Основные характеристики, особенности и колебания лопастей несущего винта вертолета

Данная статья посвящена несущей системы вертолета, в особенности лопастям несущих винтов. В ходе работы были рассмотрены основные характеристики лопасти несущего винта вертолета, которые включают геометрические параметры, а также нагружение лопасти, колебания и особенности лопастей по видам материалам.

Аннотация статьи
колебания
несущий винт
лопасть
вертолет
аэродинамические силы
Ключевые слова

Отличительной особенностью вертолета, как летательного аппарата, является наличие несущего винта. Несущий винт создает подъемную силу и тягу, необходимую для осуществления перемещения вертолета в атмосфере. Кроме того, он позволяет осуществлять продольное и поперечное управление летательным аппаратом. Несущий винт состоит из лопастей и втулки, передающей крутящий момент с вала главного редуктора к лопастям.

В горизонтальном полете лопасти находятся под воздействием потока не только от окружной, но и от горизонтальной скорости вертолета. Таким образом, в разных точках ометаемой площади несущего винта имеют место разные воздушные скорости.

Рассмотрим основные характеристики несущего винта. Геометрические параметры лопастей характеризуются типом профилей сечений лопасти и очертанием лопасти в плане. Профиль лопасти должен обладать большим аэродинамическим качеством, малым изменением положения центра давления при изменении углов установки лопасти, высокими значениями критических углов атаки, обеспечивать способность перехода на режим самовращения (авторотации) в большом диапазоне углов установки. Геометрическая крутка лопасти осуществляет изменение углов установки сечений по радиусу лопасти. Обычно лопасти несущих винтов вертолетов имеют отрицательную геометрическую крутку, то есть у комлевой части углы установки больше, чем на конце [1, с.36-46]. Это дает более равномерное распределение аэродинамических сил вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери. Вес лопасти несущего винта оказывает существенное влияние на характеристики маховых движений и авторотацию вертолета, особенно в моменты перехода в нее и подрыва. В мировой практике известны случаи, когда вертолетостроителям, применившим современные материалы и выпустившим легкие лопасти, приходилось отказываться от них и возвращаться к старым технологиям из-за недостаточных характеристик летательного аппарата на режимах авторотации.

Далее рассмотрим колебания лопастей. Лопасть – самая нагруженная часть вертолёта. На лопасти несущего винта действуют: аэродинамические силы (подъемная сила в вертикальной плоскости и сила лобового сопротивления в плоскости вращения); изгибающий момент; центробежная сила; крутящий момент; инерционные силы; собственный вес. Лопасть, в процессе вращения, совершает изгибные колебания как балка, однако дополнительно на неё действует центробежная сила, которая по своему характеру является восстанавливающей – растягивая лопасть, она стремится вернуть её в неизогнутое состояние. Центробежная сила вызывает растяжение лонжерона. Под действием центробежной силы, величина которой значительна (десятки тонн), в поперечном сечении лонжерона возникают большие нормальные напряжения.

В горизонтальном полёте на лопасть действуют переменные аэродинамические силы, вызывающие её колебания. Что касается режима висения, то, с точки зрения вибраций, он является «спокойным» режимом - переменные силы носят второстепенный характер.

Действие переменных аэродинамических сил является причиной появления в сечениях лонжерона усталостных повреждений [2, с.58-67]. Поэтому при разработке лопастей, кроме анализа статической прочности, решаются две специфические задачи:

  1. Устранение резонансных явлений на лопастях. Эта проблема решается на основе расчёта собственных и вынужденных колебаний лопастей;
  2. Обеспечение безопасности от возникновения флаттера. Флаттер – незатухающие колебания лопастей несущего винта, возникающие за счёт энергии воздушного потока и приводящие к быстрому нарастанию амплитуды махового движения.

Рассмотрим особенности лопастей несущих винтов вертолетов. Как правило, лопасти подразделяются по видам материалов, применяемым для изготовления лонжеронов.

