Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
4.4. Особенности конструкции крыла и оперения Крыло устанавливают в центральной части фюзеляжа. Оно представляет собой балку, нагруженную распределенны- ми и сосредоточенными силами, и состоит из правой и левой консолей, расположенных по бокам фюзеляжа. Вредное аэро- динамическое взаимовлияние с фюзеляжем уменьшают плав- ным сопряжением с помощью зализов. В отличие от самоле- тов, винтокрылые аппараты используют небольшое количест- во средств механизации крыла. Исключение составляют кон- вертопланы, сочетающие в себе свойства самолета и вертоле- та. На «классических» серийных вертолетах применяются только закрылки, хотя экспериментальные воздушные суда 67 имели самые разные устройства, улучшающие аэродинамиче- ские характеристики крыла. Силовая схема крыла состоит из продольного и попереч- ного наборов и обшивки (рисунок 48). К продольному набору относятся лонжероны и стрингеры, к поперечному набору — нервюры. Рисунок 48. Конструкция крыла. 1 — обшивка, 2 — нервюра, 3 — стрингеры, 4—узлы на- вески крыла, 5 - лонжерон. Лонжероны - обычно двухпоясные продольные балки (ри- сунок 49), пояса которых работают на растяжение и сжатие от изгиба, а стенки — на сдвиг поперечной силы и крутящего момента В конструкциях крыльев обычно применяются лонжероны балочного типа и только в отдельных случаях — ферменно- го. У лонжеронов балочного типа имеются пояса и тонкая стенка. У ферменных лонжеронов стенка отсутствует и пояса связаны между собой решеткой. Из условия равнопрочности площади сечений поясов лонжеронов уменьшают по мере удаления от фюзеляжа. Стрингеры воспринимают осевые усилия при изгибе и со- вместно с обшивкой подвергаются поперечному изгибу от воздушной нагрузки. 68 Нервюры крыла, по своему назначению и конструктивно- му выполнению, разделяются на два типа — нормальные и усиленные. Нормальные нервюры служат для сохранения заданной формы профиля крыла, передают аэродинамическую нагрузку на лонжероны и обшивку, участвуют в общей работе крыла, подкрепляя обшивку и продольный набор. Усиленные нервюры выполняют те же функции, что и нормальные, а также служат для восприятия сосредоточенных сил от крепления различных агрегатов. Кроме того, усилен- ные нервюры ставят у краев больших вырезов, в разъемах и других местах, где они испытывают значительные нагрузки, участвуя в перераспределении сил между элементами крыла. Типовые нормальные нервюры выполняются из листового материала в виде сплошных стенок с отбортовками и облег- чающими отверстиями. Конструкция усиленных нервюр во многом аналогична нормальным нервюрам, однако их средняя часть более разви- та, и может быть изготовлена из цельного куска металла ме- тодом фрезеровки. Обшивка необходима для придания крылу обтекаемой формы. Она нагружается нормальными и касательными на- пряжениями от изгиба и кручения крыла Рисунок 49. Типовое сечение лонжерона крыла Стабилизатор вертолета (рисунок 50), по конструкции, в целом аналогичен крылу, однако имеет меньшие размеры и может быть как неподвижным, так и управляемым, изменяю- щим углы установки, в зависимости от режимов полета. 69 Кроме схемы с продольным и поперечным силовым набором, в настоящее время применяют стабилизаторы более простых типов, в которых обшивка переменной толщины изготавлива- ется из композиционных материалов, а внутреннее простран- ство заполняется сотовым заполнителем. Применяют обрат- ные и симметричные профили стабилизатора. Часто стабили- заторы имеют неподвижный предкрылок. Рисунок 50. Консоль стабилизатора. 1— законцовка, 2 — обшивка, 3 —лонжерон, 4 — стрингеры, 5 — нервюры. 