Відцентровий вентилятор - пристрій механічного типу, який здатний працювати з повітряними або газовими потоками, що мають низький рівень збільшення тиску. Крильчатка, що крутиться, забезпечує рух повітряних мас. Система роботи полягає в тому, що кінетична енергія збільшує тиск потоку, який і протидіє всім повітроводам і заслінкам.

Відцентровий вентилятор набагато потужніший за осьовий, при цьому має економні витрати електроенергії.

Даний пристрій дозволяє змінити напрямок повітряної маси з ухилом 90 градусів. При цьому під час роботи вентилятори не створюють багато шуму, а за рахунок своєї надійності їхній діапазон робочих умов досить широкий.

Деякі особливості

Хотілося б звернути увагу, що принцип дії відцентрового вентилятора побудований таким чином, що він коливає постійний об'єм повітря, а не масу, що дозволяє фіксувати швидкість витрати повітря. Крім того, такі моделі набагато економічніші, ніж осьові аналоги, а конструкцію при цьому мають простіше.

Схема елементів відцентрового вентилятора: 1 – маточина, 2 – основний диск, 3 – робочі лопатки, 4 – передній диск, 5 – лопатеві грати, 6 – корпус, 7 – шків, 8 – підшипники, 9 – станина, 10, 11 – фланці .

Автопромисловість використовує дані вентилятори, щоб охолоджувати двигуни внутрішнього згоряння, які «в користування» віддають свою енергію такому апарату. Також цей вентиляційний пристрій застосовується для переміщення газових сумішей та матеріалів у вентиляційних системах.

Можуть використовуватися як одна із складових систем опалення або охолодження. Така техніка застосовна і з метою очищення та фільтрації промислових систем.

Для забезпечення потрібного рівня тиску та витрати зазвичай використовується ціла серія вентиляторів. Звичайно, відцентрові моделі мають більш високу потужність, але при цьому залишаються економічними (загалом 12% витрат від електрики).

Влаштування відцентрового вентилятора складається з крильчатки, яка оснащена декількома шеренгами лопатей (ребер). У центрі розташований вал, що проходить крізь весь корпус.Повітряні маси потрапляють з краю, де знаходяться лопаті, далі за рахунок конструкції відбувається їхній поворот на 90 градусів, а потім завдяки відцентровій силі вони розганяються ще більше.

Повернутись до змісту

Типи приводних механізмів

Багато в чому на роботу вентилятора, а саме обертання лопатей, впливає тип приводу. На сьогоднішній день їх 3:

1. Прямий. У разі крильчатка безпосередньо з'єднана з валом двигуна. Від швидкості обертання двигуна залежатиме і швидкість лопатей. Як недолік цієї моделі виділяють такі: якщо двигун не має регулювання своєї швидкості, то і вентилятор працюватиме в одному режимі. Але якщо врахувати, що холодне повітря має вищу щільність, то кондиціювання буде саме собою відбуватися швидше.
2. Ремінний. У цьому типі пристрою є шківи, ​​які розташовані на валу двигуна та крильчатки. Співвідношення діаметрів шківів обох елементів впливають на швидкість роботи лопатей.
3. Регульований. Тут регулювання швидкості відбувається з допомогою наявності гідравлічної чи магнітної муфти. Її розташування - між валів двигуна і імпелера. Щоб простішим було здійснити цей процес, такі відцентрові вентилятори мають автоматизовані системи.

Повернутись до змісту

Складові відцентрового вентилятора

Схема робочих коліс відцентрових вентиляторів: а - барабанна, б - кільцева, в, г - з конічними дисками, що покривають, д - однодискові, е - бездискові.

Як і будь-яка інша техніка, вентилятор справно працюватиме лише за відповідних елементів конструкції.

1. Підшипники. Найчастіше цей тип пристрою має маслонаповнені підшипники роликового типу ковзання. Окремі моделі можуть мати водяну систему охолодження, яка найчастіше застосовується в роботі з гарячими газами, що запобігає перегріву підшипників.
2. Лопаті та заслінки. Основна функція заслінок - управління газовими потоками при вході та виході. Окремі моделі відцентрових ексгаустерів можуть мати їх з обох боків або тільки з одного входу або виходу. «Вхідні» заслінки керують кількістю газу або повітря, що надходить, а «вихідні» опираються повітряному потоку, який керує газом. Заслінки, що розташовані на вході лопат, сприяють зменшенню споживання електроенергії.

Самі плиці знаходяться на втулці колеса доцентрового вентилятора. Є три стандартні розташування лопатей:

• лопаті загнуті вперед;
• лопаті загнуті назад;
• лопаті прямі.

У першому варіанті лопаті мають леза з напрямком руху колеса. Такі вентилятори не люблять твердих домішок в ерліфтних потоках. Основне їхнє призначення — великий потік із низьким тиском.

Другий варіант оснащений викривленими лезами проти руху колеса. Таким чином досягається аеродинамічний швелер та відносна економічність конструкції. Такий спосіб застосовується у роботі з потоками газової консистенції низького та помірного рівня насичення жорсткими компонентами. Як доповнення мають покриття від пошкоджень. Дуже зручно, що такий відцентровий вентилятор має широкий діапазон регулювань швидкостей. Вони набагато ефективніші за моделі з лопатями, вигнутими вперед або прямими, хоча останні й коштують дешевше.

Третій варіант має лопаті, які розширюються одразу від втулки. Такі моделі мають мінімальну чутливість до осідання твердих частинок на лопатях вентилятора, але при цьому багато шуму під час експлуатації. Також вони мають швидкий темп роботи, низькі обсяги та високий рівень тиску. Часто використовують із метою аспірації, в пневматичних системах для транспортування матеріалів та інших схожих роботах.

Повернутись до змісту

Типи відцентрових вентиляторів

Є певні стандарти, за якими виготовляється ця техніка. Слід виділити такі типи:

1. 1. Аеродинамічний крило. Такі моделі мають широке застосування у сфері безперервних робіт, де постійно присутні високі температури, найчастіше це нагнітальні та витяжні системи. Маючи високий показник продуктивності, вони безшумні.
   2. Назад загнуті лопаті. Мають високу ефективність. Конструкція цих вентиляторів перешкоджає накопиченню пилу та дрібних частинок на лопатях. Має досить міцну конструкцію, що дозволяє використовувати їх для областей з високим пригніченням.
   3. Ребра, зігнуті у зворотний бік. Розраховані для великої кубатури повітряних мас із відносно низьким рівнем тиску.
   4. Радіальні лопаті. Досить міцні, можуть забезпечити високий тиск, але із середнім рівнем ефективності. Напрямні ротора мають спеціальне покриття, яке захищає їхню відмінність від ерозії. Крім того, такі моделі мають компактні габарити.
   5. Ребра загнуті вперед. Призначені для тих випадків, коли має працювати з великими обсягами повітряних мас і спостерігається високий тиск. Ці моделі теж мають відмінну стійкість до ерозії. На відміну від моделей заднього типу такі агрегати мають менші розміри. Такий вид крильчатки має найбільшу витрату обсягу.
   6. Гребне колесо. Цей пристрій є відкритим колесом без будь-якого корпусу або кожуха. Застосовний для приміщень, де присутня велика запиленість, але при цьому, на жаль, такі пристрої не мають високої ефективності. Допустиме використання при високих температурах.

Типи вітрогенераторів

Вітряки можна розрізняти за:
- Кількість лопатей;
- Тип матеріалів лопатей;
- вертикальному або горизонтальному розташуванню осі установки;
- Кроковий варіант лопатей.

