Флаттер на вертолете

Начало обсуждения взято с Морского форума.

26 сентября 1983 года, Ав. крейсер "Новороссийск"
Была небольшая качка, ветер над палубой 15-18 м/с, море 4 балла. В воздухе находилось 8 вертолетов. Около 15.00 на носовой взлетно-посадочной площадке выполнялась регулировка двигателей вертолета Ка-27 после ремонта. При наборе оборотов неожиданно схлестнулись лопасти верхнего и нижнего винтов. Это явление называется "флаттер".
Так пишет испытатель корабля.

 

Можно предположить что это был "заброс" лопастей из-за порыва ветра. Пока винты не раскручены до рабочих оборотов, центробежная сила еще недостаточна, чтобы удерживать лопасти в "горизонтальном" положении. Если центробежные ограничели свеса, как указал Дмитрий, уже отключились, то значительный порыв ветра может заставить лопасть сильно взмахнуть вверх ("забросить" лопасть), что и приведет к соударению.
У соосного вертолета два винта вращающихся в противоположные стороны. Для простоты рассмотрим половинки винтов (верхнего и нижнего с одной стороны от вала винта). Пусть порыв ветра подул навстречу вращению нижнего винта, тогда он же будет попутным вращению половинки верхнего винта. Это приводит к увеличению подъемной силы сечений лопастей на нижнем винте (скорость на нем увеличивается) и ее снижению на верхнем винте (скорость обтекания уменьшается). Лопасти нижнего винта, получив большую подъемную силу, начинают взмахивать вверх, а верхнего, из-за уменьшившейся поъемной силы, идти вниз. Чем сильнее порыв ветра (внешнее возмущение) и меньше скорость вращения винтов (собственная скорость лопастей), тем больше будет отклонение лопастей от нормального положения, вплоть до соударения.

Для примера, какие существуют ограничения на однотипном гражданском вертолете:

2.2.3. Максимально допустимая скорость ветра (результирующего воздушного потока)
2.2.3.1. При раскручивании, останове Н.В. и рулении:
- встречного - 20 м/с;
- бокового и попутного - 10 м/с.
Причина ограничений - по сближению лопастей Н.В. между собой и лопастей нижнего Н.В. с элементами конструкции при раскручивании и останове Н.В. и запасам управления при рулении.

...

2.2.3.5. Максимально допустимые углы крена судна при расшвартовке вертолета, буксировке по ВППл и в ангаре, раскручивании и останове Н.В., взлете и посадке:
- бортовая качка - 10°;
- килевая качка - 3°.
Примечение: Для каждого судна могут быть установлены дополнительные ограничения.

 

Начало обсуждения взято с Морского форума.

 

Дополню выше указанную статью продолжением.
Носовая взлетно-посадочная площадка (ВППл № "С"), откуда взлетают спасатели и разведчики погоды и где произошло схлестывание, является наиболее неблагоприятной для раскрутки винтов из-за турбулентных потоков воздуха на носовом срезе полетной палубы. Чрезвычайно опасной является и циркуляция корабля во время раскрутки и остановки винтов, когда при больших (до 35°) углах перекладки рулей длительный и устойчивый крен корабля на один борт может достигать 15°.

Собственно сам флаттер (изгибный и крутильный) лопастей на вертолете является полным аналогом флаттера крыла самолета.
Наиболее простой и действенный способ борьбы - как можно более передняя поперечная центровка. Этого добиваются подбором конструкции лопастей: облегчением задней части сечений и утяжелением носовой, в т.ч. установкой протифлаттерных грузов в носке лопасти. Согласно требованиям проявление флаттера недопустимо по всем диапазоне разрешенных скоростей полета вертолета.
Исследования на флаттер чаще всего проводят при наземных гонках. Для этого на хвостовую часть лопастей прикрепляют провоцирующие грузы, которые сдвигают центровку назад - провоцируют появление флаттера. Если при раскрутке винтов флаттер не появился, то грузы увеличивают и испытания повторяют. Если флаттера нет при установке самого большого груза, то в паспорт лопастей записывают "Флаттерный сигнал отсутствует" и лопасти допускаются к эксплуатации без ограничений по скорости (естественно, в эксплуатации провоцирующие грузы снимают ). Если флаттер появился, то в паспорте лопастей может стоять ограничение по максимальной скорости, например, до 170 км/ч.
Но флаттер может появиться на прошедших испытания лопастях. Если ЛКП лопастей имет повреждение (что часто случается), то в хвостовые отсеки (в сотовый наполнитель) может попасть вода. Например, если лопасти долго хранились под открытым небом. А скопившаяся в сотах вода приводит к смещению центровки назад. На практике, вроде бы, эти дефекты удается отловить быстее, чем они приводят к флаттеру.