70 5. ТРАНСМИССИЯ 5.1. Состав трансмиссии Трансмиссия – одно из самых сложных устройств вер- толета, которое обеспечивает передачу крутящего момента от двигателя к несущим, рулевым винтам и вспомогательным агрегатам. В трансмиссию входят следующие основные элементы: -главный редуктор; -редукторы двигателей; -промежуточные редукторы; -хвостовой редуктор; -муфты включения сцепления и свободного хода; -тормозы несущих винтов; -валы; -соединения валов (карданы, шлицевые и эластичные муф- ты); -опоры валов с амортизаторами; -системы крепления редукторов. Кроме того, в систему может входить ряд других элемен- тов, которые будут описаны далее. Схема трансмиссии определяется схемой вертолета, чис- лом, типом и расположением двигателей. На рисунке 51 пред- ставлена схема трансмиссии одновинтового вертолета с тремя газотурбинными двигателями. Мощность двигателей 1 пере- даётся через угловые редукторы, главному редуктору 3, отку- да она распределяется на несущий винт 4, рулевой винт и на привод других агрегатов. Удлиненный хвостовой вал 5 в мес- тах сочленений отдельных участков имеет муфты, позволяю- щие осуществлять не только угловые, но и продольные пере- мещения вала. 5.2. Агрегаты трансмиссии Редукторыпредназначены, в основном, для изменения частоты вращения на пути от двигателя к несущему и руле- вому винту. Наличие потерь мощности в редукторах приводит 71 Рисунок 51. Схема трансмиссии вертолёта ЕН101. 1 – двигатели, 2 – угловые редукторы, 3 – главный ре- дуктор, 4- вал несущего винта, 5 – трансмиссионный вал, 6 – промежуточный редуктор, 7 – хвостовой редуктор, 8 – допол- нительные приводы. к нагреву их деталей, особенно шестеренчатых передач. С помощью смазки тепло отводится к стенкам картера редукто- ра и рассеивается в атмосферу. При небольшой передаваемой мощности, небольших потерях в передаче, хорошем оребре- нии наружных стенок картера и достаточной циркуляции воз- духа вокруг картера специальной системы охлаждения не требуется. Однако с увеличением передаваемой мощности, количество тепла, которое нужно отводить, настолько возрас- тает, что приходится использовать специальную систему ох- лаждения, включающую в себя вентиляторы, заборники воз- духа, радиаторы, фильтры, насосы, системы управления. Главный редуктор предназначен для передачи крутящего момента от двигателя на валы несущего и рулевого винтов и обеспечения привода вспомогательных агрегатов (рисунок 52). Главные редукторы обычно имеют большое передаточное отношение, обусловленное малой частотой вращения несуще- го винта и большой частотой вращения свободной турбины двигателя. Они крепятся к силовым шпангоутам фюзеляжа, 72 Рисунок 52. Cхема главного редуктора вертолета UH60 1 – вал несущего винта, 2 – коническое зацепление, 3 – выход трансмиссионного вала, 4 – планетарное зацепление, 5 – стационарная шестерня, 6 – привод масляного насоса, 7 – подшипник, 8 – вход от угловых редукторов (от двигателей), 9 – коническое зацепление которые передают на фюзеляж силы и моменты, восприни- маемые картером редуктора. Редуктор обычно имеет независимую от двигателей мас- ляную систему, приводимую в действие с помощью шесте- ренчатых масляных насосов. Насосы содержат две ступени: нагнетающую и откачивающую. На выходе из нагнетающей ступени масляного насоса расположены масляный фильтр и редукционный клапан, ограничивающий давление масла в маслосистеме редуктора. Нагретое масло из редуктора посту- пает в маслорадиатор, где охлаждается до требуемой темпе- 73 ратуры. В маслоотстойник масло из радиатора поступает при помощи откачивающей ступени масляного насоса. Корпус маслоотстойника имеет внутри перегородку, предназначен- ную для разделения областей холодного и горячего масла. В днище корпуса маслоотстойника распологается магнитная пробка для улавливания стальных частиц, попавших в масло. Промежуточный редуктор предназначен для изменения направления привода. Такое изменение обеспечивается парой конических зубчатых колес, передаточное отношение кото- рых обычно близко к единице. Пример промежуточного ре- дуктора показан на рисунке 53. В картер редуктора вставлены опоры ведущего и ведомого зубчатых колес. В верхней части картера находятся отверстия для суфлера и масломерной линейки, в нижней его части ус- танавливается датчик температуры масла. В самом низу кар- тера обычно расположено сливное отверстие, закрываемое пробкой. Усилия от каждого зубчатого колеса воспринимаются тремя подшипниками: два роликовых воспринимают только радиальную нагрузку, а третий, радиально-упорный, только осевую нагрузку. Подшипниковый узел затягивается гайкой 5 через распорную втулку 7 и фланец 6, установленный на шли- цах хвостовика шестерни. Во избежание течи масла вдоль ва- лов их выводы защищены лабиринтными уплотнениями, ко- торые