несущий винт

Рис. 1. Шарнирный несущий винт вертолёта.

несу́щий винт вертолёта — воздушный винт, предназначенный для создания аэродинамических сил, необходимых для осуществления полёта, а также для управления вертолётом. По характеру обеспечения вращательного движения различают Н. в. с механическим приводом и с реактивным приводом.

Н. в. состоит из лопастей и втулки, устанавливаемой на валу (рис. 1). В зависимости от конструкции втулки несущего винта, к которой крепятся лопасти, различают шарнирные и жёсткие Н. в. К основным параметрам Н. в. относятся: диаметр, число лопастей, заполнение несущего винта, частота вращения винта.

Диаметр Н. в. устанавливается из условия обеспечения оптимальной нагрузки на ометаемую поверхность. Число лопастей выбирается в зависимости от заполнения и требований прочности лопасти. Применяют Н. в. с числом лопастей от 2 до 8. Двухлопастные винты характеризуются повышенным уровнем вибраций и требуют дополнительных средств для его снижения. С увеличением числа лопастей значительно возрастает масса втулки, а из-за увеличения суммарной массы приходится облегчать лопасти, что вызывает трудности в обеспечении необходимой жёсткости лопастей.

В зависимости от положения Н. в. в потоке воздуха различают два основных режима работы: режим осевого обтекания, когда ось втулки винта расположена параллельно набегающему невозмущённому потоку, и режим косого обтекания, при котором поток воздуха набегает на Н. в. под углом к оси втулки. В режиме осевого обтекания винт работает на стоянке, при висении, при вертикальном наборе высоты и при вертикальном снижении вертолёта. У шарнирного Н. в. в режиме осевого обтекания каждая лопасть находится в равновесном положении (рис. 2) при действии аэродинамических сил, силы тяжести и центробежной силы, а её продольная ось описывает конус, вершина которого расположена на оси втулки. Плоскость, проходящая через концы лопастей вращающегося винта, называется плоскостью концов лопастей. При осевом обтекании она параллельна плоскости вращения, в которой лежат оси горизонтальных шарниров (ГШ). Угол между плоскостью вращения и продольной осью лопасти называется углом конусности. В плоскости вращения под действием сил сопротивления вращению лопасть отклоняется в вертикальном шарнире (ВШ) от плоскости, проходящей через ось вращения винта и ось ВШ на угол, который называется углом отставания лопасти.

В режиме косого обтекания винт работает при горизонтальном полёте вертолёта и при полёте по наклонной траектории. В этих условиях непрерывно изменяется положение лопасти относительно воздушного потока, а следовательно, изменяются скорость обтекания каждого элемента и действующие на него аэродинамические силы, что вызывает маховое движение лопастей. Угол поворота оси лопасти вокруг оси ГШ, измеряемый от плоскости вращения втулки, называется углом взмаха лопасти. Повышение устойчивости махового движения лопасти достигается с помощью регулятора взмаха.

Изменение сил сопротивления и кориолисовой силы вызывает качание лопасти вокруг оси ВШ в плоскости вращения относительно плоскости, проходящей через ось вращения винта и ось ВШ. Угол между этой плоскостью и продольной осью лопасти называется углом качания лопасти. Уменьшение качания лопастей достигается установкой демпферов на втулке.

Использование Н. в. для управления вертолётом основано на изменении создаваемой винтом тяги и её направления. Наиболее распространённый способ управления Н. в. — изменение угла установки лопастей, то есть угла между аэродинамической хордой характерного сечения лопасти и плоскостью вращения, при их вращении. Это обычно осуществляется с помощью автомата перекоса. Крепление лопасти ко втулке включает осевой шарнир (ОШ), который позволяет лопасти поворачиваться относительно продольной оси (установочное движение лопасти). Изменение угла установки следует за вертикальным перемещением или наклоном тарелки автомата перекоса по мере поворота лопасти. Управление положением вертолёта в пространстве по вертикали (вертикальное управление) осуществляется с помощью одновременного изменения угла установки всех лопастей Н. в. (общего шага), что вызывает изменение тяги винта. Создание продольной или боковой составляющих тяги Н. в. (управление по тангажу и крену) достигается циклическим изменением угла установки лопастей (см. Циклический шаг).

Н. в. определяет скоростные и манёвренные характеристики аппарата. Поскольку основным фактором, ограничивающим скорость вертолёта, является срыв потока с отстающих лопастей, предлагались конструкции Н. в. со средствами для затягивания срыва: принудительное качание лопастей (так называемый винт Дершмидта), переменный компенсатор взмаха, управляемая циркуляция воздушного потока, система жёстких соосных винтов. Для оптимизации аэродинамических характеристик Н. в. на режимах полёта вперёд и висения разработаны проекты винтов изменяемого диаметра (с телескопическими лопастями и с гибкими лопастями ленточного типа). В проектах комбинированных вертолётов рассматриваются конструкции останавливаемых в полёте Н. в. двух типов: преобразуемых в крыло или складываемых в нишу фюзеляжа.

