Оптимизация конструкции лонжерона лопасти несущего винта вертолета

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЛОНЖЕРОНА ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

РЕФЕРАТ

Работа состоит из 5 разделов, соответствующих заданию на дипломный проект, и включает в себя: 91 страницы текста; 7 таблиц; 33 рисунков. В качестве литературных источников использовано 16 изданий, в том числе: справочники, книги отдельных авторов по соответствующей тематике.

Ключевые слова: лонжерон, лопасть, оптимизация, масса конструкции, вертолет, САПР.

Объектом исследования в данной работе выступает лонжерон лопасти несущего винта легкого вертолета.

Цель работы: подбор оптимальной конструкции лонжерона лопасти несущего винта легкого вертолета, которая должна соответствовать требованиям достаточной прочности и жесткости, эксплуатационным требованиям, требованиям минимального веса.

В качестве метода исследования использован метод математического программирования в задаче оптимизации конструкций из композиционных материалов с применением компьютерной программы виртуального конечноэлементного моделирования Solid Works. В результате работы было получено оптимальное значение толщины стенки лонжерона 6,6 мм, которое меньше на 1,2 мм толщины стенки исходного лонжерона. Оптимизированная конструкция соответствует эксплуатационным требованиям.

Вертолетостроение традиционно было лидирующим в применении композитов. В последнее время доля их использования в конструкции вертолета существенно возросла. Использование композитов предъявляет дополнительные требования к содержанию знаний конструктора. Сложность конструирования деталей, выполняемых из композитов, обусловлена тем, что деталь и материал изготавливаются одновременно. Поэтому наряду с выбором внешней формы, оптимальной с точки зрения изготовления детали, конструктор должен определить структуру композита, которая была бы оптимальна для выбранной формы детали и наилучшим образом соответствовала действию внешних нагрузок. Для успешного решения этой задачи конструктор должен знать свойства композитов, методы их расчета и способы изготовления из них конструкций.

С первого взгляда, для получения наилучшей конструкции достаточно составить математическую модель проектируемого объекта и найти его оптимальные параметры по одному или нескольким заранее выбранным критериям эффективности. Однако есть принципиальные трудности, которые не позволяют решить эту задачу достаточно корректно. Во-первых, определение оптимальных параметров конструкции возможно лишь для заданной конструктивно-силовой схемы, при этом остается нерешенным вопрос об оптимальности самой схемы. Во-вторых, не всегда удается формализовать все ограничения и требования к конструкции при построении математической модели. Выбор и определение комплексного критерия оптимизации также является достаточно сложной и неоднозначной в своем решении задачей. Поэтому упомянутые вопросы конструирования обычно решаются последовательно, в порядке определенного соподчинения.

Значительный прогресс в совершенствовании процесса проектирования достигается при переходе на CAD/CAM/CAE технологии. Имеющийся в них широкий набор инструментов автоматизации конструкторских работ позволяет не только сократить сроки проектирования и выпуска изделия, но и повысить качество конструкции по многим показателям [2].

Целью данного дипломного проекта является:

— оптимизация конструкции лонжерона лопасти несущего винта вертолета. Подбор оптимальной конструкции будет осуществляться с использованием персонального компьютера и прикладной программы Solid Works;

— оценка возможности использования прикладной программы Solid Works как инструмента системы автоматизированного проектирования (САПР) конструкций из КМ.

1. НЕСУЩИЙ ВИНТ ВЕРТОЛЕТА

1.1 Общие требования к конструкциям элементов несущего винта Общие требования, предъявляемые к конструкции элементов НВ, противоречивы и проектирование несущей системы вертолета является сложной задачей нахождения компромисса между ними. Требования можно подразделить на следующие группы.

Аэродинамические требования. Взаимное расположение частей НВ, его формы и параметры должны обеспечивать высокие летно-технические характеристики. Конструкция лопастей должна обеспечивать заданные характеристики аэродинамического контура и балансировку в пределах, которые позволяют эксплуатировать вертолет с учетом установленных ограничений, ресурсов и сроков службы [3].

Требования прочности. Все элементы конструкции вертолета должны выдерживать все виды нагрузок в соответствии с нормами летной годности вертолетов, в которых предусмотрены различные случаи нагружения частей вертолета.

По видам нагрузок элементы несущего винта должны проектироваться с учетом статической, усталостной прочностей и их совокупности. Также, ввиду того, что лопасть НВ является длинномерной конструкцией, необходим учет прочности по устойчивости конструкции.

Статическая прочность конструкции проверяется при больших редко действующих нагрузках. При этом расчет и выбор параметров конструкции проводится по разрушающей нагрузке Рразр. которая должна превосходить эксплуатационную Рэ в некоторое число раз. Это число называют коэффициентом безопасности f. Для авиационных конструкций f принято выбирать равным 1,5. Чрезмерное увеличение значения этого коэффициента ведет к возрастанию габаритов и массы, что является недопустимым для конструкции летательного аппарата. Для каждого агрегата вертолета и конкретного случая его нагружения рекомендуемые значения коэффициентов безопасности даются в «Авиационных правилах». Начальным этапом определения размеров детали является проектировочный расчет по допускаемым напряжениям. Размеры сечений детали рассчитываются таким образом, чтобы действующие в них напряжения от расчетной нагрузки ур, были равны допускаемым напряжениям [у], [ф]. В качестве допускаемых напряжений принимаются пределы прочности у в, ф в или текучести у т в зависимости от характера и условий нагружения конструкции. Определенные трудности возникают при выборе допускаемых напряжений в деталях, изготавливаемых из композиционных материалов, вследствие особенностей характера их разрушения. На рисунке 1.1 представлена диаграмма изменений напряжений в зависимости от удлинения образца однонаправленного стеклопластика при приложении нагрузки вдоль армирующих волокон.

В начале нагружения до некоторого момента материал сохраняет целостность и ведет себя как упругий, подчиняясь закону Гука: у = Е· е. После достижения напряжений, соответствующих точке 1 (рисунок 1.1), в связующем на разделе сред появляются мелкие трещины. Армирующие элементы здесь не разрушаются, и конструкция не теряет несущих свойств. Более того, для некоторых материалов наблюдается увеличение жесткости. На второй стадии (рисунок 1.1, точка 2) вдоль армирующих элементов появляются значительные трещины, но волокна не повреждаются. Конструкция еще сохраняет несущие свойства. На третьей стадии (рисунок 1.1, точка В) армирующие нити рвутся, и материал полностью разрушается. Если допускаемые напряжения при действии максимальных эксплуатационных нагрузок выбирать соответствующими последней стадии разрушения (ув), то может оказаться, что при действии номинальных нагрузок материал будет находиться в первой или второй стадиях разрушения. Это недопустимо, поскольку при повторных нагрузках трещины в конструкции будут расти, ускоряя ее разрушение. Поэтому прочность деталей из композиционных материалов следует оценивать как при максимальных, так и при номинальных нагрузках эксплуатации. Это противоречие в ряде случаев преодолевается выбором большого значения коэффициента безопасности f = 2,0−2,5 и занижением допускаемых напряжений в композите до уровня 2/3ув при расчете конструкции на предельную несущую способность.

Рисунок 1.1 — Диаграмма изменений напряжений у в зависимости от удлинения образца е однонаправленного стеклопластика, где у1 и е1 — напряжение и деформации согласно закону Гука; у2 — напряжение появления значительных трещин без повреждения волокон; ув — напряжение разрушения образца; 1 — точка предела пропорциональности; 2 — точка; характеризующая начало накопления трещин; В — разрушение композита При расчете лонжерона по условиям статической прочности (для случая падения лопасти на ограничитель свеса) ставится условие, чтобы расчетные напряжения в слое не превышали у1. Это делается с целью недопущения микротрещин даже при статическом, кратковременном нагружении. В дальнейшем они могут привести к снижению усталостной прочности при действии циклических нагрузок. При таком подходе лопасть несущего винта приобретает большой ресурс, ограниченный не столько усталостными характеристиками исходного материала, сколько другими факторами, например временем его естественного старения.

Расчет конструкции, работающей на устойчивость, производится по разрушающим нагрузкам и сводится к определению критической силы потери устойчивости Ркр, которая должна быть не меньше расчетной Рр.

Усталостные разрушения составляют основной вид разрушения механических агрегатов вертолета и нередко приводят к тяжелым последствиям. На усталостные характеристики композиционных материалов оказывает влияние множество факторов. Среди основных: состав и структура материала, температура, влажность окружающей среды, вид нагружения. Поэтому для каждого образца материала, который предполагается использовать в конструкции, необходимо проводить полный цикл усталостных испытаний. Усталостную прочность композитов, как и у металлов, оценивается кривыми усталости. Между усталостными и статическими характеристиками композита существует прямая зависимость. Чем выше статическая прочность материала, тем лучше он сопротивляется усталости.

Практика использования композитов в конструкциях показала, что срок их службы в условиях действия переменных многоцикловых нагрузок значительно превышает срок службы аналогичных конструкций, выполненных из металлов. В частности, ресурс лопасти, выполненной из полимерных композитов, ограничен не столько возможностью усталостного разрушения, сколько изменением в течение длительной эксплуатации и хранения физико-механических свойств деталей лопасти и их клеевых соединений вследствие старения и охрупчивания.

Требования жесткости. Ввиду подверженности лопасти НВ знакопеременным нагрузкам, а также случаям значительного статического нагружения, конструкция лопасти должна обладать необходимой жесткостью для предотвращения остаточных деформаций и соблюдения заданного аэродинамического профиля поверхности лопасти. Следствием низкой изгибной и крутильной жесткости может стать потеря эффективности управления вертолетом, когда из-за изгиба и закручивания аэродинамической поверхности, находящейся под воздействием внешних сил, появляются неконтролируемые изменения углов установки и, соответственно, углов атаки по длине лопасти. Недостаточная изгибная и крутильная жесткость может стать причиной недопустимых явлений аэроупругости, таких, как флаттер и дивергенция.

Требование надежности. Основным требованием к вертолету и его конструкциям является надежность — способность выполнять свои функции с сохранением летных и эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение заданного промежутка времени. Конструкция элементов НВ вертолета, значения их прочности, жесткости, массы, ресурса должны обеспечивать надежность эксплуатации при заданных условиях работы и случаях внештатных нагрузок.

Технологичность конструкции. Конструкция элементов НВ вертолета должна обеспечивать возможность применения прогрессивных и экономичных технологических процессов.

Совершенство по массе. Для авиационных конструкций требование минимальной массы является обязательным, разумеется, при соблюдении прочности и жесткости. Поскольку лопасть НВ и ее составные элементы (лонжерон, узлы крепления) относятся к силовым элементам, то основным путем уменьшения массы служит выбор рациональной конструктивно-силовой схемы, применение конструкционных материалов с высокими характеристиками относительной прочности и относительной жесткости. Однако масса лопасти должна обеспечивать необходимые инерционные характеристики для безопасного полета в режиме авторотации несущего винта, а также соответствовать значениям, необходимым для устранения аэроупругих явлений (флаттера, дивергенции).

Оптимальная масса конструкции может быть достигнута грамотным конструированием.

Долговечность конструкции. Долговечность — это общее время (обычно исчисляемое в годах) работы конструкции на номинальном режиме в условиях нормальной эксплуатации без существенного снижения расчетных параметров при экономически приемлемой суммарной стоимости ремонтов. Долговечность агрегатов вертолетов, особенно имеющих силовые детали и узлы, во многом определяется величиной их ресурса.

Ресурсом называется наработка агрегата (исчисляемая в часах) от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, после которого существует вероятность его разрушения. Для большинства основных агрегатов вертолета (лопастей и втулок несущих и рулевых винтов, систем управления винтами, трансмиссии, редукторов, подредукторной рамы и др.) устанавливается ресурс по условиям усталостной прочности.

Существует два способа проектирования авиационных конструкций по выносливости в условиях действия переменных нагрузок: проектирование по принципам «безопасного ресурса» и «безопасного повреждения» .

При назначении безопасного ресурса предполагается, что в процессе отработки задаваемого срока службы ни в одной из деталей рассматриваемой серии не будут возникать усталостные трещины.

В конструкции с безопасным повреждением допускается появление трещин в отдельных силовых элементах конструкции, однако, трещины не должны приводить к разрушению или чрезмерной деформации всей конструкции. Это достигается выбором типа конструкции, при котором возможное разрушение или усталостные трещины только уменьшат до некоторой степени статическую прочность и жесткость конструкции, достаточные для завершения безаварийного полета вертолета. Увеличение допускаемых напряжений в элементах конструкции с безопасным повреждением может составлять 15−20% по сравнению с соответствующими напряжениями, принимаемыми для конструкции безопасного срока службы. Выигрыш от применения безопасно повреждаемых конструкций заключается в уменьшении массы изделия, увеличении срока службы и уменьшения его стоимости.

Эффективным способом обеспечения безопасной повреждаемости является использование «избыточных» конструкций с несколькими каналами передачи нагрузок. Примером такого решения является лопасть несущего винта с многоконтурным лонжероном, показанная на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Отсек лопасти с многоконтурным лонжероном При использовании в конструкции НВ композиционных материалов часто используется проектирование по принципу безопасного повреждения.

1.2 Краткая характеристика несущего винта вертолета Несущий винт является важнейшей частью вертолета. Основным назначением НВ является создание подъемной силы на всех режимах полета и сил, обеспечивающих поступательное перемещение вертолета в заданных направлениях. Помимо этого, несущий винт создаст устойчивость вертолету и используется для управления им.

Несущий винт состоит из лопастей и втулки. Лопасти создают потребную подъемную силу. Втулка представляет собой кинематический механизм, обеспечивающий движение и угловые перемещения лопасти в вертикальной и горизонтальной плоскости под воздействием аэродинамических и инерционных сил, а также поворот лопасти для управления её подъемной силой.

По способу крепления лопасти к втулке и втулки к валу, который вращает винт, несущие винты можно подразделить на четыре типа:

1). с шарнирной подвеской лопастей (рисунок 1.3, а, б);

2). на кардане (рисунок 1.3, в);

3). с жестким креплением лопастей (рисунок 1.3, г);

4). с упругим креплением лопастей (рисунок 1.4).

В настоящее время на некоторых легких вертолетах применяются несущие винты с рессорным креплением лопастей, которые можно считать разновидностью винтов первого типа.

Рисунок 1.3 — Типы несущих винтов, где, а — с шарнирной подвеской лопастей; б — с общим горизонтальным шарниром; в — на кардане; г — с жестким креплением лопастей; 1 — горизонтальный шарнир (ГШ); 2 — вертикальный шарнир (ВШ); 3 — осевой шарнир (ОШ); 4 — общий горизонтальный шарнир; 5 — кардан Шарнирная подвеска лопастей несущего винта к втулке позволяет им совершать три вида поворотных движений [4]:

1. Лопасть может поворачиваться вокруг оси, проходящей вдоль ее размаха, изменяя свой установочный угол, величина которого в формулах обозначается буквой ц. Угол ц называется еще шагом лопасти.

2. Лопасть может поворачиваться около горизонтального шарнира (ГШ), совершая маховые движения. Угол взмаха обозначается буквой в. Взмах вверх и вниз конструктивно ограничен упорами, но так, что при работе лопасть никогда их не касается. Нижний упор является ограничителем свисания лопасти при стоянке вертолета.

3. Лопасть может поворачиваться около вертикального шарнира (ВШ). Угол поворота лопасти относительно вертикального шарнира называется углом отставания или опережения и обозначается буквой ж. Этот угол конструктивно также ограничен упорами.

Другим типом крепления лопастей является упругое крепление к втулке НВ при помощи торсионов, представляющих собой пакет упругих пластин, заменяющий ГШ или ВШ.

Пакеты торсионных пластин попарно соединяют противолежащие лопасти и воспринимают центробежные силы. Они же позволяют лопасти совершать маховое движение в плоскости тяги и поворачиваться относительно своей продольной оси. На рисунке 1.4 представлена втулка с торсионным креплением лопастей несущего винта вертолета MD-500.

Рисунок 1.4 — Втулка НВ вертолета MD-500 с торсионами Такая схема установки втулки позволила разгрузить приводной вал главного редуктора от переменных изгибающих нагрузок, возникающих на винте, и обеспечить посадку вертолета на авторотации в случае разрушения приводного вала.

Пластины торсиона растянуты центробежной силой. Они изгибаются при изгибных колебаниях лопасти в плоскости взмаха. Возникающие при этом напряжения уменьшают, помещая над и под торсионом специальные детали, ограничивающие его деформации. При изменении угла установки происходит закрутка обеих ветвей торсиона. Изгибные колебания лопасти в плоскости вращения приводят к изменению осевой силы в каждой ветви торсиона. В целом в поперечном сечении пластины возникают в основном нормальные напряжения от действия перечисленных факторов. Они имеют значительную переменную составляющую. Поэтому главной является задача обеспечения достаточного ресурса.

1.3 Лопасти несущего винта вертолета

1.3.1 Основные характеристики

Лопасть НВ представляет собой вращающееся крыло большого удлинения и характеризуется определенной совокупностью геометрических и кинематических параметров, относящихся ко всей лопасти или к ее отдельном сечениям.

Лопасти при поступательном полете вертолета вращаются вокруг оси НВ, перемещаются вместе с вертолетом в пространстве, изменяют свое угловое положение, поворачиваясь в указанных шарнирах при каждом обороте винта.

Аэродинамика несущей поверхности определяется прежде всего формой ее поперечных сечений. Профиль представляет собой контур, образующийся при пересечении крыла или лопасти плоскостью, перпендикулярной ее продольной оси, и характеризующийся совокупностью геометрических параметров. Прямая, соединяющая две наиболее удаленные точки профиля, называется хордой. От внешних форм лопасти зависит получение высоких значении подъемной силы и максимальной скорости горизонтальною полета при заданной мощности двигателя и т. д. Поэтому профиль лопасти должен обладать большим аэродинамическим качеством, малым изменением положения центра давления в рабочем диапазоне углов атаки сечений лопасти, высокими значениями коэффициента подъемной силы Сy max, угла атаки сечения бкрит. и крутящего момента Мкр., обеспечивать способность перехода на режим самовращения (авторотации) в большом диапазоне углов атаки и возможность простого конструктивного и технологического выполнения лопасти.

Круткой лопасти Дц называется разность углов установки в комлевом и концевом сечениях лопасти (рисунок 1.5). У большинства лопастей крутка составляет 6−12°. Крутку из соображений аэродинамики (улучшения КПД) желательно увеличивать, но при этом в конструкции лопасти растут переменные напряжения, что снижает ее ресурс. Крутка дает более равномерное распределение аэродинамических сил вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери НВ, вызываемые неравномерностью индуктивного потока. Кроме того, крутка увеличивает углы атаки сечений лопасти, расположенных близко к оси винта, где окружная скорость мала, что повышает их эффективность [1].

Рисунок 1.5 — Незакрученная (а) и закрученная (б) лопасти Обычно лопасти несущих винтов вертолетов аналогично крыльям самолетов, имеют отрицательную геометрическую крутку, так что у комля углы атаки больше, чем на конце. Такая крутка приводит к затягиванию срыва потока на конце лопасти, идущей по потоку, и увеличивает значение критического изгибающего момента концевых профилей, что позволяет повысить скорость полета вертолета.

Форма лопасти в плане может быть прямоугольной, трапециевидной и смешанной (рисунок 1.6). Трапециевидные лопасти близки к оптимальным с точки зрения аэродинамики (наиболее схожи с эллиптической формой), имеют меньшие индуктивные и профильные потери. Однако чаще всего на вертолетах из технологических соображений применяются лопасти прямоугольной формы в плане.

Рисунок 1.6 — Формы лопастей в плане, где, а — прямоугольная; б — трапециевидная; в — смешанная Лопасть состоит из лонжерона и закрепленных на нем хвостовых отсеков, которые образуют основную несущую поверхность и формируют аэродинамический профиль лопасти.

Силовым элементом лопасти является лонжерон, а нервюры, стрингеры и обшивка лишь передают на него нагрузки.

1.3.2 Конструкции лопастей

Лопасти различаются по своей конструкции ввиду различных подходов к материалам, изготовлению и компоновке элементов лопасти.

Лопасти цельнометаллической конструкции. Лопасти цельнометаллической конструкции можно подразделить на две группы: лопасти каркасной конструкции с трубчатым стальным лонжероном и лопасти с прессованным лонжероном из легких сплавов.

Лопасти каркасной конструкции впервые появились в 30-х годах на вертолете ЦАГИ 1-ЭА и вертолетах конструкция Снерва (Англия). Основным элементом лопасти является лонжерон, изготовленный из стальной трубы, имеющей переменную по длине толщину стенки и форму поперечного сечения[1]. Для трубчатого лонжерона применяется обычно труба из высоколегированной стали типа 30ХГСА или 40ХНМА, закаленной и отпущенной на прочность (ув = 1100−1300 МПа). После горячей и холодной прокатки, формообразования и закалки наружная и внутренняя поверхности трубы полируются. На внешней и внутренней поверхностях лонжерона создается наклеп виброударным способом, повышающий предел выносливости до амплитуды изгибных динамических напряжений ущ min = 280−300 МПа при постоянной части нагружения равной 200−250 МПа. Такие лопасти используются на вертолетах Ми-6 и Ми-26.

Лопасть состоит из отдельных отсеков, включающих в себя обшивку, нервюры и стрингеры. Отсек цельнометаллической лопасти со стальным трубчатым лонжероном состоит из носовой и хвостовой частей, закрепленных на лонжероне (рисунок 1.7).

Основа носовой части отсека — обшивка, имеющая подсечку для укладки пакета электрического противообледенителя. Для увеличения жесткости контура носовой части к обшивке приклеены и дополнительно приклепаны диафрагмы, гофрированные накладки и передний профиль. Для создания необходимой по флаттерным характеристикам поперечной центровки лопасти к обшивке носка приклеены и приклепаны противовесы в виде стального профиля. Носовая часть отсека приклеена к передней стенке хвостовой части отсека и прикреплена к ней винтами по подсечке.

Хвостовая часть отсека лопасти с трубчатым лонжероном включает в себя переднюю стенку корытообразного сечения, к которой приклеивают обшивку, торцевые нервюры и сотовый заполнитель. Для придания жесткости задней кромке в нее вклеен текстолитовый стрингер. Усиливающие подкладки приклеены для устранения резкого изменения жесткости в местах соединения обшивки с профилем передней стенки и сходят на ус в направлении к задней кромке отсека. Сотовый блок склеен из листов алюминиевой фольги и придает жесткость хвостовой части отсека. По бокам хвостовой части имеются торцевые нервюры, к которым прикреплены боковые накладки, предназначенные для соединения винтами носовых и хвостовых частей отсеков. Спереди хвостовой части приклеен дюралюминиевый башмак с выступающими передними поясами, которые охватывают сзади часть лонжерона и опираются на хомуты, приклеенные к лонжерону (рисунок 1.7). Это позволяет воспринимать и передавать на лонжерон центробежные и перерезывающие силы. В поясах имеются отверстия под болты для крепления лент, притягивающих хвостовые части отсеков к лонжерону. Эти ленты воспринимают моменты, действующие на отсек. Для крепления хвостовых частей отсеков к лонжерону приклеены и притянуты двумя стальными хомутами стальные цапфы. Хомуты также приклеены к цапфам и лонжерону. В местах расположения средних частей отсеков на лонжероне приклеен пенопластовый блок, армированный фанерой, к которому приклеен носок.

Рисунок 1.7 — Отсек лопасти с трубчатым стальным лонжероном, где 1 башмак; 2 — цапфа; 3 — лонжерона; 4 — хомут; 5 — болт; 6 — пенопластовый блок; 7 — крестовина; 8 — лента; 9 — хвостовой отсек Упругие изгибные деформации лопасти в плоскости вращения таковы, что задняя кромка лопасти, находящаяся на наибольшем удалении от оси жесткости, испытывает значительные сжимающие усилия, особенно на режимах раскрутки НВ. Для разгрузки от переменных усилий задняя часть лопасти выполняется разрезной и обычно состоит из отдельных, не связанных между собой отсеков с резиновыми вкладышами между ними, которые предотвращают перетекание воздуха с нижней на верхнюю поверхность лопасти. При изгибных деформациях лонжерона лопасти хвостовые отсеки практически не нагружаются. Обшивка является наиболее нагруженным элементом конструкции хвостового отсека. Она передает на лонжерон центробежную силу отсека, изгибающие моменты, создаваемые аэродинамическими и инерционными силами, и деформируется в зоне прикрепления вместе с лонжероном. Использование в конструкции отдельных секций позволяет в производстве легко обеспечить крутку лопасти, а в случае повреждения одной из секции заменить ее, не заменяя всей лопасти.

В конструкции лопасти, основанной на стальной трубе, лонжерон обычно защищен каркасом и не может быть механически поврежден при эксплуатации.

Лопасти с прессованным лонжероном применяются на вертолетах Ми 2, Ми-8, Ми-24. Лопасти имеют прессованный лонжерон из алюминиевого сплава, представляющий собой пустотелую балку с внутренним контуром постоянного сечения.

Использование прессованного профиля из дюралюминиевого материала позволило формировать профиль лонжерона с наиболее целесообразным сечением (рисунок 1.8). Применение замкнутого профиля, полученного методом прессования (экструзия), ограничил диапазон использования существующих дюралюминиевых сплавов. В процессе прессования происходит разделение материала на две части, поэтому и формирующем профиль инструменте (фильере) эти две части должны соединяться и свариваться давлением. Чтобы структура материала в местах сварки не ухудшалась, необходимо применять материал с высокой коррозионной стойкостью. Усталостная прочность дюралюминиевого лонжерона может снизиться из-за дефектов, возникающих в процессе прессования профиля и механической обработки лонжерона. Поэтому наружную и внутреннюю поверхности лонжерона подвергают нагартовыванию стальными шариками вибрационным методом [1]. Предел выносливости может быть доведен до амплитуды изгибных динамических напряжений ущ min = 55−60 МПа при постоянной части нагружения равной 60 МПа.

Рисунок 1.8 — Сечение лопасти с дюралюминовым прессованным лонжероном, где 1 — пакет противоабразивной накладки; нагревателя и прокладки диэлектрика; 2 — резиновый слой; привулканизированный к отсекам противофлаттерного груза (3) из стали; 4 — лонжерон; 5 — клеевое соединение дюралюминовой обшивки хвостового отсека (6) с лонжероном; 7 сотовый заполнитель из алюминиевой фольги Для повышения жесткости верхняя и нижняя полки лонжерона имеют внутри ребра. Первые от носка ребра служат направляющими для противовеса, устанавливаемого в целях обеспечения требуемой поперечной центровки лопасти. Противовес состоит из отдельных частей, покрытых резиной для уплотнения и предохранения от коррозии. Под концевым обтекателем имеется винтовой упор, удерживающий противофлаттерные грузы от продольных перемещений. Комлевая часть лонжерона утолщена для установки на ней стального наконечника, который крепится к лонжерону стальными болтами и для предохранения от коррозии дополнительно приклеивается к лонжерону. Щеки наконечника имеют увеличивающееся к заделке во втулке сечение для более плавного включения их в работу при изгибе и растяжении. На концевой части лонжерона крепятся на двух шпильках стальные балансировочные пластины статического момента массы лопасти.

Хвостовой отсек лопасти состоит из обшивки, склеенной с сотовым заполнителем, с двумя торцевыми нервюрами и хвостовым стрингером. Хвостовой отсек приклеен к полкам и задней стенке лонжерона.

Процесс прессования не позволяет изменять форму сечения по заданному закону, поэтому требуемую высоту профиля по длине лопасти можно обеспечить только за счет фрезерования внешней поверхности.

В результате конструктор имеет возможность разрабатывать конструктивно-силовую схему лопасти только прямоугольной формы в плане (сужение з = 1).

Лопасти с лонжероном замкнутой формы позволяют использовать технические средства постоянного контроля усталостных разрушений материала лонжерона. Система сигнализации повреждения цельнометаллических лонжеронов состоит из сигнализатора давления воздуха и заглушек на концах лонжерона. Внутренняя полость лонжерона заполняется воздухом под давлением, превышающим давление начала срабатывания сигнализатора. В случае появления в лонжероне трещины давление воздуха в нем падает. Информация о разгерметизации полости лонжерона поступает от сигнализатора давления в виде выдвижения красного колпачка сильфона, установленного в комлевой части каждой лопасти.

Лопасти смешанной конструкции. Лопасти смешанной конструкции имеют стальной трубчатый лонжерон, подкрепленный по длине кольцевым слоем композитного материала. Примером такой лопасти является лопасть вертолета Ми-26, стальной трубчатый лонжерон которой подкреплен стеклопластиковым каркасом.

Лопасть НВ вертолета Ми-26 состоит из общей носовой части и отдельных хвостовых отсеков, а также комлевого и концевого обтекателей (рисунок 1.9). В носовую часть, изготовленную по форме профиля лопасти, входят стальной трубчатый лонжерон, пенопластовый заполнитель и пакет противообледенительной системы. Лонжерон воспринимает все нагрузки от носовой части и хвостовых отсеков лопасти с помощью специальных компенсаторов. Труба лонжерона облицована по наружному диаметру слоем стеклоленты для обеспечения прочного соединения лонжерона с каркасом, защиты его от коррозии и для образования каналов системы сигнализации о повреждении лонжерона. Обшивка носовой части лопасти образована из восьми слоев стеклоткани, компенсаторы изготовлены из стеклопластика. Они представляют собой как бы продольные нервюры носовой части лопасти, связывающие обшивку лопасти с лонжероном и обеспечивающие передачу нагрузок с хвостовых отсеков и носовой части на лонжерон. Компенсатор состоит из набора прямоугольных участков стеклоткани, склеенных связующим и прошедших режим полимеризации.

Рисунок 1.9 — Конструктивно-силовая схема носовой части лопасти вертолета Ми-26, где 1 — стальной трубчатый лонжерон; 2 — заполнитель из самовспенивающегося пенопласта; 3 — обшивка из стеклопластика; 4 — компенсатор из пенопласта; 5 — каналы системы обнаружения усталостных трещин в лонжероне; 6 — электропроводка; 7 — противоабразивная накладка;

8 — нагревательная накладка

Хвостовой отсек включает в себя обшивку с двумя слоями стеклоткани, стеклопластиковые нервюры, хвостовой стрингер, дюралюминиевый закрылок и сотовый заполнитель из специальной бумаги, обладающей высоким сопротивлением усталости и коррозионной стойкостью. Все хвостовые отсеки имеют закрылки для изменения шарнирного момента и усилий в цепи управления.

Система сигнализации повреждения лопасти со стеклопластиковым каркасом имеет некоторую особенность. Наружная поверхность трубы лонжерона облицована стеклолентой, поэтому при возникновении трещины в лонжероне воздух из его внутренней полости не может стравливаться. В связи с этим при изготовлении лопасти вдоль трубы лонжерона укладывают двойные фторопластовые шнуры, обматывают «сырой» стеклолентой, а трубу полимеризуют в пресс-форме. Затем шнуры вытягивают, при этом образуются каналы 5 (рисунок 1.9), в которые и стравливается воздух в случае повреждения лонжерона. Появление усталостной трещины в зоне воздушных каналов приводит к падению давления в полости лонжерона и срабатыванию сигнализатора. Каналы выполняются двойными по технологическим соображениям — всегда имеется вероятность обрыва фторопластового шнура при его вытягивании из полости длиной 14 м.

Лопасти из композиционных материалов. Анизотропность композиционных материалов (КМ) открыла широкие возможности применения их в лопастях НВ. Применение КМ позволяет направленно формировать жесткостные характеристики лопасти (изгибные и крутильные) за счет соответствующей ориентации армирующих волокон композита с учетом сложного характера ее нагружеиия. Эффективность применения КМ в силовых элементах лопастей определяется рядом преимуществ этих материалов по сравнению с металлами. В частности, аэродинамические и аэроупругие параметры лопастей композитов могут выбираться без учета ограничений, вызываемых технологическими процессами получения катаных, экструдированных (прессованных) или механически обработанных металлических конструктивных элементов.

С помощью КМ, обладающих более высокой удельной прочностью, изготавливают лопасти меньшой массы, чем металлические. Снижение массы лопастей, в свою очередь, оказывает влияние на центробежные силы, инерцию ротора, частотные и другие характеристики.

Регулируемая в широких пределах анизотропия КМ позволяет получать необходимые конструктивные и демпфирующие параметры лопасти. Частота собственных колебаний лопасти может быть изменена не только перераспределением массы, но и выбором армирующих волокон, имеющих низкий или высокий модуль упругости, включая их гибридизацию (смешивание), степени армирования и ориентации армирующих волокон относительно оси лопасти. Крутильная жесткость лопасти может быть существенно увеличена за счет добавления слоев с ориентацией ± 45° относительно размаха лопасти при незначительном изменении частот продольных колебаний.

Основным силовым элементом композитной лопасти является лонжерон (рисунок 1.10). Он имеет форму носовой части лопасти. В комлевой части лонжерона находится стальной узел крепления лопасти к втулке. Он крепится к лонжерону на болтах и клее. Для статической балансировки лопасти лонжерон имеет торцевую и комлевую балансировочные камеры. В носовой части лонжерона, защищенной от абразивного износа светоозоностойким резиновым покрытием, расположен центровочный груз, залитый в латунную оковку. К задней части лонжерона приклеены хвостовые секции, которые состоят из тонкой стеклопластиковой обшивки и легкого заполнителя, склеенных между собой.

Тип исходных КМ для лонжеронов выбирается в зависимости от летно-технических данных вертолета. Для малонагруженных лопастей вертолетов используется дешевая стеклоткань сатинового переплетения. Для высоконагруженных лопастей используются гибридные КМ на основе высокопрочной стеклоткани, углеродной ленты и технической ткани на эпоксидном связующем.

Рисунок 1.10 — Конструктивно-силовая схема отсека лопасти из композиционного материала вертолета Ка-26, где 1 — резиновое покрытие; 2 стеклопластиковый носок; 3 — оковка; 4 — трубка противообледенителъной системы; 5 — противофлаттерный груз; 6 — лонжерон; 7 — стеклопластиковая обшивка; 8 — сотовый заполнитель; 9 — резиновый вкладыш Таким образом, композитные лонжероны имеют контурную форму (D-образное сечение), которая совпадает или близка к форме аэродинамического профиля лопасти.

Кроме того, силовым элементом лопасти может быть лонжерон

С-образного сечения (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 — С-образная форма лонжерона, где 1 — электротепловой элемент; 2 — антиабразивная накладка; 3−6 — элементы каркаса; 7 — лонжерон

1.4 Нагрузки, действующие на лопасть и лонжерон НВ

1.4.1 Нагрузки, действующие на лопасть

В полете лопасти нагружаются воздушными и массовыми (инерционными) силами. Для упрощения представления о распределении нагрузок их можно разделить на две группы:

1 Нагрузки, действующие в плоскости наименьшей жесткости лопасти в плоскости взмаха (рисунок 1.12, а). К ним относятся: воздушная нагрузка Y в; нагрузка от веса конструкции лопасти Y к; центробежная сила Nцб, а также инерционная сила Y в от углового ускорения при маховом движении лопасти относительно горизонтального шарнира. Уравновешиваются эти нагрузки реакцией R втулки в горизонтальном шарнире;

2 Нагрузки, действующие в плоскости вращения винта (рисунок 1.12, б). К ним относятся: лобовое сопротивление Qa (направлено против вращения, по касательной к окружности, которую описывает центр давления лопасти); инерционная сила Nин от колебаний относительно вертикального шарнира (дающая момент, направленный противоположно угловому ускорению); центробежная сила Nцб, и кориолисова сила Fкop. от махового движения лопасти относительно горизонтального шарнира.

Для прочности лопасти наиболее существенными являются нагрузки обеспечивающие равновесие моментов относительно горизонтального шарнира и действующие в плоскости ее наименьшей жесткости — плоскости взмаха.

Величина и распределение погонных нагрузок по размаху лопасти зависят от ряда факторов: аэродинамических характеристик профиля, установочного угла, формы лопасти в плане, крутки лопасти и скорости потока, ее обтекающего, от азимутального положения лопасти. Последний фактор приводит к тому, что в отличие от крыла самолета на одном и том же режиме полета величина и распределение нагрузки по размаху лопасти циклически меняются.

Рисунок 1.12 — Силы, действующие на лопасть несущего винта, где, а — в плоскости взмаха; б — в плоскости вращения винта; в — составляющие погонной центробежной силы Величина воздушной нагрузки, приходящейся на одну лопасть, определяется по формуле 1.1.

(1.1)

где пэ — эксплуатационная перегрузка; пР — расчетная разрушающая перегрузка; G — вес вертолета; z — число лопастей несущего винта; f — коэффициент безопасности.

Массовые нагрузки представлены нагрузкой от веса лопасти Y к и центробежной силой Nцб.

(1.3)

где rц.т. — радиус центра тяжести, щ — угловая скорость вращения НВ.

Погонные массовые нагрузки от веса лопасти qук и центробежной силы qN.

При расчетах погонную нагрузку qN раскладывают на две составляющие, действующие вдоль и перпендикулярно оси лопасти в плоскости ее наименьшей жесткости Под действием qN1 лопасть работает на растяжение, qN2 является поперечной нагрузкой лопасти, разгружающей ее от действия аэродинамических сил .

Инерционная нагрузка от махового движения лопасти относительно горизонтального шарнира Распределение этих сил по радиусу лопасти зависит не только от r и qл, но и от положения лопасти по азимуту (сомножитель d2в/dt2).

Общая погонная нагрузка qу равна сумме всех погонных нагрузок Под действием воздушных и массовых сил в сечениях лопасти возникают усилия: поперечные Q и осевые N силы, изгибающие Мизг. и крутящие Мкр моменты.

Практически интегрирование можно заменить суммированием, разбивая лопасть на ряд участков длиной Дr.

Анализ расчетов показывает, что максимальные значения изгибающих моментов получаются на расстоянии (0,35 — 0,5) R от оси вращения.

В общем случае центр жесткости (ЦЖ), центр тяжести (ЦТ) и центр давления (ЦД) на профиле не совпадают (рисунок 1.13) и появляется крутящий (шарнирный) момент Мкр, который действует относительно оси жесткости лопасти, практически совпадающей с осью осевого шарнира.

Силы и шарнирный момент, действующие на лопасть, представляют собой суммы отдельных гармонических составляющих (гармоник), каждая из которых изменяется с определенной частотой, кратной частоте вращения НВ.

Рисунок 1.13 — Возникновение крутящего момента

(1.13)

где хд, хж, хт — координаты центра давления, центра жесткости и центра тяжести относительно носка профиля соответственно.

1.4.2 Нагрузки, действующие на лонжерон

От аэродинамических и инерционных сил в сечении лонжерона лопасти возникает равнодействующая сила и момент. Сила может бить разложена на три компонента. Два из них являются поперечными силами в плоскости сечения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, одну из которых можно приближенно считать совпадающей с хордой профиля. Третьим компонентом является осевая сила N (вдоль оси лопасти). Момент состоит из изгибающих моментов в плоскости взмаха и плоскости вращения и крутящего момента.

Так как поперечные силы значения не имеют, то они не рассматриваются.

Осевая сила практически равна центробежной, возникающей вследствие вращения винта. Она вызывает растяжение лонжерона. В связи с тем, что центробежная сила Nцб имеет большую величину (десятки тонн), в поперечном сечении лонжерона появляются большие нормальные напряжения. Они практически не изменяются по величине, поэтому являются статической подгрузкой, которая может вызвать снижение долговечности. С учетом этого при проектировании выбирают площадь поперечного сечения лонжерона. От крутящего момента в сечении лонжерона возникают касательные напряжения, не оказывающие заметного влияния на ресурс. Исключение может составить комлевая часть лопасти из композиционных материалов из-за наличия отверстий для крепления наконечника. Крутящий момент комлевой части лопасти передается на систему управления и определяет ее прочность.

На рисунке 1.14 представлена схема распределения сил и моментов относительно сечения лонжерона.

Рисунок 1.14 — Распределение сил и моментов в лонжероне, где N — центробежная сила, Q — поперечная сила, Мz — крутящий момент, Мzизгибающий момент

Наибольшее для ресурса значение имеют изгибающие моменты. Они являются переменными по времени и вызывают в сечении лонжерона появление переменных нормальных напряжений, определяющих ресурс лопасти. Главными расчетными характеристиками являются величины продольной силы и крутящего момента, так как принимается допущение о том, что при вращении лонжерон, нагружаемый большой центробежной силой, растягивается и выпрямляется, за счет чего лопасть частично разгружается от изгибающих сил.

1.5 Упруго-массовые характеристики лопасти НВ При конструировании агрегатов вертолета следует стремиться к максимально возможному снижению их массы. Это требование особую важность представляет для лопасти НВ, поскольку от ее массы зависит действующая на нее центробежная сила и, как следствие, масса втулки. Однако при этом имеют место ограничения, определяемые минимально осуществимой конструктивно-технологической массой лопасти.

Уровень действующих в лопасти переменных напряжений и имеющиеся запасы при некоторых видах потери устойчивости (поворотно-маховый, хордовый и срывной флаттер, дивергенция и др.) зависят от массовой характеристики лопасти г0. Массовая характеристика лопасти г0 есть отношение действующей на лопасть аэродинамической силы к инерционной силе.

Поскольку обеспечить нормальную работу несущего винта удается только при значениях массовой характеристики не больше чем (г0)max (считается, что для лопастей несущего винта (г0)max? 7), то вводится понятие о минимально возможном значении весового коэффициента (kл)min. Значению (г0)max? 7 соответствует величина (kл)min = 5,5.

Однако масса почти всех серийно наготовленных лопастей, за малым исключением, выше, чем определяемая указанным коэффициентом (kл)min.

Это объясняется как стремлением к снижению действующих в лонжероне лопасти переменных напряжений, падающих с уменьшением г0. так и тем, что более действенным оказывается другое ограничение — конструктивно-технологическое. Это ограничение связано с минимально допустимыми толщинами стенок деталей лопасти. Толщины стенок лонжерона нельзя уменьшать ниже определенных пределов, исходя из технологических ограничений, допустимых деформаций на кручение, изгиба поясов лонжерона под действием аэродинамических сил, а также для исключения потери устойчивости нижнего пояса лонжерона при ударе лопасти об ограничитель при остановке винта. Эти и ряд других ограничений конструктивно-технологического характера приводят к относительному увеличению массы малых лопастей. Поэтому значение kл оказывается обычно большим для малых лопастей (R = 4 м, kл? 12, г0= 4,5) и меньшим для больших (R? 16 м, kл = 5,5, г0= 7). В связи с этим удобно ввести понятия о конструктивно-технологической массе лопасти и о массе, требуемой для обеспечения нормальной работы НВ.

Совершенствование конструирования и технологии изготовления лопасти, появление новых, более прочных материалов и упрочняющих процессов обработки позволяют снижать ее конструктивно-технологическую массу, обеспечивая необходимую прочность при больших переменных напряжениях, возникающих, в частности, при увеличении массовой характеристики г0. Однако этому снижению массы препятствуют трудности обеспечения нормальной работы НВ. Опыт создания лопастей показывает, что большая часть явлений, препятствующих нормальной работе НВ, достаточно легко устраняется при относительно тяжелых лопастях, когда массовая характеристика лопасти не более чем г0 = 4−5, и существенно труднее при относительно более легких лопастях, когда г0 = 6−7. С другой стороны, снижение конструктивно-технологической массы оказывается более успешным для лопастей больших размеров и легко приводит к созданию лопастей с большими массовыми характеристиками, но не позволяет получать такие же результаты для малых лопастей.

Вследствие этого для снижения массы лопастей малого диаметра требуется решение главным образом конструктивно-технологических проблем, а снижении массы лопастей большого диаметра связано с решением проблемы обеспечения нормальной работы НВ с лопастями, имеющими массовую характеристику г0? 7.

Для разных размеров НВ оптимальными с точки зрения минимально осуществимой массы, определяемой технологическими возможностями и требованиями статической прочности, могут оказаться различные типы конструкции лопастей.

Для обеспечения прочности лопасти обязательны для выполнения два важных требования статической прочности

(1.18)

где уцс и [уцс]доп — действующие и допускаемые при заданном ресурсе напряжения от центробежной силы ([уцс]доп = 260 МПа при ущ = ± 250 МПа для стальной трубы, [уцс]доп = 80 МПа для прессованного профиля из АВТ-1 и лонжерона из стеклопластика); уизг и [уизг]доп — действующие и допускаемые напряжения от изгиба при падении лопасти на ограничитель; уразр — напряжения изгиба в лонжероне, приводящие к разрушению лопасти; f — коэффициент безопасности (f = 1,5); д — коэффициент увеличения максимальных напряжений при падении на ограничитель по отношению к напряжениям от собственного веса лопасти; ущ — амплитуда изгибных динамических напряжений. Поскольку д зависит от параметров лопасти и угла подъема лопасти, с которого рассматривается ее падение на ограничитель, то и [уизг]доп также будет величиной переменной (для лопасти со стальной трубой можно принять [уизг]доп = 260 МПа).

Выбранные значения [уцс]доп должны обеспечивать прочность лонжерона при раскрутке НВ и при падении лопасти на ограничитель свеса. В последнем случае необходимо исключить потерю статической устойчивости лонжерона.

При увеличении радиуса, удлинения и массы лопасти увеличивается прогиб лопасти от собственного веса. Если принять специальные меры, улучшающие компоновку вертолета, то прогиб конца лопасти оказывается строго ограниченным вследствие возможности задевания лопасти за конструкцию вертолета. У малых вертолетов относительный прогиб меньше, чем у больших. Поэтому проблема ограничения по прогибу лопасти особенно актуальна для больших вертолетов. Обычно по компоновочным соображениям у таких вертолетов относительный прогиб конца лопасти не должен превышать допустимого значения прогиба [уR]доп? 12.

Если принять допущения, что моменты инерции сечений лопасти пропорциональны четвертой степени ее хорды, то прогиб конца лопасти может быть определен по выражению

(1.19)

где коэффициент пропорциональности kyR, характеризующий совершенство компоновки лопасти по достигнутому уменьшению ее прогиба, зависит от конструкции лопасти, материала ее лонжерона, распределения моментов инерции и погонной массы лопасти по ее длине. Этот коэффициент для ряда построенных лопастей находится в пределах kyR = (0,38−0,5)· 106 м2/кг.

Требование статической прочности приводит к разделению лопасти на три участка по длине (рисунок 1.15), различающихся по характеру нагружения от центробежной силы и собственного веса: балластный участок на конце лопасти (R — r2), средний разрывной участок (r2 — r1) c предельно допускаемыми напряжениями от растяжения и участок комлевого утяжеления (r1 — r0) лопасти из-за повышенных изгибающих моментов от собственного веса, появляющийся при удлинении лопасти сверх определенных значений.

На балластном участке не выполняется требование равнопрочности, т.к. [уцс]доп? уцс. Таким образом, масса лопасти оказывается связанной с толщиной стенки концевой части лонжерона. Чем тоньше стенка концевой части лонжерона, тем ниже масса балластной части лопасти и ее общая масса. Но выполнять уменьшение стенки концевого участка лонжерона технологически трудно и не целесообразно. Если раскрутить НВ до частоты вращения, намного превышающей рабочую, то лопасть должна разорваться именно на среднем участке — отсюда и название разрывной участок. На этом участке площадь сечения лонжерона должна увеличиваться для сохранения постоянными напряжений от центробежных сил. Возрастает к комлю и действующий в сечении лопасти изгибающий момент от собственного веса лопасти. На радиусе r3 напряжения изгиба становятся равными допускаемым напряжениям. При малых относительных массах каркаса r2 может оказаться меньше r1, т. е. средний участок лопасти может пропасть.