Ротор вертолета что это

Как устроен вертолет и почему он летает.

Доброго времени суток уважаемый гость. Сегодня, я расскажу Вам, как устроен вертолет, и почему он летает. Прежде всего, давайте определим, что это за зверь. Итак, вертолет или геликоптер – это летательный аппарат тяжелее воздуха.

Как устроен вертолет. Основные части.

Схемы расположения роторов.

Двигатели и органы управления.

Двигатель может быть как поршневой, так и газотурбинный или турбовальный. В кабине пилота находятся органы управления и приборы контроля. К органам управления относятся:

Принцип полета и контроль.

Подъемную силу, позволяющую вертолету летать, создает основной ротор. Лопасти ротора выполнены из легкого прочного материала, с профилем как у крыла самолета. Управление ими осуществляется при помощи автомата перекоса (АП). Который, в свою очередь, контролируется ручкой управления вертолетом и ручкой шаг-газ. У вертолетов (классической) схемы, хвостовой винт, располагается вертикально на конце хвостовой балки летательного аппарата. И, в свою очередь, служит для компенсации реактивного момента от ОР, и поворотов вокруг вертикальной оси.

Управление рулевым винтом, происходит посредством автомата перекоса, связанного с педалями маневрирования по курсу.

Как устроен вертолет. Автомат перекоса.

Теперь, давайте рассмотрим работу (АП) основного ротора. Этот замечательный механизм изобрел русским ученым Б. Н. Юрьевым в 1911 году. Открыв этим путь к вертолетостроению. Именно при помощи этого хитроумного изобретения, вертолеты могут летать передом, задом и даже боком. А самое главное, не переворачиваться при горизонтальном полете.

Маневрирование по тангажу и крену производится за счет изменения угла наклона конуса ОР. Сам же угол наклона конуса изменяется при увеличении угла атаки лопасти в определенном секторе ее вращения. Рассмотрим движение вертолета вперед. Каждая лопасть ОР, проходя в задней четверти, увеличивает угол атаки, а в передней – уменьшает. В результате, подъемная сила в задней четверти больше, а в передней – меньше.

Таким образом, ось вращения несущего винта наклоняется вперед, а вместе с ней наклоняется и весь вертолет. За счет этого наклона и создается горизонтальная составляющая подъемной силы. И вертолет летит вперед. При полетах задом и боком, все происходит точно так же, только углы атаки увеличиваются, и уменьшаются в нужных секторах вращения.

Дальше, еще интересней. Вертолет летит вперед. Что же происходит с подъемной силой справа и слева. Представим, что несущий винт вращается по часовой стрелке. Значит, лопасти в секторе слева имеют условное направление движения вперед, а справа – назад. И вертолет летит вперед. Следовательно, за счет набегающего потока от движения вертолета, скорость левой лопасти больше чем правой. А значит, и подъемная сила, создаваемая левой больше чем – правой. Вот тут то и опять начинает работать автомат перекоса. Он корректирует углы атаки лопастей, движущихся по направлению движения вертолета, и — против. Тем самым уравнивая подъемную силу обеих. И не давая летательному вертолету опрокинуться. Здорово, не правда ли?

Источник

Ротор вертолета

Обзор

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, несущий винт вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему ускорять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость промывки вниз при заданной величине тяги. Так как на малых скоростях более эффективно на малых скоростях разогнать большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, [9] [10] низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно увеличивает мощность самолета. энергоэффективность, что снижает расход топлива и обеспечивает разумный диапазон. [11] [12] Эффективность зависания («добротность») [13] типичного вертолета составляет около 60%. [14] Внутренняя треть длины лопасти несущего винта очень мало способствует подъемной силе из-за ее низкой воздушной скорости. [10]

Лезвия

Центр

Простой ротор Robinson R22, показывающий (сверху):

Полностью сочлененный

Жесткий

Термин «жесткий ротор» обычно относится к бесшарнирной роторной системе [16] [17] с лопастями, гибко прикрепленными к ступице. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких роторов, который был испытан и разработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В жесткой роторной системе каждая лопасть хлопает и волочится по гибким участкам корня. Жесткая роторная система механически проще, чем полностью сочлененная роторная система. Нагрузки от колебательных движений и сил опережения / запаздывания воспринимаются посредством изгиба лопастей ротора, а не посредством шарниров. Изгибаясь, лезвия сами компенсируют силы, которые раньше требовали надежных шарниров. В результате роторная система имеет меньшую задержку в ответе на управление из-за обычно генерируемого большого момента ступицы. [18] Таким образом, жесткая роторная система устраняет опасность удара мачты, присущую полужестким роторам. [19]

