無鉸式
從40年代到60年代,鉸接式旋翼是主要的旋翼形式。在長期的應用中這種形式發展得比較成熟,經驗也比較多。但是,由於結構複雜、維護工作量大、操縱功效及角速度阻尼小等固有的缺點,這種形式不夠理想。因此,從50年代起,除了簡化鉸接式旋冀結構外,還開始了無鉸式旋翼的研究工作。經過長期的理論與試驗研究,印年代末及70年代初無鉸式旋翼進入了實用階段。帶有無鉸式旋翼的宜升機如德國的BO—105,英國的“山貓”(WG—13)等,它們取得了成功並投入了批生產。
與鉸接式旋冀相比,無鉸式旋翼的結構的力學特性與飛行的力學特性聯繫更為密切。這種形式的旋翼會產生一些新的動力穩定性問題,本節著重介紹無鉸旋冀的結構特點。
(1)BO—105型直升機的無鉸式旋翼如圖2.2—10所示為BO—105型直升機無較式旋翼,它的槳轂尺寸比較緊湊,剛度也很大,變距鉸在槳葉根部與槳轂相連,槳葉揮舞和擺振運動是通過玻璃鋼槳葉根部的彎曲變形來實現的。這種槳葉是屑於擺振柔軟型旋翼槳葉,擺振頻率n,1,0.65,旋翼結構錐度角為2.5
(2)“山貓”直升機的無鉸式旋翼圖2.2—ll所示為山貓直升機槳轂結構,它與BO—105直,升機槳轂相比剛度要小,槳葉的揮舞運動由和槳軸相聯的揮舞柔性件彎曲變形實現,而擺振運動則是由變距鉸殼體的延伸段的彎曲變形實現。這種族翼是採用了消除耦合的設計,它的擺振頻率。wvl=0.43,也是擺振柔軟的旋翼。
(3)星形柔性槳轂
圖2.2—12所示為法國航宇公司的SA—365N“海豚” II型直升機的星形柔性旋翼槳轂構造,它主要是由中央星形件、球面層壓彈性體軸承、粘彈減擺器(也稱頻率匹配器)、夾板和自潤滑關節軸承等組成。中央星形件通過螺栓直接固定在旋翼軸接合盤上,球關節軸承套裝在星形件四個支臂的外端,而軸承座通過粘彈減擺器與夾板相連接。上、下夾板在外端連接槳葉,而內端通過固定在星形件孔內的球面層壓彈性體軸承與星形件相連接。星形件上伸出的四個支臂在揮舞方面是柔性的。1.整流罩2.自潤滑關節軸承
3.粘彈減擺器4.夾板5.球面彈性軸承6.墊片7.中央星形件8.銷子
槳葉上的離心力通過夾板傳給彈性軸承,彈性體軸承以受壓方式將離心力傳到星形件上(圖2.2-13)。由變距拉桿經搖臂作用到夾板上的扭轉力矩使彈性軸承產生扭轉變形,夾板帶動槳葉一起繞彈性體軸承球中心與關節軸承中心的連線轉動,從而實現槳葉的變距運動,如圖2.2—14所示。
槳葉揮舞運動時,由於星形件柔性臂在揮舞方向是柔性的,因此,當槳葉連同夾板組件一起繞彈性體軸承中心上、下揮舞時,彈性體軸承本身繞球心產生剪切變形,而星形件柔性臂產生上下彎曲變形(見圖2.2—15)。由於星形件柔性臂在擺振方向的剛度要比在揮舞方向大得多,因此當槳葉連同夾板組件一起繞彈性體軸承的中心前後擺動時,彈性體軸承本身產生剪切變形,而在擺振方向剛度比星形件柔性臂低得多的粘彈減擺器的硅橡膠層也將產生剪切變形,這樣既提供了阻尼又附加了彈性約束(見圖2.2—16)。
由以上所述可以看出,這種形式的槳轂實際上就成了在位接處有彈性約束的鉸接式旋翼。其揮舞一階固有頻率wV1=1.04,相應的當量水平鉸外移量約為4.9%只,接近鉸接式旋翼的上限;擺振一階固有頻率。wV1=0.62,接近於擺振柔軟的無鉸式旋翼的下限。所以,星形柔性旋翼其結構動力學特性介於鉸接式與無鉸式之間。採用這種結構動力學佈局的出發點,可能是為了能在操縱功效及角速度阻尼方面比鉸接式有所改善。同無鉸式旋翼一樣,這種形式的旋翼也帶有結構錐度角,以消除旋翼拉力所引起的不變的彎距。“海脈”旋翼的結構錐度角為4.5度,直升機的槳葉還帶有2度的後掠角,這主要是為了改善在巡航狀態時槳轂的受力。
無軸承式旋翼
上面所說的無鉸式旋翼只是沒有揮舞鉸和擺振鉸,卻仍然保留了變距用的軸向鉸,因此也還不是真正的“無鉸”。由於保留了承受很大力矩和離心力的變距鉸,結構重量難以減輕,結構的簡化也受到了限制。無鉸式旋翼合乎邏輯的進一步發展,就是取消變距鉸。無軸承旋翼就是取消了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸的旋翼,槳葉的揮舞、擺振和變距運動都以槳葉根部的柔性元件來完成。
所謂“交叉樑”式的無軸承旋翼方案,原理簡圖見圖2.2—17。槳葉的主要承力件是一根單向碳纖維大梁。 士45’鋪層的玻璃鋼蒙皮構成了槳葉的外形,蒙皮與大梁之間充填泡沫塑料,到達根部蒙皮就轉變成為空心的扭管。空心扭管與大梁沒有聯繫,其內端連操縱搖劈。作用在操縱接臂上的操縱力從扭管向外傳至大梁,使大梁在扭管中的那一部分產生扭轉變形而實現變距。這個方案引人注目地採用了交叉樑的佈局,槳葉的離心力在大梁中自身得到平衡,有可能大大地減輕旋翼的重量。與一般無鉸式旋具相比,重量可減輕50%。圖2.2—18為美國波音—伏托爾公司研製的裝於BO—105直升機上的無軸承旋翼方案。它的特點是採用了兩個“]”型結構的開剖面單向碳纖維樑,樑的內端與固定在旋翼軸上的連接盤相連接,外端連接槳葉,由士45’鋪層的碳纖維構成、固定操縱搖臂的扭管則佈置在兩個“]”型樑之間。兩者之間沒有聯繫,扭管外端與“]”型樑外端固定在一起,內端連接操縱搖劈,來自操縱拐劈上的操縱力通過扭管傳給“]”型樑,使樑產生扭轉變形,以實現變距。