Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
3.2. Конструкция лопастей рулевых винтов В отличие от несущего, лопасти рулевого винта обычно не имеют крутки и имеют симметричный профиль, так как тяга рулевого винта может быть направлена в разные стороны. Удлинение его лопастей в 2–3 раза меньше, а относительная масса или инерционность в 1,5–2 раза больше, чем у лопастей несущего винта. Существуют металлические, композиционные и комбини- рованные лопасти. Металлические лопасти с прессованным лонжероном по конструкции похожи на лопасти несущего винта. Их основной силовой элемент это лонжерон, изготов- ленный из прессованного алюминиевого профиля (рисунок 33). К задней стенке лонжерона приклеена хвостовая часть, которая состоит из сотового заполнителя 5 и стеклопластико- вой обшивки 6. На комлевой части лонжерона закреплен стальной наконечник, к которому прикреплен кронштейн 2. В концевой части лонжерона закреплены пластины 9 баланси- ровочного груза. В хвостовой части лопасти установлена кон- цевая нервюра 7, к которой винтами крепится концевой обте- катель 8. На носовых частях лопастей хвостового винта устанавли- ваются противообледенительные нагревательные элементы, вклеенные между слоями стеклоткани. Однако, многие вер- толеты не оборудуются противообледенительной системой. 49 Для защиты носовых частей лопасти от абразивных воздейст- вий на них наклеивается резина и оковка. Рисунок 33. Лопасть рулевого винта. 1 – наконечник, 2 – кронштейн, 3 – болт, 4 – лонжерон, 5– сотовый блок, 6 – обшивка, 7 – концевая нервюра, 8 – конце- вой обтекатель, 9 – пластины балансировочного груза. Композиционные лопасти рулевых винтов в целом анало- гичны вышеописанным. Они находят более широкое приме- нение в настоящее время. Лонжерон таких лопастей изготав- ливается методом выкладки из угле или стеклопластика, а в хвостовом отсеке обычно устанавливается пористый заполни- тель. Большей простотой отличаются лопасти рулевого винта сверхлегких вертолетов. Одной из самых распространенных является конструкция с трубчатым лонжероном (рисунок 34а). На стальной трубчатый лонжерон при помощи заклепок крепится профилированная оболочка без внутреннего запол- нителя. Оболочка может быть выполнена как из композици- онных материалов, так и из дюралюминия. Лопасть при этом является пустотелой и даже не имеет концевых заглушек. Имея небольшой ресурс, но очень простую и дешевую конст- 50 рукцию, она применяется на многих вертолетах малой весо- вой категории. Иную конструкцию имеет лопасть, изготовленная из цело- го куска алюминиевого сплава (рисунок 34 б).Такая лопасть более сложна в изготовлении и не получила широкого рас- пространения. Рисунок 34. Лопасти рулевого винта, применяемые на сверхлегких вертолётах. а – лопасть с трубчатым лонжероном, б – цельная дюрале- вая лопасть. 1 – трубчатый лонжерон, 2 – противофлаттерный груз, 3 – заклепочный шов, 4 – обшивка. 51 4. КАРКАСНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 4.1. Описание каркасных конструкций вертолетов Силовую основу вертолета составляет его каркас. К кар- касным элементам можно отнести фюзеляж, хвостовую балку, крыло (если оно имеется), горизонтальное оперение (стабили- затор), вертикальное оперение (киль) (рисунок 35). Рисунок 35. Каркасные элементы вертолета. 1 – носовая часть фюзеляжа, 2 – центральная часть фюзе- ляжа, 3 – хвостовая балка, 4 – стабилизатор, 5 – киль, 6 – ка- поты двигателя. Фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудования, топлива и т. д. К нему крепятся агрега- ты вертолета: несущий винт, шасси, подредукторные рамы, узлы крепления двигателя, рулевой винт, крыло, оперение и т. д. Форма фюзеляжа определяется конструктивной схемой, аэродинамической компоновкой, назначением и условиями эксплуатации вертолета. 