Влаштування двигунів спортивних літаків та вертольотів. Як влаштований вертоліт? Виробництво на ВАТ "Рибінські мотори"
На сьогоднішній день люди винайшли безліч різних видів техніки, яка може не тільки пересуватися дорогами, а й літати. Літаки, гелікоптери та інші літальні апарати дозволили дослідити повітряний простір. Вертолітні двигуни, які були потрібні для нормальної працездатності відповідних машин, відрізняються високою потужністю.
Загальний опис пристрою
Нині такі агрегати бувають двох типів. Перший вид - це поршневі або Другий вид - повітряно-реактивні двигуни. Крім того, як вертолітний двигун може виступати ще й ракетний. Однак він зазвичай застосовується не як основне, а короткочасно включається в роботу машини, коли необхідна додаткова потужність, наприклад, під час посадки або зльоту техніки.
Раніше часто використовувалися для установки на гелікоптери. У них була одновальна схема, проте вони досить сильно стали витіснятися іншими типами устаткування. Особливо це стало помітно на багаторухових вертольотах. На такій техніці найбільшого поширення набули двовальні турбогвинтові вертолітні двигуни з так званою вільною турбіною.
Двигунні агрегати
Відмінна риса таких пристроїв була в тому, що у турбокомпресора був відсутній прямий механічний зв'язок з гвинтом. Застосування двовальних турбогвинтових агрегатів вважалося досить ефективним, оскільки вони дозволяли найповніше використовувати силовий пристрій вертольота. Вся справа в тому, що в такому випадку частота обертання несучого гвинта техніки не залежала від частоти обертання турбокомпресора, це дозволяло підбирати оптимальну частоту під кожен режим польоту окремо. Якщо говорити іншими словами, то двовальний турбогвинтовий вертолітний двигун забезпечував ефективну та надійну роботу силової установки.
Реактивний привід гвинта
У вертольотах також використовується реактивний гвинтовий привід. У такому випадку окружне зусилля прикладатиметься безпосередньо до самих лопатей гвинта, не застосовуючи при цьому важкої і складної механічної трансмісії, яка б змушувала обертатися весь гвинт цілком. Щоб створити таке окружне зусилля, використовуються або автономні реактивні двигуни, які розташовуються на лопатях гвинта, що несе, або вдаються до закінчення газу (стиснутого повітря). У цьому випадку виходитиме газ через спеціальні соплові отвори, які розташовуються на кінці кожної лопаті.
Що стосується економічної роботи реактивного приводу, то тут вона поступатиметься механічному. Якщо вибирати найбільш економічний варіант лише серед реактивних пристроїв, то найкращим є турбореактивний двигун, який розташовується на лопатях гвинта. Однак конструктивно створити таке пристосування виявилося занадто важко, тому широкого практичного застосування такі прилади не отримали. Через це заводи вертолітних двигунів не займалися його масовим виробництвом.
Перші моделі турбувальних пристроїв
Перші турбувальні двигуни було створено ще 60-70 гг. Необхідно згадати, що на той час таке обладнання повністю відповідало всім запитам не лише цивільної авіації, а й військової. Такі агрегати були здатні забезпечити паритет, а в деяких випадках і перевагу над винаходами конкурентів. Найбільш масове виробництво вертолітних двигунів турбувального типу забезпечувалося за рахунок збирання моделі ТВ3-117. Цей апарат мав кілька різних модифікацій.
Крім нього, гарне поширення набула також модель Д-136. До виходу цих двох моделей випускалися Д-25В і ТВ2-117, проте на той момент вони вже не могли конкурувати з новими двигунами, а тому їх виробництво припинили. Однак справедливо буде сказати, що їх було випущено досить багато, і вони все ще встановлені на тих видах повітряного транспорту, які випустили досить давно.
Градація обладнання
У 1980-х років виникла потреба уніфікації пристрою вертолітного двигуна. Щоб вирішити поставлене завдання, всі турбувальні та турбогвинтові двигуни, що були на той момент, було вирішено призвести до загального типорозмірного ряду. Ця пропозиція була прийнята на урядовому рівні, а тому виник розподіл на 4 категорії.
Перша категорія – це пристрої потужністю 400 л. с., друга – 800 л. с., третя – 1600 л. с. та четверта – 3200 л. с. Крім цього було дозволено створення ще двох моделей вертолітного газотурбінного двигуна. Їхня потужність становила 250 л. с. (0 категорія) та 6000 л. с. (5 категорія). Крім цього, малося на увазі, що кожна категорія цих пристроїв буде здатна формувати потужність на 15-25%.
Подальший розвиток
Для того, щоб повністю забезпечити розвиток та будівництво нових моделей, ЦІАМ провела досить велику науково-дослідну роботу. Це дозволило отримати науково-технічний заділ (НТЗ), яким йтиме розвиток цього напряму.
У цьому НТЗ вказувалося, що принцип роботи вертолітних двигунів майбутніх поколінь має будуватися на простому принципі термодинамічного циклу Брайтона. У цьому випадку розвиток та будівництво нових агрегатів буде перспективним. Щодо конструктивного виконання нових моделей, то вони повинні бути з одновальним газогенератором, а силова турбіна з виведенням валу потужності вперед через цей газогенератор. Крім цього, в конструкцію має входити і вбудований редуктор.
Відповідно до всіх вимог науково-технічного доробку на Омському МКБ було розпочато роботи з виготовлення такої моделі двигуна для вертольота, як ТВ ГДТ ТВ-0-100, потужність цього апарату мала становити 720 л. с., а застосовувати його було вирішено такою машиною, як Ка-126. Однак у 90-ті роки всі роботи були зупинені, незважаючи на те, що в той період пристрій був досить досконалим, а також мав можливість форсувати потужність до таких показників, як 800-850 л. с.
