PHYSIK DES ROTORS

Tolles Auto – Helikopter! Bemerkenswerte Eigenschaften machen es in Tausenden von Fällen unverzichtbar. Nur ein Hubschrauber ist in der Lage, vertikal zu starten und zu landen, bewegungslos in der Luft zu hängen, sich seitwärts und sogar mit dem Heck voran zu bewegen.

Warum so wunderbare Möglichkeiten? Was ist die Physik seines Fluges? Versuchen wir, diese Fragen kurz zu beantworten.

Der Propeller eines Hubschraubers erzeugt Auftrieb. Die Propellerblätter sind die gleichen Schnauzen. In einem bestimmten Winkel zum Horizont installiert, verhalten sie sich im einströmenden Luftstrom wie ein Flügel: Unter der unteren Ebene der Schaufeln entsteht Druck, darüber kommt es zu einer Verdünnung. Je größer dieser Unterschied ist, desto größer ist die Hubkraft. Wenn die Auftriebskraft das Gewicht des Helikopters übersteigt, hebt er ab, im umgekehrten Fall sinkt der Helikopter.

Wenn an einem Flugzeugflügel die Auftriebskraft nur dann entsteht, wenn sich das Flugzeug bewegt, so zeigt sie sich am „Flügel“ eines Hubschraubers auch dann, wenn der Hubschrauber stillsteht: Der „Flügel“ bewegt sich. Das ist die Hauptsache.

Doch dann gewann der Helikopter an Höhe. Jetzt muss er vorwärts fliegen. Wie kann man das machen? Die Schraube erzeugt Schub nur nach oben! Werfen wir einen Blick auf diesen Moment im Cockpit. Er schob den Steuerknüppel von sich weg. Der Hubschrauber legte sich leicht auf die Nase und flog vorwärts. Warum?

Der Steuerknüppel ist mit einem ausgeklügelten Gerät verbunden – einer automatischen Übertragung. Dieser für die Hubschraubersteuerung äußerst praktische Mechanismus wurde vom Akademiemitglied B. N. Yuryev während seiner Studienzeit erfunden. Seine Vorrichtung ist ziemlich kompliziert und der Zweck besteht darin, dem Piloten zu ermöglichen, den Neigungswinkel der Rotorblätter zum Horizont nach Belieben zu ändern.

Es ist leicht zu verstehen, dass sich beim Horizontalflug eines Hubschraubers der Druck seiner Rotorblätter relativ zur Umgebungsluft mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt. Das nach vorne gerichtete Blatt bewegt sich in Richtung des Luftstroms und beim Zurückdrehen entlang des Luftstroms. Daher ist die Geschwindigkeit des Blattes und damit die Auftriebskraft höher, wenn sich das Blatt vorwärts bewegt. Der Propeller neigt dazu, den Hubschrauber auf die Seite zu drehen.

Um dies zu verhindern, verbanden die Nichtstruntoren die Schaufeln beweglich über Scharniere mit der Achse. Dann begann die Klinge, die sich mit größerer Auftriebskraft vorwärts bewegte, zu steigen, zu winken. Doch diese Bewegung wurde nicht mehr auf den Helikopter übertragen, dieser flog ruhig. Dank der Schlagbewegung der Klinge blieb ihre Auftriebskraft während der gesamten Umdrehung konstant.

Dies löste jedoch nicht das Problem des Vorwärtskommens. Schließlich müssen Sie die Richtung der Propellerschubkraft ändern und den Hubschrauber horizontal bewegen. Dies ermöglichte die Herstellung einer Taumelscheibe. Es verändert kontinuierlich den Winkel jedes Propellerblatts, sodass der größte Auftrieb ungefähr im hinteren Sektor seiner Drehung auftritt. Die resultierende Schubkraft des Hauptrotors kippt und der ebenfalls kippende Hubschrauber beginnt sich vorwärts zu bewegen.

Ein solch zuverlässiges und praktisches Hubschraubersteuergerät wurde nicht sofort geschaffen. Auch eine Vorrichtung zur Steuerung der Flugrichtung erschien nicht sofort.

Natürlich wissen Sie, dass ein Hubschrauber kein Ruder hat. Ja, er braucht kein Drehflügler. Er wird durch einen kleinen Propeller ersetzt, der am Heck montiert ist. Der Pilot hätte versucht, es auszuschalten – der Hubschrauber hätte sich selbst gedreht. Ja, er drehte sich so, dass er begann, sich immer schneller in die entgegengesetzte Richtung zur Drehung des Hauptrotors zu drehen. Dies ist eine Folge des Reaktionsmoments, das entsteht, wenn sich der Rotor dreht. Der Heckrotor verhindert, dass sich das Heck des Hubschraubers unter dem Einfluss des Reaktionsmoments dreht, sondern gleicht es aus. Und bei Bedarf erhöht oder verringert der Pilot den Schub des Heckrotors. Dann dreht der Helikopter in die richtige Richtung.

Teilweise verzichten sie komplett auf einen Heckrotor und verbauen bei Helikoptern zwei Rotoren, die sich gegeneinander drehen. Reaktionsmomente werden in diesem Fall natürlich zerstört.

So fliegen ein „Luft-Geländefahrzeug“ und ein unermüdlicher Arbeiter – ein Helikopter.

Allgemeine Bestimmungen.

Der Hauptrotor eines Hubschraubers (HB) soll Auftrieb, Antriebskraft (Vortrieb) und Steuermomente erzeugen.

Der Hauptrotor besteht aus einer Nabe und Flügeln, die über Scharniere oder elastische Elemente an der Nabe befestigt sind.

Aufgrund des Vorhandenseins von drei Scharnieren an der Nabe (horizontal, vertikal und axial) führen die Hauptrotorblätter im Flug eine komplexe Bewegung aus: - rotieren um die HB-Achse, bewegen sich zusammen mit dem Hubschrauber im Raum, ändern ihre Winkelposition, Drehen in diesen Scharnieren, daher ist die Aerodynamik des Blattes des Hauptrotors komplizierter als die Aerodynamik eines Flugzeugflügels.

Die Art der Umströmung des NV hängt von den Flugmodi ab.

Die wichtigsten geometrischen Parameter des Hauptrotors (NV).

Die Hauptparameter des HB sind der Durchmesser, die überstrichene Fläche, die Anzahl der Schaufeln, der Füllfaktor, der Abstand der horizontalen und vertikalen Scharniere und die spezifische Belastung der überstrichenen Fläche.

Durchmesser D ist der Durchmesser des Kreises, entlang dem sich die Enden der Schaufeln bewegen, wenn das HV angebracht ist. Moderne Hubschrauber haben einen Durchmesser von 14-35 m.

Gefegter Bereich Fom ist die Fläche des Kreises, die die Enden der HB-Klingen beschreibt, wenn sie auf der Stelle arbeiten.

Füllfaktorσ.ist gleich:

σ \u003d (Z l F l) / F Ohm (12.1);

wobei Z l die Anzahl der Schaufeln ist;

F l – die Fläche der Klinge;

F Ohm – überstrichener Bereich HB.

Charakterisiert den Füllungsgrad der überstrichenen Fläche mit den Schaufeln und variiert innerhalb von s=0,04¸0,12.

Mit zunehmendem Füllfaktor steigt der HB-Schub aufgrund einer Vergrößerung der realen Fläche der Lagerflächen auf einen bestimmten Wert und sinkt dann. Der Schubabfall ist auf den Einfluss der Strömungsschräge und des Wirbelnachlaufs des Vorderblatts zurückzuführen. Mit zunehmender Geschwindigkeit muss die dem NV zugeführte Leistung erhöht werden, da der Luftwiderstand der Rotorblätter zunimmt. Mit einer Zunahme von s verringert sich der zum Erreichen eines bestimmten Schubs erforderliche Schritt, wodurch sich die NV von den Strömungsabrissmodi entfernt. Die Merkmale der Stall-Modi und die Gründe für ihr Auftreten werden im Folgenden erörtert.

Der Abstand der horizontalen l g und vertikalen l bei Scharnieren ist der Abstand von der Scharnierachse zur Drehachse des HB. Kann relativ betrachtet werden (12.2.)

Befindet sich innerhalb . Das Vorhandensein von Scharnierabständen verbessert die Effizienz der Längs-Quer-Steuerung.

(12.3.)

Grundlegende kinematische Parameter von NV.

