Расположение лопастей. Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательных аппаратах, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей

Центробежный вентилятор — устройство механического типа, которое способно работать с воздушными или газовыми потоками, имеющими низкий уровень увеличения давления. Крутящаяся крыльчатка обеспечивает движение воздушных масс. Система работы заключается в том, что кинетическая энергия увеличивает давление потока, который и оказывает противодействие всем воздуховодам и заслонкам.

Центробежный вентилятор намного мощнее осевого, при этом имеет экономных расход электроэнергии.

Данное устройство позволяет изменить направление воздушной массы с уклоном в 90 градусов. При этом во время работы вентиляторы не создают много шума, а за счет своей надежности их диапазон рабочих условий достаточно широк.

Некоторые особенности

Хотелось бы обратить внимание, что принцип действия центробежного вентилятора построен таким образом, что он качает постоянный объем воздуха, а не массу, что позволяет фиксировать скорость расхода воздуха. Кроме того, такие модели намного экономичней, чем осевые аналоги, а конструкцию при этом имеют проще.

Схема элементов центробежного вентилятора: 1 – ступица, 2 – основной диск, 3 – рабочие лопатки, 4 – передний диск, 5 – лопастная решетка, 6 – корпус, 7 – шкив, 8 – подшипники, 9 – станина, 10, 11 – фланцы.

Автопромышленность использует данные вентиляторы, чтобы охлаждать двигатели внутреннего сгорания, которые отдают «в пользование» свою энергию такому аппарату. Также это вентиляционное устройство применяется для перемещения газовых смесей и материалов в вентиляционных системах.

Могут использоваться как одно из составляющих систем отопления или охлаждения. Такая техника применима и с целью очистки и фильтрации промышленных систем.

Для обеспечения нужного уровня давления и расхода используется обычно целая серия вентиляторов. Конечно, центробежные модели имеют более высокую мощность, но при этом остаются экономичными (всего лишь 12% затрат от электричества).

Устройство центробежного вентилятора состоит из крыльчатки, которая оснащена несколькими шеренгами лопастей (ребер). В центре расположен вал, который проходит через весь корпус. Воздушные массы попадают с края, где находятся лопасти, далее за счет конструкции происходит их поворот на 90 градусов, а затем благодаря центробежной силе они разгоняются еще больше.

Вернуться к оглавлению

Типы приводных механизмов

Во многом на работу вентилятора, а именно на вращение лопастей, влияет тип привода. На сегодняшний день их 3:

Прямой. В данном случае крыльчатка напрямую соединена с валом двигателя. От скорости вращения мотора будет зависеть и скорость лопастей. В качестве недостатка этой модели выделяют следующие: если двигатель не имеет регулировки своей скорости, то и вентилятор будет работать в одном режиме. Но если учесть, что холодный воздух имеет более высокую плотность, то кондиционирование будет само по себе происходить быстрее.
Ременный. В данном типе устройства имеются шкивы, которые расположены на валу двигателя и крыльчатки. Соотношение диаметров шкивов обоих элементов влияют на скорость работы лопастей.
Регулируемый. Тут регулировка скорости происходит за счет наличия гидравлической или магнитной муфты. Ее месторасположение — промеж валов мотора и импеллера. Чтобы проще было осуществить этот процесс, такие центробежные вентиляторы имеют автоматизированные системы.

Вернуться к оглавлению

Составляющие центробежного вентилятора

Схема рабочих колес центробежных вентиляторов: а – барабанная, б – кольцевая, в, г – с коническими покрывающими дисками, д — однодисковые, е — бездисковые.

Как и любая другая техника, вентилятор будет исправно работать только при соответствующих элементах конструкции.

Подшипники. Чаще всего данный тип устройства имеет маслонаполненные подшипники роликового типа скольжения. Отдельные модели могут обладать водяной системой охлаждения, которая чаще всего применяется в работе с горячими газами, что предотвращает перегрев подшипников.
Лопасти и заслонки. Основная функция заслонок — управление газовыми потоками при входе и выходе. Отдельные модели центробежных эксгаустеров могут иметь их с обеих сторон или только с одной — входа или выхода. «Входящие» заслонки управляют количеством поступаемого газа или воздуха, а «выходящие» сопротивляются воздушному потоку, который управляет газом. Заслонки, что расположены на входе лопастей, способствуют уменьшению потребления электроэнергии.

Сами плицы находятся на втулке колеса центростремительного вентилятора. Есть три стандартных расположения лопастей:

лопасти загнуты вперед;
лопасти загнуты назад;
лопасти прямые.

В первом варианте лопасти имеют лезвия с направлением по движению колеса. Такие вентиляторы «не любят» твердых примесей в эрлифтных потоках. Основное их назначение — большой поток с низким давлением.

Второй вариант оснащен искривленными лезвиями против движения колеса. Таким образом достигается аэродинамический швеллер и относительная экономичность конструкции. Такой способ применяется в работе с потоками газовой консистенции низкого и умеренного уровня насыщения жесткими компонентами. В качестве дополнения имеют покрытие от повреждений. Очень удобно то, что такой центробежный вентилятор имеет широкий диапазон регулировок скоростей. Они намного эффективней моделей с лопастями, изогнутыми вперед или прямыми, хотя последние и стоят дешевле.