Виробництво на ВАТ "Рибінські мотори"
У цей час на ВАТ «Рибінські мотори» займалися доведенням такий моделі двигуна, як ТВ ГДТ РД-600В. Потужність пристрою складала 1300 л. с., а використовувати його планували для такого типу гелікоптера, як Ка-60. Газогенератор для такого агрегату був виконаний за досить компактною схемою, до якої входив чотириступінчастий відцентровий компресор. У ньому були 3 осьові щаблі і 1 відцентровий. Частота обертання, яку забезпечував такий агрегат, досягала 6000 об/хв. Відмінним доповненням було й те, що такий двигун додатково постачався захистом від пилу та бруду, а також від попадання інших сторонніх предметів. Цей тип двигуна пройшов безліч різноманітних випробувань, а його остаточну сертифікацію було завершено в 2001 році.
Далі варто відзначити, що паралельно з доопрацюванням цього двигуна фахівці працювали над створенням турбогвинтового двигуна ТВД-1500Б, який планувалося застосовувати на вертольотах моделі Ан-38. Потужність цієї моделі всього на 100 л. с. вище та, таким чином, становила 1400 л. с. Що стосується газогенератора, його схема і комплектація були такими ж, як і на моделі РД-600В. При їх розробці, створенні та комплектації планувалося, що вони становитимуть базу для сімейства таких двигунів, як турбувальні, турбогвинтові.
Мотоцикл з вертолітним двигуном
На сьогоднішній день виробництво різноманітних техніки просунулося досить широко. Це справедливо практично всім галузей, включаючи виробництво мотоциклів. Кожен виробник намагався завжди зробити свою нову модель більш унікальною та оригінальною, ніж у конкурентів. Через таке прагнення нещодавно компанія Marine Turbine Technologies випустила перший мотоцикл, у конструкцію якого входив вертолітний двигун. Природно, що ця зміна сильно торкнулася як конструктивної частини машини, так і її технічних характеристик.
Параметри техніки
Природно, що характеристики мотоцикла, який має у своєму розпорядженні двигун від вертольота, має також унікальні технічні параметри. Крім того, що таке нововведення дозволило розігнати мотоцикл до практично немислимих 400 км/год, є інші властивості, на які також варто звернути свою увагу.
По-перше, обсяг паливного бака у такої моделі становить 34 літри. По-друге, вага техніки досить сильно збільшилася і становить 208,7 кг. Потужність такого мотоцикла складає 320 кінських сил. Максимальна можлива швидкість, яку вдалося розвинути на такому апараті – 420 км/год, а розмір колісних дисків складає 17 дюймів. Останнє, про що варто сказати, так це про те, що робота вертолітного двигуна сильно далася взнаки і на процесі розгону, через що техніка досягає своєї межі за лічені секунди.
Перший такий витвір, який компанія Marine Turbine Technologies показала світові, називався Y2K. Тут можна додати, що точний час розгону до 100 км/год займає лише півтори секунди.
Підсумовуючи всього вищесказаного, можна сказати, що галузь зі створення вертолітних двигунів пройшла досить довгий шлях, а нинішній розвиток технологій дозволив застосовувати продукцію навіть у такій техніці, як мотоцикли.
Лопаті несучого гвинта вертольота треба побудувати так, щоб вони, створюючи необхідну підйомну силу, витримували навантаження, що виникають на них. І не просто витримували, а мали б ще запас міцності на всякі непередбачені випадки, які можуть зустрітися в польоті та при технічному обслуговуванні вертольота на землі (наприклад, різкий порив вітру, потік повітря, що висходить, різкий маневр, зледеніння лопатей, невміла розкрутка гвинта після запуску двигуна і т. д.).
Одним з розрахункових режимів для підбору гвинта вертольота, що несе, є режим вертикального набору на будь-якій обраній для розрахунку висоті. У цьому режимі через відсутність поступальної швидкості площині обертання гвинта потрібна потужність має велику величину.
Знаючи приблизно вагу конструйованого вертольота і задаючись величиною корисного навантаження, яке повинен піднімати вертоліт, приступають до підбору гвинта. Підбір гвинта зводиться до того, щоб вибрати такий діаметр гвинта і таку кількість його оборотів за хвилину, при яких розрахунковий вантаж міг би бути піднятий гвинтом прямовисно вгору з найменшою витратою потужності.
При цьому відомо, що тяга гвинта, що несе, пропорційна четвертого ступеня його діаметра і тільки другого ступеня числа оборотів, тобто тяга, що розвивається несучим гвинтом, більше залежить від діаметра, ніж від числа оборотів. Тому задану тягу легше отримати збільшенням діаметра, ніж збільшення числа оборотів. Так, наприклад, збільшивши діаметр в 2 рази, отримаємо тягу в 24 = 16 разів більшу, а збільшивши число оборотів вдвічі, отримаємо тягу тільки в 22 = 4 рази більшу.
Знаючи потужність двигуна, який буде встановлений на гелікоптері для приведення в обертання гвинта, що несе, спочатку підбирають діаметр несучого гвинта. Для цього застосовують наступне співвідношення:
Лопата гвинта, що несе, працює в дуже важких умовах. На неї діють аеродинамічні сили, які її згинають, скручують, розривають, прагнуть відірвати від неї обшивку. Щоб «протистояти» такій дії аеродинамічних сил, лопать має бути досить міцною.
При польотах у дощ, у сніг чи хмарах за умов, сприяють зледеніння, робота лопаті ще більше ускладнюється. Краплі дощу, потрапляючи на лопату з величезними швидкостями, збивають з неї фарбу. При зледеніння на лопатях утворюються крижані нарости, які спотворюють її профіль, заважають її маховому руху, обтяжують її. При зберіганні вертольота землі на лопату руйнівно діють різкі зміни температури, вологість, сонячні промені.
Значить, лопата має бути не тільки міцною, але вона ще має бути несприйнятливою до впливу зовнішнього середовища. Але якби тільки це! Тоді лопату можна було б зробити суцільнометалевою, покривши її протикорозійним шаром, і завдання було б вирішено.
