Динамика полёта вертолета Ми-8

Динамика полёта вертолета Ми-8

«Основы аэродинамики несущего винта,

рулевого винта и планера вертолета»

Методическое пособие

 

Автор: преподаватель Васильев В.С.

 

Омск 2012

Содержание
Методические рекомендации 3
1.Основы аэродинамики несущего винта 4
1.1. Общие сведения о НВ 4
1.2. Геометрические характеристики НВ 4
1.3.Угол атаки НВ. Режимы работы НВ 5
1.4.Работа НВ с позиции импульсной теории 6
1.5.Работа НВ с позиции теории элемента лопасти 10
1.5.1.Зона обратного обтекания. Характеристика режима работы НВ 13
1.5.2.Результирующая скорость элемента лопасти 13
1.5.3.Угол атаки элемента лопасти 14
1.6.Аэродинамические силы элемента лопасти 15
1.6.1 Сила тяги несущего винта по теории элемента лопасти 16
1.6.2 Момент сопротивления вращению НВ 16
1.6.3 Факторы, влияющие на силу тяги и крутящий момент НВ 18
1.7.Распределение аэродинамических сил по ометаемой поверхности НВ 19
1.8.Недостатки жесткого (бесшарнирного) НВ 21
1.9 Работа лопастей относительно горизонтальных шарниров(ГШ) 22
1.9.1.Маховые движения лопастей 23
1.9.2.Факторы, влияющие на углы взмаха 25
1.9.3.Регулятор взмаха 27
1.9.4.Распределение тяг лопастей по ометаемой площади 28
1.9.5.Конус вращения несущего винта 30
1.9.6.Момент на втулке НВ за счет разноса ГШ 32
1.10.Работа лопастей относительно вертикльных шарниров 33
1.10.1.Силы, действующие в плоскости вращения НВ 33
1.10.2.Равновесие лопасти относительно ВШ 36
2.Явления на НВ, угрожающие безопасности полета 37
2.1.Критические зоны обтекания 37
2.2.Режим вихревого кольца НВ 38
2.3.Сближение лопастей с хвостовой балкой 39
2.4.Флаттер лопастей НВ 41
2.5.Использование энергии вращения НВ ("подрыв" ОШ) 43
3.Управление несущим винтом 44
3.1.Принцип действия системы управления 45
3.1.1.Опережение управления 45
3.1.2.Влияние управления на частоту вращения НВ 46
3.1.3.Ограничения по частоте вращения НВ 48
4.Основы аэродинамики рулевого винта 49
4.1.Назначение и характеристики РВ 49
4.2.Особенности аэродинамики РВ 49
4.3.Влияние боковой обдувки 51
4.4.Влияние интерференции на тягу РВ 52
5.Аэродинамические характеристики фюзеляжа 54
5.1.Аэродинамические характеристики стабилизатора 54
6. Мощности на вертолете 55

Методические рекомендации

 

Программа по практической аэродинамике вертолета предусматривает усвоение физической сущности полета, техники пилотирования, взаимовлияния различных эксплуатационных факторов. Все разделы программы базируются на сведениях об аэродинамике несущего винта (НВ) вертолета, его характеристиках на различных режимах обтекания. Поэтому от понимания работы НВ зависит усвоение тех разделов, где рассматриваются технология выполнения полета, эксплуатационные ограничения и их обоснование.

При изучении аэродинамики НВ необходимо учитывать более сложный, по сравнению с крылом самолета, характер обтекания отдельных элементов лопастей. При этом основное внимание необходимо уделять физической картине возникновения аэродинамических сил, используя законы классической механики.

Рекомендуется более подробно рассматривать влияние основных эксплуатационных факторов на силу тяги и момент сопротивления НВ, распределение аэродинамических нагрузок по ометаемой поверхности. Усвоение этих вопросов позволит глубже понять особенности работы НВ с шарнирным креплением лопастей, образование естественного и управляемого завалов конуса вращения, срыва потока с лопастей, вибраций и других явлений, с которыми сталкивается экипаж в полете.

