Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
2.2. Основные характеристики несущего винта Геометрические параметры лопастей характеризуются ти- пом профилей сечений лопасти и очертанием лопасти в плане. Профиль лопасти должен обладать большим аэродинамиче- ским качеством, малым изменением положения центра давле- ния при изменении углов установки лопасти, высокими зна- чениями критических углов атаки, обеспечивать способность перехода на режим самовращения (авторотации) в большом диапазоне углов установки. 16 В вертолетостроении используются две формы лопасти в плане – прямоугольная и трапециевидная (рис. 4). Рисунок 4. Формы лопастей в плане. а – прямоугольная, б – трапециевидная. В 40-50 годы широко применялись лопасти трапециевид- ной формы, но на современных вертолётах в основном исполь- зуются прямоугольные формы. Трапециевидные имеют более ровные аэродинамические характеристики по радиусу, но кон- структивно и технологически более удобны прямоугольные лопасти. Такие лопасти в настоящее время снабжаются специ- альными законцовками. Их применение обусловлено стремле- нием уменьшить потери энергии, затрачиваемой на вращение масс воздуха в вихрях. Дело в том, что при обтекании конце- вой части лопасти происходит перетекание воздуха из области повышенного в область пониженного давления, что приводит к возникновению вихревых шнуров от каждой лопасти, кото- рые сворачиваются в два вихревых жгута по краям диска. Кроме того, имеют место потери энергии, происходящие на скачке уплотнения, который возникает при движении крайних сечений лопасти с околозвуковой скоростью. Применение специальных видов законцовок, позволяет снизить потери, возникающие вследствие вышеперечисленных причин (рис 5). В некоторых случаях законцовки могут быть отогнуты в вер- тикальной плоскости. Крутка лопасти - изменение углов установки сечений и формы профиля по радиусу лопасти. Геометрическая крутка предполагает наличие разницы уг- ла установки лопасти в комлевой части и на конце. Это дает более равномерное распределение аэродинамических сил 17 вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери. Обычно ве- личина крутки лежит в пределах 4-7 ° (Ми-2, Ми-6 - 6°, Ми-8 - 5°). Аэродинамическая крутка представляет собой изменение толщины и формы профиля сечения лопасти по радиусу. От- носительная толщина профиля обычно составляет 11-14% в комлевой части и 8-12% в концевой. Рисунок 5. Формы современных законцовок лопастей. а – BERP; б – стреловидная; в – оживальная. Удельная нагрузка на ометаемую винтом площадь. На- грузка на квадратный метр ометаемой площади – это один из наиболее важных параметров, характеризующий летные свойства вертолета. Он определяется по формуле: P=G/F ом , где G – полетный вес вертолета, F ом – ометаемая площадь несущего винта. У современных вертолетов удельная нагрузка составляет 100 ÷ 680 Па (Ми-2 –196Па, Ми-24 –478Па, Ми-26 –680Па). Коэффициент заполнения несущего винта – число, по- казывающее, какая часть площади, ометаемая несущим вин- том, заполнена лопастями (иногда выражается в процентах): σ =F л z/F ом , где F л – площадь лопасти; z – число лопастей. Обычно коэффициент заполнения лежит в пределах 0,04- 0.13 (Ми-2 – 0.053 (5,3%), Ми-24 – 0,106 (10,6%) Ми-26 – 0,128 (12,8%)). Углом установки лопасти называется угол, образован- ный хордой элемента и плоскостью вращения втулки несуще- го винта. 18 В России характерным сечением, по которому оценивают угол установки несущего винта, является относительный ра- диус 0,7. Число лопастей несущего винта зависит от требований предъявляемых к вертолету и лежит в пределах от 2 до 8. 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 вертолетостроите- лям, применившим современные материалы и выпустившим легкие лопасти, приходилось отказываться от них и возвра- щаться к старым технологиям из-за недостаточных характе- ристик летательного аппарата на режимах авторотации. 