Але є ще одна вимога: лопата, крім цього, має бути ще й легкою. Тому її виготовляють порожнистою. За основу конструкції лопаті беруть металевий лонжерон, найчастіше - сталеву трубу змінного перерізу, площа якого поступово або ступінчасто зменшується від кореневої частини до кінця лопаті.
Лонжерон, як головний поздовжній силовий елемент лопаті, сприймає сили, що перерізують, і згинальний момент. У цьому плані робота лонжерона лопаті схожа з роботою лонжерона літакового крила. Однак на лонжерон лопаті діють внаслідок обертання гвинта ще відцентрові сили, чого немає у лонжерона крила літака. Під впливом цих сил лонжерон лопаті піддається розтягуванню.
До лонжерону приварюються чи приклепуються сталеві фланці для кріплення поперечного силового набору – нервюр лопаті. Кожна нервюра, яка може бути металевою або дерев'яною, складається із стінок та полиць. До металевих полиць приклеюється або приварюється металева обшивка, а до дерев'яних полиць приклеюється фанерна або пришивається полотняна обшивка або до шкарпетки приклеюється фанерна обшивка, а до хвостика пришивається полотняна, як показано. У носовій частині профілю полиці нервюр кріпляться до переднього стрінгера, а в хвостовій частині - до заднього стрінгера. Стрингери служать допоміжними поздовжніми силовими елементами.
Обшивка, що покриває полиці нервюр, утворює собою профіль лопаті в її перерізі. Найбільш легкою є полотняна обшивка. Однак, щоб уникнути спотворення профілю в результаті прогину полотняної обшивки на ділянках між нервюрами, нервюри лопаті доводиться ставити дуже часто, приблизно через 5-6 см одна від одної, що обтяжує лопату. Поверхня лопаті з погано натягнутою полотняною обшивкою виглядає ребристою і має низькі аеродинамічні якості, так як її лобовий опір велике. У процесі одного обороту профіль такої лопаті змінюється, що сприяє появі додаткової вібрації вертольота. Тому полотняна обшивка просочується аеролаком, який у міру свого висихання сильно натягує полотно.
При виготовленні обшивки з фанери жорсткість лопаті збільшується і відстань між нервюрами може бути збільшена в 2,5 рази, порівняно з лопатями, обтягнутими полотном. Для того щоб зменшити опір, поверхня фанери гладко обробляється та полірується.
Хороших аеродинамічних форм і великої міцності можна досягти, якщо виготовити порожню суцільнометалеву лопату. Складність її виробництва полягає у виготовленні змінного перерізу лонжерону, який утворює носову частину профілю. Хвостова частина профілю лопаті виготовляється з листової металевої обшивки, яку передніми кромками врівень приварюють до лонжерону, а задні кромки склепують між собою.
Профіль лопаті гвинта вертольота вибирається з таким розрахунком, щоб зі збільшенням кута атаки зрив обтікання виникав можливо великих кутах атаки. Це необхідно для того, щоб уникнути зриву обтікання на лопаті, що відступає, де кути атаки особливо великі. Крім того, щоб уникнути вібрацій профіль треба підібрати такий, у якого б при зміні кута атаки не змінювалося положення центру тиску.
Дуже важливим фактором для міцності та роботи лопаті є взаємне розташування центру тиску та центру ваги профілю. Справа в тому, що при спільній дії вигину і кручення, лопата піддається самовозбуждающейся вібрації, т. е. вібрації з дедалі більшою амплітудою (флаттеру). Щоб уникнути вібрації лопата повинна балансуватися щодо хорди, т. е. має бути забезпечене таке становище центру тяжкості на хорді, яке б виключало самозростання вібрації. Завдання балансування зводиться до того, щоб у побудованої лопаті центр ваги профілю знаходився попереду центру тиску.
Продовжуючи розглядати важкі умови роботи лопаті несучого гвинта, необхідно зазначити, що пошкодження дерев'яної обшивки лопаті краплями дощу може бути запобігання, якщо вздовж її передньої кромки зміцнити листову металеву окантовку.
Боротьба ж з зледенінням лопатей є складнішим завданням. Якщо такі види зледеніння в польоті, як іній і намисто, великої небезпеки для вертольота не становлять, то склоподібний лід, що поступово і непомітно, але надзвичайно міцно нарощується на лопаті, призводить до обтяження лопаті, спотворення її профілю і, в кінцевому рахунку, до зменшення підйомної сили, що призводить до різкої втрати керованості та стійкості вертольота.
Існуюча у свій час теорія про те, що крига внаслідок махаючого руху лопатей у польоті сколюватиметься, виявилася неспроможною. Зледеніння лопаті починається насамперед біля кореневої частини, де вигин лопаті при її махаючий русі невеликий. Надалі шар льоду починає поширюватися все далі до кінця лопаті, поступово нанівець. Відомі випадки, коли товщина льоду у кореневої частини сягала 6 мм, а у кінця лопаті - 2 мм.
Запобігти зледенінням можливо двома шляхами.
Перший шлях- це ретельне вивчення прогнозу погоди в районі польотів, обхід хмар, що зустрілися, і зміна висоти польоту з метою виходу з вони зледеніння, припинення польоту і т.д.
Другий шлях- це обладнання лопатей протиобледенительними пристроями.
Відомий цілий ряд цих пристроїв для лопатей вертольота. Для видалення льоду з лопатей несучого гвинта може
бути застосований спиртовий протиобледенитель, який розбризкує на передній кромці гвинта спирт. Останній, змішуючись із водою, знижує температуру її замерзання та перешкоджає утворенню льоду.
Сколювання льоду з лопатей гвинта може бути здійснено повітрям, яке нагнітається в гумову камеру, прокладену вздовж передньої кромки гвинта, що несе. Камера, що роздмухується, надколює крижану кірку, окремі шматки якої потім змітаються з лопатей гвинта зустрічним потоком повітря.
Якщо передня кромка лопаті гвинта зроблена з металу, її можна підігрівати або електрикою, або теплим повітрям, що пропускається через трубопровід, прокладений уздовж передньої кромки несучого гвинта.
Майбутнє покаже, який із цих способів знайде собі ширше застосування.
Для аеродинамічних характеристик несучого гвинта велике значення мають число лопатей несучого гвинта, і питоме навантаження на площу, що омітається гвинтом. Теоретично число лопатей гвинта може бути будь-яким, від однієї нескінченно великої їхньої кількості, настільки великої, що вони в кінцевому рахунку зливаються в спіральну поверхню, як це передбачалося в проекті Леонардо да Вінчі або у гелікоптері-велосипеді І. Бикова.
Однак є якась найбільш вигідна кількість лопатей. Число лопатей не повинно бути менше трьох, тому що при двох лопатях виникають великі неврівноважені сили та коливання тяги гвинта. Показано зміну тяги гвинта, що несе, біля його середнього значення протягом одного обороту гвинта у однолопатевого і дволопатевого гвинтів. Трилопатевий гвинт вже практично зберігає середнє значення тяги протягом усього обороту.
Число лопатей гвинта не повинно бути також дуже великим, тому що в цьому випадку кожна лопата працює в потоці, обуреному попередньою лопатою, що знижує коефіцієнт корисної дії гвинта, що несе.
Чим більше лопатей гвинта, тим більшу частину площі диска вони займають. У теорію несучого гвинта вертольота введено поняття коефіцієнта заповнення о, який підраховується як відношення сумарної площі
Для розрахункового режиму роботи несучого гвинта вертольота (високий підйом) найвигіднішою величиною коефіцієнта заповнення є величина 0,05-0,08 (середнє значення 0,065).
Це навантаження є середнім. Мінімальним навантаженням називають навантаження в межах 9-12 кг/м2. Гелікоптери, що мають таке навантаження, маневрені і мають велику крейсерську швидкість.
Гелікоптери загального призначення мають середнє навантаження в межах від 12 до 20 кг/м2. І, нарешті, великим навантаженням, що рідко застосовується, є навантаження від 20 до 30 кг/м2.
Справа в тому, що хоча висока питома навантаження на площу і забезпечує велике корисне навантаження вертольота, але при відмові двигуна такий вертоліт на режимі самообігу буде знижуватися швидко, що неприпустимо, так як в цьому випадку порушується безпека зниження.
Для того, щоб вертоліт володів високими льотно-технічними характеристиками і був ефективним транспортним засобом, зручним в експлуатації, він повинен відповідати низці вимог. Ці вимоги можна розділити на загальні для всіх літальних апаратів (ЛА) та спеціальні, що залежать від цільового призначення та особливостей бойового застосування.
До загальних вимог належать:
- - Отримання призначених льотно-технічних даних, достатніх характеристик стійкості та керованості при найменших енергетичних витратах;
- - достатня (але не надмірна) міцність та жорсткість конструкції, що забезпечують сприйняття експлуатаційних навантажень без залишкових деформацій та відсутність небезпечних коливань;
- - висока бойова живучість, т. е. здатність ЛА продовжувати виконання завдання після на нього вражають засобів противника;
- - надійність конструкції, що залежить від її досконалості, якості виготовлення, умов експлуатації;
- - технологічність конструкції, тобто можливість широкої механізації та автоматизації виробничих процесів, використання високопродуктивних процесів (штампування, прокатки, зварювання тощо), високий ступінь стандартизації деталей та вузлів;
- - мінімальна маса конструкції, що забезпечується раціональним вибором матеріалів, силових схем, а також уточненням навантажень, що діють;
- - зручність експлуатації, що забезпечується достатньою кількістю експлуатаційних роз'ємів, люків для огляду та виконання робіт на техніці, мінімальною кількістю вузлів та систем, що потребують регулювання, застосуванням ефективних засобів контролю;
- - ремонтопридатність, тобто можливість швидкого та дешевого відновлення пошкоджених частин, що забезпечується взаємозамінністю основних частин та елементів, широким використанням модульних конструкцій;
- - Безпека польоту, що забезпечується надійністю техніки, хорошими аеродинамічними характеристиками, застосуванням спеціальної автоматики, що полегшує пілотування, сигналізацією про наближення до небезпечних режимів польоту.
Багато цих вимог суперечливі. У результаті проектування гелікоптерів відбувається подолання цих протиріч шляхом прийняття компромісних рішень чи розробки принципово нових конструкцій.
У зв'язку з ускладненням авіаційної техніки та підвищенням вимог до рівня безпеки польотів суттєво зросла важливість ергономічних вимог до JTA. p align="justify"> Ергономічні вимоги зводяться до пристосованості ЛА, його кабіни, командних важелів управління, приладового та іншого обладнання до фізіологічних і психологічних можливостей людини для найбільш ефективного використання можливостей як ЛА, так і льотчика. У цьому відношенні дуже важливим є правильний розподіл функцій між автоматикою JIA і льотчиком.
Ергономічні вимоги включають гігієнічні, антропометричні, фізіологічні та психофізіологічні вимоги до Л А. Гігієнічні вимоги зводяться до дотримання норм мікроклімату та обмеження впливу шкідливих факторів довкілля на людину (шуму, вібрацій, температури тощо). Антропометричні вимоги визначають розміри кабіни, командних важелів управління, їх розташування відповідно до зростання людини, довжиною його кінцівок і т. д. Фізіологічні вимоги задають величини зусиль, що управляють, відповідно до можливостей людського організму. Психофізіологічні вимоги характеризують пристосованість ЛА, обладнання для приладів до особливостей органів чуття людини.
Крім перелічених вище загальних вимог до гелікоптерів пред'являються спеціальні вимоги, що відображають специфіку їх конструкції, режимів польоту, способів створення підйомної сили, управління тощо.
