книги / Теория вертолета. Кн. 1

Тэннер [Т.14, Т.15] разработал таблицы и графики, численно определив характеристики несущего винта с учетом влияния срыва и сжимаемости воздуха без предположения о малости углов. Расчеты выполнены по теории, изложенной в работах [Т.13, G.62], В этой теории приняты следующие допущения: аэродинамические коэффициенты сечений лопасти совпадают с экспериментальными коэффициентами профиля в стационарном потоке, распределение индуктивных скоростей равномерное, ра­ диальным течением можно пренебречь, лопасть абсолютно жест­ кая и совершает только маховое движение. Расчеты проведены

Рис. 6.9. Графики характеристик несущего винта по Тэниеру [Т.14, Т.15].

Связь между подъемной силой и сопротивлением в поточной системе координат при постоянных ц, 0 Кр и М { 9£). / —нижняя граница срыва.

для винта с коэффициентом заполнения а = 0,1, имеющего пря­ моугольные в плане лопасти, у которых неоперенная часть дохо­ дит до г0 = 0,25, коэффициент концевых потерь В составляет 0,97, а массовая характеристика у равна 8. Коэффициенты подъ­

разд. 6.2.4). На рис. 6.9 показано, как выглядят эти графики. Они соответствуют значениям характеристики режима работы винта р от 0,25 до 1,40, концевому числу Маха наступающей

характеристики вертолета. Действительно, сопротивление верто­ лета и его полетный вес определяют C D/ O и С Т /сг, а, зная эти величины, по графикам легко найти потребную мощность, об­ щий шаг, продольный наклон р1с конуса лопастей и угол атаки ацпу диска. При такой форме представления результатов влия­ ние коэффициента заполнения невелико, но Тэннер предложил способ введения поправок на коэффициент заполнения в вели-

чиныаппу и CD/ O. На графиках показаны также границы срыва, рассчитанные по максимальной величине профильной части кру­ тящего момента за время оборота, т. е. по величине

Возникновение срыва проявляется в быстром росте этого пара­ метра на той стороне диска, где лопасть отступает. Граница, за которой проявление срыва ста­

ских характеристик вертолета при полете вперед, основанные на численном определении нагрузок винта и махового движения. При выполнении расчетов не использовано предположение о ма­ лости углов, учтено влияние срыва, сжимаемости воздуха и зоны обратного обтекания, а в качестве характеристик сечений лопасти взяты экспериментальные аэродинамические коэффи­ циенты профиля (NACA 0012) в стационарном потоке. Распреде­ ление индуктивных скоростей предполагалось равномерным, эф­ фекты радиального течения и динамического срыва не учитыва­ лись. Расчеты были выполнены для винта с прямоугольными в плане линейно-закрученными лопастями при следующих зна­ чениях параметров: коэффициент заполнения а — 0,062 (рас­ смотрено введение поправки на заполнение), массовая характе­ ристика лопасти у = 7,6, неоперенная часть до го = 0,2, коэффи­ циент концевых потерь В = 0,97, относ горизонтальных шарниров

мости между подъемной силой и сопротивлением винта (отне­ сенными к рV2R2o) в-поточных осях при заданных величинах скорости полета, концевой скорости лопастей и градиента крут­

кривых соответствует режимам больших скоростей и больших чисел М) и значений .градиента крутки 0кр = —4, —8, —12°. При заданных скорости полета и концевой скорости полетный вес и сопротивление вертолета определяют на графиках харак­ теристик точку, по которой находят потребную мощность и угол

Проектирование вертолета

7.1. ТИПЫ НЕСУЩИХ ВИНТОВ

Тип несущего винта вертолета определяется в основном кон­ струкцией комлевой части лопасти и ее крепления к втулке. Конструкция комлевой части лопасти решающим образом влияет на движение лопасти в плоскостях взмаха и вращения и, следо­ вательно, на характеристики управляемости вертолета, его виб­ рации, нагрузки и аэроупругую устойчивость. Различие типов несущих винтов определяется наличием или отсутствием ГШ и ВШ, а значит, и тем, совершает ли лопасть поворот как жест­ кое тело или имеют место изгибные деформации ее комлевой части.

