Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
Многолонжеронные металлические лопасти. Этот тип лопастей был разработан специально для боевых лета- тельных аппаратов. Пример сечения пятилонжеронной ло- пасти показан на рисунке 16. Пять стальных лонжеронов двутаврового сечения последовательно приклеиваются друг к другу. В местах склейки полок лонжеронов прокла- дываются слои стеклоткани, препятствующие распростра- нению трещин с одного силового элемента на другой. Рисунок 15. Носовая часть лопасти со стальным трубчатым лонжероном. 1 –лонжерон, 2 - заполнитель, 3 – обшивка, 4 – компенсатор, 5 – канал системы обнаружения трещин, 6 – провода, 7 – оковка, 8 – нагревательная накладка. Имея запас прочности, лопасть, может выполнять не- сущие функции даже после разрушения одного или не- скольких лонжеронов, что является весьма важным для вертолета, участвующего в боевых операциях. Многократ- ное дублирование лонжеронов позволяет также отказаться 30 от системы предупреждения появления трещин. Лопасти имеют большой ресурс, но весьма сложны в производстве. Рисунок 16. Сечение многолонжеронной лопасти несу- щего винта. 1 – лонжероны, 2 – слои стеклоткани, 3 – сотовый за- полнитель. Композиционные лопасти. Композиционные лопасти, на сегодняшний день, являются самыми распространенными в мире. В России их применяют на вертолетах Ми-28, Ми-34, Ка-50 и др. Конструкции композиционных лопастей весьма многообразны. Сечения некоторых из них представлены на рисунке 17. Достаточно простые лопасти подразумевают использование С–образного лонжерона и пористого (рисунок 17а) или сотово- го (рисунок 17б) заполнителя. Более сложные лопасти имеют многозамкнутый лонжерон и приклеенную хвостовой отсек. Пример сечения такого лонжерона показан на рисунке 17в, г, д. Промежуточные стенки, установленные в канале мно- гозамкнутого лонжерона, увеличивают жесткость пустоте- лой лопасти. Такие лонжероны обладают высокой живуче- стью, так как при разрушении лонжерона в районе одной из полостей другие могут сохранять несущую способность. Хво- стовой отсек лопасти, в настоящее время, чаще делается не- разрезным, что значительно упрощает конструкцию. В качестве материалов изготовления лонжеронов и лопа- стей используются угле, стекло, органопластики или их ком- бинации. 31 Рисунок 17. Сечение композиционных лопастей несущего винта. а – вертолета ЕС145, б – ЕС332 МК2, в – Ка-50, г - ЕС225, д - NH90. 1 – стеклопластиковый лонжерон, 2 – пористый заполни- тель, 3 – углепластиковое покрытие, 4 – сотовый заполнитель. 2.6. Втулки несущих винтов Втулка несущего винта вертолета осуществляет передачу крутящего момента от главного редуктора к лопастям несуще- го винта, при этом выполняя ряд других функций. По способу крепления лопасти к валу, вращающему винт, несущие винты, можно подразделить на несколько типов. Несущие винты с трехшарнирной подвеской лопастей (ри- сунок 18а) и втулкой с универсальным эластомерным под- шипником (рисунок 18д) применяются на вертолетах разных 32 классов. Винт с общим горизонтальным шарниром (рисунок 18б) весьма распространен на сверхлегких и легких вертоле- тах. В некоторых случаях применяются винты на кардане (ри- сунок 18в) и с жестким креплением лопастей (рисунок 18г). Втулки несущего винта с трехшарнирным креплением лопастей широко применялись в вертолетостроении. В на- стоящее время их использование сокращается, и на новых ап- паратах они, практически, не встречаются. В России такие втулки использовались на вертолетах Ми-2, Ми-24, Ми-26 и др. Втулка имеет разнесенные горизонтальные (ГШ), верти- кальные (ВШ) и осевые (ОШ) шарниры (рисунок 19). Подоб- ное соединение лопасти дает ей возможность колебаться в не- скольких плоскостях. Рисунок 18. Типы несущих винтов. а – с трехшарнирной подвеской лопастей; б – с общим го- ризонтальным шарниром; в – на кардане; г – с жестким креп- лением лопастей; д- с эластомерным подшипником. 