Третий вариант имеет лопасти, которые расширяются сразу от втулки. Такие модели имеют минимальную чувствительность к оседанию твердых частиц на лопастях вентилятора, но при этом издают много шума во время эксплуатации. Также они имеют быстрый темп работы, низкие объемы и высокий уровень давления. Часто используют с целью аспирации, в пневматических системах для транспортировки материалов и в других схожих работах.

Вернуться к оглавлению

Типы центробежных вентиляторов

Есть определенные стандарты, по которым изготавливается данная техника. Следует выделить следующие типы:

1. Аэродинамическое крыло. Такие модели имеют широкое применение в сфере непрерывных работ, где постоянно присутствуют высокие температуры, чаще всего это нагнетательные и вытяжные системы. Имея высокий показатель по производительности, они бесшумны.
2. Обратно загнутые лопасти. Обладают высокой эффективностью. Конструкция этих вентиляторов препятствует накоплению пыли и мелких частиц на лопастях. Имеет достаточно прочную конструкцию, что позволяет применять их для областей с высоким угнетением.
3. Ребра, изогнутые в обратную сторону. Рассчитаны для большой кубатуры воздушных масс с относительно низким уровнем давления.
4. Радиальные лопасти. Достаточно прочны, могут обеспечить высокое давление, но со средним уровнем эффективности. Направляющие ротора имеют специальное покрытие, которое защищает их от эрозии. Кроме того, такие модели имеют достаточно компактные габариты.
5. Ребра, загнутые вперед. Предназначены для тех случаев, когда предстоит работа с большими объемами воздушных масс и наблюдается высокое давление. Эти модели тоже имеют хорошую стойкость к эрозии. В отличие от моделей «заднего» типа такие агрегаты имеют меньшие размеры. Такой вид крыльчатки имеет самый большой расход объема.
6. Гребное колесо. Данное устройство — открытое колесо без какого-либо корпуса или кожуха. Применим для помещений, где присутствует большая запыленность, но при этом, увы, такие устройства не обладают высокой эффективностью. Допустимо использование при высоких температурах.

Приходится , опираясь на экспериментальные результаты или отрывочные сведения, почерпнутые из разных источников. Рассмотрим важный вопрос, возникающий при создании ветряка - устройство лопастей.

Как работает простой ветрогенератор?

Существует два типа ветрогенераторов:

горизонтальные
вертикальные

Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются , напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт - это крыльчатка ветряка, хвост - устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.

При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает . Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.

Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Основной элемент горизонтального ветряка - крыльчатка . Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.

Горизонтальные устройства имеют крыльчатки, снабженные большим количеством лопастей. Обычно их больше 3. В этом вопросе существует зависимость числа лопастей от производительности. Дело в том, что с возрастанием числа принимающих плоскостей падает мощность крыльчатки, а с убыванием - чувствительность. Поэтому выбирают «золотую середину», принимая среднее число лопастей.

Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.

На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.

Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.

Выбор вида

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки - создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

твердолопастные крыльчатки

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Расчет лопастей

На практике мало кто вычисляет параметры лопастей, поскольку для этого надо обладать специальной подготовкой и располагать данными. Большинство значений, нужных для расчетов, необходимо сначала отыскать, некоторые из них и вовсе будут известны только после запуска ветряка. Кроме того, для большинства видов до сих пор нет математической модели вращения, что делает расчеты бесполезными.

Чаще всего производится подбор диаметра крыльчатки по требующейся мощности, выполняемый по таблице:

Как вариант, можно использовать онлайн-калькулятор , позволяющий получить готовый результат за секунды, надо только подставить в окошечки программы собственные данные.

Необходимо учитывать, что расчеты такого устройства, как крыльчатка, не будут иметь достаточной точности из-за большого количества тонких эффектов и неизвестных величин, поэтому, чаще всего, прибегают к экспериментальному подбору формы и размера.

Материал для изготовления

Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки , надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:

прочность
малый вес
легкость обработки
возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
доступность

Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.

Трубы ПВХ

Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.

Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.

Алюминий

Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий . При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.

Затрудняет работу и форма материала - чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.

Стекловолокно

Такой выбор - для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:

изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице

Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.

Древесина

Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей - задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.

Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.

Древесина обладает массой отрицательных качеств - она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.

Создание лопастей поэтапно

Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:

отрезаются куски трубы по длине лопастей
вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм - ширина одной лопасти
с противоположного торца делается то же самое
крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
лопасти присоединяются к ступице

Форма лопастей имеет следующее строение:

торцевые части одинаковы по ширине - 44 мм
посередине ширина лопасти составляет 55 мм
на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм

За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo - испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.

Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.

С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная - по типу компенсации реактивного момента несущего винта.

Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах - от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.

Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним - повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.

Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами - диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта - это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.

При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали - это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.

В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.

К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.

У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.

Классическая схема

Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.

При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.

Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.

Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед - машина полетит вперед, назад - назад, вбок - вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.

В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает - для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди - уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.

Соосная схема

Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта - верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.

Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.

В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.

Продольная и поперечная схемы

Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга - один находится над носовой частью вертолета, а другой - над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.

Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) - массой до 12,7 тонны.

У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.

Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.

Синхроптер

Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения - пересекаются.

У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.

Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.

К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.

Мультикоптер

Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.

Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны - половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, - в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.

Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону - вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой - замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.

Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.

Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.

Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.

Скоростная схема

Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.

Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 - до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет - демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом - Sikorksy X2 - до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.

Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов - винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.

В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.

Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к проектированию и летным испытаниям воздушных винтов, установленных на летательных аппаратах (ЛА). Способ включает в себя неравномерное расположение лопастей по диску, устанавливаемых попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, комбинирование типов винтов с четным числом лопастей от четырех и более, определение математической модели расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов между осями соседних пар лопастей 1 , суммирование векторов нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектирование полученных векторов нагрузок на неподвижные оси координат ЛА О н Х н и O н Z н, выполнение гармонического анализа проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, построение зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 и выбор из них значений расчетных углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок. Достигается увеличение ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности путем снижения нагрузок и вибраций. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2385262

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к проектированию и летным испытаниям воздушных винтов, устанавливаемых на летательных аппаратах (ЛА), преимущественно на вертолетах, самолетах и автожирах, и может быть использовано для увеличения ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности (валов несущих, рулевых, тянущих и толкающих винтов, главных, рулевых и промежуточных редукторов, подредукторных рам, фюзеляжей, хвостовых и килевых балок).

Уровень техники

Известно, что силы и моменты, создаваемые каждой из лопастей воздушного винта, обуславливаются аэродинамическими нагрузками и возникающими при ее колебаниях инерционными силами и моментами. Нагрузки с лопастей передаются на втулку винта и складываются на ней по определенным правилам, а затем, трансформируясь по другим правилам, передаются на фюзеляж (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.30).

Для облегчения понимания дальнейшего изложения сущности изобретения рассмотрим сначала процесс сложения и трансформации гармоник на классическом воздушном винте, т.е. на винте с равномерным расположением лопастей по диску (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.30). При выводе правил суммирования обычно принимается, что лопасти идентичны по своим аэродинамическим, массовым и жесткостным характеристикам. При этом условии законы изменения нагрузок на отдельных лопастях будут отличаться друг от друга только сдвигом по времени (фазе). Амплитуды любой из составляющих гармоник для всех лопастей будут одинаковыми. Для того чтобы найти равнодействующую сил на втулке, удобно рассмотреть суммирование одноименных гармоник нагрузок, создаваемых на каждой из лопастей. При этом необходимо учесть направление действия нагрузок на разных лопастях. Нагрузку, приходящую с каждой лопасти, имеющей номер i, можно разложить по трем направлениям: по направлению оси винта - это векторы тяги и крутящего момента , а два других расположены в плоскости вращения перпендикулярно оси горизонтального шарнира и параллельно ей (перпендикулярно оси лопасти) . Векторы и от разных лопастей параллельны друг другу, а векторы и соседних лопастей повернуты относительно друг друга на угол , где K л - число лопастей винта.

Для гармоник нагрузок, векторы которых параллельны оси вращения винта, применяется первое правило суммирования (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984, с.30). Согласно этому правилу гармоники с номерами и кратными числу лопастей:

и амплитудами нагрузок A n различных лопастей складываются и дают на втулке равнодействующую, имеющую амплитуду и ту же частоту. Они без изменения амплитуд и частот гармонических составляющих сил передаются на фюзеляж. Такие гармоники называются проходными. Гармоники с номерами, некратными числу лопастей, т.е. не удовлетворяющие условию (1) ни при каком целом m и, на втулке взаимно уравновешиваются и не передаются на фюзеляж. Эти гармоники называются непроходными.

Для гармоник сил на втулке, находящихся в плоскости вращения винта и повернутых относительно друг друга на угол , равный углу между лопастями, применяется второе правило суммирования (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.37).

В соответствии с этим правилом проходными являются гармоники с номерами, на единицу отличающимися от номеров, кратных числу лопастей:

и первая гармоника, которая соответствует значению m=0. Амплитуда этой нагрузки равна амплитуде гармоники одной лопасти, умноженной на половину числа лопастей. Это правило справедливо для винтов с числом лопастей К л 3.

При передаче этих гармоник в невращающуюся систему координат O н X н Z н гармоники с номерами mК л ±1 трансформируются в лопастные гармоники

Однако эти правила относятся к классическим винтам, т.е. к таким винтам, у которых лопасти расположены по диску равномерно, что не позволяет конструктору при проектировании воздушных винтов управлять нагрузками и вибрациями, передающимися с винтов на конструкцию.

Известны рулевые винты Х-образного типа (схема «ножницы»), установленные на вертолетах АН-64А «Апач» (США), Ми-28 и Ми-38 (Россия).

В описании вертолета «Апач», составленном по материалам открытой иностранной печати (Боевой вертолет Макдоннел-Дуглас АН-64А «Апач» (по материалам открытой иностранной печати). ОНТИ ЦАГИ, 1989. с.23), приводятся сведения о том, что использование неравномерного расположения между парами лопастей (острый угол Х=55°) привело к уменьшению уровня четвертой гармоники составляющей шума.

В работе (Рождественский М.Г., Самохин В.Ф. Аэродинамические и акустические особенности винта схемы «ножницы». Аэродинамика. Статья в Трудах шестого Форума РосВО, 2004. с.I-103 I-117) показано, что компоновка винта схемы «ножницы» имеет преимущества по сравнению с характеристиками винта с ортогональным расположением лопастей: увеличение тяги достигает 7%, а максимальное увеличение коэффициента полезного действия составляет 10%.

Рулевой винт типа «фенестрон» с десятью лопастями, неравномерно расположенными по диску, реализован на вертолетах ЕС130 и ЕС135 фирмы Eurocopter (Журнал «Вертолетная индустрия», декабрь 2007, с.25). По данным фирмы на вертолете с винтом, выполненным по такой концепции, удалось существенно снизить уровень шума, потребную мощность и повысить аэродинамическое качество.

