Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ И ИННОВАЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В.В. Дудник КОНСТРУКЦИЯ ВЕРТОЛЕТОВ Ростов-на-Дону 2005 г. 2 ББК 27 УДК 629.7 (075) Д 81 Д 81 Дудник В.В. Конструкция вертолетов. – Ростов н/Д: Из- дательский дом ИУИ АП, 2005. – 158 с. ISBN 5-94596-015-2 В учебном пособии излагаются: состав, назначение, уст- ройство и процесс конструирования основных агрегатов и систем; конструктивно-силовые и кинематические схемы аг- регатов, конструкций деталей и узлов агрегатов. Для слушателей программы профессиональной перепод- готовки по направлению «Вертолетостроение», а также для специалистов-практиков. Печатается по решению редакционно-издательского совета Института управления и инноваций авиационной промышленности Научный редактор: доктор технических наук, профессор И.В.Богуславский ISBN 5-94596-015-2 © Дудник В.В., 2005 г. © Издательский дом ИУИ АП, 2005 г. 3 ВВЕДЕНИЕ В наши дни трудно представить себе человечество без летательных аппаратов. Достойное место в ряду воздушных судов занимают вертолеты – летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие несущий винт для перемещения в воздушной среде. Так как вертолетостроение сравнительно молодая сфера деятельности в ней идет активное изменение конструкции и технологии изготовления агрегатов. За по- следние годы стали применяться такие нововведения как сверхкритические трансмиссионные валы, активные гаси- тели шума и вибрации, многозамкнутые лонжероны лопа- стей, монококовые фюзеляжи, гребни хвостовой балки и ряд других. К сожалению, Россия по ряду причин отстала в применении некоторых инноваций. В соответствии с этим необходимо стремиться к тому, чтобы максимально исполь- зовать опыт, накопленный в мировом вертолетостроении. В данном учебном пособии предпринята попытка воспол- нить пробелы в освещении современных технологий, поэтому им уделено несколько больше внимания. Главы 5 и 8 написаны совместно с Олейником Николаем Ивановичем. 4 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕРТОЛЕТАХ 1.1. Классификация вертолетов В настоящее время в мире производится несколько десят- ков типов вертолетов. Они имеют различное назначение, раз- меры и характеристики, однако основным критерием класси- фикации вертолета принято считать его взлетную массу. Су- ществует несколько мнений о весовой классификации. Зачас- тую она устанавливается законодательными актами того или иного государства. Так в российской гражданской авиации вертолеты разделены в зависимости от максимальной взлет- ной массы на четыре класса. 1 класс – 10т и более, 2 класс – от 5 до 10т, 3 класс - от 2 до 5т, 4 класс – до 2т. На практике вертолеты чаще делят на сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые. Здесь предлагается один из вариантов де- ления. До 700кг – сверхлёгкие; 700-5000кг – лёгкие; 5000-15000кг – средние; свыше 15000кг – тяжёлые. Самым тяжелым вертолетом в мире был советский верто- лет Ми-12 (105т), а среди серийных машин – Ми-26 (56т). Несколько особняком в этом ряду стоят беспилотные вер- толеты, использующиеся для разведки, мониторинга окру- жающей среды и сельхозобработки, взлетная масса которых колеблется от 80 до 1000кг. Кроме того, вертолеты классифицируются по назначению как: пассажирские; боевые; транспортные; сельскохозяйственные; поисково-спасательные и другие. 5 Наличие на борту двигателей позволяет классифицировать воздушные суда по числу двигателей – одно, двух и трехдви- гательные, и по типу – поршневые и газотурбинные. Еще одной важной характеристикой является схема верто- лета. Схему вертолета определяет способ уравновешивания реактивного момента несущего винта. В настоящее время применяют одно и двухвинтовую схему. Разрабатывавшиеся в Советском Союзе и США трех и даже четырехвинтовые схе- мы не нашли широкого применения. Одновинтовая схема – предполагает наличие одного не- сущего винта и устройства, компенсирующего реактивный момент несущего винта. В качестве устройства компенси- рующего реактивный момент обычно используется рулевой винт, но в некоторых случаях применяют и другие механизмы (рисунок 1а, б). Двухвинтовая схема предполагает наличие двух несущих винтов, имеющих разнонаправленное вращение. Реактивные моменты таких винтов взаимно компенсируются. В свою оче- редь двухвинтовые вертолеты по расположению несущих винтов могут иметь: • соосную схему – несущие винты противоположного вращения располагаются один над другим (рисунок 