1 – горизонтальный шарнир (ГШ), 2 – вертикальный шар- нир (ВШ), 3 – осевой шарнир (ОШ), 4 – общий горизонталь- ный шарнир, 5 – кардан, 6 – эластомерный подшипник, 7- тор- сион. Горизонтальные шарниры обеспечивают маховое движе- ние (колебания в вертикальной плоскости) под действием пе- 33 ременных по азимуту аэродинамических сил. Вертикальные шарниры позволяют лопастям совершать колебания в плоско- сти вращения. Эти колебания происходят под действием пере- менных сил лобового сопротивления и сил Кориолиса. Коле- бания лопастей относительно вертикального шарнира гасятся гидравлическими демпферами. Обычно демпферы соединяют подвижную и неподвижную часть лопасти. Благодаря шарнирному креплению лопастей с корпусом втулки, значительно снижаются переменные напряжения в элементах несущего винта. Осевые шарниры втулки предназначены для изменения уг- лов установки лопастей. Для уменьшения угла установки ло- пасти при взмахе вверх и увеличения угла установки при дви- жении ее вниз подбирают угол σ 1 , образованный осью ГШ и отрезком, соединяющим центр ГШ с концом поводка рычага поворота лопасти. Рисунок 19. Схема втулки с разнесёнными ГШ. 1- ось вала, 2- ГШ, 3- ВШ, 4-ОШ, 5- гидродемпфер, 6- по- водок лопасти. 34 В некоторых случаях демпферы соединяют между собой подвижные части разных лопастей (рисунок 20), что упрощает конструкцию и облегчает вес несущей системы. Рисунок 20. Схема карусельной установки демпфера. 1-лопасть, 2-демпфер, 3-ВШ. Втулки с эластомерными подшипниками являются са- мыми распространенными. Одна из разновидностей универ- сальной эластомерной шарнирной втулки представлена на ри- сунке 21. Рисунок 21. Схема эластомерного шарнира втулки несуще- го винта. 1 - слой металла, 2 - слой резины, 3 - металлический стержень, соединяющийся с лопастью. 35 Принцип действия эластомерного подшипника основан на использовании свойств резины: подвергаться значительным деформациям при растяжении, сжатии и кручении. Эластомерные подшипники представляют собой съемные блоки, состоящие из слоев резины и металла. Они не требуют смазки, уменьшают количество деталей втулки несущего вин- та, упрощают эксплуатацию и снижают стоимость. В связи с тем, что резина в подшипнике подвергается термомеханиче- скому воздействию, она быстро стареет. Вследствие этого эла- стомерные подшипники обычно подлежат замене каждые 4 года. Втулки с общим ГШ применяются на двухлопастных вин- тах. Лопасти жестко соединяются между собой. Подвеска на шарнире позволяет исключить влияние асимметрии обтекания. Центробежные силы лопастей замыкаются на корпусе втулки и не нагружают подшипники, образующие ось ГШ. Для разгрузки комля лопасти от изгибающего момента имеют не- большой конструктивный угол конусности а 0 =2…6 ° . К досто- инствам втулок с общим ГШ следует отнести: простоту конст- рукции втулки, малую массу. Недостатками таких винтов яв- ляются большие изгибающие моменты в комле лопасти и большой уровень вибрации на втулке двухлопастного винта, вызываемый второй гармоникой аэродинамических сил. Такая конструкция широко используется на легких и сверхлегких вертолетах для несущих и двухлопастных рулевых винтов. Втулки на кардане также имеют жесткое крепление лопа- стей между собой. Втулка крепится к валу с помощью универ- сального шарнира (кардана). Горизонтальные шарниры заме- нены карданами. Центробежные силы лопастей замыкаются на корпусе втулки и не нагружают подшипники, образующие ось кардана. ОШ нагружены сильнее, чем у винтов с шарнирным креплением лопастей. Центр кардана для облегчения управле- ния выносят наверх. Такая конструкция широко используется на втулках рулевых винтов. Втулки с жестким креплением лопастей имеет простую конструкцию, однаков лопастях и валах создаются большие 36 изгибающие моменты, что приводит к утяжелению конструк- ции. Существуют также втулки несущих винтов, рукава кото- рых выполнены из упругих материалов, что позволяет лопа- стям совершать маховое движение в плоскостях тяги и враще- ние за счет упругости конструкционного материала. Это час- тично разгружает комлевую часть лопасти от изгибающих мо- ментов. 2.7. Конструкция втулок несущих винтов За последние годы конструкция втулок несущего винта претерпела существенные изменения в сторону упрощения. Наиболее сложной является конструкция трехшарнирной втулки (рисунок 22). Ее корпус 1 обычно изготавливается из стали или титанового сплава. Он закреплен на валу главного редуктора посредством шлиц и центрируется верхним 2 и ниж- ним 17 конусами. Верхнее конусное кольцо состоит из двух половин, а нижнее - разрезное. Сверху корпус закрепляется на валу гайкой. Середины проушин корпуса смещены от оси вращения несущего винта, что позволяет равномерно нагру- жать подшипники ГШ и ВШ. Проушины корпуса вместе со скобой 5 образуют корпус ГШ. На пальце ГШ 4 установлены внутренние кольца 3 игольчатых подшипников. Наружные кольца находятся в проушинах корпуса. Между кольцами ус- тановлены две шайбы, выполняющие роль упорных подшип- ников скольжения. Они воспринимают осевые усилия, возни- кающие при колебаниях лопасти относительно ВШ. Между шайбами и внутренними кольцами имеется упорное кольцо. В качестве уплотнения ГШ используются резиновые армирован- ные манжеты. К проушине пальца ГШ крепится шток демпфе- ра ВШ. Для ограничения колебаний лопасти относительно ГШ на втулке имеются упоры. Верхние ограничители необходимы для предотвращения полного закидывания лопастей вверх при сильном ветре. Нижний ограничитель может изменять свое положение в зависимости от частоты вращения. Это вызвано тем, что допустимый угол свеса лопасти при неработающем 37 Рисунок 22. Конструкция втулки несущего винта. 1 - корпус втулки, 2 - верхний конус, 3 – внутреннее кольцо игольчатых подшипников, 4 – палец ГШ, 5- скоба, 6 – противо- вес, 7- цапфа ОШ, 8, 11- шариковый радиальный подшипник, 9 – двухрядный роликовый подшипник, 10 – корпус ОШ, 12 – пру- жина, 13, 15 – пальцы, 14 – тяга, 16– собачка, 17 – нижний ко- нус, 18 – рычаг поворота лопасти, 19 – валик рычага поворота лопасти, 20 – подшипник. винте гораздо меньше, чем потребный угол маха лопасти вниз в полете. Поэтому на скобе имеются постоянные упоры и цен- тробежный ограничитель свеса. Осевой шарнир образован со- единением цапфы 7 и корпуса 10 ОШ. К цапфе крепится кронштейн, расположенный на цилиндре гидродемпфера. На хвостовике цапфы установлены подшипники ОШ: два шари- ковых радиальных 8, 11, которые воспринимают усилия от из- гибающих моментов, действующих на лопасть, и упорный двухрядный роликовый 9, воспринимающий центробежную 38 силу лопасти. Гнезда сепаратора роликового подшипника раз- вернуты под углом 50' к радиальному направлению. При таком расположении гнезд сепаратор не только колеблется, но и не- прерывно вращается в одном направлении. В связи с этим ро- лики постоянно мигрируют и дорожки колец подшипника полностью участвуют в работе. В