За конструкцією вітрогенератори діляться за кількістю лопатей, одно, дволопатеві, трилопатеві і багатолопатеві. Наявність великої кількості лопатей дозволяє крутити їх дуже малому вітру. Конструкцію лопат можна розділити на жорстку і вітрильну. Вітрильні вітряки дешевші за інші, але потребують частого ремонту.

Один із видів вітрогенераторів — горизонтальний.

Вітрогенератори вертикального виконання починають обертатися при малому вітрі. Їм не потрібен флюгер. Однак за потужністю вони поступаються вітрякам із горизонтальною віссю. Крок лопатей вітрогенераторів може бути фіксованим або змінним. Крок лопатей, що змінюється, дає можливість збільшувати швидкість обертання. Ці вітряки дорожчі. Конструкції вітряка з фіксованим кроком надійні та прості.

Вертикальний генератор

Ці вітряки є менш витратними в обслуговуванні, тому що встановлюються на невеликій висоті. Також вони мають менше рухомих частин, легше у ремонті та виробництві. Такий варіант установки неважко зробити своїми руками.

Вітрогенератор вертикального виконання

З оптимальними лопатями та своєрідним ротором дає високий ККД і не залежить від напрямку вітру. Вітрогенератори вертикальної конструкції безшумні. Вертикальний вітрогенератор має кілька типів виконання.

Ортогональні вітрогенератори

Ортогональний вітрогенератор

Такі вітряки мають кілька паралельних лопат, які встановлюються на відстані від вертикальної осі. На роботу ортогональних вітряків не впливає напрямок вітру. Встановлюються вони на рівні землі, що полегшує монтаж та експлуатацію установки.

Вітрогенератори на основі ротора Савоніуса

Лопаті цієї установки є особливими напівциліндрами, які створюють високий крутний момент. З недоліків цих вітряків можна виділити велику матеріаломісткість і високу ефективність. Для отримання високого моменту, що крутить, з ротором Савоніуса встановлюють ще ротор Дар'ї.

Вітряки з ротором Дар'ї

Поряд із ротором Дар'ї ці установки мають ряд пар лопатей з оригінальною конструкцією для покращення аеродинаміки. Перевагою цих установок є можливість їхнього монтажу на рівні землі.

Гелікоїдні вітрогенератори.

Вони є модифікацією ортогональних роторів з особливою конфігурацією лопатей, що дає рівномірне обертання ротора. За рахунок зниження навантаження на елементи ротора термін їхньої служби збільшується.

Вітрогенератори на основі ротора Дар'ї

Багатолопатеві вітрові установки

Багатолопатеві вітрові генератори

Вітряки такого типу є зміненим варіантом ортогональних роторів. Лопаті на цих установках встановлюються у кілька рядів. Спрямовує вітровий потік на лопаті перший ряд нерухомих лопатей.

Вітрильний вітрогенератор

Основна перевага такої установки - це здатність працювати при невеликому вітрі від 0,5 м/с. Вітрильний вітрогенератор встановлюється в будь-якому місці, на будь-якій висоті.

Вітрильний вітрогенератор

З переваг можна виділити: невелику швидкість вітру, швидку реакцію на вітер, легкість конструкції, доступність матеріалу, ремонтопридатність, можливість виготовити вітряк своїми руками. Недолік – це можливість поломки за сильного вітру.

Вітрогенератор горизонтальний

Вітрогенератор горизонтальний

Ці установки можуть мати різну кількість лопатей. Для роботи вітрогенератора важливо вибрати правильний напрямок вітру. Ефективність роботи установки досягається невеликим кутом атаки лопатей та можливості їх регулювання. У таких вітрогенераторів невеликі габарити та вага.

Доводиться, спираючись на експериментальні результати або уривчасті відомості, почерпнуті з різних джерел. Розглянемо важливе питання, що виникає при створенні вітряка - влаштування лопатей.

Як працює простий вітрогенератор?

Існує два типи вітрогенераторів:

• горизонтальні
• вертикальні

Різниця полягає в розташуванні осі обертання. Найбільш продуктивними вважаються, що нагадує своїми формами літак з пропелером. Гвинт - це крильчатка вітряка, хвіст - пристрій наведення на потік вітру, що автоматично розвертає вісь у напрямку руху повітря.

При дії вітру на крильчатку виникає крутний момент, що передається на вісь генератора. У його обмотках збуджується електрострум, який заряджає. Вони, у свою чергу, віддають заряд на інвертор, що змінює параметри струму і видає стандартні напруги 220 В 50 Гц на споживаючі прилади.

Існують простіші комплекси, де з генератора запитуються відразу споживачі, але така система ніяк не захищена від стрибків або зникнення напруги. Варіант використовується лише для освітлення чи приводу насосів, що качають воду.

Яка форма лопаті є оптимальною?

Основний елемент горизонтального вітряка - крильчатка. Вона найбільше нагадує пропелер, хоч виконує абсолютно протилежні функції. приймають він енергію повітряного потоку, переробляючи її у обертальний рух. Від їхньої конфігурації безпосередньо залежить ефективність роботи крильчатки і всього комплекту в цілому.

Горизонтальні пристрої мають крильчатки, забезпечені великою кількістю лопатей. Зазвичай їх більше 3. У цьому питанні існує залежність кількості лопат від продуктивності. Справа в тому, що зі зростанням числа площин, що приймають, падає потужність крильчатки, а зі зменшенням - чутливість. Тому обирають "золоту середину", приймаючи середню кількість лопатей.

Важливо!Велика кількість лопатей збільшує фронтальне навантаження на пристрій, створюючи зусилля, що перекидає, на підставі щогли і сильний осьовий тиск на крильчатку, що руйнує підшипники генератора.

На практиці створено велику кількість різних пристроїв, що мають форму крильчатки від простих секторів кола, трохи розгорнутих по радіусній осі, до складних варіантів із ретельно прорахованою аеродинамікою, випробуваних у різних умовах. Результати випробувань показали, що оптимальною формою є модель, наближена до пропелера. Така лопать трохи розширюється від центру (обтікача) крильчатки і плавно звужується до кінця.

Перевагою цього виду є рівномірний розподіл навантажень на опорний підшипник, поверхню лопаті та всю систему вітряка загалом. Потік вітру впливає на всі ділянки з однаковою силою, але якщо розширити лопату до кінця, то вийде досить довгий важіль, що перевантажує підшипник і лопаті, що виламує. Звідси виникла така форма, яка з невеликими змінами використовується практично на всіх вітряках.

Вибір виду

Варіантів чи видів лопатей для горизонтальних вітряків існує небагато. Причина цього криється в самій конструкції крильчатки - створювати складні форми або конфігурації там просто ніде. Тим не менш, розробки найбільш вдалого варіанта ведуться постійно, на сьогодні можна виділити кілька видів:

• твердолопастні крильчатки

Тверді лопаті виготовляються з різних матеріалів відразу у певній формі, вітрильні мають зовсім іншу конструкцію. Основою є рамка, на яку натягується щільне полотно таким чином, щоб одна зі сторін не була прикріплена до рамки. Виходить лопать трикутної форми з однією стороною (від центру до однієї з вершин), не закріпленої до основи.

Потік вітру створює тиск на вітрило і надає йому оптимальної форми для сходу з площини, внаслідок чого колесо починає обертатися. Варіант має перевагу в масі та вазі колеса, але потребує постійного спостереження за станом тканини та крильчатки загалом.

Для самостійного виготовлення зазвичай використовують матеріали підручні. Враховуючи складний профіль лопат, хорошим варіантом стає використання листового металу або пластикових труб.

