Силы, действующие на лопасть в плоскости вращения

На лопасть в плоскости вращения НВ действуют силы:

- Сила сопротивления лопасти Хл_, которая зависит от Wэф и от зоны обратного обтекания. Величина Хл зависит от азимутального положения лопасти. В азимуте 90^о Хл >> Хл, чем в азимуте 270^о, т.к. из формулы сопротивления лопасти Хл ₌ Сл pWэф² _Sл зависит от квадрата скорости. ²

- Центробежная сила.Fцб. Она возникает при вращении НВ и не зависит от азимутального положения лопасти, т.к. центр масс лопасти не меняется, а обороты НВ = const.

- Сила Кориолиса.Fк. Она возникает из закона сохранения количества движения при вращении, откуда мы выделяем, что произведение окружной скорости на радиус есть величина постоянная (часть закона для простоты объяснения). Отсюда заключаем, что при изменении радиуса вращения изменяется окружная скорость. Эти изменения происходят из-за Кориолисовых сил.

В плоскости вращения НВ Кориолисовы силы возникают при наличии маховых движений. При взмахе относительно ГШ изменяется расстояние от центра масс лопасти до оси вращения (R), изменяется скорость вращения R = const или, иначе говоря, возникает сила, движущая лопасть в плоскости вращения. При взмахе вверх радиус вращения центра масс относительно оси вращения уменьшается, возникает сила, движущая лопасть по оси вращения. (возрастает окружная скорость ). При взмахе вниз радиус центра масс увеличивается, возникает сила, направленная в противоположенную сторону от направления вращения (окружная скорость уменьшается).

Таким образом, от азимута 340^о до азимута 160^о сила Кориолиса направлена по вращению лопасти, и Fк max = 90^o. При взмахе вниз ( 160^о – 340^о ) возникает сдерживающая сила. Из-за возникновения Fк и Хл лопасть испытывает сильные изгибающие моменты в плоскости вращения по азимутам в заделке лопасти. Fк является также знакопеременной нагрузкой относительно крепления лопасти. В =270^о Fк и Хл направлены в одну сторону и вызывают большой изгибающий момент в комле лопасти. Поэтому назрела необходимость применения вертикального шарнира (ВШ), который сразу ликвидировал все недостатки.

Однако в работе лопасть не крутится относительно ВШ, а занимает определенное положение и находится в относительном равновесии. При вращении лопасти возникают Хл, Fк, и Fцб, которые дают моменты этих сил. Алгебраическая сумма всех моментов лопасти равна нулю – это есть условие равновесия лопасти относительно ВШ. Так как Fк и Хл зависят от азимутального положения лопасти, то и угол отставания лопасти (кси) тоже зависит от азимута. Отсюда делаем вывод – угол отставания лопасти есть результат угла взмаха (возникновение Fк от взмаха лопасти). Угол отставания и угол взмаха находятся в прямой зависимости друг от друга. Увеличивается угол взмаха – увеличивается угол отставания и наоборот. При косом обтекании при взмахе вверх появляется угол отставания. Поэтому передняя кромка несущего элемента лопасти оказывается выше задней в плоскости вращения.

Возникает дополнительный установочный угол, увеличивается сила взмаха, увеличивается качание лопасти, что ведет к потере устойчивости маховых колебаний, от чего наступает разрушение НВ.

Методы борьбы с потерей устойчивости маховых колебаний лопасти:

1. Компенсатор взмаха лопасти.
2. Поворот оси ГШ.
3. Замена местами ГШ и ВШ (применим лишь на легких вертолетах из-за увеличения опрокидывающего момента от разноса ГШ).
4. Демпфирование качательных процессов.