Известен патент РФ № 1826421 Преобразуемый несущий винт преимущественно комбинированного ЛА, содержащий втулку винта, четыре лопасти с симметричным профилем, установленные под углом 90° для полета по-вертолетному, а для самолетного режима винт в плане становится Х-образным. В самолетном режиме консоли устанавливаются с меньшим углом стреловидности по отношению к набегающему потоку (угол стреловидности Х=30°), что позволяет улучшить несущие свойства системы «несущий винт-крыло».

Однако в данном патенте вопросы снижения уровней нагрузок и вибраций, действующих на конструкцию комбинированного ЛА, не рассматривались.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности путем снижения нагрузок и вибраций.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем неравномерное расположение лопастей по диску, установленных попарно, с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, согласно изобретению, комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом:

10 - лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-хлопастного винтов.

Определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов пар лопастей 1 . Суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , OX 1 , OZ 1 , вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат ЛА O н X н, и O н Z н. Выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную O н X н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 , из них выбирают значения углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок.

Для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 1 , 2 , при которых нагрузки и вибрации, действующие на конструкцию ЛА, равны нулю, где 1 - угол между осями соседних пар лопастей, а 2 - угол между осями смежных пар лопастей. Выбранные углы используют при компоновке винта.

Предлагаемый способ поясняется следующими фигурами:

На фиг.1 показана схема многолопастного винта с неравномерным расположением лопастей по диску, где

1 - вращающиеся оси координат винта OX 1 и OZ 1 ;

2 - оси лопастей № 1, 2, К л;

3 - втулка винта;

4 - оси О н Х н и О н Z н в неподвижной системе координат O н Х н Z н;

5 - углы между соседними лопастями 1 ;

7 - вертикальная ось координат О н Y н;

8 - азимутальное положение оси лопасти № 1.

На фиг.2 показаны зависимости амплитуд проекций нагрузок 10 на неподвижные оси координат от углов 1 5 для четвертой и двенадцатой гармоник, где

9 - амплитуды проекций векторов нагрузок на вертикальную ось координат O н Y н 7;

11 - амплитуды проекций векторов нагрузок на неподвижные оси координат 4: продольная О н Z н, поперечная O н Z н.

На фиг.3 приведены сочетания между углами 1 и 2 , соответствующие нулевому уровню амплитуды четвертой гармоники, где

5 - углы между осями соседних лопастей 1 ;

6 - углы между осями смежных лопастей 2 ;

12 - точка, соответствующая нулевой четвертой гармонике, полученная расчетом;

13 - интерполяционный полином, соответствующий нулевому уровню нагрузок по четвертой гармонике.

16 - частота колебаний, Гц.

Способ осуществляется следующим образом

В предлагаемом способе, включающем неравномерное расположение лопастей по диску, установленных попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом:

4-лопастной (Х-образный) винт образуют из двух пар лопастей;

6-лопастной винт компонуют из Х-образного и двухлопастного винтов;

8-лопастные винты формируют: из двух 4-лопастных классических винтов; из Х-образного и 4-лопастного классического винтов; из двух Х-образных винтов;

10-лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-хлопастного винтов.

Определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов пар лопастей 1 . Суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , OX 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат ЛА O н X н и О н Z н. Выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 , из них выбирают значения углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок.

Для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 1 , 2 , при которых нагрузки и вибрации, действующие на конструкцию ЛА, равны нулю, где 1 - угол между осями соседних пар лопастей, a 2 - угол между осями смежных пар лопастей. Выбранные углы используют при компоновке винта.

Таким образом, полученные значения углов 1 и 2 , соответствующие минимальным и нулевым гармоническим составляющим, позволяют существенно снизить уровень нагрузок и вибраций, действующих на конструкцию ЛА.

Сущность изобретения поясняется схемой многолопастного винта, приведенной на фиг.1. Лопасти нумеруются (например, на вертолете) по мере прохождения их над хвостовой балкой (отрицательное направление оси O н X н 4 в неподвижной системе координат). При выборе вращающихся осей координат ОХ 1 Z 1 ось OX 1 1 направляется по оси лопасти № 1. Ось OZ 1 1 должна быть перпендикулярна оси OX 1 и опережать ее.

В неподвижной системе координат продольная ось O н X н 4 направлена вперед, а поперечная ось O н Z н 4 - вправо для несущего винта и вверх для рулевого винта.

Оси координат во вращающейся OY 1 и в невращающейся O н Y н 7 системах координат направляются по оси вращения в направлении тяги винта (эти оси совпадают).

Рассмотрим изменение n-гармоник переменных нагрузок для каждой лопасти i в зависимости от азимутального положения 8 оси лопасти № 1 и углов между лопастями 1 5 и 2 6 (обозначим последние два угла как j):

Находим равнодействующую сил винта , приходящих на втулку винта от каждой лопасти, для каждой из гармоник n, количество лопастей К л - произвольное и четное:

В результате сложения одноименных гармоник получаются зависимости равнодействующих нагрузок на периоде вращения винта при разных углах между парами лопастей 1 5 и 2 6.

Путем аналитических выкладок и численных расчетов можно показать, что проходными гармониками нагрузок, векторы которых параллельны оси вращения винта, является ряд гармоник с четными номерами, т.е. n=2, 4, 6, ... N. Это правило авторы изобретения назвали «третьим правилом суммирования гармоник». Максимальный номер четной гармоники N устанавливается из опыта летных испытаний. Таким же способом можно доказать, что все нечетные гармоники рассматриваемых нагрузок являются непроходными.