52 Фюзеляж должен обеспечивать возможность максималь- ного использования его внутренних объемов, создание необ- ходимых условий для работы экипажа и комфорта пассажи- ров, удобство погрузки и разгрузки, наличие люков для обес- печения доступа к различным агрегатам и системам вертоле- та, а также аварийных выходов для пассажиров и экипажа. У вертолетов-амфибий нижняя часть может быть выполнена в виде лодки. Фюзеляжи одновинтовых вертолетов обычно имеют длинную хвостовую балку, на которой крепится хво- стовой редуктор с винтом. Для уменьшения лобового сопротивления в горизонталь- ном полете ось вала несущего винта, как правило, выполняют наклоненой вперед от вертикальной оси вертолета на угол 3...6°, в результате чего фюзеляж на крейсерской скорости полета располагается почти под нулевым углом атаки. Кроме того, фюзеляж некоторых одновинтовых вертолетов скомпо- нован так, что ось вала несущего винта отклонена от вертика- ли вбок на угол 2—3°. Благодаря этому уменьшается потреб- ное для балансировки накренение вертолета на висении и ма- лых скоростях полета, а также обеспечивается вертикальный взлет с одновременным отрывом от земли основных стоек шасси и приземление на обе основные стойки. Элементы конструкции, служащие для восприятия сил и моментов, образуют основную силовую схему фюзеляжа. В общем случае она включает в себя продольный и поперечный набор силовых элементов и обшивку. Крыло не обязательно для полета вертолета, хотя несколь- ко увеличивает дальность крейсерского полета, но на режи- мах висения, вертикальных перемещений и малых скоростей горизонтального полета оно уменьшает весовую отдачу ма- шины. Крыло на современных вертолетах используют для подвески различного оборудования (вооружения, грузов и т. д.). Кроме того, крыло несколько улучшает балансировку и устойчивость вертолета, а при соответствующих размерах может быть использовано для размещения в нем топливных баков и убирающегося в полете шасси. На винтокрылых лета- 53 тельных аппаратах поперечной схемы оно осуществляет кре- пление несущих винтов. Оперение предназначено для обеспечения устойчивости, управляемости и балансировки вертолета. Стабилизатор слу- жит для улучшения характеристик продольной балансировки и устойчивости вертолета. Применяют неуправляемый и управляемый стабилизатор. Стабилизатор устанавливают на конце хвостовой балки для максимально возможного увели- чения расстояния до центра масс воздушного судна, а также уменьшения вредного индуктивного воздействия несущего винта. На одновинтовых вертолетах с длинной хвостовой бал- кой площадь стабилизатора значительно меньше, чем на со- осных. Компоновка соосного аппарата, как правило, не по- зволяет осуществить достаточный вынос стабилизатора, по- этому увеличивают его площадь для обеспечения приемлемой продольной устойчивости. Киль на одновинтовом вертолете, так же как и крыло, не обязателен для полета, а на взлетно-посадочных режимах он, как и крыло, ухудшает летные данные. Однако, при наличии концевой балки, целесообразно превратить ее в киль, благо- даря чему достигается частичная разгрузка рулевого винта на больших скоростях полета и повышение путевой устойчиво- сти вертолета. Кроме того, в киле может размещается «фенес- трон». Как правило, киль имеет толстый несимметричный профиль, трапециевидную форму в плане (при виде сбоку), расположен под углом 30—60° к продольной оси хвостовой балки и повернут влево относительно вертикальной плоско- сти симметрии фюзеляжа на угол 5—7°. На режиме горизон- тального полета киль создает боковую аэродинамическую силу, направленную в сторону силы тяги рулевого винта. На соосных вертолетах, как правило, устанавливают мощ- ное вертикальное оперение с рулями поворота, которые спо- собствуют улучшению путевой управляемости вертолета на режимах горизонтального полета. Это необходимо вследствие малого удаления килей от центра масс аппарата. 