Konstrukce motorů pro sportovní letadla a vrtulníky. Jak funguje vrtulník? Výroba ve společnosti OJSC Rybinsk Motors
Dnes lidé vynalezli mnoho různých typů technologií, které se mohou nejen pohybovat po silnicích, ale také létat. Letadla, vrtulníky a další letadla umožnila prozkoumat vzdušný prostor. Motory vrtulníků, které byly vyžadovány pro běžný provoz příslušných strojů, jsou vysoce výkonné.
Obecný popis zařízení
V současné době se takové jednotky dodávají ve dvou typech. Prvním typem jsou pístové motory nebo druhým typem jsou motory dýchající vzduch. Kromě toho může raketový motor fungovat také jako motor vrtulníku. Obvykle se však nepoužívá jako hlavní, ale krátce se zařadí do provozu stroje, když je potřeba další výkon, například při přistání nebo vzletu.
Dříve se často používaly pro instalaci na vrtulníky. Měly jednohřídelovou konstrukci, ale začaly být poměrně silně nahrazovány jinými typy zařízení. To se projevilo zejména u vícemotorových vrtulníků. V tomto typu technologie jsou nejpoužívanější dvouhřídelové turbovrtulové vrtulníkové motory s tzv. volnou turbínou.
Dvouhřídelové jednotky
Charakteristickým rysem takových zařízení bylo, že turbodmychadlo nemělo přímé mechanické spojení s hlavním rotorem. Použití dvouhřídelových turbovrtulových jednotek bylo považováno za velmi efektivní, protože umožňovaly plně využít výkonovou strukturu vrtulníku. Jde o to, že v tomto případě rychlost otáčení hlavního rotoru zařízení nezávisela na rychlosti otáčení turbodmychadla, což zase umožnilo zvolit optimální frekvenci pro každý letový režim zvlášť. Jinými slovy, dvouhřídelový turbovrtulový vrtulníkový motor zajišťoval efektivní a spolehlivý provoz elektrárny.
Pohon proudové vrtule
Vrtulníky také využívají proudový pohon vrtule. V tomto případě bude obvodová síla působit přímo na samotné listy vrtule, bez použití těžkého a složitého mechanického převodu, který by nutil celou vrtuli otáčet. K vytvoření takovéto obvodové síly se používají buď autonomní proudové motory, které jsou umístěny na listech rotoru, nebo se uchýlí k výronu plynu (stlačeného vzduchu). V tomto případě bude plyn vystupovat speciálními otvory trysky, které jsou umístěny na konci každé lopatky.
Pokud jde o ekonomický provoz reaktivního pohonu, zde bude horší než mechanický. Pokud zvolíte nejekonomičtější variantu pouze mezi proudovými zařízeními, pak je nejlepší proudový motor, který je umístěn na listech vrtule. Konstruktivní vytvoření takového zařízení se však ukázalo jako příliš obtížné, a proto se taková zařízení nedostala do širokého praktického využití. Kvůli tomu továrny na vrtulníkové motory nezačaly sériovou výrobu.
První modely turbohřídelových zařízení
První turbohřídelové motory byly vytvořeny již v 60-70. Je třeba zmínit, že v té době takové vybavení plně vyhovovalo všem potřebám nejen civilního, ale i vojenského letectví. Takové jednotky byly schopny poskytnout paritu a v některých případech nadřazenost nad vynálezy konkurentů. Nejmasovější výroby turbohřídelových vrtulníkových motorů bylo dosaženo montáží modelu TV3-117. Stojí za zmínku, že toto zařízení mělo několik různých úprav.
Kromě toho se stal populárním také model D-136. Před uvedením těchto dvou modelů se vyráběly D-25V a TV2-117, které však v té době již nemohly konkurovat novým motorům, a proto byla jejich výroba zastavena. Sluší se však říci, že se jich vyrobilo poměrně hodně a stále se instalují na ty typy letecké dopravy, které byly vydány již poměrně dávno.
Gradace vybavení
V polovině 80. let vyvstala potřeba sjednotit konstrukci motoru vrtulníku. Aby se problém vyřešil, bylo rozhodnuto uvést všechny turbohřídelové a turbovrtulové motory dostupné v té době do společného rozsahu velikostí. Tento návrh byl přijat na vládní úrovni, a proto vzniklo rozdělení do 4 kategorií.
První kategorií jsou zařízení s výkonem 400 koní. s., druhý - 800 l. s., třetí - 1600 l. S. a čtvrtý - 3200 l. S. Kromě toho bylo povoleno vytvoření dalších dvou modelů vrtulníkového motoru s plynovou turbínou. Jejich výkon byl 250 koní. S. (kategorie 0) a 6000 l. S. (kategorie 5). Kromě toho se předpokládalo, že každá kategorie těchto zařízení bude schopna generovat energii o 15–25 %.
Další vývoj
Aby bylo možné plně zajistit vývoj a konstrukci nových modelů, provedl CIAM poměrně rozsáhlé výzkumné práce. To umožnilo získat vědeckotechnický základ (NTR), podle kterého bude rozvoj této oblasti postupovat.
Tato NTZ naznačila, že princip činnosti vrtulníkových motorů budoucích generací by měl být založen na jednoduchém principu Braytonova termodynamického cyklu. V tomto případě bude vývoj a stavba nových bloků slibná. Pokud jde o konstrukci nových modelů, měly by mít jednohřídelový plynový generátor a výkonovou turbínu s dopředným výstupem výkonové hřídele přes tento plynový generátor. Kromě toho má konstrukce obsahovat také vestavěnou převodovku.
V souladu se všemi požadavky vědeckého a technického zázemí byly v Omsk Design Bureau zahájeny práce na výrobě takového modelu motoru vrtulníku, jako je TV GDT TV-0-100, výkon tohoto zařízení měl být 720 hp. . s., a bylo rozhodnuto jej použít na stroji jako Ka-126. V 90. letech však byly všechny práce zastaveny, a to navzdory skutečnosti, že v té době bylo zařízení poměrně pokročilé a mělo také schopnost zvýšit výkon na ukazatele, jako je 800-850 hp. S.