До спеціальних вимог належать:
- - забезпечення вертикального зльоту та посадки, висіння на заданій висоті;
- - Забезпечення безпечної посадки на режимі самообігу несучого гвинта (НВ) при відмові силової установки;
- - Допустимий рівень вібрацій.
Під час розробки військового вертольота щодо нього пред'являються спеціальні вимоги, зумовлені його призначенням та умовами бойового застосування, звані тактико-технічні вимоги (ТТТ). Вони задають льотно-технічні характеристики, необхідні ефективного виконання поставлених бойових завдань: максимальну швидкість, дальність польоту, стелю, корисне навантаження, склад екіпажу, необхідне устаткування й озброєння. ТТТ розробляються з урахуванням сучасного рівня розвитку науки- та-техніки та найближчих перспектив їх розвитку.
Класифікація вертольотів за конструктивними ознаками
Вертольотом називають ЛА, у якого підйомна сила і тяга для поступального польоту створюються лопатями одного або кількох НВ, що обертаються. На відміну від крила літака лопа-еті НВ обтікаються потоком, що набігає не тільки при поступальному польоті, але і при роботі на місці. Це забезпечує вертольоту можливість висіти нерухомо, злітати та сідати вертикально.
У ході зародження та розвитку гелікоптерів було випробувано велику кількість різних схем, від найпростіших до складних комбінованих ЛА. В результаті були відкинуті невдалі і виявились життєздатні схеми гелікоптерів, які використовуються в даний час.
Основним критерієм відмінності цих схем прийнято вважати кількість та розташування несучих гвинтів. За кількістю НВ гелікоптери можуть бути одногвинтовими, двогвинтовими та багатогвинтовими. Сучасні вертольоти будуються тільки за одногвинтовою та двогвинтовою схемами.
Одногвинтова схема відрізняється порівняно малою масою, найбільшою простотою конструкції та системи управління. Однак для врівноваження реактивного моменту НВ такого вертольота необхідний кермовий гвинт, що споживає до 10% потужності силової установки. Він встановлюється на довгій балці, що збільшує габарити і масу вертольота, створює небезпеку обслуговуючого персоналу.
Недоліком одногвинтового вертольота є також вузький діапазон допустимих центрувань, оскільки його балансування можливе за умови, що центр мас розташований поблизу осі вала НВ.
НВ двогвинтових гелікоптерів обертаються в протилежних напрямках, тому їх реактивні моменти врівноважують один одного без додаткових витрат потужності.
Вертольоти поздовжньої схеми найбільш поширені серед двогвинтових вертольотів завдяки ряду переваг:
- - Великий зручний фюзеляж;
- - порівняно широкий діапазон допустимих центрувань завдяки можливості перерозподілу тяги між НВ;
- - хороша поздовжня стійкість та керованість.
Поздовжня схема, однак, має низку серйозних недоліків:
- - складна та довга трансмісія для передачі потужності до гвинтів та синхронізації їх обертання з метою виключення зіткнення лопатей;
- - Підвищений рівень вібрацій;
- - Складна система управління;
- - негативний вплив переднього НВ на роботу заднього, що призводить до значних втрат потужності та ускладнення конструкції редукторів та техніки посадки на режимі самообігу НВ; для зниження шкідливого впливу задній НВ розташовується вище за передній.
Двохвинтові вертольоти поперечної схеми мають ряд позитивних якостей:
- - Зручний обтічний фюзеляж літакового типу;
- - зручність навантаження та вивантаження кабіни;
- - сприятливий взаємний вплив несучих гвинтів.
Серйозним недоліком поперечної схеми є необхідність спеціальної конструкції для розміщення гвинтів, яка має більший лобовий опір та масу. Для зниження лобового опору ця конструкція може бути виконана як крила.
До недоліків поперечної схеми слід віднести вузький діапазон центрувань і необхідність довгої трансмісії для синхронізації НВ, труднощі забезпечення стійкості та керованості.
Двогвинтові вертольоти співвісної схеми мають найменші габарити. НВ вертольота співвісної схеми розташовані одна над одною і не вимагають синхронізації обертання, що значно спрощує та полегшує трансмісію. Аеродинамічна симетрія схеми спрощує пілотування та прицілювання.
Однак співвісної схеми притаманні певні недоліки:
- - Складна система управління;
- - Недостатня шляхова стійкість;
- - Значні вібрації;
- - небезпека зіткнення лопатей НВ, що обертаються у протилежних напрямках;
- - Складність посадки на режимі самообігу НВ.
Радянським конструкторам вдалося впоратися з труднощами доведення досвідчених гелікоптерів такої схеми, і вони випускаються серійно.
У двогвинтового вертольота з гвинтами осі НВ, що перехрещуються, розташовані з боків фюзеляжу і нахилені назовні. Зважаючи на втрати потужності, пов'язані з нахилом НВ, і дуже складною системою управління така схема не набула широкого поширення.
Швидкість польоту гелікоптерів будь-яких схем обмежена умовами обтікання НВ. При збільшенні швидкості польоту кінцеві ділянки лопатей зазнають впливу стисливості повітря і потрапляють в режим зриву потоку, що призводить до сильних вібрацій і різкого збільшення споживаної потужності. Тому максимальна швидкість горизонтального польоту звичайних гелікоптерів не перевищує 320-340 км/год.
Для подальшого підвищення швидкості польоту потрібно розвантажити НВ. З цією метою на гелікоптер встановлюється крило.
Додаткова тяга в напрямку польоту вертольота може створюватися повітряним гвинтом (тягне або штовхає) або турбореактивним двигуном. Швидкість таких комбінованих ЛА може досягати 500 км/год. Незважаючи на складність конструкції, гелікоптери комбінованої схеми є перспективними.
В даний час найбільшого поширення у нас в країні та в усьому світі отримали вертольоти, виконані за одногвинтовою схемою з кермовим гвинтом.
Основні частини вертольота, їх призначення та компонування
У розвитку вертольотобудування склався цілком певний образ сучасного вертольота.