Розрахунок лопатей

На практиці мало хто обчислює параметри лопатей, оскільки для цього треба мати спеціальну підготовку і розташовувати дані. Більшість значень, необхідних для розрахунків, потрібно спочатку знайти, деякі з них взагалі будуть відомі тільки після запуску вітряка. З іншого боку, більшість видів досі немає математичної моделі обертання, що робить розрахунки марними.

Найчастіше проводиться підбір діаметра крильчатки за необхідною потужністю, що виконується за таблицею:

Як варіант, можна використовувати онлайн-калькулятор, Що дозволяє отримати готовий результат за секунди, треба лише підставити в віконця програми власні дані.

Необхідно враховувати, що розрахунки такого пристрою, як крильчатка, не матимуть достатньої точності через велику кількість тонких ефектів і невідомих величин, тому найчастіше вдаються до експериментального підбору форми та розміру.

Матеріал для виготовлення

Перш ніж розпочати роботи зі створення крильчатки, Треба визначитися з матеріалом. Вибір робиться з того, що є в наявності, або матеріалів, більш знайомих користувачу і доступних для обробки. Вимоги до матеріалу для виготовлення лопат:

• міцність
• мала вага
• легкість обробки
• можливість надання потрібної форми або наявність її у заготівлі
• доступність

З усіх можливих варіантів досвідченим шляхом було виділено кілька найбільш вдалих. Розглянемо їх докладніше.

Труби ПВХ

Використання каналізаційних труб ПВХ великого діаметрудозволяє швидко та недорого отримати цілком якісні лопаті. Пластик не боїться дії вологи, легко обробляється. Найціннішою якістю є наявність у заготівлі форми рівного жолоба, залишається лише правильно відрізати все зайве.

Простота виготовлення та дешевизна матеріалу у поєднанні з експлуатаційними якостями пластику зробили труби ПВХ найходовішим матеріалом при виготовленні саморобних вітряків. До недоліків матеріалу можна віднести його крихкість за низьких температур.

Алюміній

Лопаті з алюмінію довговічні, міцні і не бояться жодних зовнішніх впливів. При цьому вони важчі, ніж пластикові і вимагають ретельного балансування колеса. Крім того, робота з металом, навіть таким податливим, як алюміній, вимагає наявності навичок та відповідного інструменту.

Ускладнює роботу та форма матеріалу - найчастіше використовується листовий алюміній, тому мало виготовити лопаті, треба надати їм відповідного профілю, для чого доведеться зробити спеціальний шаблон. Як варіант, можна спочатку вигнути лист по оправці, потім приступити до розмітки та різання деталей. Загалом, матеріал стійкіший до навантажень, не боїться температурних чи погодних впливів.

Скловолокно

Такий вибір – для фахівців. Робота зі скловолокном складна, вимагає навичок та знання безлічі тонкощів. Порядок створення лопаті включає кілька операцій:

• виготовлення дерев'яного шаблону, покриття його поверхні воском, мастикою або іншим матеріалом, що відштовхує клей
• виготовлення однієї половини лопаті. На поверхню шаблону наноситься шар епоксидки, який тут же укладається стеклоткань. Потім знову наноситься епоксидка (не чекаючи на засихання попереднього шару) і знову склотканину. Таким чином, створюється одна половина лопаті потрібної товщини.
• подібним чином виготовляється друга половина лопаті
• після застигання клею половинки з'єднуються за допомогою епоксидки. Стики зашліфовуються, в торець вставляється втулка для приєднання до маточини

Технологія складна, вимагає часу та вміння працювати з матеріалами. Крім того, епоксидна смола має неприємну властивість закипати у великих обсягах, що створює постійну загрозу зіпсувати всю роботу. Тому вибирати склотканину слід лише досвідченим та підготовленим користувачам.

Деревина

Робота з деревом досить добре знайома більшості користувачів, але створення лопатей - завдання досить складна. Мало того, що форма виробу сама по собі непроста, так ще й потрібно виготовити кілька однакових зразків, що не відрізняються один від одного.

Вирішення такої задачі під силу далеко не всім. Крім того, готові вироби треба якісно захистити від дії вологи, просочити оліфою або олією, пофарбувати і т.д.

Деревина має масу негативних якостей- вона схильна до жолоблення, розтріскування, гниття. Вбирає і легко віддає вологу, що змінює масу та баланс крильчатки. Всі ці властивості роблять матеріал не найкращим варіантом вибору для домашнього майстра, оскільки зайві ускладнення нікому не потрібні.

Створення лопатей поетапно

Розглянемо найпоширеніший варіант виготовлення лопатей. Як матеріал використовується труба ПВХ діаметром порядку 110-160 мм:

• відрізаються шматки труби по довжині лопатей
• вздовж відрізка наноситься лінія, від якої обидві сторони відмірюються 22 мм. Вийде 44 мм - ширина однієї лопаті
• з протилежного торця робиться те саме
• крайні точки з одного боку центральної лінії з'єднуються прямою. З другого боку наноситься малюнок форми лопаті.
• вирізається лопата, вільний кінець акуратно закруглюється, кромки обробляються наждачним папером або напилком
• лопаті приєднуються до маточини

Форма лопатей має таку будову:

• торцеві частини однакові по ширині – 44 мм
• посередині ширина лопаті становить 55 мм.
• на відстані 0,15 довжини ширина лопаті становить 88 мм

Винахід відноситься до авіаційної техніки, а саме до проектування та льотних випробувань повітряних гвинтів, встановлених на літальних апаратах (ЛА). Спосіб включає нерівномірне розташування лопатей по диску, що встановлюються попарно зі збереженням симетрії щодо ортогональних осей гвинта, комбінування типів гвинтів з парним числом лопатей від чотирьох і більше, визначення математичної моделі розрахунку гармонічних складових векторів змінних навантажень для кожної лопаті в залежності сусідніх пар лопатей 1 , підсумовування векторів навантажень від кожної лопаті на втулці гвинта по трьох осях OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 системи координат, що обертається з початком в центрі втулки гвинта ЛА, потім проектування отриманих векторів навантажень на нерухомі осі координат ЛА О н і O н Z н, виконання гармонічного аналізу проекцій векторів навантажень на поздовжню О н Х н і поперечну O н Z н осі координат, побудова залежності амплітуд цих гармонійних складових від кутів 1 та вибір з них значень розрахункових кутів, що відповідають мінімальному рівню гармонік змінних навантажень . Досягається збільшення ресурсу конструкції ЛА за умовами міцності втоми шляхом зниження навантажень і вібрацій. 1 з.п. ф-ли, 4 іл.

Малюнки до патенту РФ 2385262

Винахід відноситься до авіаційної техніки, а саме до проектування та льотних випробувань повітряних гвинтів, що встановлюються на літальних апаратах (ЛА), переважно на гелікоптерах, літаках та автожирах, і може бути використане для збільшення ресурсу конструкції ЛА за умов втомної міцності (валів несучих, кермових) , гвинтів, що тягнуть і штовхають, головних, рульових і проміжних редукторів, підредукторних рам, фюзеляжів, хвостових і кільових балок).

Рівень техніки

Відомо, що сили і моменти, що створюються кожною з лопатей повітряного гвинта, обумовлюються аеродинамічними навантаженнями інерційними силами і моментами, що виникають при її коливаннях. Навантаження з лопат передаються на втулку гвинта і складаються на ній за певними правилами, а потім, трансформуючись за іншими правилами, передаються на фюзеляж (Михєєв Р.А. Міцність вертольотів. М.: Машинобудування, 1984. с.30).

