Huvudrotorn är en propeller med en vertikal rotationsaxel som ger lyft (vanligtvis till helikoptrar ), vilket möjliggör kontrollerad horisontell flygning och landning. Huvudfunktionen hos en sådan skruv är att "bära" flygplanet, vilket återspeglas i namnet [1] . Det kallas också ganska ofta helt enkelt som en rotor.
Förutom helikoptrar finns rotorer för autogyros , rotorfarkoster , konvertiplan och flygande plattformar .
Huvudskillnaden mellan huvudrotorer och stödpropellrar är förmågan att snabbt ändra den totala och/eller cykliska stigningen. Huvudrotorn i en helikopter består i allmänhet av blad , bussningar och gångjärn .
Huvudrotorns styrsystem består av en swashplate ansluten till de axiella gångjärnen på huvudrotorbladen med hjälp av stavar (element som överför translationsrörelse). Rotationen av bladet i det axiella gångjärnet orsakar en förändring i vinkeln för montering av bladet.
Vinkeln för montering av bladet är vinkeln mellan bladets korda och det konstruktiva rotationsplanet. Ju större denna vinkel är, desto större lyftkraft tillhandahålls av rotorbladet.
Att flytta vickplattan upp/ned längs huvudrotoraxeln leder till en samtidig förändring av installationsvinklarna för alla bladen, och justerar därmed propellerns lyftkraft och följaktligen flygplanets svävande (flyg)höjd. Denna förändring kallas propellerns totala stigning .
Lutningen av swashplattan i förhållande till flygplanets kropp kallas ett cykliskt steg och låter dig styra enheten i det longitudinella-tvärgående planet ( pitch - roll ).
Huvudrotorns varvtal är vanligtvis konstant, och förändringen i belastningen på propellern kompenseras automatiskt av en motsvarande förändring i motoreffekt.
Det finns styrsystem där det inte finns några axiella gångjärn på bladen. Till exempel, i modeller av radiostyrda helikoptrar, ändras lutningen för rotation av hela propellern, och inte enskilda blad. I versioner av rotorer med servoklaffar (synchropters från Kaman Aircraft ) ändras monteringsvinkeln för klaffarna som ligger på bladens bakkant.
De sektioner av bladet som är belägna närmare rotationsaxeln och följaktligen beskriver cirklar med en mindre radie, har en lägre linjär hastighet i förhållande till luften och skapar en proportionellt lägre lyftkraft. För att minska denna effekt vrids bladet på ett sådant sätt att dess monteringsvinkel gradvis ökar när det närmar sig rotationsaxeln, vilket tillåter områden med en mindre rotationsradie att ge mer lyftkraft. Bladens vridning (skillnaden mellan installationsvinkeln för sektionerna vid roten och i slutet av bladet) kan vara 6-12 °.
Förbindningen av bladen med skaftet kan vara ledad , styv, halvstyv och elastisk. Med en ledad och elastisk anslutning kan huvudrotorns rotationsplan inte avböjas i förhållande till helikopterkroppen , till skillnad från en halvstyv anslutning .
Huvudrotorn kan ha från två till åtta blad. Bladen kan vara av trä, helt i metall och komposit (glasfiber). Kompositblad är mindre tidskrävande att tillverka jämfört med blad helt i metall, de har en betydligt längre resurs, tillförlitlighet och korrosionsbeständighet .
Ganska ofta görs bladen ihåliga och gas eller luft pumpas in i bladet under tryck. Tryckfallet inuti bladet, mätt med en speciell sensor, indikerar dess skada [1] .
För att minska storleken på en helikopter på parkeringsplatsen eller när den är baserad i hangarer, på hangarfartyg och helikopterfartyg , används fällbara rotorer. Vikning kan göras manuellt eller automatiskt [1] .
För att minska vibrationsnivån som överförs från huvudrotorn till flygkroppen, är pendelvibrationsdämpare installerade på dess nav eller blad . För att skydda mot isbildning är propellerbladen utrustade med anti-isningssystem [1] .
Det finns olika system för helikoptrar .