Основною частиною вертольота є фюзеляж, призначений для розміщення вантажів, екіпажу, обладнання, палива тощо. Крім того, він є силовою базою, до якої кріпляться решта вертольота і передаються навантаження від них. Фюзеляж є тонкостінною підкріпленою конструкцією. Центральна частина фюзеляжу зазвичай є вантажною кабіною, носова кабіною екіпажу.
Хвостова 8 і кінцева балки 6 є продовженням фюзеляжу і призначені для розміщення рульового гвинта і оперення вертольота.
На стельовій панелі центральної частини фюзеляжу встановлюються двигуни 1 (зазвичай два газотурбінних двигуна), вихідні вали яких з'єднуються з головним редуктором.
Головний редуктор розподіляє потужність, що надходить від двигунів між агрегатами вертольота. Основним споживачем потужності двигунів є НВ, встановлений на валу головного редуктора. Він призначений для створення сили тяги, необхідної для польоту вертольота, а також для поздовжнього та поперечного керування.
Основними частинами НВ є: втулка 2 і прикріплені до неї лопаті 3 безпосередньо створюють підйомну силу.
При обертанні НВ на гелікоптер діє реактивний момент, що прагне розгорнути його в протилежному напрямку. Для врівноваження цього моменту служить кермовий гвинт 5. Його привід здійснюється від головного редуктора через систему валів та редукторів. Крім того, кермовий гвинт використовується для колійного керування вертольотом.
Шасі забезпечує вибір вертольота при стоянці та пересуванні по поверхні землі, а також зниження навантажень при посадці.
Найбільшого поширення набула три-опорна схема шасі з носовим колесом: основні опори 9 розташовуються позаду центру мас вертольота, передня 12-під носовою частиною фюзеляжу. На швидкісних вертольотах шасі може забиратися в польоті.
Оперення призначене підвищення стійкості вертольота. Воно складається із стабілізатора 7 та кіля, роль якого грає зазвичай спеціально спрофільована кінцева балка.
Компонування двогвинтового вертольота співвісної схеми відрізняється компактністю через менший діаметр гвинтів і відсутність рульового гвинта з хвостовою і кінцевою балками. Однак співвісне розташування НВ збільшує висоту вертольота, а недостатня дорожня стійкість вимагає установки досить потужного вертикального оперення.
ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНТСТВО З ОСВІТИ
ДЕРЖАВНА ОСВІТАЛЬНА УСТАНОВА ДОДАТКОВОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ
ІНСТИТУТ УПРАВЛІННЯ ТА ІННОВАЦІЙ АВІАЦІЙНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
В.В. Дудник
КОНСТРУКЦІЯ гелікоптерів
Ростов-на-Дону
УДК 629.7 (075)
Д 81
Д 81 Дудник В.В. Конструкція гелікоптерів. - Ростов н / Д: Видавничий дім ІУІ АП, 2005. - 158 с.
ISBN 5-94596-015-2
У навчальному посібнику викладаються: склад, призначення, будова та процес конструювання основних агрегатів та систем; конструктивно-силові та кінематичні схеми агрегатів, конструкцій деталей та вузлів агрегатів.
Для слухачів програми професійної перепідготовки за напрямом «Вертолітобудування», а також для спеціалістів-практиків.
Друкується за рішенням редакційно-видавничої ради Інституту управління та інновацій
авіаційної промисловості
Науковий редактор:
доктор технічних наук, професор І.В.Богуславський
ISBN 5-94596-015-2
© Дудник В.В., 2005 р. © Видавничий дім ВУІ АП, 2005 р.
ВСТУП
У наші дні важко уявити людство без літальних апаратів. Гідне місце в ряді повітряних суден займають вертольоти - літальні апарати важчі за повітря, що використовують гвинт для переміщення в повітряному середовищі. Так як вертольотобудування порівняно молода сфера діяльності в ній йде активна зміна конструкції та технології виготовлення агрегатів. За останні роки стали застосовуватися такі нововведення як надкритичні трансмісійні вали, активні гасники шуму та вібрації, багатозамкнуті лонжерони лопатей, монококові фюзеляжі, гребені хвостової балки та низка інших. На жаль, Росія з низки причин відстала у застосуванні деяких інновацій. Відповідно до цього необхідно прагнути максимально використовувати досвід, накопичений у світовому вертольотобудуванні.
У даному навчальному посібнику зроблено спробу заповнити прогалини у висвітленні сучасних технологій, тому їм приділено трохи більше уваги.
Глави 5 і 8 написані разом із Олійником Миколою Івановичем.
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО вертольоти
1.1. Класифікація вертольотів
У Нині у світі виробляється кілька десятків типів гелікоптерів. Вони мають різне призначення, розміри та характеристики, проте основним критерієм класифікації вертольота прийнято вважати його злітну масу. Існує кілька думок про вагову класифікацію. Найчастіше вона встановлюється законодавчими актами тієї чи іншої держави. Так у російській цивільній авіації гелікоптери розділені залежно від максимальної злітної маси на чотири класи.
1 клас - 10т і більше,
2 клас – від 5 до 10т,
3 клас - від 2 до 5т,
4 клас – до 2т.
Насправді вертольоти частіше ділять на надлегкі, легкі, середні, важкі. Тут пропонується один із варіантів поділу.
До 700кг – надлегкі; 700-5000кг – легені; 5000-15000кг – середні;
понад 15000кг – важкі.
Найважчим вертольотом у світі був радянський гелікоптер Мі-12 (105т), а серед серійних машин – Мі-26 (56т).
Декілька особняком у цьому ряду стоять безпілотні вертольоти, що використовуються для розвідки, моніторингу навколишнього середовища та сільгоспобробки, злітна маса яких коливається від 80 до 1000кг.
Крім того, гелікоптери класифікуються за призначенням як:
пасажирські; бойові; транспортні; сільськогосподарські;
пошуково-рятувальні та інші.