1в); • продольную схему – синхронизированные между со- бой винты размещаются один впереди другого с наличием небольшой зоны перекрытия (рисунок 1г); • поперечную схему – винты располагаются справа и слева от фюзеляжа (рисунок 1д); • схему с пересекающимися винтами – две оси вращения наклонены под углом друг к другу (рисунок 1е). В настоящее время в России преобладают вертолеты фир- мы Камова и Миля. Первые вертолеты собственной разработ- ки появились у Казанского вертолетного завода. Попытки разработки вертолетов легкого класса делаются на Украине. Основными европейскими производителями вертолетов яв- ляются консорциумы – Еврокоптер, состоящий из француз- ской корпорации Еврокоптер Франц и немецкой Еврокоптер Дойчланд и АгустаВестланд, состоящий из итальянской ком- 6 пании Агуста и английской Вестланд. Корпорации Боинг, Си- корский и Белл являются наиболее крупными в США. Боль- шую активность в этом секторе рынка последние годы прояв- ляют компании Польши и ЮАР. В классе сверхлегких верто- летов успешно работают фирмы таких стран, как США, Бель- гия, Италия, Канада. Японские фирмы Ямаха и Фуджи актив- но продвигают беспилотные сельскохозяйственные вертоле- ты. Кроме того, следует отметить, что на североамериканском континенте большой популярностью пользуются другие вин- токрылые летательные аппараты – одно-двухместные авто- жиры. Их производством занимается сразу несколько фирм. Абсолютное большинство производителей вертолетов в мире использует одновинтовую схему. Летательные аппараты построенные по таким принципам создает фирма Миля. Со- осную применяют на вертолетах фирмы Камова и на некото- рых зарубежных беспилотных аппаратах. Поперечная схема применяется в настоящее время только на конвертопланах фирмы Белл, разработанных самостоятельно и в кооперации с фирмой Агуста. Продольную схему используют транспорт- ные вертолеты фирмы Боинг. Схема с перекрещивающимися винтами является весьма сложной и применяется только фир- мой Каман (США). 1.2. Создание вертолетов Процесс создания нового вертолета или модификации су- ществующего достаточно сложен и состоит из нескольких этапов (рисунок 2). Для принятия решения о начале проекти- рования вертолета или модификации должна накопится «кри- тическая» масса требований. Эти требования вырабатывают различные службы: • инженерные – на основе анализа разработок других фирм и собственных исследовательских работ, подготовленных к внедрению; • маркетинга – на основе анализа текущих и перспективных потребностей рынка; 7 • эксплуатации – на основе анализа замечаний и предложений эксплуатирующих организаций; • стилиста (дизайнера) – на основе анализа современных тен- денций дизайна, с целью создания привлекательного облика вертолета. Рисунок 1. Различные схемы расположения несущих винтов. а – одновинтовая схема с рулевым винтом (вертолет Ми-28, Россия), б – одновинтовая схема с системой NOTAR (MD500, США), в – соосная (Ка-50, Россия), г – продольная (CH-47, США), д – поперечная (BA609, США-Италия), е - схема с пе- ресекающимися винтами (K-MAX, США). 8 Требования зачастую находятся в противоречии друг с другом, поэтому после анализа их важности, срочности и стоимости вырабатывается компромиссный вариант, макси- мально отвечающий всем службам. На его основании осуще- ствляется предварительное проектирование, в ходе которого выполняются аэродинамические и другие расчеты, определя- ется общая геометрия, состав оборудования, принимаются решения по наиболее важным техническим решениям, выра- батывается компоновка летательного аппарата. После вы- полнения предварительного производится рабочее проекти- рование. На этом этапе разрабатываются трехмерные модели деталей, узлов и агрегатов, выполняется их расчет на проч- ность, на основании которого принимается решение об об- легчении или упрочнении элементов конструкции. На осно- вании окончательной трехмерной модели составляется рабо- чая документация. Учитывая высокую степень компьютери- зации авиационного производства, иногда производители используют упрощенную систему документации, в которой, например, чертеж детали показывает общий вид, но не имеет размерных данных. Потребители же такого чертежа всегда могут получить необходимую информацию с разработанной компьютерной модели расположенной в корпоративной сети. Результаты проектирования передаются в производство, где сперва происходит изготовление макетного образца, а затем и реального вертолета. Если модификация летательного