Решение: Частота вращения воздушного винта самолета 1500 об

Из чего делают лопасти?

Лопасти устроены и работают вовсе не так, как крылья у самолета, так как они предназначены для иных условий. Главное различие в том, на вертолетные лопасти воздействуют не постоянные, а переменные нагрузки. Именно поэтому к материалу выдвигают особые требования, он должен быть очень прочным.

Критерии оценки материала для изготовления:

• какую усталостную прочность может выдержать, насколько устойчивым к трещинам будет;
• степень чувствительности к напряжению;
• удельная упругость и прочность.

Не нужно хорошо разбираться в физике, чтобы понять, что железо не подойдет. В свое время для изготовления лопастей использовали дерево, алюминиевый и титановые сплавы, нержавеющую и легированную сталь. Сейчас им на смену пришло более практичное решение — композиционные материалы.

Чтобы получить композиционный материал, сочетаются два вещества с разными характеристиками. Обычно это жесткий армирующий наполнитель и матрица. В роли первого могут использоваться стекловолокно или углеродное волокно, в роли второго часто идет смола синтетического происхождения. Смола термоактивная, поэтому при нагревании она становится не только жесткой, но стойкой к химическим воздействиям.

Так получается создавать относительно легкие конструкции, которые по прочности и износостойкости превосходят металлические.

Технология используется везде, где нужно снизить вес без ущерба другим характеристикам, в первую очередь в авиации. Углепластик из которого делают лучшие гоночные машины — тоже композитный материал. Со временем такие материалы становятся все лучше, конструкторы экспериментируют с разными составляющими для совершенствования характеристик. В вертолетостроении, как и в авиастроении в целом идет упор на интеллектуальные материалы: высокомодульные, устойчивые к высоким температурам, адаптирующиеся к разным условиям. От разработок в данной сфере и внедрения их в массовое производство зависит общий успех вертолетостроения.

При создании лопастей помимо типа материала нужно определиться с формой лонжерона. Обязательно происходит подгонка показателей жесткости и веса, это необходимо для отстройки резонанса. Чтобы обеспечить нужную степень стойкости, всегда особенный акцент делается на земном резонансе.

Земной резонанс

Так называют совпадение частоты колебаний вертолета и несущего винта. Оно должно достигаться в момент, когда конструкция находится на земле, отсюда и название — земной. В этот период амортизаторы не полностью зажаты, они не могут поглотить и компенсировать всех колебаний. Вибрации такого типа называют самовозбуждающимися, они наблюдаются только в поперечной плоскости.

Появилось это понятие не сразу, а после того, как в строение были добавлены вертикальные шарниры. Однако, при определенных условиях явление может коснуться и вертолетов с полозковыми шасси, когда они пребывают во взвешенном состоянии.

В воздухе лопастная часть НВ создает колебания вокруг расположенных вертикально шарниров, так работает сила Кориолиса. Под воздействием этой силы любой объект, который расположен в южном полушарии планеты при движении будет отклоняться влево, в северном — вправо. Она действует и на человека, которые прогуливается неспешным шагом, но влияние на объект, который движения в воздухе на высокой скорости, будет более ощутимым. Свою роль играет и переменное профильное сопротивление, которое меняется в зависимости от расположения в пространстве. Но такие колебания не будут иметь существенного значения, так как своими оборотами на полной скорости винт создает внушительные центробежные силы. И если центр вращения совпадает с центром тяжести секторов винта, то вибрации загасятся.

При пробеге и разбеге до или после взлета обороты будут ниже, соответственно центробежные силы тоже. Аппарат будет колебаться из-за неровной поверхности под ним, а также потому, что вышеперечисленные условия не будут соблюдены. За счет этого несущая система начнет раскачиваться, а с ней и весь корпус, дополнительную энергию колебания будет добавлять двигатель. Когда колебания несущей системы и всех конструкции не совпадают, появляется резонанс. И он может разорвать конструкцию, если пилот не примет верного решения. Рулевой винт начнет работать по принципу гироскопа, это приводит к повреждению хвостовой балки.

Когда возникает и как распознать?

Есть ряд условий, которые могут спровоцировать данное явление:

• несоблюдение правил при использовании амортизаторов, вертикальных шарниров и пневматиков колес;
• при сильных порывах ветра;
• если взлетать или садиться, разбегаясь на неровной поверхности или наскакивая на кочку;
• в жару, когда в гидравлических демферах сгущается масло;
• при высоком значении общего шага НВ во время движения по земле.

Пилоту несложно это распознать, при вертикальной посадке или пробежке по земле вертолет начинает раскачиваться, сначала на небольшую амплитуду, потом сильнее по нарастающей. Задачей пилота становится уменьшение энергии колебаний и при возможности избавление от их причин. Все это должно произойти очень быстро, так как разрушение корпуса может начаться уже через 6-7 секунд.

Режим вихревого кольца

Не менее опасное явление, когда под винтом сталкиваются два потока: набегающий снизу и индуктивный сверху. Так происходит при посадке, когда двигатель работает на небольшой поступательной скорости и высокой вертикальной. Вертолет начинает беспорядочно колебаться, и это требует моментальной реакции от пилота.

Провоцирующие факторы:

• если горизонтальная скорость снижается до 40 км в час и меньше, а вертикальная превышает 2 метра в секунду.;
• попутный ветер при посадке;
• необходимость зайти на небольшую площадку, вокруг которой высокие ограничения;
• выход из авторотации на низкой скорости, если предварительно не увеличить поступательную;
• большая высота и высокая температура воздуха;
• загруженность, близкая к максимальной.

Признаками становятся не только колебания, но и самопроизвольный рост вертикальной скорости на посадке, изменения в частоте вращения винта, снижение эффективности управления. Пилот плавно увеличивает общий шаг винта, чтобы скинуть вертикальную скорость. Если сделать так не получается, то он будет повышать горизонтальную скорость, чтобы она стала более 40 км в час, достигнет этой величины и перестанет снижать вертолет увеличением шага. Если при посадке произошел перелет, то оптимальным решением станет пойти на второй круг и начать снижаться вовремя.

Тестирования несущего винта

Вторая важная деталь помимо лопастей — втулка. Она создается с учетом требований по использованию, например, чтобы она позволяла складывать лопасти во время простоя. В ней есть несколько типов шарниров: упругости, скольжения, качения, вертикальные, так обеспечивается нужный уровень мобильности. Обязательно применяется технология для упрочнения, так как от втулки зависит прочность и надежность всего механизма НВ. Готовые изделия проходят ряд испытаний, это необходимо для того, чтобы убедиться в соответствии всем стандартам, только потом начинается серийное производство.

Прочность подшипников втулки рассчитывается с запасом, чтобы она выдерживала нагрузки от всех маневров при полной загруженности, а также сопротивление воздуха с сильными непредсказуемыми потоками. Для проверки прочности составляется программа использования на износ. В таких проверках исследуют надежность как минимум трех образцов. Тестирования могут проводить не только в воздухе, но и на земле, но только при условии полного воссоздания всех условий и объема нагрузок. Необходимо проверить ресурс без вращающихся винтов, это делается при помощи специальных стендов, затем с ними, используя натурный вертолет или испытательные башни. Последняя стадия тестирования — в аэродинамической трубе.

Для лопастей предусмотрены усталостные тестирования, их цель — оценить долговечность в реальных условиях. То есть узнать, сколько деталь прослужит под влиянием меняющихся нагрузок. Для этого предусмотрены резонансные стенды, нагрузку на которые подает инерционное виброустройство, его устанавливают прямо на тестируемый экземпляр. Необходимо проверить устойчивость не только к поперечным нагрузкам, но при подгрузках в статическом режиме и от центробежной силы. Исследователи отмечают, под каким воздействием появляются усталостные трещины, как быстро они расходятся. Это позволяет определить оптимальный период проведения планового обслуживания, соответственно, продлить срок службы вертолета.

