопригодность конструкции лопасти в процессе ее эксплуатации.Кроме перечисленного, необходимо учитывать стоимость материала и технологического процесса изготовления лопасти и стоимость ее эксплуатации.

С учетом вышеизложенных требований выбирают тот материал, а который имеет максимальные удельную прочность — и удельный Е модуль упругости — р.

При формировании лонжерона лопасти из гибридных композиционных материалов стремятся к максимальной их совместимости с материалом матрицы, например, по величине динамического удлинения, степени адгезии, по коэффициенту линейного и объемного расширения, влагоёмкости, времени старения, чувствительности к ударным нагрузкам.

Чувствительность к ударным нагрузкам определяется величиной ударной вязкости. Для волокнистых композитов ударная вязкость характеризуется отношением. Одним из способов повышения ударной вязкости композитов является введение в их состав более прочных и менее жестких волокон, например стеклянных или органических — в углепластики.

В процессе развития вертолетостроения основной силовой элемента лопасти — лонжерон — выполнялся из дерева, легированных сталей, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, титановых сплавов. В настоящее время широко практикуется изготовление лонжерона из композиционных материалов.

 

Агрегаты каркаса — обшивка, нервюры, хвостовой стрингер, ранее изготовляемые из фанеры, полотна, алюминиевых сплавов, в современных лопастях изготавливаются также из КМ.Дерево нашло применение в практике Ухтомского вертолетного завода им. Ы.И. Камова в период его становления. Определяющими в выборе этого материала являлись следующие соображения: древесина малочувствительна к концентраторам напряжений, трещино стойкая; она не требует сложного технологического оборудования при изготовлении лонжерона и каркаса лопасти; затраты на изготовление лопасти не велики.

Центральная часть лонжерона выполнялась из дельта- древесины (склеенные тонкие листы древесины), носовая часть профиля состояла из набора склеенных сосновых реек. Хвостовая часть представляла собой каркас из фанерной обшивки, приклеенной к пенопласту. Поверхность лопасти покрывалась полотном и влагостойким лаком.В процессе эксплуатации выявились существенные недостатки деревянной лопасти:

  • —    несмотря на влагостойкое покрытие поверхности лопасти элементы конструкции насыщались влагой, что приводило к изменению центра тяжести сечения (смещался назад) и уменьшению критической скорости флаттера лопасти;

  • —    пропитка антисептиками не устраняла в процессе эксплуатации гнилостного разрушения древесины, при том что ее механические свойства ухудшались.

 

В практике Московского вертолетного завода им. М.Л. Миля в лопастях НВ применялась смешанная конструкция — лонжерон выполнялся из стальной трубы, а в элементах каркаса использовалось дерево и полотно.

Требования прочности, жесткости и аэродинамики с учетом технологических возможностей привели к необходимости изменения форм сечения лонжерона по радиусу с цилиндрической на эллиптическую. Металлургическая промышленность не располагала оборудованием для формирования данного лонжерона из одной заготовки. Поэтому конструкторы вынуждены были ввести телескопические стыки, соединенные стальными заклепками, с использованием упрочняющей технологии (дорнирование отверстий), плавные переходы жесткости в месте стыка, продольную шлифовку внутренней и внешней поверхностей каждой части лонжерона.

Учитывая характер аэродинамических нагрузок по хорде профиля, переднюю часть профиля лопасти выполняли из фанеры, а заднюю — из полотна в комлевой части лопасти и фанерной обшивки в средней и концевой ее части.

Аэродинамические нагрузки и центробежная сила, действующая на каркас, через нервюры передавались на лонжерон. Передача сил и моментов на лонжерон осуществлялась через фланцы, приклепанные к лонжерону и стенке нервюры.

В процессе эксплуатации выявился ряд недостатков принятой конструктивно-силовой схемы лопасти. Наличие стыков и заклепочных соединений существенно усложнило процесс достижения необходимого ресурса лопасти. Использование в хвостовой части без моментной обшивки (полотна) приводило к тому, что под действием внешних аэродинамических сил и центробежной силы воздуха, находящегося внутри каркаса, существенно искажался профиль лопасти, что ухудшало его аэродинамические характеристики.

 

Введение дренажного отверстия на нижней поверхности в конце лопасти привело к местным потерям на перетекание воздуха внутри каркаса под действием центробежных сил. Устранение этого недостатка за счет отказа от полотна и переход па фанерную обшивку по всей поверхности лопасти существенно увеличило массу лопасти и сдвигало центр масс лопасти назад. В результате совместной деятельности конструкторов, технологов и металлургов по устранению отмеченных недостатков был создан лонжерон заданного переменного сечения без стыков, а хвостовую часть лопасти стали выполнять из дюралюминевой обшивки, подкрепленной сотовым блоком, не изменяющей форму под действием аэродинамических нагрузок.

Для трубчатого лонжерона применяется обычно труба из высоколегированной стали типа ЗОХГСА или 40ХНМА, закаленной и отпущенной на прочность (с^ = 1100—1300 МПа). После горячей и холодной прокатки, формообразования и закалки наружная и внутренняя поверхности трубы полируются. На внешней и внутренней поверхностях лонжерона создается наклеп виброударным способом, повышающий предел выносливости до а ю = 280—300 МПа mi» при постоянной части нагружения ат= 200—250 МПа.

В конструкции лопасти, основанной на стальной трубе, лонжерон обычно защищен каркасом и не может быть механически поврежден в эксплуатации.

Использование прессованного профиля из дюралюминиевого материала позволило формировать профиль лонжерона с наиболее целесообразным сечением ( 2.3.1). Применение замкнутого профиля, полученного методом прессования (экструзия), ограничил диапазон использования существующих дюралюминиевых сплавов. В процессе прессования происходит разделение материала на две части, поэтому в формирующем профиль инструменте (фильере) эти две части должны соединяться и свариваться давлением. Чтобы структура материала в местах сварки не ухудшалась, необходимо применять материал с высокой коррозионной стойкостью, Усталостная прочность дюралюминиевого лонжерона может снизиться из- за дефектов, возникающих в процессе прессования профиля и механической обработки .лонжерона. Поэтому необходимо не только наружную, но и внутреннюю поверхности лонжерона упрочнять виброударным способом. Предел выносливости может быть доведен до а = 55—60 МПа при о т= 60 МПа. Для исключения минимальной возможности коррозионного повреждения прессованных лонжеронов в процессе производства и в условиях эксплуатации необходимо применять гальванические покрытия (например, анодирование) после промежуточных операций его обработки.

Процесс прессования не позволяет изменять форму сечения по заданному закону, поэтому требуемую высоту профиля по длине лопасти можно обеспечить только за счет фрезерования внешней поверхности. В результате конструктор имеет возможность разрабатывать конструктивно-силовую схему лопасти только прямоугольной формы в плане (сужение r| = 1).