Výroba ve společnosti OJSC Rybinsk Motors
Ve stejné době společnost Rybinsk Motors OJSC dolaďovala takový model motoru, jako je TV GDT RD-600V. Výkon zařízení byl 1300 litrů. s., a bylo plánováno jeho použití pro takový typ vrtulníku, jako je Ka-60. Plynový generátor pro takovou jednotku byl vyroben podle poměrně kompaktního designu, který zahrnoval čtyřstupňový odstředivý kompresor. Měl 3 axiální stupně a 1 odstředivý stupeň. Rychlost otáčení poskytovaná takovou jednotkou dosahovala 6000 ot./min. Vynikajícím doplňkem bylo, že takový motor byl navíc vybaven ochranou před prachem a nečistotami a také před vniknutím jiných cizích předmětů. Tento typ motoru prošel mnoha různými testy a jeho konečná certifikace byla dokončena v roce 2001.
Dále stojí za zmínku, že souběžně s vylepšováním tohoto motoru specialisté pracovali na vytvoření turbovrtulového motoru TVD-1500B, který byl plánován pro použití na vrtulnících An-38. Výkon tohoto modelu je pouhých 100 koní. S. vyšší a činil tak 1400 litrů. S. Co se týče plynového generátoru, jeho uspořádání a vybavení bylo stejné jako u modelu RD-600V. Během jejich vývoje, tvorby a konfigurace bylo plánováno, že budou tvořit základ pro rodinu motorů, jako jsou turbohřídele a turbovrtule.
Motocykl s motorem vrtulníku
Dnes výroba různých typů zařízení pokročila poměrně široce. To platí téměř pro všechna průmyslová odvětví, včetně výroby motocyklů. Každý výrobce se vždy snažil, aby byl jeho nový model jedinečnější a originálnější než jeho konkurenti. Kvůli této touze nedávno Marine Turbine Technologies vydala první motocykl, který byl poháněn motorem vrtulníku. Tato změna samozřejmě velmi ovlivnila jak konstrukční část stroje, tak i jeho technické vlastnosti.
Parametry zařízení
Vlastnosti motocyklu, který má k dispozici vrtulníkový motor, má přirozeně i jedinečné technické parametry. Kromě toho, že taková novinka umožnila zrychlit motorku na téměř nepředstavitelných 400 km/h, existují i další vlastnosti, které také stojí za pozornost.
Za prvé, objem palivové nádrže tohoto modelu je 34 litrů. Za druhé, hmotnost zařízení se poměrně výrazně zvýšila a činí 208,7 kg. Výkon tohoto motocyklu je 320 koní. Maximální možná rychlost, které by bylo možné na takovém zařízení dosáhnout, je 420 km/h a velikost jeho ráfků je 17 palců. Poslední věc, která stojí za zmínku, je, že činnost motoru vrtulníku značně ovlivnila proces zrychlení, a proto zařízení dosáhne svého limitu během několika sekund.
První takový výtvor, který Marine Turbine Technologies ukázala světu, se jmenoval Y2K. Zde můžeme dodat, že přesný čas zrychlení na 100 km/h trvá pouze jeden a půl vteřiny.
Shrneme-li vše výše uvedené, můžeme říci, že průmysl výroby vrtulníkových motorů ušel dlouhou cestu a současný vývoj technologií umožnil použití produktů i ve vybavení, jako jsou motocykly.
Listy hlavního rotoru vrtulníku musí být postaveny tak, aby při vytváření potřebné vztlakové síly vydržely veškeré zatížení na ně kladené. A nejenže by vydržely, ale měly by také určitou rezervu pro všechny druhy nepředvídaných případů, které se mohou vyskytnout za letu a při údržbě vrtulníku na zemi (například prudký poryv větru, proudění vzduchu vzhůru, prudký manévr, námraza listů, nešikovné otáčení vrtule po startu motoru atd.).
Jedním z konstrukčních režimů pro výběr hlavního rotoru vrtulníku je režim vertikálního stoupání v jakékoli výšce zvolené pro výpočet. V tomto režimu je v důsledku chybějící translační rychlosti v rovině rotace vrtule požadovaný výkon větší.
Když přibližně znají hmotnost navrhovaného vrtulníku a specifikují velikost užitečného zatížení, které bude muset vrtulník zvednout, začnou vybírat vrtuli. Volba vrtule spočívá ve volbě průměru vrtule a počtu jejích otáček za minutu, při kterých by mohlo být návrhové zatížení vertikálně zvednuto vrtulí s nejmenší spotřebou energie.
Je známo, že tah hlavního rotoru je úměrný čtvrté mocnině jeho průměru a pouze druhé mocnině počtu otáček, to znamená, že tah vyvíjený hlavním rotorem je více závislý na průměru než na počtu otáček. revolucí. Proto je snazší získat daný tah zvětšením průměru než zvýšením počtu otáček. Takže například zvětšením průměru 2krát získáme tah 24 = 16krát větší a zdvojnásobením počtu otáček získáme tah pouze 22 = 4krát větší.
Znáte-li výkon motoru, který bude instalován na vrtulníku pro pohon rotoru, nejprve vyberte průměr rotoru. K tomu se používá následující poměr:
List rotoru pracuje ve velmi obtížných podmínkách. Působí na něj aerodynamické síly, které ho ohýbají, kroutí, trhají a mají tendenci odtrhávat od něj kůži. Aby „odolal“ takovým aerodynamickým silám, musí být čepel dostatečně pevná.
Při létání v dešti, sněhu nebo mracích s podmínkami vhodnými pro tvorbu námrazy je ovládání radlice ještě obtížnější. Kapky deště, dopadající na čepel obrovskou rychlostí, z ní oklepávají barvu. Když se na lopatkách objeví námraza, tvoří se ledové výrůstky, které deformují její profil, narušují její výkyvný pohyb a činí ji těžší. Při uložení vrtulníku na zem mají náhlé změny teploty, vlhkosti a slunečního záření destruktivní účinek na čepel.
To znamená, že čepel musí být nejen pevná, ale musí být i imunní vůči vlivu vnějšího prostředí. Ale kdyby jen tohle! Pak by se čepel dala vyrobit celokovová, pokrýt ji antikorozní vrstvou a problém by byl vyřešen.
