Работа 9. Несущие винты вертолетов

Общие сведения

Важнейшей частью вертолета является несущий винт. Вертолеты выполняются либо по одновинтовой схеме с хвостовым (рулевым) винтом, либо по двухвинтовой схеме (соосной, продольной, поперечной).

Несущий винт вертолета служит для создания как подъемной силы, так и тяги, необходимых для полета вертолета.

Несущий винт состоит из лопастей и втулки. Но способу крепления лопастей к втулке и втулки к валу различают три типа несущих винтов: винты с шарнирным креплением лопастей к втулке; винты на кардане (лопасти к втулке крепятся жестко, а втулка к валу - посредством кардана); винты с жестким креплением лопастей к втулке и жестким креплением втулки к валу.

Наибольшее распространение получили винты первого типа. Немало также вертолетов с винтами на кардане. В частности, все реактивные вертолеты последних конструкций имеют такие винты. Реактивным называется вертолет с приводом несущего винта от реактивных сопел, расположенных на концах лопастей.

Основными параметрами несущего винта являются: а) количество лопастей Ζ и площадь лопасти F_л; б) диаметр винта D_нв и ометаемая площадь F_0M;

в) нагрузка на ометаемую площадь р= G_взл / F_0M (15…50 даН/м² );

г) коэффициент заполнения винта σ = Z· F_л / F_0M (0,03…0,09).

Несущие лопасти винтов характеризуются профилем и формой в плане. Чаще всего на лопастях применяется несимметричный профиль серии NACA230 с относительной толщиной = 0,06…0,18. При этом на концах лопастей ставят более скоростные (тонкие) профили.

Форма лопасти в плане обычно трапецевидная, прямоугольная или смешанная. В аэродинамическом и весовом отношении выгоднее трапецевидная форма; прямоугольная форма лопасти выгодна из технологических соображений. Оптимальное число лопастей - три или четыре, однако на тяжелонагруженных винтах устанавливают и пять лопастей.

Для улучшения характеристик винта обычно применяют отрицательную (8…12°) геометрическую крутку лопастей, то есть у корня угол атаки сечения больше, чем на конце лопасти.

На лопасть несущего винта действуют аэродинамические (подъемная сила и сила сопротивления) и массовые силы (силы тяжести, центробежная и инерционные силы от маховых движений в двух плоскостях). При этом в сечениях лопасти возникают следующие виды усилий: поперечные силы Q, осевые силы Ν, изгибающие М_изг. и крутящие М_кр. моменты.

Лопасти несущих винтов современных вертолетов изготавливаются либо цельнометаллическими, либо из композиционных материалов, либо смешанной конструкции. Большинство вертолетов в настоящее время имеет цельнометаллические лопасти, которые, в свою очередь, могут быть каркасной конструкции с трубчатым стальным лонжероном и с прессованным лонжероном из алюминиевого сплава.

Основным силовым элементом лопасти каркасной конструкции является лонжерон из стальной трубы переменного по длине сечения (от круглого толстостенного в корневой части переходит в эллиптическое тонкостенное в концевой части лопасти). На лонжерон крепится каркас из отдельных отсеков, разделенных уплотнительными вкладышами. Носовые и хвостовые отсеки лопасти изготавливаются из дюралюминиевых обшивок, усиленных стрингерами или диафрагмами. Хвостовые отсеки часто делают с сотовым заполнителем.

У лопастей с прессованным лонжероном последний представляет собой пустотелую балку, обработанную снаружи по контуру сечения с внутренними ребрами. В носовой части лонжерона устанавливаются стальные противовесы для предотвращения флаттера. Хвостовая часть лопасти изготавливается из обшивки с сотовым заполнителем в виде отдельных секций, которые приклеиваются к лонжерону.

Лопасти оборудуются пневматической системой сигнализации пов­реждений лонжерона, для чего внутренняя полость лонжерона гермети­зируется и в ней создается избыточное давление.