Для уменьшения габаритов вертолёта на стоянке или при базировании в ангарах и на авианесущих кораблях применяются складываемые Н. в. Складывание осуществляется вручную или автоматически. С целью снижения уровня вибраций, передаваемых от Н. в. на фюзеляж, устанавливаются маятниковые виброгасители на втулке или лопастях. Для защиты от обледенения лопасти Н. в. оборудуются противообледенительными системами.

В основе теорий Н. в. лежит расчёт поля скоростей возмущающего течения, выполняемый обычно в предположении отсутствия вязкости и сжимаемости воздуха с привлечением вихревых или струйных моделей. При этом исследуются либо индивидуальное воздействие на воздух каждой из лопастей (лопастная модель), либо их осреднённое воздействие (дисковая модель). В обоих случаях чаще используется предложенная Н. Е. Жуковским вихревая теория винта.

В лопастной вихревой модели лопасти Н. в. обычно рассматривают как бесконечно тонкие несущие поверхности, а действующие на лопасть аэродинамические силы определяют на основе Жуковского теоремы заменой несущей поверхности слоем дискретных вихрей присоединённых. Изменение интенсивностей присоединённых вихрей во времени и в пространстве приводит к образованию вихрей свободных, движущихся в потоке со скоростями частиц среды. Эти вихри сначала движутся по несущей поверхности, а затем сходят с задней кромки лопасти и образуют вихревую пелену, форма которой существенно зависит от скорости набегающего на Н. в. потока. Изменения интенсивности присоединённых вихрей по лопасти и во времени подбираются из условия, чтобы индуцируемое всеми образовавшимися к данному моменту вихрями поле скоростей удовлетворяло условиям обтекания лопасти.

Численная реализация процесса построения системы вихрей и определения поля скоростей обычно ведётся аппроксимацией непрерывных слоев вихрей на лопасти и в пелене системой дискретных прямолинейных вихревых отрезков. Часто лопасть изображают всего лишь одним вихрем (схема несущей линии). Вихревой нитью обычно описывают и сходящую с концевого участка лопасти часть пелены, которая быстро сворачивается в вихревой жгут (концевой вихрь).

В нелинейной теории Н. в. для построения системы свободных вихрей прослеживают траектории узловых точек — концов прямолинейных отрезков сетки, аппроксимирующей вихревую пелену, считая, что в течение короткого промежутка времени (шага интегрирования по времени) каждая такая точка движется со скоростью, индуцируемой всеми вихрями, имеющимися к данному моменту в потоке. При этом длины и направления прямолинейных вихревых отрезков сетки изменяются, но интенсивность вихрей сохраняется. В линеаризованной теории Н. в. указанные узловые точки смещают с некоторой постоянной скоростью, приближённо аппроксимирующей всё поле возмущающих скоростей. Система свободных вихрей имеет в линейном приближении вид скошенных винтовых поверхностей. На обтекание лопастей существенно влияют концевые вихри, которые, вновь приближаясь к лопастям, вызывают резкие изменения аэродинамических сил. Вязкость и сжимаемость среды обычно учитывают путём обобщения и переноса на элемент лопасти экспериментальных зависимостей, получаемых в испытаниях стационарных и колеблющихся крыльев в аэродинамических трубах.

В линейной дисковой вихревой модели Н. в. система свободных вихрей непрерывно заполняет скошенный цилиндр, идущий от диска винта вниз по потоку. В предельном случае осевого потока (например, в режиме висения вертолёта) косой вихревой цилиндр обращается в прямой, рассматривавшийся в вихревой теории винта Жуковского. В важном для приложений другом предельном случае, когда диск винта имеет нулевой угол атаки, косой вихревой цилиндр вырождается в плоскую вихревую пелену, подобную пелене за крылом круглой формы в плане. Поле скоростей косого вихревого цилиндра удалось найти аналитически. В частности, зависимость между средними по окружности заданного радиуса циркуляцией скорости и индуктивной скоростью аналогична получаемой из теории Жуковского. При переходе к средним по диску величинам результаты дисковой вихревой теории совпадают с результатами, получаемыми в теории, использующей схему одномерного струйного течения. При этом обосновывается полученное нестрогим путём Г. Глауэртом соотношение между постоянной по диску индуктивной скоростью v и тягой винта T:

,
где V_n и V_τ — нормальная и касательная к плоскости диска составляющие скорости набегающего потока, R — радиус Н. в., ρ — плотность воздуха.

Литература:
Пейн П. Р., Динамика и аэродинамика вертолёта, М., 1963;
Теория несущего винта, М., 1973;
Вильдгрубе Л. С., Вертолёты. Расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно-технических данных, М., 1977.

В. Э. Баскин, В. П. Нефёдов.

Рис. 2. Схемы основных сил и углов лопасти шарнирного несущего винта.