Ale je tu ještě jeden požadavek: čepel, kromě toho, musí být také lehká. Proto je vyrobena dutá Konstrukce čepele je založena na kovovém nosníku, nejčastěji ocelové trubce proměnného průřezu, jejíž plocha se postupně nebo stupňovitě zmenšuje od kořenové části ke konci čepele. .
Nosník jako hlavní podélný silový prvek lopatky zachycuje smykové síly a ohybový moment. V tomto ohledu je činnost nosníku lopatky podobná jako u nosníku křídla letadla. Nosník listu je však také vystaven odstředivým silám v důsledku rotace rotoru, což není případ nosníku křídla letadla. Vlivem těchto sil je nosník čepele vystaven tahu.
K nosníku jsou přivařeny nebo přinýtovány ocelové příruby pro uchycení sady příčných sil - žeber listu. Každé žebro, které může být kovové nebo dřevěné, se skládá ze stěn a polic. Kovové opláštění se lepí nebo přivařuje ke kovovým policím, překližkové opláštění se lepí nebo přivařuje k dřevěným policím nebo se překližkové opláštění lepí na špičku a plátěné opláštění je našito k ocasu, jak je znázorněno. V příďové části profilu jsou žebrové příruby připevněny k přednímu podélníku a v ocasní části k zadnímu podélníku. Výplety slouží jako pomocné podélné zpevňovací prvky.
Kůže pokrývající příruby žeber tvoří profil čepele v libovolné části. Nejlehčí je plátěný potah. Aby se však předešlo deformaci profilu v důsledku prohnutí textilního potahu v oblastech mezi žebry, musí být žebra čepele umístěna velmi často, přibližně 5-6 cm od sebe, což činí čepel těžší. Povrch čepele se špatně napnutým látkovým potahem vypadá jako žebrovaný a má nízké aerodynamické vlastnosti, protože jeho odpor je vysoký. Během jedné otáčky se profil takové lopatky změní, což přispívá ke vzniku dalších vibrací vrtulníku. Látkový potah je proto impregnován dopovací látkou, která při vysychání látku silně napíná.
Při výrobě překližkových potahů se zvyšuje tuhost čepele a vzdálenost mezi žebry se může zvětšit 2,5krát ve srovnání s čepelemi potaženými tkaninou. Pro snížení odolnosti je povrch překližky hladce zpracován a leštěn.
Dobrých aerodynamických tvarů a velké pevnosti lze dosáhnout vyrobením duté celokovové čepele. Náročnost při jeho výrobě spočívá ve výrobě nosníku proměnného průřezu, který tvoří oblouk profilu. Ocasní část profilu lopatky je vyrobena z plechového pouzdra, jehož náběžné hrany jsou svařeny v rovině s nosníkem a odtokové hrany jsou k sobě snýtovány.
Profil listu rotoru vrtulníku je zvolen tak, aby s rostoucím úhlem náběhu docházelo k zastavení proudění při nejvyšších možných úhlech náběhu. To je nezbytné, aby se zabránilo zastavení proudění na ustupující lopatke, kde jsou úhly náběhu obzvláště vysoké. Kromě toho, aby se zabránilo vibracím, musí být profil zvolen tak, aby se při změně úhlu náběhu neměnila poloha středu tlaku.
Velmi důležitým faktorem pro pevnost a výkon čepele je vzájemná poloha těžiště a těžiště profilu. Faktem je, že při kombinovaném působení ohybu a kroucení je čepel vystavena samobuzeným vibracím, tj. vibracím se stále se zvyšující amplitudou (flutter). Aby se zabránilo vibracím, musí být list vůči tětivě vyvážený, to znamená, že poloha těžiště na tětivě musí být zajištěna tak, aby nedocházelo k samonarůstajícím vibracím. Úkol vyvažování spočívá v zajištění toho, aby těžiště profilu konstruované lopatky bylo před středem tlaku.
Pokračujeme v uvážení drsných provozních podmínek listu rotoru, je třeba poznamenat, že poškození dřevěného pláště listu kapkami deště lze zabránit zesílením plechového lemování podél jeho náběžné hrany.
Boj s námrazou čepelí je složitější úkol. Pokud takové druhy námrazy za letu jako mráz a jinovatka nepředstavují pro vrtulník velké nebezpečí, pak skelný led, postupně a neznatelně, ale extrémně pevně narůstající na radlici, vede k zatěžování čepele, deformaci jejího profilu a v konečném důsledku ke snížení vztlakové síly, což vede k prudké ztrátě ovladatelnosti a stability vrtulníku.
Teorie, která kdysi existovala, že led se za letu odštípne v důsledku máchání lopatek, se ukázala jako nepodložená. Námraza čepele začíná nejprve u kořenové části, kde je ohyb čepele při jejím máchavém pohybu malý. Následně se vrstva ledu začne šířit stále dále ke konci čepele a postupně mizí. Existují případy, kdy tloušťka ledu v kořenové části dosáhla 6 mm a na konci čepele - 2 mm.
Námraze lze zabránit dvěma způsoby.
První způsob- jedná se o pečlivé prostudování předpovědi počasí v letové oblasti, vyhýbání se mrakům nacházejícím se na cestě a změnu výšky letu za účelem vymanit se z námrazy, zastavit let atd.
Druhý způsob- vybavení nožů zařízeními proti námraze.
Pro lopatky vrtulníků je známa celá řada těchto zařízení. Chcete-li odstranit led z lopatek rotoru, můžete
měl by se použít lihový odmrazovač, který stříká líh na náběžnou hranu vrtule. Ten po smíchání s vodou snižuje bod tuhnutí a zabraňuje tvorbě ledu.
Led lze z lopatek rotoru odštípnout vzduchem, který je čerpán do pryžové komory položené podél náběžné hrany rotoru. Nafukovací komora rozbíjí ledovou krustu, jejíž jednotlivé kusy jsou pak proudem vzduchu smeteny z listů vrtule.
Pokud je náběžná hrana listu rotoru vyrobena z kovu, může být ohřívána buď elektřinou, nebo teplým vzduchem procházejícím potrubím vedeným podél náběžné hrany rotoru.
Budoucnost ukáže, která z těchto metod najde širší uplatnění.