Определим значения углов j , при которых амплитуды гармоник будут минимальными. Для решения задачи минимизации нагрузок целесообразно считать, что лопасти винта идентичны по своим аэродинамическим, массовым и жесткостным характеристикам, а амплитуды разных гармоник на всех лопастях равны единичной нагрузке, т.е. .

По аналогии с (1) запишем выражения для гармоник в плоскости OX 1 Z 1 каждой лопасти i на периоде вращения винта в зависимости от азимутального положения оси лопасти № 1 с учетом углов между осями пар лопастей j 5 и 6:

Проекции векторов нагрузок на вращающиеся оси координат будут равны и .

Начало координат О (например, для вертолета) расположим в центре втулки винта. Азимут вращающейся оси OX 1 , т.е. 8, будем отсчитывать от отрицательного направления оси O н X н 4. Тогда проекции гармоник нагрузок на неподвижные оси координат будут равны:

Рассмотрим четыре варианта исполнения комбинированных винтов: 4-лопастной, 6-лопастной, 8-лопастной (три варианта) и 10-лопастной. Углы между лопастями на первых трех винтах можно выразить с помощью одного угла 1 5, а на 10-лопастном винте - двумя углами: между соседними лопастями 1 5 и смежными 2 6, т.е. следующими после соседних пар лопастей по вращению и против вращения винта, что наглядно иллюстрируется на фиг.1.

Приравняв сумму гармонических составляющих (2) и (3) для каждой из гармоник нулю, находим углы j , соответствующие нулевым значениям амплитуд:

;

Выполним гармонический анализ функций и при разных значениях углов j .

Авторами предлагаемого изобретения проведен расчет зависимостей амплитуд проекций нагрузок на три указанные выше оси координат от угла 1 для 4-, 6- и 8-лопастного винтов. При этом рассмотрены все четные гармоники в диапазоне n=2 32. Для 10-лопастного винта рассчитаны сочетания соседних 1 и смежных 2 углов, при которых четные гармоники в том же диапазоне номеров n=2 32 равны нулю.

Результаты расчетов поясняются графиками на фиг.2 и 3, на которых изображены:

фиг.2 - зависимости амплитуд проекций нагрузок 10 на вертикальную АПрY н 9, продольную АПрX н 10 и поперечную AПрZ н 10 оси координат, 4-лопастной винт, гармоники четыре и двенадцать.

Из приведенных данных на фиг.2 следует, что максимальные значения амплитуд проекций нагрузок равны: на вертикальную ось - сумме сил отдельных лопастей (в нашем случае - числу лопастей винта), а амплитуды проекций на продольную и поперечную оси равны половине числа лопастей. На графиках фиг.2 видно, что большие диапазоны занимают углы 1 , при которых амплитуды нагрузок меньше, чем на классических винтах.

Сочетания углов между соседними 1 5 и смежными 2 6 лопастями на 10-лопастном воздушном винте приведены на фиг.3 (четвертая гармоника). Видно, что зависимости между углами 1 и 2 имеют эллипсовидный характер. Точки 12 на графиках получены расчетным путем. При анализе результатов расчета следует иметь в виду, что указанные зависимости представляют из себя кривые 13, проведенные по точкам. Число сочетаний углов 1 и 2 является бесконечно большим и оно увеличивается по мере увеличения номера гармоники n. Таким образом, при проектировании 10-лопастного винта имеются большие возможности для снижения или обнуления целого ряда гармонических составляющих переменных нагрузок.

На фиг.4 приведен амплитудный спектр вибраций 14 на шпангоуте № 2 килевой балки вертолета Ми-38 ОП-1, где

15 - амплитуды виброперегрузок (в единицах g) на килевой балке (КБ), шпангоут 2 (шп 2);

16 - частота колебаний, Гц.

На вертолете Ми-38 установлен 4-лопастной Х-образный рулевой винт с углом между осями лопастей 1 =38°.

Из приведенной зависимости следует подтверждение основных положений предлагаемого изобретения. Так, в амплитудном спектре виброперегрузок, определяемых нагрузками на Х-образном рулевом винте, отмечается вторая гармоника, которая отсутствует на классическом 4-лопастном винте. Четвертая гармоника амплитудного спектра (фиг.4), которая является проходной лопастной на классическом винте, в данном случае значительна по величине. Предлагаемым авторами способом она могла бы быть снижена практически до нуля. Для этого необходимо, чтобы углы между осями лопастей были равны

Практическое значение предлагаемого способа заключается в том, что он позволяет создавать воздушные винты, у которых любая гармоника или целый ряд гармоник нагрузок и вибраций, передающихся с воздушного винта на конструкцию летательного аппарата, может быть уменьшена до нуля или сведена до минимума. В частности, в вертолетостроении актуальной является проблема обеспечения усталостной прочности валов несущих и рулевых винтов, главных, хвостовых и промежуточных редукторов, подредукторных рам, средних и хвостовых частей фюзеляжа, килевых (концевых) балок.

Использование изобретения позволит уменьшить уровень нагруженности и вибраций в указанных частях конструкции и существенно повысить их ресурс по условиям усталостной прочности.

Известно (см. Богданов Ю.С. и др. Конструкция вертолетов. М.: Машиностроение, 1990. с.70), что даже небольшое изменение амплитуды переменных нагрузок (напряжений 1 , в которых амплитуды нагрузок значительно меньше, чем на классических винтах. Поэтому имеет существенное значение не только обнуление гармоник, но и их уменьшение по сравнению с нагрузками на классических винтах.

При летных испытаниях вертолетов Ми-28 и Ми-38, имеющих Х-образные рулевые винты, выявлено, что в записях вибраций, передающихся на хвостовую часть фюзеляжа, отмечены четные гармоники, начиная со второй. Предложенный способ легко объясняет появление таких «непривычных» для специалистов гармоник. Поэтому предложенное изобретение может быть использовано также при анализе результатов летных прочностных испытаний вертолетов, самолетов и автожиров с воздушными винтами, выполненными по предлагаемой концепции.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательных аппаратах, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей, включающий неравномерное расположение лопастей по диску, устанавливаемых попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, отличающийся тем, что комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более, определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов между осями соседних пар лопастей 1 , суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта летательного аппарата, а затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат летательного аппарата О н Х н и O н Z н, выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющие от углов 1 , из них выбирают значения расчетных углов, соответствующие минимальному уровню гармоник переменных нагрузок, а для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 2 - угол между осями смежных пар лопастей, производят компоновку винтов на летательном аппарате в соответствии с выбранными расчетными углами между осями пар лопастей.

2. Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательном аппарате, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей по п.1, отличающийся тем, что комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом: 4-лопастной (Х-образный) винт образуют из двух пар лопастей; 6-лопастной винт компонуют из Х-образного и двухлопастного винтов; 8-лопастные винты формируют из двух 4-лопастных классических винтов из Х-образного и 4-лопастного классического винтов или из двух Х-образных; 10-лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-лопастного винтов.

Использование альтернативных источников энергии – один из основных трендов нашего времени. Чистая и доступная энергия ветра может преобразовываться в электричество даже у вас дома, если построить ветряк и соединить его с генератором.

Соорудить лопасти для ветрогенератора своими руками можно из обычных материалов, не используя специального оборудования. Мы расскажем, какая форма лопастей эффективнее, и поможем подобрать подходящий чертеж для ветровой электростанции.

Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.

Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.

Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии

Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:

горизонтальные.

Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.

Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы

Горизонтальный ветрогенератор напоминает флюгер. Чтобы лопасти вращались, конструкция должна быть повернута в нужную сторону, в зависимости от направления движения воздуха.

Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Один из главных элементов ветрогенератора – комплект лопастей.

Существует ряд факторов, связанных с этими деталями, которые сказываются на эффективности ветряка:

размер;
форма;
материал;
количество.

Если вы решили сконструировать лопасти для самодельного ветряка, обязательно нужно учитывать все эти параметры. Некоторые полагают, что чем больше крыльев на винте генератора, тем больше энергии ветра можно получить. Другими словами, чем больше, тем лучше.

Однако это далеко не так. Каждая отдельная часть движется, преодолевая сопротивление воздуха. Таким образом, большое количество лопастей на винте требует большей силы ветра для совершения одного оборота.

Кроме того, слишком много широких крыльев могут стать причиной образования так называемой «воздушной шапки» перед винтом, когда воздушный поток не проходит сквозь ветряк, а огибает его.

Форма имеет большое значение. От нее зависит скорость движения винта. Плохое обтекание становится причиной возникновения вихрей, которые тормозят ветроколесо

Самым эффективным является однолопастной ветрогенератор. Но построить и сбалансировать его своими руками очень сложно. Конструкция получается ненадежная, хоть и с высоким коэффициентом полезного действия. По опыту многих пользователей и производителей ветряков, самой оптимальной моделью является трехлопастная.

Вес лопасти зависит от ее размера и материала, из которого она будет изготовлена. Размер нужно подбирать тщательно, руководствуясь формулами для расчетов. Кромки лучше обрабатывать так, чтобы с одной стороны имелось закругление, а противоположная сторона была острой

Правильно подобранная форма лопасти для ветрогенератора является фундаментом его хорошей работы.

Для домашнего изготовления подходят такие варианты:

парусного типа;
крыльчатого типа.

Лопасти парусного типа представляют собой простые широкие полосы, как на ветряной мельнице. Эта модель наиболее очевидна и проста в изготовлении. Однако ее КПД настолько мал, что эта форма практически не применяется в современных ветрогенераторах. Коэффициент полезного действия в данном случае составляет около 10-12%.

Гораздо более эффективная форма – лопасти крыльчатого профиля. Здесь задействованы принципы аэродинамики, которые поднимают в воздух огромные самолеты. Винт такой формы легче приводится в движение и вращается быстрее. Обтекание воздухом значительно сокращает сопротивление, которое встречает на своем пути ветряк.

Правильный профиль должен напоминать крыло самолета. С одной стороны лопасть имеет утолщение, а с другой – пологий спуск. Воздушные массы обтекают деталь такой формы очень плавно

КПД этой модели достигает значения 30-35%. Хорошая новость заключается в том, что построить крыльчатую лопасть можно и своими руками с применением минимума инструментов. Все основные расчеты и чертежи можно легко адаптировать под свой ветряк и пользоваться бесплатной и чистой энергией ветра без ограничений.

Из чего делают лопасти в домашних условиях?

