Rotorul principal este o elice cu o axă verticală de rotație care oferă portanță (de obicei pentru elicoptere ), permițând zborul și aterizarea orizontale controlate. Funcția principală a unui astfel de șurub este de a „purta” aeronava, ceea ce se reflectă în numele [1] . Este, de asemenea, destul de des denumit pur și simplu rotor.
Pe lângă elicoptere, rotoarele sunt disponibile pentru autogire , helicoptere , convertiplane și platforme zburătoare .
Principala diferență dintre rotoarele principale și elicele de susținere este capacitatea de a schimba rapid pasul general și/sau ciclic. Rotorul principal al unui elicopter constă în general din pale , bucșe și balamale .
Sistemul de control al rotorului principal constă dintr-o placă oscilătoare conectată la balamalele axiale ale palelor rotorului principal prin intermediul unor tije (elemente care transmit mișcarea de translație). Rotirea lamei în balamaua axială determină o modificare a unghiului de instalare a lamei.
Unghiul de instalare al lamei este unghiul dintre coarda lamei si planul constructiv de rotatie. Cu cât acest unghi este mai mare, cu atât este mai mare forța de ridicare furnizată de paleta rotorului.
Deplasarea plăcii oscilante în sus/în jos de-a lungul arborelui rotorului principal duce la o modificare simultană a unghiurilor de instalare a tuturor palelor, ajustând astfel forța de ridicare a elicei și, în consecință, înălțimea de plutire (zbor) a aeronavei. Această modificare se numește pas total al elicei .
Înclinarea plăcii oscilante în raport cu corpul aeronavei se numește pas ciclic și vă permite să controlați dispozitivul în plan longitudinal-transvers ( pitch - roll ).
Viteza rotorului principal este de obicei constantă, iar modificarea sarcinii pe elice este compensată automat printr-o modificare corespunzătoare a puterii motorului.
Există sisteme de control în care nu există balamale axiale ale lamelor. De exemplu, în modelele de elicoptere controlate radio, înclinația de rotație a întregii elice, și nu palele individuale, se modifică. În versiunile de rotoare cu clapete servo (sincrone de la Kaman Aircraft ), unghiul de instalare al clapetelor situate pe marginea de fugă a palelor se modifică.
Secțiunile lamei situate mai aproape de axa de rotație și, în consecință, care descriu cercuri cu o rază mai mică, au o viteză liniară mai mică în raport cu aerul și creează o forță de ridicare proporțional mai mică. Pentru a reduce acest efect, lama este răsucită în așa fel încât unghiul său de instalare să crească treptat pe măsură ce se apropie de axa de rotație, ceea ce permite zonelor cu o rază de rotație mai mică să ofere mai multă portanță. Răsucirea lamelor (diferența dintre unghiul de instalare a secțiunilor la rădăcină și la capătul lamei) poate fi de 6-12 °.
Legătura paletelor cu arborele poate fi articulată , rigidă, semirigidă și elastică. Cu o conexiune articulată și elastică, planul de rotație al rotorului principal nu poate fi deviat față de fuzelajul elicopterului , spre deosebire de o conexiune semi-rigidă .
Rotorul principal poate avea de la două până la opt pale. Lamele pot fi din lemn, integral din metal și din compozit (fibră de sticlă). Lamele compozite consumă mai puțin timp de fabricare în comparație cu lamele din metal, au o resursă semnificativ mai lungă, fiabilitate și rezistență la coroziune .
Destul de des, lamele sunt goale și gazul sau aerul sunt pompați în lamă sub presiune. Căderea de presiune din interiorul lamei, măsurată de un senzor special, indică deteriorarea acesteia [1] .
Pentru a reduce dimensiunea unui elicopter în parcare sau atunci când se află în hangare, pe portavion și port elicoptere , se folosesc rotoare pliabile. Plierea se poate face manual sau automat [1] .
Pentru a reduce nivelul de vibrație transmis de la rotorul principal la fuzelaj, pe butucul sau paletele acestuia sunt instalate amortizoare de vibrații cu pendul . Pentru a proteja împotriva înghețului , palele elicei sunt echipate cu sisteme antigivrare [1] .
Există diverse scheme de elicoptere .
Cele mai multe elicoptere din lume sunt realizate conform schemei „clasice” cu un rotor principal și un rotor de coadă pe brațul de coadă. Există elicoptere cu două rotoare coaxiale contrarotative , fără rotor de coadă ( Ka-25 , Ka-27 , Ka-50 ). Pentru astfel de mașini, se folosește termenul „rotor coaxial”, în timp ce se face distincția între șuruburi „superioare” și „inferioare”. [2]
[3]
În funcție de poziția rotorului principal în fluxul de aer, se disting două moduri principale de funcționare: modul de curgere axială, când axa butucului rotorului este paralelă cu fluxul neperturbat care se apropie (planare) și modul de curgere oblic, în care fluxul de aer curge pe rotor în unghi faţă de axa butucului .