---
Дополню картинкой сечения лопасти, для интересующихся "а что там внутри?"

Тимофей, +5.

Можно предположить что это был "заброс" лопастей из-за порыва ветра. Пока винты не раскручены до рабочих оборотов, центробежная сила еще недостаточна, чтобы удерживать лопасти в "горизонтальном" положении. Если центробежные ограничели свеса, как указал Дмитрий, уже отключились, то значительный порыв ветра может заставить лопасть сильно взмахнуть вверх ("забросить" лопасть), что и приведет к соударению.

 

У меня было такое квазинаучное предположение :):

Ограничитель свеса управляется грузом, находящимся на наклонном рычаге; на груз действует сила земного притяжения (она заставляет ограничитель запирать ГШ) и, с началом вращения НВ, центробежная сила (она стремится отпереть шарнир). При достижении определённого числа оборотов центробежная сила растёт достаточно, чтобы преодолеть сопротивление гравитации в воздействии на рычаг с грузом — ГШ получает свободу.

Вертолёт находился на палубе и испытывал качку вместе с кораблём-носителем. В качке наверняка была вертикальная составляющая, и действующая на груз ограничителя сила тяготения периодически ослаблялась за счёт отрицательной перегрузки. В момент такого ослабления ограничитель мог раскрыться до достижения расчётных оборотов, и лопасть получила свободу движения в горизонтальном шарнире, когда центробежная сила была недостаточной, чтобы противостоять возмущающим воздействиям на лопасть.

У меня было такое квазинаучное предположение :):

Ограничитель свеса управляется грузом, находящимся на наклонном рычаге; на груз действует сила земного притяжения (она заставляет ограничитель запирать ГШ) и, с началом вращения НВ, центробежная сила (она стремится отпереть шарнир). При достижении определённого числа оборотов центробежная сила растёт достаточно, чтобы преодолеть сопротивление гравитации в воздействии на рычаг с грузом — ГШ получает свободу.

Вертолёт находился на палубе и испытывал качку вместе с кораблём-носителем. В качке наверняка была вертикальная составляющая, и действующая на груз ограничителя сила тяготения периодически ослаблялась за счёт отрицательной перегрузки. В момент такого ослабления ограничитель мог раскрыться до достижения расчётных оборотов, и лопасть получила свободу движения в горизонтальном шарнире, когда центробежная сила была недостаточной, чтобы противостоять возмущающим воздействиям на лопасть.

 

Только это не флаттер. При флаттере лопасть разрушается сама, без всяких соударений.
То есть схлестывание лопастей или удар лопасти о балку тоже происходят из-за недостаточной жесткости
и/или центровки лопасти, но это происходит еще ДО Vкрит флаттера
PS я так понимаю, эта тема пришла из морского?

на груз действует сила земного притяжения (она заставляет ограничитель запирать ГШ)

 

+ пружина. Обычно ограничитель возращается в исходное положение усилием пружины. Затяжкой которой как раз удобнее задавать момент срабатывания ограничителя.
Картинку втулки Ми-8 нашел, а по камовской - все руки (или ноги?) никак не доходят :-
С этими ограничителями существует еще один вид нагружения лопасти (расчетный случай) - удар об ограничитель свеса. Когда лопасть на стоянке вертолета от порыва ветра взмахиет вверх на некоторый угол, а потом, после прекращения порыва, под своим весом падает на ограничитель. Задача конструктора - предусмотреть такой вариант и спроектировать лопасть, которая не переломится в этом случае. Расчеты - расчетами, но чтобы лопасти не болтались на стоянке, их швартуют.

Дмитрий, скорее всего было не так научно Ветер над палубой до 18 м/с - это довольно близко к ограничениям, 20 м/с (опять же - это для гражданской модификации). Как уже дополнили, сложные турбулентные потоки над площадкой запуска вполне могли организовать "нештатный" порыв ветра и кратковременно выйти за ограничения.

При флаттере лопасть разрушается сама, без всяких соударений.

 

Всеже лопасть - довольно гибкая конструкция и подвешена шарнирно, в отличии от того же крыла самолета. Чаще всего флаттер выражается в виде тряски и выпадении лопасти из конуса винта (отрывок РЛЭ я приводил выше).
Хотя, писали, что на первых Ми-4 размытие конуса доходило до того, что лопасти били по кабине.

То есть схлестывание лопастей или удар лопасти о балку тоже происходят из-за недостаточной жесткости
и/или центровки лопасти, но это происходит еще ДО Vкрит флаттера

 

Соударения лопастей между собой и с элементами конструкции - это чаще всего ошибки управления (нарушения).

Уважаемый Тимофей,
большое спасибо!

+ пружина. Обычно ограничитель возращается в исходное положение усилием пружины. Затяжкой которой как раз удобнее задавать момент срабатывания ограничителя.
Картинку втулки Ми-8 нашел

 

Насколько я разобрался в рисунке, пружина обозначена номером 42.
Схемы втулок НВ камовских вертолётов, в отличие от схем соосных колонок, мне как-то не попадались, потому и предположение об устройстве ограничителей свеса получилось такое... умозрительное .
Справедливости ради стоит сказать, что смутные мысли о желательности пружин в конструкции ограничителей у меня появлялись .

Соударения лопастей между собой и с элементами конструкции - это чаще всего ошибки управления (нарушения).

 

Это причины, а следствия возникают из-за недостаточной (как правило, не рассчитаной на эти режимы)
жесткости элемента

Насколько я разобрался в рисунке, пружина обозначена номером 42.

 

Да, верно

Это причины, а следствия возникают из-за недостаточной (как правило, не рассчитаной на эти режимы)
жесткости элемента

 

Поясните. Следствием как раз и является соударение лопастей винтов между собой и лопастей с элементами конструкции.
Вертолет проектируется под определенные режимы эксплуатации. Вне этих границ может произойти что угодно - конструкторы на такое не расчитывали. По большому счету, за пределами ограничений вертолет вообще не должен уметь летать (садиться, перевозить грузы и проч.). Если он это делает, то это значит в нормальных условиях он возит с собой лишнее.

..
Поясните. Следствием как раз и является соударение лопастей винтов между собой и лопастей с элементами конструкции.
Вертолет проектируется под определенные режимы эксплуатации. Вне этих границ может произойти что угодно - конструкторы на такое не расчитывали. По большому счету, за пределами ограничений вертолет вообще не должен уметь летать (садиться, перевозить грузы и проч.). Если он это делает, то это значит в нормальных условиях он возит с собой лишнее.

 

Просто мы с разных сторон смотрим на один факт. Для конструктора соударение лопастей-следствие
недостаточной жесткости лопасти (потому как он не считал на эти режимы). А не считал по причине того,
что не думал, что пилот может загнать машину в эти режимы.

Уважамый Конструктор,

Просто мы с разных сторон смотрим на один факт. Для конструктора соударение лопастей-следствие
недостаточной жесткости лопасти.

 

если посмотреть с ещё одной стороны ;), то жёсткость, которую абстрактный конструктор из Вашей фразы посчитал бы достаточной, на самом деле будет излишней.

Для вертолётных НВ, жёстких или шарнирных, справедлива будет фраза Aazа: «Всё, что не гнётся — ломается».

Уважамый Конструктор,
если посмотреть с ещё одной стороны ;), то жёсткость, которую абстрактный конструктор из Вашей фразы посчитал бы достаточной, на самом деле будет излишней.

Для вертолётных НВ, жёстких или шарнирных, справедлива будет фраза Aazа: «Всё, что не гнётся — ломается».

 

Дык "жесткие" лопасти тоже гнутся. Или это для вас откровение?
Просто "абстрактный конструктор" задаст жесткость лопастей, не превышающую допустимого
прогиба при разрешенных (указанных в ТТЗ) режимах.

Дык "жесткие" лопасти тоже гнутся. Или это для вас откровение?

 

Не откровение . Тимофей меня просвещал по вопросу жёстких НВ два года назад. Что жёсткий НВ есть на самом деле втулка без горизонтальных и вертикальных шарниров плюс гибкие лопасти.

Просто "абстрактный конструктор" задаст жесткость лопастей, не превышающую допустимого
прогиба при разрешенных (указанных в ТТЗ) режимах.

 

Возвращаясь к конкретному разбираемому случаю, соударение лопастей стало возможным, т. к. лопасти имели свободу движения в ГШ. ПМСМ, при заложенных изначально геометрических параметрах колонки, втулок и лопастей, нельзя дать 100% гарантии, что таких случаев не будет. Если уменьшить углы отклонения ГШ, то это очень плохо скажется на ресурсе втулок и лопастей; если поднять винты выше и/или увеличить разнос винтов, то это не менее плохо скажется на прочности колонки, и увеличит аэродинамическое сопротивление вертолёта.
Из этих соображений диапазон допустимых эксплуатационных нагрузок определяют таким, чтобы конструкция по весовым характеристикам не приближалась к чугунному литью .
На практике же ситуации, когда нагрузки получаются выше допустимых, могут встречаться — рассматриваемый случай тому пример. Тут уж ничего не поделаешь .