Контакт поверхности лонжерона с потоком воздуха привел к необходимости защиты этой поверхности от эрозионного повреждения.

 

Была сделана попытка формирования лонжерона лопасти из многослойного тонкого листа нержавеющей стали, соединенного в монолит при помощи склейки. Предполагалось создание конструкции, обладающей большой стойкостью к распространению усталостной трещины. Органическим недостатком данной конструкции была невозможность обеспечения качественной склейки и устранения выявленных дефектов клеевых поверхностей.

Лопасти с лонжероном замкнутой формы позволяют использовать технические средства постоянного контроля усталостных разрушений материала лонжерона. Система сигнализации повреждения цельнометаллических лонжеронов состоит из сигнализатора давления воздуха и заглушек на концах лонжерона ( 2.3.2). Внутренняя полость лонжерона заполняется воздухом под давлением, превышающим давление начала срабатывания сигнализатора.

 

В случае появления в лонжероне трещины давление воздуха в нем падает. Информация о разгерметизации полости лонжерона поступает от сигнализатора давления в виде выдвижения красного колпачка сильфона, установленного в комлевой части каждой лопасти.

Индикация давления воздуха в лонжеронах в кабину экипажа не выводится, т.к. процесс роста трещины до разрушения лонжерона в несколько раз превышает время максимально возможной длительности полета вертолета. Контроль за состоянием лопасти осуществляется при меж полетном осмотре по положению сигнализатора.

Давление воздуха в лонжероне создается с учетом температуры окружающего воздуха и с учетом давления начала срабатывания сигнализатора.

В лопастях вертолета Ми-26 стальные трубчатые лонжероны по наружной поверхности облицованы стеклолентой, за счет чего при возникновении трещины в лонжероне исключается возможность обнаружения повреждения лонжерона с помощью пневматической системы сигнализации. Для обеспечения надежного функционирования системы сигнализации повреждения лонжерона по всей длине его внешней поверхности укладываются двойные фторопластовые шнуры ( 2.3.3) и после обмотки лентами из стеклоткани производится полимеризация в пресс-форме. Фторопластовые шнуры вытягиваются, образуя воздушные каналы диаметром

2   мм, открытые со стороны внешней поверхности трубы лонжерона. Появление усталостной трещины в зоне воздушных каналов приводит к падению давления в полости лонжерона и срабатыванию сигнализатора. Каналы выполняются двойными по технологическим соображениям — всегда имеется вероятность обрыва фторопластового шнура при его вытягивании из полости длиной 14 м.

 

 

Анизотропность композиционных материалов открыла широкие возможности применения их в лопастях НВ. Применение КМ позволяет направленно формировать жесткостные характеристики лопасти (изгибные и крутильные) за счет соответствующей ориентации армирующих волокон композита с учетом сложного характера ее нагружения.

Вертолетостроение является наиболее передовой отраслью авиационной техники, здесь стали смело применять КМ в таком ответственном и сложно нагружаемом агрегате, как лопасть НВ.

 

Эффективность применения КМ в силовых элементах лопастей определяется рядом преимуществ этих материалов по сравнению с металлами. В частности, аэродинамические и аэроупругие параметры лопастей композитов могут выбираться без учета ограничений, вызываемых технологическими процессами получения катаных, экструдированных (прессованных) или механически обработанных металлических конструктивных элементов.

Композитным конструкциям можно придать сложные аэродинамические формы, а регулируемая анизотропия материала позволяет создавать требуемую жесткость в пределах заданных аэродинамических и аэроупругих параметров. В результате достигается большая аэродинамическая эффективность винтов, определяемая отношением подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению.

С помощью КМ, обладающих более высокой удельной прочностью, изготавливают лопасти меньшей массы, чем металлические. Снижение массы лопастей, в свою очередь, оказывает влияние па центробежные силы, инерцию ротора, частотные и другие характеристики.

Регулируемая в широких пределах анизотропия КМ позволяет получать необходимые конструктивные и демпфирующие параметры лопасти. 

Частота собственных колебаний лопасти может быть изменена не только перераспределением массы, но и выбором армирующих волокон, имеющих низкий или высокий модуль упругости, включая их гибридизацию (смешивание), степени армирования и ориентации армирующих волокон относительно оси лопасти. Крутильная жесткость лопасти может быть существенно увеличена за счет добавления слоев с ориентацией ± 45° относительно размаха лопасти при незначительном изменении частот продольных колебаний.

Одним из возможных критериев оптимальности панели из КМ, обеспечивающим минимум ее массы, является условие совпадения траектории армирования с траекторией максимального главного напряжения. Как правило, КМ представляет собой совокупность однонаправленных или тканевых слоев с различными толщинами и углами ориентации волокон. Свойства такого материала определяются свойствами отдельных слоев и структурой.

Эффективная реализация достоинств композитов в конструкциях лопастей требует решения комплекса задач, связанных с выбором взаимно согласованных исходных компонентов (волокон и матрицы), определением рациональной структуры материала, соответствующей характеру внешних нагрузок и других воздействий с учетом специфических свойств материала и технологических ограничений при разработке элементов лопасти.

Механическое поведение КМ определяется высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе «матрица — волокно».

Наибольшее применение получили стеклопластиковые КМ на эпоксидной матрице. Это объясняется в первую очередь низкой стоимостью стеклопластика. Дальнейшее развитие конструкции лопасти из КМ связано с использованием гибридных композиций

—   сочетания углеволокна с органоволокном и других подобных вариантов.

Углепластик, обладая высокой прочностью, чувствителен к ударным нагрузкам. Введение менее жесткого материала и защита поверхности лонжерона от каких-либо повреждений предоставляет возможности широкого применения подобных композиций.

Лонжерон с замкнутым коробчатым сечением £)-образной формы может быть изготовлен методом намотки однонаправленной лентой на оправке. Этот метод изготовления лонжеронов лопасти широко применяется при крупном серийном производстве, где целесообразно максимально автоматизировать процесс изготовления. В практике ОКБ Н.И. Камова выбрана технология изготовления лонжерона частями методом выкладки из различных тканей или лент однонаправленного материала на оправках.

Листы материала лонжерона собирают в пакеты и подвергают предварительной опрессовке в автоклаве при невысокой температуре. Листы при этом слипаются, пакеты приобретают необходимые для дальнейшей сборки форму и жесткость, а полимеризации связующего практически не происходит. После опрессовки пакеты представляют собой профиль открытого контура.

Затем пакеты собираются совместно с центровочными грузами, нагревательным элементом и комлевыми пластинами в один блок, внутри которого располагается технологическая резиновая пресс- камера. Блок пакетов с пресс- камерой помещают в специальную пресс-форму, внутренний контур которой соответствует внешнему контуру носовой части лопасти.

