ВТУЛКА НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к области авиации и касается разработки конструкции несущего винта вертолета.
В последние годы ведутся работы по созданию скоростных вертолетов. Наиболее сложная часть этих работ связана с разработкой несущих винтов, способных эффективно работать в сложных условиях обтекания винта при больших скоростях полета вертолета. При создании таких винтов одной из наиболее сложных задач является уменьшение интенсивности срыва потока на отступающих лопастях (Джонсон У. Теория вертолета, т. 1, пер. с англ. М., Мир, 1983; Миль М.Л., Некрасов А.В., Браверман А.С., Гродко Л.Н., Лейканд М.А. Вертолеты. Расчет и проектирование. Т. 1 Аэродинамика. М., "Машиностроение", 1966; Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета, пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963). Во многих случаях срыв потока является главным препятствием для увеличения скорости полета, поскольку он приводит к возникновению автоколебаний лопастей типа срывного флаттера, вызывающего чрезвычайно резкое увеличение нагрузок в системе управления, увеличение вибраций вертолета и напряжений в лопастях. Наиболее эффективным методом решения проблемы срыва на лопастях в настоящее время является использование винтов, обеспечивающих возможность увеличить аэродинамическую нагрузку на наступающих лопастях и уменьшить ее на отступающих.
Такими несущими винтами являются винты с жестким креплением лопастей к втулке, винты с упругим элементом в комле и винты с шарнирным креплением лопастей с большим выносом горизонтальных шарниров (Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета, пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963).
Все перечисленные типы винтов обладают тем свойством, что у их лопастей наиболее низкая частота собственных колебаний в плоскости взмаха выше частоты вращения винта. Именно отличие частоты собственных маховых колебаний лопастей от частоты вращения винта и обеспечивает возможность воздействовать на распределение по ометаемому диску углов атаки в сечениях лопастей. В частности нужное распределение углов атаки, может быть достигнуто путем соответствующего изменения циклического шага лопастей.
Решения тех же задач можно достичь с помощью несущего винта, имеющего втулку с отрицательным выносом горизонтальных шарниров (патент №126679 на полезную модель «Втулка несущего винта вертолета» от 10 апреля 2013 года). Недостатком такого несущего винта, является относительно сложная конструкция втулки, особенно при нечетном количестве лопастей винта.
Однако, при нагружении наступающих лопастей и уменьшении нагрузок на отступающих лопастях, которое необходимо для уменьшения на них срыва, появляются значительные моменты аэродинамических сил относительно продольной оси вертолета.
На соосном вертолете такие моменты, возникающие на верхнем и нижнем винтах, при нагружении наступающих лопастей, взаимно уравновешиваются.
На одновинтовом вертолете уравновесить момент крена можно посредством смещения оси вращения винта вбок относительно плоскости симметрии фюзеляжа или путем установки на вертолете достаточно длинного крыла, в частности, несимметричного.
Перечисленные варианты решения проблемы уменьшения моментов крена содержат более или менее значительные недостатки, главными из которых являются - снижение весовой отдачи вертолета и усложнение его конструкции.
Наиболее близким по конструкции к предлагаемой полезной модели является втулка несущего винта с большим положительным выносом горизонтальных шарниров (Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета. пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963). Втулка состоит из корпуса втулки и рукавов, которые соединены с корпусом втулки посредством горизонтальных шарниров. Рукава имеют вертикальные и осевые шарниры. К корпусу осевого шарнира крепится лопасть.
Недостаток втулки несущего винта с большим выносом горизонтальных шарниров (ГШ) состоит в том, что при нагружении наступающих лопастей возникают большие моменты на втулке и аэродинамические боковые силы, создающие одинаковые по знаку моменты крена относительно центра тяжести вертолета, для преодоления которых требуются дополнительные технические решения.
Задачей и техническим результатом предлагаемой полезной модели являются разработка конструкции втулки несущего винта, обеспечивающей:
- увеличение аэродинамической нагрузки на наступающих лопастях несущего винта и уменьшение интенсивности срыва на отступающих;
- уменьшение суммарного момента крена, создаваемого несущим винтом относительно центра тяжести вертолета, позволяющего избежать на скоростном вертолете одновинтовой схемы применения крыла или других технических средств.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что втулка несущего винта вертолета содержит корпус втулки, осевые и горизонтальные шарниры, причем горизонтальные шарниры наклонены относительно плоскости вращения винта на угол -30°<θ<+30°.
На фиг. 1 показана схема крепления лопасти несущего винта с наклоненными шарнирами.
На фиг. 2 показан разрез Α-A наклоненного шарнира.