Pro aerodynamické charakteristiky hlavního rotoru má velký význam počet listů hlavního rotoru a měrné zatížení plochy zametané rotorem. Počet listů rotoru může být teoreticky libovolný, od jednoho nekonečně velkého počtu, tak velký, že nakonec splynou do spirálové plochy, jak se předpokládalo v projektu Leonarda da Vinciho nebo u vrtulníku I. Bykova.
Existuje však určitý počet lopatek, který je nejvýhodnější. Počet listů by neměl být menší než tři, protože u dvou listů dochází k velkým nevyváženým silám a kolísání tahu vrtule. Je znázorněna změna tahu hlavního rotoru kolem jeho průměrné hodnoty během jedné otáčky rotoru u jednolistých a dvoulistých vrtulí. Třílistá vrtule prakticky udržuje průměrnou hodnotu tahu po celou dobu otáčení.
Počet lopatek rotoru by také neměl být příliš velký, protože v tomto případě každá lopatka pracuje v proudu rušeném předchozí lopatkou, což snižuje účinnost hlavního rotoru.
Čím více listů vrtule, tím větší část plochy zameteného disku zabírají. Do teorie rotoru vrtulníku byl zaveden pojem faktoru plnění o, který se vypočítává jako podíl celkové plochy
Pro návrhový provozní režim nosného rotoru vrtulníku (strmé stoupání) je nejpříznivější hodnota faktoru plnění 0,05-0,08 (průměrná hodnota 0,065).
Tato zátěž je průměrná. Lehká zátěž je zátěž v rozmezí 9-12 kg/m2. Vrtulníky přepravující takový náklad jsou obratné a mají vysokou cestovní rychlost.
Vrtulníky pro všeobecné použití mají průměrné zatížení v rozmezí od 12 do 20 kg/m2. A konečně velké zatížení, zřídka používané, je zatížení od 20 do 30 kg/m2.
Faktem je, že ačkoli vysoké specifické zatížení na zametané ploše poskytuje vrtulníku velké užitečné zatížení, pokud dojde k poruše motoru, bude takový vrtulník rychle klesat v režimu samorotace, což je nepřijatelné, protože v tomto případě je bezpečnost vrtulníku sestup je ohrožen.
Aby měl vrtulník vysoké výkonové charakteristiky a byl efektivním vozidlem, které se snadno ovládá, musí splňovat řadu požadavků. Tyto požadavky lze rozdělit na obecné pro všechna letadla (AC) a speciální v závislosti na zamýšleném účelu a vlastnostech bojového použití.
Obecné požadavky zahrnují:
- - získání přidělených údajů o letovém výkonu, dostatečné charakteristiky stability a řiditelnosti při nejnižších nákladech na energii;
- - dostatečná (nikoli však nadměrná) pevnost a tuhost konstrukce, zajišťující absorpci provozních zatížení bez zbytkových deformací a absenci nebezpečných vibrací;
- - vysoká schopnost přežití v boji, tj. schopnost letadla pokračovat v plnění mise poté, co bylo vystaveno nepřátelským smrtícím zbraním;
- - spolehlivost návrhu, která závisí na jeho dokonalosti, kvalitě výroby, provozních podmínkách;
- - vyrobitelnost provedení, t.j. možnost rozsáhlé mechanizace a automatizace výrobních procesů, použití vysoce výkonných procesů (lisování, válcování, svařování atd.), vysoký stupeň standardizace dílů a sestav;
- - minimální hmotnost konstrukce, která je zajištěna racionálním výběrem materiálů, silových obvodů a také objasněním stávajících zatížení;
- - snadné použití, zajištěné dostatečným počtem provozních konektorů, poklopů pro kontrolu a práci na zařízení, minimálním počtem součástí a systémů, které vyžadují seřízení, a použitím účinných ovládacích prostředků;
- - udržovatelnost, tj. schopnost rychle a levně obnovit poškozené díly, která je zajištěna zaměnitelností hlavních dílů a prvků a širokým používáním modulárních struktur;
- - bezpečnost letu zajištěná spolehlivostí zařízení, dobrými aerodynamickými vlastnostmi, použitím speciální automatiky usnadňující pilotáž a signalizací blížících se nebezpečných letových podmínek.
Mnohé z těchto požadavků jsou protichůdné. Při navrhování vrtulníků jsou tyto rozpory překonány přijímáním kompromisních rozhodnutí nebo vývojem zásadně nových konstrukcí.
Vzhledem k rostoucí složitosti letecké techniky a zvyšujícím se požadavkům na úroveň bezpečnosti letu výrazně vzrostl význam ergonomických požadavků na JTA. Ergonomické požadavky spadají na přizpůsobivost letadla, jeho kokpitu, ovládacích pák, přístrojového vybavení a dalšího vybavení fyziologickým a psychickým možnostem člověka pro co nejefektivnější využití schopností letadla i pilota. V tomto ohledu je velmi důležité správné rozdělení funkcí mezi automatizaci JIA a pilota.
Ergonomické požadavky zahrnují hygienické, antropometrické, fyziologické a psychofyziologické požadavky na LA. Hygienické požadavky se scvrkají na dodržování norem mikroklimatu a omezení vlivu škodlivých faktorů prostředí na člověka (hluk, vibrace, teplota atd.). Antropometrické požadavky určují velikost kabiny, povelové ovládací páky, jejich umístění v souladu s výškou člověka, délkou jeho končetin atd. Fyziologické požadavky nastavují velikost ovládacích sil v souladu se schopnostmi lidského těla. Psychofyziologické požadavky charakterizují přizpůsobivost letadla a přístrojového vybavení charakteristikám lidských smyslových orgánů.
Kromě obecných požadavků uvedených výše podléhají vrtulníky speciálním požadavkům, které odrážejí specifika jejich konstrukce, letových režimů, způsobů vytváření vztlaku, řízení a tak dále.
Mezi speciální požadavky patří:
- - zajištění vertikálního vzletu a přistání, visení v dané výšce;
- - zajištění bezpečného přistání v samorotačním režimu hlavního rotoru (RO) v případě poruchy elektrárny;
- - přípustná úroveň vibrací.