Полужесткие

Комбинация

Наклонная шайба

Качающаяся шайба представляет собой два концентрических диска или пластины. Одна плита вращается с мачтой, соединенной холостыми звеньями, а другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями через промежуточные звенья и ступенчатые выступы. Невращающаяся пластина соединена со звеньями, которыми управляют пилотные органы управления, в частности, коллективное и циклическое управление. Аппарат перекоса может перемещаться по вертикали и наклоняться. Путем смещения и наклона невращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, регулирует шаг отдельных лопастей.

Флайбар (стабилизатор поперечной устойчивости)

Ряд инженеров, в том числе Артур М. Янг из США и авиамоделист Дитер Шлютер из Германии, обнаружили, что стабильность полета вертолетов может быть достигнута с помощью стабилизатора поперечной устойчивости или флайбара. Флайбар имеет вес или лопасти (или и то, и другое для дополнительной устойчивости на меньших вертолетах) на каждом конце, чтобы поддерживать постоянную плоскость вращения. Благодаря механическим связям стабильное вращение штанги смешивается с движением наклонной шайбы для гашения внутренних (рулевых), а также внешних (ветровых) сил на ротор. Это облегчает пилоту контроль над самолетом. Стэнли Хиллер (Stanley Hiller) пришел к аналогичному методу для повышения устойчивости, добавив короткие короткие аэродинамические поверхности или лопасти на каждом конце. Однако система «Rotormatic» Хиллера также передавала циклические управляющие сигналы на главный ротор в качестве своего рода управляющего ротора, а лопасти обеспечивали дополнительную стабильность за счет гашения воздействия внешних сил на ротор.

В роторной системе Lockheed использовался управляющий гироскоп, аналогичный по принципу действия стабилизатора поперечной устойчивости Bell, но разработанный как для обеспечения устойчивости при автоматическом отключении, так и для быстрой реакции управления бесшарнирной роторной системой.

В электрических вертолетах или моделях с дистанционным управлением (RC) микроконтроллер с датчиками гироскопа и датчиком Вентури могут заменить стабилизатор. Эта конструкция без флайбара имеет преимущество, заключающееся в легкой реконфигурации и меньшем количестве механических деталей. Что значит сказать, что радиоуправляемый вертолет с флайбаром должен иметь гироскоп на каждой оси?

Замедленный ротор

Большинство роторов вертолетов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в некоторых ситуациях может принести пользу.

По мере увеличения поступательной скорости скорость движущегося конца ротора вскоре приближается к скорости звука. Чтобы уменьшить проблему, можно уменьшить скорость вращения, что позволит вертолету лететь быстрее.

Чтобы отрегулировать подъем ротора на более низких скоростях, в традиционной конструкции угол атаки лопастей ротора уменьшен за счет управления общим шагом. Вместо этого замедление ротора может снизить лобовое сопротивление на этом этапе полета и, таким образом, улучшить экономию топлива.

Один главный ротор

Хвостовой винт

Канальный вентилятор

НОТАР

Система NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters приступили к разработке концепции. [22] В декабре 1981 года Хьюз впервые пилотировал OH-6A, оборудованный NOTAR. [23] Более сильно модифицированный опытный образец-демонстратор впервые поднялся в воздух в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, проверив систему для будущего применения в конструкции вертолетов. [24] В настоящее время существует три серийных вертолета с дизайном NOTAR, все они производятся MD Helicopters. Эта противодействующая конструкция также повышает безопасность, исключая возможность попадания персонала в хвостовой винт.

Тип форсунок

Главный ротор может приводиться в движение соплами. Такая система может работать от воздуха высокого давления, подаваемого компрессором. Воздух может смешиваться или не смешиваться с топливом и сжигаться в реактивных двигателях, импульсных реактивных двигателях или ракетах. Хотя этот метод прост и исключает реакцию крутящего момента, созданные прототипы менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением сопел, приводимых в действие несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является единственной наиболее важной причиной, по которой роторы с приводом на сопло не получили широкого распространения. Однако исследования по подавлению шума продолжаются и могут помочь сделать эту систему жизнеспособной.

Двойные роторы

Тандем

Коаксиальный

Переплетение

Поперечный

Четырехместный ротор

Этьен Омихен, Париж, Франция, 1921 г. Источник

Преимущество четырехвинтовой техники на небольших самолетах, таких как дроны, заключается в простоте механики. У квадрокоптера с электродвигателями и роторами фиксированного шага всего четыре движущихся части. Угол наклона, рыскания и крена можно контролировать, изменяя относительную подъемную силу различных пар роторов без изменения общей подъемной силы. [26]

Два семейства профилей:

Некоторые аэродинамические поверхности имеют асимметричный дизайн, что означает, что верхняя и нижняя поверхности не имеют одинаковый изгиб. Обычно эти аэродинамические поверхности не были бы такими стабильными, но это можно исправить, изогнув заднюю кромку, чтобы получить те же характеристики, что и у симметричных аэродинамических поверхностей. Это называется «рефлексией». Использование этого типа лопастей ротора позволяет роторной системе работать на более высоких скоростях движения. Одна из причин, по которой асимметричная лопасть ротора не так стабильна, заключается в том, что центр давления изменяется с изменением угла атаки. Когда центр подъемной силы давления находится за точкой поворота на лопасти ротора, это имеет тенденцию вызывать подъем диска ротора. По мере увеличения угла атаки центр давления перемещается вперед. Если он движется впереди точки поворота, шаг диска ротора уменьшается. Поскольку угол атаки лопастей ротора постоянно меняется в течение каждого цикла вращения, лопасти имеют тенденцию в большей степени хлопать, опускаться, опережать и отставать. [27]

Истирание в песчаной среде

При работе в песчаной среде песок, ударяясь о движущиеся лопасти ротора, разъедает их поверхность. Это может повредить роторы и вызвать серьезные и дорогостоящие проблемы с обслуживанием. [29]

Боевой фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал за этим эффектом, сопровождая американских солдат в Афганистане. Когда он обнаружил, что эффект не имеет названия, он придумал название эффекта Коппа-Этчелла в честь двух солдат, погибших на войне, одного американца и одного британца. [33]

До появления в середине 20 века вертолетов с двигателем пионер автожира Хуан де ла Сьерва исследовал и разработал многие основы винта. Де ла Сиерве приписывают успешную разработку многолопастных, полностью сочлененных роторных систем. Эти системы в их различных модифицированных формах являются основой большинства современных многолопастных винтовых систем вертолетов.

Первая успешная попытка создания вертолета с одинарным несущим винтом использовала четырехлопастной несущий винт, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Н. Юрьевым и Алексеем М. Черемухиным, которые оба работали в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ, Центральный аэрогидродинамический институт). ) Под Москвой в начале 1930-х гг. Их вертолет ЦАГИ 1-ЕА смог совершить полеты на малых высотах в 1931–1932 годах, а к середине августа 1932 года Черемухин пролетел на нем на высоте 605 метров (1985 футов) [38] [39].

Источник

Винт вертолета

Содержание

Принципы дизайна [ править ]

Обзор [ править ]

В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, несущий винт вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость промывки вниз при заданной величине тяги. Так как на малых скоростях более эффективно на малых скоростях ускорить большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большей степени, [9] [10] низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно увеличивает энергоэффективность, а это снижает расход топлива и обеспечивает разумный диапазон. [11] [12] Эффективность зависания («добротность») [13] типичного вертолета составляет около 60%. [14] Внутренняя треть длины лопасти ротора очень мало способствует подъемной силе из-за ее низкой воздушной скорости. [10]

Blades [ править ]

Хаб [ править ]

Простой ротор Robinson R22, показывающий (сверху):

Полностью сформулированный [ править ]

Разновидностью полностью сочлененной системы является роторная система с мягким расположением ротора. Этот тип ротора можно найти на нескольких самолетах, производимых Bell Helicopter, таких как OH-58D Kiowa Warrior.. Эта система похожа на полностью сочлененный тип в том, что каждое лезвие имеет возможность вести / отставать и охотиться независимо от других лезвий. Разница между полностью шарнирно-сочлененной системой и системой soft-in-plane заключается в том, что в системе soft-in-plane используется композитная вилка. Эта вилка прикреплена к мачте и проходит через зажимы между лопастями и срезной подшипник внутри рукоятки. Это ярмо передает некоторое движение одного лезвия другому, обычно противоположному. Хотя это не полностью сформулировано, летные характеристики очень похожи, а время и стоимость обслуживания сокращены.

