直升機槳術后構型技術的發展

1槳葉的簡化和消除技術研究機槍傾斜推進器是不斷變化的重要因素。該項目的結構設計經歷了從簡單到復雜的發展過程。早期的直升機由于沒有鉸鏈,無法解決直升機的穩定性和操縱性問題。鉸的發明使直升機旋翼變得可以操縱,直升機也因此真正發展成為一種實用的飛行器;但在以后的發展過程中,鉸接式槳轂變得越來越復雜,槳轂中不僅有揮舞鉸,擺振鉸和變距鉸,而且還有各式各樣的軸承,減擺器,限動器等。由于全鉸接式槳轂結構復雜,零件數目多,不僅制造成本高,維護費用昂貴,維護工作量大,而且安全性比較差,因此簡化槳轂,改善槳轂勢在必行。簡化槳轂的第一步是用彈性軸承或鈦合金撓性件取代揮舞鉸和擺振鉸。20世紀60年代初,世界上開始研制旋翼系統所用的彈性軸承,開始只是在尾槳中應用,20世紀70年代初用于旋翼系統。簡化和改善槳轂的第二步就是用復合材料取代鈦合金撓性件,星形柔性槳轂是成功的案例,AS350“松鼠”和SA365“海豚”直升機都裝有星形柔性槳轂,同“云雀”的鉸接式槳轂比較,星形柔性槳轂結構簡單,零件數目大為減少。簡化和改善槳轂的第三步就是取消變距軸承,設計出真正的無鉸/無軸承旋翼槳轂。取消了軸承之后,每片槳葉都有一個復合材料撓性件,它可以適應槳葉的各種運動。在槳轂構型的進化過程中,先進材料和先進工藝技術的發展和應用,成為槳轂設計實現革命性飛躍的關鍵因素之一,在旋翼的設計中扮演著極其重要的角色。根據國外槳轂構型出現的先后順序,其發展歷程可用簡圖進行描述(圖1)。2國外的槳結構技術特點2.1中的三個鉸、兩個鉸鉸接式槳轂通常指具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸中的三個鉸或兩個鉸。鉸接式槳轂的構型包括:全鉸接式、半鉸接式,以及幾種演變發展類型(用彈性軸承代替三鉸的星形柔性和球柔性)。2.1.1所有樹干連接的槳1全鉸接式槳微生物金屬軸承全鉸接式槳轂具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸,利用金屬軸承的擺動來實現槳葉的揮舞、擺振和變距運動(圖2)。為了保證金屬軸承具有良好的工作環境,槳轂通常設有潤滑系統和密封系統。以中型直升機“海王”槳轂為例,槳轂就有幾百個單獨的零件,還有幾十個潤滑點,較大的直升機“支奴干”的旋翼,零件數目多達1800個。因此,全鉸接式槳轂結構復雜、重量大、可靠性低、使用維護成本高。金屬軸承全鉸接式槳轂又有典型的三鉸分開和揮舞擺振兩鉸重合兩種形式。三鉸分開的機型有“海王”、“支奴干”、米4、米8等;二鉸重合的機型有“超黃蜂”等。2金屬軸系統優化軸承的開發彈性軸承全鉸接式槳轂是在金屬軸承全鉸接式槳轂基礎上發展成功的,其基本特點是用彈性軸承代替金屬軸承。波音的360型槳轂是一個彈性軸承全鉸接式槳轂的成功范例(圖3)。這副槳轂主要的優點除了重量減輕25%和零件數目減少60%之外,槳轂的壽命達到了5000h以上(主要是彈性軸承的壽命),槳轂的維修工時也降低60%。2.1.2半開放式槳座半鉸接式槳轂通常指具有揮舞鉸和變距鉸,無擺振鉸。半鉸接式槳轂的構型包括:蹺蹺板式和萬向鉸式。2.1.2.槳葉的擺振鉸設置蹺蹺板式的兩片槳葉通過各自的軸向鉸和槳轂殼體相連接,沒有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖4)。槳轂殼體通過一個水平鉸和旋翼軸相連接,因此槳葉沒有單獨的水平鉸,其揮舞運動只能通過一個水平鉸來實現。蹺蹺板槳轂通常采用懸掛裝置來減少哥氏力的影響,這樣就可以不設置擺振鉸。為了彌補揮舞鉸在旋轉中心引起的槳轂操縱力矩的不足,通常把蹺蹺板槳轂中心布置較高。蹺蹺板式的機型有UH-1等。2.1.2.槳葉的橫向接觸網1)金屬軸承萬向鉸槳轂萬向鉸式旋翼各片槳葉通過各自的軸向鉸和槳轂殼體連接,沒有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖5)。槳轂殼體通過萬向接頭和旋翼軸連接,因此槳葉沒有單獨的水平鉸,其揮舞運動只能通過萬向接頭來實現。萬向接頭式的機型有Bell-47等。2)彈性軸承萬向鉸槳轂萬向鉸式旋翼經歷了金屬軸承萬向鉸和彈性軸承萬向鉸的發展過程,目前的發展趨勢是采用彈性軸承萬向鉸。與金屬軸承萬向鉸相比,彈性軸承萬向鉸無需潤滑和密封,具有結構緊湊、簡單、重量輕、壽命長、維護方便、阻力小等特征(圖6)。V-22“魚鷹”采用彈性軸承萬向鉸式槳轂,,其零件數目減少了30%,重量減輕18%。2.1.3星形柔性機翼星形柔性槳轂是法國宇航公司在20世紀70年代后期研制成功的一種新型復合材料槳轂型式,并在SA365海豚系列和AS350小松鼠系列等直升機型號上成功使用。