Při vývoji vojenského vrtulníku jsou na něj kladeny zvláštní požadavky určené jeho účelem a podmínkami bojového použití, tzv. takticko-technické požadavky (TTT). Nastavují letové vlastnosti nezbytné k efektivnímu plnění přidělených bojových úkolů: maximální rychlost, dolet, dostup, užitečné zatížení, posádku, potřebné vybavení a zbraně. TTT jsou vyvíjeny s ohledem na současnou úroveň rozvoje vědy a techniky a bezprostřední vyhlídky jejich rozvoje.
Klasifikace vrtulníků podle konstrukčních prvků
Vrtulník je letadlo, ve kterém jsou vztlak a tah pro let vpřed vytvářeny listy jedné nebo více rotujících vrtulí. Na rozdíl od křídla letadla jsou lopatky NV obletovány přibližujícím se proudem nejen během dopředného letu, ale také při provozu na místě. To poskytuje vrtulníku schopnost nehybně se vznášet, vzlétat a přistávat vertikálně.
Při zrodu a vývoji vrtulníků bylo vyzkoušeno velké množství různých konstrukcí, od nejjednodušších až po složité kombinované letouny. V důsledku toho byly neúspěšné návrhy vyřazeny a byly identifikovány životaschopné návrhy vrtulníků, které se v současnosti používají.
Hlavním kritériem pro rozdíl mezi těmito schématy je počet a umístění rotorů. V závislosti na počtu vrtulníků mohou být vrtulníky jednorotorové, dvourotorové nebo vícerotorové. Moderní vrtulníky jsou stavěny pouze pomocí jednorotorových a dvourotorových konstrukcí.
Jednorotorové provedení se vyznačuje relativně nízkou hmotností a největší jednoduchostí konstrukce a řídicího systému. K vyrovnání tahového momentu takového vrtulníku je však zapotřebí ocasní rotor, který spotřebuje až 10 % výkonu elektrárny. Je instalován na dlouhém nosníku, který zvyšuje rozměry a hmotnost vrtulníku a představuje nebezpečí pro obsluhující personál.
Nevýhodou jednorotorového vrtulníku je také úzký rozsah přípustných vyrovnání, protože jeho vyvážení je možné za předpokladu, že se těžiště nachází v blízkosti osy HB hřídele.
Vrtule dvourotorových vrtulníků se otáčejí v opačných směrech, takže se jejich reakční momenty vzájemně vyrovnávají bez další spotřeby energie.
Podélné vrtulníky jsou nejběžnější mezi dvourotorovými vrtulníky kvůli řadě výhod:
- - velký pohodlný trup;
- - poměrně široký rozsah přípustných vyrovnání vzhledem k možnosti přerozdělení tahu mezi NV;
- - dobrá podélná stabilita a ovladatelnost.
Podélné schéma má však řadu vážných nevýhod:
- - složitý a dlouhý převod pro přenos výkonu na vrtule a synchronizaci jejich otáčení, aby se zabránilo kolizím listů;
- - zvýšená úroveň vibrací;
- - komplexní řídicí systém;
- - negativní vliv předního NV na chod zadního, vedoucí k výrazným ztrátám výkonu a komplikaci konstrukce převodovek a přistávací techniky v režimu samorotace NV; Pro snížení škodlivých vlivů je zadní NV umístěn výše než přední.
Dvourotorové příčné vrtulníky mají řadu pozitivních vlastností:
- - pohodlný aerodynamický trup letadla;
- - snadné nakládání a vykládání kabiny;
- - příznivé vzájemné ovlivňování rotorů.
Závažnou nevýhodou příčné konstrukce je potřeba speciální konstrukce pro uložení vrtulí, která má vysoký odpor a hmotnost. Pro snížení odporu může být tento design vyroben ve formě křídla.
Mezi nevýhody příčného provedení dále patří úzký rozsah vyrovnání a nutnost dlouhého převodu pro synchronizaci NV, potíže se zajištěním stability a ovladatelnosti.
Nejmenší rozměry mají dvourotorové koaxiální vrtulníky. NV koaxiálního vrtulníku jsou umístěny nad sebou a nevyžadují synchronizaci otáčení, což značně zjednodušuje a usnadňuje přenos. Aerodynamická symetrie konstrukce zjednodušuje pilotáž a míření.
Koaxiální konstrukce má však určité nevýhody:
- - komplexní řídicí systém;
- - nedostatečná směrová stabilita;
- - výrazné vibrace;
- - nebezpečí kolize mezi opačně rotujícími lopatkami NV;
- - obtížnost přistání v režimu samorotace NV.
Sovětským konstruktérům se podařilo vyrovnat se s obtížemi vývoj experimentálních vrtulníků této konstrukce a jsou sériově vyráběny.
U dvourotorového vrtulníku se zkříženými vrtulemi jsou osy HB umístěny po stranách trupu a vyklápěny směrem ven. Kvůli ztrátám výkonu souvisejícím s náklonem NV a velmi složitému řídicímu systému se takové schéma nerozšířilo.
Rychlost letu vrtulníků jakékoli konstrukce je omezena podmínkami proudění kolem letectva. Se zvyšující se rychlostí letu jsou špičky lopatek ovlivněny stlačitelností vzduchu a vstupují do režimu flow stall, což vede k silným vibracím a prudkému nárůstu spotřeby energie. Proto maximální rychlost horizontálního letu konvenčních vrtulníků nepřesahuje 320-340 km/h.
Pro další zvýšení rychlosti letu je nutné vyložit NV. Za tímto účelem je na vrtulníku instalováno křídlo.
Dodatečný tah ve směru letu vrtulníku může být vytvářen vrtulí (tahem nebo tlačením) nebo proudovým motorem. Rychlost takto kombinovaného letadla může dosáhnout 500 km/h a vyšší. Přes složitost konstrukce jsou kombinované vrtulníky slibné.
V současnosti jsou u nás i ve světě nejrozšířenější vrtulníky vyrobené v jednorotorovém provedení s ocasním rotorem.
Hlavní části vrtulníku, jejich účel a uspořádání
V procesu vývoje výroby vrtulníků se objevila zcela jednoznačná podoba moderního vrtulníku.
Hlavní částí vrtulníku je trup, určený k umístění nákladu, posádky, vybavení, paliva atd. Navíc je to výkonová základna, ke které jsou připevněny všechny ostatní části vrtulníku a přenášejí se z nich zátěže. Trup je tenkostěnná zesílená konstrukce. Centrální část trupu je obvykle nákladový prostor, přední část je kabina posádky.