ап- парата не предполагает значительных изменений этап изго- товления макетного образца может отсутствовать. Летные и статические испытания подтверждают правиль- ность расчетов. Следует отметить, что каждый этап, сле- дующий после проектирования, приводит к частичному из- менению конструкции вследствие устранения выявляемых недостатков. Результатом всей этой работы становится сер- тификат, разрешающий эксплуатацию летательного аппарата в той или иной стране мира. Для того, чтобы получить сер- тификат, воздушное судно должно соответствовать нормам летной годности, действующим на данной территории. Как правило, отдельно существуют нормы для гражданских и 9 военных вертолетов. Эти документы регламентируют пока- затели, которым должен удовлетворять весь аппарат или от- дельные его агрегаты. Например, указывается какую величи- ну ветра должен выдержать вертолет на том или ином режи- Рисунок 2. Упрощенная схема процесса создания верто- лета. ме полета или какую шумность он не может превышать в зависимости от взлетного веса. Значительную часть норм составляют нормы прочности. Они рассматривают различ- ные варианты нагружения аппарата в полете, на взлете и по- садке, при стоянке и перемещении по аэродрому. Соответст- венно все случаи делятся на летные, посадочные и земные. 10 При выполнении расчетов на прочность обычно выбирают один или несколько наиболее тяжелых для данного агрегата случаев. В России существуют гражданские нормы летной годно- сти – НЛГВ, и авиационные правила – АП, европейские нор- мы носят название JAR, американские - FAR. Однако для ряда классов вертолетов существуют и другие нормативные акты. Например, американское законодательство запрещает полеты на сверхлегких вертолетах и автожирах, в том случае, если пилот не произвел его самостоятельно хотя бы на 50%. В результате этот класс аппаратов продается в разобранном виде, так называемыми «китами», и эксплуатант вынужден заниматься сборкой самостоятельно. В последнее время производители обращают особое вни- мание на живучесть вертолета, с тем, чтобы обеспечить мак- симальную безопасность экипажа и пассажиров. Стали ши- роко внедряться «безопасно повреждаемые конструкции» - когда разрушение конструкции не приводит к травмирова- нию людей. Многие производители разделяют все детали и узлы по нескольким классам потенциальной опасности. Один из вариантов такого разделения представлен в таблице 1. В соответствие с такой классификацией потенциально опасные детали подвергаются более тщательному контролю и анализу при производстве. Таблица 1. Пример классификации потенциальной опасности разрушения элементов конструкции вертолета. Класс потенци- альной опасно- сти Признаки 1 Разрушение элемента приведет к немед- ленной гибели воздушного судна 2 Разрушение элемента приведет к немед- ленному выполнению аварийной посадки 3 Разрушение элемента приведет к прекра- щению выполнения задания 4 Разрушение элемента не приведет к пре- кращению задания 11 1.3. Особенности конструкции вертолетов различного назначения Как уже было описано ранее, вертолеты могут иметь раз- личное назначение и, в соответствии с ним, различные осо- бенности конструкции и оснащения. Боевые (рисунок 3а) имеют средства наведения, крылья, приспособленные для подвески боеприпасов, подвижной ус- тановки стрелкового оружия, интегрированные в конструк- цию фюзеляжа. Пассажирские вертолеты (рисунок 3б) обычно имеют до- полнительные средства снижения шума внутри салона, ком- фортабельные кресла и увеличенную площадь остекления. Поисково-спасательные вертолеты (рисунок 3в) оснаща- ются инфракрасными системами поиска, прожекторами большой мощности и спасательной лебедкой. Лебедка, как правило, выполняется в виде отдельного агрегата, закреп- ляемого в обтекаемом контейнере. Кроме самого механизма подъема и опускания троса контейнер содержит тормоз и нож аварийной обрезки троса. Существенно повысить радиус проведения спасательной операции позволяет применение средств дозаправки в воздухе, применяемые в некоторых странах. Транспортные винтокрылые летательные аппараты (ри- сунок 3г) могут оснащаться тельферами или другими устрой- ствами загрузки, специальными опускаемыми трапами. Сельскохозяйственные вертолеты (рисунок 3д, е) подра- зумевают наличие распылителей или распыливателей хими- ческих препаратов. Распылители обычно устанавливают на навесных штангах, в которые подается рабочая жидкость под большим давлением. Истечение растворов происходит через