Несний гвинт

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Несний гвинт гелікоптера Мі-2

Несни́й (основни́й) гвинт — повітряний гвинт з вертикальною віссю обертання, який забезпечує підйомну силу літальному апарату (як правило, гелікоптеру), дозволяючи виконувати керований горизонтальний політ і здійснювати посадку. Основна функція такого гвинта — «нести» літальний апарат, що і відображено в назві.[1]

Крім гелікоптерів, несні гвинти є у автожирів, гвинтокрилів, конвертопланів та в летючих платформ.

Опис[ред. | ред. код]

Несний гвинт гелікоптера в загальних рисах складається з лопатей, втулки та шарнірів.

Система керування несним гвинтом складається з автомату перекосу, з'єднаного з осьовими шарнірами лопатей несного гвинта за допомогою тяг (елементів, які передають поступальний рух). Поворот лопаті в осьовому шарнірі викликає зміну кута установки лопаті.

Кутом установки лопаті називається кут між хордою лопаті і конструктивною площиною обертання. Чим більший є цей кут, тим більшу підйомну силу забезпечує лопать несного гвинта.

Переміщення тарілки автомату перекосу вверх/вниз вздовж валу несного гвинта призводить до одночасної зміни кутів установки всіх лопатей, тим самим регулюється потужність гвинта і, відповідно, висота висіння (польоту) літального апарату. Дана зміна називається загальним кроком гвинта.

Нахил тарілки автомату перекосу відносно корпусу літального апарату називається циклічним кроком і дозволяє керувати апаратом в поздовжньо-поперечній товщині (тангажкрен).

Частота обертання несного гвинта, як правило, постійна, а зміна навантаження на гвинті автоматично компенсується відповідною зміною потужності двигунів.

Існують системи управління, в яких відсутні осьові шарніри лопатей. Наприклад, в моделях радіокерованих гелікоптерів змінюється нахил обертання всього гвинта, а не окремих лопатей. У варіантах несних гвинтів із сервозакрилками (синхроптери фірми Kaman Aircraft[ru]) змінюється кут установки закрилків, розташованих на задній кромці лопатей.

Ділянки лопаті, розташовані ближче до осі обертання і які, відповідно, описують кола меншого радіуса, мають меншу лінійну швидкість відносно повітря і створюють пропорційно меншу підйомну силу. Для зменшення цього ефекту лопать закручують таким чином, що її кут установки плавно збільшується при наближенні до осі обертання, що дозволяє ділянкам з меншим радіусом обертання забезпечувати більшу підйомну силу. Скрученість лопатей (різниця між кутом установки ділянок в корені та на кінці лопаті) може складати 6–12°.

З'єднання лопатей валом може бути шарнірним, жорстким, напівжорстким і пружним. При шарнірному і пружному з'єднанні площина обертання несного гвинта не може бути відхилена відносно фюзеляжу гелікоптера, на відміну від напівжорсткого з'єднання.

Несний гвинт може мати від двох до восьми лопатей. Лопаті можуть бути дерев'яними, суцільнометалевими і композитними (склопластиковими). Композитні лопаті у порівнянні з суцільнометалевими менш трудомісткі у виготовленні, мають значно більший ресурс, надійність і корозійну стійкість.

Часто лопаті виготовляються пустотілими і закачують всередину лопаті газ або повітря під тиском. Падіння тиску всередині лопаті, яке вимірюється спеціальним датчиком, сигналізує про її пошкодження[1].

Для зменшення габаритів гелікоптера на стоянці або при базуванні в ангарах, на авіаносних кораблях і вертольотоносцях застосовуються несні гвинти, які складаються. Складування може здійснюватися вручну або автоматично[1].

Для зниження рівня вібрації, яка передається від несного гвинта на фюзеляж, на його втулці або лопастях встановлюються маятникові віброгасники. Для захисту від обледеніння лопаті гвинта обладнуються протиобліднювальними системами[1].

Існують різні схеми гелікоптерів. Більшість гелікоптерів у світі виконано за «класичною» схемою з одним несним гвинтом і кермовим гвинтом на хвостовій балці. Існують гелікоптери з двома несними співвісними гвинтами протилежного обертання, без кермового гвинта (Ка-25, Ка-27, Ка-50). Для таких машин застосовується термін «співвісний несний гвинт», при цьому розрізняють «верхній» та «нижній» гвинт.[2][3]

В залежності від положення несного гвинта в потоці повітря розрізняють два основних режими роботи: режим осьового обтікання, коли вісь втулки гвинта розташована паралельно до набігаючого незбуреного потоку, і режим косого обтікання, при якому потік повітря набігає на несний гвинт під кутом до осі втулки.

Існує проект несного гвинта, який фіксується в польоті, так званого X-Wing, що встановлюється на гелікоптер Sikorsky S-72[ru].

Несний гвинт, вміщений в кільцевий канал, називають імпелером, така конструкція збільшує потужність гвинта і зменшує шум, однак при цьому збільшується вага несної конструкції.

