Понятие ометаемой площади несущего винта вводится потому, что эта площадь может рассматриваться как некоторая несущая поверхность, аналогичная крылу самолета ввиду вязкости и инертности воздуха, образующего при протекании через площадь, ометаемую винтом, одну общую струю. У современных вертолетов F0M = 100ч-1000 м2.Нагрузка на ометаемую площадь р есть отношение веса вертолета G к площади, ометаемой винтом при его вращении. Увеличение р приводит к уменьшению максимальной высоты полета и к увеличению скорости снижения на режиме самовращения несущего винта. У современных вертолетов р = 12 -г- 45 — , или 1184-440—, Коэффициент заполнения а — величина, показывающая, какую часть ометаемой площади составляет площадь всех лопастей винта. Для современных вертолетов а = 0,03—0,08. Лопасть несущего винта может иметь прямоугольную, трапециевидную или смешанную форму в плане. Профиль лопасти — форма ее поперечного сечения. Для лопастей несущих винтов применяются профили, аналогичные профилям крыльев самолетов. Обычно это несимметричные профили с относительной толщиной с = 7-=-14%'. Форма профиля по длине может быть переменной (аэродинамическая крутка лопасти). Угол установки (шаг) лопасти. Шаг лопасти несущего винта изменяется при повороте ее в осевом шарнире, т.е. вокруг продольной оси. Конструктивно несущий винт выполнен так, что все его лопасти в осевом шарнире могут одновременно поворачиваться на один и тот же угол или на разные углы. Угол атаки несущего винта. Выше было сказано, что площадь, ометаемая несущим винтом, может рассматриваться как несущая поверхность, на единицу площади которой приходится определенная нагрузка. Введем понятие — угол атаки несущего винта А, под которым будем понимать угол между плоскостью вращения несущего винта и направлением набегающего потока воздуха (направлением полета). Если поток набегает на плоскость вращения несущего винта снизу, угол атаки считается положительным, если сверху — отрицательным. Поскольку вертолет перемещается в воздухе в любом направлении, угол атаки несущего винта может изменяться в пределах ±180°. При вертикальном снижении А = +90°, при вертикальном подъеме А = —90°. Угол азимутального положения лопасти (г[з). При полете вертолета вращательное движение лопастей несущего винта складывается с поступательным движением всего вертолета в целом. По этой причине условия работы лопастей в большей степени зависят от их положения относительно направления полета. Для оценки особенностей работы лопастей в зависимости от их положения вводится понятие азимутального положения лопасти. Углом азимутального положения лопасти называется угол между направлением полета и продольной осью лопасти. Принято считать ар = 0, если продольная ось лопасти совпадает с направлением набегающего потока воздуха. Следует заметить (поскольку вертолет может совершать движение вперед, назад или вбок), что во всех случаях отсчет угла азимутального положения должен производиться от направления лопасти, совпадающего с направлением набегающего потока воздуха. Отсчет принято вести в направлении вращения несущего винта. Очевидно, что величина угла азимутального положения лопасти за один оборот изменяется от 0 до 360° (от 0 до 2я). Число оборотов несущего винта. В связи с тем что несущие винты вертолетов — это винты больших диаметров, число оборотов их невелико — 100—600 об/мин. Как показывают расчеты, чтобы иметь винт возможно большей тяги (при заданной мощности), необходимо увеличивать его диаметр и уменьшать обороты. Так, например, для того чтобы увеличить тягу в три раза, обороты надо уменьшить в пятнадцать раз (при этом диаметр винта возрастет примерно в пять раз). Для конкретного винта тяга с увеличением оборотов возрастает, но для этого требуется увеличение подводимой мощности. Число оборотов несущего винта ограничивается волновым кризисом, возникающим в первую очередь на концах лопастей, движущихся навстречу набегающему потоку (вблизи азимута г|з = 9О°). Во избежание больших потерь на преодоление волнового сопротивления число оборотов несущих винтов современных вертолетов выбирается таким, чтобы концы лопастей имели дозвуковые скорости обтекания. У современных вертолетов окружные скорости концов лопастей достигают 200—250 м/сек. Шарнирная подвеска лопастей несущего винта. Ранее было указано на наличие у несущих винтов осевых шарниров, которые служат для изменения шага винта в полете. Изменение шага достигается поворотом лопастей вокруг осевых шарниров в пределах ср = О—15°. Кроме осевых шарниров, винты имеют горизонтальный и вертикальный шарниры. Горизонтальный шарнир (ГШ) позволяет лопасти отклоняться в вертикальной плоскости. Благодаря этому шарниру лопасть имеет возможность при движении навстречу потоку взмахивать вверх, а при движении по направлению потока — вниз. Таким образом, горизонтальный шарнир позволяет лопастям совершать маховые движения. Угол, заключенный между осью лопасти и плоскостью втулки винта, называется углом взмаха. Конструктивно отклонение лопасти относительно горизонтального шарнира ограничивается упорами (вверх на 