Материалы, которые подойдут для строительства ветрогенератора – это, прежде всего, пластик, легкие металлы, древесина и современное решение – стеклоткань. Главный вопрос заключается в том, сколько труда и времени вы готовы потратить на изготовление ветряка.

Канализационные трубы из поливинилхлорида

Самый популярный и широко распространенный материал для изготовления пластиковых лопастей для ветрогенератора является обыкновенная канализационная ПВХ-труба. Для большинства домашних генераторов с диаметром винта до 2 м хватит трубы 160 мм.

К преимуществам такого метода относят:

невысокую цену;
доступность в любом регионе;
простоту работы;
большое количество схем и чертежей в интернете, большой опыт использования.

Трубы бывают разными. Это известно не только тем, кто изготавливает самодельные ветряные электростанции, но всем, кто сталкивался с монтажом канализации или водопровода. Они отличаются по толщине, составу, производителю. Труба стоит недорого, поэтому не нужно пытаться еще больше удешевить свой ветряк, экономя на ПВХ-трубах.

Некачественный материал пластиковых труб может привести к тому, что лопасти треснут при первом же испытании и вся работа будет проделана впустую

Сначала нужно определиться с лекалом. Вариантов существует много, каждая форма имеет свои недостатки и преимущества. Возможно, имеет смысл сначала поэкспериментировать, прежде чем вырезать итоговый вариант.

Поскольку цена на трубы невысокая, а найти их можно в любом строительном магазине, этот материал отлично подойдет для первых шагов в моделировании лопастей. Если что-то пойдет не так, всегда можно купить еще одну трубу и попробовать сначала, кошелек от таких экспериментов не сильно пострадает.

Опытные пользователи энергии ветра заметили, что для изготовления лопастей для ветрогенератора лучше использовать оранжевые, а не серые трубы. Они лучше держат форму, не изгибаются после формирования крыла и дольше служат

Конструкторы-любители предпочитают ПВХ, так как во время испытаний сломанную лопасть можно заменить на новую, изготовленную за 15 минут прямо на месте при наличии подходящего лекала. Просто и быстро, а главное – доступно.

Алюминий – тонкий, легкий и дорогой

Алюминий – легкий и прочный металл. Его традиционно используют для изготовления лопастей для ветрогенераторов. Благодаря небольшому весу, если придать пластине нужную форму, аэродинамические свойства винта будут на высоте.

Основные нагрузки, которые испытывает ветряк во время вращения, направлены на изгиб и разрыв лопасти. Если пластик при такой работе быстро даст трещину и выйдет из строя, рассчитывать на алюминиевый винт можно гораздо дольше.

Однако если сравнивать алюминий и ПВХ-трубы, металлические пластины все равно будут тяжелее. При высокой скорости вращения велик риск повредить не саму лопасть, а винт в месте крепления

Еще один минус деталей из алюминия – сложность изготовления. Если ПВХ-труба имеет изгиб, который будет использован для придания аэродинамических свойств лопасти, то алюминий, как правило, берется в виде листа.

После вырезания детали по лекалу, что само по себе гораздо сложнее, чем работа с пластиком, полученную заготовку еще нужно будет прокатать и придать ей правильный изгиб. В домашних условиях и без инструмента сделать это будет не так просто.

Стекловолокно или стеклоткань – для профессионалов

Если вы решили подойти к вопросу создания лопасти осознанно и готовы потратить на это много сил и нервов, подойдет стекловолокно. Если ранее вы не имели дела с ветрогенераторами, начинать знакомство с моделирования ветряка из стеклоткани – не лучшая идея. Все-таки этот процесс требует опыта и практических навыков.

Лопасть из нескольких слоев стеклоткани, скрепленных эпоксидным клеем, будет прочной, легкой и надежной. При большой площади поверхности деталь получается полая и практически невесомая

Для изготовления берется стеклоткань – тонкий и прочный материал, который выпускается в рулонах. Помимо стекловолокна пригодится эпоксидный клей для закрепления слоев.

Начинают работу с создания матрицы. Это такая заготовка, которая представляет собой форму для будущей детали.

Матрица может быть изготовлена из дерева: бруса, доски или бревна. Прямо из массива вырубают объемный силуэт половины лопасти. Еще вариант – форма из пластика

Сделать заготовку самостоятельно очень сложно, нужно иметь перед глазами готовую модель лопасти из дерева или другого материала, а только потом по этой модели вырезают матрицу для детали. Таких матриц нужно как минимум 2. Зато, сделав удачную форму однажды, ее можно применять многократно и соорудить таким образом не один ветряк.

Дно формы тщательно смазывают воском. Это делается для того, чтобы готовую лопасть можно было легко извлечь впоследствии. Укладывают слой стекловолокна, промазывают его эпоксидным клеем. Процесс повторяют несколько раз, пока заготовка не достигнет нужной толщины.

Когда эпоксидный клей высохнет, половину детали аккуратно вынимают из матрицы. То же делают со второй половиной. Части склеивают между собой, чтобы получилась полая объемная деталь. Легкая, прочная, правильной аэродинамической формы лопасть из стекловолокна – вершина мастерства домашнего любителя ветряных электростанций.

Ее главный минус – сложность реализации задумки и большое количество брака на первых порах, пока не будет получена идеальная матрица, а алгоритм создания не будет отточен.

Дешево и сердито: деревянная деталь для ветроколеса

Деревянная лопасть – дедовский метод, который легко осуществим, но малоэффективен при сегодняшнем уровне потребления электричества. Сделать деталь можно из цельной доски легких пород древесины, например, сосны. Важно подобрать хорошо высушенную деревянную заготовку.