При изучении принципов управления необходимо обратить внимание на особенности совместной работы НВ и двигателей, условия выдерживания в полете заданной частоты вращения НВ. Такие явления, как срыв потока, флаттер, сближение лопастей с балкой, вихревое кольцо нужно уметь объяснять с позиции аэродинамики.

При изучении работы рулевого винта (РВ) необходимо учитывать особенности обтекания лопастей РВ в различных эксплуатационных условиях, влияние тяги РВ на запасы путевого управления вертолетом.

В отдельной теме изучается особенность аэродинамики планера, понятие потребной и располагаемой мощностей.

 

 

Рис.1.1 Угол атаки НВ

 

 

Режим осевого обтекания НВ отличается тем, что воздушный поток направлен параллельно оси вращения винта. Угол атаки НВ при этом составляет 90°. На этом режиме НВ работает при вертикальном подъеме, снижении, на висении.

Режим, косого обтекания НВ получается в том случае, если воздушный поток, возникающий при движении вертолета, направлен под неко­торым углом атаки к плоскости вращения НВ. На таком режиме НВ рабо­тает при выполнении горизонтального полета, снижения или набора вы­соты по наклонной траектории.

Режим плоского (бокового) обтекания имеет место тогда, когда воздушный поток направлен параллельно плоскости вращения НВ. Угол атаки НВ при этом равен нулю.

Режим вихревого кольца НВ возникает при снижении вертолета с работающими двигателями на малой поступательной скорости. В этом слу­чае воздушный поток проходит через ометаемую площадь НВ сверху вниз, и вновь тот же объем воздуха возвращается во всасывающую часть НВ.

Работа НВ в условиях самовращения качественно отличается от дру­гих режимов, так как НВ получает энергию для вращения от набегающе­го потока. Воздушный поток подходит снизу к плоскости вращения, и угол атаки НВ является положительным. На практике режим самовращения НВ применяется при отказе двигателей, поломке трансмиссии НВ и в других случаях.

Вывод: Параметры, определяющие характеристики НВ, тщательно под­бираются в процессе проектирования и испытания НВ, так как от них зависят основные летно-технические данные вертолета.

 

Рис.1.3 Образование тяги НВ на режиме косого обтекания

 

За счет увеличения секундной массы воздуха происходит увеличение тяги НВ по срав­нению с режимом осевого обтекания.

Для расчета тяги НВ используется постулат Н.Е.Жуковского, сог­ласно которому в образовании тяги НВ участвует масса воздуха, заключенная внутри цилиндра с диаметром, равным диаметру НВ. Поэтому вывод формулы тяги идеального НВ аналогичен расчёту для режима осевого обтекания:

T_н=mc (Vi2-0)=2mcVi1

mc =rFнVS; VS=Vi1+V,

где VS - суммарная скорость потока, проходящего через НВ. VS»V,

Поэтому mc»rFнV; T_н=2rFн Vi V; Vi=T/2rFнV.

 

Для реального НВ: Т_н = 2rFн χ Vi_ср V.

 

При увеличении поступательной скорости тяга возрастает, так как увеличивается секундная масса воздуха. При сохранении тяги НВ постоянной умень­шается индуктивная скорость Vi, т.к. уменьшается шаг НВ. При уменьшении шага и сохранении частоты вращения НВ уменьшается подво­димая мощность.

Следовательно, эффект косого обтекания приводит к существенному увеличению тяги НВ без подвода дополнительной мощности двигателей. При этом создается дополнительный запас мощности на верто­лете.

Однако увеличение тяги происходит только до V= 120 км/ч. При даль­нейшем увеличении скорости тяга снижается из-за роста потерь на НВ (срыва потока, волнового кризиса, расширения зоны обратного обтекания, профильного со­противления на лопастях).

 

Вывод: Импульсная теория позволяет просто и наглядно объяснить сущность возникновения аэродинамической силы тяги НВ с помощью за­конов классической механики, устанавливает связь между тягой и мас­совым секундным расходом воздуха. Теория идеального НВ предполага­ет, что вся мощность, подводимая к НВ, расходуется только на создание индуктивной скорости. Тяга реального НВ снижается за счет потерь, возникающих в процессе взаимодействия НВ с воздушным потоком.

Контрольные вопросы

1.Объяснить схему взаимодействия НВ и осевого потока.

2.Что представляет собой индуктивная скорость, как она изменяется вдоль оси НВ?

3.Какие факторы влияют на индуктивную скорость подсасывания?

4.Объяснить причину образования тяги НВ на режиме осевого обтекания.

5.Какие потери имеет реальный НВ по сравнению с идеальным? Что понимается под профильной мощностью НВ?

6.Объяснить схему взаимодействия НВ с косым потоком.

7.Как влияет эффект косого обтекания на тягу НВ?

 

Рис. 1.4. Скорости обтекания элемента лопасти

 

Радиус, азимут и угол установки определяют положение отдельного элемента лопасти на ометаемой поверхности НВ, а также относительно КПВ.

Осевое обтекание НВ. Каждый элемент лопасти находится под воз­действием двух потоков: окружного - со скоростью wнr и осевого со скоростью Vi+Vy, где Vi - индуктивная скорость, Vy - скорость вертикального перемещения вертолета (на висении Vy = 0). Рассмотрим движение лопасти только в плоскости вращения.

При движении лопасти по ометаемой площади окружные скорости изменяются только по длине лопасти (в зависимости от радиуса элементов). От азимута они не зависят и равномерно распределе­ны по ометаемой площади, при этом концевые элементы лопастей име­ют максимальные скорости обтекания (Рис.1.5).

Рис.1.5 Распределение скоростей обтекания лопастей

по ометаемой площади Косое обтекание НВ. Если в плоскости вращения НВ действует поток со скоростью Vo=Vсosaн (поступательный, полет, висение с ветром), картина обтекания НВ будет иная. Каждый элемент нахо­дится под воздействием так называемого эффективного потока.

Э ффективная скорость получается от сложения двух потоков: окружного и от косой обдувки НВ (поступательной скорости) Vosiny: Vэф=wнr+Vosiny, где y - угол азимутального положения лопас­ти; Vosiny - проекция скорости вcтречного потокаот поступа­тельного движения V на направление вращения элемента (рис. 1.4).

Из формулы следует, что значение эффективной скорости Vэф зави­сит от азимута лопасти. Графическая зависимость Vэф от y представ­лена на рис.1.6. График имеет вид синусоиды, смещенной вверх на величину w_нr.

Рис.1.6 Изменение эффективной скорости элемента

Рис.1.7 Аэродинамические силы элемента лопасти

 

 

Для режима осевого обтекания: Wr=Vi+Vy+wн r;

Для режима косого обтекания: Wr=wнr+V0siny+Vi+Vy+Vвзм+Vsina.

Для каждого элемента лопасти можно построить треугольник скоростей обтекания, изменяющийся в зависимости от режима полета. При этом изменяется положение и величина суммарного результирующего потока элемента лопасти Wr.

Угол атаки элемента лопасти

 

Углом атаки элемента лопасти ar называется угол, заключенный между вектором скорости результирующего потока и хордой профиля элемента (рис. 1.7). Определяется по формуле: ar=jr- br, где jr - угол установки элемента; br - угол притекания элемента, определяющий положение результирующего потока относительно КПВ.

tgbr=Voc/Vэф=(Vi+Vy+Vвзм+Vsinaн)/(wнr+Vosiny).

 

Из формулы следует, что углы атаки элементов лопасти зависят от следую­щих факторов: шага НВ, вертикальной обдувки, поступательной скорос­ти, угла атаки НВ, частоты вращении НВ и положения элемента на оме­таемой поверхности (азимута, радиуса). При перемещении рычагов управления пилот изменяет углы установки лопастей, а также углы атаки НВ, тем самым воздействуя на углы атаки элементов лопасти. В зависимости от углов атаки на лопастях изменяется ха­рактер обтекания элементов лопастей и величина аэродинамических сил.

 

Контрольные вопросы

 

1.Какие преимущества имеет теория элемента лопасти перед им­пульсной теорией?

2.Что понимается под эффективной скоростью обтекания элемента лопасти?

3.Что представляет собой осевая скорость обтекания элемента?

 

4. Как изменяется эффективная скорость в зависимости от азимута лопасти: в осевом потоке? В косом потоке?