В конструкции предлагаемой втулки несущего винта, содержащей корпус втулки 1 (фиг. 1), применены шарниры, состоящие из корпуса 2 и кронштейна 3, к которому крепятся осевые шарниры 4. К осевому шарниру 4 крепится рычаг управления углом установки лопасти 5 и лопасть несущего винта 6.
Отличие предлагаемой втулки скоростного винта с наклоненными шарнирами состоит в том, что его «горизонтальные» шарниры наклонены на угол θ, который может принимать значения в диапазоне от -30° до +30° относительно плоскости вращения винта, что дает возможность отказаться от вертикальных шарниров (фиг. 2).
Возможная упрощенная конструкция предложенной втулки скоростного несущего винта изображена на фиг. 1, на которой представлена схема крепления лопасти модели несущего винта с наклоненными шарнирами.
Рассмотрим колебательное движение абсолютно жесткой лопасти относительно наклоненного к плоскости вращения несущего винта 7 под углом θ к оси шарнира 8 (фиг. 2). Из условия равновесия моментов инерционных и аэродинамических сил, относительно повернутого шарнира можно вывести уравнение колебания лопасти относительно этого шарнира в следующем виде:
где: β - угол поворота лопасти относительно шарнира;
t - время;
гш
J - момент инерции лопасти относительно шарнира;
Ω - угловая скорость вращения несущего винта;
R - радиус несущего винта;
r - текущий радиус несущего винта;
y
Т - погонная аэродинамическая сила лопасти, действующая в плоскости нормальной к оси наклоненного шарнира лопасти.
2
Уравнение (1) представляет собой уравнение колебаний системы с одной степенью свободы, у которой коэффициент при переменном угле поворота лопасти относительно шарнира β, равен квадрату частоты собственных колебаний системы. Как видно при не равном нулю угле наклона шарнира лопасти относительно плоскости вращения (положительном или отрицательном) квадрат частоты собственных маховых колебаний лопасти относительно наклоненного шарнира будет меньше квадрата угловой скорости винта: Ω и, следовательно, частота собственных маховых колебаний будет меньше угловой скорости винта.
Угол поворота лопасти β относительно «горизонтального» шарнира представим в виде первых трех членов разложения угла β в ряд Фурье:
a
a
0
1
1
где , , b - первые три коэффициента разложения махового движения лопасти в ряд Фурье,
ψ - азимут лопасти.
хНB0
Постоянную часть момента на втулке М относительно продольной
оси ОХ в связанной с вертолетом правой системы координат ΟΧΥΖ можно вывести и получить в следующем виде
л
где: z - число лопастей несущего винта.
xΗΒ
xS
хРВ
На одновинтовом вертолете сумма моментов Μ и момента Μ, создаваемого боковой силой несущего винта относительно центра масс вертолета практически равна по величине и противоположна по знаку положительному моменту М, создаваемому рулевым винтом относительно центра масс вертолета т.е.:
xS
Момент M можно определить по формуле:
где: Τ - тяга несущего винта,
вт
y - расстояние по вертикали от цента втулки до центра масс вертолета.
xS
хНВ
При этом, как видно из зависимостей (3) и (5) моменты M и М, при положительном значении тяги винта имеют противоположные знаки.
xΗΒ
xS
хРВ
Вследствие этого при отрицательном значении момента на втулке Μ, необходимом для нагружения наступающих лопастей, этот момент, в соответствие с выражением (4), по абсолютной величине будет равен сумме абсолютных величин моментов Μ и М.
Момент на втулке несущего винта с большим положительным выносом шарниров можно определить по формуле:
л
где N - центробежная сила, действующая на лопасть несущего винта.
xS
xΗΒ
Момент боковой силы, как и в предыдущем случае, определяется по формуле (5). При этом как видно из зависимостей (6) и (5) моменты M и Μ, при положительном значении тяги винта имеют одинаковые знаки.
хНВ
χΗΒ
xS
хРВ
Вследствие этого при отрицательном значении момента на втулке М, на винте с большим положительным выносом ГШ, момент Μ, в соответствии с выражением (4), по абсолютной величине будет равен разности абсолютных величин моментов Μ и М.
Применение наклоненных шарниров в конструкции втулки несущего винта позволяет получить большой момент на втулке несущего винта, не увеличивая суммарный момент относительно центра тяжести вертолета при больших скоростях полета. Вследствие этого увеличиваются углы установки наступающих лопастей и уменьшаются на отступающих лопастях. Это приводит к увеличению аэродинамической нагрузки на наступающих лопастях несущего винта и уменьшение интенсивности срыва на отступающих.
Возможность получить большой момент крена на втулке несущего винта, действующий в сторону отступающих лопастей не увеличивая суммарный момент относительно центра тяжести вертолета, является преимуществом предлагаемой конструкции втулки по сравнению с втулками с большим выносом горизонтальных шарниров.