Нужно выбрать подходящую форму, но учитывать тот факт, что деревянная лопасть будет не тонкой пластиной, как алюминиевая или пластиковая, а объемной конструкцией. Поэтому придать заготовке форму мало, нужно понимать принципы аэродинамики и представлять себе очертания лопасти во всех трех измерениях.

Придавать окончательный вид дереву придется рубанком, лучше электро. Для долговечности древесину обрабатывают антисептическим защитным лаком или краской

Главный недостаток такой конструкции – большой вес винта. Чтобы сдвинуть с места эту махину, ветер должен быть достаточно сильным, что трудноосуществимо в принципе. Однако дерево – доступный материал. Доски, подходящие для создания винта ветрогенератора, можно найти прямо у себя во дворе, не потратив ни копейки. И это главное преимущество древесины в данном случае.

КПД деревянной лопасти стремится к нулю. Как правило, время и силы, которые уходят на создание такого ветряка не стоят полученного результата, выраженного в ваттах. Однако, как учебная модель или пробный экземпляр деревянная деталь вполне имеет место быть. А еще флюгер с деревянными лопастями эффектно смотрится на участке.

Чертежи и примеры лопастей

Сделать правильный расчет винта ветрогенератора, не зная основных параметров, которые отображаются в формуле, а так же не имея понятия, как эти параметры влияют на работу ветряка, очень сложно.

Лучше не тратить свое время, если желания вникать в основы аэродинамики нет. Готовые чертежи-схемы с заданными показателями помогут подобрать подходящую лопасть для ветряной электростанции.

Чертеж лопасти для двухлопастного винта. Изготавливается из канализационной трубы 110 диаметра. Диаметр винта ветряка в данных расчетах – 1 м

Подобный небольшой ветрогенератор не сможет обеспечить вас высокой мощностью. Скорей всего, вы вряд ли сможете выжать из этой конструкции больше 50 Вт. Однако двухлопастной винт из легкой и тонкой ПВХ-трубы даст высокую скорость вращения и обеспечит работу ветряка даже при небольшом ветре.

Чертеж лопасти для трехлопастного винта ветрогенератора из трубы 160 мм диаметра. Расчетная быстроходность в этом варианте – 5 при ветре 5 м/с

Трехлопастной винт такой формы может быть использован для более мощных агрегатов, примерно 150 Вт при 12 В. Диаметр всего винта в этой модели достигает 1,5 м. Ветроколесо будет вращаться быстро и легко запускаться в движение. Ветряк с тремя крыльями встречается в домашних электростанциях чаще всего.

Чертеж самодельной лопасти для 5-ти лопастного винта ветрогенератора. Изготавливается из трубы ПВХ диаметром 160 мм. Расчетная быстроходность – 4

Такой пятилопастной винт сможет выдавать до 225 оборотов в минуту при расчетной скорости ветра 5 м/с. Чтобы построить лопасть по предложенным чертежам, нужно перенести координаты каждой точки из колонок «Координаты лекала фронт/тыл» на поверхность пластиковой канализационной трубы.

По таблице видно, что чем больше крыльев у ветрогенератора, тем меньше должна быть их длина для получения тока одинаковой мощности

Как показывает практика, обслуживать ветрогенератор больше 2 метров в диаметре достаточно сложно. Если в соответствии с таблицей вам необходим ветряк большего размера, подумайте над увеличением числа лопастей.

С правилами и принципами ознакомит статья, в которой пошагово изложен процесс производства вычислений.

Выполнение балансировки ветряка

Балансировка лопастей ветрогенератора поможет сделать его работу максимально эффективной. Для осуществления балансировки нужно найти помещение, где нет ветра или сквозняка. Разумеется, для ветроколеса больше 2 м в диаметре найти такое помещение будет сложно.

Лопасти собираются в готовую конструкцию и устанавливаются в рабочее положение. Ось должна располагаться строго горизонтально, по уровню. Плоскость, в которой будет вращаться винт, должна быть выставлена строго вертикально, перпендикулярно оси и уровню земли.

Винт, который не движется, нужно повернуть на 360/х градусов, где х = количество лопастей. В идеале сбалансированный ветряк не будет отклоняться ни на 1 градус, а останется неподвижным. Если лопасть повернулась под собственным весом, ее нужно немного подправить, уменьшить вес с одной стороны, устранить отклонение от оси.

Процесс повторяется до тех пор, пока винт не будет абсолютно неподвижным в любом положении. Важно, чтобы во время балансировки не было ветра. Это может исказить результаты испытаний

Также важно проконтролировать, чтобы все части вертелись строго в одной плоскости. Для проверки на расстоянии 2 мм с обеих сторон одной из лопастей устанавливают контрольные пластины. Во время движения ни одна часть винта не должна коснуться пластины.

Для эксплуатации ветрогенератора с изготовленными лопастями потребуется собрать систему, аккумулирующую полученную энергию, сохраняющую ее и передающую потребителю. Одним из компонентов системы является контроллер. О том, как сделать , узнаете, ознакомившись с рекомендованной нами статьей.

Если вы хотите использовать чистую и безопасную энергию ветра для бытовых нужд и не планируете тратить огромные деньги на покупку дорогостоящего оборудования, самодельные лопасти из обычных материалов будут подходящей идеей. Не бойтесь экспериментов, и вам удастся еще больше усовершенствовать существующие модели винтов ветряка.