Există un proiect al unui rotor principal fixat în zbor, așa-numitul X-Wing, montat pe un elicopter Sikorsky S-72 .
Rotorul închis într-un canal inelar se numește rotor , acest design crește puterea șurubului și reduce zgomotul, dar acest lucru crește greutatea structurii de susținere.
Există, de asemenea, modele de rotoare cu aripi cu disc, cum ar fi Discrotor de la Boeing 4 ] elicopterul Ellehammer În proiectul Discrotor, palele rotorului sunt telescopice; în timpul zborului, palele pot fi retrase în interiorul aripii discului.
Când rotorul principal se rotește, apar vibrații care pot cauza defecțiuni premature a instrumentelor, echipamentelor și chiar pot duce la distrugerea aeronavei. Apariția vibrațiilor include fenomene precum rezonanța pământului, flutterul și inelul vortex.
Avioanele sunt susceptibile la acest fenomen, în care palele rotorului sunt atașate de butuc prin intermediul unei articulații pivotante. Centrul de masă al palelor elicei nerăsucite este situat pe axa sa de rotație. Când elicea se rotește, palele se pot roti în balamalele lor verticale, iar centrul lor comun de masă este deplasat departe de axa de rotație, ceea ce duce la vibrații ale butucului elicei în plan orizontal. Când armonicile acestor oscilații coincid cu oscilațiile naturale ale unui elicopter care stă la sol pe un șasiu elastic , apar oscilații necontrolate ale elicopterului - rezonanța pământului .
Rezonanța la sol poate fi suprimată prin introducerea de amortizare atât în balamaua verticală, cât și în bara de suspensie a trenului de aterizare a elicopterului. Condiții mai favorabile pentru crearea rezonanței pământului sunt create atunci când un elicopter rulează de-a lungul solului. [5]
Flutterul se numește oscilații autoexcitate ale palelor rotorului principal, care apar datorită energiei fluxului de aer și conduc la o creștere rapidă a amplitudinii mișcării de batere. [6] Flutterul este deosebit de periculos pentru circuitele coaxiale , deoarece acest efect provoacă suprapunerea lamelor. Pentru a evita fluturarea, o greutate anti-flutter este instalată în palele rotorului, iar amortizoarele de vibrații cu pendul sunt instalate pe butuc . La elicopterele cu tip de conexiune articulată și elastică a palelor, un semn al apariției flutterului în timpul zborului este „încețoșarea” conului rotorului principal.
Inelul vortex este un mod critic de zbor cu elicopterul care se dezvoltă în timpul unei coborâri rapide la o viteză scăzută de înainte. Se caracterizează printr-o pierdere bruscă de altitudine și o slăbire a răspunsului elicopterului la mișcarea comenzilor. [7] Elicopterul își crește rapid rata de coborâre; din cauza stării turbulente a fluxului în inelul vortex, elicopterul se scutură, stabilitatea și controlabilitatea se deteriorează. [opt]
Palele rotorului principal sunt atașate la un butuc care se rotește liber în jurul arborelui elicopterului. Există următoarele tipuri principale de astfel de compuși.
Cu pivotul inventat de Juan de La Cierva , lamele sunt atașate de corpul butucului în serie prin balamale axiale, verticale și orizontale. Datorită articulației paletelor cu corpul butucului, tensiunile alternante din elementele rotorului principal sunt reduse semnificativ și momentele de forțe aerodinamice transmise de la elice la fuselajul elicopterului.
Balamalele orizontale permit lamelor să se balanseze în sus și în jos; cele verticale permit lamelor să oscileze în planul de rotație, iau naștere sub acțiunea forțelor de tracțiune variabile și a forțelor Coriolis care apar atunci când lama oscilează față de balamaua orizontală; Balamalele axiale sunt concepute pentru a modifica unghiurile de instalare ale lamelor.
În timp ce zbori cu elicoptere articulate, poți vedea că palele în aer nu descriu un cerc, ci o figură sub formă de pâlnie sau con.