В пресс-камеру подается сжатый азот, а пресс-форму нагревают. При этом лонжерон приобретает необходимую форму, связующее полимеризуется и все элементы лонжерона прочно склеиваются между собой. По окончании процесса прессования лонжерон извлекают из пресс-формы, удаляют из него пресс-камеру и обрезают припуски. Такой способ производства позволяет получить лонжерон замкнутого контура из различных армирующих наполнителей на разных связующих, в любом сочетании с неограниченными возможностями по их размещению в конструкции. К сборочному приспособлению для изготовления лонжерона заданного сечения предъявляется ряд требований при назначении режимов давления, нагрева, охлаждения и выдержки при отвердении. Эти требования направлены для исключения остаточных деформаций и коробления за счет температурных напряжений и неравномерности распределения массы материала и толщин в процессе формирования лонжерона.

Тип исходных КМ для лонжеронов выбирается в зависимости от летно-технических данных вертолета. Для малонагруженных лопастей вертолетов используется дешевая стеклоткань сатинового переплетения. Для высоконагруженных лопастей используются гибридные КМ на основе высокопрочной стеклоткани, углеродной ленты и технической ткани на эпоксидном связующем.

Применение гибридных КМ позволяет основной силовой элемент — лонжерон — изготавливать с практически любым заданным распределением масс и жесткостей по длине лопасти.

В силу требований, предъявляемых к лопастям, и учитывая действующие нагрузки, хвостовые секции лопасти должны отвечать следующим требованиям: прочность конструкции, минимальная масса, жесткость конструкции, достаточный ресурс (не менее ресурса лонжерона лопастей), гладкость аэродинамической поверхности, возможность изготовления в серийном производстве, возможность ремонта в полевых условиях и др.

В эксплуатации хорошо зарекомендовали себя хвостовые секции лопасти трёхслойной сотовой конструкции. Такая секция имеет обшивку, торцевые нервюры и стрингеры из технической ткани на основе органических волокон и заполнитель из сот. Применение в конструкции хвостовых секций самого легкого КМ дает возможность снизить массу секций по сравнению со стеклопластиком и увеличить ресурс.

Большой опыт, накопленный при эксплуатации вертолетов «Ка», показал, что лопасти из КМ имеют наилучшие эксплуатационные качества. Важнейшие из них состоят в следующем:

—   большой запас прочности при фактически неограниченном по условиям выносливости ресурсе. Практический срок службы лопастей из КМ определяется степенью их естественного износа, зависящего от условий эксплуатации;

—   повышение срока службы не только лопастей несущего винта, но и всего вертолета за счет снижения статических и динамических нагрузок в несущей системе, благоприятных частотных характеристик и уменьшения уровня вибраций вертолета. Это обеспечивается технологическим процессом, который позволяет изготавливать лонжерон с переменными по длине формой сечения и толщиной стенки, а также применять совместно разные типы армирующего материала с разной ориентацией. Эти важнейшие качества дают существенные преимущества не только перед металлическими лопастями, но и перед другими конструкциями лопастей из КМ;

—   высокая степень ремонтопригодности. Благодаря ценным свойствам КМ — высокой стойкости к концентраторам напряжений и низкой скорости разрушения материала — достигается простота и доступность ремонта даже крупных повреждений лопасти в полевых условиях;

—   высокая стойкость лопастей практически ко всем видам агрессивных веществ, топливам, ядохимикатам, маслам и пр.;

—   стабильность летно-технических характеристик лопасти в процессе длительной эксплуатации в любых климатических условиях. Длительный опыт эксплуатации вертолетов с лопастями из КМ показал, что изменения механических свойств материала настолько незначительны, что они не влияют ни на летно-технические характеристики, ни на срок службы лопастей.

На характеристики КМ в процессе эксплуатации оказывает влияние влажность.

 

ФОРМИРОВАНИЕ УПРУГО-МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАСТИ  НВ

Узлы и агрегаты техники

avia.pro

Горизонтальный шарнир лопасти несущего винта вертолета

 

 

Чтобы избежать крепления или, иными словами, улучшить устойчивость вертолета, между лопастью и втулкой устанавливается, кроме осевого шарнира, еще горизонтальный шарнир (ГШ).

В этом случае по известному правилу механики мы можем перенести подъемную силу каждой лопасти параллельно самой себе на ось горизонтального шарнира, прибавив к ней момент действующие на втулку со всех лопастей, складываясь, составляют подъемную силу несущего винта, которая на режиме висения равна полной аэродинамической силе R.

Под действием этого момента лопасть будет отклоняться вверх, приподнимаясь над плоскостью вращения.

На вращающуюся лопасть действуют еще сила веса и центробежная сила, приложенные в центре тяжести лопасти.

Если бы на лопасть действовала только сила веса, то лопасть сложилась бы вниз. Если бы действовала только центробежная сила, лопасть вытянулась бы строго в плоскости вращения.

Действительное соотношение этих сил, примерно следующее: подъемная сила, развиваемая лопастью 10—15 раз больше веса лопасти, а центробежная сила в 10—12 раз больше подъемной. В этих условиях угол отклонения лопасти (3, именуемый углом взмаха относительно горизонтального шарнира, оказывается небольшим, всего 5—7.

Вес лопасти есть величина постоянная. Центробежная сила для данного числа оборотов тоже не меняется.

Во время работы несущего винта на месте, при висении или вертикальном подъеме в безветрие подъемная сила лопасти за время оборота остается постоянной. Лопасть в этих условиях, находясь в равновесии под действием веса, центробежной и подъемной сил, сохраняет угол взмаха (3 постоянным. При наличии поступательного полета подъемная сила лопасти в течение одного оборота претерпевает изменения, связанные с несимметричной обдувкой лопасти из-за изменения скорости и угла атаки. Поэтому лопасть не выдерживает в процессе оборота постоянною угла взмаха, а совершает волнообразные маховые движения около некоторого среднего угла взмаха.

Это среднее значение угла взмаха легко подсчитать приблизительно, если известны вес, подъемная сила, обороты и радиус лопасти.

Пусть, например, лопасть радиусом в 6 м весит 30 кг, делает 200 об/мин и развивает подъемную силу в 400 кг. Допустим далее, что сила веса, подъемная и центробежная силы приложены в одной точке, а именно, посредине лопасти (в 3 м от оси вращения).

Из трех сил, действующих на лопасть в вертикальной плоскости, нам неизвестна только центробежная сила. Подсчитаем ее. 

 

avia.pro

Вертикальный шарнир лопасти вертолета

 

 

Для того чтобы освободить вертолет от влияния переменных сил в плоскости вращения винта и разгрузить лонжерон лопасти от усталостных напряжений, в креплении лопасти ко втулке имеется, кроме осевого и горизонтального шарниров, еще один шарнир — вертикальный (ВШ).

Около этого шарнира лопасть может отклоняться в плоскости вращения по ходу и против хода.

Равновесное положение лопасти в плоскости вращения определяется из условия равенства нулю суммы всех моментов, действующих в плоскости вращения, относительно вертикального шарнира ВШ.

Сила сопротивления 0 создает момент относительно ВШ, равный, который стремится отклонить лопасть назад, против вращения. Как только лопасть отклонилась от радиального положения на угол который называется углом отставания, возникает плечо центробежной силы относительно ВШ, а момент центробежной силы, стремящийся вернуть лопасть в прежнее (радиальное) положение

Поворотная сила, возникающая на лопасти при ее размахах и опусканиях, создает относительно ВШ момент, отклоняющий лопасть по ходу или против хода в зависимости от того, взмахивает или опускается лопасть. Показана наступающая лопасть. Следовательно, эта лопасть взмахивает, и поворотная сила направлена по вращению. Момент будет равен.

В данном случае момент поворотной силы стремится вернуть лопасть в радиальное положение.

Условие равновесия лопасти относительно вертикального шарнира можно записать следующим образом:

Сила сопротивления воздуха препятствует вращению лопасти. Для того чтобы лопасть вращалась с постоянным числом оборотов, надо приложить к ней крутящий момент от двигателя, который был бы равен моменту сопротивления от силы.

Однако, как мы видели, сила сопротивления и поворотная сила в течение одного оборота меняются по величине, а сила, кроме того, изменяется и по направлению. В силу этого угол отставания лопасти £ все время меняется. Лопасть колеблется около ВШ. Меняется и нагрузка на двигатель, что вызывает тряску вертолета и усталостные напряжения в лопасти (несколько меньше, чем при отсутствии вертикального шарнира).

Для уменьшения колебаний лопасти как в полете, так при раскрутке и остановке несущего винта на земле, а, следовательно, и для уменьшения тряски двигателя на вертикальном шарнире устанавливается гаситель колебаний. В момент раскрутки и остановки несущего винта собственная частота колебания лопастей в плоскости вращения может попасть в резонанс оборотов, что приведет к сильному раскачиванию вертолета на шасси, особенно в том случае, если амортизаторы шасси работают неудовлетворительно.

Агрегаты техники

avia.pro

Лопасть несущего винта вертолета

 

Использование: изобретение относится к несущим винтам вертолета. Сущность изобретения: лопасти несущих винтов включают лонжерон, хвостовые отсеки и на задних кромках некоторых отсеков пластины, используемые при отработке соконусности несущих винтов. Иногда пластины устанавливают по всей длине лопасти с целью увеличения хорды лопасти а, следовательно, ее несущей способности. Однако влияние пластин на относительных радиусах на несущую способность лопасти мало. С целью увеличения несущей способности лопасти, увеличения максимальной и крейсерской скоростей полета, а также максимальной полетной массы вертолета на относительных радиусах устанавливают пластины, увеличивающие хорду лопасти на 10%. 6 ил.

Изобретение относится к вертолетостроению, а именно к несущим винтам вертолетов.

Лопасти несущих винтов вертолетов обычно включают лонжерон и хвостовую часть в виде отсеков с сотовым заполнителем. На лопастях несущих винтов используются также пластины, установленные на нескольких хвостовых отсеках в задней кромке. Такие пластины установлены, в частности, на лопастях вертолета Ка-26 на относительных радиусах 0,8 - 0,9 [1] и на отсеках N 16, 17 лопастей вертолетов Ми-8, Ми-8МТ и модификаций этих вертолетов [2]. Эти пластины используют для выравнивания шарнирных моментов лопастей путем их отгиба при отработке несущих винтов. В качестве прототипа выбрана лопасть несущего винта вертолета Ми-8 [2], которая содержит лонжерон, хвостовые отсеки, причем на задней кромке части хвостовых отсеков установлены пластины. На ряде вертолетов, например на вертолетах Ми-8МТ, Ми-17 и их модификациях, после установки более мощного двигателя появилась возможность увеличения полетной массы вертолета, максимальной и крейсерской скоростей. Однако такая возможность ограничивалась недостаточной несущей способностью лопастей и появлением срыва потока на отступающей лопасти при больших скоростях полета, что приводит к недопустимому возрастанию нагрузок в лопасти и элементах забустерного управления. Технической задачей изобретения является усовершенствование лопастей несущего винта вертолета, которое не требовало бы больших затрат и обеспечивало бы возможность увеличения максимальной и крейсерской скоростей вертолета или его максимальной взлетной массы без существенного увеличения нагрузок в лопасти и забустерном управлении. Технический результат достигается тем, что в лопасти, содержащей лонжерон, хвостовые отсеки и пластины, которые установлены на задней кроме отсеков на относительных радиусах более примерно 0,5, увеличивают хорду приблизительно на 10%. На фиг. 1 изображена схема конструкции лопасти; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - граница срыва несущего винта вертолета Ми-8; на фиг. 5 - переменный поперечный момент на автомате перекоса вертолета Ми-8МТ с серийной и уширенной лопастями; на фиг. 6 - переменный продольный момент на автомате перекоса вертолета Ми-8МТ с серийной и уширенной лопастями. Лопасть содержит лонжерон 1, хвостовой отсек 2, пластины 3. Описанные выше пластины шириной 50 мм, увеличившие хорду лопасти с 520 до 570 мм, были установлены на отсеках N 10 - 21 лопастей вертолетов типа Ми-8МТ на длине L 4,8 м при относительных радиусах . Существенно, что это не потребовало изменения сборочной оснастки лопастей и поэтому может быть внедрено в серийное производство без существенных затрат. Проведены летные испытания вертолета Ми-8МТ с указанными лопастями. Некоторые результаты таких испытаний в виде зависимостей переменной нагрузки в забустерном управлении от скорости полета для серийного и доработанного комплектов лопастей приведены на фиг. 3, 4. Согласно этим результатам у доработанных лопастей резко уменьшился прирост переменных нагрузок на больших скоростях полета, связанный со срывом потока в лопастях. Напряжения в лопастях несущего винта изменились незначительно. Указанные результаты делают возможным увеличить максимальную и крейсерскую скорости вертолета Ми-8МТВ (Ми-17) на 20 км/ч (на 9%) либо увеличить максимальную взлетную массу и полезную нагрузку вертолета с модифицированными лопастями на 1 т (7,6% взлетной массы или на 25% массы груза), что на 9 - 20% повысит транспортную производительность и соответственно снизит стоимость перевозки тонно-километра груза. Технико-экономические характеристики вертолета приблизятся к уровню лучших мировых образцов и повысится конкурентоспособность вертолета.