Для полегшення розуміння подальшого викладу сутності винаходу розглянемо спочатку процес складання та трансформації гармонік на класичному гвинті, тобто. на гвинті з рівномірним розташуванням лопатей по диску (Михєєв Р.А. Міцність гелікоптерів. М: Машинобудування, 1984. с.30). При виведенні правил підсумовування зазвичай приймається, що лопаті ідентичні за своїми аеродинамічними, масовими і жорсткими характеристиками. При цьому закони зміни навантажень на окремих лопатях відрізнятимуться один від одного тільки зрушенням за часом (фазою). Амплітуди будь-якої із складових гармонік для всіх лопатей будуть однаковими. Для того щоб знайти рівнодіючу сил на втулці, зручно розглянути підсумовування однойменних гармонік навантажень, створюваних на кожній з лопатей. При цьому необхідно врахувати напрямок дії навантажень на різних лопатях. Навантаження, що приходить з кожної лопаті, що має номер i, можна розкласти за трьома напрямками: у напрямку осі гвинта - це вектори тяги і моменту, що крутить, а два інших розташовані в площині обертання перпендикулярно осі горизонтального шарніра і паралельно їй (перпендикулярно осі лопаті). Вектори і від різних лопат паралельні один одному, а вектори і сусідніх лопат повернені відносно один одного на кут де K л - число лопатей гвинта.

Для гармонік навантажень, вектори яких паралельні осі обертання гвинта, застосовується перше правило підсумовування (Михєєв Р.А. Міцність вертольотів. М: Машинобудування, 1984, с.30). Відповідно до цього правила гармоніки з номерами та кратними числу лопатей:

і амплітудами навантажень A n різних лопат складаються і дають на втулці рівнодіючу, що має амплітуду і ту саму частоту. Вони без зміни амплітуд та частот гармонійних складових сил передаються на фюзеляж. Такі гармоніки називають прохідними. Гармоніки з номерами, некратними числу лопатей, тобто. що не задовольняють умові (1) ні при якому цілому m і на втулці взаємно врівноважуються і не передаються на фюзеляж. Ці гармоніки називаються непрохідними.

Для гармонік сил на втулці, що знаходяться в площині обертання гвинта і повернутих відносно один одного на кут, рівний куту між лопатями, застосовується друге правило підсумовування (Михєєв Р.А. Міцність гелікоптерів. М.: Машинобудування, 1984. с.37).

Відповідно до цього правила прохідними є гармоніки з номерами, що на одиницю відрізняються від номерів, кратних числу лопатей:

та перша гармоніка, яка відповідає значенню m=0. Амплітуда цього навантаження дорівнює амплітуді гармоніки однієї лопаті, помноженої на половину числа лопатей. Це правило справедливе для гвинтів з числом лопат Кл 3.

При передачі цих гармонік в систему координат, що не обертається, O н X н Z н гармоніки з номерами mК л ±1 трансформуються в лопатеві гармоніки

Однак ці правила відносяться до класичних гвинтів, тобто. до таких гвинтів, у яких лопаті розташовані по диску рівномірно, що не дозволяє конструктору при проектуванні повітряних гвинтів керувати навантаженнями та вібраціями, що передаються з гвинтів на конструкцію.

Відомі кермові гвинти Х-подібного типу (схема «ножиці»), встановлені на вертольотах АН-64А «Апач» (США), Мі-28 та Мі-38 (Росія).

В описі вертольота «Апач», складеному за матеріалами відкритого іноземного друку (Бойовий вертоліт Макдоннел-Дуглас АН-64А «Апач» (за матеріалами відкритого іноземного друку). нерівномірне розташування між парами лопатей (гострий кут Х=55°) призвело до зменшення рівня четвертої гармоніки складової шуму.

У роботі (Різдвяний М.Г., Самохін В.Ф. Аеродинамічні та акустичні особливості гвинта схеми «ножиці». Аеродинаміка. Стаття в Працях шостого Форуму РосВО, 2004. с.I-103 I-117) показано, що компонування гвинта схеми «ножиці» має переваги в порівнянні з характеристиками гвинта з ортогональним розташуванням лопат: збільшення тяги досягає 7%, а максимальне збільшення коефіцієнта корисної дії становить 10%.

Рульовий гвинт типу "фенестрон" з десятьма лопатями, нерівномірно розташованими по диску, реалізований на вертольотах ЄС130 та ЄС135 фірми Eurocopter (Журнал "Вертолітна індустрія", грудень 2007, с.25). За даними фірми на гелікоптері з гвинтом, виконаним за такою концепцією, вдалося суттєво знизити рівень шуму, потрібну потужність та підвищити аеродинамічна якість.

Відомий патент РФ № 1826421 Перетворюваний несучий гвинт переважно комбінованого ЛА, що містить втулку гвинта, чотири лопаті з симетричним профілем, встановлені під кутом 90° для польоту вертолітним, а для літакового режиму гвинт у плані стає Х-подібним. У літаковому режимі консолі встановлюються з меншим кутом стріловидності по відношенню до потоку, що набігає (кут стріловидності Х=30°), що дозволяє поліпшити несучі властивості системи «несучий гвинт-крило».

Однак у патенті питання зниження рівнів навантажень і вібрацій, що діють на конструкцію комбінованого ЛА, не розглядалися.

Технічний результат, на досягнення якого спрямовано винахід, полягає у збільшенні ресурсу конструкції ЛА за умов міцності втоми шляхом зниження навантажень і вібрацій.

Для досягнення названого технічного результату в запропонованому способі, що включає нерівномірне розташування лопатей по диску, встановлених попарно, зі збереженням симетрії щодо ортогональних осей гвинта, згідно винаходу, комбінують типи гвинтів з парним числом лопатей від чотирьох і більше:

10 - лопатевий гвинт комбінують з двох Х-подібних і одного 2-хлопастного гвинтів.

Визначають математичну модель розрахунку гармонійних складових векторів змінних навантажень кожної лопаті залежно від кутів пар лопатей 1 . Підсумовують вектори навантажень від кожної лопаті на втулці гвинта за трьома осями OY 1 , OX 1 , OZ 1 , що обертається системи координат з початком в центрі втулки гвинта ЛА, потім проектують отримані вектори навантажень на нерухомі осі координат ЛА O н X н, і O н Z зв. Виконують гармонійний аналіз проекцій векторів навантажень на поздовжню O н X н і поперечну O н Z н осі координат, будують залежності амплітуд цих гармонійних складових від кутів 1 з них вибирають значення кутів, відповідних мінімального рівня гармонік змінних навантажень.

Для 10-лопатевого гвинта визначають аналітично методом послідовних наближень поєднання кутів 1 2 при яких навантаження і вібрації, що діють на конструкцію ЛА, рівні нулю, де 1 - кут між осями сусідніх пар лопатей, а 2 - кут між осями суміжних пар . Вибрані кути використовують при компонуванні гвинта.

Пропонований спосіб пояснюється такими фігурами:

На фіг.1 зображено схема багатолопатевого гвинта з нерівномірним розташуванням лопатей по диску, де

1 - осі координат, що обертаються, гвинта OX 1 і OZ 1 ;

2 – осі лопатей № 1, 2, К л;

3 – втулка гвинта;

4 - осі О н Х н і О н Z н в нерухомій системі координат O н Х н Z н;

5 - кути між сусідніми лопатями 1;

7 - вертикальна вісь координат О н Y н;

8 – азимутальне положення осі лопаті № 1.

На фіг.2 показані залежності амплітуд проекцій навантажень 10 на нерухомі осі координат від кутів 1 5 для четвертої та дванадцятої гармонік, де

9 - амплітуди проекцій векторів навантажень на вертикальну вісь координат O н Y н 7;

11 - амплітуди проекцій векторів навантажень на нерухомі осі координат 4: поздовжня О н Z н, поперечна O н Z н.

