Некоторые особенности исследования динамической прочности лопастей несущего винта с бесшарнирным креплением при полете в неспокойной атмосфере

А.И. Братухина

Проведен анализ напряжений в лопастях несущего винта вертолета при различном их креплении к втулке. Расчеты выполнены при изменении режима полета и воздействии атмосферной турбулентности. Также были проведены расчеты с изменением жесткостных и массовых характеристик лопасти, путем совместного решения уравнений колебаний лопасти и уравнений балансировки вертолета. На основании проведенных расчетов установлены параметры, влияние которых наиболее существенно, что позволило сформулировать рекомендации по снижению уровня переменных напряжений в лопастях несущего винта.

В настоящее время определенное распространение получили несущие винты, у которых лопасти крепятся к втулке без индивидуальных горизонтальных шарниров √ жестко, в отличие от винтов с шарнирным креплением, как на большинстве ранее выпускаемых вертолетов. Как известно, при бесшарнирном креплении к втулке и при наличии горизонтальных шарниров нагружение лопастей несущего винта существенно отличается. Повышенные напряжения в комле лопасти при бесшарнирном креплении затрудняют создание винтов нового типа, имеющих ряд преимуществ по летным характеристикам и условиям эксплуатации.

Целью данной статьи является исследование напряжений, возникающих в лонжероне лопасти в одном из расчетных случаев при воздействии порывов ветра. Для этого выполняется численное решение системы уравнений, состоящей из двух групп: уравнений, описывающих изгибные колебания лопастей в плоскости взмаха, и уравнений движения вертолета в целом. Дифференциальные уравнения колебания лопастей имеют известный [1] вид

     ,     (1)

где

    s=1,2,┘,k √ порядковый номер лопасти;

    i=0,1,2,┘,z,┘ - точки расчетной модели;

      - перемещение сечения лопасти перпендикулярно плоскости вращения винта;

    j=0,1,2,┘,j_B √ номер тона собственных колебаний;

    T_i,s √ погонная аэродинамическая нагрузка;

    MK_i,s √ погонная инерционная нагрузка от сил Кориолиса при вращении вертолета вокруг продольной и поперечной осей.

Воздействие порыва ветра учитывается при расчете аэродинамической нагрузки в i-ой точке s-ной лопасти в выражении:

     .     (2)

С этой целью составляющая скорости потока относительно профиля, расположенная в плоскости взмаха вычисляется по формуле:

      (3)

где

      - шаг установки лопастей;

      - окружная скорость конца лопасти;

      - коэффициент протекания;

      - угловые скорости вертолета;

      - радиус сечения лопасти.

В выражении (3) для компоненты скорости четвертый и пятый члены учитывают вращение вертолета [2] . Шестое слагаемое учитывает скорость порыва ветра, изменяющегося в пространстве, в зависимости от положения каждой лопасти в земной системе координат.

Система уравнений, описывающая возмущенное движение вертолета при воздействии атмосферной турбулентности, использует метод, изложенный в работах [3,4]. Входящие в систему величины сил и моментов на фюзеляже определялись по материалам продувок в аэродинамических трубах, приведенных в работе [2] . При этом угол атаки фюзеляжа определялся с учетом скорости порыва ветра в центре тяжести вертолета.

Величины напряжений в лонжероне лопасти зависят от моментов на втулке несущего винта. Если момент на втулке несущего винта равен нулю, то при правильно выбранной величине конструктивной конусности напряжения в лопастях получаются умеренными. При больших значениях момента на втулке в комлевых частях лопасти появляются значительные напряжения. Поэтому здесь решаются совместно дифференциальные уравнения колебания упругих лопастей с "жестким" креплением и система уравнений, описывающих возмущенное движение вертолета при воздействии атмосферной турбулентности. Для этого используется метод, изложенный в работе [4] .

Основные допущения состоят в следующем:

- учет нелинейной зависимости аэродинамической нагрузки по углу атаки и влияния сжимаемости осуществлено введением в расчет аэродинамических коэффициентов, полученных по продувкам в аэродинамических трубах при стационарных условиях;

- индуктивная скорость принимается постоянной по диску винта и пропорциональной среднему значению тяги за оборот;

- при расчете на кручение лопасть считается абсолютно жесткой;

- деформация и нагрузки лопасти в плоскости вращения не влияют на нагружение и деформации лопасти в плоскости тяги;

- перемещения точек лопасти за счет поворота в горизонтальном шарнире, если таковой имеется, и ее деформации кручения считаются малыми величинами по сравнению с длиной всей лопасти;

- все лопасти считаются абсолютно одинаковыми;

- фюзеляж, редукторная рама и редуктор с валом являются единым твердым телом;

- число оборотов несущего винта считается постоянным;

- перемещения лопасти относительно вертикального шарнира не влияют на аэродинамическую нагрузку лопасти.

В качестве примера был рассмотрен вертолет с двумя комплектами лопастей с учетом особенностей их крепления. Рассматривался вход вертолета, летящего со скоростью 250 км/ч, в вертикальный порыв гармонического вида с длиной волны 70 м и амплитудой 15 м/с.

На рис. 1 показана зависимость распределения переменных напряжений изгиба по радиусу лопастей с различными креплениями: жестким и шарнирным. Для сравнения пунктирной линией показано распределение напряжений при установившемся горизонтальном полете. Из графика рис. 1 видно, что при воздействии вертикального порыва полуразмахи переменных напряжений в лопастях несущего винта увеличиваются. Приращения полуразмахов переменных напряжений, причем более значительные вследствие воздействия вертикального порыва, больше для винта с "жестким" креплением лопастей, особенно в их комлевых частях. Поэтому воздействие вертикальных порывов на вертолет с бесшарнирным креплением лопастей требует особого внимания при проектировании.

Было рассмотрено влияние возмущенного движения вертолета на приращение напряжений. Анализ влияния возмущенного движения вертолета на величину полуразмахов напряжений в лопастях несущего винта и точность их определения показал, что возмущенное движение вертолета, вследствие воздействия порыва, приводит к уменьшению величин полуразмахов напряжений в лопастях несущего винта при шарнирном креплении на 10┘12%. Для винта с жестким креплением лопастей разница в величинах   проявляется особенно сильно и достигает 25%.

На рис. 2 показаны в зависимости от скорости полета максимальные полуразмахи переменных напряжений   и максимальные за режим значения напряжений изгиба лопасти   при воздействии резко ограниченного порыва с вертикальной скоростью 20 м/с. Из данных рис. 2 видно, что напряжения изгиба для рассматриваемой лопасти с лонжероном из алюминиевого сплава при скорости полета более 250 км/ч превышают 0,2 ГПа. Эти напряжения складываются (в нижней части контура лонжерона) с напряжениями растяжения от действия центробежной силы. Суммарные напряжения без учета концентраторов, следовательно, могут быть более 0,25┘0,3 ГПа.

Рис. 1. Зависимость напряжений изгиба по радиусу лопасти

Таким образом, возникает задача обеспечения прочности лонжерона лопасти при однократном воздействии больших нагрузок, а не только традиционная для лопастей задача обеспечения ресурса. Последнее также осложняется из-за возникновения больших полуразмахов переменных напряжений даже при порывах со скоростью меньше задаваемой в нормах летной годности.

Поэтому были проведены расчеты с изменением жесткостных и массовых характеристик лопасти. Расчеты проводились в двух вариантах: при подобном изменении жесткости и массы по всей длине лопасти и только в комлевом участке ( ). Увеличение жесткости лопасти при неизменных значениях момента сопротивления и массы привело к увеличению напряжений в комлевой части (рис. 3). Эта тенденция наблюдается во всем диапазоне значений жесткости независимо от того, каким образом при изменении жесткости изменяется резонансная диаграмма. Изменение массы лопасти приводит к обратному эффекту также качественно независимо от вида резонансной диаграммы. Эффективно влияет на величину максимальных значений напряжений и на величину полуразмахов переменных напряжений изменение жесткости комлевого участка. Так, уменьшение жесткости в комлевом участке лопасти в два-три раза привело к снижению величин   и   в 1,5┘2 раза.

Рис. 2. Зависимость полуразмахов напряжений от скорости полета

Очевидно, что независимое изменение рассмотренных параметров в реальной конструкции невозможно, а пределы тех или иных совместных вариантов ограничены. Поэтому приведенные выше результаты следует рассматривать как поисковые, главные выводы из которых состоят в следующем:

- обеспечение прочности комлевой части лопастей с новым бесшарнирным способом крепления к втулке требует не только рассмотрения действий достаточно больших переменных напряжений, но и однократного воздействия больших нагрузок;

- существует возможность снижения этих напряжений уменьшением жесткости комлевого участка.

Рис. 3. Зависимость напряжений от жесткости и массы