Формула изобретения

Лопасть несущего винта вертолета, содержащая лонжерон, хвостовые отсеки и пластины, установленные на задней кромке части хвостовых отсеков, отличающаяся тем, что пластины установлены на относительных радиусах более примерно 0,5 и увеличивают хорду приблизительно на 10%

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

www.findpatent.ru

Автомат перекоса вертолета. Общий принцип управления.

Привет, друзья!

Автомат перекоса вертолета.

Втулка несущего винта с автоматом перекоса вертолета МИ-8.

Снова вернемся к нашим вертолетам :-), этим красивым и удивительным (несмотря на их кажущуюся сегодня обычность) аппаратам. Поговорим немного подробнее о принципах  их управления.

В статье «Как летает вертолет» я этого уже коснулся. Для того чтобы вертолет двигался поступательно, нужен перекос винта,  и создает его такой агрегат, как автомат перекоса вертолета. Вот о нем сегодня и поговорим.

Как известно для вертолета полная аэродинамическая сила — это сумма всех сил, действующих на каждую лопасть в отдельности. Силы эти я бы разделил на искусственные и на естественные.

О естественных. Каждая лопасть имеет определенный вес. Поэтому при вращении с достаточно большой скоростью на нее действует центробежная сила. Есть еще сила сопротивления и конечно подъемная сила лопасти. Вот эту самую подъемную силу вполне можно корректировать силами искусственными. А это как раз и делает автомат перекоса винта вертолета. От него к каждой лопасти протянута специальная тяга, с помощью которой изменяется угол установки лопасти, то есть по сути дела угол атаки и, как следствие, подъемная сила.

Лопасти несущего винта, описывая полный круг вокруг оси при его вращении, обтекаются встречным потоком воздуха по-разному. Полный круг – это 360º. Тогда примем заднее положение лопасти за 0º и далее через каждые 90º полный оборот. Так вот лопасть в интервале от 0º до 180º — это лопасть наступающая, а от 180º до 360º — отступающая. Принцип такого названия, я думаю, понятен. Наступающая лопасть движется навстречу набегающему потоку воздуха, и суммарная скорость ее движения относительно этого потока возрастает потому что сам поток, в свою очередь, движется ей навстречу. Ведь вертолет летит вперед. Соответственно растет и подъемная сила. (Для примера приведу пояснительный рисунок из «заслуженной» 🙂 книги об управлении вертолетом МИ-1.)

Автомат перекоса вертолета.

Изменение скоростей набегающего потока при вращении винта для вертолета МИ-1 (средние скорости полета).

У отступающей лопасти картина противоположная. От скорости набегающего потока отнимается скорость, с которой эта лопасть как бы от него «убегает» :-). В итоге имеем подъемную силу меньше. Получается серьезная разница сил на правой и левой стороне  винта и отсюда явный переворачивающий момент. При таком положении вещей вертолет при попытке движения вперед будет иметь тенденцию к переворачиванию. Такие вещи имели место при первом опыте создания винтокрылых аппаратов.

Чтобы этого не происходило, конструктора применили одну хитрость. Дело в том, что лопасти несущего винта закреплены во втулке (это такой массивный узел, насаженный на выходной вал), но не жестко. Они с ней соединены с помощью специальных шарниров (или устройств, им подобных). Шарниры бывают трех видов: горизонтальные, вертикальные и осевые.

Автомат перекоса вертолета.

Силы, действующие на лопасть, подвешенную ко втулке винта на шарнирах.

Теперь посмотрим что же будет происходить с лопастью, которая подвешена к оси вращения на шарнирах. Итак, наша лопасть вращается с постоянной скоростью без каких-либо управляющих воздействий извне.

От 0º до 90º скорость обтекания лопасти растет, значит растет и подъемная сила. Но! Теперь лопасть подвешена на горизонтальном шарнире. В результате избыточной подъемной силы она, поворачиваясь в горизонтальном шарнире, начинает подниматься вверх ( специалисты говорят «делает взмах»). Одновременно из-за увеличения лобового сопротивления (ведь скорость обтекания возросла) лопасть отклоняется назад, отставая от вращения оси винта. Для этого как раз и служит вертикальный шарнир.

Однако при взмахе получается, что воздух относительно лопасти приобретает еще и некоторое движение вниз и, таким образом, угол атаки относительно набегающего потока уменьшается. То есть рост избыточной подъемной силы замедляется. На это замедление оказывает свое дополнительно влияние отсутствие управляющего воздействия. Это значит, что тяга автомата перекоса, присоединенная к лопасти, сохраняет свое положение неизменным,  и лопасть, взмахивая, вынуждена поворачиваться в своем осевом шарнире, удерживаемая тягой и, тем самым, уменьшая свой установочный угол или угол атаки по отношению к набегающему потоку. (Картина происходящего на рисунке. Здесь У – это подъемная сила, Х – сила сопротивления, Vy – вертикальное движение воздуха, α – угол атаки.)

Автомат перекоса вертолета.

Картина изменения скорости и угла атаки набегающего потока при вращении лопасти несущего винта.

До точки 90º избыточная подъемная сила будет продолжать расти, однако из-за вышесказанного со все большим замедлением. После 90º эта сила будет уменьшаться, но из-за ее присутствия лопасть будет продолжать двигаться вверх, правда все медленнее. Максимальную высоту взмаха она достигнет уже несколько перевалив за точку 180º. Это происходит потому, что лопасть имеет определенный вес, и на нее действуют еще и силы инерции.

При дальнейшем вращении лопасть становится отступающей, и на нее действуют все те же процессы, но уже в обратном направлении. Величина подъемной силы падает и центробежная сила вместе с силой веса начинают опускать ее вниз. Однако при этом растут углы атаки для набегающего потока (теперь уже воздух движется вверх по отношению к лопасти), и растет установочный угол лопасти из-за неподвижности тяг автомата перекоса вертолета. Все происходящее поддерживает подъемную силу отступающей лопасти на необходимом уровне. Лопасть продолжает опускаться и минимальной высоты взмаха достигает уже где-то после точки 0º, опять же из-за сил инерции.

Таким образом, лопасти вертолета при вращении несущего винта как бы «машут» или еще говорят «порхают». Однако это порхание вы, так сказать, невооруженным взглядом вряд ли заметите. Подъем лопастей вверх (как и отклонение их назад в вертикальном шарнире) очень незначительны. Дело в том, что на лопасти оказывает очень сильное стабилизирующее воздействие центробежная сила. Подъемная сила, например, больше веса лопасти в 10 раз, а центробежная – в 100 раз. Именно центробежная сила превращает на первый взгляд «мягкую» гнущуюся в неподвижном положении лопасть в жесткий, прочный и отлично работающий элемент несущего винта вертолета.