Жесткий [ править ]

Термин «жесткий ротор» обычно относится к бесшарнирной роторной системе [16] [17] с лопастями, гибко прикрепленными к ступице. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких роторов, который был испытан и разработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В жесткой роторной системе каждая лопасть хлопает и волочит гибкие части корня. Жесткая роторная система механически проще, чем полностью сочлененная роторная система. Нагрузки от колебательных движений и сил опережения / запаздывания воспринимаются посредством изгиба лопастей ротора, а не посредством шарниров. Изгибаясь, лезвия сами компенсируют усилия, которые раньше требовали надежных шарниров. В результате роторная система имеет меньшую задержку в ответной реакции из-за обычно генерируемого большого момента ступицы. [18] Таким образом, жесткая роторная система устраняет опасность удара мачты, присущую полужестким роторам. [19]

Полужесткий [ править ]

Комбинация [ править ]

Аппарат перекоса [ править ]

Качающаяся шайба представляет собой два концентрических диска или пластины. Одна плита вращается с мачтой, соединенной холостыми звеньями, а другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями через промежуточные звенья и ступенчатые выступы. Невращающаяся пластина соединена со звеньями, которыми управляют пилотные органы управления, в частности, коллективное и циклическое управление. Качающаяся пластина может перемещаться по вертикали и наклоняться. Путем смещения и наклона невращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, регулирует шаг отдельных лопастей.

Flybar (стабилизатор поперечной устойчивости) [ править ]

Ряд инженеров, в том числе Артур М. Янг из США и авиамоделист Дитер Шлютер из Германии, обнаружили, что стабильность полета вертолетов может быть достигнута с помощью стабилизатора поперечной устойчивости или флайбара. Флайбар имеет на каждом конце груз или лопасти (или и то, и другое для дополнительной устойчивости на меньших вертолетах) для поддержания постоянной плоскости вращения. Благодаря механическим связям стабильное вращение штанги смешивается с движением наклонной шайбы для гашения внутренних (рулевых), а также внешних (ветровых) сил на ротор. Это облегчает пилоту контроль над самолетом. Стэнли Хиллерпришли к аналогичному методу для улучшения устойчивости, добавив короткие короткие аэродинамические поверхности или лопасти на каждом конце. Однако система «Rotormatic» Хиллера также передавала циклические управляющие сигналы на главный ротор в качестве своего рода управляющего ротора, а лопасти обеспечивали дополнительную стабильность за счет гашения воздействия внешних сил на ротор.

В роторной системе Lockheed использовался управляющий гироскоп, аналогичный по принципу действия стабилизатора поперечной устойчивости Bell, но разработанный как для обеспечения устойчивости при автоматическом отключении, так и для быстрой реакции управления бесшарнирной роторной системой.

В электрических вертолетах или моделях RC микроконтроллер с датчиками гироскопа и датчиком Вентури могут заменить стабилизатор. Эта конструкция без флайбара имеет преимущество, заключающееся в легкой реконфигурации и меньшем количестве механических деталей. Хотя настоящий вертолет с дистанционным управлением с флайбаром должен держать гироскоп на каждой оси.

Медленный ротор [ править ]

Большинство роторов вертолетов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в некоторых ситуациях может принести пользу.

По мере увеличения поступательной скорости скорость движущегося конца ротора вскоре приближается к скорости звука. Чтобы уменьшить проблему, можно снизить скорость вращения, что позволит вертолету лететь быстрее.

Чтобы отрегулировать подъем ротора на более низких скоростях, в традиционной конструкции угол атаки лопастей ротора уменьшается за счет управления общим шагом. Вместо этого замедление ротора может снизить лобовое сопротивление на этом этапе полета и, таким образом, улучшить экономию топлива.

Конфигурации ротора [ править ]

Один несущий винт [ править ]

Хвостовой винт [ править ]

Канальный вентилятор [ править ]

НОТАР [ править ]

Разработка системы NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters приступили к разработке концепции. [22] В декабре 1981 года Хьюз впервые пилотировал OH-6A, оборудованный NOTAR. [23] Более сильно модифицированный опытный образец-демонстратор впервые поднялся в воздух в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, проверив систему для будущего применения в конструкции вертолетов. [24] В настоящее время существует три серийных вертолета с дизайном NOTAR, все они производятся MD Helicopters. Эта конструкция с защитой от трения также повышает безопасность, исключая возможность попадания персонала в хвостовой винт.

