Ученые Пермского Политеха разработали новый метод проектирования лопастей несущего винта вертолета
Во время работы лопасти несущего винта вертолета создают существенные вибрации и шум, которые вызывают дискомфорт пассажиров, увеличивают рабочую нагрузку летчика, ограничивают скорость горизонтального полета, снижают срок службы рабочих элементов и увеличивают эксплуатационные расходы. Так происходит из-за изменения структуры и интенсивности набегающего воздушного потока, что существенно влияет на аэродинамические нагрузки, действующие на лопасть. Ученые Пермского Политеха разработали методику проектирования конструкции винта с активным закручиванием, которое позволят лопастям автоматически приспосабливаться к изменениям нагрузок в любой момент времени.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика» №3 за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Для снижения возникающих в полете вибраций и шума используют различные методы. Традиционный способ – виброгасители и амортизаторы, но они приводят к нежелательному увеличению массы конструкции. Другие методы, например, раздельное управление лопастями, имеют недостатки, связанные с неблагоприятными требованиями к мощности и механической сложностью работы внутренних систем.
Современные лопасти преимущественно изготавливают из композиционных материалов, что позволяет значительно снизить массу при сохранении требуемой прочности и жесткости конструкции. Вместе с тем появляется возможность встраивать в конструкцию пьезоэлектрические актуаторы и датчики в технологическом процессе изготовления. Пьезоактуаторы — устройства, преобразующие электрическую энергию в механическое движение из-за особого материала, который деформируется при подаче на него сигнала. Благодаря ним конструкция лопасти изменяется, что позволяет подстраиваться под конкретные условия полета и приводит к улучшению летных характеристик.
Ученые Пермского Политеха разработали методику проектирования конструкции лопасти с изменяемой геометрией. Она состоит из трех программных блоков. Первый – это математическая модель, которая рассчитывает деформацию лопасти при заданных значениях конструктивных параметров. Второй – построение матрицы экспериментов, которая показывает, как будет работать лопасть при разных нагрузках. Третий блок используется для расчета оптимальных конструктивных параметров лопасти с точки зрения изменения геометрии, а именно, угла закручивания.
В результате проведенных исследований эксперты выяснили, что наименьшее влияние на угол закручивания оказывает длина стенки лонжерона (4,6%), умеренный эффект возникает от его толщины (7,7%). Наибольшее влияние оказывает толщина оболочки (48%) и длина пьезоактуатора (64%).
– Управление углом закручивания позволяет предотвратить возникновение турбулентного потока по следу лопасти, снизить шум и вибрации несущего винта вертолета. Мы определили основные варьируемые параметры конструкции лопасти с различными материалами обшивки. Сравнительный анализ показал, что разница между решением, полученном в третьем блоке, и расчетами прямого численного моделирования не превышает 9%, что говорит о хорошей корреляции результатов, – комментирует Павел Писарев, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Ученые Пермского Политеха разработали уникальную методику проектирования конструкции лопасти вертолета с управляемой геометрией. Она позволит снизить шум и вибрации, сделать полет более комфортным за счет возможности «подстраиваться» под текущие нагрузки и погодные условия.