Існують також проекти несного гвинта з дисковим крилом, наприклад «Discrotor» фірми Boeing[4] або гелікоптер Еллехамера[en]. В проекті «Discrotor» лопаті несного гвинта телескопічні, але під час польоту лопаті можуть прибиратися всередину дискового крила.

Вібрації[ред. | ред. код]

При обертанні несного гвинта виникають вібрації, які можуть викликати передчасний вихід з ладу приладів, обладнання, і навіть призводити до руйнування літального апарату. До появи вібрації відносяться такі явища, як земний резонанс, флатер і вихрове кільце.

Земний резонанс[ред. | ред. код]

Зміщення центра мас гвинта, викликане поворотом лопатей у вертикальних шарнірах (1 — положення центра мас до повороту лопатей, 2 — після повороту лопатей).
Nuvola apps kaboodle.svg Зовнішні відеофайли
Nuvola apps kaboodle.svg Відео: Земний резонанс

Цьому явищу піддаються літальні апарати, у яких лопаті несного гвинта кріпляться до втулки з допомогою шарнірного з'єднання. Центр мас лопатей нерозкрученого гвинта знаходиться на його осі обертання. При обертанні гвинта лопаті можуть повертатися в своїх вертикальних шарнірах, і їх спільний центр мас зміщується вбік від осі обертання, що призводить до коливань втулки гвинта в горизонтальній площині. При збіжності гармонік цих коливань і власних коливань гелікоптера, який стоїть на землі на пружному шасі, виникають неконтрольовані коливання гелікоптера — земний резонанс.

Земний резонанс можна подавити, ввівши демпфування як у вертикальному шарнірі, так і в амортизаційній стійці шасі гелікоптера. Сприятливіші умови для створення земного резонансу утворюються при пробігу гелікоптера по землі.[5]

Флаттер[ред. | ред. код]

Докладніше: Флаттер (авіація)

Флатером називають самозбуджувані коливання лопатей несного гвинта, які відбуваються за рахунок енергії повітряного потоку і призводять до швидкого наростання амплітуди махового руху.[6] Флатер особливо небезпечний для співвісної схеми, оскільки через цей ефект відбувається перехлест лопатей. Для уникнення флатера в лопаті несного гвинта встановлюється протифлатерний вантаж, а на втулці маятникові віброгасники. На гелікоптерах з шарнірним і пружним типом з'єднання лопатей ознакою появи флатера під час польоту є «розмивання» конуса несного гвинта.

Вихрове кільце[ред. | ред. код]

Вихрове кільце

Вихрове кільце — критичний режим польоту гелікоптера, який розвивається при швидкому зниженні з малою поступальною швидкістю. Характеризується різкою втратою висоти і послабленням реакції гелікоптера на переміщення органів управління.[7] Гелікоптер різко збільшує швидкість зниження; внаслідок турбулентного стану потоку у вихровому кільці виникає тряска гелікоптера, погіршується стійкість та керованість.[8]

Схеми кріплення лопатей[ред. | ред. код]

Лопаті несного гвинта кріпляться до втулки, яка вільно обертається навколо валу гелікоптера. Існують наступні основні види таких з'єднань.

Шарнірне з'єднання[ред. | ред. код]

Шарнірне з'єднання на Мі-8

При шарнірному з'єднанні, винайденому Хуаном де Ла С'єрва, лопаті кріпляться до корпусу втулки послідовно через осьовий, вертикальний та горизонтальний шарніри. Завдяки шарнірному зчленуванню лопатей з корпусом втулки значно знижуються змінні напруження в елементах несного гвинта і зменшуються моменти аеродинамічних сил, які передаються від гвинта на фюзеляж гелікоптера.

Горизонтальні шарніри забезпечують можливість махового руху лопатей вверх-вниз; вертикальні дозволяють лопатям здійснювати коливання в площині обертання, які виникають під дією змінних сил лобового опору і сил Коріоліса, які з'являються при коливаннях лопаті відносно горизонтального шарніра; осьові шарніри призначені для зміни кутів установки лопатей.

Під час польоту на гелікоптерах із шарнірним з'єднанням можна побачити, що лопаті у повітрі описують не коло, а фігуру у вигляді воронки або конуса.