Ocasní nosník 8 a koncový nosník 6 jsou pokračováním trupu a jsou navrženy pro uložení ocasního rotoru a ocasní plochy vrtulníku.
Motory 1 (obvykle dva motory s plynovou turbínou) jsou instalovány na stropním panelu střední části trupu, jehož výstupní hřídele jsou spojeny s hlavní převodovkou.
Hlavní převodovka rozděluje výkon přicházející z motorů mezi jednotky vrtulníku. Hlavním spotřebičem výkonu motoru je NV instalovaný na hřídeli hlavní převodovky. Je navržen tak, aby vytvořil tah potřebný pro let vrtulníku, stejně jako pro podélné a boční řízení.
Hlavní části NV jsou: pouzdro 2 a k němu připevněné lopatky 3, které přímo vytvářejí zdvih.
Když se NV otáčí, působí na vrtulník reaktivní krouticí moment, který má tendenci ho otáčet v opačném směru. K vyrovnání tohoto momentu slouží ocasní rotor 5. Jeho pohon je realizován z hlavní převodovky přes soustavu hřídelí a převodovek. Kromě toho se ocasní rotor používá pro směrové řízení vrtulníku.
Podvozek zajišťuje, že se vrtulník může otáčet, když stojí a pohybuje se na povrchu země, a také snižuje zatížení při přistání.
Nejrozšířenější je třínosné provedení podvozku s příďovým kolem: hlavní podpěry 9 jsou umístěny vzadu těžiště vrtulníku, přední 12-pod přídí trupu. U vysokorychlostních vrtulníků lze za letu zatáhnout podvozek.
Ocas je navržen tak, aby zvýšil stabilitu vrtulníku. Skládá se ze stabilizátoru 7 a kýlu, jehož roli obvykle plní speciálně profilovaný koncový nosník.
Uspořádání dvourotorového koaxiálního vrtulníku je kompaktní díky menšímu průměru vrtulí a absenci ocasního rotoru s ocasními a koncovými výložníky. Koaxiální uspořádání NV však zvyšuje výšku vrtulníku a nedostatečná směrová stabilita vyžaduje instalaci dosti výkonné vertikální ocasní plochy.
FEDERÁLNÍ AGENTURA PRO VZDĚLÁVÁNÍ
STÁTNÍ VZDĚLÁVACÍ INSTITUCE DALŠÍHO ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ
INSTITUT ŘÍZENÍ A INOVACE LETECKÉHO PRŮMYSLU
V.V. Angelika
DESIGN VRTULNÍKU
Rostov na Donu
MDT 629,7 (075)
D 81
D 81 Dudník V.V. Design vrtulníku. – Rostov n/d: Nakladatelství IUI AP, 2005. – 158 s.
ISBN 5-94596-015-2
Učebnice nastiňuje: složení, účel, strukturu a postup výstavby hlavních celků a systémů; strukturně-výkonová a kinematická schémata jednotek, návrhy dílů a jednotek jednotek.
Pro studenty odborného rekvalifikačního programu ve směru „Vrtulníkové inženýrství“ i pro odborníky z praxe.
Vydáno rozhodnutím redakční a vydavatelské rady Institutu managementu a inovací
letecký průmysl
Vědecký redaktor:
Doktor technických věd, profesor I.V
ISBN 5-94596-015-2
© Dudnik V.V., 2005 © Nakladatelství IUI AP, 2005
ÚVOD
V V dnešní době je těžké si představit lidstvo bez letadel. Důstojné místo mezi letadly zaujímají vrtulníky - letadla těžší než vzduch, která k pohybu ve vzduchu používají hlavní rotor. Vzhledem k tomu, že výroba vrtulníků je relativně mladým oborem činnosti, dochází k aktivní změně v konstrukci a výrobní technologii jednotek. V posledních letech se začaly používat inovace jako superkritické převodové hřídele, aktivní tlumiče hluku a vibrací, víceuzavřené nosníky listů, monokokové trupy, hřebeny ocasních výložníků a řada dalších. Rusko bohužel z řady důvodů v aplikaci některých novinek zaostává. V souladu s tím je nutné usilovat o maximální využití zkušeností nasbíraných v globálním vrtulníkovém průmyslu.
V Tato učebnice se snaží zaplnit mezery v pokrytí moderními technologiemi, a proto je jim věnováno trochu více pozornosti.
Kapitoly 5 a 8 byly napsány společně s Oleinikem Nikolajem Ivanovičem.
1. VŠEOBECNÉ INFORMACE O VRTULNÍCÍCH
1.1. Klasifikace vrtulníků
V V současné době se ve světě vyrábí několik desítek typů vrtulníků. Mají různé účely, velikosti a vlastnosti, ale hlavním kritériem pro klasifikaci vrtulníku je jeho vzletová hmotnost. Existuje několik názorů na klasifikaci hmotnosti. Často je stanovena legislativními akty konkrétního státu. V ruském civilním letectví se tak vrtulníky dělí do čtyř tříd v závislosti na jejich maximální vzletové hmotnosti.
1. třída – 10t a více,
2. třída – od 5 do 10t,
3 třída - od 2 do 5t,
4. třída – do 2t.
V praxi se vrtulníky často dělí na ultralehké, lehké, střední a těžké. Zde je jedna z možností rozdělení.
Do 700 kg – ultralehký; 700-5000kg – lehký; 5000-15000kg – průměr;
nad 15 000 kg – těžký.
Nejtěžším vrtulníkem na světě byl sovětský vrtulník Mi-12 (105 t) a mezi sériovými vozidly - Mi-26 (56 t).
Poněkud stranou této řady jsou bezpilotní vrtulníky používané pro průzkum, monitorování prostředí a zemědělské zpracování, jejichž vzletová hmotnost se pohybuje od 80 do 1000 kg.
Kromě toho jsou vrtulníky klasifikovány podle účelu jako:
cestující; boj; doprava; zemědělský;
pátrání a záchrana a další.
Přítomnost motorů na palubě umožňuje klasifikaci letadel podle počtu motorů - jednoho, dvou a tří motorů a podle typu - pístové a plynové turbíny.