Zu den wichtigsten kinematischen Parametern des NV gehören die Frequenz oder Winkelgeschwindigkeit der Rotation, der Anstellwinkel des NV, die Winkel des allgemeinen oder zyklischen Schritts.

Rotationsfrequenz n s - Anzahl der Umdrehungen HB pro Sekunde; Drehwinkelgeschwindigkeit HB - bestimmt seine Umfangsgeschwindigkeit w R .

Der Wert von w R beträgt bei modernen Hubschraubern 180–220 m/s.

Der Anstellwinkel HB (A) wird zwischen dem Freestream-Geschwindigkeitsvektor und c gemessen
Reis. 12.1 Anstellwinkel des Hauptrotors und Betriebsarten.

die Rotationsebene des NV (Abb. 12.1). Winkel A gilt als positiv, wenn der Luftstrom von unten in den HB einströmt. Im Horizontalflug- und Steigflugmodus ist A negativ, im Sinkflug ist A positiv. 900.

Der kollektive Pitchwinkel ist der Einbauwinkel aller HB-Blätter im Querschnitt bei einem Radius von 0,7R.

Der Winkel des zyklischen Schritts des HB hängt von der Betriebsart des HB ab. Dieses Problem wird bei der Analyse des Schrägblasens des HB im Detail berücksichtigt.

Die Hauptparameter der HB-Klinge.

Zu den wichtigsten geometrischen Parametern des Blattes gehören Radius, Sehne, Einbauwinkel, Querschnittsform, geometrische Verdrehung und die Form des Blattes im Grundriss.

Der aktuelle Blattabschnittsradius r bestimmt seinen Abstand von der HB-Rotationsachse. Der relative Radius wird bestimmt

(12.4);

Profilakkord- eine gerade Linie, die die am weitesten entfernten Punkte des Abschnittsprofils verbindet und mit b bezeichnet wird (Abb. 12.2).

Reis. 12.2. Parameter des Klingenprofils. Klingenwinkel j ist der Winkel zwischen der Sehne des Blattabschnitts und der Rotationsebene des HB.

Montagewinkel j um `r=0,7 bei Neutralstellung der Bedienelemente und fehlender Schlagbewegung gilt als Einbauwinkel des gesamten Blattes und Gesamtneigung des HB.

Das Klingenabschnittsprofil ist eine Schnittform mit einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Klinge, gekennzeichnet durch eine maximale Dicke mit maximaler relativer Dicke Konkavität f und Krümmung . Bei den Rotoren werden in der Regel bikonvexe, asymmetrische Profile mit leichter Krümmung verwendet.

Die geometrische Verdrehung entsteht durch die Verringerung der Winkel der Abschnitte vom Schaft bis zum Ende des Blattes und dient der Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften des Blattes. Hubschrauberblätter haben im Grundriss eine rechteckige Form, was im aerodynamischen Sinne nicht optimal ist, aber technisch einfacher.

Die kinematischen Parameter des Blattes werden durch die Winkel der Azimutposition, des Hubs, des Schwungs und des Anstellwinkels bestimmt.

Azimut-Positionswinkel y wird durch die Drehrichtung des HB zwischen der Längsachse des Blattes zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Längsachse der Nullposition des Blattes bestimmt. Die Nullpunktlinie im Horizontalflug fällt praktisch mit der Längsachse des Heckauslegers des Hubschraubers zusammen.

Wurfwinkel b definiert die Winkelverschiebung des Blattes im horizontalen Scharnier relativ zur Rotationsebene. Es gilt als positiv, wenn die Klinge nach oben abweicht.

Schwenkwinkel x charakterisiert die Winkelverschiebung der Klinge im vertikalen Scharnier in der Rotationsebene (Abb. 12.). Es gilt als positiv, wenn das Blatt entgegen der Drehrichtung abweicht.

Der Anstellwinkel des Schaufelelements a wird durch den Winkel zwischen der Elementsehne und der Anströmung bestimmt.

Klingenwiderstand.

Der Widerstand des Blattes ist die aerodynamische Kraft, die in der Rotationsebene der Nabe wirkt und der Rotation des HB entgegengerichtet ist.

Der Frontwiderstand der Klinge setzt sich aus Profil-, Induktiv- und Wellenwiderstand zusammen.

Der Profilwiderstand wird durch zwei Ursachen verursacht: den Druckunterschied vor und hinter der Schaufel (Druckwiderstand) und die Reibung von Partikeln in der Grenzschicht (Reibungswiderstand).

Die Druckfestigkeit hängt von der Form des Schaufelprofils ab, d. h. von der relativen Dicke () und der relativen Krümmung () des Profils. Je mehr und desto mehr Widerstand. Die Druckfestigkeit hängt im Betriebszustand nicht vom Anstellwinkel ab, sondern nimmt bei kritischen Bedingungen zu.

Der Reibungswiderstand hängt von der Drehzahl des HB und dem Zustand der Oberfläche der Schaufeln ab. Der induktive Widerstand ist der Widerstand, der durch die Steigung des wahren Auftriebs aufgrund der Strömungsschräge verursacht wird. Der induktive Widerstand der Klinge hängt vom Anstellwinkel α ab und nimmt mit dessen Vergrößerung zu. Wenn die Fluggeschwindigkeit die berechnete Geschwindigkeit übersteigt, tritt am vorrückenden Blatt ein Wellenwiderstand auf und es treten Stöße am Blatt auf.

Der Widerstand hängt wie der Schub von der Luftdichte ab.

Impulstheorie der Hauptrotorschuberzeugung.

Das physikalische Wesen der Impulstheorie ist wie folgt. Ein funktionierender idealer Propeller wirft Luft ab und verleiht seinen Partikeln eine bestimmte Geschwindigkeit. Vor dem Propeller bildet sich eine Saugzone, hinter dem Propeller bildet sich eine Fallzone und durch den Propeller entsteht ein Luftstrom. Die wichtigsten Parameter davon Luftstrom: Induktionsgeschwindigkeit und Anstieg des Luftdrucks in der Rotationsebene des Propellers.

Im Axialströmungsmodus nähert sich Luft von allen Seiten dem NV und hinter dem Propeller bildet sich ein verengender Luftstrahl. Auf Abb. 12.4. Dargestellt ist eine ziemlich große Kugel mittig auf der HB-Hülse mit drei charakteristischen Abschnitten: Abschnitt 0, der sich weit vor der Schnecke befindet, in der Rotationsebene der Schnecke, Abschnitt 1 mit einer Strömungsgeschwindigkeit V 1 (Sauggeschwindigkeit) und Abschnitt 2 mit einer Strömungsgeschwindigkeit V 2 (Abstoßgeschwindigkeit).

Der Luftstrom wird vom HB mit der Kraft T geschleudert, die Luft drückt aber auch mit der gleichen Kraft auf den Propeller. Diese Kraft ist die Schubkraft des Hauptrotors. Die Kraft ist gleich dem Produkt aus der Masse des Körpers und
Reis. 12.3. Zur Erläuterung der Impulstheorie der Schuberzeugung.

die Beschleunigung, die der Körper unter der Wirkung dieser Kraft erhielt. Daher ist der HB-Schub gleich

(12.5.)

wobei m s die zweite Luftmasse ist, die durch den HB-Bereich strömt

(12.6.)

wo ist die Luftdichte;

F ist die von der Schraube überstrichene Fläche;

V 1 - induktive Durchflussrate (Saugrate);

a ist die Beschleunigung in der Strömung.

Formel (12.5.) kann in einer anderen Form dargestellt werden

(12.7.)

denn nach der Theorie einer idealen Schnecke ist die Geschwindigkeit des Luftausstoßes V durch die Schnecke doppelt so groß wie die Ansauggeschwindigkeit V 1 in der Rotationsebene der HB.

(12.8.)

Bei einem Abstand gleich dem HB-Radius kommt es zu einer nahezu Verdoppelung der induktiven Geschwindigkeit. Die Sauggeschwindigkeit V 1 für Mi-8-Hubschrauber beträgt 12 m/s, für Mi-2 - 10 m/s.

Fazit: Die Schubkraft des Hauptrotors ist proportional zur Dichte der Luft, der überstrichenen Fläche des HB und der induktiven Geschwindigkeit (Geschwindigkeit des HB).

Der Druckabfall im Abschnitt 1-2 gegenüber dem atmosphärischen Druck im ungestörten Luftmedium beträgt drei Druckhöhen der Induktionsgeschwindigkeit

(12.9.)