25—30°, вниз на 4—8°). Несмотря на наличие маховых движений в полете, лопасть не касается упоров, поскольку диапазон углов взмаха меньше, чем угол между упорами. Касание лопасти упоров происходит лишь при сильном падении оборотов, а соответственно и при недопустимом уменьшении центробежной силы лопасти. При стоянке вертолета, когда несущий винт не вращается или вращается с малыми оборотами, концы лопастей за счет своего веса прогибаются вниз, а если лопасть будет упираться в нижний упор, то возможен удар по хвостовой балке или фюзеляжу. Поэтому, помимо нижнего упора, имеется еще специальный ограничитель свеса, который при малых оборотах не дает возможности лопасти чрезмерно опуститься вниз и ударить по вертолету. При повышении оборотов, когда аэродинамические силы прогибают концы лопастей вверх, ограничитель свеса выключается, после чего лопасть может совершать маховые движения вплоть до нижнего упора. Вертикальный шарнир (ВШ) обеспечивает отклонение лопасти относительно втулки в плоскости вращения винта. Ниже будет показано, что при вращении несущего винта лопасть может уходить от нейтрального (радиального) положения назад или вперед на некоторый угол. Этот угол называется углом отставания (опережения). Величина этого угла ограничивается упорами. Лопасть может поворачиваться назад на =10-=-18° и вперед на = 6~8°*. Наличие горизонтального и вертикального шарниров вносит существенное изменение в работу несущего винта. В технических описаниях величина угла отставания (опережения) дается не относительно радиального положения лопасти, а относительно перпендикуляра к горизонтальному шарниру. Во-первых, необходимо отметить образование так называемого конуса (тюльпана) вследствие того, что под действием подъемных сил лопасти отклоняются относительно горизонтальных шарниров и поднимаются над плоскостью вращения втулки. Во-вторых, за счет маховых движений выравниваются подъемные силы лопастей в разных азимутах, что дает возможность устранить опрокидывание и кабрирование вертолета при поступательном полете. Наконец, комлевые сечения лопастей разгружаются от больших изгибающих моментов, которые имеют место при жесткой заделке лопастей. Современные технологии позволяют выполнять бесшарнирное крепление лопастей, см. фото.

При вращении несущего винта на его лопасти действуют силы сопротивления воздуха, которые относительно оси винта создают момент сопротивления вращению. Для преодоления этого момента к валу несущего винта на вертолетах с механическим приводом от двигателя, установленного в фюзеляже, подводится крутящий момент. Крутящий момент передается через главный редуктор на вал несущего винта. В соответствии с третьим законом механики (законом равенства действия противодействию) возникает реактивный момент, который через узлы крепления главного редуктора передается на фюзеляж вертолета и стремится вращать его в направлении, противоположном крутящему моменту. Крутящий момент и реактивный момент независимо от режима работы винта всегда равны между собой по величине и противоположны по направлению. Если двигатели установлены на самих лопастях, очевидно, что реактивный момент отсутствует. Реактивный момент отсутствует также и на режиме самовращения несущего винта, т.е. во всех случаях, когда крутящий момент на вал несущего винта не передается от двигателя, установленного в фюзеляже. Ранее было сказано, что уравновешивание реактивного момента на вертолетах одновинтовой схемы с механическим приводом производится моментом, создаваемым тягой рулевого винта относительно центра тяжести вертолета. У двухвинтовых вертолетов компенсация реактивных моментов обоих несущих винтов достигается вращением винтов в разные стороны. Причем для соблюдения равенства противоположно направленных реактивных моментов обоих винтов, винты выполняются совершенно одинаковыми с точной синхронизацией их оборотов. Число оборотов несущего винта вертолета значительно меньше числа оборотов самолетного винта. Поэтому при одинаковой мощности двигателя реактивный момент несущего винта вертолета значительно больше, чем самолетного винта. Крутящий и реактивный моменты изменяются также в зависимости от величины тяги несущего винта. Так, например, для увеличения силы тяги винта необходимо увеличить общий шаг. Увеличение шага винта сопровождается ростом момента сопротивления его вращению. Поэтому с увеличением шага винта необходимо увеличить подводимый к винту крутящий момент. Если же этого не сделать, то число оборотов несущего винта будет уменьшаться, что приведет к снижению тяги несущего винта. Следовательно, для увеличения тяги несущего винта необходимо увеличить не только шаг винта, но и крутящий момент. Для этого в кабине летчика установлен рычаг «шаг — газ», кинематически связанный с двигателем и механизмом, изменяющим шаг винта. При перемещении рычага происходит пропорциональное изменение крутящего момента и шага винта и одновременно изменение реактивного момента. На одновинтовом вертолете изменение реактивного момента требует соответствующего изменения тяги рулевого винта для устранения разворота.

