При выборе конструктивно-силовой схемы (КСС) лопасти необходимо определить все конструктивные элементы по их функциональному назначению. В общем случае считается, что лопасть состоит из лонжерона, нервюр, стрингеров и обшивки, т. е. в принципе из тех же элементов, что и крыло самолета.
Однако компоновка и исполнение этих элементов весьма специфичны, что объясняется особенностями нагружения лопасти в процессе эксплуатации. Типовая КСС сечения лопасти показана на рис. 8.3.
Формирование конструктивно-силовой схемы лопасти существенно зависит от типа НВ (вариантов крепления лопастей ко втулке). Так, для шарнирных втулок (с горизонтальным и вертикальным шарнирами) можно использовать произвольную конструкцию лопасти, а для бесшарнирных и на карданной подвеске – желательно выбирать лопасти с работающей хвостовой частью. На сегодняшний день известно множество КСС лопастей, разработанных фирмами Англии, Франции, России, США и др. (рис. 8.4).
При рассмотрении поперечного сечения практически любой лопасти можно выделить два основных элемента конструкции – лонжерон и хвостовой отсек.
Лонжерон – основной силовой элемент, воспринимающий продольную и поперечные силы, изгибающий и крутящий моменты.
Хвостовой отсек – чаще всего не силовой элемент, формирующий аэродинамический профиль сечения лопасти.
Можно выделить два основных типа лонжеронов – трубчатый и контурный.
Трубчатый лонжерон имеет свободную форму поперечного сечения, не вписанную в профиль лопасти. Такой тип конструкции оказывается наиболее простым с точки зрения технологии. Но он обладает малым сопротивлением изгибу и дает наиболее неудачную резонансную диаграмму при колебаниях в плоскости тяги. У лопастей, оснащенных трубчатым лонжероном с неработающей на изгиб обшивкой, наиболее резко проявляются резонансы на режиме малых скоростей полета, что и представляет собой определяющий фактор для их усталостной прочности и ресурса. Такие лопасти имеют приблизительно одинаковые частоты собственных колебаний в плоскости взмаха и плоскости вращения. Существенным преимуществом конструкции лопасти с использованием трубчатого лонжерона является его защищенность каркасом, что предотвращает возможность механических повреждений в эксплуатации.
Контурный лонжерон вписан в переднюю часть профиля. Это позволяет разнести материал на максимальное расстояние от осей жесткости, что увеличивает жесткость лопасти, снижает действующие напряжения и, следовательно, позволяет снизить ее массу. Для контроля усталостного разрушения материала применяют так называемую систему сигнализации повреждений лонжерона. Использование контурных лонжеронов позволяет уменьшить массу противофлаттерных грузов, так как сам лонжерон представляет собой значительную массу, сосредоточенную в передней части лопасти. Данный тип лонжеронов дает возможность реализовать максимальную жесткость как на изгиб, так и на кручение. С ростом жесткости лопасти возрастают и частоты собственных колебаний. Это приводит к тому, что одни частоты могут удаляться от возбуждающих гармоник (т. е. от резонанса), а другие – приближаться к ним.
Рис. 8.4. Конструктивно-силовые схемы поперечного сечения лопастей НВ вертолетов
Конструктивно-силовые схемы поперечного сечения
лопастей НВ вертолетов:
а – Ми-2, Ми-4, Ми-6; б, в, г, д – опытные схемы; е – Belvedere; ж – Н-21В,
СР-47А Sea King; з – H-16 Piasecki; и – Ми-8, Ми-24, Ми-28Н, CH-47D Chinook;
к – Sea king, Westland 30, Lynx, EH-101A; л – AS.335 Ecureuil, AS.365 Dofen;
м – Ка-50, Ка-52, Ми-43; н – АН-64 Apache
Контурные лонжероны могут выполняться двух типов: из прессованной заготовки или наборными из отдельных продольных элементов. Наибольшее распространение получили прессованные лонжероны. Однако при их использовании очень трудно обеспечивать крутку и изменять профиль лопасти по размаху. Требуемая высота профиля обеспечивается только лишь благодаря фрезерованию наружной поверхности. Данная конструкция лучше всего подходит для прямоугольной лопасти (сужение =1) и оказывается выгодной при массовом выпуске лопастей.
Увеличение жесткости в плоскости взмаха может быть достигнуто за счет увеличения относительной толщины профиля. Но в этом случае наблюдается значительное возрастание профильного сопротивления, что снижает аэродинамическое качество несущего винта. При использовании контурных лонжеронов увеличение жесткости в плоскости тяги может быть достигнуто благодаря использованию нескольких контуров (см. рис. 8.4, м, н). Это также позволяет повысить живучесть лопасти.
Увеличение жесткости в плоскости вращения у контурных лонжеронов может быть достигнуто за счет увеличения относительной ширины лонжерона. Однако при относительной ширине лонжерона свыше 0,4 наблюдается значительное смещение назад центра масс сечения лопасти, что приводит к уменьшению запаса по флаттеру и требует установки большего по массе противофлаттерного груза. По аналогии с плоскостью взмаха возможно увеличение жесткости в плоскости вращения путем введения нескольких горизонтальных контуров (рис. 8.5). Такое решение также позволяет увеличить крутильную жесткость и реализовать простое и надежное крепление комля лопасти к втулке с помощью соединения «ухо-вилка» (каждый контур автоматически образует проушину стыкового узла при намотке лонжерона из ПКМ).