2.3. Проходные частоты несущего винта Вибрации на борту вертолета являются основным источни- ком усталостных разрушений конструкции и психофизиологи- ческой нагрузки на экипаж. Основную долю колебаний верто- лет получает от несущего винта. Силу, передающуюся с лопасти несущего винта на втулку, на установившемся режиме полета, математически можно представить в виде суммы сил, действующих с различными частотами, кратными угловой скорости несущего винта: Q = Q (0) + Σ Q (i) sin (ωt + ε i ), где Q (i) - амплитуда i - ой составляющей силы ; ε i – началь- ная фаза i - ой составляющей силы. Составляющие силы есть гармоники колебаний, имеющие номера, равные номерам со- ставляющих сил. Гармоники, имеющие номера кратные количеству лопа- стей, называются проходными. Их частота равна: f i =f нв k л m, где k л – количество лопастей, m=0,1,2,…- целый множи- тель. Амплитуда колебаний сил в этом случае равна сумме сил от каждой лопасти. Гармоники с номерами, некратными числу лопастей, на втулке взаимно уравновешиваются, и суммарная сила равна 19 нулю. Эти гармоники называются непроходными. В итоге суммарная сила на втулке Q состоит практически только из гармоник с номерами, кратными числу лопастей. Графическое изображение колебаний для двухлопастного несущего винта показано на рисунке 6. На верхнем рисунке показана непро- ходная гармоника. На нижнем - проходная, на которой виб- роускорения лопастей складываются на втулке. Рисунок 6. Суммирование гармоник силы Q на втулке двухлопастного винта. 2.4. Колебания лопастей Лопасть – очень нагруженный элемент вертолёта. На ло- пасти несущего винта действуют: • аэродинамические силы: подъемная сила в вертикаль- ной плоскости и сила лобового сопротивления в плоскости вращения; • центробежная сила; • инерционные сила; • собственный вес; • кориолисова сила; • крутящий момент; • изгибающий момент. Лопасть, в процессе вращения, совершает изгибные коле- бания как балка, однако дополнительно на неё действует цен- тробежная сила, которая по своему характеру является вос- станавливающей – 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 20 сечении лонжерона возникают большие нормальные напря- жения. В горизонтальном полёте на лопасть действуют перемен- ные аэродинамические силы, вызывающие её колебания. Что касается режима висения, то, с точки зрения вибраций, он яв- ляется «спокойным» режимом - переменные силы носят вто- ростепенный характер. Действие переменных аэродинамических сил является причиной появления в сечениях лонжерона усталостных по- вреждений. 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 вынуж- денных колебаний лопастей. Как известно, любое физическое тело имеет собственные частоты колебаний. Частоты собственных колебаний не зави- сят от частот вынужденных колебаний, а зависят от массы и жесткости конструкции. При увеличении массы собственные частоты снижаются, а при увеличении жёсткости - повыша- ются. Центробежное растягивающее воздействие равносильно увеличению жёсткости тела, что приводит к увеличению соб- ственных частот колебаний лопасти. При совпадении собст- венных и вынужденных частот колебаний наступает резонанс, который приводит к резкому увеличению амплитуды колеба- ний. Для того, чтобы предотвратить наступление резонанса, необходимо определить зависимость собственных частот ко- лебания лопасти от частот вращения несущего винта. Для на- глядного представления этих характеристик строят резонанс- ные диаграммы лопастей (рисунок 7). На них наносят значения собственных частот, в зависимо- сти от частоты вращения винта. Эти кривые на графике отме- чены римскими цифрами I, II, III. С увеличением частоты вра- щения винта, частоты собственных изгибных колебаний воз- растают. 21 На графике также строят прямые, описывающие частоты гармоник вынужденных колебаний (цифры 1,2,3…). Точки пересечения кривых собственных и вынужденных частот по- казывают, при каких значениях наступает резонанс. Точки резонанса при частоте вращения, значительно меньшей, чем эксплуатационная, практического значения не имеют, так как при таких частотах винт работает лишь крат- ковременно – при раскрутке и торможении. Рисунок 7. Резонансные диаграммы лопастей в плоскости наименьшей жёсткости. Наличие же этих точек при эксплуатационной частоте вращения или около неё, будет означать, что соответствую- щая гармоника, будет вызывать большие колебания и напря- жения в лонжероне, даже при малой нагрузке. На приведен- ной диаграмме показана лопасть с малым ресурсом, в ней возможно возникновение резонансных колебаний с собствен- ными частотами 4 и 6 на рабочих режимах. Такая лопасть требует изменений. 