На фіг.3 наведені поєднання між кутами 1 і 2 , відповідні нульовому рівню амплітуди четвертої гармоніки, де

5 - кути між осями сусідніх лопатей 1;

6 - кути між осями суміжних лопатей 2;

12 - точка, що відповідає нульовій четвертій гармоніці, отримана розрахунком;

13 - інтерполяційний поліном, що відповідає нульовому рівню навантажень четвертої гармоніки.

16 – частота коливань, Гц.

Спосіб здійснюється наступним чином

У пропонованому способі, що включає нерівномірне розташування лопатей по диску, встановлених попарно зі збереженням симетрії щодо ортогональних осей гвинта, комбінують типи гвинтів з парним числом лопатей від чотирьох і більше:

4-лопатевий (Х-подібний) гвинт утворюють з двох пар лопатей;

6-лопатевий гвинт компонують з Х-подібного та дволопатевого гвинтів;

8-лопатеві гвинти формують: з двох 4-лопатевих класичних гвинтів; з Х-подібного та 4-лопатевого класичного гвинтів; з двох Х-подібних гвинтів;

10-лопатевий гвинт комбінують з двох Х-подібних і одного 2-хлопастного гвинтів.

Визначають математичну модель розрахунку гармонійних складових векторів змінних навантажень кожної лопаті залежно від кутів пар лопатей 1 . Підсумовують вектори навантажень від кожної лопаті на втулці гвинта по трьох осях OY 1 , OX 1 , OZ 1 системи координат, що обертається, з початком в центрі втулки гвинта ЛА, потім проектують отримані вектори навантажень на нерухомі осі координат ЛА O н X н і О н Z н . Виконують гармонійний аналіз проекцій векторів навантажень на поздовжню О н Х н і поперечну O н Z н осі координат, будують залежності амплітуд цих гармонійних складових від кутів 1 з них вибирають значення кутів, відповідних мінімального рівня гармонік змінних навантажень.

Для 10-лопатевого гвинта визначають аналітично методом послідовних наближень поєднання кутів 1 , 2 при яких навантаження і вібрації, що діють на конструкцію ЛА, рівні нулю, де 1 - кут між осями сусідніх пар лопатей, a 2 - кут між осями суміжних пар . Вибрані кути використовують при компонуванні гвинта.

Таким чином, отримані значення кутів 1 і 2 відповідні мінімальним і нульовим гармонійним складовим, дозволяють істотно знизити рівень навантажень і вібрацій, що діють на конструкцію ЛА.

Сутність винаходу пояснюється схемою багатолопатевого гвинта, наведеною на фіг.1. Лопаті нумеруються (наприклад, на гелікоптері) у міру проходження їх над хвостовою балкою (негативний напрямок осі O н X н 4 в нерухомій системі координат). При виборі осей координат ОХ 1 Z 1, що обертаються, вісь OX 1 1 направляється по осі лопаті № 1. Вісь OZ 1 1 повинна бути перпендикулярна осі OX 1 і випереджати її.

У нерухомій системі координат поздовжня вісь O н X н 4 спрямована вперед, а поперечна вісь O н Z н 4 - вправо для несучого гвинта і вгору для рульового гвинта.

Осі координат в обертовій OY 1 і в системах координат, що не обертається, O н Y н 7 направляються по осі обертання в напрямку тяги гвинта (ці осі збігаються).

Розглянемо зміну n-гармонію змінних навантажень для кожної лопаті i в залежності від азимутального положення 8 осі лопаті № 1 і кутів між лопатями 1 5 і 2 6 (позначимо останні два кути як j):

Знаходимо рівнодіючу сил гвинта , що приходять на втулку гвинта від кожної лопаті, для кожної гармонік n, кількість лопатей К л - довільне і парне:

В результаті складання однойменних гармонік виходять залежності рівнодіючих навантажень на періоді обертання гвинта при різних кутах між парами лопатей 15 і 26.

Шляхом аналітичних викладок і чисельних розрахунків можна показати, що прохідними гармоніками навантажень, вектори яких паралельні осі обертання гвинта, є ряд гармонік із парними номерами, тобто. n=2, 4, 6, ... N. Це правило автори винаходу назвали «третім правилом підсумовування гармонік». Максимальний номер парної гармоніки N встановлюється із досвіду льотних випробувань. Таким же способом можна довести, що всі непарні гармоніки навантажень, що розглядаються, є непрохідними.

Визначимо значення кутів j , у яких амплітуди гармонік будуть мінімальними. Для вирішення задачі мінімізації навантажень доцільно вважати, що лопаті гвинта ідентичні за своїми аеродинамічними, масовими і жорсткими характеристиками, а амплітуди різних гармонік на всіх лопатях дорівнюють одиничному навантаженню, тобто. .

За аналогією з (1) запишемо вирази для гармонік у площині OX 1 Z 1 кожної лопаті i на періоді обертання гвинта в залежності від азимутального положення осі лопаті № 1 з урахуванням кутів між осями пар лопатей j 5 і 6:

Проекції векторів навантажень на осі координат, що обертаються, будуть рівні і .

Початок координат (наприклад, для вертольота) розташуємо в центрі втулки гвинта. Азімут осі, що обертається OX 1 , тобто. 8, відраховуватимемо від негативного напрямку осі O н X н 4. Тоді проекції гармонік навантажень на нерухомі осі координат будуть рівні:

Розглянемо чотири варіанти виконання комбінованих гвинтів: 4-лопатевий, 6-лопатевий, 8-лопатевий (три варіанти) і 10-лопатевий. Кути між лопатями перших трьох гвинтах можна висловити з допомогою одного кута 1 5, але в 10-лопатевому гвинті - двома кутами: між сусідніми лопатями 1 5 і суміжними 2 6, тобто. наступними після сусідніх пар лопатей обертання і проти обертання гвинта, що наочно ілюструється на фіг.1.

Прирівнявши суму гармонійних складових (2) і (3) для кожної гармоніки нулю, знаходимо кути j , відповідні нульовим значенням амплітуд:

;

;

.

Виконаємо гармонійний аналіз функцій і при різних значеннях кутів j.

Авторами пропонованого винаходу проведено розрахунок залежностей амплітуд проекцій навантажень на три зазначені вище осі координат від кута 1 для 4-, 6- та 8-лопатевого гвинтів. При цьому розглянуті всі парні гармоніки в діапазоні n=2 32. Для 10-лопатевого гвинта розраховані поєднання сусідніх 1 і 2 суміжних кутів, при яких парні гармоніки в тому ж діапазоні номерів n=2 32 рівні нулю.

Результати розрахунків пояснюються графіками на фіг.2 та 3, на яких зображені:

фіг.2 - залежності амплітуд проекцій навантажень 10 на вертикальну АПрY н 9, поздовжню АПрX н 10 і поперечну AПрZ н 10 осі координат, 4-лопатевий гвинт, гармоніки чотири і дванадцять.

З наведених даних на фіг.2 слід, що максимальні значення амплітуд проекцій навантажень рівні: на вертикальну вісь - сумі сил окремих лопатей (у нашому випадку - числу лопатей гвинта), а амплітуди проекцій на поздовжню та поперечну осі дорівнюють половині числа лопатей. На графіках фіг.2 видно, що великі діапазони займають кути 1 при яких амплітуди навантажень менше, ніж на класичних гвинтах.

Поєднання кутів між сусідніми 5 і суміжними 6 лопатями на 10-лопатевому повітряному гвинті наведені на фіг.3 (четверта гармоніка). Видно, що залежності між кутами 1 та 2 мають еліпсоподібний характер. Крапки 12 на графіках отримані розрахунковим шляхом. При аналізі результатів розрахунку слід мати на увазі, що зазначені залежності являють собою криві 13, проведені за точками. Число поєднань кутів 1 і 2 є нескінченно великим і воно збільшується зі збільшенням номера гармоніки n. Таким чином, при проектуванні 10-лопатевого гвинта є великі можливості для зниження або обнулення цілої низки гармонійних складових змінних навантажень.