5.Как изменяется эффективная скорость в зависимости от радиуса элемента?

6.Как изменяются скорости обтекания наступающих и отступающих лопастей при работе НВ в косом потоке?

7.Что представляет собой обратное обтекание лопастей? В чем при­чина образования зоны обратного обтекания, и какие факторы влияют на ее размер?

8.Как влияет обратное обтекание элементов на работу НВ? Какие ограничения вводятся по зоне обратного обтекания?

9.Что представляет собой результирующая скорость обтекания эле­мента лопасти? Что понимается под углом атаки элемента лопасти? Какие основ­ные факторы полета влияют на углы атаки лопастей НВ?

И реактивного момента НВ

 

 

В целях сохранения расчетных оборотов НВ увеличивается потреб­ный крутящий момент двигателей. Поэтому возрастает ко­эффициент крутящего момента НВ: mкр=2Nex/r(wн r) ³Fн. Здесь Ne - эффективная мощность двигателей.

На основе расчетов или опытных данных строится графическая за­висимость коэффициентов С_Т и mкр от углов установки лопастей НВ - поляра несущего винта (Рис.1.9):

Рис.1.9 Поляра несущего винта

1.6.3 Факторы, влияющие на силу тяги и крутящий момент НВ:

1. Геометрия НВ. Выбор геометрических характеристик (числа, ло­пастей, формы и профиля лопастей, заполнения, ометаемой площади и др.) Обеспечивает оптимальное соотношение тяги и потребного крутящего момента НВ.

2. Шаг НВ. Увеличивается при перемещении вверх рычага "шаг-газ". При этом увеличива­ются углы атаки на лопастях, следовательно, коэффициенты С_Т, mкр, Т и Мкр.

3. Частота вращения НВ. При увеличении nн возрастают окружные скорости обтекания, тяга первоначально возрастает пропорционально (wнr)². Однако при достижении некото­рой максимальной частоты вращения рост тяги прекращается, резко возрастает момент сопротивления, так как на концах наступающих лопастей развивается явление волнового кризиса. Поэтому установлена оптимальная частота вращения НВ, которая поддерживается по­стоянной для получения макси­мального кпд НВ.

4. Поступательная скорость (скорость ветра). При увеличе­нии скорости (при сохранении постоянного шага НВ) до Vэк наблюда­ется увеличение С_Т и Т, так как в косом потоке увеличивается секундная масса воздуха, проходящая через НВ. На V> V_эк наблюдается снижение Ст и Т. Это объясняется уменьшением секундной массы воз­духа вследствие потерь за счет срыва потока, обратного обтекания, волнового кризиса и др.

5. Угол атаки НВ. Увеличение a_Н ведет к увеличению углов атаки
элементов лопастей. При этом С_Т и Т увеличиваются, причем прирост тяги НВ на больших углах атаки (например, при посадке вертолета) больше, чем на малых (например, в горизонтальном полете).

6. Плотность воздуха (tнв, давление, Нбар, влажность). При повышении плотности r тяга Т и момент Мкр возрастают прямо пропорционально и наоборот, так как при изменении плотности изменяются значения аэродинамических сил элементов лопастей.

Выводы:

1. Тяга НВ - это суммарная аэродинамическая сила лопас­тей, действующая вдоль оси вращения НВ.

2. Крутящий момент - это аэродинамический момент, создаваемый силами сопротивления лопастей относительно оси вращения НВ и действующий против вращения НВ(рис.1.8).

3. Если геометрия НВ задана, и частота вращения поддер­живается постоянной, тяга и крутящий момент зависят от атмосферных условий, угла атаки и шага НВ. Для увеличения тяги НВ пилот увели­чивает шаг НВ, но при этом растет момент сопротивления вращению НВ. Для сохранения неизменной частоты вращения НВ необходимо увеличить мощность дви­гателей, так как должно выдерживаться равенство: М_Н=Мдв=7030Ne/nн,

где Ne - эффективная мощность двигателей, nн - частота вращения НВ.