Чем сильнее порыв ветра (внешнее возмущение) и меньше скорость вращения винтов (собственная скорость лопастей), тем больше будет отклонение лопастей от нормального положения, вплоть до соударения.

 

Мне все же кажется, что там существует некая "критическая" скорость вращения роторов. Потому как в начале раскрутки разница подъемных сил обусловлена только обдувом ветром профиля "в лоб" и "в хвост" - разница скоростей мала.

Дык "жесткие" лопасти тоже гнутся.

 

Жесткими можно пожалуй назвать только лопасти рулевого винта
Лопасти несущего винта довольно гибки. Жесткость им придает (вытягивает) центробежная сила. Она почти на порядок превосходил остальные силы, действующие на лопасть.
Но как бы не изгибалась сама лопасть, это не столь значительно в сранении с тем, что лопасть закреплена шарнирно. В шарнирах она будет качатся, как ей заблагорассудится. Существуют упрощенные модели, где лопасть несущего винта рассматривается как абсолютно жесткая балка на шарнирном подвесе. Причем такие расчеты махового движения лопастей дают удовлетворительные результаты.

Просто "абстрактный конструктор" задаст жесткость лопастей, не превышающую допустимого прогиба при разрешенных (указанных в ТТЗ) режимах.

 

Так вертолет и делается под определенное ТЗ. Под "все на свете" сделать никто не возьмется.

Пока не нашлась схемка втулок соосных винтов, так хоть фотографию сделал. Дмитрий, найдете на ней грузы ограничителей?

Мне все же кажется, что там существует некая "критическая" скорость вращения роторов. Потому как в начале раскрутки разница подъемных сил обусловлена только обдувом ветром профиля "в лоб" и "в хвост" - разница скоростей мала.

 

Поэтому и ставят центоробежные ограничители свела (взмаха) лопастей. При достижении определенной частоты вращения они открываются и предоставляют лопасти большую подвижность в горизонтальном шарнире. До этого (на меньших оборотах) они закрыты и удерживают лопасть от излишне свободных движений.

Про скорости я не понял Вашу мысль. Если смотреть на стояке (не вращающийся винт), то ветер, дуя лопасти "в лоб", может поднять ее, если у него хватит сил. Такая лопасть может взмахнуть вплоть до упора на верхний ограничитель (или центробежный ограничитель взмаха, который будет закрыт). Дуя лопасти "в хвост", ветер лишь прижимает лопасть к нижнему ограничителю - она и там на нем лежит под собстенным весом. Случай, когда ветер столь силен, что лопасть начинает болтаться и раскачиваться, подпрыгивая на ограничителе, мы не берем
По мере того, как винт начинает набирать обороты, растет собственная скорость сечений лопасти. И разнича скоростей от ветра становится все менее влияющей величиной. Тем более на лопасти появлется центробежная сила, действие которой надо преодолеть аэродинамическим силам.

Дмитрий, найдете на ней грузы ограничителей?

 

Похоже, отыскал.
Грузы ограничителей на втулке верхнего НВ видны под ГШ, а на нижней втулке над шарнирами.

Dmitry_A> Грузы ограничителей на втулке верхнего НВ видны под ГШ, а на нижней втулке над шарнирами.

Т.е. первый является центробежным ограничителем свеса, а второй - ограничителем взмаха

После ознакомления со схемами шарнирных втулок жёсткие винты начинают выглядеть куда более заманчиво...

Скажем так, не жёсткое, а эластичное крепление лопастей.

шурави> эластичное крепление лопастей

Это тоже достаточно интересно. Такие НВ ведут себя так же, как с шарнирными втулками, но требуют меньше обслуживания.

В качестве примера конструкции — втулка MD-900. Лопасть подвешена на вилкообразном торсионе.


У «Аэроспасьяль» есть своя система «Старфлекс». Лопасти крепятся к лучам эластичной звезды из композитного материала. Втулка Aerospatiale AS.365:

Dmitry_A> После ознакомления со схемами шарнирных втулок жёсткие винты начинают выглядеть куда более заманчиво...
Наглядная демонстрация пункта преимуществ жестких винтов "простота конструкции"
Хотя мы рассматриваем схемы одной из самых "навороченных" (сложных) шарнирных втулок - соосной со складывающимися лопастями.

шурави> не жёсткое, а эластичное крепление лопастей.
Есть и жесткая заделка, где роль шарнира берет на себя сама лопасть с упругим комлем.

Добавлю к теме: