Нагружение рулевых винтов (теория)

Рулевой винт служит для уравновешивания реактивного крутящего момента несущего винта и путевого управления вертолетом. Рулевой винт состоит из лопастей и втулки. Винт приводится во вращение от главного редуктора через трансмиссию, промежуточный и хвостовой редукторы.

Нагружения лопастей рулевого и несущего винтов существенно отличаются. Это обусловлено различиями в конструкции и условиях работы. Втулка рулевого винта не имеет шарнира, позволяющего лопасти поворачиваться в плоскости вращения, т. е. аналогичного шарнира несущего винта.

Это вызвано стремлением уменьшить массу втулки, значительно возрастающую при установке вертикального шарнира и демпфера, необходимого для предотвращения возникновения на рулевом винте колебаний типа земного резонанса. Отсутствие шарнира приводит к тому, что в комлевой части лопасти в плоскости вращения возникает, как в балке с защемленным концом (консольное крепление), большой изгибающий момент.

Момент в шарнире обращается в нуль, поэтому для комлевой части лопасти несущего винта с шарнирным креплением соответствующих трудностей не возникает. То же можно утверждать относительно момента, изгибающего лопасть рулевого винта в плоскости взмаха. Практика показывает, что переменный изгибающий момент в плоскости вращения является основным фактором, определяющим ресурс лопасти и втулки винта. Напряжения от изгибающего момента в плоскости взмаха и центробежной силы имеют намного меньшее значение.

Переменный изгибающий момент в плоскости вращения вызывается в основном инерционными силами Кориолиса и в меньшей мере — аэродинамическими силами. Поэтому уделим далее главное внимание кориолисовым силам. Рассмотрим сначала упрощенную модель.

Перпендикулярно к валу (по радиусу) закреплен стержень, на котором расположен груз. Вал вращается, а груз может перемещаться вдоль стержня. Вначале груз находится на некотором расстоянии от оси вращения модели. Теперь переместим груз по стержню так, чтобы он расположился на более близком расстоянии от оси вращения. Его окружная скорость изменится на величину, соответствующую среднему значению ускорения.

При перемещении груза на больший радиус груз разгоняется, вектор ускорения лежит в плоскости вращения стрежня и направлен вперед по вращению. Как известно, скорость является вектором, т. е. определяется не только численным значением, но и направлением.

Пусть груз перемещается вдоль стержня с некоторой постоянной скоростью. Вектор, определяющий эту скорость, поворачивается при вращении модели, так как поворачивается стержень, вдоль которого он направлен. Сравнив его положение в два различных момента времени, можно найти разность ускорений. По определению среднее ускорение есть вектор, равный отношению приращения вектора скорости к соответствующему промежутку времени.

Это ускорение, возникающее при наличии относительного движения массы (вдоль стержня) и вращения основной части модели, называется кориолисовым. Ускорению соответствует инерционная сила — сила Кориолиса, направленная в противоположную сторону. Если груз движется от центра к периферии, то поскольку ускорение направлено вперед по вращению, кориолисова сила также находится в плоскости вращения, но направлена назад.

Масса, перемещаясь по стержню из зоны с малой окружной скоростью, «запаздывает» и поэтому стремится изогнуть стержень против вращения. При обратном движении кориолисова сила направлена вперед по вращению, так как масса стремится сохранить большую окружную скорость.

Google