результате увеличиваются срок службы подшипников и ресурс ОШ. Корпус ОШ выпол- нен в виде стакана с проушинами для крепления лопасти. Ско- ба и цапфа образуют корпус ВШ, который конструктивно вы- полнен аналогично ГШ. Рычаг поворота 18 лопасти крепится болтами к корпусу ОШ. В цилиндрической полости на конце рычага на двухрядном радиально-упорном шарикоподшипнике и радиальном роликовом подшипнике установлен валик 19. В проушине валика на двух шарикоподшипниках 20 установлен палец, соединяющий рычаг поворота лопасти с тягой автомата перекоса. Центробежный ограничитель (рисунок 23) смонтирован на нижней поверхности вертикального ограничителя 1 с помощью кронштейна 4 и сухаря 2. На кронштейн 4 на двух шариковых подшипниках установлен подвижный кронштейн 5. К нему кре- пится центробежный упор свеса 9 и две пластины 6, к которым крепится груз 7, состоящий из набора стальных шайб. Пружина 8 одним концом закреплена на кронштейне 4, а другим — за болт крепления груза 7. На малых частотах вращения несущих винтов зуб центробежного упора свеса 9 под действием пружи- ны 8 находится, в зазоре между упорами корпуса втулки 10 и вертикального ограничителя 1, уменьшая, таким образом, свес лопасти. Контактная поверхность упора 9 плотно прилегает к соот- ветствующим поверхностям на корпусе 10 и вертикальном огра- ничителе 1. Подшипники ограничителя свеса посажены в корпус кронштейна 4 на резиновых втулках амортизаторах, что разгру- жает их от больших нагрузок. При увеличении частоты вращения несущего винта грузы 7 под действием центробежной силы начинают преодолевать сопротивление пружины 8 и выводить зуб упора свеса 9 из за- 39 зора между упорами на корпусе 10 и вертикальном ограничи- теле 1. Рисунок 23. Центробежный ограничитель свеса. 1 - вертикальный ограничитель, 2 - сухарь, 3 - болт, 4 - кронштейн, 5 - подвижный кронштейн, 6 - стальные пластины, 7 - груз, 8- пружина, 9 - упор свеса, 10 - корпус втулки. При уменьшении частоты вращения несущего винта уменьшается центробежная сила груза 7 и упор 9 под действи- ем пружины 8 возвращается в исходное положение. Таким об- разом, на рабочих частотах вращения несущего винта упор свеса 9 не препятствует маховому движению лопасти. В конструкции втулок часто удается узлы навески лопа- сти совместить с вертикальным шарниром (рисунок 24). В этом случае лопасти непосредственно соединяются с демпфе- ром вертикального шарнира. Конструкция при этом упрощает- ся. Если же соединение с демпфером делается легкоразъем- ным, то лопасти, поворачиваясь относительно ВШ, могут быть сложены вручную вдоль хвостовой балки. В настоящее время часто применяются осевые шарниры с торсионом (рисунок 25). Обычно торсион представляет собой набор металлических пластин, которые выдерживают растяги- 40 вающие усилия, действующие на лопасть, но при этом позво- ляют ей совершать осевое вращение за счет деформации. Демпфер ВШ (рисунок 26) предназначен для гашения колебаний лопасти в горизонтальной плоскости. При переме- щении цилиндра относительно поршня жидкость по каналам перетекает из полости высокого давления в полость низкого давления. При таком перетекании происходят диссипативные процессы, переводящие к превращению части механической энергии колебаний в тепловую. Каналы имеют предохрани- тельные клапаны. При достижении очень высокого давления вследствие интенсивных перемещений клапаны в поршне от- крываются, и усилие демпфирования резко падает. Рисунок 24. Крепление лопасти, совмещенное с ОШ. 1 – демпфер ВШ, 2 – лопасть, 3 – корпус ОШ, 4 – корпус втулки, 5 – ось ВШ, 6 – ось ГШ 41 Рисунок 25. Схема осевого шарнира с торсионом. 