直升機(jī)槳術(shù)后構(gòu)型技術(shù)的發(fā)展

直升機(jī)槳術(shù)后構(gòu)型技術(shù)的發(fā)展

1槳葉的簡(jiǎn)化和消除技術(shù)研究機(jī)槍傾斜推進(jìn)器是不斷變化的重要因素。該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程。早期的直升機(jī)由于沒(méi)有鉸鏈,無(wú)法解決直升機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性問(wèn)題。鉸的發(fā)明使直升機(jī)旋翼變得可以操縱,直升機(jī)也因此真正發(fā)展成為一種實(shí)用的飛行器;但在以后的發(fā)展過(guò)程中,鉸接式槳轂變得越來(lái)越復(fù)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(dòng)器等。由于全鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件數(shù)目多,不僅制造成本高,維護(hù)費(fèi)用昂貴,維護(hù)工作量大,而且安全性比較差,因此簡(jiǎn)化槳轂,改善槳轂勢(shì)在必行。簡(jiǎn)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(jì)60年代初,世界上開(kāi)始研制旋翼系統(tǒng)所用的彈性軸承,開(kāi)始只是在尾槳中應(yīng)用,20世紀(jì)70年代初用于旋翼系統(tǒng)。簡(jiǎn)化和改善槳轂的第二步就是用復(fù)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(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零件數(shù)目大為減少。簡(jiǎn)化和改善槳轂的第三步就是取消變距軸承,設(shè)計(jì)出真正的無(wú)鉸/無(wú)軸承旋翼槳轂。取消了軸承之后,每片槳葉都有一個(gè)復(fù)合材料撓性件,它可以適應(yīng)槳葉的各種運(yùn)動(dòng)。在槳轂構(gòu)型的進(jìn)化過(guò)程中,先進(jìn)材料和先進(jìn)工藝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,成為槳轂設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)革命性飛躍的關(guān)鍵因素之一,在旋翼的設(shè)計(jì)中扮演著極其重要的角色。根據(jù)國(guó)外槳轂構(gòu)型出現(xiàn)的先后順序,其發(fā)展歷程可用簡(jiǎn)圖進(jìn)行描述(圖1)。2國(guó)外的槳結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)2.1中的三個(gè)鉸、兩個(gè)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(gè)鉸或兩個(gè)鉸。鉸接式槳轂的構(gòu)型包括:全鉸接式、半鉸接式,以及幾種演變發(fā)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(shù)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)(圖2)。為了保證金屬軸承具有良好的工作環(huán)境,槳轂通常設(shè)有潤(rùn)滑系統(tǒng)和密封系統(tǒng)。以中型直升機(jī)“海王”槳轂為例,槳轂就有幾百個(gè)單獨(dú)的零件,還有幾十個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn),較大的直升機(jī)“支奴干”的旋翼,零件數(shù)目多達(dá)1800個(gè)。因此,全鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、可靠性低、使用維護(hù)成本高。金屬軸承全鉸接式槳轂又有典型的三鉸分開(kāi)和揮舞擺振兩鉸重合兩種形式。三鉸分開(kāi)的機(jī)型有“海王”、“支奴干”、米4、米8等;二鉸重合的機(jī)型有“超黃蜂”等。2金屬軸系統(tǒng)優(yōu)化軸承的開(kāi)發(fā)彈性軸承全鉸接式槳轂是在金屬軸承全鉸接式槳轂基礎(chǔ)上發(fā)展成功的,其基本特點(diǎn)是用彈性軸承代替金屬軸承。波音的360型槳轂是一個(gè)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(yōu)點(diǎn)除了重量減輕25%和零件數(shù)目減少60%之外,槳轂的壽命達(dá)到了5000h以上(主要是彈性軸承的壽命),槳轂的維修工時(shí)也降低60%。2.1.2半開(kāi)放式槳座半鉸接式槳轂通常指具有揮舞鉸和變距鉸,無(wú)擺振鉸。半鉸接式槳轂的構(gòu)型包括:蹺蹺板式和萬(wàn)向鉸式。2.1.2.槳葉的擺振鉸設(shè)置蹺蹺板式的兩片槳葉通過(guò)各自的軸向鉸和槳轂殼體相連接,沒(méi)有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖4)。