Однако несмотря на свою незначительность вертикальное отклонение лопастей присутствует, и несущий винт при вращении описывает конус, правда очень пологий. Основание этого конуса и есть плоскость вращения винта.

как летает вертолет

Силы, действующие на вертолет.

Теперь главная мысль :-). В известной статье я уже говорил, что для придания вертолету поступательного движения нужно эту плоскость наклонить, дабы появилась горизонтальная составляющая полной аэродинамической силы, то есть горизонтальная тяга винта. Иначе говоря, нужно наклонить весь воображаемый конус вращения винта. Если вертолету нужно двигаться вперед, значит конус должен быть наклонен вперед.

Исходя из описания движения лопасти при вращении винта, это означает, что лопасть в положении 180º должна опуститься, а в положении 0º (360º) должна подняться. То есть в точке 180º подъемная сила должна уменьшиться, а в точке 0º(360º) увеличиться. А это в свою очередь можно сделать уменьшив установочный угол лопасти в точке 180º и увеличив его в точке 0º (360º). Аналогичные вещи должны происходить при движении вертолета в других направлениях. Только при этом, естественно, аналогичные изменения положения лопастей будут происходить в других угловых точках.

Понятно, что в промежуточных углах поворота винта между указанными точками установочные углы лопасти должны занимать промежуточные положения, то есть угол установки лопасти меняется при ее движении по кругу  постепенно, циклично.Он так и называется циклический  угол установки лопасти (циклический шаг винта). Я выделяю это название потому, что существует еще и общий шаг винта (общий угол установки лопастей). Он изменяется одновременно на всех лопастях на одинаковую величину. Обычно это делается для увеличения общей подъемной силы несущего винта.

Такие действия как раз и выполняет автомат перекоса вертолета. Он изменяет угол установки лопастей несущего винта (шаг винта), вращая их в осевых шарнирах посредством присоединенных к ним тяг. Обычно всегда присутствуют два канала управления: по тангажу и по крену, а также канал изменения общего шага несущего винта.

Тангаж означает угловое положение летательного аппарата относительно его поперечной оси (нос вверх-вниз :-)), а крен, соответственно, относительно его продольной оси (наклон влево-вправо :-)).

Конструктивно автомат перекоса вертолета выполнен достаточно сложно, но пояснить его устройство вполне можно на примере аналогичного узла модели вертолета. Модельный автомат, конечно, устроен попроще своего старшего собрата, но принцип абсолютно тот же :-).

Автомат перекоса вертолета.

Автомат перекоса модели вертолета.

Это двухлопастной вертолет. Управление угловым положением каждой лопасти осуществляется через тяги 6. Эти тяги соединены с так называемой внутренней тарелкой 2 (из белого металла). Она вращается вместе с винтом и в установившемся режиме параллельна плоскости вращения винта. Но она может менять свое угловое положение (наклон), так как закреплена на оси винта через шаровую опору 3. При изменении своего наклона (углового положения) она воздействует на тяги 6, которые, в свою очередь, воздействуют на лопасти, поворачивая их в осевых шарнирах и меняя, тем самым, циклический шаг винта.

Внутренняя тарелка одновременно является внутренней обоймой подшипника, внешняя обойма которого – это внешняя тарелка винта 1. Она не вращается, но может менять свой наклон (угловое положение) под воздействием управления по каналу тангажа 4 и по каналу крена 5. Меняя свой наклон под воздействием управления внешняя тарелка меняет наклон внутренней тарелки и в итоге наклон плоскости вращения несущего винта. В итоге вертолет летит в нужном направлении :-).

Общий шаг винта меняется перемещением по оси винта внутренней тарелки 2 при помощи механизма 7. В этом случае угол установки  меняется сразу на обеих лопастях.

Для более лучшего понимания помещаю еще несколько иллюстраций втулки винта с автоматом перекоса. Комментировать их нет смысла :-)…

Автомат перекоса вертолета.

Втулка винта с автоматом перекоса (схема).

Автомат перекоса вертолета.

Поворот лопасти в вертикальном шарнире втулки несущего винта.

Автомат перекоса вертолета.

Изменение общего шага винта, лопасти поворачиваются в осевых шарнирах.

Вот пожалуй и все. Как видите, принципиально все достаточно просто. Конечно в практическом плане автомат перекоса вертолета — агрегат сложный, включающий в себя различные специальные узлы и устройства.

Автомат перекоса вертолета.

Втулка несущего винта с автоматом перекоса вертолета МИ-2.

В одной из следующих статей мы этого коснемся, а также рассмотрим как же непосредственно управляется вертолет из кабины пилота с использованием автомата перекоса и специальных органов управления.

В заключение я предлагаю вам посмотреть два ролика, которые достаточно наглядно иллюстрируют работу автомата перекоса несущего винта. Полезного просмотра и до новых встреч :-)…

Фотографии кликабельны.

Related posts:

  1. Как летает вертолет.

avia-simply.ru

Блог милитаристов. Оружие и выживание.

Сегодня я расскажу вам про вертолеты. Не знаю, как вы, но лично я просто по уши влюблен в эти машины. Влюблен как визуально, так и просто обожаю их потроха и внутренности. Потому что вертолет — это, по–моему, самая крутая машина из всех, которые только строил человек.Внутри будет много подробностей про вертолеты, их техническое устройство, много картинок, разоблачение стереотипов и заблуждений, а также интересные факты

Сразу должен сказать, что я являюсь просто помешанным любителем, никогда не получал специального образования в области вертолетостроения . C самого детства зачитал книги по их устройству до дыр, и сейчас грежу мечтой построить свой вертолет.

Вообще, вертолетов бывает много разных, я приложу сначала картинку, которая показывает некоторые типы вертолетов.

Буду рассказывать в основном о двух типах вертолетов: соосных под цифрой I и классической схемы под цифрой V, потому что во всем мире это самые распространенные схемы.

 

Вертолет — это машина компромисса. Трудно рассказать о том, как она устроена в одну историю, потому что одна тема задевает другую, другая тема задевает третью.

Сначала поговорим о самом просто и очевидном: у каждого вертолета есть двигатель и трансмиссия, посредством которой момент передается на винты.

Вроде такая очевидная вещь, но тут тоже есть свои нюансы: идеальный двигатель для вертолета должен обладать следующими параметрами: должен быть надежен, обладать высокой энерговооруженностью, желательно обладать высоким крутящим моментом и невысокими оборотами выходного вала.

Двигателей, которые отвечают всем этим параметрам, просто не существует. Приходится искать компромиссы.

Поэтому на большие современные вертолеты сейчас ставят два типа двигателей: поршневые и турбовальные. Последние при этом несмотря на то, что обладают высокой удельной мощностью, на выходе имеют очень высокие обороты (обычно это десятки тысяч оборотов в минуту), тогда как винту вертолета достаточно просто сотен оборотов. Из–за этого приходится ставить здоровенную трансмиссию — вот как на картинке, это редуктор от МИ–8.