22 2. Обеспечение безопасности от возникновения флат- тера. Флаттер– незатухающие колебания лопастей несущего винта, возникающие за счёт энергии воздушного потока и приводящие к быстрому нарастанию амплитуды махового движения. Явление флаттера обусловлено взаимным расположением центра давления аэродинамических сил, центра жесткости и центра масс по хорде сечения лопасти (рисунок 8). Рисунок 8. Характерные точки профиля сечения лопа- сти, определяющие флаттерные характеристики – центр дав- ления, центр жёсткости, центр масс. В установившемся полете, под действием аэродинамиче- ских сил, лопасть деформируется, однако центробежные силы уравновешивают их, и лопасть находится в равновесии (рису- нок 9, положение 0). Если под действием какой-либо причины (действие вертикального порыва ветра и т. д.) подъемная сила лопасти увеличилась, то это вызовет увеличение прогиба ло- пасти на величину у. Тогда концевое сечение займет положе- ние 1. При прекращении действия внешней аэродинамической нагрузки на лопасть будет действовать сила упругости Р у , приложенная в центре жёсткости сечения и направленная к положению равновесия. Силы упругости Р у вызовут возвра- щение лопасти к положению равновесия с ускорением. Так как центр тяжести сечения находится позади центра жестко- сти, возникнут инерционные силы, закручивающие сечение на угол θ (положение 2), что приведет к появлению дополни- тельной аэродинамической силы Р θ . По мере приближения сечения к положению равновесия закрутка лопасти увеличи- вается. В положении 3 лопасть не остановится, а пройдет дальше. Силы Р у , Р ин изменят направление на обратное, и 23 поэтому угол закрутки уменьшается (положение 4). В поло- жении 5 прогиб сечения будет максимальным. Следующий цикл колебаний происходит аналогичным образом. Рисунок 9. Изгибно-крутильньй флаттер. V – скорость набегающего потока, Р и – аэродинамическая сила, возникающая за счет вертикальных колебаний, Р θ – до- полнительная аэродинамическая сила, возникающая за счет закрутки сечения, θ – угол закрутки сечения, Р ин – силы инер- ции, Р у – силы упругости, у – прогиб сечения, ц.т. – центр тя- жести, ц.ж – центр жесткости, Ф — фокус профиля. Кроме того, изменение направления обтекания при верти- кальных колебаниях лопасти будет вызывать изменение подъ- емной силы на величину Р и . Сила Р и всегда направлена в сто- рону, обратную направлению вертикального перемещения, поэтому эта сила является демпфирующей колебания, в то время, как сила Р θ совпадает по знаку с направлением движе- ния и поэтому является возбуждающей. При скорости обтекания, соответствующей критической скорости флаттера, частота и амплитуда колебаний резко воз- растают, что может привести к быстрому разрушению конст- рукции. Критическую скорость флаттера увеличивают сме- щением центра тяжести вперед за счет установки в носке 24 профиля противофлаттерного груза. Смещение фокуса про- филя от передней кромки по хорде так же эффективно, как и смещение центровки лопасти к передней кромке. Практически индифферентная к колебаниям лопасть будет в том случае, если удастся совместить в одной точке фокус, центр тяжести и центр жесткости. Однако на практике это не достижимо. 2.5. Типы лопастей несущего винта Как правило, лопасти подразделяются по видам материа- лов, применяемым для изготовления лонжеронов. Деревянные лопасти. Такие лопасти были широко рас- пространены в вертолетостроении, однако, в настоящее вре- мя, не применяются. Для изготовления лопасти использова- лись специально высушенное дерево, дельта-древесина и фа- нера. Изготавливалось несколько типов деревянных лопастей. Обычно такие лопасти имели стеклопластиковое покрытие. Один из типов, лопасти, состоящей из продольных деревян- ных брусков, представлен на рисунке 10. Рисунок 10. Сечение деревянной лопасти. Лопасти с металлическим прессованным лонжеро- ном. В течении длительного времени такие лопасти применя- лись на вертолетах фирмы Миля, в частности Ми-2, Ми-8, Ми-24. Существует несколько разновидностей таких лопа- стей. Основным силовым элементом лопасти является по- лый прессованный лонжерон D-образного сечения (рисунок 11). Лонжерон выполняется пустотелым, прилегающим к аэродинамическому контуру передней части профиля (ри- 25 сунок 12). Для повышения прочности лонжерон может иметь ребра жесткости. К передней кромке лонжерона приклеива- ется нагревательный элемент противообледенительной сис- темы. Сверху этот элемент закрывается титановой или стальной