Лопасти на композиционных материалов также состоят из профили­рованного лонжерона и хвостовых отсеков с заполнителем. Лонжерон изготавливается из стеклопластика, отсеки - из пенопластового заполнителя и стеклотканевой обшивки. Эти лопасти обладают существенно большим ресурсом и меньшей трудоемкостью изготовления. Разрабатываются конструкции лопастей из углепластиков и других композиционных материалов.

Конструкция втулки несущего винта определяется его типом. В случае винта с шарнирным креплением лопастей втулка имеет шарниры (вертикальные и горизонтальные), ограничители и демпферы колебаний. Различают две схемы этих втулок: с разнесенными и с совмещенными горизонтальными шарнирами. На всех советских и многих зарубежных вертолетах применяются втулки с разнесенными горизонтальными шар­нирами.

Наличие шарниров создает более благоприятные условия нагружения лопасти. Горизонтальный шарнир позволяет лопасти совершать маховые движения, вертикальный шарнир - колебания в плоскости вращения лопасти. Демпферы устанавливают на вертикальных шарнирах для демпфирования колебаний. Применяются два типа демпферов - фрикционные и (чаще) гидравлические.

У втулок несущих винтов на кардане отсутствуют вертикальные и горизонтальные шарниры и демпферы лопастей.

На некоторых вертолетах применяются втулки с эластомерными подшипниками, которые воспринимают центробежные силы и обеспечи­вают все виды движений лопасти за счет деформаций слоев резины. Хвостовой

(рулевой) винт служит для уравновешивания реактивного момента несущего винта и обеспечения путевой управляемости одновинтовых вертолетов.

Обычно хвостовые винты выполняются двух- или трехлопастными. Четырехлопастные хвостовые винты устанавливаются на тяжелых вертолетах.

Лопасти хвостового винта чаще всего цельнометаллической конструкции с прессованным лонжероном, к которому приклеиваются хвостовые отсеки с сотовым заполнителем. Крепятся лопасти к втулке с помощью шарниров или кардана. В целях упрощения конструкции втулка хвостового винта не имеет вертикальных шарниров.

В последние годы появились новые конструкции хвостовых винтов, называемых фенестронами. Фенестрон представляет собой многолопастной винт в кольцевом канале, располагаемый в киле на конце хвостовой балки. Лопасти винта имеют только осевые шарниры. Диаметр фенестрона значительно меньше, чем у обычного хвостового винта.

Содержание работы

1. Составить краткое техническое описание винтов заданного вертолета.

2. Начертить вид несущего винта вертолета в плане. Определить основные параметры винта.

3. Дать эскиз лопасти несущего винта, поясняющий ее форму и конструкцию. Показать силы, действующие на лопасть, и характер распределения внутренних усилий по ее размаху.

4. Показать сечение лопасти и определить максимальный крутящий момент, который способен выдержать лонжерон,

5. Сделать эскиз втулки несущего винта. Дать обоснование ее конструкции.

Указания к выполнению работы

1. В описании дать характеристику схемы вертолета, типа несущего и хвостового винтов. Описать конструкцию несущего и хвостового винтов.

2. При определении основных параметров винта пользоваться необходимой справочной литературой.

3. Эскиз лопасти выполняется либо в изометрии, либо в двух проекциях с показом основных элементов конструкции. Для показа сил, действующих на лопасть, она изображается схематично. Эпюры силовых факторов строятся без расчета их значений,

4. Сечение лопасти показывается в ее корневой части с соблюдением масштаба и указанием материалов, из которых изготовлены основные элементы. При построении контура сечения пользоваться справочной литературой. Показываются основные размеры сечения.

5. Эскиз втулки выполняется с соблюдением масштаба с показом основных элементов конструкции. При обосновании конструкции втулки отметив достоинства и недостатки в сравнении с другими ее типами.

Вопросы для самопроверки

1. Назначение несущего и хвостового винтов вертолета.

2. Особенности нагружения и работы лопастей винтов.

3. Типы несущих винтов. Основные параметры несущего винта.

4. Форма лопастей в плане и их профили.

5. Наиболее распространенные конструкции лопастей.

6. Как производится балансировка лопастей?

7. Почему в носовой части лопасти устанавливают противовесы?

8. Каким образом контролируется целостность лонжерона лопасти?