1 – проушина вертикального шарнира, 2 – вкладыш, 3 – цапфа, 4 – корпус осевого шарнира, 5 – торсион, 6 - лопасть. Рисунок 26. Схема гидравлического демпфера ВШ. 1 – корпус цилиндра, 2 – компенсационный клапан, 3 – подвод жидкости из компенсационного бачка, 4 – шток с поршнем, 5 – перепускной клапан. Во втулках с эластомерными подшипниками шарнирами служат упругие элементы, которые позволяют лопасти совер- шать маховое движение в плоскости тяги и перемещаться в плоскости вращения. В некоторых случаях один эластомерный радиально-упорный сферический подшипник позволяет заме- нить несколько шарниров втулки несущего винта. Пример шарнирной части втулки с эластомерным подшип- ником показан на рисунке 27. Корпус втулки изготовлен из титанового сплава. Эластомерные подшипники закреплены на трубчатом стержне 1, на котором расположен узел крепления лопасти 2, кронштейн 3 крепления демпфера и рычаг поворота 42 лопасти 8. Трубчатый стержень проходит внутри сферическо- го подшипника и передает центробежную силу лопасти через узел 6 на цилиндрический эластомерный подшипник 7, кото- рый работает на сжатие. Еще одним типом простых втулок является втулка с упру- гим торсионом, представляющим собой пакет упругих пла- стин, заменяющих ГШ и ВШ (рисунок 28). Пакеты торсион- ных пластин попарно соединяют противолежащие лопасти и позволяют совершать маховое движение в плоскости тяги и поворачиваться относительно своей продольной оси. Пластины торсиона растянуты центробежной силой. Они изгибаются при колебаниях лопасти в плоскости взмаха. При изменении угла установки происходит закрутка обеих ветвей торсиона. Для таких втулок главная проблема - это обеспече- ние достаточного ресурса. Рисунок 27. Рукав втулки вертолёта с эластомерными под- шипниками. 1 – трубчатый стержень, 2 – узел крепления лопасти, 3 – кронштейн крепления демпфера, 4- сферический эластомер- ный подшипник, 5 – радиальный самосмазывающийся под- шипник, 6 – узел крепления стержня к цилиндрическому эла- стомерному подшипнику, 7 - цилиндрический эластомерный подшипник, 8 – рычаг поворота лопасти. 43 Рисунок 28. Членение втулки несущего винта с торсионом. 1 – нижняя направляющая опора, 2 – опорная стойка, 3 – ВШ; 4 – приводной вал несущего винта, 5 – верхний фланец приводного вала, 6 – корпус втулки, 7 – верхний пакет торси- онных пластин, 8 – нижний пакет торсионных пластин. Кроме упрощения конструкций, направлением развития современных втулок является замена стальных и титановых деталей композиционными. Например, массивные рукава втулки вертолета ЕН101 средней весовой категории, содержат несколько сот слоев различных композиционных материалов. Таким образом, несущая система современных вертолетов, как лопасти, так и втулки, может практически не иметь ме- таллических деталей. В некоторых случаях втулка совмещается с виброгасящим устройством. В СССР был разработан виброгаситель, исполь- зующий бифилярные маятники. Он крепится на втулку верто- лета и существенно снижает величину вибрационных колеба- ний на борту на проходной частоте (рисунок 29). Вес вибро- гасителя составляет около 0,8% от нормального взлетного веса вертолета, при этом маятники составляют около полови- ны веса агрегата. 44 Рисунок 29. Вертикальное виброускорение вертолета Ми-8 с виброгасителем (2) и без него (1). 