Další důležitou vlastností je uspořádání vrtulníku. Konstrukce vrtulníku určuje způsob vyrovnávání točivého momentu rotoru. V současné době se používají schémata s jedním a dvěma šrouby. Tří a dokonce čtyřšroubové konstrukce vyvinuté v Sovětském svazu a Spojených státech nenašly široké použití.
Jednorotorové provedení - předpokládá přítomnost jednoho hlavního rotoru a zařízení, které kompenzuje jalový moment hlavního rotoru. Jako zařízení pro kompenzaci jalového momentu se obvykle používá ocasní rotor, ale v některých případech se používají i jiné mechanismy (obrázek 1a, b).
Dvourotorová konstrukce předpokládá přítomnost dvou rotorů, které se otáčejí v různých směrech. Reakční momenty takových šroubů se vzájemně kompenzují. Dvourotorové vrtulníky zase mohou mít na základě umístění rotorů:
∙ koaxiální schéma - protiběžné rotory jsou umístěny nad sebou (obrázek 1c);
∙ podélné schéma - šrouby synchronizované mezi sebou jsou umístěny jeden před druhým s malou zónou překrytí (obrázek 1d);
∙ příčné schéma - vrtule jsou umístěny vpravo a vlevo od trupu (obrázek 1d);
∙ schéma s protínajícími se šrouby - dvě osy otáčení jsou vůči sobě nakloněny pod úhlem (obrázek 1e).
V V současnosti v Rusku převládají vrtulníky Kamov a Mil. První vrtulníky naší vlastní konstrukce se objevily v Kazaňském vrtulníkovém závodě. Na Ukrajině probíhají pokusy o vývoj lehkých vrtulníků. Hlavními evropskými výrobci vrtulníků jsou konsorcia - Eurocopter, skládající se z francouzské korporace Eurocopter Franz a německé Eurocopter Deutschland a AgustaWestland, skládající se z italské společnosti
Pania Agusta a English Westland. Korporace Boeing, Sikorsky a Bell jsou největší v USA. Společnosti z Polska a Jižní Afriky jsou v tomto sektoru trhu v posledních letech velmi aktivní. Ve třídě ultralehkých vrtulníků úspěšně působí společnosti ze zemí jako USA, Belgie, Itálie, Kanada. Japonské firmy Yamaha a Fuji aktivně propagují bezpilotní zemědělské vrtulníky.
Kromě toho je třeba poznamenat, že na severoamerickém kontinentu jsou velmi populární další letadla s rotačním křídlem - jednomístné a dvoumístné vírníky. Na jejich výrobě se podílí několik společností.
Naprostá většina výrobců vrtulníků na světě používá jednorotorovou konstrukci. Letadla postavená podle těchto principů vytváří společnost Mil. Koaxiální se používá na vrtulnících Kamov a na některých zahraničních bezpilotních vzdušných prostředcích. Příčné provedení se v současnosti používá pouze u letounů Bell s překlopným rotorem, vyvinutých samostatně a ve spolupráci s firmou Agusta. Podélné provedení využívají dopravní vrtulníky Boeing. Schéma se zkříženými šrouby je velmi složité a používá jej pouze Kaman (USA).
1.2. Výroba vrtulníků
Proces vytváření nového vrtulníku nebo úpravy stávajícího je poměrně složitý a skládá se z několika fází (obrázek 2). Aby bylo možné rozhodnout o zahájení návrhu vrtulníku nebo jeho modifikace, musí se nashromáždit „kritické“ množství požadavků. Tyto požadavky vyvíjejí různé služby:
∙ inženýrství - na základě analýzy vývoje jiných společností a vlastních výzkumných prací připravených k realizaci;
∙ marketing - na základě analýzy současných a budoucích potřeb trhu;
∙ provoz - na základě analýzy připomínek a podnětů od provozních organizací;
∙ stylista (designér) - na základě analýzy současných designových trendů, s cílem vytvořit atraktivní vzhled vrtulníku.
Obrázek 1. Různá uspořádání rotorů.
a – jednorotorová konfigurace s ocasním rotorem (vrtulník Mi-28, Rusko), b – jednorotorová konfigurace se systémem NOTAR (MD500, USA), c – koaxiální (Ka-50, Rusko), d – podélná ( CH-47, USA) , d – příčný (BA609, USA-Itálie), f – schéma s protínajícími se šrouby (K-MAX, USA).
Požadavky jsou často ve vzájemném rozporu, takže po analýze jejich důležitosti, naléhavosti a nákladů je vyvinuta kompromisní varianta, která nejlépe vyhovuje všem službám. Na jeho základě se provádí předběžný návrh, během kterého se provádějí aerodynamické a další výpočty, určuje se obecná geometrie a složení zařízení, rozhoduje se o nejdůležitějších technických řešeních a vyvíjí se uspořádání letadla. Po dokončení přípravných prací se provede detailní návrh. V této fázi se vyvíjejí trojrozměrné modely dílů, sestav a sestav, provádějí se jejich pevnostní výpočty, na základě kterých se rozhoduje o odlehčení nebo zpevnění konstrukčních prvků. Na základě výsledného trojrozměrného modelu je vypracována pracovní dokumentace. Vzhledem k vysokému stupni informatizace letecké výroby někdy výrobci používají zjednodušený dokumentační systém, ve kterém například výkres dílu ukazuje celkový pohled, ale nemá rozměrové údaje. Spotřebitelé takového výkresu mohou vždy získat potřebné informace z vyvinutého počítačového modelu umístěného v podnikové síti. Konstrukční výsledky se přenášejí do výroby, kde se nejprve vyrobí prototyp a poté skutečný vrtulník. Pokud modifikace letadla nezahrnuje významné změny, může chybět fáze výroby prototypu.
Letové a statické zkoušky potvrzují správnost výpočtů. Je třeba poznamenat, že každá etapa navazující na projekt vede k částečné změně návrhu z důvodu odstranění zjištěných nedostatků. Výsledkem celé této práce je certifikát opravňující k provozu letadla v konkrétní zemi světa. Pro získání certifikátu musí letadlo splňovat normy letové způsobilosti platné na daném území. Zpravidla existují samostatná pravidla pro občanské a
vojenské vrtulníky. Tyto dokumenty upravují ukazatele, které musí splňovat celé zařízení nebo jeho jednotlivé jednotky. Například je uvedeno, jak velkému větru musí vrtulník v konkrétním režimu odolat.