Dies führt zu einer Erhöhung des Widerstands der hinter dem HB befindlichen Hubschrauberstrukturelemente.

Theorie der Klingenelemente.

Der Kern der Theorie des Klingenelements ist wie folgt. Die Umströmung jedes kleinen Abschnitts des Blattelements wird berücksichtigt und die auf das Blatt wirkenden elementaren aerodynamischen Kräfte dú e und dx e bestimmt. Die Hubkraft der Klinge U l und der Widerstand der Klinge X l werden durch die Addition solcher Elementarkräfte bestimmt, die über die gesamte Länge der Klinge vom Endabschnitt (r bis) bis zum Ende (R) wirken. :

Die auf den Hauptrotor wirkenden aerodynamischen Kräfte sind definiert als die Summe der auf alle Rotorblätter wirkenden Kräfte.

Zur Bestimmung der Schubkraft des Hauptrotors wird eine Formel ähnlich der Flügelauftriebsformel verwendet.

(12.10.)

Nach der Theorie des Blattelements ist die vom Hauptrotor entwickelte Schubkraft proportional zum Schubkoeffizienten, der überstrichenen Fläche von HB, der Luftdichte und dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit des Blattendes .

Die Schlussfolgerungen zur Impulstheorie und zur Theorie des Elements Klinge ergänzen sich.

Aus diesen Schlussfolgerungen folgt, dass die Schubkraft des HB im Axialströmungsmodus von der Luftdichte (Temperatur), dem Einbauwinkel der Schaufeln (HB-Pitch) und der Drehzahl des Hauptrotors abhängt.

HB-Betriebsarten.

Die Hauptrotorbetriebsart wird durch die Position des HB im Luftstrom bestimmt. (Abb. 12.1) Abhängig davon werden zwei Hauptbetriebsarten bestimmt: die axiale und die schräge Strömungsart. Der Axialströmungsmodus zeichnet sich dadurch aus, dass sich die anströmende ungestörte Strömung parallel zur Achse der HB-Buchse (senkrecht zur Rotationsebene der HB-Buchse) bewegt. In diesem Modus arbeitet der Hauptrotor in den vertikalen Flugmodi: Schweben, vertikaler Steigflug und Helikopter-Sinkflug. Das Hauptmerkmal dieses Modus besteht darin, dass sich die Position des Flügels relativ zur auf die Schraube einfallenden Strömung nicht ändert. Daher ändern sich die aerodynamischen Kräfte nicht, wenn sich der Flügel im Azimut bewegt. Der Schrägströmungsmodus zeichnet sich dadurch aus, dass der Luftstrom schräg zu seiner Achse auf den NV trifft (Abb. 12.4.). Die Luft nähert sich dem Propeller mit der Geschwindigkeit V und wird durch die induktive Sauggeschwindigkeit Vi nach unten abgelenkt. Die resultierende Strömungsgeschwindigkeit durch die NV ist gleich der Vektorsumme der Geschwindigkeiten der ungestörten Strömung und der induzierten Geschwindigkeit

V1 = V + Vi (12.11.)

Dadurch erhöht sich der durch den NV strömende zweite Luftstrom und damit der Hauptrotorschub, der mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zunimmt. In der Praxis ist bei Geschwindigkeiten über 40 km/h ein Anstieg des NV-Schubs zu beobachten.

Reis. 12.4. Betrieb des Hauptrotors im Schrägblasmodus.

Schräger Hauch. Die effektive Geschwindigkeit der Strömung um das Schaufelelement in der Rotationsebene des NV und ihre Änderung entlang der überstrichenen Oberfläche des NV.

Im Axialströmungsmodus befindet sich jedes Element der Schaufel in einer Strömung, deren Geschwindigkeit gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Elements ist , wobei der Radius des gegebenen Elements der Klinge ist (Abb. 12.6).

Im Schrägströmungsmodus mit einem Anstellwinkel HB ungleich Null (A=0) hängt die resultierende Geschwindigkeit W, mit der das Schaufelelement umströmt wird, von der Umfangsgeschwindigkeit des Elements u, der Fluggeschwindigkeit V1, ab und der Azimutwinkel.

W = u + V1 sinψ (12.12.)

diese. Bei konstanter Fluggeschwindigkeit und konstanter Rotationsgeschwindigkeit des HB (ωr = const.) variiert die effektive Geschwindigkeit der Strömung um das Blatt in Abhängigkeit vom Azimutwinkel.

Abb.12.5. Änderung der Geschwindigkeit der Strömung um das Blatt in der Rotationsebene des Treibstoffs.

Änderung der effektiven Geschwindigkeit der Strömung um die überstrichene Oberfläche des NV.

Auf Abb. 12.6. zeigt die Geschwindigkeitsvektoren der Strömung, die als Ergebnis der Addition der Umfangsgeschwindigkeit und der Fluggeschwindigkeit in das Element des Schaufelblatts strömt. Das Diagramm zeigt, dass die effektive Strömungsgeschwindigkeit sowohl entlang der Schaufel als auch im Azimut variiert. Die Umfangsgeschwindigkeit steigt von Null an der Achse der Propellernabe bis zu einem Maximum an den Enden der Flügel. Im Azimut 90 beträgt etwa die Geschwindigkeit der Elemente des Blattes , bei Azimut 270 o beträgt die resultierende Geschwindigkeit , am Schaufelstumpf im Bereich mit einem Durchmesser d verläuft die Strömung von der Seite der Flosse, d.h. Es entsteht eine Rückströmungszone, eine Zone, die nicht an der Schuberzeugung beteiligt ist.

Der Durchmesser der Rückströmungszone ist umso größer, je größer der Radius des NV und je größer die Fluggeschwindigkeit bei konstanter Rotationsfrequenz des NV ist.

Bei den Azimuten y=0 und y=180 0 beträgt die resultierende Geschwindigkeit der Elemente des Blattes .

Abb.12.6. Änderung der effektiven Strömungsgeschwindigkeit um die überstrichene Oberfläche von Sprengstoffen.

Schräger Hauch. Aerodynamische Kräfte des Blattelements.

Befindet sich das Blattelement in der Strömung, entsteht die gesamte aerodynamische Kraft des Blattelements, die im Gin Auftriebs- und Widerstandskraft zerlegt werden kann.

Der Wert der elementaren aerodynamischen Kraft wird durch die Formel bestimmt:

Rr = CR(ρW²r/2)Sr (12.13.)

Durch Summierung der elementaren Schubkräfte und der Rotationswiderstandskräfte ist es möglich, die Größe der Schubkraft und des Rotationswiderstands des gesamten Blattes zu bestimmen.

Der Angriffspunkt der aerodynamischen Kräfte des Blattes ist der Druckmittelpunkt, der am Schnittpunkt der gesamten aerodynamischen Kraft mit der Flügelsehne des Blattes liegt.

Die Größe der aerodynamischen Kraft wird durch den Anstellwinkel des Schaufelelements bestimmt, der der Winkel zwischen der Flügelsehne des Schaufelelements und der Anströmung ist (Abb. 12.7).

Der Einbauwinkel des Blattelements φ ist der Winkel zwischen der Strukturebene des Hauptrotors (CPV) und der Profilsehne des Blattelements.

Der Einströmwinkel ist der Winkel zwischen den Geschwindigkeiten und. (Abb. 12.7.)

Abb. 12.7. Aerodynamische Kräfte des Schaufelelements bei Schräganblasung.

Auftreten des Kippmoments bei starrer Befestigung der Schaufeln. Schubkräfte werden von allen Elementen des Blattes erzeugt, aber die Elemente, die sich bei ¾ des Radius des Blattes befinden, haben die größten Elementarkräfte T l, den Wert der resultierenden T l im Modus der schrägen Strömung um den Schub des Blatts Klinge hängt vom Azimut ab. Bei ψ = 90 ist es maximal, bei ψ = 270 ist es minimal. Eine solche Verteilung der elementaren Schubkräfte und der Ort der resultierenden Kraft führt zur Bildung eines großen variablen Biegemoments an der Blattwurzel M izg.

Durch dieses Moment entsteht eine große Belastung am Befestigungspunkt der Klinge, die zu deren Zerstörung führen kann. Durch die Ungleichheit der Stäbe T l1 und T l2 entsteht ein Kippmoment des Hubschraubers,

M x \u003d T l1 r 1 -T l2 r 2, (12.14.)

die mit der Geschwindigkeit des Hubschraubers zunimmt.

Ein Propeller mit starren Blättern hat folgende Nachteile (Abbildung 12.8):

Vorhandensein eines Kippmoments im Schrägströmungsmodus;

Das Vorhandensein eines großen Biegemoments am Befestigungspunkt der Klinge;

Blattschubänderung im Azimut.

Diese Mängel werden durch die Befestigung des Blattes an der Nabe über horizontale Scharniere behoben.

Abb. 12.8 Auftreten eines Kippmoments bei starrer Befestigung der Rotorblätter.

Ausrichtung des Schubkraftmoments in verschiedenen Azimutpositionen des Blattes.

Bei Vorhandensein eines horizontalen Scharniers erzeugt der Schub der Klinge ein Moment relativ zu diesem Scharnier, das die Klinge dreht (Abb. 12.9). Das Schubmoment T l1 (T l2) bewirkt die Drehung der Klinge relativ zu diesem Scharnier

oder (12.15.)

daher wird das Moment nicht auf die Buchse übertragen, d.h. das Kippmoment des Hubschraubers wird eliminiert. Biegemoment Muzg. an der Wurzel der Schaufel wird gleich Null, ihr Wurzelteil wird entlastet, die Biegung der Schaufel nimmt ab, wodurch die Ermüdungsspannungen abnehmen. Vibrationen, die durch Schubänderungen im Azimut entstehen, werden reduziert. Somit erfüllt das Horizontalscharnier (HH) folgende Funktionen:

Eliminiert das Kippmoment im Schrägblasmodus;

Entlädt den Wurzelteil der Klinge von M nach außen;

Vereinfachen Sie die Steuerung des Hauptrotors;

Verbessern Sie die statische Stabilität des Hubschraubers;

Reduzieren Sie die Änderung des Blattschubs im Azimut.

Reduziert Ermüdungsspannungen im Blatt und reduziert dessen Vibration aufgrund von Änderungen der Schubkraft im Azimut;

Veränderung der Anstellwinkel des Schaufelelements durch den Hub.

Wenn sich das Blatt im Schrägblasmodus im Azimut ψ von 0 bis 90° bewegt, nimmt die Geschwindigkeit der Strömung um das Blatt aufgrund der horizontalen Fluggeschwindigkeitskomponente (bei kleinen Anstellwinkeln HB) ständig zu ) (Abb.12.10.)

diese. . (12.16.)

Dementsprechend erhöht sich die Schubkraft des Flügels, die proportional zum Quadrat der freien Strömungsgeschwindigkeit und dem Schubmoment dieses Flügels relativ zum horizontalen Scharnier ist. Die Klinge schwingt nach oben
Abbildung 12.9 Ausrichtung des Schubkraftmoments in verschiedenen Azimutpositionen des Blattes.

Der Blattabschnitt wird zusätzlich von oben angeblasen (Abb. 12.10), was zu einer Verringerung der wahren Anstellwinkel und einer Verringerung des Auftriebs des Blattes führt, was zu einem aerodynamischen Klappenausgleich führt. Beim Übergang von ψ 90 auf ψ 180 nimmt die Geschwindigkeit der Strömung um die Schaufeln ab, die Anstellwinkel nehmen zu. Bei Azimut ψ = 180 o und bei ψ = 0 o ist die Strömungsgeschwindigkeit der Schaufeln gleich und gleich ωr.

Zum Azimut ψ = 270 o beginnt die Schaufel aufgrund einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit und einer Abnahme von T l abzusinken, während die Schaufeln zusätzlich von unten angeblasen werden, was zu einer Vergrößerung der Anstellwinkel des Schaufelelements führt, und damit eine gewisse Erhöhung des Auftriebs.

Bei ψ = 270 ist die Strömungsgeschwindigkeit um die Schaufel minimal, der Abwärtsschwenk Vy der Schaufel maximal und die Anstellwinkel an den Enden der Schaufeln sind nahezu kritisch. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten um die Schaufel bei unterschiedlichen Azimuten nehmen die Anstellwinkel bei ψ = 270 o um ein Vielfaches zu, als sie bei ψ = 90 o abnehmen. Daher können bei einer Erhöhung der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers im Bereich des Azimuts ψ = 270 o die Anstellwinkel kritische Werte überschreiten, was zu einer Strömungsablösung von den Blattelementen führt.

Schrägströmung führt dazu, dass die Klappenwinkel im vorderen Teil der HB-Scheibe im Bereich des Azimuts 180 0 deutlich größer sind als im hinteren Teil der Scheibe im Bereich des Azimuts 0 0 . Diese Neigung der Scheibe wird als Obstruktion des HB-Kegels bezeichnet. Die Änderung der Winkel des Blatthubs im Azimut bei freiem HB, wenn keine Hubsteuerung vorhanden ist, ändert sich wie folgt:

Azimut von 0 bis 90 0:

Die resultierende Geschwindigkeit der Strömung um das Blatt nimmt zu, die Auftriebskraft und ihr Moment nehmen zu;

Hubwinkel b und Vertikalgeschwindigkeit V y erhöhen sich;

Azimut 90 0:

Aufschwenkgeschwindigkeit V y maximal;

Azimut 90 0 – 180 0:

Durch die Reduzierung der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit wird die Auftriebskraft der Schaufel reduziert;

Die Aufwärtshubgeschwindigkeit V y nimmt ab, der Blatthubwinkel nimmt jedoch weiter zu.

Azimut 200 0 – 210 0:

Die vertikale Schwenkgeschwindigkeit ist gleich Null V y = 0, der Schwenkwinkel des Blattes b ist maximal, das Blatt sinkt infolge einer Abnahme des Auftriebs nach unten;

Azimut 270 0:

Die Geschwindigkeit der Strömung um das Blatt ist minimal, die Auftriebskraft und ihr Moment werden reduziert;

Schwenkgeschwindigkeit V y - maximal;

Der Hubwinkel b nimmt ab.

Azimut 20 0 – 30 0:

Die Geschwindigkeit der Strömung um die Schaufel beginnt zuzunehmen;

V y \u003d 0, der Abwärtsschwenkwinkel ist maximal.

Bei einer freien Rechtsdrehung NV mit schrägem Anblasen kollabiert der Kegel also wieder nach links. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit nimmt die Behinderung des Kegels zu.

Abb. 12.10. Änderung der Anstellwinkel des Schaufelelements aufgrund des Hubs.

Hubregler (RV). Flugbewegungen führen zu einer Erhöhung der dynamischen Belastungen der Blattstruktur und einer ungünstigen Änderung der Anstellwinkel der Blätter entlang der Rotorscheibe. Eine Verringerung der Schwungamplitude und eine Änderung der natürlichen Neigung des HB-Kegels von links nach rechts erfolgt durch den Schwungregler. Der Schwenkregler (Abb. 12.11.) ist eine kinematische Verbindung zwischen dem Axialgelenk und dem Drehring der Taumelscheibe, die eine Verringerung der Winkel der Schaufeln j bei einer Verringerung des Schwenkwinkels b und umgekehrt eine Vergrößerung gewährleistet im Winkel der Blätter mit zunehmendem Schwenkwinkel. Diese Verbindung besteht darin, den Angriffspunkt des Schubs von der Taumelscheibe auf die axiale Scharnierleine (Punkt A) (Abb. 12.12) von der Achse des horizontalen Scharniers zu verschieben. Bei Hubschraubern vom Typ Mi rollt die Hubsteuerung den HB-Kegel nach hinten und rechts. In diesem Fall ist die seitliche Komponente entlang der Z-Achse der resultierenden HB-Kraft nach rechts entgegen der Richtung des Heckrotorschubs gerichtet, was die Bedingungen für das seitliche Ausbalancieren des Hubschraubers verbessert.

Abb.12.11 Sweep-Controller, Kinematikdiagramm. . . Gleichgewicht der Klinge relativ zum horizontalen Scharnier.

Bei der Schlagbewegung des Blattes (Abb. 12.12.) in der Ebene der Schubkraft wirken auf das Blatt folgende Kräfte und Momente:

Der Schub T l, der auf ¾ der Klingenlänge ausgeübt wird, bildet ein Moment M t \u003d T a und dreht die Klinge, um den Hub zu erhöhen;

Zentrifugalkraft F cb wirkt senkrecht zur konstruktiven Drehachse HB nach außen. Die Trägheitskraft des Klingenhubs, die senkrecht zur Klingenachse und entgegengesetzt zur Hubbeschleunigung gerichtet ist;

Die Schwerkraft G l wirkt auf den Schwerpunkt der Klinge und erzeugt beim Drehen der Klinge ein Moment M G =G·, um den Hub zu verringern.