 

Тут видно, сколько он занимает места в сравнении с двигателями.

Это трансмиссия от МИ–28 — видно вал и редуктор, который идет к хвостовому винту.

 

У соосного вертолета редуктор должен вращать нижний винт в одну сторону, а верхний винт в другую.Пример фотографии редуктора самодельного соосного вертолета. Довольно небольшой редуктор, но и сам вертолет очень небольшой.

Фотография самого вертолета, называет он «Братишка»

Вертолёт Братишка

 

Кстати говоря, у соосного вертолета верхний и вижний винты всегда связаны, т.е. если вращается верхний винт, то он будет вращать нижий и обороты у них будут равны — это очень важная особенность соосных вертолетов.

Авторотация

Авторота́ция — режим вращения воздушного винта летательного аппарата или турбины двигателя, при котором энергия, необходимая для вращения, отбирается от набегающего на винт потока. Термин появился между 1915 и 1920 годами в период начала разработок вертолётов и автожиров и означает вращение несущего винта без участия двигателя.

Авторотация — это особое состояние вертолета, которая часто бывает штатным и помогает пилотированию, а в некоторых случаях спасает жизни, так как без авторотации, если у вертолета откажет двигатель (а двигатель — это то, что чаще всего и отказывает), вертолет просто разобьется.

Во–первых, чтобы вертолет мог авторотировать, у него должна стоять муфта свободного хода. Я ниже напишу о ней. Эта штука позволяет винту свободно вращаться, когда двигатель отключен. Без нее авторотация невозможна.

Авторотация возникает при определенных условиях, одно из таких условий — начальная скорость вращения винта. Если винт изначально вращался недостаточно, то ни о какой авторотации не может идти и речи. Поэтому первое, что должен сделать пилот, если отказал двигатель — это как можно раньше это понять. Затем пилот должен максимально уменьшить угол атаки лопастей. Вертолет при этом будет снижаться и двигаться поступательно вперед, т.е. как раз поступательное движение вперед и создает эту самую силу, которая раскручивает винт и дает некую подъемную силу.На картинке немного видно, как это происходит. При этом важно понять одну вещь — пилот максимально уменьшает угол атаки лопастей, который для некоторых вертолетов может равняться отрицательным значениям — 3, 4 градуса. Авторотация возможна и в какой–то степени при положительном угле атаки, но не более определенных градусов.

Редукторы и двигатели

Вообще редуктор, как и двигатель, может быть любыми, но они всегда есть:Вот Ми–1, на него устанавливали звездообразный двигатель:

На Robinson R–22 и R–44 ставят опоозитные двигатели.

Вот двигатель Д–136 самого мощного вертолета в мире Ми–26.

Что же касается редукторов, то тут тоже очень много схем:

У робинсона стоит ременной редуктор.Некоторые самоделкины ставят цепной редуктор, хотя я такое встречал очень редко.Вот у мужчины, который собрал свой вертолет, стоит ременной привод рулевого винта. И ременной же редуктор привода несущего винта.

Вообще есть одна закономерность: на легкие вертолеты чаще ставят ременной редуктор, тогда как на тяжелые ставят только с зубчатыми колесами.

Редукторы больших вертолетов стоят очень много денег, так как каждый винтик и болтик там проверяется по многу раз, ставятся датчики металлической стружки, чтобы пилот вовремя мог адекватно реагировать и прочее и прочее.

Это очень важный узел и подходят к нему очень ответственно.

Сцепление

Дальше помимо редуктора и двигателя у большинства (но не у всех) вертолетов есть сцепление. Его выполняют по разным технологиям: иногда достаточно просто ослабить клиновой ремень, иногда ставят центробежное сцепление, иногда ставят диски сцепления, как на обыкновенных автомобилях. Сцепление нужно для того, чтобы пилот мог завести двигатель и прогреть его. После этого сцепление замыкается и момент передается на винты.

Муфта свободного хода

И еще одна важная часть вертолета, без которой не делают ни один вертолет — это муфта свободного хода или обгонная муфта. Вот такая штука:

Благодаря этой штуке винт может свободно вращаться, если остановится двигатель. Это очень важная деталь и без нее ни один вертолет не сможет толком летать. К тому же без нее летать будет вообще очень опасно. Об этом уже говорили выше — без этой муфты невозможно самовращение несущего винта (авторотация).Кстати, даже у маленьких радиоуправляемых вертолетов, но профессиональных, есть такая муфта — без нее было бы невозможно делать пилотаж.

Винты и лопасти

Теперь самое интересное.Вообще все эти вертолеты объединяет одно — у каждого вертолета есть несущий винт.Когда вертолеты только появились, винт вертолета был похож на винт самолета. Оказалось, что такой подход ошибочен и ничего толком не дает. Несущий винт состоит из лопастей, втулки несущего винта и системы управления.Во–первых, чтобы рассказать про винт вертолета, сначала нужно рассказать про лопасти.

Как же устроена каждая лопасть?

Сейчас лопасть вертолета похожа в большей степени на крыло самолета.Посмотрим на лопасть в разрезе и увидим точно такой же профиль, какой применяется на самолетах. При этом самолет движется вперед, а лопасть вертолета вращается. Из–за этого лопасть винта имеет некоторые особенности: профиль лопасти у основания и профиль лопасти на конце может отличаться; лопасти вертолета могут иметь «крутку», т.е. у основания угол отаки лопасти больше, чем угол атаки лопасти на конце — так приходится делать из–за того, что скорость движения лопасти у основания ниже, чем скорость на конце, соответственно конец лопаси создает большую подъемную силу.

Еще одна интересная вещь, о которой многие не знают — подъемная сила на лопасти вертолета создается в большей степени ее верхней частью, а не нижней. Т.е. лопасть как бы стремится вверх, потому что там разряжено давление, а не опирается на воздух, как многие думают. Подъемная сила от нижней части лопасти дает только 20% от общей подъемной силы.

Очень хорошее видео про аэродинамику находится тут, если кому–то будет очень интересно и нечем будет заняться на досуге. Но видео очень длинное и очень старое:

Исторически лопасти из чего только не делали: деревянные, металлические, сейчас же лопасти в основном делают из композитов, первые в этом были ОКБ Камова.

Лопасть состоит из силового элемента — лонжерона, который воспринимает нагрузку и хвостовой секции, обычно из легкого материала. Так же лопасть часто снабжают грузами, которые находятся в передней части лопасти. Это нужно для того, чтобы избежать такого неприятного эффекта как флаттер, т.е. самоколебаний лопасти — для этого центр тяжести лопасти нужно смести вперед перед центром давления. Не спрашивайте меня, почему так делают, просто так нужно делать и все!