 

 

Рис.1.11 Схема НВ с жестким закреплением лопастей

Максимальное значение тя­ги лопасти имеют в азимуте 90°, минимальное - 270° при­чем корневые элементы отступающих лопастей имеют отрицательные тяги, находясь в зоне обратного обтекания. Следовательно, тяги лопастей и их изгибающие

моменты циклически изменяются в зависимости от ази­мута лопасти.

Суммарная тяга лопастей - тяга НВ Тн при жестком закреплении лопастей к втулке действует не вдоль оси НВ, точка ее приложения сме­щена в сторону наступающих лопастей. Поэтому на вертолет со сторо­ны НВ действует так называемый опрокидывающий момент.

Выводы: I. При осевом обтекании НВ аэродинамические силы тяги (подъемные силы) лопастей распределены равномерно по ометаемой поверхности. Изгибающие моменты лопастей при их жестком закреплении одинаковы в любом азимуте.

2. При косом обтекании НВ тяги и изгибающие моменты распределе­ны неравномерно по ометаемой площади: на наступающих лопастях тяги больше, на отступающих - меньше. Чем больше скорость косой обдувки, тем более неравномерный характер имеет распределение аэродинамических сил по ометаемой площади.

 

 

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.

 

Рис. 1.15 Аэродинамическое демпфирование лопасти

 

Поэтому значение подъемной силы Уал поднимающейся лопасти уменьшается, что препятствует интенсивному взмаху лопасти вверх.

При взмахе лопасти вниз (например, в азимуте 270°) дополнительный осе­вой поток воздействует на элементы лопасти снизу вверх. Углы атаки элементов увеличиваются. Значение подъемной силы Уал опускающейся лопасти увеличивается, что препятствует интенсивному взмаху лопасти вниз.

Таким образом, в процессе взмахов лопастей за счет изменения углов атаки происходит естественное гашение маховых колебаний (демп­фирование).

 

Рис.1.16 Изменение углов атаки элементов лопастей от азимута

 

Характер изменения углов атаки элементов лопастей a_r в зависимости от азимута показан на рис. 1.16.

Из рисунка видно, что углы атаки наступающих лопастей уменьшаются, а отступающих- уве­личиваются по сравнению с осевым обтеканием. Причем, увеличение уг­лов атаки на отступающих лопастях происходит в большей степени, чем уменьшение на наступающих лопастях (оказывает влияние действие си­лы тяжести на опускающихся лопастях).

Наименьшие углы атаки лопасть имеет в азимуте 90°, наибольшие имеют концевые элементы лопасти в азимуте 270°. Поэтому при опреде­ленных условиях на концах отступающих лопастей в азимуте 270° возни­кает явление срыва потока (рис.1.17):

Срыв потока на этапах 1,2,3,4 развивается вследствие увеличения углов атаки отступающих лопастей больше критических значений при их движении вниз.

Рис.1.17 Явление срыва потока на профиле лопасти

 

 

Влияние срыва потока на аэро­динамические характеристики НВ рассматривается отдельно.

5. Масса лопастей. При увеличении массы лопастей углы взмаха уменьшаются. Вследствие значительного преобладания центробежной си­лы над силой тяжести (более чем в 50 раз) лопасть приближается к плоскости вращения.

6. Положение кольца автомата перекоса (циклического шага). Рас­сматривается в теме «Управление НВ».

Регулятор взмаха

Интенсивные маховые движения лопастей нежелательны, так как они приводят к следующим отрицательным явлениям:

- возрастают динамические нагрузки на конструкцию несущей системы;

- возникает опасность удара лопастей по ограничителям ГШ и хвос­товой балке;

- затрудняется балансировка вертолета в полете при сильной тур­булентности воздуха, а также при висении с ветром;

- расширяется зона срыва потока на концевых элементах отступаю­щих лопастей;

- возникает явление неустойчивости маховых движений ("заброс" ло­пастей), вызываемое кинематическим увеличением углов установки ло­пастей при наличии отставания лопастей относительно ВШ.

Существует несколько способов ослабления маховых движений:

- аэродинамическое демпфирование лопастей;

- действие центробежных сил лопастей;

- применение механического регулятора взмаха.