большое количество мелких распылителей. В некоторых случаях применяют самолетные распылители. В них жид- кость подается самотеком или под небольшим давлением, а дальше выбрасывается через несколько центробежных уст- ройств, приводимых в действие набегающим потоком возду- 12 ха. Распыливатели обычно имеют электрический привод и служат для распределения порошковых препаратов. Противопожарные вертолеты (рисунок 3з) чаще всего пе- реоборудуются из транспортных летательных аппаратов. Они могут содержать либо мягкое водосливное устройство, подвешенное на тросах, либо жесткий бак внутри или снизу фюзеляжа. При мягком водосливном устройстве забор воды осуществляется зачерпыванием из ближайшего водоема. Жесткий бак наполняется через шланг с насосом, опускае- мым в водоем на висении. Как правило, непосредственно пе- ред сливом вода соединяется с пенообразующим реагентом и многократно увеличиваясь в объеме, выбрасывается на очаг возгорания. Для тушения вертикальных сооружений – на- пример высотных зданий, вертолеты оснащают водяными пушками. Вертолеты-краны содержат дополнительное рабочее ме- сто оператора, который имеет рычаги управления летатель- ным аппаратом. Однако, в отличие от летчика, он располага- ется лицом в сторону, обратную направлению полета, и име- ет хороший обзор вниз и назад. В районе оси несущего вин- та, под воздушным судном, устанавливают замок крепления тросов подвески груза. Для эффективного выполнения мон- тажных и транспортных операций применяют системы ста- билизации груза на внешней подвеске. Кроме перечисленных, существуют более редкие вариан- ты применения винтокрылых летательных аппаратов, обу- славливающие доработку конструкции и установку специ- ального оборудования (рисунок 3ж). Например, в некоторых странах существует практика очистки изоляторов высоковольтных линий электропередач. Накапливающаяся грязь во влажную погоду образует раство- ры, вызывающие стекание зарядов и потерю электроэнергии. Экономически более выгодно один раз в полгода мыть изо- ляторы с помощью водяного брандспойта, выставленного в дверной проем специально доработанного вертолета. Подоб- ных примеров существует очень много и их полное перечис- ление не входит в задачу этого издания. 13 Рисунок 3. Вертолеты различного назначения. а – дальнего радиолокационного обнаружения SH-3Mk1 (Великобритания), б – противопожарный UH-60L (США), в – ударный Ми-24 (Россия), г – пассажирский S-92 (США), д – поисково-спасательный А-109К2 (Италия), транспортный Ми- 26Т (Россия), ж - сельскохозяйственный Ми-2 (Россия), з – беспилотный сельскохозяйственный R-MAX (Япония). 14 1.4. Основные элементы конструкции вертолета Современный вертолет содержит множество агрегатов и систем, среди которых можно выделить несколько основных: • Несущий винт • Рулевой винт • Каркасные конструкции – фюзеляж, крыло и оперение • Трансмиссия • Система управления • Взлетно-посадочные устройства • Силовая установка • Гидравлическая и пневматическая система • Электрооборудование • Радиоэлектронное оборудование • Спецоборудование Назначение, принципы действия и конструкция перечис- ленных элементов кратко будет описана в дальнейших гла- вах. Исключение составляют электрооборудование, радио- электронное оборудование, спецоборудование и двигатели силовой установки, которые не рассматриваются в данном издании. 15 2. НЕСУЩИЙ ВИНТ 2.1. Принцип работы несущего винта Отличительной особенностью вертолета как летательного аппарата является наличие несущего винта. Несущий винт создает подъемную силу и тягу , необходимую для осуществ- ления горизонтального перемещения вертолета в атмосфере. Кроме того, он позволяет осуществлять продольное и попе- речное 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 воздейст- вием потока не только от окружной, но и от горизонтальной скорости вертолета. Таким образом, в разных точках ометае- мой площади несущего винта имеют место разные воздушные скорости. Для удобства рассмотрения работы лопастей несущего винта при горизонтальном перемещении вертолета использу- ются углы азимута, характеризующие положение лопасти по отношению к продольной оси фюзеляжа. В задней части, оме- таемой винтом площади, принимается азимут Ψ=0, в передней Ψ=π. В поперечном сечении этой площади, в точке, где окруж- ная скорость лопасти складывается со скоростью горизонталь- ного перемещения вертолета, азимут будет Ψ=π/2. В диамет- рально противоположной точке, в которой скорости вычита- ются, Ψ= π 3/2. |