Наявність на борту двигунів дозволяє класифікувати повітряні судна за кількістю двигунів - одне, двох і трирухові, і за типом - поршневі та газотурбінні.
Ще однією важливою характеристикою є схема вертольота. Схему вертольота визначає спосіб врівноваження реактивного моменту несучого гвинта. В даний час застосовують одну і двогвинтову схему. Три і навіть чотиригвинтові схеми, що розроблялися в Радянському Союзі і США, не знайшли широкого застосування.
Одногвинтова схема - передбачає наявність одного несучого гвинта і пристрою, що компенсує реактивний момент гвинта, що несе. Як пристрій компенсуючого реактивний момент зазвичай використовується кермовий гвинт, але в деяких випадках застосовують інші механізми (рисунок 1а, б).
Двогвинтова схема передбачає наявність двох несучих гвинтів, що мають різноспрямоване обертання. Реактивні моменти таких гвинтів компенсуються взаємно. У свою чергу двогвинтові вертольоти по розташуванню гвинтів можуть мати:
∙ співвісну схему - несучі гвинти протилежного обертання розташовуються одна над одною (рисунок 1в);
∙ поздовжню схему - синхронізовані між собою гвинти розміщуються один попереду іншого з наявністю невеликої зони перекриття (рисунок 1г);
∙ поперечну схему - гвинти розташовуються праворуч і ліворуч від фюзеляжу (рисунок 1д);
∙ схему з гвинтами, що перетинаються, - дві осі обертання нахилені під кутом один до одного (рисунок 1е).
У Нині у Росії переважають вертольоти фірми Камова і Міля. Перші гелікоптери своєї розробки виникли біля Казанського вертолітного заводу. Спроби розробки гелікоптерів легкого класу робляться в Україні. Основними європейськими виробниками вертольотів є консорціуми - Єврокоптер, що складається з французької корпорації Єврокоптер Франц і німецької Єврокоптер Дойчланд і Агуста Вестланд, що складається з італійської ком-
панії Агуста та англійської Вестланд. Корпорації Боїнг, Сікорський та Белл є найбільшими у США. Велику активність у цьому секторі ринку останні роки виявляють компанії Польщі та ПАР. У класі надлегких гелікоптерів успішно працюють фірми таких країн, як США, Бельгія, Італія, Канада. Японські фірми Ямаха та Фуджі активно просувають безпілотні сільськогосподарські вертольоти.
Крім того, слід зазначити, що на північноамериканському континенті популярністю користуються інші гвинтокрилі літальні апарати - одно-двомісні автожири. Їхнім виробництвом займається відразу кілька фірм.
Абсолютна більшість виробників вертольотів у світі використовує одногвинтову схему. Літальні апарати, побудовані за такими принципами, створює фірма Міля. Співвісну застосовують на вертольотах фірми Камова та на деяких зарубіжних безпілотних апаратах. Поперечна схема застосовується нині лише з конвертопланах фірми Белл, розроблених самостійно й у кооперації з фірмою Агуста. Поздовжню схему використовують транспортні вертольоти фірми Боїнг. Схема з гвинтами, що перехрещуються, є дуже складною і застосовується тільки фірмою Каман (США).
1.2. Створення вертольотів
Процес створення нового вертольота або модифікації існуючого є досить складним і складається з декількох етапів (рисунок 2). Для ухвалення рішення про початок проектування вертольота або модифікації має накопичитись «критична» маса вимог. Ці вимоги виробляють різні служби:
∙ інженерні – на основі аналізу розробок інших фірм та власних досліджень, підготовлених до впровадження;
∙ маркетингу – на основі аналізу поточних та перспективних потреб ринку;
∙ експлуатації – на основі аналізу зауважень та пропозицій експлуатуючих організацій;
∙ стиліста (дизайнера) – на основі аналізу сучасних тенденцій дизайну з метою створення привабливого вигляду вертольота.
Малюнок 1. Різні схеми розташування гвинтів.
а – одногвинтова схема з кермовим гвинтом (вертоліт Мі-28, Росія), б – одногвинтова схема із системою NOTAR (MD500, США), в – співвісна (Ка-50, Росія), г – поздовжня (CH-47, США) , д - поперечна (BA609, США-Італія), е - схема з гвинтами, що перетинаються (K-MAX, США).
Вимоги часто перебувають у суперечності один з одним, тому після аналізу їх важливості, терміновості та вартості виробляється компромісний варіант, який максимально відповідає всім службам. На його підставі здійснюється попереднє проектування, в ході якого виконуються аеродинамічні та інші розрахунки, визначається загальна геометрія, склад обладнання, приймаються рішення щодо найважливіших технічних рішень, виробляється компонування літального апарату. Після виконання попереднього проводиться робоче проектування. На цьому етапі розробляються тривимірні моделі деталей, вузлів та агрегатів, виконується їх розрахунок на міцність, на підставі якого приймається рішення про полегшення чи зміцнення елементів конструкції. З остаточної тривимірної моделі складається робоча документація. Враховуючи високий рівень комп'ютеризації авіаційного виробництва, іноді виробники використовують спрощену систему документації, в якій, наприклад, креслення деталі показує загальний вигляд, але не має розмірних даних. Споживачі такого креслення завжди можуть отримати необхідну інформацію з розробленої комп'ютерної моделі розташованої в корпоративній мережі. Результати проектування передаються у виробництво, де спершу відбувається виготовлення макетного зразка, а потім реального вертольота. Якщо модифікація літального апарату не передбачає значних змін, етап виготовлення макетного зразка може бути відсутнім.
Літні та статичні випробування підтверджують правильність розрахунків. Слід зазначити, що кожен етап, наступний після проектування, призводить до часткової зміни конструкції внаслідок усунення недоліків, що виявляються. Результатом цієї роботи стає сертифікат, що дозволяє експлуатацію літального апарату у тій чи іншій країні світу. Щоб отримати сертифікат, повітряне судно має відповідати нормам льотної придатності, що діють на даній території. Як правило, окремо існують норми для цивільних та
військових гелікоптерів. Ці документи регламентують показники, яким має задовольняти весь апарат чи окремі його агрегати. Наприклад, вказується яку величину вітру повинен витримати вертоліт на тому чи іншому режимі.