Первые два способа недостаточны для получения приемлемых динами­ческих характеристик НВ, поэтому в конструкцию системы управления НВ введен механический регулятор взмаха (поводковая компенсация). Регулятор взмаха - это кинематическая связь между подвижным коль­цом тарелки автомата перекоса и осевым шарниром (ОШ) лопасти (рис. 1.18).

 

Рис.1.18 Регулятор взмаха лопасти

 

 

Конструктивно поводковая компенсация достигается смещением точки крепления тяги управления углами установки лопасти (промежуточного шарнира) параллельно оси ГШ на расстояние а. При этом промежуточный шарнир образует с ГШ угол σ_к (рис. 1.18).

К_d=tg σ_к =а/в — это характеристика регулятора взмаха. Принцип действия регулятора заключается в том, что ось поворота лопасти не совпада­ет с осью ГШ, а проходит под углом σ_к.

Это приводит к тому, что при некотором угле взмаха лопасти, например вверх, её передняя кромка проходит путь меньше, чем задняя. Поэтому при движении лопасти вверх она одновременно поворачивается относительно осевого шарнира (ОШ) на уменьшение угла установки j.

Про­исходит уменьшение углов атаки элементов, коэффициента тяги С_Т , прироста подъемной силы лопасти Уал. Следовательно, это препятст­вует увеличению угла взмаха.

При движении вниз лопасть поворачивается на увеличение угла уста­новки, при этом увеличиваются углы атаки, коэффициент С_Т и прирост подъемной силы, что препятствует уменьшению угла взмаха лопасти.

Выводы: 1. С помощью регулятора взмаха механическим способом по­вышается аэродинамическое демпфирование лопастей. Чем больше значе­ние К_d регулятора, тем значительнее изменение углов установки ло­пастей при взмахе, тем выше эффективность работы регулятора. Однако с ростом К_d увеличиваются углы атаки на опускающихся лопастях, быстрее на­ступает явление срыва потока. Для Ми-8 выбрано оптимальное значение: К_d = 0,5.

2. Работа регулятора взмаха дает следующие преимущества работы НВ: более равномерное распределение тяг лопастей по ометаемой площади, ускоряется переход НВ на режим самовращения (рассматривается в теме «Особые случаи полета»), НВ имеет более выгодный боковой завал конуса вращения.

 

Рис.1.20 Распределение тяг лопастей па режиме косого обтекания

 

Лопасти совершают маховые движения, поэтому одновременно со скоростями обтекания изменяются углы атаки элементов лопастей (рис. 1.17), при этом скорости и углы атаки влияют на тяги лопасти прямо противоположно.

Из формулы расчета тяги лопасти Тл=0,5 С_{Т Л}∙ r(wнr+Vosiny)²F следует, что увеличение скорости обтекания wнr+Vosiny и одновременное уменьшение ко­эффициента тяги С_Т приводит к выравниванию тяг лопастей по всей ометаемой площади. При этом тяги (подъёмные силы) Уал наступающих и отступаю­щих лопастей приближаются по своему значению к осевому обтеканию(рис. 1.21 график 3).

 

Осевое обтекание

Косое обтекание,жесткий НВ

Рис.1.21 Распределение тяг лопастей по азимуту

 

При наличии поводковой компенсации (регулятора взмаха) кинемати­ка регулятора позволяет получить дополнительное увеличение углов атаки при взмахах лопасти вниз (увеличение коэффициентов С_Т) и дополнительное уменьшение углов атаки при взмахах лопасти вверх (уменьшение коэффициентов С_Т). При этом уменьшается разница в тягах наступающих и отступающих лопастей – тяги распределяются наиболее равномерно по ометаемой площади (рис.1.21,график 4).

Вывод: Шарнирный НВ, снабженный ГШ, имеет следующие преимущества:

- изгибающие моменты на втулку не передаются, так как под дейст­вием моментов сил лопасти поворачиваются относительно ГШ. Разгружается лопасть и втулка, кон­струкция облегчается, снижается масса конструкции НВ и вертолета, повышается ресурс несущей системы;

- устраняется опрокидывающий момент НВ так как выравниваются мо­менты от тяг в различных азимутальных положениях лопастей (рис. 1.20). Благодаря этому увеличивается максимальная скорость вертолета и повышаются запасы поперечного управления.