45 3. РУЛЕВЫЕ ВИНТЫ 3.1. Типы рулевых винтов Рулевой винт – это агрегат, который используется на од- новинтовых вертолетах и находится на максимальном удале- нии от несущего винта. Обычно ось вращения рулевого винта лежит в плоскости вращения несущего винта. Однако, на вер- толетах небольшой взлетной массы рулевой винт часто рас- полагают ниже этой плоскости, что негативно сказывается на поперечной балансировке. Рулевой винт компенсирует реактивный момент несу- щего винта и позволяет осуществлять поворот в горизонталь- ной плоскости. Он состоит из лопастей и втулки (рисунок 30). В прямолинейном полёте направление тяги перпендику- лярно направлению полёта. Лопасти рулевого винта на ре- жиме горизонтального полёта, так же как и лопасти несущего винта, работают в несимметричном потоке. Для уменьшения момента, действующего на вал хвостового редуктора, и уменьшения переменных напряжений обычно применяют шарнирное крепление лопастей. При изменении шага лопасть поворачивается в осевом шарнире. Поворот осуществляется при помощи поступатель- ного движения поводка изменения шага, соединенного с ры- чагами поворота лопастей. В последнее время все чаще стали применяться рулевые винты типа фенестрон. Он представляет собой многолопаст- ный винт, размещенный в кольцевом канале киля, что позво- ляет исключить концевое перетекание. Каждая лопасть при- креплена с помощью осевого шарнира. Профиль киля имеет определенную кривизну и угол установки, чем достигается разгрузка фенестрона в горизонтальном полете. Однако по- требляемая мощность на режиме висения увеличивается до 20-25% мощности двигателя. Еще одним устройством, которое на некоторых вертоле- тах заменило рулевой винт, является так называемый NOTAR – система щелевого выдува. Выдувая воздух вниз с одной стороны хвостовой балки она разгоняет прилегающий поток. 46 Вследствие образования разности скоростей справа и слева от хвостовой балки появляется разность давления, которая стре- мится развернуть вертолет в сторону противоположную реак- тивному моменту несущего винта. Путевое управление при этом осуществляется реактивной струей сжатого воздуха, выдуваемого через сопла на конце хвостовой балки. Классические рулевые винты за последние годы претер- пели ряд изменений. Как и несущие, они получили скорост- ные законцовки, повышающие эффективность и снижающие шум. Кроме того, появились Х-образные рулевые винты (ри- сунок 31). Они образованы двумя двухлопастными винтами, лопасти которых установлены под углами 45 0 и 135 0 друг к другу. Такая схема позволяет исключить вредное влияние вихревых шнуров первого винта на второй, так как лопасть, которая расположена дальше, идёт первой и вихрь уносится потоком. Данная конструкция позволяет повысить коэффи- циент полезного действия винта и снизить уровень шума. Рисунок 30. Классический рулевой винт (а) и фенес- трон (б). 47 Рисунок 31. Х-образный рулевой винт вертолета АН-64. Еще одной особенностью рулевых винтов, которая нашла некоторое применение в вертолетостроении, является наклон оси рулевого винта (рисунок 32). В этом случае ось винта на- клоняют таким образом, чтобы он создавал тягу не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной, причем вер- тикальная составляющая была сонаправлена с тягой несущего винта. Это позволяет несколько поднять полезную нагруз- ку Рисунок 32. Горизонтальная и наклонная ось рулевого винта на вертолете. 48 или компенсировать чрезмерную заднюю центровку, образо- вавшуюся при модернизации вертолета. Например, наклон рулевого винта позволил компенсировать образовавшийся дисбаланс при установке, позади главного редуктора, третье- го двигателя на двухдвигательный вертолет СН53. Однако, наклон тяги приводит не только к положительным эффектам. Он вызывает изменение угла тангажа при выполнении пово- ротов и необходимости дополнительно компенсировать это органами управления. |