54 4.2. Конструктивно-силовые схемы фюзеляжа Для изготовления фюзеляжей вертолетов используют две конструктивные схемы – ферменную и балочную. Ферменные фюзеляжи обычно применяются на вертолетах сверхлегкого и легкого классов со взлетной массой до 1,5 тонн. На остальных аппаратах, как правило, используются фюзеляжи балочной конструкции. В балочной конструкции максимально исполь- зуется внутренний объем фюзеляжа, однако вырезы в обшив- ке требуют местного усиления, что приводит к увеличению массы. Ферменная конструкция. Фюзеляж ферменной конст- рукции представляет собой пространственную ферму, состав- ленную из скрепленных стержней. Пример хвостовой балки ферменной конструкции показан на рисунок 36. Все виды на- грузок (изгибающие и крутящие моменты, перерезывающие силы) воспринимаются за счет деформации статически неоп- ределимой фермы. Основными силовыми элементами явля- ются пояса, пространственная система стоек и подкосов. Вы- резы в обшивке не требуют значительных усилений, так как она не включается в силовую схему фюзеляжа. Наличие стержней в ферменной конструкции затрудняет использова- ние внутреннего объема, размещение, монтаж и демонтаж агрегатов и оборудования. Устранение резонансных колеба- ний многочисленных стержней является сложной задачей. Рисунок 36. Хвостовая балка ферменной конструкции. 55 В вертолетостроении используются полностью сварные неразборные и разборные фермы. В разборных - стержни имеют болтовое соединение, встречаются комбинации этих двух типов. Технологические процессы термообработки фер- мы после сварки связаны со значительными трудностями, од- нако разборные конструкции имеют больший вес и ряд про- блем с резонансами. Балочная конструкция. Балочные каркасные конструк- ции можно подразделить на лонжеронные и моноблочные. В лонжеронных конструкциях изгибающий момент вос- принимается преимущественно продольными элементами — лонжеронами, а обшивка воспринимает местные нагрузки, перерезывающую силу и крутящий момент. Такой вид рас- пределения нагрузок чаще применяется в структуре крыла и стабилизатора, однако его можно встретить и в фюзеляжных конструкциях. Так, транспортные вертолеты небольших масс для загрузки используют боковые проемы, которые образуют вырезы почти во всю высоту фюзеляжа. В таких случаях час- то наборы из четырех лонжеронов, расположенных в углах фюзеляжа, образуют силовой каркас центральной части. Моноблочная конструкция подразумевает, что обшивка вместе с элементами каркаса включена в работу общей сило- вой схемы фюзеляжа. Разновидностью моноблочной конст- руктивно-силовой схемы является монокок. Монокок из од- нородного материала предусматривает наличие лишь двух элементов: обшивки и шпангоутов. Все силы и моменты вос- принимает обшивка. Шпангоуты подкрепляют обшивку. По такой схеме выполнялись элементы каркасов вертолетов, на- пример, хвостовые балки на заре вертолетостроения. Однако развитие композиционных материалов, технологии изготов- ления трехслойных панелей и методов их соединений привело к тому, что монокок вновь начал находить применение в вер- толетостроении. Можно предположить, что в ближайшие го- ды эта схема будет применяться все чаще, так как она обеспе- чивает максимальную весовую отдачу и высокую надежность. Комбинацией описанных силовых схем является полумо- нокок, состоящий из тонкой обшивки, подкрепленной стрин- 56 герами и шпангоутами (рисунок 37). В конструкциях этой схемы стрингеры подкрепляют обшивку, повышая ее крити- ческие напряжения сжатия и сдвига, работают на нормальные напряжения от изгибающего момента и сжимающих (растяги- вающих) сил. Рисунок 37. Хвостовая балка полумонококовой конструк- ции (без обшивки и с обшивкой). Обшивка создает форму и плавность обводов корпуса, она работает на нормальные и касательные напряжения от изгиба, сжатия (растяжения) и кручения. Усиленные стрингеры ино- гда называют бимсами, они устанавливаются по продольным границам вырезов для компенсации местного ослабления конструкции. Шпангоуты обеспечивают требуемую форму корпуса в поперечных сечениях. Шпангоуты увеличивают критические напряжения в стрингерах и обшивке, являясь для них опора- 57 ми. Они работают под действием местных воздушных нагру- зок и избыточного давления в герметических отсеках. Кроме того, существуют усиленные шпангоуты, которые передают сосредоточенные силы от прикрепленных к ним частей летательного аппарата и агрегатов обшивке. Такие шпангоуты также устанавливаются на границах больших вы- резов, в разъемах, в местах резких переломов оболочки, на- груженной избыточным давлением. 