Рисунок 2. Спрощена схема процесу створення гелікоптера.
ме польоту чи якусь шумність він не може перевищувати залежно від злітної ваги. Значну частину норм становлять норми міцності. Вони розглядають різні варіанти навантаження апарата в польоті, на зльоті та посадці, при стоянці та переміщенні аеродромом. Відповідно всі випадки поділяються на льотні, посадкові та земні.
У наші дні гелікоптер є найбільш універсальним літальним апаратом. У багатьох країнах він має назву « гелікоптер», яке було утворене з двох грецьких слів, які в перекладі означають «спіраль» і «крило». Вертоліт, що довго зависаючи на одному місці, може потім полетіти в будь-який напрямок, навіть не здійснюючи розвороту. А ще йому не потрібні спеціальні злітно-посадкові смуги, адже він здатний злітати вертикально вгору без розбігу і здійснювати вертикальну посадку без пробігу. Завдяки цьому гелікоптери широко застосовуються для транспортних перевезень у важкодоступні місця, для пожежних, санітарних та рятувальних робіт.
Основною відмінністю вертольота від літака є те, що він злітає без розгону і піднімається вгору у вертикальному положенні. Вертоліт не має крил, замість них є великий гвинт, розташований на даху, і маленький гвинт на хвості. Головна гідність вертольота – маневреність. Він може довго зависати у повітрі і, крім того, літати заднім ходом. Щоб здійснити посадку, гелікоптеру не потрібний аеродром: він може приземлитися на будь-якому рівній площадці, навіть високо в горах.
На початку двадцятого століття француз П. Кореня перший у світі піднявся вертольотом. Йому вдалося злетіти на висоту 150 сантиметрів, тобто він висів у своєму винаході десь на рівні грудей дорослого чоловіка. Тоді цей політ тривав лише 20 секунд. Поль Кореня вирішив, що висота надто велика, і він сильно ризикує, тому в подальшому злітав угору тільки зі страховкою – на прив'язі.
Головним елементом конструкції, який змушує вертоліт злітати, а потім ширяти в небесах, є його великий гвинт. Він постійно загрібає лопатями повітря, рахунок чого вертоліт і летить. У той же час хвостовий гвинт не дає корпусу цього птаха, що літає, повертатися в протилежний напрямок обертання основного гвинта. Така конструкція гелікоптера була придумана в 1940-х роках російським інженером.
При обертанні гвинта вертольота, що несе, виникає сила реакції, що розкручує його в протилежному напрямку. Залежно від способу врівноваження цієї сили бувають одногвинтові та двогвинтові вертольоти. У одногвинтових гелікоптерів силу реакції усувають допоміжним хвостовим гвинтом, а у двогвинтових - за рахунок того, що гвинти обертаються в протилежні сторони.
Види вертольотів.
Головним призначенням ударних гелікоптерів є поразка наземних цілей противника. Це найкращі військові гелікоптери, тому такі машини ще називають штурмовими. Їх озброєння складається з керованих протитанкових та авіаційних ракет, великокаліберних кулеметів та малокаліберних знарядь.
Ударний гелікоптер може в одному бою знищити величезну кількість техніки та живої сили супротивника. Ударний гелікоптер «Єврокоптер тайгер» полягає на озброєнні в арміях Франції, Іспанії, Німеччини та Австралії.
Одним із найбільш маневрених ударних гелікоптерів у світі вважається російський гелікоптер Ка-50. Він широко відомий у світі під прізвиськом Чорна акула. Цей гелікоптер оснащений двома великими гвинтами, а хвостове оперення у нього як у літака. Вертоліт Чорна акула виконує найскладніші фігури найвищого пілотажу і здатна зависати у повітрі до 12 годин. Завдяки сучасній автоматизації Ка-50 керує лише один пілот.
1983 року в американському штаті Арізона був створений ударний вертоліт АН-64 «Апач». До його озброєння увійшли автоматична скорострільна гармата та 16 керованих протитанкових ракет. Вертоліт «Апач» здатний розвивати швидкість до трьохсот кілометрів на годину і літати на висоті 6 кілометрів. Цей вертоліт чудово маневрує як у непроглядній темряві, так і під час найгірших погодних умов. Гелікоптер Апач, і в наші дні є основним гелікоптером армії в США.
Транспортний вертоліт може бути використаний для перевезення як пасажирів, так і вантажів. Також з різновидів гелікоптерів можна виділити спеціальний рятувальний вертоліт та легкий двомісний дослідний вертоліт.
.
Гвинт, що несе, у вертольота: використовується для польоту один або кілька (частіше два) гвинтів. Його лопаті (до 8 штук) діють як крила літака та при обертанні створюють необхідну підйомну силу. Спочатку лопаті виготовляли з металу, а з кінця п'ятдесятих років минулого століття їх виготовляють зі склопластику.
Допоміжний гвинт служить для усунення сили реакції, що розкручує вертоліт у протилежному напрямку при обертанні гвинта, що несе. Іноді замість гвинта на хвостовій балці може бути встановлене реактивне сопло. Двигун вертоліт априводить у обертання несучі та допоміжні гвинти. Зазвичай це поршневий чи реактивний мотор.
У кабіні пілот взнаходиться кермо управління (штурвал), що повертається пілотом для польоту в потрібному напрямі. Кермо змінює нахил лопатей гвинта, у польоті одна частина кола, який описує гвинт, буде опущена нижче, ніж інша, і гелікоптер полетить у цей бік.
Фюзеляж включає кабіну пілота, пасажирський або вантажний салон, а також моторний відсік. Шасі – так як вертольоту для зльоту та посадки «пробіжка» не потрібна, дуже часто колісне шасі замінюють зручнішими лижами.