Rolul balamalei verticale și orizontale cu o astfel de conexiune este jucat de un element elastic din materiale compozite, sau torsiune . Acest lucru face posibilă reducerea numărului de piese, reducerea intensității muncii de întreținere, eliminarea necesității de lubrifiere și creșterea duratei de viață a rotorului principal de 3-10 ori în comparație cu articulația pivotantă. Pe un rotor principal cu o astfel de conexiune, eficiența controlului poate fi crescută semnificativ în comparație cu unul articulat, ceea ce contribuie la creșterea manevrabilității elicopterului, iar fenomenul de „rezonanță la sol” este de asemenea redus. [9]
Cu o astfel de schemă, două pale ale elicei sunt atașate rigid de manșonul central sub forma unui leagăn ( balancier ): atunci când o paletă face o cursă în sus, cealaltă face o mișcare simetrică în jos. Pilotul, schimbând poziția stick-ului de comandă elicopter, schimbă astfel poziția întregului plan de rotație al rotorului principal. Un elicopter cu un butuc rotor semirigid are caracteristici bune de manevrabilitate. Un avantaj important al acestei scheme este simplitatea ei (absența lagărelor cu încărcare mare în balamale, amortizoare și limitatoare centrifuge de suspensie a lamei), care facilitează și reduce costul de fabricație a elicei și întreținerea acesteia în funcțiune. Elicopterele semirigide sunt produse în serie de Bell și Robinson .
Paletele elicei sunt atașate rigid de manșonul montat pe arborele de antrenare folosind numai balamaua axială. O astfel de schemă este cea mai simplă, dar în același timp cea mai susceptibilă la vibrații distructive. În plus, o astfel de schemă are o masă crescută în comparație cu o articulație pivotantă. Trebuie remarcat faptul că sarcinile variabile pe palele rotorului principal în acest caz pot fi reduse datorită flexibilității palelor în sine.
Conexiunea rigidă este folosită la elicele aeronavelor și înainte de inventarea de către Juan de La Sierva a pivotului a fost folosită pe toate elicopterele experimentale de la începutul secolului al XX-lea. În prezent, o astfel de conexiune poate fi găsită în rotoarele elicopterului Sikorsky X2 .
În timpul mișcării de translație a unui elicopter într-un plan orizontal, rotorul principal este circulat de un flux de aer care se apropie. În cazul rotației sale în sensul acelor de ceasornic, lama situată în stânga în direcția zborului se deplasează spre fluxul de aer (lama în avans), și situată în partea dreaptă de-a lungul acesteia (lama în retragere). În consecință, viteza lamei care avansează în raport cu aerul de intrare este mai mare decât viteza celei care se retrage și este maximă la un azimut de 90°. Deoarece rezistența aerului și portanța sunt proporționale cu viteza, lama care avansează creează mai multă portanță și experimentează mai multă rezistență.
Viteza liniară este proporțională cu distanța față de axa de rotație și, în consecință, este maximă la capetele palelor. La anumite valori ale vitezei unghiulare de rotație a șurubului, viteza liniară a secțiunilor de capăt ale lamei care avansează se apropie de viteza sunetului , drept urmare o criză a valurilor se dezvoltă în aceste secțiuni . Dimpotrivă, viteza unui număr de secțiuni ale lamei de retragere în raport cu aerul este atât de mică încât are loc o blocare a fluxului pe acestea , iar secțiunile situate și mai aproape de butuc cad în zona de curgere inversă (profilul lamei este raționalizat). cu aer din partea ascuțită, care creează o forță de ridicare inversă).
Palele rotorului care se încadrează în zonele de criză de calare și val se caracterizează printr-o creștere a vibrațiilor și o scădere bruscă a portanței . Blocarea poate fi contracarată prin creșterea vitezei unghiulare de rotație a rotorului principal, cu toate acestea, aceasta crește zona de criză a valurilor. Impactul negativ al zonei de criză a valurilor poate fi redus prin utilizarea vârfurilor speciale ale palelor elicei - de exemplu, cele măturate.
Deoarece lamele care avansează creează mai multă portanță decât cele care se retrag, există un mecanism de compensare pentru a menține echilibrul forțelor de ridicare ale diferitelor secțiuni ale rotorului principal. Mecanismul se bazează pe utilizarea unei balamale orizontale și a unei balamale axiale conectate rigid la platoul oscilant. În timpul zborului, lama se află într-un unghi față de fluxul de aer raționalizat, rezistența rezultată a aerului face ca lama să se balanseze în sus. Deoarece balamaua axială este conectată la placa oscilantă, atunci când lama se balansează în sus, lama se rotește în direcția scăderii unghiului dintre lamă și fluxul de aer. Reducerea acestui unghi duce la o scădere a forței de ridicare a lamei.
În schimb, odată cu scăderea vitezei fluxului de aer fluidizat, lama coboară, unghiul de instalare al lamei crește, iar forța de ridicare crește. [zece]