оковкой, предохраняющей лопасть от эррозион- ных воздействий частиц. В случае очень большой эррозии (например, в песчаной пустыне) оковка может быть покры- та специальным дополнительным протектирующим соста- вом. К задней части лонжерона приклеены отдельные хво- стовые секции. Хвостовые секции включают нервюры, об- шивку и сотовый заполнитель. Образование хвостовой час- ти из отдельных отсеков объясняется следующими сообра- жениями: при изгибе лопасти назад, в плоскости вращения, хвостовая часть лопасти находится в области сжатия, поэто- му хвостовой стрингер нуждается в защите от потери устой- чивости. Между отсеками имеются зазоры, которые обеспе- чивают свободу перемещения их относительно друг друга при изгибе лонжерона. Для предотвращения перетекания воздуха через зазоры между отсеками устанавливаются ре- зиновые вкладыши. Рис 11. Общий вид лопасти в плане. 1 – наконечник лопасти, 2 – комлевой обтекатель, 3 – лонжерон, 4 – противообледенительное устройство, 5 – кон- цевой обтекатель лопасти, 6 – хвостовые отсеки лопасти, 7 – триммеры. На хвостике некоторых отсеков закрепляются тримме- ры – металлические пластины, служащие для устранения 26 несоконусности вращения лопастей несущего винта. Устра- нение несоконусности осуществляется путем отгибания триммера в процессе наземных испытаний, которые прово- дят с датчиками, установленными на каждой лопасти. В канал лонжерона, в переднюю его часть, вклеивают- ся противофлаттерные грузы. В комлевой части лонжерона на болтах крепится узел навески лопасти (рисунок 13). В концевой части, под съемным обтекателем, располагаются балансировочные грузы (рисунок 14). Внутри концевого об- текателя может быть установлена лампа контурного огня. Рисунок 12. Типовой отсек лопасти с прессованным лонжероном D-образного сечения. 1 – противообледенительная система, 2 – сотовый запол- нитель, 3 – нервюра, 4 - хвостовой стрингер, 5 – противовес, 6 – лонжерон, 7 – межотсечный вкладыш, 8–обшивка, 9 – оковка, 10 – электропровода противообледенительной систе- мы. 27 Рисунок 13. Комлевая часть лонжерона. 1 – лонжерон, 2 – хвостовая часть обтекателя, 3 – сигна- лизатор давления. Рисунок 14. Концевая часть лопасти. 1 – противовес, 2 – пластины балансировочного груза, 3 – съемная часть законцовки, 4 – защитная накладка, 5 – лампа контурного огня. 28 С целью своевременного обнаружения сквозной трещи- ны лонжерона его внутренняя полость загерметизирована заглушками, установленными по концам лонжерона. В нем создается избыточное давление и устанавливается сигнали- затор, который фиксирует разгерметизацию при появлении трещины. Воздух, попадая в сигнализатор через специальные отверстия в корпусе, сжимает чувствительный элемент и втя- гивает индикатор с красной боковой поверхностью внутрь корпуса. В случае появления на лонжероне трещин или дру- гих повреждений давление воздуха в нем и в корпусе сигна- лизатора падает, чувствительный элемент разжимается и вы- талкивает индикатор с красной боковой поверхностью за ли- нию визуального обзора, что свидетельствует о повреждении лонжерона или нарушении его герметизации. Распростране- ние усталостной трещины в лонжероне лопасти происходит медленно. Время возникновения опасного разрушения лон- жерона превышает обычную продолжительность полёта вер- толёта, поэтому сигнализатор давления воздуха в кабине лёт- чика 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 верто- лета, является отсутствие комлевого наконечника. Весь лон- жерон, 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. В носовую часть, изготовленную по форме профиля лопасти (рисунок 15), входят стальной трубчатый лонжерон 1, пено- пластовый заполнитель 2 и пакет противообледенительной системы 6. Лонжерон воспринимает все нагрузки от носовой части и хвостовых отсеков лопасти с помощью специальных стеклопластиковых компенсаторов 4. Труба лонжерона обли- цована по наружному диаметру слоем стеклопластика для обеспечения прочного соединения лонжерона с каркасом, за- щиты его от коррозии и для образования каналов системы 29 сигнализации о повреждении лонжерона 5. Компенсаторы связывают композиционную обшивку 3 лопасти с лонже- роном. Хвостовой отсек, в целом, аналогичен отсеку лопасти с прессованным лонжероном, включает в себя композиционную обшивку, нервюры, хвостовой стрингер, закрылок и сотовый заполнитель. |