Obrázek 2. Zjednodušené schéma procesu tvorby vrtulníku.
dobu letu nebo jakou hladinu hluku nesmí překročit v závislosti na vzletové hmotnosti. Významnou součástí norem jsou normy pevnosti. Zvažují různé možnosti naložení zařízení za letu, při vzletu a přistání, při parkování a pohybu po letištní ploše. Podle toho jsou všechny případy rozděleny na let, přistání a pozemní.
V dnešní době je vrtulník nejuniverzálnějším letadlem. V mnoha zemích se tomu říká " helikoptéra“, který byl vytvořen ze dvou řeckých slov, v překladu znamená „spirála“ a „křídlo“. Vrtulník, který se dlouho vznáší na jednom místě, pak může letět libovolným směrem, aniž by se otočil. A také nepotřebuje speciální dráhy, protože je schopen vzlétnout vertikálně bez „rozběhu“ a provést kolmé přistání bez „rozběhu“. Díky tomu jsou vrtulníky hojně využívány pro přepravu do těžko dostupných míst, pro hasičské, sanitární a záchranné práce.
Hlavní rozdíl mezi vrtulníkem a letadlem je v tom, že startuje bez zrychlení a stoupá nahoru ve svislé poloze. Vrtulník nemá křídla, ale místo toho má velkou vrtuli umístěnou na střeše a malou vrtuli na ocasu. Hlavní výhodou vrtulníku je manévrovatelnost. Dokáže se dlouho vznášet ve vzduchu a navíc létat na couvání. K přistání vrtulník nepotřebuje letiště: může přistát na jakékoli rovné ploše, dokonce i vysoko v horách.
Na začátku dvacátého století pilotoval vrtulník jako první na světě Francouz P. Cornu. Podařilo se mu vyletět do výšky 150 centimetrů, to znamená, že ve svém vynálezu visel někde na úrovni hrudníku dospělého muže. Pak tento let trval jen 20 sekund. Paul Cornu usoudil, že výška je příliš vysoká a hodně riskoval, takže následně stoupal vzhůru jen s ochrannou sítí - na vodítku.
Hlavním konstrukčním prvkem, díky kterému vrtulník vzlétne a následně se vznese po obloze, je jeho velká vrtule. Neustále nabírá lopatkami vzduch, proto vrtulník létá. Ocasní rotor zároveň zabraňuje otáčení těla tohoto létajícího ptáka v opačném směru otáčení hlavního rotoru. Tento design vrtulníku byl vynalezen ve 40. letech 20. století ruským inženýrem.
Když se hlavní rotor vrtulníku otáčí, vzniká reakční síla, která jej roztočí v opačném směru. Podle způsobu vyrovnávání této síly se rozlišují jednorotorové a dvourotorové vrtulníky. U jednorotorových vrtulníků je reakční síla eliminována pomocným ocasním rotorem a u dvourotorových díky tomu, že se rotory otáčejí v opačných směrech.
Typy vrtulníků.
Hlavním účelem útočných vrtulníků je porazit nepřátelské pozemní cíle. Jedná se o nejlepší vojenské vrtulníky, proto se takovým strojům také říká útočné. Jejich zbraně se skládají z řízených protitankových a leteckých střel, těžkých kulometů a malorážných děl.
Útočný vrtulník dokáže v jedné bitvě zničit obrovské množství nepřátelského vybavení a živé síly. Útočný vrtulník Eurocopter Tiger je ve výzbroji armád Francie, Španělska, Německa a Austrálie.
Ruský vrtulník Ka-50 je považován za jeden z nejlépe manévrovatelných útočných vrtulníků na světě. Ve světě je široce známý pod přezdívkou Black Shark. Tento vrtulník je vybaven dvěma velkými vrtulemi a jeho ocas je jako letadlo. Vrtulník Black Shark provádí nejsložitější akrobacii a je schopen se ve vzduchu vznášet až 12 hodin. Díky moderní automatizaci ovládá Ka-50 pouze jeden pilot.
V roce 1983 byl v americkém státě Arizona vytvořen útočný vrtulník AN-64 Apache. Jeho výzbroj zahrnovala automatický rychlopalný kanon a 16 řízených protitankových střel. Vrtulník Apache může dosáhnout rychlosti až tři sta kilometrů za hodinu a létat ve výšce 6 kilometrů. Tento vrtulník perfektně manévruje jak v naprosté tmě, tak i za nejhorších povětrnostních podmínek. Vrtulník Apache je dodnes hlavním vrtulníkem používaným americkou armádou.
K přepravě cestujících i nákladu lze použít transportní vrtulník. Mezi další typy vrtulníků patří speciální záchranářský vrtulník a lehký dvoumístný výzkumný vrtulník.
.
Hlavní rotor vrtulníku: k letu se používá jeden nebo více (obvykle dva) hlavní rotory. Jeho lopatky (až 8 kusů) působí jako křídla letadla a při otáčení vytvářejí potřebnou vztlakovou sílu. Nejprve byly čepele kovové a od konce padesátých let minulého století ze sklolaminátu.
Pomocný rotor slouží k eliminaci reakční síly, která roztáčí vrtulník v opačném směru při otáčení hlavního rotoru. Někdy může být místo vrtule instalována tryska na ocasní rameno. Motor vrtulníku A pohání hlavní a pomocný šroub do otáčení. Obvykle se jedná o pístový nebo proudový motor.
Pilot v kokpitu PROTI je zde ovládací kormidlo (volant), kterým pilot natáčí, aby letěl směrem, který potřebuje. Kormidlo během letu mění sklon listů vrtule, jedna část kružnice, kterou vrtule popisuje, bude spuštěna níže než druhá a vrtulník poletí tím směrem.
Trup zahrnuje kokpit, prostor pro cestující nebo náklad a motorový prostor. Podvozek - protože vrtulník nemusí „klusat“ pro vzlet a přistání, velmi často je kolový podvozek nahrazen pohodlnějšími lyžemi.