Вообще, лопасти довольно эластичны, вот фотография Ми–8 на стоянке:

Видно, как лопасти прогнулись под собственным весом. У гигантов типа Ми–26 зимой под давлением снега лопасти могут свисать чуть ли не до самой земли. Жесткость лопастей и не нужна — она формируется под действием центробежной силы, когда лопасти вращаются.

Вот фотография Ми–8 в полете, видно, как лопасти выгнулись в конус.

Чем больше нагрузка на лопасти, тем более выгнутый конус будет у вертолета.

Прежде чем поставить лопасти на вертолет, каждая лопасть балансируется относительно другой. Лопасти должны быть одинакового веса и у них должны совпадать центры тяжести. Помимо этого, когда лопасти вращаются, у них должна быть одинаковая подъемная сила.

Лопасти чуть–чуть отличаются по своему профилю. Но чтобы вертолет летал как надо, нужно, чтобы каждая лопасть давала определенную подъемную силу. Для этого у лопастей есть триммеры. Это такие пластинки на концах лопастей. Техники триммируют лопасти так: красят каждую лопасть в отдельный цвет свежей краской. Заводят вертолет, раскручивают лопасти. Затем подносят к образовавшемуся конусу большой лист бумаги и смотрят в каких местах лопасти ударили. Затем ровняют все лопасти к средней и делают так до тех пор, пока все лопасти не будут бить в одно место.

Тримерные пластины на лопастях лопасти вертолета Ка–22,

 

 

К вопросу о размерах вертолётов.

Это Чинук ( Boeing CH-47 Chinook) везёт автобус

А это МИ–26 везёт Чинук

 

А это синхрокоптер. Очень интересная схема вертолетов. Вот реальный пример:

У каждого вертолета может быть разное число лопастей. И тут есть одно простое правило: чем меньше лопастей — тем лучше. В идеале бы строить вертолеты с 1 лопастью, но такие винты будет невозможно уравновесить. У двулопастных винтов тоже есть свои минусы, поэтому считается, что оптимальное число лопастей 3 штуки, почему так считается — я честно говоря сам не знаю, но так пишут во всех учебниках, что мол оптимальное. Почему же много лопастей — это плохо? Потому что каждая лопасть влияет на соседнюю и в итоге, чем больше лопастей, тем ниже КПД винта. Тогда почему есть вертолеты с 5ю лопастями, а Ми–26 имеет вообще 8? Дело в том, что на каждую лопасть ложится нагрузка от веса вертолета и полезного груза. Чем тяжелее вертолет и чем больше груз, тем больше нагрузка на лопасти, поэтому их приходится делать все больше и больше. К тому же, чем меньше лопастей, тем больше при равных условиях нам потребуется диаметр винта, а слишком большой диаметр винта тоже никому не нужен.

С лопастями разобрались. Теперь поговорим о втулке несущего винта. Эта часть вертолета является наиболее интересной и как раз в этом вопросе больше всего вариантов ответа и больше всего разных решений.

Дело в том, что один вертолет может кардинально отличаться от другого только лишь одной втулкой.

Изначально винт вертолета был достаточно просто: лопасти крепились к валу жестко. Считалось, чтобы вертолет поднимался или опускался нужно просто изменить обороты винта и все.У таких машин были большие проблемы: во–первых, такой вертолет не мог толком двигаться вперд или назад: как–то только машина набирала какую–нибудь скорость — так сразу ее начинало сильно кренить.Выяснилось, что это возникает из–за того, что лопасть, которая набегает на поток воздуха дает больше подъемной силы, чем та лопасть, которая отбегает от потока, отсюда и крен.Вот картинка, из которой все более или менее должно быть понятно:

Решение нашли в двух вещах: во–первых, создали автомат перекоса, а во–вторых лопасти начали крепить к валу не жестко, а через шарниры.

Про автомат перекоса я расскажу в следующем комментарии, тем более он бывает разных видов и там тоже все очень интересно.

У лопастей появился осевой шарнир — благодаря ему лопасть может вращаться вокруг своей оси, тем самым меняя угол атаки лопасти. Появился горизонтальный шарнир, благодаря ему лопасть может совершать маховые движения, т.е. как бы махать. И вертикальный шарнир — лопасти могут отклоняться.

Зачем нужны такие хитрости?

Вертолет — это динамическая машина, еще эта машина должна уметь маневрировать, уметь противостоять порывам ветра и т.д.

Конструкторы, подвесив лопасти на шарниры во–первых, смогли существенно снизить нагрузки, которые возникают в местах крепления лопастей. Во–вторых лопасти за счет маховых движений позволяют вертолету самостабилизироваться: лопасть делает взмах в том случае, если у нее выросла подъемная сила, а как только он делает взмах, то подъемная сила падает — замороченная фраза я знаю.

Как раз изобретение автомата перекоса и шарнирного крепления лопастей к втулке несущего винта позволило уже создавать настоящие вертолеты — это главные изобретения вертолетостроения.

Сейчас я просто покажу различные типы креплений лопастей к валу несущего винта.

Начнем с самого простого.Двулопастной винт, общий горизонтальный шарнир. Это самая простая схема из всех. Стоит на хуеве туче вертолетов, ее очень сильно любят самодельцы — в основном только эту схему и реализуют в виду своей простоты и дешевезны.Самый известный — RobinsonimageТакой винт приходится крепить достаточно высоко, так как у него высокий шанс задеть хвостовую балку, посмотрите на сам вертолет:imageЭрокезimageСамоделкины:imageimageimageВообще, тысячи этих самоделок именно с такой втулкой, трудно найти самодельный вертолет без такой втулки. У вертолета «Братишка» тоже такая втулка, только там по–моему осевой шарнир сделан из торсиона.Вот соосный вертолет с таким типо втулки, осевой шарнир так же сделан с помощью торсиона:imageПомимо простоты и дешевезны у этой схемы есть большие минусы:— Самая большая вибрация— Проблемы с управляемостью: лопасти свободно болтаются на валу и с трудом передают момент, поэтому приходится хитрить: ось горизонтального шарнира находится выше осевый шарниров, хорошо видно у Робинсона.— Из–за этого вертолет по–разному реагирует на рычаг циклического шага в зависимости от оборотов винта— Must bumping — неприятная вещь из–за которой винт может к хуям оторваться от вала, если вертолетом неаккуратно управлять. Возникает после того, когда вертолет набирал высоту кабрированием и потом ручкой циклического шага пилот переводит вертолет в пикирование.

Подробнее по видео:

В общем, самая хуевая схема среди всех. Сейчас на меня могут налететь владельцы и пилоты Robinson и ругать меня. Но факт остается фактом — это самая хуевая схема, но ее дешевизна дала ей возможность распространиться вообще везде. Такие дела.

oboronadaily.com