- распределение тяг по ометаемой площади становится более равномерным, снижаются вибрации вертолета, упрощается процесс балансировки вертолета.

 

Рис.1.22 Конус вращения несущего винта

При косом обтекании равновесие лопастей непрерывно нарушается и лопасти имеют различное положение над конструктивной плоскостью НВ(см. рис.1.15). При этом углы взмаха зависят от совместного действия различных фак­торов.

При раздельном рассмотрении этих факторов получается следу­ющая картина. За счет прироста эффективных скоростей и инерционных сил лопасти максимальный взмах получился бы в азимуте 180°. Угол взма­ха увеличивается по сравнению с осевым обтеканием и составляет β₀ +α₁. Минимальный взмах получился бы в азимуте 360°, угол взмаха уменьшился бы при этом на то же значение и составил бы β₀ - α₁.

За счет изменения углов атаки на поднимающихся и опускающихся лопастях, вызванных действием встречного потока (рис. I.I4), лопасть должна достигнуть максимального взмаха в азимуте 270°, угол взмаха увеличиться по сравнению с осевым обтеканием и составит β₀ +в₁. Минимального взмаха лопасть должна достигнуть в азимуте 90°, угол взмаха уменьшиться на то же значение и составит β₀ -в₁.

Под влиянием рассмотренных факторов лопасти образуют так назы­ваемый заваленный конус вращения, у которого образующие - лопасти, расположенные под разными углами относительно КПВ.

В продольной плоскости (по потоку) конус вращения отклоняется на угол α₁ в поперечной плоскости - на угол в₁.

Завал конуса враще­ния может быть естественный (самопроизвольный), вызываемый действи­ем встречного потока, и управляемый, вызываемый циклическим измене­нием углов установки лопастей (циклического шага) при отклонениях тарелки автомата перекоса в процессе управления вертолетом (рассмат­ривается в следующем разделе).

Если бы не было регулятора взмаха, ось конуса вращения отклонялась бы назад и

влево. Максимальный угол взмаха находился бы в азимуте 200+210°, минимальный - в азимуте 20÷30° (см. рис. 1.15).

 

Работа регулятора взмаха приводит к снижению амплитуды взмахов, противодействию инерционных сил лопастей, поэтому уменьшается за­паздывание маховых колебаний лопастей.

Направление бокового завала конуса вращения изменяется на противоположное - с левого на правое,т. к. изменяются значения азимутов, где углы взмаха (конусности) достига­ют максимальных и минимальных значений.

Максимальный угол взмаха получается в азимуте 160÷170°, минимальный - в азимуте 340÷350° (рис. I.15). Следовательно, с регулятором взмаха ось конуса враще­ния отклоняется назад и вправо.

При наклоне конуса вращения изменяется положение равнодействующей силы лопасти относительно КПВ, так как равнодействующая сила НВ совпадает с осью вращения конуса НВ и отклоняется вместе с ним (рис. I.22).

Выводы: I. Под действием встречного потока происходит естествен­ный завал конуса вращения НВ.

2. Без регулятора взмаха конус отклоняется назад и вле­во, с регулятором взмаха - назад и вправо.

3. Завал конуса вращения НВ сопровождается поворотом век­тора равнодействующей НВ в ту же сторону.

Примечание: Боковой завал конуса вправо является бо­лее выгодным, так как отклонение равнодействующей вправо час­тично уравновешивает силу тяги рулевого винта вертолета, что упро­щает боковую балансировку вертолета.

Факторами, влияющими на величину завала конуса вращения НВ, являются: скорость встречного потока (поступательного движения, ветра), шаг НВ, часто­та вращения НВ.

С увеличением скорости встречного потока конус вращения дополни­тельно заваливается: назад и вправо, так как усиливаются маховые дви­жения, увеличиваются углы конусности α₁ и β ₁.

При увеличении шага НВ при заданной скорости обтекания возраста­ют амплитуды маховых движений лопастей, конус заваливается назад и вправо.

При увеличении оборотов НВ конус заваливается вперед и влево, так как под действием дополнительных центробежных сил углы взмахов лопастей уменьшаются. Наоборот, при уменьшении о