Die Klinge nimmt entlang der resultierenden Kraft Rl eine Position im Raum ein. Die Gleichgewichtsbedingungen der Klinge relativ zum horizontalen Scharnier werden durch den Ausdruck bestimmt

(12.17.)

Abb.12.12. Kräfte und Momente, die in der Schlagebene auf die Klinge wirken.

Die HB-Schaufeln bewegen sich entlang der Mantellinie des Kegels, dessen Spitze sich in der Mitte der Nabe befindet und dessen Achse senkrecht zur Ebene der Schaufelenden steht.

Jedes Blatt nimmt bei einem bestimmten Azimut Ψ die gleichen Winkelpositionen β l relativ zur Rotationsebene des HB ein.

Die Schwungradbewegung der Rotorblätter ist zyklisch und wiederholt sich streng mit einer Periode, die der Zeit einer Umdrehung des HB entspricht.

Moment der horizontalen Scharniere der Hülse HB (M gsh).

Bei der axialen Umströmung des NV ist die Resultierende der Schaufelkräfte R n entlang der Achse des NV gerichtet und wirkt in der Mitte der Hülse. Im Schrägblasmodus weicht die Kraft R n in Richtung der Blockade des Kegels ab. Aufgrund des Abstands der horizontalen Scharniere verläuft die aerodynamische Kraft R n nicht durch die Mitte der Hülse und es bildet sich eine Schulter zwischen dem Kraftvektor R n und der Mitte der Hülse. Es gibt ein Moment Mgsh, das Trägheitsmoment der horizontalen Scharniere der HB-Buchse. Sie hängt vom Abstand l r der horizontalen Scharniere ab. Das Moment der horizontalen Scharniere der HB-Buchse Mgsh nimmt mit zunehmendem Abstand l r zu und ist auf die Blockierung des HB-Kegels gerichtet.

Das Vorhandensein einer Trennung der horizontalen Scharniere verbessert die Dämpfungseigenschaft des HB, d. h. verbessert die dynamische Stabilität des Hubschraubers.

Gleichgewicht der Klinge relativ zum Vertikalscharnier (VSH).

Bei der Drehung des HB weicht die Klinge um den Winkel x aus. Der Schwenkwinkel x wird zwischen der Radialen und der Längsachse des Blattes in der Rotationsebene des HB gemessen und ist positiv, wenn sich das Blatt relativ zur Radialen zurückdreht (hinterherhinkt) (Abb. 12.13.).

Im Durchschnitt beträgt der Schwenkwinkel 5–10 ° und im Selbstrotationsmodus ist er negativ und beträgt 8–12 ° in der HB-Rotationsebene. Auf die Klinge wirken folgende Kräfte:

Die Widerstandskraft X l, ausgeübt im Druckmittelpunkt;

Zentrifugalkraft, die entlang einer geraden Linie gerichtet ist, die den Massenschwerpunkt der Klinge und die Rotationsachse des HB verbindet;

Die Trägheitskraft F in, die senkrecht zur Achse des Blattes und entgegengesetzt zur Beschleunigung gerichtet ist, wirkt auf den Massenschwerpunkt des Blattes;

Vorzeichenwechselnde Corioliskräfte F k wirken im Massenschwerpunkt der Schaufel.

Die Entstehung der Corioliskraft wird durch den Energieerhaltungssatz erklärt.

Die Rotationsenergie hängt vom Radius ab. Wenn der Radius abgenommen hat, wird ein Teil der Energie verwendet, um die Rotationswinkelgeschwindigkeit zu erhöhen.

Wenn daher die Klinge nach oben schwingt, verringern sich der Radius r ц2 des Massenschwerpunkts der Klinge und die Umfangsgeschwindigkeit. Es tritt eine Coriolis-Beschleunigung auf, die dazu neigt, die Drehung zu beschleunigen, und daher die Kraft – die Coriolis-Kraft, die die Klinge relativ vorwärts dreht zum Vertikalscharnier. Mit abnehmendem Hubwinkel wird die Coriolisbeschleunigung und damit die Kraft entgegen der Rotation gerichtet. Die Corioliskraft ist direkt proportional zum Gewicht der Klinge, der Rotationsgeschwindigkeit des HB, der Winkelgeschwindigkeit des Schlags und dem Schlagwinkel.

Die oben genannten Kräfte bilden Momente, die bei jedem Azimut der Blattbewegung ausgeglichen werden müssen.

. (12.15.)

Abb.12.13. Gleichgewicht der Klinge relativ zum vertikalen Scharnier (VSH).

Auftreten von Momenten auf NV.

Beim Betrieb der NV ergeben sich folgende Punkte:

Das durch die aerodynamischen Widerstandskräfte der Rotorblätter erzeugte Drehmoment M k wird durch die Parameter HB bestimmt;

Das Reaktionsmoment M p wird auf das Hauptgetriebe und über den Rahmen des Getriebes auf den Rumpf ausgeübt.;

Das über das Hauptgetriebe auf die HB-Welle übertragene Motordrehmoment wird durch das Motordrehmoment bestimmt.

Das Drehmoment der Motoren ist entlang der Drehung des HB gerichtet, und das Blind- und Drehmoment des HB ist entgegen der Drehung gerichtet. Das Motordrehmoment wird durch den Kraftstoffverbrauch, das automatische Steuerprogramm und die äußeren atmosphärischen Bedingungen bestimmt.

Im stationären Flugmodus ist M to = M p = - M dv.

Das HB-Drehmoment wird manchmal mit dem HB-Reaktionsdrehmoment oder dem Motordrehmoment identifiziert, aber wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, ist die physikalische Essenz dieser Momente unterschiedlich.

Kritische Strömungszonen um NV.

Bei schrägem Anblasen auf die NV bilden sich folgende kritische Zonen (Abb. 12.14.):

Rückflusszone;

Stallzone;

Wellenkrisengebiet;

Rückspulzone. Im Bereich des Azimuts 270 0 im Horizontalflug bildet sich eine Zone, in der die Endabschnitte der Rotorblätter nicht von der Vorderseite, sondern von der Hinterkante des Rotorblatts angeflogen werden. Der in dieser Zone befindliche Abschnitt des Blattes ist nicht an der Erzeugung der Hubkraft des Blattes beteiligt. Diese Zone hängt von der Fluggeschwindigkeit ab, je höher die Fluggeschwindigkeit, desto größer ist die Rückströmungszone.

Stallzone. Im Flug bei einem Azimut von 270 0 - 300 0 an den Blattenden vergrößern sich durch den Abwärtsschwung des Blattes die Anstellwinkel des Blattabschnitts. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Geschwindigkeit des Helikopterfluges, denn. Gleichzeitig nehmen Geschwindigkeit und Amplitude der Schlagbewegung der Schaufeln zu. Bei einer deutlichen Erhöhung der HB-Steigung oder einer Erhöhung der Fluggeschwindigkeit kommt es in dieser Zone zu einem Strömungsabriss (Abb. 12.14.), da die Rotorblätter überkritische Anstellwinkel erreichen, was zu einer Abnahme des Auftriebs und einer Zunahme der führt Widerstand der in diesem Bereich befindlichen Rotorblätter. Der Schub des Hauptrotors in diesem Sektor nimmt ab und bei einer großen Überschreitung der Fluggeschwindigkeit auf dem HB entsteht ein erhebliches Krängungsmoment.

Wellenkrisengebiet. Der Wellenwiderstand am Blatt entsteht im Azimutbereich von 90 0 bei hoher Fluggeschwindigkeit, wenn die Strömungsgeschwindigkeit um das Blatt die lokale Schallgeschwindigkeit erreicht und sich lokale Stöße bilden, was zu einem starken Anstieg des Koeffizienten Сho führt aufgrund des Auftretens von Wellenwiderständen

C ho \u003d C xtr + C xv. (12.18.)