Таким образом добиваются безопасности, надежности и долговечности вертолетов, их совершенствования и более точного соответствия целям, для которых те предназначены. Совершенствуется все, и применяемые технологии, и материалы, из чего делают лопасти вертолета. Глобальные изменения переживают даже те части конструкции, которые десятилетиями считаются фундаментальными.

Тяга несущего винта

Подсчитаем тягу несущего винта. Если рассматривать поверхность (площадь F), ометаемую винтом при его вращении, как непроницаемую плоскость, то мы увидим, что на эту плоскость сверху действует давление pi, а снизу давление р2, причем р-2 больше рх.

Из второго закона механики известно, что масса получает ускорение лишь тогда, когда на нее действует какая- либо сила. Причем эта сила равна произведению массы на ускорение и направлена в сторону ускорения (в нашем случае вниз).

Читайте также:  Замена масла в редукторе лодочного мотора: особенности, описание процесса и рекомендации

Что это за сила? С одной стороны, очевидно, что эта сила есть результат воздействия винта на воздух. С другой стороны, это? силе согласно третьему закону механики должно соответствовать равное по величине и противоположное по направлению воздействие воздуха на винт. Последнее есть не что иное, как сила тяги винта.

Однако если мы посмотрим на динамометр, измеряющий фактическую тягу винта, мы установим, что наш подсчет несколько неточен. В действительности тяга будет меньше, так как мы считали работу винта идеальной и не принимали в расчет потери энергии на трение и на закручивание струи воздуха за винтом.

Фактически частички воздуха подходят к винту, имея не только индуктивную скорость в осевом направлении, перпендикулярную к плоскости вращения, но и скорость закручивания. Поэтому при подсчете индуктивных скоростей подсасывания их и отбрасывания и2 учитывается также закручивание воздуха при вращении несущего винта.

В формуле тяги коэффициенту подъемной силы су подобен коэффициент тяги; скорости полета соответствует окружная скорость концов лопастей винта, имеющего радиус г и угловую скорость, площади крыла 5 соответствует площадь диска, ометаемого винтом, лг2. Коэффициент определяется по кривой продувки данного винта на различных углах атаки.

Величину безразмерного коэффициента тяги для конкретного, уже созданного винта, работающего на данном режиме, можно подсчитать, разделив тягу Т винта, выраженную в килограммах, на произведение других параметров винта, которое также имеет размерность силы тяги кг.

Мы установили, что если подъемная сила самолета создается за счет отбрасывания вниз воздуха крылом, то подъемная сила вертолета создается путем отбрасывания вниз воздуха несущим винтом.

Когда вертолет имеет поступательную скорость, то, естественно, объем отбрасываемого вниз воздуха увеличивается.

В силу этого при затрате одной и той же мощности несущий винт вертолета, имеющего поступательную скорость, развивает большую тягу, чем винт висящего вертолета.

И, наоборот, для создания одной и той же тяги На винт вертолета, имеющего поступательную скорость, надо передавать меньшую мощность, чем на винт висящего вертолета.

Уменьшение потребной мощности с ростом скорости происходит только до определенного значения скорости, при которой увеличение сопротивления воздуха движению вертолета не только поглощает выигрыш в мощности, но даже требует последнюю увеличивать.

Узлы и агрегаты техники

Третий этап расчета воздушного винта

Целью третьего этапа является проверка воздушного винта на прочность. Этот этап расчета сводится к определению нагрузок, действующих в различных сечениях лопастей, и сравнению их с допустимыми с учетом геометрии и материала, из которого изготовлены лопасти.

Для определения нагрузок лопасть разбивается на отдельные элементы, как и на втором этапе расчета, начиная с сечения =0,3 с шагом 0,1 до =1.

На каждый выделенный элемент лопасти массой т на радиусе r (рис. 6. 11) действуют инерционная сила

и элементарная аэродинамическая сила F. Под воздействием этих сил, от всех элементарных участков, лопасть растягивается и изгибается. В результате в материале лопасти возникают напряжения растяжения-сжатия. Наиболее нагруженными (рис. 6. 12)

Рис 6.12 Распределение напряжений в сечении лопасти винта

оказываются волокна задней стороны лопасти, так как в этих волокнах напряжения от инерционных сил и изгибающего момента складываются. Для обеспечения заданной прочности необходимо, чтобы фактические напряжения в этих наиболее отдаленных от оси сечения лопасти участках были меньше допустимых для выбранного материала.

Значения необходимых для расчетов радиусов r, на которых расположены рассматриваемые участки лопасти, хорд b, относительных толщин и сил F берутся из таблиц второго этапа расчета. Затем для каждого участка последовательно определяются:

• толщина сечения c= b
• площадь сечения S=k3 bc
• объем участка V=S R
• масса участка m=y V
• инерционная сила P =

Коэффициент заполнения k3 зависит от профиля, используемого для винта. Для наиболее распространенных винтовых профилей он равняется: Clark-Y- k 3 =0,73; BC-2- k3 =0,7 и РАФ-6- k3 = 0,74.

После вычислений величин Pин на каждом отдельном участке производится их суммирование от свободного конца лопасти до рассматриваемого сечения. Разделив суммарную силу, действующую в каждом рассматриваемом сечении, на площадь этого сечения, можно получить напряжения растяжения от инерционных сил.

Напряжения изгиба лопасти под воздействием аэродинамических сил F определяются как для консольной балки с неравномерно распределенной нагрузкой.

Как отмечалось ранее, максимальные напряжения будут в задних волокнах лопасти и определяются как сумма напряжений от инерционных и аэродинамических сил. Величина этих напряжений не должна превышать 60. 70 % от временного сопротивления материала лопасти.

Если прочность лопасти обеспечена, то расчет воздушного винта можно считать завершенным.

Если прочность лопасти не обеспечивается, то необходимо либо выбрать другой, более прочный материал, либо, увеличив относительную ширину лопасти, повторить все три этапа расчета.

Читайте также:  Бортовой регистрационный номер маломерного судна — размеры и расположение с 1 января 2017 года

Если относительная ширина лопасти превышает 0,075 для винтов, выполненных из твердых пород дерева, и 0,09 для винтов, выполненных из мягких пород дерева, то необходимость выполнения третьего этапа расчета отпадает, так как заведомо будет обеспечена необходимая прочность.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко «Расчет и проектирование СЛА»

Виды самолетных винтов

Для создания винтовых самолетов практически всегда применяются только тянущие варианты. В более редких случаях можно встретить самолеты с толкающими пропеллерами. Толкающие винтовые изделия располагаются в задней части самолета. Стоит отметить, что КПД тянущего винта больше, чем у толкающего.

Несущий вид не встречается на самолетах. Исключением является гибрид, который именуется винтопланом. Лопасти несущих винтов конвертоплана обладают большей длиной. Их примерный размер сопоставим с лопастями вертолета.

Винты с разным количеством лопастей

Лопастной винт самолета должен обладать высокой прочностью и надежностью. Для создания безопасных воздушных суден применяются винтовые изделия с регулируемым шагом, который позволяет изменять положение лопастей. При необходимости это позволяет осуществить флюгирование, чтобы уменьшить лобовое сопротивление при отказе двигателя.

На современном самолете может быть до 4 винтомоторных установок. Средняя скорость винтовых самолетов составляет 500 километров в час. Быстрейшим турбовинтовым самолетом считается Ту-95.

Преимущества и недостатки

Среди главных преимуществ выделяют высокий коэффициент полезного действия и низкий расход топлива у винтовых самолетов. Среди недостатков использования винтомоторных установок выделяют:

• низкую скорость судна;
• высокую шумность;
• ограничения эксплуатационного характера.

Из-за низких скоростей винтовых самолетов их применяют только для ограниченного ряда задач. Турбовинтовые самолеты практически не применяются в пассажирской авиации. В большинстве случаев их используют для транспортировки грузов.

Оцените полезность статьи, нам будет приятно 🙂