На фіг.4 наведено амплітудний спектр вібрацій 14 на шпангоуті № 2 кільової балки вертольота Мі-38 ОП-1, де

15 - амплітуди віброперевантажень (в одиницях g) на кільовій балці (КБ), шпангоут 2 (шп 2);

16 – частота коливань, Гц.

На гелікоптері Мі-38 встановлений 4-лопатевий Х-подібний кермовий гвинт з кутом між осями лопатей 1 = 38 °.

З наведеної залежності випливає підтвердження основних положень запропонованого винаходу. Так, в амплітудному спектрі віброперевантажень, що визначаються навантаженнями на Х-подібному рульовому гвинті, відзначається друга гармоніка, яка відсутня на класичному 4-лопатевому гвинті. Четверта гармоніка амплітудного спектра (фіг.4), яка є прохідною лопатевою на класичному гвинті, в даному випадку значна за величиною. Пропонованим авторами способом вона може бути знижена практично до нуля. Для цього необхідно, щоб кути між осями лопатей дорівнювали

Практичне значення запропонованого способу полягає в тому, що він дозволяє створювати повітряні гвинти, у яких будь-яка гармоніка або ціла низка гармонік навантажень і вібрацій, що передаються з повітряного гвинта на конструкцію літального апарата, може бути зменшена до нуля або мінімально зведена. Зокрема, у вертольотобудуванні актуальною є проблема забезпечення втомної міцності валів несучих та рульових гвинтів, головних, хвостових та проміжних редукторів, підредукторних рам, середніх та хвостових частин фюзеляжу, кільових (кінцевих) балок.

Використання винаходу дозволить зменшити рівень навантаженості та вібрацій у зазначених частинах конструкції та істотно підвищити їх ресурс за умовами втомної міцності.

Відомо (див. Богданов Ю.С. та ін. Конструкція гелікоптерів. М.: Машинобудування, 1990. с.70), що навіть невелика зміна амплітуди змінних навантажень (напруг 1, в яких амплітуди навантажень значно менше, ніж на класичних гвинтах. Тому має важливе значення як обнулення гармонік, а й їх зменшення проти навантаженнями на класичних гвинтах.

При льотних випробуваннях гелікоптерів Мі-28 і Мі-38, що мають Х-подібні кермові гвинти, виявлено, що в записах вібрацій, що передаються на хвостову частину фюзеляжу, відзначені парні гармоніки, починаючи з другої. Запропонований спосіб легко пояснює появу таких «незвичних» для фахівців гармонік. Тому запропонований винахід може бути використаний також при аналізі результатів льотних випробувань міцності вертольотів, літаків і автожирів з повітряними гвинтами, виконаними за запропонованою концепцією.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Спосіб зменшення навантажень і вібрацій на літальних апаратах, що мають багатолопатеві повітряні гвинти з парним числом лопатей, що включає тим, що комбінують типи вин , визначають математичну модель розрахунку гармонійних складових векторів змінних навантажень для кожної лопаті в залежності від кутів між осями сусідніх пар лопатей 1 , підсумовують вектори навантажень від кожної лопаті на втулці гвинта по трьох осях OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 системи, що обертається, з координат центрі втулки гвинта літального апарату, а потім проектують отримані вектори навантажень на нерухомі осі координат літального апарату О н Х н і O н Z н, виконують гармонійний аналіз проекцій векторів навантажень на поздовжню О н Х н і поперечну O н Z н осі координат, будують залежності амплітуд цих гармонійних складових від кутів 1 , з них вибирають значення розрахункових кутів, відповідні мінімальному рівню гармонік змінних навантажень, а для 10-лопатевого гвинта визначають аналітично методом послідовних наближень поєднання кутів 2 - кут між осями суміжних пар лопа апараті відповідно до обраних розрахункових кутів між осями пар лопатей.

2. Спосіб зменшення навантажень і вібрацій на літальному апараті, що мають багатолопатеві повітряні гвинти з парним числом лопатей за п.1, який відрізняється тим, що комбінують типи гвинтів з парним числом лопатей від чотирьох і більше таким чином: 4-лопатевий (Х-подібний) гвинт утворюють із двох пар лопатей; 6-лопатевий гвинт компонують з Х-подібного та дволопатевого гвинтів; 8-лопатеві гвинти формують з двох 4-лопатевих класичних гвинтів з Х-подібного і 4-лопатевого класичного гвинтів або з двох Х-подібних; 10-лопатевий гвинт комбінують з двох Х-подібних і одного 2-лопатевого гвинтів.

Останнім часом у світі гелікоптерної техніки відбулося кілька значних подій. Американська компанія Kaman Aerospace оголосила про намір відновити виробництво синхроптерів, Airbus Helicopters пообіцяла розробити перший цивільний гелікоптер з електродистанційним керуванням, а німецька e-volo – випробувати 18-роторний двомісний мультикоптер. Щоб не заплутатися у всій цій різноманітності, ми вирішили скласти короткий лікнеп за основними схемами вертолітної техніки.

Вперше ідея літального апарату з гвинтом, що несе, з'явилася близько 400 року нашої ери в Китаї, проте далі створення дитячої іграшки справа не пішла. Всерйоз інженери взялися за створення вертольота в кінці XIX століття, а перший вертикальний політ нового типу літального апарату відбувся в 1907 році, лише через чотири роки після першого польоту братів Райт. В 1922 авіаконструктор Георгій Ботезат випробував вертоліт-квадрокоптер, розроблений на замовлення Армії США. Це був перший в історії керований політ техніки такого типу. Квадрокоптер Ботезата зумів злетіти на висоту п'яти метрів та провів у польоті кілька хвилин.

З того часу вертолітна техніка зазнала безліч змін. З'явився клас гвинтокрилих літальних апаратів, який сьогодні ділиться на п'ять типів: автожир, вертоліт, гвинтокрил, конвертоплан та X-крило. Всі вони відрізняються конструкцією, способом зльоту та польоту, керуванням несучим гвинтом. У цьому матеріалі ми вирішили розповісти саме про гелікоптери та їх основні типи. При цьому за основу була взята класифікація з компонування та розташування гвинтів, а не традиційна - за типом компенсації реактивного моменту несучого гвинта.

Вертоліт є гвинтокрилим літальним апаратом, у якого підйомна і рушійна сили створюються одним або декількома гвинтами, що несуть. Такі гвинти розташовуються паралельно землі, які лопаті встановлюються під певним кутом до площині обертання, причому кут установки може змінюватися у досить широких межах - від нуля до 30 градусів. Встановлення лопат на нуль градусів називається холостим ходом гвинта або флюгуванням. У цьому випадку гвинт, що несе, не створює підйомної сили.

Під час обертання лопаті захоплюють повітря та відкидають його у напрямку, протилежному руху гвинта. В результаті перед гвинтом створюється зона зниженого тиску, а за ним – підвищеного. У разі гелікоптера так виникає підйомна сила, яка дуже схожа на утворення підйомної сили фіксованим крилом літака. Чим більший кут установки лопатей, тим більшу підйомну силу створює гвинт, що несе.

Характеристики несучого гвинта визначаються двома основними параметрами – діаметром та кроком. Діаметр гвинта визначає можливості вертольота по зльоту та посадці, а також частково величину підйомної сили. Крок гвинта - це уявна відстань, яку повітряний гвинт пройде в середовищі, що не стискається при певному куті установки лопатей за один оборот. Останній параметр впливає на підйомну силу та швидкість обертання ротора, яку на більшій частині польоту льотчики намагаються тримати незмінною, змінюючи лише кут установки лопатей.