9. Назначение вертикального, горизонтального и осевых шарниров.

10. Типы втулок несущих винтов.

11. Назначение ограничителей колебаний и демпферов, их типы.

12. Особенности конструкции хвостовых винтов.

Ρ а б о т а 10. УПРАВЛЕНИЕ ВЕРТОЛЁТОВ

Общие сведения

Управление вертолетом, как и управление самолетом, разделяется на основное и вспомогательное. Основное управление обеспечивает необходимое изменение положения вертолета в пространстве. К вспомогательному управлению относится управление двигателем, муфтой включения, тормозом винтов, загрузочными механизмами и прочее.

Основное управление вертолета разделяют на вертикальное, путевое, поперечное и продольное. Вертикальное управление (перемещение по вертикали) осуществляется посредством изменения общего шага несущего винта (одновременное и одинаковое изменение угла установки всех лопастей), благодаря чему изменяется подъемная сила винта. Путевое управление у одновинтовых вертолетов осуществляется благодаря изменению шага хвостового винта. У двухвинтовых вертолетов путевое управление обеспечивается за счет разлитого изменения углов установки лопастей одного и второго несущих винтов, что создает разворачивающий момент. Продольно-поперечное управление осуществляется соответствующим циклическим (при каждом обороте винта) изменением угла установки лопастей несущего винта. При этом несущий винт создает не только необходимую подъемную силу, но и силу тяги в заданном направлении.

В систему управления вертолетом входят командно рычаги, проводка управления, автомат перекоса, механизм изменения шага хвостового винта (у одновинтовых вертолетов) и устройства, облегчающие пилоту осуществлять управление вертолетом.

К командным рычагам относятся ручка управления (продольно- поперечное управление), ручка "шаг-газ" и педали. Ручка продольно- поперечного управления располагается перед сиденьем пилота. Ее отклонение вперед-назад или вправо-влево вызывает изменение циклического шага несущего винта и перемещение вертолета в направлении отклонения ручки. Ручка "шаг-газ" располагается слева от сиденья пилота. Ее отклонение вверх-вниз вызывает изменение общего шага несущего винта с соответствующим изменением мощности двигателей, что обеспечивает перемещение вертолета в направлении отклонения ручки. Педали являются органами путевого управления. Нажатие на одну из них вызывает или изменение шага хвостового винта (у одновинтовых вертолетов), или выводит из уравновешивания реактивные моменты несущих винтов (путем различного изменения их шага), что обеспечивает разворот вертолета в сторону нажатой педали.

Проводка управления вертолета обычно смешанная, включающая как гибкую (тросовую), так и жесткую (с помощью тяг) проводку. Элементы проводки управления такие же, как у самолетов (ролики, секторы, тандеры, рычаги, качалки и прочее). Может применяться вращательная проводка, являющаяся разновидностью жесткой, в которой управляющие сигналы передаются реверсируемым вращательным движением трубчатых тяг (валов), а необходимое отклонение исполнительного механизма обеспечивается винтовыми шариковыми преобразователями вращательного движения в поступательное.

На вертолетах массой более 3 т для уменьшения усилий на ручках и педалях используют гидроусилители (бустеры). Бустерное управление исключает вибрации командных рычагов, но при этом пилот не ощущает необходимого градиента усилий на ручке и педалях. Для его создания и также для снятия усилий при установившемся режиме полета используются управляемые пружинные механизмы загрузки. Управление ими осуществляется переключателем, расположенным в верхней части ручки управления. Усилия от лопастей на элементы проводки имеют циклический характер, что вызывает вибрацию, подергивание. Для того, чтобы эти вибрации не передавались на ручку управления, в проводке устанавливают демпферы (инерционные или гидравлические).

Автомат перекоса служит для изменения общего и циклического шага несущего винта и является одним из основных агрегатов системы управления. В настоящее время применяются три конструкции автомата перекоса: кольцевого типа; типа "паук"; кривошипного типа.