предохраняются от попадания пыли сальниками, про- питанными графитовой смазкой. На легких и средних вертолетах в промежуточном редук- торе применяется смазка разбрызгиванием (барботажная). Ведущее зубчатое колесо, обод которого частично погружен в масло, при вращении создает в картере редуктора масляную эмульсию, обеспечивающую смазку зубьев колес. Для кон- троля уровня масла в верхней части редуктора имеется мас- ломерная линейка. Расположение промежуточного редуктора внутри конце- вой балки затрудняет его охлаждение. Для улучшения его ох- лаждения картер редуктора оребрен не только снаружи, но и изнутри. В верхней части редуктора установлен суфлер 10 для 74 Рисунок 53. Промежуточный редуктор. 1 — пробка, 2 — заглушка, 3 — фланец крепления роли- кового подшипника, 4 — стакан ведущего зубчатогоколеса, 5 — гайка, 6 — шлицевой фланец, 7 — внутренняя распорная втулка, 8 — болт, 9 — наружная распорная втулка, 10 — суф- лер, 11 — картер,12 — стакан ведомогозубчатого колеса. стравливания избыточного давления воздуха. Суфлер состоит из ряда лабиринтных ходов, которые препятствуют утечке наружу масла в случае пенообразования. В головке суфлера устанавливаются сетчатые шайбы с прокладками между ни- 75 ми, которые предохраняют редуктор от проникновения в него пыли при входе воздуха извне. На тяжелых вертолетах промежуточный редуктор имеет основную систему с принудительной подачей масла и дубли- рующую – барботажную масляную систему, обеспечиваю- щую смазку подшипников в случае отказа основной масло- системы. Отвод тепла от картера обеспечивается при помощи вентилятора. Хвостовой редуктор предназначен для вращения хвосто- вого винта с нужным числом оборотов. Вращение осуществ- ляется парой конических зубчатых колес. Один из вариантов хвостового редуктора представлен на рисунке 54 . Картер имеет три цилиндрические расточки, в которые ус- танавливаются стакан с ведущим зубчатым колесом, крышка с ведомым зубчатым колесом и узел штока управления хво- стовым винтом. Ведущее зубчатое колесо 5 насажено при по- мощи шлиц на полый вал. Верхняя часть вала ведущего зуб- чатого колеса соединена шлицами с ведущим валом 7 хвосто- вого редуктора. Этот вал опирается на шариковый подшипник 6. На другом конце вала также имеются шлицы, на которые надевается концевой вал. Ведомый вал хвостового редуктора закреплен в двухрядном шариковом подшипнике и соединя- ется со ступицей ведомого зубчатого колеса также при помо- щи шлиц. К фланцу наружного конца ведомого вала крепится втулка рулевого винта. Смазка в хвостовых редукторах аналогична смазке в про- межуточных редукторах. Муфты. Трансмиссия вертолета может иметь муфты включения, сцепления и свободного хода. Иногда можно встретить комбинированные муфты, которые выполняют не- сколько функций. Муфты включения, если они не являются одновременно и муфтами сцепления, рассчитываются на передачу неболь- шого крутящего момента при малой частоте вращения несу- щего винта и минимальном угле установки лопастей. Муфты включения бывают фрикционные, приводимые в действие ручным управлением, или автоматические, производящие 76 Рисунок 54. Хвостовой редуктор. 1 — картер редуктора, 2 — ведущее зубчатое колесо, 3 — подшипник роликовый, 4 — подшипник шариковый, 5 — гильза уплотнительная, 6 — подшипник шариковый, 7 — вал ведущий, 8— стакан подшипников ведущего зубчатого коле- са, 9 — манжета резиновая армированная, 10— втулка веду- щего зубчатого колеса, 11—ведомое зубчатое колесо, 12 — подшипник роликовый, 13 — ступица ведомого зубчатого колеса, 14 — крышка картера, 15 — шток управления шагом лопастей, 16— вал ведомый, 17 — крышка лабиринтного уп- лотнения, 18, 19 — подшипник шариковый, 20 — карман- уловитель масла, 21 — подшипник роликовый, 22 — гильза шлицевая, 23 — стакан подшипников штока, 24 — подшип- ник шариковый, 25 — червяк штока, 26 — корпус звёздочки управления шагом лопастей. 