При польоті вертольота вперед і обертанні несучого гвинта за годинниковою стрілкою, потік повітря, що набігає, сильніше впливає на лопаті з лівого боку, через що зростає і їх ефективність. В результаті ліва половина кола обертання гвинта створює більшу підйомну силу, ніж права, і виникає момент, що хрещує. Для його компенсації конструктори вигадали - це особлива система, яка зменшує кут установки лопатей зліва і збільшує його праворуч, вирівнюючи таким чином підйомну силу по обидва боки гвинта.

Загалом вертоліт має кілька переваг і кілька недоліків перед літаком. До переваг відноситься можливість вертикального зльоту та посадки на майданчики, діаметр яких у півтора рази перевищує діаметр несучого гвинта. При цьому гелікоптер може на зовнішній підвісці перевозити великогабаритні вантажі. Гелікоптери відрізняються і кращою маневреністю, оскільки можуть висіти вертикально, летіти боком або задом наперед, повертатися на місці.

До недоліків відносяться більше, ніж у літаків, споживання палива, велика інфрачервона помітність через гарячий вихлоп двигуна або двигунів, а також підвищена шумність. Крім того, гелікоптером загалом складніше керувати через низку особливостей. Наприклад, льотчикам гелікоптерів знайомі явища земного резонансу, флаттера, вихрового кільця, ефекту замикання несучого гвинта. Ці фактори можуть призводити до руйнування чи падіння машини.

Вертолітна техніка будь-яких схем має режим авторотації. Він належить до аварійних режимів. Це означає, що при відмові, наприклад, двигуна несучий гвинт або гвинти за допомогою обгінної муфти від'єднуються від трансмісії і починають вільно розкручуватися потоком повітря, що набігає, гальмуючи падіння машини з висоти. У режимі авторотації можлива керована аварійна посадка вертольота, причому обертовий гвинт через редуктор продовжує розкручувати кермовий гвинт і генератор.

Класична схема

З усіх типів вертолітних схем сьогодні найпоширенішою є класична. При такій схемі машина має тільки один несучий гвинт, який може рухатися одним, двома або навіть трьома двигунами. До цього типу, наприклад, відносяться ударні AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Мі-28Н, транспортно-бойові Мі-24 та Мі-35, транспортні Мі-26, багатоцільові UH-60L Black Hawk та Мі-17, легкі Bell 407 та Robinson R22.

При обертанні гвинта на вертольотах класичної схеми виникає реактивний момент, через який корпус машини починає розкручуватися в бік, протилежний обертанню ротора. Для компенсації моменту використовують кермо на хвостовій балці. Як правило, ним є рульовий гвинт, але це може бути і фенестрон (гвинт в кільцевому обтічнику) або кілька повітряних сопел на хвостовій балці.

Особливістю класичної схеми є перехресні зв'язки в каналах управління, обумовлені тим, що кермовий гвинт і несучий наводяться одним і тим же двигуном, а також наявністю автомата перекосу та безлічі інших підсистем, відповідальних за керування силовою установкою та роторами. Перехресна зв'язок означає, що з зміні будь-якого параметра роботи повітряного гвинта, зміняться й інші. Наприклад, зі збільшенням частоти обертання несучого гвинта зросте і частота обертання рульового.

Управління польотом здійснюється нахилом осі обертання несучого гвинта: вперед – машина полетить уперед, назад – назад, убік – убік. При нахилі осі обертання виникне рушійна сила та зменшується підйомна. Тому для збереження висоти польоту льотчику необхідно змінювати і кут установки лопатей. Напрямок польоту задається зміною кроку кермового гвинта: чим він менше, тим менше компенсується реактивний момент, і вертоліт повертає у бік, протилежний обертанню гвинта, що несе. І навпаки.

У сучасних вертольотах найчастіше керування польотом по горизонталі здійснюється за допомогою автомата перекосу. Наприклад, для руху вперед льотчик за допомогою автомата зменшує кут установки лопатей для передньої половини площини обертання крила і збільшує для задньої. Таким чином, ззаду підйомна сила збільшується, а спереду - зменшується, завдяки чому змінюється нахил гвинта і з'являється рушійна сила. Така схема управління польотом застосовується на всіх вертольотах багатьох типів, якщо на них встановлений автомат перекосу.

Співвісна схема

Другою за поширеністю вертолітною схемою є співвісна. У ній кермовий гвинт відсутній, зате є два несучі гвинти - верхній та нижній. Вони розташовуються на одній осі та обертаються синхронно у протилежних напрямках. Завдяки такому рішенню гвинти компенсують реактивний момент, а сама машина виходить дещо стійкішою в порівнянні з класичною схемою. Крім того, у гелікоптерів співвісної схеми практично відсутні перехресні зв'язки в каналах управління.

Найбільш відомим виробником гелікоптерів співвісної схеми є російська компанія «Камов». Вона випускає корабельні багатоцільові гелікоптери Ка-27, ударні Ка-52 та транспортні Ка-226. Всі вони мають по два гвинти, розташовані на одній осі один під одним. Машини співвісної схеми, на відміну від вертольотів класичної схеми, здатні, наприклад, робити вирву, тобто виконувати обліт мети по колу, залишаючись на тій самій відстані від неї. При цьому носова частина завжди залишається розгорнутою у бік мети. Управління нишпоренням здійснюється підгальмовуванням одного з несучих гвинтів.

У цілому керувати вертольотами співвісної схеми дещо простіше, ніж звичайними, особливо у режимі висіння. Але є і свої особливості. Наприклад, при виконанні петлі в польоті може статися перехльостування лопатей нижнього і верхнього гвинтів, що несе. Крім того, у проектуванні та виробництві співвісна схема складніша і дорога, ніж класична схема. Зокрема через редуктор, що передає обертання валу двигуна на гвинти, а також автомат перекосу, що синхронно встановлює кут лопатей на гвинтах.

Поздовжня та поперечна схеми

Третьою за популярністю є поздовжня схема розташування гвинтів вертольота. В цьому випадку гвинти розташовуються паралельно землі на різних осях і рознесені один від одного - один знаходиться над носовою частиною гелікоптера, а інший - над хвостовою. Типовим представником машин такої схеми є важкий американський транспортний вертоліт CH-47G Chinook та його модифікації. Якщо гвинти розташовуються на законцювання крил вертольота, то така схема називається поперечною.

Серійних представників гелікоптерів поперечної схеми сьогодні не існує. У 1960-1970-х роках конструкторське бюро Міля розробляло важкий вантажний вертоліт В-12 (також відомий як Мі-12, хоча цей індекс невірний) поперечної схеми. У серпні 1969 року прототип В-12 встановив рекорд вантажопідйомності серед вертольотів, піднявши на висоту 2,2 тисяч метрів вантаж масою 44,2 тонни. Для порівняння, найбільш вантажопідйомний у світі вертоліт Мі-26 (класична схема) може піднімати вантажі масою до 20 тонн, а американський CH-47F (поздовжня схема) - масою до 12,7 тонни.

У вертольотів поздовжньої схеми несучі гвинти обертаються в протилежних напрямках, проте це компенсує реактивні моменти лише частково, через що в польоті льотчикам доводиться враховувати бічну силу, що виникає, що веде машину з курсу. Рух в сторони задається не тільки нахилом осі обертання несучих гвинтів, але й різними кутами установки лопатей, а керування нишпоренням проводиться за рахунок зміни частоти обертання роторів. Задній гвинт у вертольотів поздовжньої схеми завжди розташовується трохи вище за передній. Це зроблено для виключення взаємного впливу їх повітряних потоків.

