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.
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 .
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
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ЛОНЖЕРОНА НА СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАСТИ
Узлы и агрегаты техники
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
Из чего сделана лопасть вертолета? Раньше это было дерево! – Учитель-пилот
Лопасти винта вертолета стали серьезным инженерным достижением, но никогда не были такими. В первые дни полетов вертолетов использовались самые простые материалы. Но не больше!
Современные лопасти несущего винта вертолета изготавливаются из смеси материалов, включая титан, углеродное волокно, стекловолокно и нержавеющую сталь. Сотовые заполнители составляют большую часть лезвия, а в определенных местах добавлены другие материалы для повышения прочности и жесткости.
Проектирование лопасти современного вертолета — очень, очень сложная процедура, и каждый производитель вертолетов разрабатывает свои собственные модели, стремясь быть лучшими. В последние десятилетия сторонние компании, такие как Carson Helicopters и Van Horn Aviation, присоединились к игре, чтобы создать свои собственные лопасти, обеспечивающие еще более высокую производительность.
Читайте дальше, чтобы узнать все о том, из чего состоит лопасть винта вертолета.
Ранние лопасти несущего винта
Ранние вертолеты, такие как знаменитый Bell 47, поставлялись с деревянными лопастями несущего винта. Присущие древесине свойства прочности и гибкости обеспечили идеальный материал для ранних конструкций лопастей несущего винта.
The Bell 47Однако возникли проблемы, поскольку древесина может быть легко повреждена дятлами, пылью, камнями и даже дождем, в результате чего лопасти набухают, что приводит к сильным вибрациям из-за разбалансировки роторной системы.
По мере того, как универсальность вертолета становилась все более популярной, дизайн и эволюция планера и лопастей несущего винта начали продвигаться вперед.
Разработка материалов
Лопасть ротора должна быть прочной, но при этом очень гибкой. Вы, наверное, видели, что когда вертолет стоит на стоянке, лопасти несущего винта свисают вниз, но в полете центробежная сила удерживает их в горизонтальном положении.
Мало того, лопасти также изгибаются в полете, особенно под воздействием турбулентности, и они должны выдерживать эти нагрузки, а также удерживать вертолет в воздухе.
Чтобы понять, какой изгиб и нагрузки должны выдерживать лопасти ротора, посмотрите это классное видео о S-56:
Чтобы выдерживать эти нагрузки на лопасти, они должны быть прочными. в одних областях, но при этом гибко в других. Хотя древесина отлично справляется с этой задачей, она ограничена весом, который может поднять, и скоростью, с которой могут вращаться наконечники. Здесь нужны были новые материалы.
Одним из первых достижений в конструкции лопастей несущего винта стало покрытие передней кромки лопасти коррозионно-стойкой сталью для предотвращения эрозии, особенно в области кончиков лопастей, где они движутся быстрее всего.
Hiller UH-12B был одним из тех самолетов, на лопастях которых была применена такая конструкция в 1950-х годах.
Хотите стать пилотом
Авиационный энтузиаст
Металлы
По мере того, как испытания и разработка металлов действительно начали набирать обороты, стало неизбежным, что лопасти винтов будут изготавливаться из них.
Поскольку металлы решили некоторые проблемы деревянных лезвий, они создали свои собственные. Постоянное изгибание некоторых металлов с течением времени может привести к их поломке. Подумайте о том, что происходит со скрепкой, когда вы крутите ее туда-сюда. Другая проблема с металлом заключается в том, что трещина может быстро распространиться, что приведет к катастрофическим последствиям, что обычно не приветствуется пилотами!
Это была одна из первых причин, по которой у лопастей ротора появилось ограничение по времени их использования. До этого момента считалось, что деревянные лезвия служат вечно!
Соты
Добавление сотовой технологии в лопасти ротора действительно помогло улучшить конструкцию и срок службы лопасти ротора.
Лопасти ротора, используемые в сочетании с другими металлами, могут быть изготовлены прочными, гибкими, легкими и более дешевыми, чем их продвинутые композитные младшие братья.
Лопасти ротора Robinson R22 — прекрасный тому пример:
R22 Поперечное сечение лопасти несущего винта- Внешняя верхняя и нижняя обшивка лопасти изготовлена из алюминиевого сплава
- Алюминиевый сотовый заполнитель образует сердцевину
- Полая передняя кромка D-образного сечения из нержавеющей стали
- Основание лезвия изготовлено из кованого алюминиевого сплава .
- Все склеено клеем для создания лезвия
Композиты
Композитные лопасти, по-видимому, являются перспективным направлением для каждой новой конструкции лопастей как от производителей самолетов, так и от внешних производителей, таких как упомянутые ранее Carson Helicopters и Van Horn Aviation.
Согласно Википедии, по определению, композиты образуются путем объединения материалов вместе для формирования общей структуры со свойствами, которые отличаются от свойств отдельных компонентов.
Вышеупомянутая лопасть R22 представляет собой базовую композитную лопасть, но теперь лопасти ротора действительно становятся техническими благодаря материалам, из которых они изготовлены.