De flesta helikoptrar i världen är gjorda enligt det "klassiska" schemat med en huvudrotor och en stjärtrotor på stjärtbommen. Det finns helikoptrar med två motroterande koaxialrotorer utan stjärtrotor ( Ka-25 , Ka-27 , Ka-50 ). För sådana maskiner används termen "koaxialrotor", samtidigt som man skiljer mellan "övre" och "nedre" skruvar. [2]
[3]
Beroende på huvudrotorns position i luftflödet särskiljs två huvudsakliga driftlägen: axialflödesläget, när rotornavets axel är parallell med det kommande ostörda flödet (svävande), och det sneda flödesläget, där luftflödet löper på rotorn i vinkel mot navets axel.
Det finns ett projekt med en huvudrotor fixerad under flygning, den så kallade X-Wing, monterad på en Sikorsky S-72 helikopter .
Rotorn innesluten i en ringformad kanal kallas en impeller , denna design ökar skruvens kraft och minskar buller, men detta ökar vikten på den bärande strukturen.
Det finns också skivvingrotordesigner, som Boeings Discrotor 4 ]Ellehammer Helikopter I Discrotor-projektet är rotorbladen teleskopiska, under flygning kan bladen dras in i skivvingen.
När huvudrotorn roterar uppstår vibrationer som kan orsaka för tidigt fel på instrument, utrustning och till och med leda till att flygplanet förstörs. Uppkomsten av vibrationer inkluderar sådana fenomen som jordresonans, fladder och virvelring.
Flygplan är mottagliga för detta fenomen, där rotorbladen är fästa vid navet med hjälp av en vridbar led. Massans centrum för bladen på den otvinnade propellern är placerad på dess rotationsaxel. När propellern roterar kan bladen rotera i sina vertikala gångjärn och deras gemensamma masscentrum förskjuts bort från rotationsaxeln, vilket leder till vibrationer av propellernavet i horisontalplanet. När övertonerna i dessa svängningar sammanfaller med de naturliga svängningarna hos en helikopter som står på marken på ett elastiskt chassi, uppstår okontrollerade svängningar av helikoptern - jordresonans .
Markresonans kan dämpas genom att införa dämpning både i det vertikala gångjärnet och i fjäderbenet på helikopterlandningsstället. Mer gynnsamma förutsättningar för att skapa jordresonans skapas när en helikopter kör längs marken. [5]
Flutter kallas självexciterade svängningar av huvudrotorbladen, som uppstår på grund av luftflödets energi och leder till en snabb ökning av amplituden för den flaxande rörelsen. [6] Fladder är särskilt farligt för koaxialkretsar , eftersom denna effekt orsakar överlappning av bladen. För att undvika fladder är en anti-fladdervikt installerad i rotorbladen, och pendelvibrationsdämpare är installerade på navet . På helikoptrar med ledad och elastisk typ av anslutning av bladen är ett tecken på utseendet av fladder under flygningen "suddheten" av huvudrotorkonen.
Vortexringen är ett kritiskt sätt att flyga med helikopter som utvecklas under en snabb nedstigning med låg hastighet framåt. Det kännetecknas av en kraftig höjdförlust och en försvagning av helikopterns reaktion på kontrollernas rörelse. [7] Helikoptern ökar snabbt sin nedstigningshastighet; på grund av det turbulenta tillståndet för flödet i virvelringen skakar helikoptern, stabiliteten och kontrollerbarheten försämras. [åtta]
Huvudrotorbladen är fästa vid ett nav som roterar fritt runt helikopterns axel. Det finns följande huvudtyper av sådana föreningar.
Med sviveln som uppfanns av Juan de La Cierva är bladen fästa på navkroppen i serie genom axiella, vertikala och horisontella gångjärn. På grund av bladens artikulation med navkroppen reduceras de alternerande påfrestningarna i huvudrotorns delar avsevärt och momenten av aerodynamiska krafter som överförs från propellern till helikopterns flygkropp reduceras.
Horisontella gångjärn gör att bladen kan svänga upp och ner; vertikala tillåter bladen att svänga i rotationsplanet, som uppstår under inverkan av variabla dragkrafter och Coriolis-krafter som uppträder när bladet oscillerar i förhållande till det horisontella gångjärnet; axiella gångjärn är utformade för att ändra vinklarna för montering av bladen.
När du flyger i ledade helikoptrar kan du se att bladen i luften inte beskriver en cirkel, utan en figur i form av en tratt eller kon.