Крім того, на певних швидкостях польоту гелікоптерів поздовжньої схеми іноді можуть виникати значні вібрації. Нарешті, гелікоптери поздовжньої схеми оснащуються складною трансмісією. Тому така схема розташування гвинтів поширена мало. Зате гелікоптери поздовжньої схеми менше інших машин схильні до виникнення вихрового кільця. У цьому випадку під час зниження повітряні потоки, що створюються гвинтом, відбиваються від землі вгору, затягуються гвинтом і знову прямують донизу. При цьому підйомна сила гвинта, що несе, різко знижується, а зміна частоти обертання ротора або збільшення кута установки лопатей ефекту практично не надає.

Синхроптер

Сьогодні гелікоптери, побудовані за схемою синхроптера, можна віднести до найрідкісніших і найцікавіших з конструктивної точки зору машин. Їх виробництвом до 2003 року займалася лише американська компанія Kaman Aerospace. У 2017 році компанія планує відновити випуск таких машин під позначенням K-Max. Синхроптери можна було б віднести до гелікоптерів поперечної схеми, оскільки вали двох гвинтів розташовані з боків корпусу. Однак осі обертання цих гвинтів розташовані під кутом один до одного, а площини обертання - перетинаються.

У синхроптерів, як у вертольотів співвісної, поздовжньої та поперечної схем, кермовий гвинт відсутній. Несучі гвинти обертаються синхронно в протилежні сторони, а їх вали пов'язані один з одним жорсткою механічною системою. Це гарантовано запобігає зіткненню лопатей при різних режимах та швидкостях польоту. Вперше синхроптери були винайдені німцями під час Другої світової війни, проте серійне виробництво велося вже у США з 1945 року компанією Kaman.

Напрямком польоту синхроптера керують виключно зміною кута установки лопатей гвинтів. При цьому через перехрещення площин обертання гвинтів, а значить складання підйомних сил у місцях перехрещення виникає момент кабрування, тобто підйому носової частини. Цей момент компенсується системою керування. Загалом вважається, що синхроптером простіше управляти в режимі висіння і на швидкостях більше 60 кілометрів на годину.

До переваг таких вертольотів відноситься економія палива за рахунок відмови від рульового гвинта та можливість більш компактного розміщення агрегатів. Крім того, синхроптерам характерна більшість позитивних якостей гелікоптерів співвісної схеми. До недоліків відноситься надзвичайна складність механічного жорсткого зв'язку валів гвинтів і системи управління автоматами перекосу. Загалом це робить вертоліт дорожчим порівняно з класичною схемою.

Мультикоптер

Розробка мультикоптерів розпочалася практично одночасно з роботами над вертольотом. Саме з цієї причини першим вертольотом, який здійснив керований зліт і посадку, став у 1922 році квадрокоптер Ботезату. До мультикоптерів відносять машини, які зазвичай мають парну кількість несучих гвинтів, причому їх має бути більше двох. У серійних гелікоптерах сьогодні схема мультикоптерів не використовується, проте вона надзвичайно популярна у виробників малої безпілотної техніки.

Справа в тому, що в мультикоптерах використовуються гвинти з незмінним кроком гвинта, причому кожен з них рухається своїм двигуном. Компенсація реактивного моменту здійснюється обертанням гвинтів у різні боки - половина крутиться за годинниковою стрілкою, а інша половина, розташована по діагоналі, - у протилежному напрямку. Це дозволяє відмовитися від автомата перекосу і загалом значно спростити керування апаратом.

Для зльоту мультикоптера частота обертання всіх гвинтів збільшується однаково, для польоту убік - обертання гвинтів однією половині апарата прискорюється, але в інший - уповільнюється. Поворот мультикоптера проводиться уповільненням обертання, наприклад, гвинтів, що обертаються за годинниковою стрілкою або навпаки. Така простота конструкції та управління і послужила основним поштовхом до створення квадрокоптера Ботезату, проте подальший винахід кермового гвинта та автомата перекосу практично загальмував роботи над мультикоптерами.

Причиною ж, через яку сьогодні немає мультикоптерів, призначених для перевезення людей, є безпека польотів. Справа в тому, що на відміну від решти гелікоптерів, машини з кількома гвинтами не можуть здійснювати аварійну посадку в режимі авторотації. При відмові всіх двигунів мультикоптер стає некерованим. Втім, ймовірність такої події невисока, проте відсутність режиму авторотації є головною перешкодою для сертифікації на безпеку польотів.

Втім, зараз німецька компанія e-volo займається розробкою мультикоптера з 18 роторами. Цей вертоліт призначений для перевезення двох пасажирів. Як очікується, він здійснить перший політ у найближчі кілька місяців. За розрахунками конструкторів, прототип машини зможе перебувати у повітрі не більше півгодини, проте цей показник планується довести щонайменше до 60 хвилин.

Слід також зазначити, що крім вертольотів з парною кількістю гвинтів існують і мультикоптерні схеми з трьома та п'ятьма гвинтами. У них один із двигунів розташований на платформі, що відхиляється в сторони. Завдяки цьому здійснюється керування напрямом польоту. Втім, у такій схемі стає складніше гасити реактивний момент, оскільки два гвинти з трьох або три з п'яти завжди обертаються в одному напрямку. Для нівелювання реактивного моменту деякі гвинти обертаються швидше, а це створює непотрібну бічну силу.

Швидкісна схема

Сьогодні найбільш перспективною у вертолітній техніці вважається швидкісна схема, що дозволяє гелікоптерам літати на значно більшій швидкості, ніж можуть сучасні машини. Найчастіше таку схему називають комбінованим вертольотом. Машини цього типу будуються за співвісною схемою або з одним гвинтом, проте мають невелике крило, що створює додаткову підйомну силу. Крім того, вертольоти можуть бути оснащені гвинтом, що штовхає, в хвостовій частині або двома тягнутими на законцівках крила.

Ударні гелікоптери класичної схеми AH-64E здатні розвивати швидкість до 293 кілометрів на годину, а співвісні Ка-52 - до 315 кілометрів на годину. Для порівняння, комбінований вертоліт - демонстратор технологій Airbus Helicopters X3 з двома гвинтами, що тягнуть, може розганятися до 472 кілометрів на годину, а його американський конкурент з штовхаючим гвинтом - Sikorksy X2 - до 460 кілометрів на годину. Перспективний розвідувальний швидкісний вертоліт S-97 Raider зможе літати на швидкостях до 440 кілометрів на годину.

Строго кажучи, комбіновані вертольоти відносяться швидше не до гелікоптерів, а до іншого типу гвинтокрилих літальних апаратів - гвинтокрилів. Справа в тому, що рушійна сила у таких машин створюється не тільки і не стільки гвинтами, що несуть, скільки штовхають або тягнуть. Крім того, за створення підйомної сили відповідають і гвинти, що несуть, і крило. А на великих швидкостях польоту керована обгінна муфта відключає гвинти, що несуть, від трансмісії і подальший політ йде вже в режимі авторотації, при якій несучі гвинти працюють, фактично, як крило літака.

Наразі розробкою швидкісних гелікоптерів, які в перспективі зможуть розвивати швидкість понад 600 кілометрів на годину, займаються кілька країн світу. Крім Sikorsky та Airbus Helicopters, такі роботи ведуть російські «Камов» і конструкторське бюро Міля (Ка-90/92 і Мі-X1 відповідно), а також американська Piacesky Aircraft. Нові комбіновані вертольоти зможуть поєднати в собі швидкість польоту турбогвинтових літаків та вертикальні зліт та посадку, властиві звичайним вертольотам.

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