Лопасти шарнирного несущего винта соединяются с втулкой с помощью ГШ и ВШ. Ось ГШ несколько отнесена от оси вра­ щения винта вследствие конструктивных ограничений, а также для улучшения характеристик управляемости вертолета. ВШ должен быть отнесен от оси винта для того, чтобы вал мог пе­ редавать на винт крутящий момент. Назначение ГШ и ВШ со­ стоит в снижении нагрузок на лопасть (поскольку изгибающий момент в шарнире равен нулю). При наличии ВШ необходимо иметь механический демпфер качания во избежание вызываемой земным резонансом неустойчивости взаимосвязанных качаний лопастей и движения втулки в плоскости вращения. Шарнирный несущий винт представляет собой классическое конструктивное решение проблемы нагрузок на комлевую часть лопасти и мо­ ментов на втулке. Его концепция проста, а анализ движения жесткой лопасти не представляет затруднений. Однако шарнир­ ный винт механически сложен, так как у каждой лопасти имеются три шарнира (ГШ, ВШ и ОШ) и демпфер ВШ. Под­ шипники ГШ и ВШ передают одновременно силу тяги и цен­ тробежную силу лопасти на втулку_и поэтому работают в очень напряженных условиях. Вблизи втулки располагаются автомат перекоса и вращающиеся и неподвижные элементы проводки уп­ равления. Таким образом, втулка требует большого объема ра­ бот по техническому обслуживанию и вносит существенный вклад во вредное сопротивление вертолета. В последнее время начали применяться эластомерные шарниры. При замене ими механических подшипников проблема технического обслуживав ния сильно упрощается.

винт с двумя лопастями, образующими жесткое тело, соединен­ ное с втулкой посредством одного общего ГШ. Лопасти обычно имеют конструктивный угол конусности для разгрузки от по­ стоянных составляющих сил; общий ГШ иногда располагается выше лопастей для снижения нагрузок от кориолисовых сил. Лопасти имеют ОШ. При отсутствии ВШ лопасти должны вос­ принимать нагрузки в плоскости вращения. Конструкция ло­ пастей воспринимает также те нагрузки в плоскости взмаха, ко­ торые не устраняются наличием конструктивного угла конус­ ности. Для восприятия этих нагрузок винт-качалка должен иметь более высокие прочность и массу, чем в случае шарнирного не­ сущего винта. Этот недостаток компенсируется простотой кон­ струкции. Единственный ГШ не воспринимает уравновешиваю­ щих друг друга центробежных сил лопастей. Такая конструкция является наиболее простой и легкой для небольшого вертолета. Однако она не подходит для больших вертолетов, поскольку для получения необходимой величины коэффициента заполнения ло­ пасти должны иметь очень большую хорду.

Несущий винт на кардане (карданный винт) обычно имеет три или более лопастей, соединенных с втулкой при помощи од­ ного ОШ (ГШ и ВШ отсутствуют), втулка же соединяется с валом посредством универсального (карданного) шарнира. По существу, винт на кардане является многолопастным аналогом винта-качалки и как таковой имеет преимущество, заключаю­ щееся в простоте конструкции втулки сравнительно с шарнир­ ными несущими винтами. У винта-качалки и винта на кардане ось ГШ совмещена с осью вала, вследствие чего собственная частота махового движения лопастей совпадает с частотой обо­ ротов винта. В этом случае улучшение характеристик управляе­ мости, связанное с относом ГШ, не может быть реализовано. Невозможен, например, полет с перегрузкой, меньшей единицы или нулевой,' поскольку эффективность управления и демпфи­ рование несущего винта прямо пропорциональны его силе тяги. Для повышения собственной частоты махового движения (до значений, достижимых на шарнирных винтах) применяется пру­ жинная загрузка во втулке, однако в случае винта-качалки она приводит к появлению больших переменных нагрузок на втулке с частотой 2Q. Движение лопастей в плоскости враще­ ния у винта-качалки и винта на кардане обычно соответствует движению жесткого тела с собственной частотой выше частоты оборотов винта.

На бесшарнирном несущем винте, который также называют жестким, лопасти соединены с втулкой консольно, часто при помощи одного только ОШ; ГШ и ВШ отсутствуют. Движения