Пружне (безшарнірне) з'єднання[ред. | ред. код]

Пружне з'єднання на MBB Bo 105

Роль вертикального s горизонтального шарніру при такому з'єднанні відіграє пружний елемент, що виготовляється з композитних матеріалів, або торсіон. Це дозволяє у порівнянні з шарнірним з'єднанням зменшити кількість деталей, зменшити трудомісткість обслуговування, усунути необхідність змащування і збільшити ресурс несного гвинта у 3–10 разів. На несному гвинті з таким з'єднанням може бути значно підвищена ефективність керування у порівнянні з шарнірним, що сприяє збільшенню маневреності гелікоптера, до того ж послаблюється явище «земного резонансу».[9]

Напівжорстке з'єднання[ред. | ред. код]

Напівжорстке з'єднання лопатей гелікоптера фірми Bell

При такій схемі дві лопаті гвинта жорстко кріпляться до центральної втулки по типу гойдалок (коромисла): коли одна лопать здійснює маховий рух вгору, інша здійснює симетричний рух вниз. Льотчик, змінюючи положення ручки керування гелікоптером, тим самим змінює положення всієї площини обертання несного гвинта. Гелікоптер з напівжорсткою втулкою несного гвинта має хороші характеристики керованості. Важливою перевагою такої схеми є її простота (відсутність високонавантажених підшипників у шарнірах, демпферів та відцентрових обмежувачів схилу лопатей), полегшуючи і роблячи дешевшим виготовлення гвинта і обслуговування його в експлуатації. Гелікоптери з напівжорсткою схемою серійно виробляють фірми Bell і Robinson.

Жорстке з'єднання[ред. | ред. код]

Лопаті гвинта жорстко кріпляться до втулки, встановленої на приводному валу, з використанням тільки осьового шарніру. Така схема є найпростішою, але в той же час найсильніше піддається руйнівним вібраціям. До того ж така схема має підвищену масу у порівнянні з шарнірним з'єднанням. Варто відмітити, що змінні навантаження на лопаті несного гвинта в цьому випадку можуть бути зменшені за рахунок гнучкості самих лопатей. Жорстке з'єднання застосовується в повітряних гвинтах літаків і до винайдення Хуаном де Ла С'єрва шарнірного з'єднання використовувалось на всіх експериментальних гелікоптерах початку 20-го століття. В наш час таке з'єднання можна знайти в несних гвинтах гелікоптера Sikorsky X2.

Динаміка несного гвинта в польоті[ред. | ред. код]

Схема зон несного гвинта під час польоту

При поступальному русі гелікоптера в горизонтальній площині несний гвинт обтікається зустрічним повітряним потоком. У випадку його обертання за годинниковою стрілкою лопать, яка знаходиться зліва по напрямку польоту, рухається назустріч повітряному потоку (наступаюча лопать), а та, яка знаходиться справа — попутно йому (відступаюча лопать). Відповідно, швидкість наступаючої лопаті відносно набігаючого повітря вища, ніж швидкість відступаючої, і максимальна на азимуті 90°. Оскільки опір повітря і підйомна сила пропорційна до швидкості, наступаюча лопать створює більшу підйомну силу і зазнає більшого опору.

Лінійна швидкість пропорційна до відстані від осі обертання і, відповідно, максимальна на кінцях лопатей. При певних значеннях кутової швидкості обертання гвинта лінійна швидкість кінцевих ділянок наступаючої лопаті наближується до швидкості звуку, в результаті чого на цих ділянках розвивається хвильова криза. Навпаки, швидкість ряду ділянок відступаючої лопаті відносно повітря настільки мала, що на них відбувається зрив потоку, а ділянки, розташовані ще ближче до втулки, потрапляють в зону оберненого обтікання (профіль лопаті обтікається повітрям з гострої частини, що створює обернену підйомну силу).

Лопаті несного гвинта, які потрапляють в зони зриву потоку і хвильової кризи, характеризуються збільшенням вібрацій і різким зниженням підйомної сили. Протидіяти зриву потоку можна збільшенням кутової швидкості обертання несного гвинта, однак при цьому збільшується зона хвильової кризи. Негативний вплив зони хвильової кризи можна зменшити, застосувавши спеціальні закінцівки лопатей гвинта — наприклад, стрілоподібні.

Оскільки наступаючі лопаті створюють більшу підйомну силу, ніж відступаючі, для збереження балансу підйомних сил різних ділянок несного гвинта існує механізм компенсації. Механізм базується на застосуванні горизонтального шарніру і осьового шарніру, жорстко з'єднаного з автоматом перекосу. Під час польоту лопать знаходиться під кутом до обтікаючого повітряного потоку, опір повітря, що виникає при цьому, призводить до помаху лопаті вгору. Оскільки осьовий шарнір з'єднаний з автоматом перекосу, то при помаху лопаті вгору відбувається поворот лопаті в бік зменшення кута між лопатю і повітряним потоком. Зменшення цього кута призводить до зменшення підйомної сили лопаті.

І навпаки, при зменшенні швидкості обтікаючого повітряного потоку лопать опускається вниз, збільшується кут установки лопаті, збільшується підйомна сила.[10]

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

  • Конструкция вертолётов: Учебник для авиационных техникумов / Ю. С. Богданов, Р. А. Михеев, Д. Д. Скулков. — М. : Машиностроение, 1990. — 272 с.: ил с. — ISBN 5-217-01047-9; ББК 39,57я723 Б73; УДК 629.735.45.0.(рос.)

Посилання[ред. | ред. код]