Rollen för det vertikala och horisontella gångjärnet med en sådan anslutning spelas av ett elastiskt element tillverkat av kompositmaterial, eller torsion . Detta gör det möjligt att minska antalet delar, minska arbetsintensiteten i underhållet, eliminera behovet av smörjning och öka livslängden på huvudrotorn med 3–10 gånger jämfört med vridleden. På en huvudrotor med en sådan anslutning kan styreffektiviteten ökas avsevärt jämfört med en gångjärnsförsedd, vilket bidrar till en ökning av helikopterns manövrerbarhet, och fenomenet "markresonans" minskar också. [9]
Med ett sådant schema är två propellerblad stelt fast vid den centrala hylsan i form av en sväng ( vipparm ): när ett blad gör ett uppåtslag gör det andra en symmetrisk nedåtgående rörelse. Piloten ändrar positionen för helikopterns kontrollspak och ändrar därmed positionen för hela rotorplanet för huvudrotorn. En helikopter med ett halvstyvt rotornav har goda hanteringsegenskaper. En viktig fördel med detta schema är dess enkelhet (avsaknaden av högt belastade lager i gångjärnen, spjällen och centrifugalbladens överhängsbegränsningar), vilket underlättar och minskar kostnaden för att tillverka propellern och dess underhåll i drift. Halvstyva helikoptrar masstillverkas av Bell och Robinson .
Propellerbladen är styvt fästa på hylsan som är monterad på drivaxeln med endast det axiella gångjärnet. Ett sådant schema är det enklaste, men samtidigt det mest mottagliga för destruktiva vibrationer. Dessutom har ett sådant schema en ökad massa jämfört med en svängled. Det bör noteras att variabla belastningar på huvudrotorbladen i detta fall kan minskas på grund av själva bladens flexibilitet.
Den stela anslutningen används i flygplanspropellrar och innan uppfinning av Juan de La Sierva av svivel användes på alla experimentella helikoptrar i början av 1900-talet. För närvarande kan en sådan anslutning hittas i rotorerna på Sikorsky X2- helikoptern .
Under en helikopters translationsrörelse i ett horisontellt plan strömmar huvudrotorn runt av ett mötande luftflöde. I fallet med dess rotation medurs rör sig bladet som är placerat till vänster i flygriktningen mot luftflödet (framskjutande blad) och placerat på höger sida längs det (retirerande blad). Följaktligen är hastigheten för det framåtgående bladet i förhållande till den inkommande luften högre än hastigheten för det retirerande bladet och är maximal vid en azimut av 90°. Eftersom luftmotstånd och lyft är proportionella mot hastigheten, skapar det framskjutande bladet mer lyftkraft och upplever mer motstånd.
Den linjära hastigheten är proportionell mot avståndet från rotationsaxeln och är följaktligen maximal vid bladens ändar. Vid vissa värden på skruvens vinkelhastighet närmar sig den linjära hastigheten för ändsektionerna av det framskjutande bladet ljudhastigheten , vilket resulterar i en vågkris i dessa sektioner . Tvärtom är hastigheten för ett antal sektioner av det vikande bladet i förhållande till luften så låg att ett flödesstopp uppstår på dem , och sektioner som är belägna ännu närmare navet faller in i den omvända flödeszonen (bladprofilen är strömlinjeformad med luft från den vassa delen, vilket skapar en omvänd lyftkraft).
Rotorblad som faller in i stall- och vågkriszonerna kännetecknas av ökade vibrationer och en kraftig minskning av lyftkraften . Stallningen kan motverkas genom att öka huvudrotorns vinkelhastighet, men detta ökar vågkriszonen. Den negativa påverkan av vågkriszonen kan minskas genom att använda speciella propellerbladsspetsar - till exempel svepte sådana.
Eftersom de framskjutande bladen skapar mer lyft än de som drar sig tillbaka, finns det en kompensationsmekanism för att upprätthålla balansen mellan lyftkrafterna för olika sektioner av huvudrotorn. Mekanismen är baserad på användningen av ett horisontellt gångjärn och ett axiellt gångjärn som är stelt anslutna till swashplate. Under flygning står bladet i en vinkel mot det strömlinjeformade luftflödet, det resulterande luftmotståndet får bladet att svänga uppåt. Eftersom det axiella gångjärnet är anslutet till swashplate, när bladet svänger upp, vrids bladet i riktning mot att minska vinkeln mellan bladet och luftflödet. Att minska denna vinkel leder till en minskning av bladets lyftkraft.
Omvänt, med en minskning av hastigheten på det strömlinjeformade luftflödet, sjunker bladet, installationsvinkeln för bladet ökar och lyftkraften ökar. [tio]