77 включение при определенной частоте вращения двигателя. Чаще всего муфта включения выполняется в одном агрегате с муфтой сцепления, которая соединяет двигатель с трансмис- сией после того, как муфта включения перестает проскальзы- вать, и несущий винт достигает нужной частоты вращения. Чаще всего муфты сцепления и включения используются на вертолетах с поршневыми двигателями, однако в последнее время иногда их устанавливают на летательные аппараты с газотурбинными двигателями. Такой вертолет может иметь запущенный на малом газу двигатель с заторможенным несу- щим винтом. Муфта свободного хода (обгонная муфта) прерывает связь неработающего двигателя вращающимся несущим вин- том. Выключение муфты происходит автоматически, когда число оборотов звездочки становится меньше числа оборотов наружной обоймы. Это позволяет вертолету совершать полет с одним выключенным двигателем и на режиме авторотации, не вращая неработающую силовую установку. Муфта свободного хода, представленная на рисунке 55, состоит из наружной обоймы 2 и звездочки 1, между которы- ми расположен сепаратор 4 с цилиндрическими роликами 3. Сепаратор служит для предотвращения перекосов роликов относительно рабочих поверхностей звездочки и наружной обоймы, а также для обеспечения одновременного включения всех роликов. В муфте свободного хода ведущей деталью яв- ляется звездочка, связанная с валом свободной турбины, а ведомой – наружная обойма, связанная с входным валом ре- дуктора. Муфта свободного хода включается автоматически при вращении звездочки по часовой стрелке в результате закли- нивания роликов между рабочими поверхностями звездочки и внутренней поверхностью наружной обоймы при уравнива- нии частот вращения звездочки и наружной обоймы. Рабочие поверхности звездочки и наружной обоймы выполнены с не- большим конусом, для лучшего распределения нагрузки на ролики при деформации обоймы под нагрузкой. 78 Рисунок 55. Схема муфты свободного хода. 1— звездочка, 2 — обойма, 3 — ролики, 4 — сепаратор. Соединительная муфта. В случае применения одновин- товых вертолетов в качестве корабельных, их хвостовая балка складывается вперед путем поворота относительно верти- кальной оси (рисунок 56). Трансмиссионный вал при этом разделен и имеет стыковочное устройство, состоящее из на- правляющего конуса 2 и зубчатого венца 1 на передней части 3 и ответного венца на задней части вала. При возвращении вала в рабочее состояние конус, попадая в отверстие, обеспе- чивает центрование вала. Зубчатые венцы при этом передают мощность от передней части вала к задней. Тормоз несущего винта. В большинстве вертолетов в систему трансмиссии введен тормоз, с целью более быстрой остановки несущего винта и предотвращения раскрутки его на стоянке. Управление тормозом осуществляется из кабины летчика. На рисунке 57 изображен фрикционный тормоз, разме- щенный на приводе хвостового винта, на выходе из главного 79 Рисунок 56. Схема расстыковки трансмиссионного ва- ла на корабельных одновинтовых вертолетах (вид сверху). 1 – зубчатый венец, 2 – направляющий конус, 3 – передняя часть трансмиссионного вала, 4 – задняя часть трансмиссион- ного вала. редуктора. Тормоз колодочного типа, с механическим управ- лением с помощью троса. Кронштейн 10 тормоза крепится к корпусу главного редуктора. При помощи пружины 11 колод- ки, с прикрепленными к ним фрикционными накладками, прижимаются к кронштейну. Торможение осуществляется прижатием фрикционных колодок к тормозному барабану 1, который крепится к фланцу хвостового вала. Передача тор- мозного момента с фрикционных колодок на заделанный в кронштейне упорный палец 13 осуществляется шарнирными звеньями 14, поддерживающими тормозные колодки с одного конца. Другими концами колодки входят в пазы регулировоч- ных винтов 4. Подвеска колодок на шарнирных звеньях дает им возможность самоустанавливаться относительно барабана и обеспечивает их равномерный износ. Прижатие колодок к барабану осуществляется системой рычагов и тяг. Трос 12 тянет за крючок разжимного рычага 9, который укреплен шарнирно на одной из колодок. При повороте разжимно- го рычага вокруг винта распорный стержень 5 прижимает 80 Рисунок 57. Тормоз несущего винта. 1 — барабан тормоза, 2 — винт разжимного рычага тор- моза, 3 — маховичок регулировки тормоза, 4 — регулировоч- ный винт, 5 — распорный стержень, 6 — пружина стержня, 7 — тормозная колодка, 8 — фрикционная накладка, 9 — раз- жимной рычаг, 10— кронштейн тормоза, 11 — стяжная пру- жина, 12 — трос управления тормозом, 13 — упорный палец колодок, 14 — звено колодки тормоза, 15 — стержень при- жимной чашки, 16 — пружина стержня, 17 —пружина троса управления тормозом. 