槳轂殼體通過(guò)一個(gè)水平鉸和旋翼軸相連接,因此槳葉沒(méi)有單獨(dú)的水平鉸,其揮舞運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)一個(gè)水平鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)。蹺蹺板槳轂通常采用懸掛裝置來(lái)減少哥氏力的影響,這樣就可以不設(shè)置擺振鉸。為了彌補(bǔ)揮舞鉸在旋轉(zhuǎn)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(jī)型有UH-1等。2.1.2.槳葉的橫向接觸網(wǎng)1)金屬軸承萬(wàn)向鉸槳轂萬(wàn)向鉸式旋翼各片槳葉通過(guò)各自的軸向鉸和槳轂殼體連接,沒(méi)有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖5)。槳轂殼體通過(guò)萬(wàn)向接頭和旋翼軸連接,因此槳葉沒(méi)有單獨(dú)的水平鉸,其揮舞運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)萬(wàn)向接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。萬(wàn)向接頭式的機(jī)型有Bell-47等。2)彈性軸承萬(wàn)向鉸槳轂萬(wàn)向鉸式旋翼經(jīng)歷了金屬軸承萬(wàn)向鉸和彈性軸承萬(wàn)向鉸的發(fā)展過(guò)程,目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用彈性軸承萬(wàn)向鉸。與金屬軸承萬(wàn)向鉸相比,彈性軸承萬(wàn)向鉸無(wú)需潤(rùn)滑和密封,具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、重量輕、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、阻力小等特征(圖6)。V-22“魚(yú)鷹”采用彈性軸承萬(wàn)向鉸式槳轂,,其零件數(shù)目減少了30%,重量減輕18%。2.1.3星形柔性機(jī)翼星形柔性槳轂是法國(guó)宇航公司在20世紀(jì)70年代后期研制成功的一種新型復(fù)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(jī)型號(hào)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(rùn)滑關(guān)節(jié)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(gè)鉸接式槳轂,但又無(wú)鉸鏈機(jī)構(gòu),消除了傳統(tǒng)金屬槳轂的機(jī)械復(fù)雜性。與全鉸接式金屬槳轂相比,槳轂零件數(shù)量由377個(gè)減少到70個(gè),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(gòu)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(gòu)造相當(dāng),但省略柔性臂和關(guān)節(jié)軸承,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化(圖8)。該構(gòu)型的特點(diǎn)是以球面彈性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)、振擺運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng),法宇航(歐直)公司的EC-120、EC-135等直升機(jī)均采用這種構(gòu)型。其槳轂數(shù)量從星形柔性70個(gè)進(jìn)一步減少到50個(gè),重量可減輕21%,價(jià)格也下降35%。此外,其氣動(dòng)廢阻也比星形柔性槳轂低2/3。2彈性軸為正截面的規(guī)則“黑鷹”直升機(jī)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(dān)槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng),柱形彈性軸承擔(dān)變距運(yùn)動(dòng)(圖9)。與單個(gè)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(yùn)動(dòng),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(dān)槳葉運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng)方面的基本規(guī)則EH101直升機(jī)槳轂采用球面彈性軸承和定心軸承組合式(圖10),其特點(diǎn)是以球面彈性軸承和定心軸承共同承擔(dān)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)、振擺運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng)。