Деревянные лопасти. Такие лопасти были широко распространены в вертолетостроении, однако, в настоящее время, не применяются. Для изготовления лопасти использовались специально высушенное дерево, дельта-древесина и фанера. Лопасти с металлическим прессованным лонжероном. Существует несколько разновидностей таких лопастей. Основным силовым элементом лопасти является полый прессованный лонжерон D-образного сечения. Лонжерон выполняется пустотелым, прилегающим к аэродинамическому контуру передней части профиля. Для повышения прочности лонжерон может иметь ребра жесткости. К передней кромке лонжерона приклеивается нагревательный элемент противообледенительной системы. Сверху этот элемент закрывается титановой или стальной оковкой, предохраняющей лопасть от эррозионных воздействий частиц. К задней части лонжерона приклеены отдельные хвостовые секции. Хвостовые секции включают нервюры, обшивку и сотовый заполнитель. Образование хвостовой части из отдельных отсеков объясняется следующими соображениями: при изгибе лопасти назад, в плоскости вращения, хвостовая часть лопасти находится в области сжатия, поэтому хвостовой стрингер нуждается в защите от потери устойчивости [3, с.69-87]. Для предотвращения перетекания воздуха через зазоры между отсеками устанавливаются резиновые вкладыши.

На хвостике некоторых отсеков закрепляются триммеры – металлические пластины, служащие для устранения несоконусности вращения лопастей несущего винта. Устранение несоконусности осуществляется путем отгибания триммера в процессе наземных испытаний, которые проводят с датчиками, установленными на каждой лопасти.

В канал лонжерона, в переднюю его часть, вклеиваются противофлаттерные грузы. В комлевой части лонжерона на болтах крепится узел навески лопасти. В концевой части, под съемным обтекателем, располагаются балансировочные грузы. Внутри концевого обтекателя может быть установлена лампа контурного огня.

С целью своевременного обнаружения сквозной трещины лонжерона его внутренняя полость загерметизирована заглушками, установленными по концам лонжерона. В нем создается избыточное давление и устанавливается сигнализатор, который фиксирует разгерметизацию при появлении трещины. Воздух, попадая в сигнализатор через специальные отверстия в корпусе, сжимает чувствительный элемент и втягивает индикатор с красной боковой поверхностью внутрь корпуса. В случае появления на лонжероне трещин или других повреждений давление воздуха в нем и в корпусе сигнализатора падает, чувствительный элемент разжимается и выталкивает индикатор с красной боковой поверхностью за линию визуального обзора, что свидетельствует о повреждении лонжерона или нарушении его герметизации. Распространение усталостной трещины в лонжероне лопасти происходит медленно. Время возникновения опасного разрушения лонжерона превышает обычную продолжительность полёта вертолёта, поэтому сигнализатор давления воздуха в кабине лётчика обычно не ставится.

Лопасти со стальным трубчатым лонжероном. Такие лопасти применяются на тяжелых вертолетах, в частности на Ми-26. Одна из особенностей лопастей, именно этого вертолета, является отсутствие комлевого наконечника. Весь лонжерон, включая проушины комлевого стыка, изготавливается как единое целое. Отсутствие комлевого наконечника позволяет увеличить ресурс и уменьшить массу лопасти. Лопасть состоит из общей носовой части и отдельных хвостовых отсеков, а также комлевого и концевого обтекателей.

Многолонжеронные металлические лопасти. Этот тип лопастей был разработан специально для боевых летательных аппаратов. Пять стальных лонжеронов двутаврового сечения последовательно приклеиваются друг к другу. В местах склейки полок лонжеронов прокладываются слои стеклоткани, препятствующие распространению трещин с одного силового элемента на другой.

Текст статьи
  1. Завалов О.А. Конструкция вертолетов / Под. ред. РАН, проф. С.В. Михеева. – М.: Изд-во МАИ, 2004. – С. 100-151.
  2. Ендогур А.И. Проектирование авиационных конструкций. Проектирование конструкций деталей и узлов. Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. – С. 156-198.
  3. Конструкция вертолетов / Ю.С. Богданов, Р.А. Михеев, Д.Д. Скулков. – М.: Машиностроение, 2016. – С. 164-170.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 25 сентября по 01 октября
Осталось 5 дней до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
05 октября
Загрузка в eLibrary
05 октября
Рассылка печатных экземпляров
13 октября