星形柔性旋翼主要由中央星形件、球面彈性軸承、粘彈性阻尼器、夾板和自潤滑關節軸承等組成(圖7)。該槳轂利用材料的柔性變形,使得其作用如同一個鉸接式槳轂,但又無鉸鏈機構,消除了傳統金屬槳轂的機械復雜性。與全鉸接式金屬槳轂相比,槳轂零件數量由377個減少到70個,重量減輕45%,槳轂的壽命由2500h提高到6000h以上。2.1.4柔性槳座1彈性槳葉公司的彈性軸承球柔性槳轂構型是一種新型的彈性鉸式槳轂,其球面彈性軸承、阻尼器與星形柔性槳轂的構造相當,但省略柔性臂和關節軸承,結構更加簡化(圖8)。該構型的特點是以球面彈性軸承來實現槳葉的揮舞運動、振擺運動和變距運動,法宇航(歐直)公司的EC-120、EC-135等直升機均采用這種構型。其槳轂數量從星形柔性70個進一步減少到50個,重量可減輕21%,價格也下降35%。此外,其氣動廢阻也比星形柔性槳轂低2/3。2彈性軸為正截面的規則“黑鷹”直升機槳轂采用球面彈性軸承和柱形彈性軸承組合式,以球面彈性軸承承擔槳葉的揮舞和擺振運動,柱形彈性軸承擔變距運動(圖9)。與單個球面彈性軸承球柔性槳轂相比,減少了球面彈性軸承的變距運動,有效提高球面彈性軸承的壽命。3彈性軸承和定心軸承共同承擔槳葉運動和變距運動方面的基本規則EH101直升機槳轂采用球面彈性軸承和定心軸承組合式(圖10),其特點是以球面彈性軸承和定心軸承共同承擔槳葉的揮舞運動、振擺運動和變距運動。與單個球面彈性軸承球柔性槳轂相比,槳葉大部分升力通過定心軸承傳遞到槳轂中央件上,只有一小部分通過彈性軸承傳遞,這種設計減小了彈性軸承的載荷,有利于提高彈性軸承的壽命。2.2無架槳無鉸式槳轂通常指具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸中的一個鉸。無鉸式槳轂的構型包括:帶變距鉸無鉸式和帶擺振鉸無鉸式。2.2.1帶位移孔的帶有彎曲的槳座1金屬軸承無鉸式旋轉BO-105、BK-117和Lynx(“山貓”)都屬于金屬軸承無鉸式旋翼,其特點是:取消了揮舞和擺振鉸,保留了變距鉸,變距鉸由金屬軸承和拉扭條組成。由槳葉或槳轂柔性段的彈性變形來實現槳葉的揮舞和擺振運動(圖11)。2彈性軸承無鉸式槳臂“虎”式直升機槳轂是MBB公司在BO-105和BK-117無鉸基礎上發展成功的彈性軸承無鉸式槳轂。其主要特點是用一對彈性軸承替代金屬變距鉸(圖12)。整個槳轂的主要零件只有20個,零件數目比BO-105減少了50%,而其復合材料構件的壽命也已達到無限壽命的視情維護。2.2.2垂直鉸型AH-64阿帕奇直升機的無鉸旋翼又是另一種構型,它取消了揮舞鉸和變距鉸,保留了垂直鉸(圖13)。這種構型的特點是利用彎扭柔性件的彈性變形來實現槳葉的揮舞運動和變距運動。2.3槳葉的無限壽命無軸承槳轂通常指不具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸。其特點是通過柔性梁來實現槳葉的運動,代替傳統三鉸的功能。由于承受嚴重載荷壽命較低的金屬軸承和彈性軸承不再需要,槳轂的零件數目急劇減少,重量、廢阻和費用也都得到降低,整個槳轂也只有在這種構型中,才有可能真正達到無限壽命設計。無軸承槳轂的構型包括:單獨柔性梁構型和柔性梁與槳葉一體化構型。2.3.1單柔性梁無軸承載臂柔性梁、袖套、槳葉單獨成型,任一部件出現破損均可單獨拆下更換,節約維護成本(圖14)。2.3.2柔性梁和槳葉的組合沒有軸承的槳葉柔性梁在典型段以后直接進入翼型段形成槳葉大梁,柔性梁、槳葉、袖套一體化成型,結構更簡單(圖15)。3國外槳結構的發展分析3.1國外直升機公司的產品特點國外各大直升機公司逐漸形成了各公司自身特色的旋翼構型技術,并且作為各大公司的核心技術牢牢掌握在自己手上,對外進行嚴密的技術保密和封鎖。國外各大直升機公司正是通過獨特風格的旋翼構型樹立起各自的品牌形象,使其型號產品能夠處于世界先進的行列。例如:美國貝爾公司蹺蹺板旋翼技術、美國西科斯基公司雙線擺鉸接式旋翼技術、美國波音公司人字形拉扭條旋翼技術、美國麥道公司無軸承旋翼技術、歐直(法國)公司的星形柔性和球柔性旋翼技術、歐直(德國)公司的無鉸式旋翼技術、俄羅斯公司金屬全鉸接式旋翼技術等。3.2旋轉技術特征構型技術發展經歷了幾次突破,隨著粘彈性材料和先進復合材料的發展和使用,旋翼構型從復雜的全鉸接式結構逐步簡化,先后發展了星型柔性結構、球柔性結構、無鉸式和無軸承式結構,其中20世紀末發展的旋翼技術特征是:槳葉采用先進復合材料、高效專用翼型、達到無限壽命,槳轂結構簡化,球柔性、新型無鉸式和無軸承槳轂得到廣泛應