Типовые форсунки [ править ]

Главный ротор может приводиться в движение соплами. Такая система может работать от воздуха под высоким давлением, подаваемого компрессором. Воздух может смешиваться или не смешиваться с топливом и сжигаться в реактивных двигателях, импульсных реактивных двигателях или ракетах. Хотя этот метод прост и исключает реакцию крутящего момента, созданные прототипы менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением сопел, приводимых в действие несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является единственной наиболее важной причиной, по которой роторы с приводом на сопло не получили широкого распространения. Однако исследования по подавлению шума продолжаются, и они могут помочь сделать эту систему жизнеспособной.

Двойные роторы [ править ]

Тандем [ править ]

Коаксиальный [ править ]

Взаимодействие [ править ]

Поперечный [ править ]

Счетверенный ротор [ править ]

Этьен Омихен, Париж, Франция, 1921 г. Источник

Преимущество четырехвинтовой техники на небольших самолетах, таких как дроны, заключается в простоте механики. У квадрокоптера с электродвигателями и роторами фиксированного шага всего четыре движущихся части. Угол наклона, рыскания и крена можно контролировать, изменяя относительную подъемную силу различных пар роторов без изменения общего подъема. [26]

Два семейства профилей:

Кроме того, некоторые аэродинамические поверхности имеют асимметричную конструкцию, что означает, что верхняя и нижняя поверхности не имеют одинаковый изгиб. Обычно эти аэродинамические поверхности не были бы такими устойчивыми, но это можно исправить, изогнув заднюю кромку, чтобы получить те же характеристики, что и симметричные аэродинамические поверхности. Это называется «рефлексией». Использование этого типа лопастей ротора позволяет роторной системе работать на более высоких скоростях движения. Одна из причин, по которой асимметричная лопасть ротора не так стабильна, заключается в том, что центр давления изменяется с изменением угла атаки. Когда центр подъемной силы давления находится за точкой поворота на лопасти ротора, это имеет тенденцию вызывать подъем диска ротора. По мере увеличения угла атаки центр давления перемещается вперед. Если он движется впереди точки поворота, шаг диска ротора уменьшается.Поскольку угол атаки лопастей ротора постоянно меняется в течение каждого цикла вращения, лопасти имеют тенденцию в большей степени хлопать, опускаться, опережать и отставать. [27]

Ограничения и опасности [ править ]

Истирание в песчаной среде [ править ]

При работе в песчаных условиях песок, ударяясь о движущиеся лопасти ротора, разъедает их поверхность. Это может повредить роторы и вызвать серьезные и дорогостоящие проблемы с обслуживанием. [29]

Боевой фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал за этим эффектом, сопровождая американских солдат в Афганистане. Когда он обнаружил, что у эффекта нет названия, он придумал название эффекта Коппа-Этчелла в честь двух солдат, погибших на войне, одного американца и одного британца. [33]

История [ править ]

До разработки в середине 20 века вертолетов с двигателем пионер автожира Хуан де ла Сьерва исследовал и разработал многие основы винта. Де ла Сьерве приписывают успешную разработку многолопастных, полностью сочлененных роторных систем. Эта система в ее различных модифицированных формах является основой большинства многолопастных винтовых систем вертолетов.

В первой успешной попытке создания вертолета с одинарным несущим винтом использовался четырехлопастной несущий винт, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Н. Юрьевым и Алексеем М. Черемухиным, работающими в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ, Центральный аэрогидродинамический институт). ) Под Москвой в начале 1930-х гг. Их вертолет ЦАГИ 1-ЕА смог совершить полеты на малых высотах в 1931–1932 годах, а к середине августа 1932 года Черемухин пролетел на нем на высоте 605 метров (1985 футов) [38] [39].

В конце 1940-х годов изготовление лопастей винта вертолетов вдохновило Джона Т. Парсонса на то, чтобы он стал пионером в области числового управления (ЧПУ). ЧПУ и ЧПУ оказались важной новой технологией, которая позже повлияла на все обрабатывающие отрасли.

Источник