與單個(gè)球面彈性軸承球柔性槳轂相比,槳葉大部分升力通過(guò)定心軸承傳遞到槳轂中央件上,只有一小部分通過(guò)彈性軸承傳遞,這種設(shè)計(jì)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(wú)架槳無(wú)鉸式槳轂通常指具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸中的一個(gè)鉸。無(wú)鉸式槳轂的構(gòu)型包括:帶變距鉸無(wú)鉸式和帶擺振鉸無(wú)鉸式。2.2.1帶位移孔的帶有彎曲的槳座1金屬軸承無(wú)鉸式旋轉(zhuǎn)BO-105、BK-117和Lynx(“山貓”)都屬于金屬軸承無(wú)鉸式旋翼,其特點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng)(圖11)。2彈性軸承無(wú)鉸式槳臂“虎”式直升機(jī)槳轂是MBB公司在BO-105和BK-117無(wú)鉸基礎(chǔ)上發(fā)展成功的彈性軸承無(wú)鉸式槳轂。其主要特點(diǎn)是用一對(duì)彈性軸承替代金屬變距鉸(圖12)。整個(gè)槳轂的主要零件只有20個(gè),零件數(shù)目比BO-105減少了50%,而其復(fù)合材料構(gòu)件的壽命也已達(dá)到無(wú)限壽命的視情維護(hù)。2.2.2垂直鉸型AH-64阿帕奇直升機(jī)的無(wú)鉸旋翼又是另一種構(gòu)型,它取消了揮舞鉸和變距鉸,保留了垂直鉸(圖13)。這種構(gòu)型的特點(diǎn)是利用彎扭柔性件的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng)。2.3槳葉的無(wú)限壽命無(wú)軸承槳轂通常指不具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸。其特點(diǎn)是通過(guò)柔性梁來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的運(yùn)動(dòng),代替?zhèn)鹘y(tǒng)三鉸的功能。由于承受嚴(yán)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(shù)目急劇減少,重量、廢阻和費(fèi)用也都得到降低,整個(gè)槳轂也只有在這種構(gòu)型中,才有可能真正達(dá)到無(wú)限壽命設(shè)計(jì)。無(wú)軸承槳轂的構(gòu)型包括:單獨(dú)柔性梁構(gòu)型和柔性梁與槳葉一體化構(gòu)型。2.3.1單柔性梁無(wú)軸承載臂柔性梁、袖套、槳葉單獨(dú)成型,任一部件出現(xiàn)破損均可單獨(dú)拆下更換,節(jié)約維護(hù)成本(圖14)。2.3.2柔性梁和槳葉的組合沒(méi)有軸承的槳葉柔性梁在典型段以后直接進(jìn)入翼型段形成槳葉大梁,柔性梁、槳葉、袖套一體化成型,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單(圖15)。3國(guó)外槳結(jié)構(gòu)的發(fā)展分析3.1國(guó)外直升機(jī)公司的產(chǎn)品特點(diǎn)國(guó)外各大直升機(jī)公司逐漸形成了各公司自身特色的旋翼構(gòu)型技術(shù),并且作為各大公司的核心技術(shù)牢牢掌握在自己手上,對(duì)外進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)保密和封鎖。國(guó)外各大直升機(jī)公司正是通過(guò)獨(dú)特風(fēng)格的旋翼構(gòu)型樹(shù)立起各自的品牌形象,使其型號(hào)產(chǎn)品能夠處于世界先進(jìn)的行列。例如:美國(guó)貝爾公司蹺蹺板旋翼技術(shù)、美國(guó)西科斯基公司雙線擺鉸接式旋翼技術(shù)、美國(guó)波音公司人字形拉扭條旋翼技術(shù)、美國(guó)麥道公司無(wú)軸承旋翼技術(shù)、歐直(法國(guó))公司的星形柔性和球柔性旋翼技術(shù)、歐直(德國(guó))公司的無(wú)鉸式旋翼技術(shù)、俄羅斯公司金屬全鉸接式旋翼技術(shù)等。3.2旋轉(zhuǎn)技術(shù)特征構(gòu)型技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了幾次突破,隨著粘彈性材料和先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和使用,旋翼構(gòu)型從復(fù)雜的全鉸接式結(jié)構(gòu)逐步簡(jiǎn)化,先后發(fā)展了星型柔性結(jié)構(gòu)、球柔性結(jié)構(gòu)、無(wú)鉸式和無(wú)軸承式結(jié)構(gòu),其中20世紀(jì)末發(fā)展的旋翼技術(shù)特征是:槳葉采用先進(jìn)復(fù)合材料、高效專用翼型、達(dá)到無(wú)限壽命,槳轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,球柔性、新型無(wú)鉸式和無(wú)軸承槳轂得到廣泛應(yīng)