Der Wellenwiderstand kann um ein Vielfaches größer sein als der Reibungswiderstand Stoßwellen auf jedem Blatt treten zyklisch und für kurze Zeit auf, was zu Vibrationen des Blattes führt, die mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zunehmen. Kritische Strömungsbereiche um den Hauptrotor verringern die effektive Fläche des Hauptrotors und damit den Schub des HB, verschlechtern die aerodynamischen und betrieblichen Eigenschaften des gesamten Hubschraubers und sind daher mit Geschwindigkeitsbeschränkungen für Hubschrauberflüge verbunden mit den betrachteten Phänomenen.

.Wirbelring.

Der Wirbelringmodus tritt bei niedriger horizontaler Geschwindigkeit und hoher vertikaler Sinkgeschwindigkeit des Hubschraubers auf, wenn die Hubschraubertriebwerke laufen.

Wenn der Hubschrauber in diesem Modus in einiger Entfernung unter der HB sinkt, a Oberfläche a-a, wobei die induktive Abfallrate gleich der Abfallrate V y wird (Abb. 12.15). Beim Erreichen dieser Oberfläche wendet sich der induktive Fluss dem HB zu, wird teilweise von diesem erfasst und wieder nach unten geschleudert. Mit einer Zunahme von V y nähert sich die Oberfläche a-a der HB, und bei einer bestimmten kritischen Abnahmegeschwindigkeit wird fast die gesamte ausgestoßene Luft wieder vom Hauptrotor angesaugt und bildet einen Wirbeltorus um die Schraube. Das Wirbelringregime setzt ein.

Abb. 12.14. Kritische Strömungszonen um NV.

In diesem Fall nimmt der Gesamtschub HB ab, die vertikale Sinkgeschwindigkeit V y nimmt zu. Oberfläche Abschnitt a-a In regelmäßigen Abständen verändern die Toruswirbel die Verteilung der aerodynamischen Last und die Art der Schlagbewegung der Rotorblätter dramatisch. Dadurch pulsiert der HB-Schub, der Helikopter wackelt und rollt, die Steuerungseffizienz lässt nach, die Geschwindigkeitsanzeige und das Variometer liefern instabile Messwerte.

Je geringer der Einbauwinkel der Rotorblätter und die Geschwindigkeit des Horizontalfluges, je größer die vertikale Sinkgeschwindigkeit, desto intensiver zeigt sich das Wirbelringregime. Sinkflug mit Fluggeschwindigkeiten von 40 km/h oder weniger.

Um zu verhindern, dass der Hubschrauber in den „Wirbelring“-Modus wechselt, müssen die Anforderungen des Flughandbuchs zur Begrenzung der Vertikalgeschwindigkeit eingehalten werden

Einführung

Das Hubschrauberdesign ist ein komplexer Prozess, der sich im Laufe der Zeit entwickelt und in miteinander verbundene Designphasen und -phasen unterteilt ist. Erstellt Flugzeug muss befriedigen Technische Anforderungen und den technischen und wirtschaftlichen Merkmalen entsprechen, die in der Leistungsbeschreibung für den Entwurf festgelegt sind. Technische Aufgabe enthält die Erstbeschreibung des Helikopters und seiner Flugleistung, mit hoher Leistungsfähigkeit Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der entworfenen Maschine, nämlich: Tragfähigkeit, Fluggeschwindigkeit, Reichweite, statische und dynamische Obergrenze, Ressourcen, Haltbarkeit und Kosten.

Die Aufgabenstellung wird in der Phase der Vorprojektforschung festgelegt, in der eine Patentrecherche, eine Analyse bestehender technischer Lösungen sowie Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt werden. Die Hauptaufgabe der Pre-Design-Forschung ist die Suche und experimentelle Überprüfung neuer Funktionsprinzipien des entworfenen Objekts und seiner Elemente.

In der Phase des Vorentwurfs wird ein aerodynamisches Schema ausgewählt, das Erscheinungsbild des Hubschraubers gestaltet und die Berechnung der Hauptparameter durchgeführt, um die Erreichung der vorgegebenen Ziele sicherzustellen Flugleistung. Zu diesen Parametern gehören: die Masse des Hubschraubers, die Leistung des Antriebssystems, die Abmessungen des Haupt- und Heckrotors, die Treibstoffmasse, die Masse der Instrumente und Sonderausrüstung. Die Ergebnisse der Berechnungen fließen in die Entwicklung des Layoutschemas des Hubschraubers und die Erstellung der Bilanz zur Bestimmung der Lage des Massenschwerpunkts ein.

Die Konstruktion einzelner Einheiten und Komponenten des Hubschraubers unter Berücksichtigung der ausgewählten technischen Lösungen erfolgt in der Entwicklungsphase technisches Projekt. Gleichzeitig müssen die Parameter der entworfenen Einheiten die entsprechenden Werte erfüllen Entwurfsentwurf. Einige der Parameter können verfeinert werden, um das Design zu optimieren. Während des technischen Entwurfs werden aerodynamische Festigkeits- und kinematische Berechnungen der Einheiten sowie die Auswahl von Strukturmaterialien und Strukturschemata durchgeführt.

In der Phase des detaillierten Entwurfs erfolgt die Ausführung von Arbeits- und Montagezeichnungen des Hubschraubers, Spezifikationen, Kommissionierungslisten und anderem technische Dokumentation in Übereinstimmung mit anerkannten Standards

In diesem Artikel wird eine Methodik zur Berechnung der Parameter eines Hubschraubers in der Phase des Vorentwurfs vorgestellt, die zur Fertigstellung eines Kursprojekts in der Disziplin „Helikopterentwurf“ verwendet wird.

Berechnung Gewicht abnehmen Erstanflughubschrauber

wo ist die Nutzlastmasse, kg;

Besatzungsgewicht, kg.

Flugreichweite

Berechnung der Parameter des Hauptrotors eines Hubschraubers

2.1 Der Radius R, m, des Hauptrotors eines Einrotor-Hubschraubers wird nach folgender Formel berechnet:

wo ist das Startgewicht des Hubschraubers, kg;

g – Beschleunigung des freien Falls gleich 9,81 m/s2;

p - spezifische Belastung der vom Hauptrotor überstrichenen Fläche,

Der Wert der spezifischen Belastung p auf der vom Propeller überstrichenen Fläche wird gemäß den Empfehlungen in der Arbeit /1/ gewählt: wobei p=280

Wir nehmen den Rotorradius gleich R=7,9 an

Die Drehwinkelgeschwindigkeit s-1 des Hauptrotors wird durch die Umfangsgeschwindigkeit R der Blattenden begrenzt, die von der Abflugmasse des Hubschraubers abhängt und R = 232 m/s beträgt.

2.2 Relative Luftdichten an statischen und dynamischen Decken

2.3 Berechnung der wirtschaftlichen Geschwindigkeit in Bodennähe und an der dynamischen Decke

Die relative Fläche der äquivalenten Schadplatte wird bestimmt:

Wobei Se=2,5

Der Wert der wirtschaftlichen Geschwindigkeit in Bodennähe Vz, km/h wird berechnet:

Der Wert der Wirtschaftsgeschwindigkeit an der dynamischen Obergrenze Vdyn, km/h, wird berechnet:

wobei I = 1,09 ... 1,10 der Induktionskoeffizient ist.

2.4 Die relativen Werte der maximalen und wirtschaftlichen Geschwindigkeiten des Horizontalflugs an der dynamischen Decke werden berechnet:

wobei Vmax=250 km/h und Vdyn=182,298 km/h – Fluggeschwindigkeit;

R=232 m/s – Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln.

ICH

Der Auftrieb und die Schubkraft für die Translationsbewegung des Hubschraubers werden vom Hauptrotor erzeugt. Darin unterscheidet es sich von einem Flugzeug und einem Segelflugzeug, bei denen der Auftrieb bei der Bewegung in der Luft durch die Auflagefläche – den starr mit dem Rumpf verbundenen Flügel – und der Schub durch einen Propeller oder ein Strahltriebwerk erzeugt wird (Abb . 6).

Grundsätzlich kann der Flug eines Flugzeugs und eines Helikopters verglichen werden. In beiden Fällen entsteht die Auftriebskraft durch das Zusammenwirken zweier Körper: Luft und einem Flugzeug (Flugzeug oder Hubschrauber).

Nach dem Gesetz der Gleichheit von Aktion und Reaktion folgt daraus, mit welcher Kraft das Flugzeug auf die Luft einwirkt (Gewicht oder Schwerkraft), mit welcher Kraft die Luft auf das Flugzeug einwirkt (Auftriebskraft).

Während des Fluges eines Flugzeugs tritt folgendes Phänomen auf: Eine entgegenkommende Luftströmung umströmt den Flügel und verläuft hinter dem Flügel schräg nach unten. Luft ist jedoch ein untrennbares, eher viskoses Medium, und nicht nur die Luftschicht, die sich in unmittelbarer Nähe der Flügeloberfläche befindet, sondern auch deren benachbarte Schichten sind an diesem Mähen beteiligt. Beim Umströmen eines Flügels wird also jede Sekunde ein ziemlich großes Luftvolumen nach hinten abgeschrägt, etwa gleich dem Volumen eines Zylinders, dessen Querschnitt ein Kreis mit einem Durchmesser gleich der Flügelspannweite und dessen Länge ist Fluggeschwindigkeit pro Sekunde. Dabei handelt es sich um nichts anderes als einen zweiten Luftstrom, der an der Erzeugung der Auftriebskraft des Flügels beteiligt ist (Abb. 7).

Reis. 7. Das Luftvolumen, das zur Erzeugung der Auftriebskraft des Flugzeugs erforderlich ist

Aus der theoretischen Mechanik ist bekannt, dass die Impulsänderung pro Zeiteinheit gleich der wirkenden Kraft ist:

Wo R - wirkende Kraft;

als Ergebnis der Interaktion mit dem Flügel des Flugzeugs. Folglich ist die Auftriebskraft des Flügels gleich der zweiten Zunahme des Impulses entlang der Vertikalen im austretenden Strahl.

Und -vertikale Schräggeschwindigkeit hinter dem Flügel in m/Sek. Auf die gleiche Weise kann die gesamte aerodynamische Kraft des Hauptrotors eines Hubschraubers durch den zweiten Luftstrom und die Schräggeschwindigkeit (die induzierte Geschwindigkeit des austretenden Luftstroms) ausgedrückt werden.

Der rotierende Hauptrotor fegt die Oberfläche weg, die man sich als Träger vorstellen kann, ähnlich der Tragfläche eines Flugzeugs (Abb. 8). Luft, die durch die Oberfläche des Hauptrotors strömt, wird durch die Wechselwirkung mit den rotierenden Rotorblättern mit induktiver Geschwindigkeit nach unten geschleudert Und. Beim Horizontal- oder Schrägflug strömt die Luft vom Hauptrotor in einem bestimmten Winkel zur Oberfläche (Schrägblasen). Wie bei einem Flugzeug kann das Luftvolumen, das an der Erzeugung der gesamten aerodynamischen Kraft des Hauptrotors beteiligt ist, als Zylinder dargestellt werden, dessen Grundfläche gleich der vom Hauptrotor weggestrichenen Oberfläche und dessen Länge ist gleich der Fluggeschwindigkeit, ausgedrückt in m/Sek.

Bei aufgestelltem Hauptrotor oder im Vertikalflug (Direktanblasung) stimmt die Richtung des Luftstroms mit der Achse des Hauptrotors überein. In diesem Fall befindet sich der Luftzylinder vertikal (Abb. 8, b). Die gesamte aerodynamische Kraft des Hauptrotors wird als Produkt der durch die Oberfläche strömenden Luftmasse, die vom Hauptrotor in einer Sekunde weggespült wird, und der Induktionsgeschwindigkeit des austretenden Strahls ausgedrückt:

induktive Geschwindigkeit des austretenden Strahls m/Sek. Für die induzierte Geschwindigkeit ist in den betrachteten Fällen sowohl für den Flugzeugflügel als auch für den Hauptrotor des Hubschraubers ein Vorbehalt zu machen Und Die induktive Geschwindigkeit des austretenden Strahls wird in einiger Entfernung von der Trägeroberfläche gemessen. Die induktive Geschwindigkeit des Luftstrahls, der an der Lagerfläche selbst auftritt, ist doppelt so klein.

Eine solche Interpretation des Ursprungs des Flügelauftriebs oder der gesamten aerodynamischen Kraft des Hauptrotors ist nicht ganz korrekt und nur im Idealfall gültig. Es erklärt die physikalische Bedeutung des Phänomens nur grundsätzlich richtig und klar. An dieser Stelle ist auf einen sehr wichtigen Umstand hinzuweisen, der sich aus dem analysierten Beispiel ergibt.

Wenn die gesamte aerodynamische Kraft des Hauptrotors als Produkt der durch die vom Hauptrotor überstrichenen Oberfläche strömenden Luftmasse und der Induktionsgeschwindigkeit ausgedrückt wird und das Volumen dieser Masse ein Zylinder ist, dessen Grundfläche die überstrichene Oberfläche ist Der Hauptrotor und die Länge ist die Fluggeschwindigkeit, dann ist absolut klar, dass man einen Schub von konstantem Wert (z. B. gleich dem Gewicht eines Hubschraubers) bei höherer Fluggeschwindigkeit und damit bei größerem Volumen erzeugen muss der ausgestoßenen Luft ist eine geringere Induktionsgeschwindigkeit und damit eine geringere Motorleistung erforderlich.

Im Gegenteil: Um den Helikopter beim „Schweben“ in der Luft zu halten, ist mehr Leistung erforderlich als beim Flug bei einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit, bei der es aufgrund der Bewegung des Helikopters zu einer Gegenströmung der Luft kommt.

Mit anderen Worten, auf Kosten der gleichen Leistung (zum Beispiel der Nennleistung des Triebwerks) bei einem Schrägflug mit ausreichender Leistung schnelle Geschwindigkeit Bei erhöhter Gesamtfahrgeschwindigkeit ist es möglich, eine größere Deckenhöhe als beim vertikalen Heben zu erreichen

Es gibt weniger Hubschrauber als im ersten Fall. Daher hat der Hubschrauber zwei Obergrenzen: statisch beim Steigflug im Vertikalflug und dynamisch, wenn die Höhe im Schrägflug gewonnen wird und die dynamische Decke immer höher ist als die statische.

Zwischen der Funktionsweise des Hauptrotors eines Hubschraubers und der des Propellers eines Flugzeugs gibt es viele Gemeinsamkeiten, es gibt jedoch auch grundlegende Unterschiede, auf die später noch eingegangen wird.

Wenn man ihre Arbeit vergleicht, kann man sehen, dass die gesamte aerodynamische Kraft und damit der Schub des Hauptrotors des Hubschraubers eine Komponente der Kraft ist

Rin Richtung der Nabenachse immer mehr (5-8 mal) bei gleicher Motorleistung und gleichem Gewicht des Flugzeugs, da der Durchmesser des Hauptrotors des Hubschraubers um ein Vielfaches größer ist als der Durchmesser von der Flugzeugpropeller. In diesem Fall ist die Luftausstoßgeschwindigkeit des Hauptrotors geringer als die Ausstoßgeschwindigkeit des Propellers.

Die Schubkraft des Hauptrotors hängt sehr stark von seinem Durchmesser ab.

Dund Anzahl der Umdrehungen. Wenn der Durchmesser des Propellers verdoppelt wird, erhöht sich seine Schubkraft um etwa das 16-fache; wenn die Drehzahl verdoppelt wird, erhöht sich die Schubkraft um etwa das 4-fache. Darüber hinaus hängt der Hauptrotorschub auch von der Luftdichte ρ, dem Blattwinkel φ (Hauptrotorpitch),geometrische und aerodynamische Eigenschaften eines bestimmten Propellers sowie vom Flugmodus. Der Einfluss der letzten vier Faktoren wird in den Propellerschubformeln üblicherweise durch den Schubkoeffizienten ausgedrückt bei . .

Somit ist der Schub des Hauptrotors des Hubschraubers proportional zu:

- Schubkoeffizient............. ein r

Zu beachten ist, dass der Schubwert bei bodennahen Flügen durch das sogenannte „Luftkissen“ beeinflusst wird, wodurch der Helikopter mit weniger Kraft als beim „Schweben“ vom Boden abheben und um mehrere Meter aufsteigen kann eine Höhe von 10-15 M. Das Vorhandensein eines „Luftpolsters“ erklärt sich dadurch, dass die vom Propeller abgeschleuderte Luft auf den Boden trifft und etwas komprimiert wird, also ihre Dichte erhöht. Die Wirkung des „Luftpolsters“ ist besonders stark, wenn der Propeller in Bodennähe arbeitet. Aufgrund der Luftkompression erhöht sich der Schub des Hauptrotors in diesem Fall bei gleicher Leistungsaufnahme um 30-

40%. Mit zunehmender Entfernung vom Boden nimmt dieser Einfluss jedoch schnell ab und bei einer Flughöhe, die dem halben Durchmesser des Propellers entspricht, erhöht das „Luftpolster“ den Schub nur um 15- 20%. Die Höhe des „Luftpolsters“ entspricht in etwa dem Durchmesser des Hauptrotors. Außerdem verschwindet die Steigerung der Traktion.

Zur groben Berechnung der Schubkraft des Hauptrotors im Schwebemodus wird folgende Formel verwendet:

Koeffizient, der die aerodynamische Qualität des Hauptrotors und den Einfluss des „Luftpolsters“ charakterisiert. Der Wert des Koeffizienten hängt von den Eigenschaften des Hauptrotors ab A Beim Schweben in Bodennähe kann er Werte von ​​15 – 25 annehmen.

Der Hauptrotor eines Hubschraubers verfügt über eine äußerst wichtige Eigenschaft – die Fähigkeit, bei einem Motorstopp einen Auftrieb im Modus der Selbstrotation (Autorotation) zu erzeugen, der dem Hubschrauber einen sicheren Gleit- oder Fallschirmabstieg und eine sichere Landung ermöglicht.

Ein rotierender Hauptrotor hält die erforderliche Drehzahl beim Gleiten oder Fallschirmspringen aufrecht, wenn seine Rotorblätter in einem kleinen Installationswinkel bewegt werden

(l--5 0) 1 . Gleichzeitig bleibt die Auftriebskraft erhalten, was den Abstieg mit einer konstanten Vertikalgeschwindigkeit (6-10) gewährleistet m/s), s seine anschließende Abnahme während der Ausrichtung vor der Landung l--1,5 m/Sek.

Es besteht ein wesentlicher Unterschied in der Funktionsweise des Hauptrotors bei einem Motorflug, wenn die Kraft vom Motor auf den Propeller übertragen wird, und bei einem selbstrotierenden Flug, wenn er die Energie zum Drehen erhält des Propellers vom entgegenkommenden Luftstrom gibt es einen erheblichen Unterschied.

Beim Motorflug strömt die anströmende Luft von oben oder schräg von oben in den Hauptrotor. Beim Betrieb der Schnecke im Selbstrotationsmodus strömt Luft von unten oder schräg von unten in die Rotationsebene ein (Abb. 9). Die Strömungsschräge hinter dem Rotor wird in beiden Fällen nach unten gerichtet sein, da die induzierte Geschwindigkeit nach dem Impulssatz direkt entgegengesetzt zum Schub gerichtet ist, also etwa entlang der Rotorachse nach unten.

Hier geht es um den effektiven Einbauwinkel im Gegensatz zum konstruktiven.

Einführung

Das Hubschrauberdesign ist ein komplexer Prozess, der sich im Laufe der Zeit entwickelt und in miteinander verbundene Designphasen und -phasen unterteilt ist. Das erstellte Flugzeug muss die technischen Anforderungen erfüllen und den in der Konstruktionsspezifikation festgelegten technischen und wirtschaftlichen Merkmalen entsprechen. Die Leistungsbeschreibung enthält die Erstbeschreibung des Hubschraubers und seiner Flugleistung, die eine hohe Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der entworfenen Maschine gewährleisten, nämlich: Tragfähigkeit, Fluggeschwindigkeit, Reichweite, statische und dynamische Obergrenze, Ressourcen, Haltbarkeit und Kosten.

Die Aufgabenstellung wird in der Phase der Vorprojektforschung festgelegt, in der eine Patentrecherche, eine Analyse bestehender technischer Lösungen sowie Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt werden. Die Hauptaufgabe der Pre-Design-Forschung ist die Suche und experimentelle Überprüfung neuer Funktionsprinzipien des entworfenen Objekts und seiner Elemente.

In der Phase des Vorentwurfs wird ein aerodynamisches Schema ausgewählt, das Erscheinungsbild des Hubschraubers gestaltet und die Berechnung der Hauptparameter durchgeführt, um das Erreichen der spezifizierten Flugleistung sicherzustellen. Zu diesen Parametern gehören: die Masse des Hubschraubers, die Leistung des Antriebssystems, die Abmessungen des Haupt- und Heckrotors, die Treibstoffmasse, die Masse der Instrumente und Sonderausrüstung. Die Ergebnisse der Berechnungen fließen in die Entwicklung des Layoutschemas des Hubschraubers und die Erstellung der Bilanz zur Bestimmung der Lage des Massenschwerpunkts ein.

Der Entwurf einzelner Einheiten und Komponenten des Hubschraubers unter Berücksichtigung der ausgewählten technischen Lösungen erfolgt in der Phase der Entwicklung eines technischen Projekts. Gleichzeitig müssen die Parameter der entworfenen Einheiten den Werten entsprechen, die dem Entwurfsentwurf entsprechen. Einige der Parameter können verfeinert werden, um das Design zu optimieren. Während des technischen Entwurfs werden aerodynamische Festigkeits- und kinematische Berechnungen der Einheiten sowie die Auswahl von Strukturmaterialien und Strukturschemata durchgeführt.

In der detaillierten Entwurfsphase werden Arbeits- und Montagezeichnungen des Hubschraubers, Spezifikationen, Packlisten und andere technische Dokumentationen gemäß anerkannten Standards erstellt

In diesem Artikel wird eine Methodik zur Berechnung der Parameter eines Hubschraubers in der Phase des Vorentwurfs vorgestellt, die zur Fertigstellung eines Kursprojekts in der Disziplin „Helikopterentwurf“ verwendet wird.

1. Berechnung des Abfluggewichts eines Hubschraubers erster Näherung

- Nutzlastmasse, kg; - Masse der Besatzung, kg. -Flugreichweite kg.

2. Berechnung der Parameter des Hauptrotors eines Hubschraubers

2.1Radius R, m, der Hauptrotor eines Einrotor-Hubschraubers wird nach folgender Formel berechnet:

, - Startgewicht des Hubschraubers, kg;

G- Beschleunigung im freien Fall gleich 9,81 m/s 2 ;

P- spezifische Belastung der vom Hauptrotor überstrichenen Fläche,

P =3,14.

Spezifischer Belastungswert P für die von der Schraube überstrichene Fläche wird gemäß den Empfehlungen in der Arbeit /1/ ausgewählt: wobei P = 280

M.

Wir akzeptieren den Radius des Hauptrotors gleich R = 7.9

Winkelgeschwindigkeit w, s -1 , die Drehung des Hauptrotors wird durch die Umfangsgeschwindigkeit begrenzt w R die Enden der Rotorblätter, was vom Abfluggewicht abhängt

Hubschrauber und gemacht w R = 232 m/s. mit -1 . U/min

2.2 Relative Luftdichten an statischen und dynamischen Decken

2.3 Berechnung der wirtschaftlichen Geschwindigkeit in Bodennähe und an der dynamischen Decke

Die relative Fläche wird bestimmt

äquivalentes schädliches Schild: , wo S äh = 2.5

Es wird der Wert der wirtschaftlichen Geschwindigkeit in Bodennähe berechnet V H, km/h:

,

Wo ICH

km/h.

Der Wert der Wirtschaftsgeschwindigkeit an der dynamischen Obergrenze wird berechnet V Lärm, km/h:

,

Wo ICH\u003d 1,09 ... 1,10 - Induktionskoeffizient.

km/h.

2.4 Die relativen Werte der maximalen und wirtschaftlichen Geschwindigkeiten des Horizontalflugs an der dynamischen Decke werden berechnet:

, ,

Wo Vmax=250 km/h und V Lärm\u003d 182,298 km/h - Fluggeschwindigkeit;

w R=232 m/s - Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln.

2.5 Berechnung der zulässigen Verhältnisse des Schubbeiwerts zur Füllung des Hauptrotors für die maximale Geschwindigkeit in Bodennähe und für die wirtschaftliche Geschwindigkeit an der dynamischen Decke:

Pripri

2.6 Schubkoeffizienten des Hauptrotors in Bodennähe und an der dynamischen Decke:

, , , .

2.7 Berechnung der Füllung des Hauptrotors:

Rotorfüllung S berechnet für Flugfälle mit maximaler und wirtschaftlicher Geschwindigkeit:

; .

Als geschätzter Füllwert S Rotor wird der größte Wert übernommen S Vmax Und S V Lärm .