Углеродное волокно, стекловолокно, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, номекс и титан — вот лишь некоторые из материалов, которые помещаются в лезвия для достижения замечательных результатов.
Например, композитные сменные лопасти Carson Helicopters для Sikorsky SK61 предлагают следующие усовершенствования по сравнению с оригинальной конструкцией лопастей ротора Sikorsky 1960-х годов:
- Увеличение тяги на 1700 фунтов при зависании
- 17 узлов. увеличение скорости при крутящем моменте 68%
- Увеличение скороподъемности на высоте на 40%
Источник: Carson Helicopters
Это огромный прирост производительности, но он просто показывает, что можно сделать с новыми материалами и современными методами проектирования!
Источник: Gnangarra Подробнее …
Попробуйте эти статьи:
* Сколько топлива сжигает вертолет? Вытащите карту Visa!
* Сколько может поднять вертолет? 20 вертолетов по сравнению!
Соты, материалы и композиты пока могут только лопасти ротора, все остальное сводится к конструкции лопастей.
Некоторые из параметров, на которые обращают внимание разработчики при проектировании новой лопасти:
- Максимально возможная подъемная сила
- Максимально уменьшить сопротивление
- Максимально снизить уровень шума
- Будьте максимально стабильны
- Будьте максимально эффективны
- Продержаться как можно дольше
- Будьте как можно дешевле
Как вы можете себе представить, это только вершина айсберга, и конструкция лезвия намного превосходит знания большинства из нас, читающих это, включая меня, и у меня есть инженерное образование.
Точно так же, как материалы эволюционировали, исследования и разработки, компьютерное моделирование, процессы тестирования и анализ данных, лежащие в основе современного дизайна, за последние несколько десятилетий просто взорвались, создав несколько уникальных лезвий.
Если вы были на авиашоу, то точно знаете, о чем я говорю:
Agusta BERP BladeSikorsky Blade с наклонным наконечникомAirbus Blue Edge Blade Причудливые наконечники на лопастях несущего винта предназначены для того, чтобы помочь компенсировать проблемы, вызванные наконечником движущаяся лопасть вращается со скоростью, близкой к скорости звука.
Основная проблема заключается в сжимаемости, которая не только производит много шума, но и снижает подъемную силу этой части лопасти.
Для получения дополнительной информации о сжимаемости лопастей ротора ознакомьтесь с этой статьей от
Рэй Праути в журнале Rotor&Wing.
Противообледенительные лопасти несущего винта
В последние десятилетия потребность в том, чтобы вертолеты могли столкнуться со своим врагом льда, активно продвигалась армией и потребительским рынком IFR. Для вертолетов, работающих, в частности, в оффшорном секторе ППП, требование летать в любую погоду подтолкнуло к развитию технологии антиобледенительной системы несущего винта.
Sikorsky, Airbus и Agusta были в авангарде этого технологического развития и имеют работающие системы на своих больших самолетах.
Противообледенительные и антиобледенительные системы ротора сложны, тяжелы и очень дороги, и для этого требуется, чтобы весь вертолет был оснащен дополнительным оборудованием, таким как системы обогрева воздухозаборника двигателя, обогреваемые ветровые стекла, датчики обледенения и множество компьютеров.
системы управления системами обогрева лопаток.
Например:
Противообледенительная система Agusta A139 содержит лопасти с электрическими нагревательными пластинами в зонах каждой лопасти систем несущего и хвостового винтов. Электронные системы отслеживают условия обледенения и запускают нагреватели в определенных зонах через определенные промежутки времени, чтобы система ротора могла безопасно удалять наросты льда и не нарушать балансировку головки ротора.
Он работает на гораздо более сложном уровне, но мы бы торчали здесь часами, если бы я достала свои учебные пособия! Но Вы получаете идею.
AW139 проходит испытания на обледенениеДаже со всеми этими лезвиями и компьютерными технологиями надежное человеческое глазное яблоко Mk1 по-прежнему остается лучшим датчиком обледенения. Здесь, на A139, есть простой шар, используемый для сбора льда, который вы можете увидеть во время полета.
Желтый = Начните думать о том, чтобы покинуть ледяную погоду.
Красный = Почему ты еще не обернулся!?
Узнать больше …
Попробуйте эти статьи:
* Полеты над облаками: могут ли на это вертолеты?
* Вертолеты: петли, кувырки и вверх ногами – все ли они могут?
Сколько стоят лопасти ротора?
Как вы понимаете, лопасти ротора стоят недешево, особенно лопасти для защиты от обледенения, и с ограниченным сроком службы оператор может столкнуться с огромным счетом, когда все лопасти выходят из строя одновременно!
Некоторые лопасти ротора позволяют заменить одну лопасть, их роторные системы отслеживаются и балансируются, и все готово. Однако для других лопастей может потребоваться замена всех лопастей ротора, что может привести к очень большому счету, если только одна из них выйдет из строя или застрянет в подвеске и не может быть отремонтирована!