На большинстве вертолетов применяется автомат перекоса кольцевого типа. Он располагается непосредственно под втулкой несущего винта и состоит из двух колец - вращающегося и невращающегося, соединенных посредством подшипника. Невращающееся кольцо посредством кардана или шарового шарнира присоединяется к ползуну на оси винта и может перемещаться щель оси винта и поворачиваться относительно продольной и поперечной осей. Поворот или осевое перемещение невращающегося кольца осуществляется тягами управления. А вращающееся кольцо через тяги, соединенные с поводками лопастей, вызывает необходимые изменения углов установки лопастей. При перемещении автократа перекоса вдоль оси винта происходит изменение общего шага, а при его наклоне - циклического. Автомат перекоса тип "паук" имеет ограниченное применение на вертолетах, у которых втулка несущего винта примыкает к редуктору винта. Автомат перекоса кривошипного типа применяется крайне редко, лишь на двухвинтовых вертолётах, где плоскости вращения несущих винтов достаточно отклонить в одном направлении,

Управление вертолетами различных схем имеет свои особенности. У двухвинтового вертолета соосной схемы вертикальное перемещение осуществляется путем одинакового изменения общего шага обоих винтов. Продольное и поперечное управление осуществляется путем одинакового изменения циклического шага винтов. Путевое управление производится дифференцированным изменением общего шага нижнего и верхнего винтов, при этом шаг одного винта увеличивается, а шаг другого уменьшается на одну и ту же величину. На режиме авторотации, когда реактивные моменты винтов равны нулю, путевое управление производится при помощи рулей направления самолетного типа. У двухвинтовых вертолетов поперечной или продольной схемы вертикальное, продольное и поперечное управление производится одинаковым изменением шага (общего или циклического) обоих винтов. Путевое управление осуществляется дифференциальным изменением циклического шага винтов (в разные стороны).

Содержание работы

1. Составить краткое техническое описание системы управления заданным вертолетом.

2. Начертить кинематические схемы цепей вертикального, продольного, поперечного и путевого управления вертолетом.

3. Дать эскизы командных рычагов. Показать действующие на ручку управления силы и характер распределения внутренних усилий.

4. Дать эскизы элементов проводки управления.

5. Начертить схему автомата перекоса.

Указания к выполнению работы

1. В описании перечислить системы управления вертолетом, выделить системы непосредственного управления и системы сервоуправления. Дать характеристику проводок управления, командных рычагов и автомата перекоса.

2. Элементы управления на схемах изображаются условно, без соблюдения масштабов. На схемах показываются направления перемещений командных рычагов и соответствующие им отклонения лопастей винтов.

3. Эскизы ручки управления, ручки "шаг-газ", ножного поста показываются с соблюдением масштаба в изометрии или в двух основных проекциях. При построении эпюр поперечных сил Q и изгибающих моментов, возникающих в ручке управления, численные их значения не определяются. Для данной конструкции ручки определить максимальный изгибающий момент, который может выдержать ручка управления в опасном сечении.

4. Дать эскизы тяги и качалки, их соединения между собой и крепления качалки к конструкции, а для гибкой проводки показать ролик и его навеску и заделку концов троса, Эскизы выполняются с соблюдением масштаба.

5. На схеме автомат перекоса изображается в изометрии, показываются его основные элементы конструкции, поясняется принцип работы.

Вопросы для самопроверки

1. В каких направлениях обеспечивается управление вертолетом?

2. Каким образом осуществляется вертикальное, поперечное и продольное управление вертолетом одновинтовой схемы?

3. Как осуществляется путевое управление одновинтового вертолета?

4. Как осуществляется управление двухвинтовым вертолетом соосной схемы?

5. Как осуществляется управление двухвинтовым вертолетом поперечной схемы?

6. Какие требования предъявляются к управлению вертолетом?

7. Виды командных рычагов на вертолетах, их расположение и назначение.

8. Типы проводок управления.

9. Назначение и работа бустеров.

10. Назначение и работа механизмов загрузки,

11. Типы автоматов перекоса и их применение.

12. Конструкция и работа автомата перекоса кольцевого типа.

13. Управление вертолетом в режиме авторотации.

14. Назначение демпферов в проводке управления.

15. На какие виды усилий работают элементы гибкой и жёсткой проводок управления?