лопасти в плоскостях взмаха и вращения происходят за счет упругости их комлевых частей. Поскольку жесткость конструк­ ции лопасти невелика по сравнению с жесткостью, создаваемой центробежными силами, форма махового движения незначи­ тельно отличается от формы движения жесткой шарнирной ло­ пасти, а частота его ненамного превышает частоту оборотов винта (обычно для бесшарнирных винтов v = 1,1 — 1,2). В за­ висимости от конструкции комлевой части различают лопасти, нежесткие в плоскости вращения (собственная частота движе­ ния в плоскости вращения ниже частоты оборотов) и жесткие в плоскости вращения (собственная частота выше частоты обо­ ротов). В отсутствие шарниров может иметь место значительная взаимосвязь движений лопасти в плоскостях взмаха, вращения и относительно ОШ, что приводит к существенно иным харак­ теристикам аэроупругости, нежели для шарнирных лопастей. Бесшарнирный несущий винт способен создавать большой мо­ мент на втулке при наклоне плоскости концов лопастей; этот момент сильно влияет на характеристики управляемости верто­ лета, поскольку повышаются эффективность управления и демп­ фирование, а также возрастает реакция винта на аэродинамиче­ ские возмущения. Бесшарнирный несущий винт прост по кон­ струкции, что обусловливает низкое вредное сопротивление втулки и облегчает техническое обслуживание. Однако для вос­ приятия моментов на втулке прочность ее и комлевой части лопасти должна быть высокой. В некоторых конструкциях бес­ шарнирных винтов ОШ также отсутствуют. Изменение шага лопасти при этом происходит за счет деформации нежесткой на кручение комлевой части лопасти.

Большинство несущих винтов имеет ОШ, позволяющий ло­ пасти изменять угол установки при воздействии управления об­ щим и циклическим шагами. В этой наиболее распространенной конструкции подшипник ОШ работает в очень тяжелых усло­ виях. Он должен передавать центробежную силу и силу тяги лопасти, совершающей периодическое установочное движение при воздействии управления циклическим шагом. Поэтому вместо подшипников иногда используются эластомерные соеди­ нения, что упрощает конструкцию. Применяется упомянутый выше способ изменения угла установки лопасти путем крутиль­ ной деформации комлевой части или использования лент, рабо­ тающих на растяжение и кручение, для соединения лопасти с втулкой. Фирма «Каман» разработала несущий винт, в котором на лопасти, нежесткой на кручение в комлевой части, устанав­ ливается сервозакрылок. Отклонение закрылка вызывает круче­ ние лопасти, которое может Сыть использовано для изменения циклического и общего шагов винта без поворота комлевых частей лопастей.

У большинства вертолетов имеется механический привод не­ сущих винтов, т. е. крутящий момент передается на несущий винт через валы. В таких конструкциях необходимы трансмис­ сия и средства для уравновешивания крутящих моментов несу­ щих винтов. При другом способе привода несущего винта — ре­ активном — холодный или горячий воздух выбрасывается из со­ пел, размещенных на концах или на задней кромке лопастей. Известны конструкции вертолетов с прямоточными воздушнореактивными двигателями на концах лопастей или с реактив­ ными закрылками, куда подается сжатый воздух, генерируемый в фюзеляже. Поскольку в этом случае крутящий момент несу­ щего винта не передается на фюзеляж вертолета (передается лишь незначительный момент трения в подшипниках вала), то трансмиссия и устройства, уравновешивающие крутящий мо­ мент, не нужны, что дает существенную экономию массы. Си­ стема реактивного привода несущего винта в принципе легче и проще, хотя аэродинамическая и термодинамическая эффек­ тивность вертолета ниже. Вертолет с реактивным приводом нуж­ дается в дополнительном устройстве путевого управления. Воз­ можно использование аэродинамических поверхностей типа руля направления, однако на малых скоростях полета они неэффек­ тивны.

7.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

На стадии предварительного проектирования определяются основные параметры вертолета, обеспечивающие выполнение за­ данных летно-технических характеристик (ЛТХ). При этом оп­ ределяются размеры вертолета и его несущего винта, а также выбирается силовая установка, после чего в процессе итераций определяется полетная масса вертолета. На основе выбранных нагрузки на ометаемую поверхность, предельного числа Маха, характеристики режима и нагрузки на лопасть определяются радиус несущего винта, концевая скорость лопасти и коэффи­ циент заполнения. Далее в результате расчета мощности, тре­ буемой для выполнения заданных режимов полета, определяют­ ся характеристики силовой установки. При расчете ЛТХ обыч­ но используется метод мощностей. Это простейший метод, обеспечивающий достаточо точное решение задачи в условиях, когда известны предварительные значения основных данных вертолета. В результате определяются основные размеры и об­ щий вид вертолета. Затем производится оценка масс агрегатов по известным параметрам несущего винта и силовой установки, а также количеству топлива и полезной нагрузке, предусмот­ ренных заданием. Массы агрегатов суммируются для определе­ ния полетной массы вертолета, и процесс итераций повторяется