Ориентировочные цены Например:
| Лопасть несущего винта Robinson R22 | 37 000 долл. США за штуку |
| Лопасть несущего винта Bell 407 | $42,000ea |
| Bell 206 Van Horn Composite Blades | $80,000/pair |
| A139 Heated Main Rotor Blade | $180,000ea |
| SK61 Carson Helicopters Main Rotor Blade | $200,000ea |
| Лопасти несущего винта Bell 214B | 600 000 долл. США/пара |
До отделки
За последние 70 лет производство лопастей несущего винта для вертолетов прошло долгий путь, причем не только в отношении материалов, но и методов проектирования и изготовления.
Повышение производительности, снижение уровня шума, расхода топлива, покупной цены и срока службы — очень сложная задача для разработчиков лезвий. Но оглядываясь назад, простые деревянные лопасти на Bell 47, некоторые из которых все еще летают сегодня, что принесут нам следующие 70 лет эволюции дизайна? Я рад смотреть!
Из чего сделаны вертолетные лопасти?
Лопасти вертолета изготавливаются из различных материалов, включая титан, алюминий, нержавеющую сталь, углеродное волокно и стекловолокно.
Эти материалы смешиваются вместе, чтобы сформировать композитный материал, чтобы в полной мере использовать уникальные свойства и сильные стороны каждого материала.
Однако так было не всегда. Это относится только к современным вертолетам, которые вы сегодня видите.
Вертолетные лопасти на протяжении многих лет изготавливались из самых разных материалов.
Деревянные лопасти
Самые первые вертолеты, такие как Bell 47, представленный в 1946 году и ставший первым вертолетом, сертифицированным для гражданского использования, имели лопасти, сделанные из дерева.
Деревянные лопасти ротора, возможно, были прочными и гибкими и хорошо работали в то время, но у них определенно были свои недостатки.
Деревянные лезвия могут быть легко повреждены окружающей средой и стихиями, такими как дождь, пыль и камень.
Это часто приводило к опасному дисбалансу несущей системы, что вызывало боковую вибрацию и затрудняло запуск вертолета.
Кроме того, поскольку лезвия летали комплектами, если одно из них было повреждено, вам приходилось заменять оба, что вряд ли было эффективным или рентабельным.
Металлические лезвия
Из-за проблем, присущих деревянным лезвиям, стали появляться металлические лезвия.
Одним из больших преимуществ перехода на металлические лезвия было то, что можно было заменить отдельное лезвие, а не весь набор.
Металлические лезвия не были идеальными.
Если металлическое лезвие треснет или будет повреждено в важной области, это может привести к катастрофическому отказу. У пилота даже не будет предварительного предупреждения, поэтому он не сможет предпринять какие-либо действия по уклонению.
Вскоре после этого появилась сотовая конструкция, которая стала важной вехой в разработке вертолетных лопастей.
Это позволило спроектировать лезвия в лучшей форме, что повысило производительность, а также увеличило прочность.
Неметаллические композитные лезвия
Металлические лезвия, возможно, были шагом вперед по сравнению с деревянными, но нельзя было упускать из виду их внезапную слабость, связанную с повреждением или растрескиванием в критической области.
Поэтому были введены неметаллические лопасти, изготовленные из композитных материалов, которые давали много предупреждений, если проблема начинала развиваться.
В первых неметаллических лезвиях использовалась обшивка из стекловолокна, которая могла предотвратить катастрофический отказ двумя способами.
Во-первых, будут видимые повреждения самого лезвия, а во-вторых, будет постепенно усиливающаяся вертикальная вибрация, которую могут заметить пилоты.
Композитные лопасти
Сегодня лопасти вертолетов изготавливаются из композитных материалов, включая титан, алюминий, нержавеющую сталь, углеродное волокно и стекловолокно, которые покрывают сердцевину из пены или номекса.
Это привело к нескольким усовершенствованиям конструкции лопастей несущего винта вертолета, причем их очень медленное разрушение, возможно, является наиболее важным.
Это связано с тем, что композитные лезвия сконструированы таким образом, что используются перекрещивающиеся слои ткани для предотвращения растрескивания.
Лопасти также не подвержены коррозии и могут быть изготовлены с меньшим количеством соединений и деталей.
Когда дело доходит до производительности, композитные лопасти также выходят вперед благодаря большой жесткости и гибкости лопастей, которые конструкторы могут использовать в полной мере для создания нестандартных форм.
Это дает разработчикам много возможностей для создания вертолетных лопастей, которые могут снизить вибрацию, создать максимально возможную подъемную силу, максимально уменьшить лобовое сопротивление, быть максимально эффективными, служить как можно дольше и точно соответствовать реальным характеристикам лопасти. своим бумажным рисункам.
Однако композитные лопасти для вертолетов могут быть дорогими в производстве, требуя больше денег и усилий в процессе изготовления и отделки.
В конечном счете, эти повышенные затраты и усилия более чем окупаются в долгосрочной перспективе как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения производительности.