Если известны потребная мощность для данного режима работы несущего винта и его обороты, то величину реактивного момента можно подсчитать, получим 716,2. Из этого следует, что тяга рулевого винта зависит от потребляемой мощности и числа оборотов несущего винта. При увеличении шага несущего винта возрастает мощность, потребляемая винтом, а следовательно, возрастает и потребная тяга, создаваемая рулевым винтом. Рулевой винт работает в условиях косой обдувки, так как в полете плоскость его вращения неперпендикулярна к направлению набегающего потока. При косой обдувке жесткого винта изменяющаяся скорость потока, набегающего на его лопасти, вызовет периодическое изменение силы тяги каждой лопасти и приведет к возникновению вибраций. Для выравнивания силы тяги лопастей во всех азимутах и разгрузки лопастей от действия изгибающих моментов лопасти реального рулевого винта крепятся к втулке при помощи горизонтальных шарниров, которые позволяют лопастям совершать маховые движения. Наличие в конструкции втулки винта осевых шарниров обеспечивает поворот лопастей относительно продольной оси, который необходим для изменения шага. На тяжелых вертолетах вертикальные шарниры могут устанавливаться и на рулевых винтах.

Автомат перекоса представляет механизм, позволяющий путем соответствующего изменения углов установки (шага) лопастей изменять величину и направление тяги несущего винта. На рисунке приведена принципиальная схема управления несущим винтом одновинтового вертолета. Автомат перекоса имеет ползун /, который может перемещаться вверх и вниз. Для перемещения ползуна служит рычаг «шаг — газ» 2, соединенный с ним при помощи тяг 3 и качалки 4. Рычаг «шаг— газ» устанавливается в кабине слева от сиденья летчика. На ползуне устанавливается универсальный шарнир, который имеет два кольца: внутреннее 5 и наружное 6. Универсальный шарнир (шарнир Гука) связан с ручкой управления 7 (ручка циклического шага), расположенной в кабине перед сиденьем летчика. При отклонении ручки летчик, воздействуя на внешнее кольцо, имеет возможность наклонять его относительно двух взаимно перпендикулярных осей вперед — назад и влево — вправо. При помощи шарикового подшипника к внешнему кольцу шарнира крепится тарелка автомата перекоса. Тарелка состоит из вращающегося кольца 8 с рычагами 9, к которым крепятся тяги 10, связанные с поводками 11 осевых шарниров лопастей. Тарелка автомата перекоса приводится во вращение двухзвенником 12, одно звено которого шарнирно связано с вращающимся кольцом, а второе — с валом несущего винта. Отклонение рычага «шаг — газ» вверх или вниз приводит соответственно к увеличению или уменьшению установочных углов всех лопастей несущего винта на одинаковую величину. На рис. 1.69 видно, что при перемещении рычага общего шага вверх перемещается вверх и тарелка автомата перекоса, а шаг лопастей несущего винта и сила тяги увеличиваются. Таким образом, отклонение рычага «шаг — газ» изменяет силу тяги несущего винта по величине. При наклоне тарелки автомата перекоса обеспечивает циклическое изменение шага, т. е. изменение угла установки лопасти в течение одного цикла (одного оборота). Рассмотрим упрощенную схему управления несущим винтом при помощи автомата перекоса. Допустим, что при отклонении ручки тарелка автомата перекоса наклонилась так, что в азимутальном положении 180° шаг лопасти уменьшился на угол —Аср, а в положении 0° увеличился на угол +Аср. В левой половине ометаемой поверхности (от 0 до 180°) вследствие уменьшения шага уменьшается подъемная сила лопасти и лопасть опускается (взмахивает вниз). В правой половине ометаемой поверхности (от 180 до 360°), где шаг лопасти увеличивается, лопасть поднимается (взмахивает вверх). В результате циклического изменения шага лопасть при вращении начнет совершать маховые движения. При этом след общего движения (вращательного и махового) какого-либо сечения будет лежать в новой плоскости, наклоненной относительно исходной плоскости на некоторый угол вперед. За счет влияния скорости взмаха VB3 углы атаки лопастей, несмотря на циклическое изменение шага, остаются почти постоянными. Поэтому примерно постоянной будет подъемная сила лопасти в любом азимутальном положении. Таким образом, наклон тарелки автомата перекоса вызывает наклон плоскости вращения несущего винта, а значит, и наклон силы тяги несущего винта при сохранении ее величины. Для того, чтобы управление вертолетом сообразовывалось с движениями летчика, автомат перекоса должен обеспечивать наклон плоскости вращения винта в том направлении, в котором отклоняется ручка управления. При рассмотрении циклического изменения шага лопасти не учитывалось влияние инерционных сил на наклон плоскости вращения. В действительности наклон плоскости вращения винта отстает от циклического изменения шага. Там, где шаг минимальный, лопасть опускается с наибольшей скоростью и, несмотря на то что при дальнейшем вращении шаг увеличивается, по инерции продолжает опускаться. Точно так же там, где шаг после наибольшего значения начинает уменьшаться, лопасть продолжает взмахивать вверх. В связи с запаздыванием наклона плоскости вращения винта циклическое изменение шага требуется производить с некоторым упреждением по азимуту. Для этой цели рычаги, которыми ручка управления вертолета связана с наружным кольцом шарнира автомата перекоса (рис. 1.69, позиция 6), предварительно смещаются против вращения на угол ба.п называемый углом опережения автомата перекоса. Величина угла опережения зависит от инертности лопасти, которая определяется массовой характеристикой лопасти и упругостью ее, от угла характеристики компенсации взмаха б1 и угла выноса т. Углы б1 и т отсчитываются от шарнира А на тяге разворота лопасти. Если отклонить ручку управления, например, вперед, то при наличии угла опережения тарелка автомата перекоса наклонится вперед и влево, но плоскость вращения, а соответственно и сила тяги винта наклонятся только вперед. При отклонении ручки, например, влево Тарелка автомата перекоса отклонится одновременно влево и назад, а сила тяги наклонится только влево. Таким образом, угол опережения автоматически учитывает запаздывание наклона плоскости вращения, поэтому автомат перекоса обеспечивает наклон плоскости вращения в том направлении, в котором отклоняется ручка управления. См.фото - автомат перекоса в сборе, классической компановки вертолёта, установлен на вертолёте.

Назначение воздушного винта состоит в преобразовании крутящего момента, передаваемого от двигателя в аэродинамическую силу. Образование аэродинамической силы объясняется третьим законом механики. Воздушный винт при своем вращении захватывает и отбрасывает некоторую массу воздуха. Эта масса, сопротивляясь отбрасыванию, толкает винт вместе с летательным аппаратом в сторону, противоположную направлению отбрасывания. Причиной создания аэродинамической силы воздушного винта является реакция отбрасываемой винтом массы воздуха. Воздушные винты самолета служат для создания силы тяги, необходимой для поступательного движения самолета. Несущий винт вертолета служит для создания подъемной силы, необходимой для удержания вертолета в воздухе, и силы тяги, необходимой для поступательного движения вертолета. Как было указано, одним из достоинств вертолета является его способность перемещаться в любом направлении. Направление перемещения вертолета зависит от того, куда наклонена сила тяги несущего винта — вперед, назад или вбок (рис. 1.32). Несущий винт обеспечивает управляемость и устойчивость вертолета на всех режимах. Таким образом, несущий винт одновременно выполняет роль крыла, тянущего винта и основных органов управления. Рулевые винты вертолета служат для уравновешивания реактивного момента и путевого управления вертолетом.

Сегодня: