Аэродинамика несущего винта

Несущий винт вертолета состоит из нескольких лопастей (как правило, от 2 до 5), соединенных со втулкой.

Втулка служит для передачи крутящего момента от двигателя к лопастям, для чего она соединяется с ведущим валом. Кроме того, устройство втулки обеспечивает возможность изменения положения лопастей в пространстве.

Изменение положения лопастей несущего винта происходит по двум причинам: под действием переменных сил, возникающих на них в полете, и по желанию летчика, который, воздействуя на лопасти, управляет полетом вертолета.

Откуда же берутся переменные силы? Если на режиме висения несущий винт обдувается прямым потоком воздуха и все лопасти винта работают в одинаковых условиях, то при наличии поступательной скорости винт попадает в режим косой обдувки. При этом оказывается, что условия работы различных лопастей в данный момент времени или, что-то же, условия работы лопасти в течение одного полного оборота винта значительно изменяются.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Для удобства принято несущий винт в целом представлять, как единую плоскость вращения (которая проходит через втулку винта перпендикулярно оси винта). Заметим, что в действительности имеет место не плоскость, а конус, образованный вращающимися лопастями (его иногда называют «тюльпаном» лопастей).

Рассматривая винт как плоскость вращения, легко видеть углы атаки, под которыми винт движется относительно встречного потока воздуха в поступательном полете.

Углом атаки винта называется угол, образуемый направлением вектора скорости набегающего потока воздуха и плоскостью, перпендикулярной к оси втулки несущего винта. Обозначается этот угол атаки через А в отличие от угла атаки, под которым встречается профиль лопасти с потоком воздуха. Если у самолета угол атаки крыла и профиля крыла одно и то же, то для вертолета значения— величины различные.

В случае несущий винт движется под отрицательным углом атаки, а в случае б — под положительным углом. В обоих случаях винт работает в косом потоке.

Разложим по правилу параллелограмма вектор скорости встречного потока V на две составляющие скорости: одну — в плоскости, перпендикулярной к оси вращения винта, другую — по оси винта.

Тогда сразу обнаруживается различие в условиях работы винта в случаях.

В случае воздух со скоростью подходит к винту сверху. Этот режим работы несущего винта соответствует моторному полету вперед по горизонту, а также набору высоты или спуску с небольшими углами наклона траектории к горизонту.

В случае б воздух со скоростью подходит к винту снизу. Этот режим работы несущего винта соответствует моторному планированию (безмоторному полету на режиме самовращения винта) или крутому спуску.

Переходя к дальнейшему ознакомлению с работой винта, запомним из описанного выше два обстоятельства, а именно:

—   угол атаки несущего винта не равен углу атаки профиля отдельно взятой лопасти;

—   в плоскости вращения несущего винта действует не полная скорость встречного потока воздуха V, а только ее составляющая.

Рассматривая несущий винт сверху, по направлению стрелок, мы увидим картину, схематически изображенную.

При этом каждое сечение лопасти на радиусе будет находиться под воздействием двух скоростей: окружной скорости и скорости набегающего потока V. Сложив геометрически эти скорости в каждом угле азимута, мы увидим, что сечение лопасти (на пунктирной окружности) в течение одного оборота обтекается воздухом со скоростью, все время меняющейся по величине и направлению.

В самом деле, на угле азимута (360°) скорость обтекания больше (как диагональ прямоугольника — сторона) и отклонена к концу лопасти. На угле азимута = 90° скорость обтекания равна сумме скоростей. Эта лопасть идет навстречу набегающему потоку и поэтому называется наступающей лопастью. На угле азимута яр =180° скорость обтекания 1 = 180° по своей абсолютной величине такая же, что и на угле азимута 4 = 0°, но отклонена не к концу лопасти, а к оси вращения. На угле азимута v = 270° скорость обтекания равна разности. Эта лопасть как бы уходит от набегающего потока и поэтому называется отступающей лопастью. Она замечательна тем, что на ней находится целый участок, который обтекается не с передней, а с задней кромки, в силу чего этот участок вообще не создает подъемной силы (зона обратного обтекания).

Итак, мы установили, что условия работы лопасти в течение оборота меняются за счет изменения скоростей обтекания.

Кроме того, условия работы отдельных сечений лопастей изменяются также за счет изменения углов атак». Дело в том, что общего угла атаки для всей лопасти нет. Можно говорить только об угле атаки конкретного сечения. Этот угол все время претерпевает изменения. Пусть первоначально сечение установлено под углом в к плоскости вращения. Угол Н между линией нулевой подъемной силы профиля и плоскостью вращения называется установочным углом или шагом лопасти.

С началом вращения любое сечение на радиусе обтекается со скоростью.

Угол атаки равен установочному углу. При наличии поступательной скорости в плоскости вращения возникнет скорость, а перпендикулярно ей — скорость. Кроме того, в плоскости вращения появляется индуктивная скорость, вызванная отбрасыванием воздуха винтом.

В скорость разложена на две составляющие: вдоль лопасти и перпендикулярно ей вдоль сечения. Очевидно, что на условия работы сечения влияет скорость.

Сложены скорости, действующие в плоскости вращения. Показан профиль сечения и сложены все действующие на него скорости. Угол между суммарной скоростью W и линией нулевой подъемной силы (аэродинамической хордой) и есть истинный угол атаки при поступательном движении вертолета. Этот угол (аист) значительно меньше установочного угла.

Кроме того, (в силу изменения величины, так как эти скорости то складываются, то вычитаются в течение одного оборота), ясно, что истинный угол атаки все время претерпевает изменения.

Таким образом, в поступательном полете условия работы лопасти за один оборот (цикл) все время меняются. С началом следующего оборота цикл повторяется.

За счет различия в скоростях обтекания и углов атаки сечений циклически изменяется положение полной аэродинамической силы, возникающей на лопасти несущего

винта. Полная аэродинамическая сила уже не проходит вдоль оси вращения винта. Это является источником вибрации вертолета и одной из причин неустойчивости его. За счет разности подъемных сил в различных местах поверхности, ометаемой винтом, на нем создаются моменты, стремящиеся опрокинуть вертолет относительно продольной п поперечной осей; за счет разности сил сопротивления лопасти имеют значительную нагрузку в плоскости вращения.

Все это заставляет конструктора вводить целый ряд конструктивных особенностей в несущий винт вертолета по сравнению с самолетным винтом.

Узлы и агрегаты техники