4.3. Особенности конструкции элементов фюзеляжа Различные части фюзеляжа имеют целый ряд особенно- стей, которые оказывают влияние на конструкцию летатель- ного аппарата. Особенностью силовой схемы пола грузовой кабины вер- толета является зависимость от типа груза. При транспорти- ровке колесного транспорта размещение продольных силовых элементов (лонжеронов) пола необходимо согласовать с ко- леей их шасси. Поверхность грузового пола должна иметь фрикционное покрытие или выступы. Пустоты между шпан- гоутами под полом обычно используют для размещения мяг- ких топливных баков. Для погрузки и выгрузки перевозимых объектов фюзеля- жи транспортных вертолетов оборудуются проемами , кото- рые закрывают подвижныеэлементы. Аппараты со взлетной массой более восьми тонн обычно имеют грузовой люк в хво- стовой части фюзеляжа. Люк закрывается грузовыми створ- ками. Створки открываются в стороны и выполняются в виде двух каркасных оболочек. В закрытом положении образуют задний обвод фюзеляжа. Кроме створок, в такой конструкции предусматривают грузовые трапы, позволяющие самоходной технике самостоятельно заезжать внутрь. Для облегчения и упрощения конструкции на современных вертолетах грузовой трап часто выполняется совмещенным с крышкой люка и при загрузке опускается вниз (рисунок 38а). Менее грузоподъём- ные вертолеты используют проем в боковой части фюзеляжа. В этом случае дверь грузового отсека делается трех видов: 58 • - классическая поворотная дверь - открывается поворо- том вокруг оси петель. В горизонтальном полете ее практиче- ски нельзя открывать. • - сдвижная дверь – прилегает к фюзеляжу с наружной стороны и перемещается по специальным рельсам вдоль бор- та. Создает искажения гладкого обвода корпуса и портит эс- тетический облик вертолета. На современных винтокрылых машинах практически не применятся. • - «пробковая» дверь – составляет единый контур с фю- зеляжем (рисунок 38б). При открывании, сперва перемещает- ся в поперечном направлении, как бы «вываливаясь» из кон- тура и затем сдвигается назад. Крепление двери осуществля- ется тремя – четырьмя кронштейнами, задние из которых «подламываются» при закрывании. Рисунок 38. Вертолет с открытым грузовым трапом (а) и со сдвижной боковой дверью транспортного отсека(б). В носовой части фюзеляжа многие вертолеты имеют ус- тановленные сверху и снизу резаки проводов (рисунок 39). Эти устройства обеспечивают некоторый уровень защиты ле- тательного аппарата от аварии при встрече с линиями элек- тропередач. 59 Рисунок 39. Установка ножей для резки проводов на вер- толете. 1 – верхний нож, 2 – нижний нож. Расположенная позади транспортного отсека хвостовая балка, вследствие наличия тяги рулевого винта, подвергается изгибу в горизонтальной плоскости. Необходимость обеспе- чения устойчивости конструкции обычно приводит к росту толщины силовых элементов в сжатой зоне. В целом, жест- кость хвостовой балки – небольшая, при значительном удли- нении. На многих вертолетах она имеет собственные частоты колебаний, более низкие, чем рабочие частоты вибрации вер- толета. При раскрутке валов хвостовые балки такого типа по- падают в резонанс и могут испытывать кратковременные ко- лебания большой амплитуды. Еще одной особенностью хвостовых балок многих совре- менных вертолетов является наличие гребней. Гребни пред- ставляют собой пластины, закрепленные вдоль хвостовой балки вертолета со стороны того борта, в направлении кото- рого действует индуктивный поток рулевого винта. Исполь- зуют одиночный гребень, установленный в верхней части хвостовой балки или двойной – один также в верхней части балки, а второй в нижней. (рисунок 40). Необходимость их использования обусловлена тем, что одновинтовые вертолеты при выполнении полетов с малой скоростью и на режимах висения часто испытывают недостаток путевой управляемо- сти, что особенно заметно в условиях наличия бокового вет- ра. Кроме того, с проблемой недостаточной эффективности путевого управления, сталкиваются производители при уста- новке двигателей более высокой мощности. При полете на 60 малой скорости и висении хвостовая балка обдувается индук- тивным потоком несущего винта. Установленный гребень, являясь интерцептором, обеспечивает отрыв потока от одного борта балки, что приводит к появлению разности давлений между правым и левым бортом и возникновению боковой си- лы, стремящейся развернуть вертолет в сторону противопо- ложную реактивному моменту несущего винта. На висении, гребни могут компенсировать 8-22% реактивного момента несущего винта, то есть вертолет приобретает дополнитель- ный небольшой «рулевой винт». По мере набора горизон- тальной скорости, хвостовая балка перестает обдуваться ин- дуктивным потоком несущего винта. Исчезает и боковая си- ла. Конструкция гребней, оснащенная упруго диссипативны- ми элементами, позволяет также снижать вибрацию в хвосто- вой части вертолета и системе путевого управления. Напри- мер, вибрация на педалях летчика вертолета Ми-2 на основ- ной частоте снижается в четыре раза (рисунок 41). Рис.40. Одиночный (а) и двойной (б) гребень хвостовой балки вертолета. В наружной и потолочной обшивках, а также в боковой обшивке фюзеляжа делаются специальные люки, необходи- мые для обеспечения подходов и удобства обслуживания аг- регатов управления, трансмиссии, редукторов, магистралей топливо- и маслопроводов, гидросистемы, пневмосистемы и других магистралей. 61 Рис.41. Продольное виброускорение на педалях летчика вертолета Ми-2 до установки гребней с упругодиссипативны- ми элементами (1) и после (2). Крышки люков выполняются либо силовыми на самокон- трящихся винтах, либо легкосъемными несиловыми, обору- дованными рычажными замками или замками штыревого ти- па с поворотной ручкой. Люки обычно имеют силовые окан- товки, образующие рамы в местах вырезов. Как уже указывалось выше, в последние годы трехслой- ные панели с успехом заменяют металлические обшивки, усиленные стрингерами. Эти панели являются основными конструктивными элементами каркаса многих современных вертолетов. Они представляют собой два слоя обшивки из композиционного материала, между которыми располагается слой сотового заполнителя (рисунок 42 а). Ближе к краям па- нелей обшивки склеиваются воедино(рисунок 42 б). Обшивки панелей в настоящее время изготавливаются из углепластика, органопластика и в некоторых случаях из стек- лопластика. Наиболее распространенным материалом являет- ся углепластик. Его волокна являются токопроводящими, по- этому для исключения местной электрохимической коррозии при соединении с металлом, на панель, в местах контакта, на- кладывается один слой стеклопластика или другого диэлек- 62 трика. Материалом сотового заполнителя может являться алюминиевая фольга, специальная бумага или композицион- ный материал. Основная форма сот — шестигранная. Связь несущих слоев со стенками сот обеспечивается склейкой. В каждой ячейке сотового заполнителя на наклеиваемых по- верхностях должны быть предусмотрены дренажные отвер- стия очень малого диаметра для выхода воздуха и летучих составляющих клея в процессе полимеризации клея. Рисунок 42. Структура трехслойной панели с сотовым за- полнителем (а) и сечение ее законцовки (б). Сдвигающие нагрузки в плоскости стенки соты передают- ся на несущий слой панели через оба шва соединения стенки соты с несущим слоем. Таким образом, между несущими слоями имеется достаточное количество соединительных по- верхностей, работающих на сдвиг. Так как сопротивление по- тере устойчивости панели растет по мере увеличения толщи- ны, целесообразно увеличивать высоту сот, снижая толщину обшивок. Однако по технологическим соображениям толщи- ну обшивок панелей не делают менее 1 мм. Для легких и сверхлегких вертолетов иногда вместо сот используют пено- пласт или вещества которые полимеризуются внутри компо- зитов и создают похожую пористую структуру. Крепление соединительных деталей к панели осуществля- ется различными способами, в зависимости от видов и назна- чения деталей. На рисунке 43 показаны некоторые примеры соединения деталей с трехслойной панелью. Слабонагруженные детали – зализы, обтекатели, могут крепиться к одной обшивке панели с помощью односторон- них заклепок (рисунок 43а). Детали средней нагруженности можно крепить стандартными крепежными средствами в тех 63 местах, где сотоблок отсутствует и обе обшивки сходятся (рисунок 43б). В некоторых случаях используются специаль- ные самоконтрящиеся гайки с ребрами (рисунок 43в). Тогда заранее подготовленная полость заливается клеевым соста- вом. При необходимости передачи значительных усилий мо- гут устанавливаться сквозные стальные втулки (рисунок 43г). Рисунок 43. Возможные способы соединения с трехслой- ными панелями. а – слабонагруженные узлы, б, в – среднена- груженные узлы, г – узлы с сосредоточенными усилиями. 1 – трехслойная панель, 2 – прикрепляемая деталь, 3 – втулка, 4 – клеевой заполнитель, 5 – полка шпангоута. Если в конструкции каркаса используется металлический полумонокок, то обшивка, выполненная из листовых мате- риалов, может быть обработана методом химического травле- ния. Стрингеры обычно изготавливаются из гнутых или прес- сованных профилей. Они не только подкрепляют обшивку, но и сами несут нагрузку, поэтому целесообразно их делать не- разрезными. 64 Нормальные шпангоуты выполняются в виде кольца, отштампованного из листового материала швеллерного или Z-образного сечения. Иногда пояса шпангоутов образуются профилями уголкового или таврового сечения. Нормальные шпангоуты прикрепляются непосредственно к обшивке или соединяются с нею с помощью специальных накладок. При креплении шпангоута к обшивке в нем, для прохода стринге- ров, делаются вырезы (рисунок 44). Усиленные шпангоуты изготовляются путем соединения из отдельных листов и про- филей или фрезерованных объемных деталей. Если позволяет объемная компоновка корпуса, то шпанго- уты выполняются с глухой стенкой (рисунок 45). Рисунок 44. Соединение нормального кольцевого шпанго- ута с обшивкой и стрингером. 1 – шпангоут, 2 – обшивка, 3 – стрингер. Рисунок 45. Силовой шпангоут с глухой стенкой. 65 В зоне усиленных шпангоутов стрингеры часто прерыва- ются; передача продольных усилий в этом случае осуществ- ляется при помощи специальных элементов — фитингов (ри- сунок 46). В целом, разъемы фюзеляжа разделяются на два типа. 1) контурный разъем, в котором все силовые элементы, находящиеся в районе стыка, соединены друг с другом; 2) точечный разъем, в котором лишь отдельные силовые элементы соединены между собой. Конструкция контурного разъема напоминает фланцевое соединение. Он наиболее распространен для соединения час- тей фюзеляжа между собой. При контурном соединении в разъеме повсеместно осуще- ствляется силовая связь между обшивкой, лонжеронами, стрингерами и другими подкрепляющими элементами. Благо- даря этому, силовые элементы в разъеме и вблизи него участ- вуют в изгибе и кручении. Рисунок 46. Фитинги контурного разъема, соединяющие стрингеры. Недостаток контурных разъемов — трудности монтажа и демонтажа — в значительной мере устраняется при переходе к точечным разъемам. При точечном разъеме силовая связь осуществляется через узлы, стыкующие только наиболее мощные силовые элементы. Обшивка и стрингеры восприни- мают изгибающий момент лишь на некотором удалении от 66 места стыка. Вследствие этого конструкция такого разъема тяжелее. Точечные разъемы наиболее распространены в узлах соединения фюзеляжа с крылом и стабилизатором. Возможная конструкция точечного разъема показана на рисунке 47. Рисунок 47. Трехточечное болтовое соединение крыла с фюзеляжем. |