Недостатки жесткого (бесшарнирного) НВ

Несущий винт, лопасти которого крепятся к втулке неподвижно (кро­ме осевых шарниров), считается жестким, или бесшарнирным (см.рис.1.11):

Такой НВ имеет ряд существенных недостатков:

−аэродинамические силы распределены по ометаемой площади неравномерно;

- лопасти и втулка НВ воспринимают нагрузки в виде изгибающих
моментов. Наибольший Мизг действует в месте крепления лопасти к втулке;

- при работе НВ в косом потоке изгибающие моменты циклически изменяются по значению, поэтому конструкция воспринимает знакопеременные напряжения;

- при увеличении скорости косой обдувки возрастает опрокидываю­щий момент Мопр вправо.

Указанные явления приводят к существенному ухудшению эксплуата­ционных характеристик НВ и вертолета:

- повышаются вибрации;

- снижается ресурс работы несущей системы;

- увеличивается масса конструкции лопастей и втулки, снижается полезная загрузка вертолета;

- уменьшается максимальная скорость вертолета из-за наличия опрокидывающего момента;

- увеличивается потребное отклонение РЦШ влево для компенсации опрокидывающего момента, уменьшается запас поперечного управления вертолетом.

Применение шарнирной подвески лопастей в виде горизонтальных (ГШ) и вертикальных (ВШ) шарниров значительно снижает отрицатель­ное воздействие перечисленных факторов.

 

Работа лопастей относительно

Горизонтальных шарниров(ГШ)

Равновесие лопасти относительно ГШрассматривается на схеме рис.1.12:

Рис.1.12 Равновесие лопасти относительно ГШ

При вращении лопасти на нее действуют следующие силы:

- подъемная сила Уал, приложенная в центре давления на расстоянии а от оси ГШ; ­ - сила тяжести Gл, приложенная в центре масс лопасти на расстоянии в;

-центробежная сила Fцб, приложенная в центре масс лопасти на расстоянии С. Действуя на своем плече, каждая сила создает момент относительно оси ГШ. Момент от подъемной силы Муа=Уал ∙а поднимает лопасть относительно КПВ, увеличивает угол взмаха βл.

Момент от силы тяжести М_G=G ∙в заставляет лопасть опускаться к КПВ и ниже, т.е. уменьшает угол взмаха.

Момент от центробежной си­лы Мцб=Fцб ∙с стремится "растянуть" лопасть, установить ее в плос­кости вращения НВ.

Условием равновесия лопасти относительно ГШ является равенство нулю алгебраической суммы моментов действующих сил: åМгш=Му - М_G-Мцб=0. При этом равнодействующая сил лопасти Rл проходит через ось ГШ, т.е. R_л ∙0=0.

В состоянии равновесия лопасти находятся под одинаковыми углами взмаха βл относительно плоскости вращения, т.е. при работе НВ на режиме осевой обдувки.

На углы взмаха βл оказывают влияние: режим работы НВ, углы установки лопастей, масса лопастей, частота вращения НВ. При изменении этих параметров равновесие лопасти нарушается.

Маховые движения лопастей

При переходе НВ на режим косого обтекания подъемные силы лопастей непрерывно изменяются по азимуту, поэтому состояние равновесия лопастей непрерывно на­рушается. Возникают маховые движения - это непрерывные повороты лопастей относительно ГШ в случае обтекания НВ косым потоком.

Углы взма­ха β_л при этом изменяются по определенному закону, зависящему от изменения подъемных и инерционных сил лопастей. Для расчета углов взмаха лопасти используется формула подъемной силы лопасти: Уал@Тл=0,5С_ТЛ ∙r(w_Н r + V₀siny)²Fл. Здесь коэффициент С_ТЛ определяется по поляре профиля лопасти для сечения =0,7.

В азимутах y от 0 до 90^о эффективная скорость Vэф возрастает. В азимуте 90° лопасть получает максимальный прирост скорости (ускорение), а зна­чит, максимальный прирост подъемной силы Уал на взмах вверх.

y= 90+180°. Эффективная скорость уменьшается до окружной, т.е. в азимуте 180° прирост скорости отсутствует. Появляется сила инер­ции лопасти F_ИН, препятствующая уменьшению взмаха. Таким образом, на прирост подъемной силы Уал, возникший в азимуте 90°, лопасть отреа­гирует максимальным взмахом в азимуте 180°, т.е. с запаздыванием на 90° (180° - 90°).

В азимуте 180° встречный поток со скоростью V₀ набегает на взма­хивающую лопасть снизу, вследствие чего углы атаки лопасти увеличи­ваются (рис. 1.13):

 

 

Рис.1.13 Действие встречного потока на взмахивающую лопасть

 

Возникает прирост коэффициента С_Т и подъемной силы лопасти. Лопасть получает дополнительный импульс на взмах вверх и реагирует на него подъемом в азимуте 270°, т. е. с запаздыванием на 90° (270° - 180°).

y = 180°+270°. Эффективная скорость продолжает уменьшаться. В азимуте 270° лопасть имеет максимальное ско­рости, а значит, максимальное уменьшение подъемной силы Уал и взмаха вниз.

y = 270°+360°. Эффективная скорость увеличивается до окружной, т. е. в азимуте 360° прирост скорости практически отсутствует.

Сила инерции ло­пасти F_ИН препятствует увеличению взмаха лопасти. На максимальное уменьшение скорости в азимуте 270° лопасть отреагирует уменьшением взмаха до минимального значения в азимуте 360°, т.е. с запаздыва­нием на 90° (360°- 270°).

В азимуте 360° (0°) встречный поток V0 набегает на лопасть свер­ху, вследствие чего углы атаки лопасти уменьшатся (рис. 1.14). Это вызывает уменьшение коэффициента С_Т и подъемной силы лопасти Уал. За счет этого лопасть получает дополнительный импульс на взмах вниз и реагирует на него опусканием вниз с запаздыванием на 90° (90° - 0°).

Таким образом, маховые движения лопастей совершаются под влияни­ем нескольких факторов: от изменения эффективных скоростей обтекания, инерцион­ных сил, углов атаки лопастей.

В свою очередь, углы атаки лопастей изменяются от действия встречного потока Vо (рис. 1.13), вертикальной обдувки лопасти при взмахе, а также от циклического изменения углов уста­новки лопастей (циклического шага НВ).

Совместное воздействие указанных факторов приводит к тому, что максимальный угол взмаха лопасть имеет в азимуте 200⁰−210°, минималь­ный угол взмаха - в азимуте 20⁰−З0°. Графическая зависимость углов взмаха от азимута лопасти изображена на рис.1.14:

 

Рис.1.14Распределение углов взмаха по азимуту

 

Из рисунка видно, что углы взмаха лопасти непрерыв­но изменяются по синусоидальному закону. С каждым обо­ротом несущего винта характер изменения углов взмаха циклически по­вторяется.

Примечание: График в виде сплошной линии построен для НВ, не имеющего регулятора взмаха.

Выводы: 1. При установке горизонтальных шарниров каждая лопасть при работе НВ в косом потоке совершает маховые движения, так как равновесие лопасти непрерывно нарушается. Равновесие лопасти дости­гается лишь в двух азимутальных положениях, соответствующих макси­мальному (βmax) и минимальному (βmin) углам взмаха.

2. На углы взмаха лопастей оказывают влияние: режим ра­боты НВ (скорость поступательного движения); углы установки лопас­тей (шаг НВ); частота вращения НВ; аэродинамическое демпфирование лопастей; положение кольца автомата перекоса (циклический шаг); на­личие механического регулятора взмаха; масса лопастей.