81 нижнюю колодку к барабану тормоза. Когда колодка прижи- мается к барабану, рычаг 9 начинает поворачиваться вокруг верхнего конца распорного стержня 5, прижимая к барабану верхнюю колодку. Правильное расположение распорного стержня относительно рычага обеспечивается пружиной 6, входящей в вырез рычага. Когда трос не натянут, он прижимается пружиной 18, а колодки оттягиваются от барабана стяжной пружиной 11. При этом стягивание колодок происходит до их упора в пазы ре- гулировочных винтов 4. Трансмиссионные валы. Валы, соединяющие двигатель с редукторами несущих винтов или редуктор несущего винта с хвостовым редуктором, имеют большую частоту вращения (обычно 1-3 тысячи оборотов в минуту). На рисунке 58 при- веден вариант элемента хвостового вала. Вал опирается на подшипники качения, требующие смазки и постоянного кон- троля. Опоры целесообразно амортизировать резиновыми втулками на болтах, крепящих обоймы, или резиновыми кольцами в обоймах подшипников, для того чтобы возмож- ные биения валов не передавались на конструкцию вертолета. Так как хвостовая балка, вдоль которой проходит транс- миссионный вал, может деформироваться в процессе полета, вал должен выдерживать угловые и линейные перемещения. Для этого обычно валы делаются разрезными, а соединения валов выполняются в виде шлицевых муфт, карданов, упру- гих и эластичных муфт. Пример упругой муфты, показанной на рисунке 59, состоит из набора гибких металлических пла- стин, закрепленных одной стороной к ведущему валу, а дру- гой к ведомому. По соотношению собственных и вынужденных частот ко- лебаний трансмиссионные валы делятся на докритические и сверхкритические. На докритических валах частота вращения ниже резонансной частоты. В течение длительного времени в вертолетостроении применялись только такие трансмиссион- ные валы. На современных вертолетах все чаще используют сверхкритические валы. Они имеют большую длину и ,вследствие этого, малую жесткость, что обеспечивает низкие 82 частоты собственных колебаний. В результате резонансные частоты оказываются ниже рабочей частоты вращения, и это не приводит к чрезмерному увеличению амплитуды в полете. Однако, резонанс на валах наступает при раскрутке и тормо- жении несущего винта, поэтому в такой системе обязательно должны быть предусмотрены гасители колебаний. Рисунок 58. Элементы хвостового вала. 1 – карданное соединение, 2 – шлицевое телескопическое соединение, 3 – резиновая прокладка, 4 – промежуточная опора, 5 – соединительный фланец. Рисунок 59. Установка упругой муфты на трансмиссион- ный вал. Использование длинных сверхкритических валов позволя- ет уменьшить количество опор в 2-3 раза, уменьшить вес, уп- ростить обслуживание, повысить надежность. 83 На рисунке 60 а, б представлена классическая трансмис- сионная схема с большим количеством опор и сверхкритиче- ский вал, состоящий из двух отдельных отрезков. Для предот- вращения чрезмерного биения этого вала на резонансной час- тоте, посередине каждого отрезка установлены гасители ко- лебаний. Гасители могут иметь простейшую конструкцию, например, в виде металлических ограничителей с внутренним фторопластовым кольцом. Кроме того, в последние годы ведется внедрение электро- магнитных опор подшипников. Такие опоры не требуют смазки и практически не подвержены износу. Однако, самое важное, они практически не дают потерь трения, которые по- требляют значительную часть мощности двигателей. Еще одним направлением создания высокоэффективных трансмиссионных валов является применение упругих валов. Ранее описанные конструкции требовали физического разде- ления отрезков, необходимого для синхронизации деформа- ции вала с деформациями фюзеляжа. Упругие конструкции подразумевают возможность угловой деформации без разру- шения. Применение электромагнитных опор и специальных муфт на входе и выходе вала позволяет ему иметь продоль- ные линейные перемещения. Комбинация с этими устройст- вами обеспечивает применение единого неразрезного вала, обладающего низким весом и высокими эксплуатационными характеристиками (рисунок 60в). |