RU2180735C1

RU2180735C1 - Method of balancing helicopter rotors

Info

Publication number: RU2180735C1
Application number: RU2001114530A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Алексеев; С.Г. Гольберг; Е.В. Бусыгин; В.Д. Шершуков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Казанский вертолетный завод"
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-03-20

Abstract

FIELD: check of static balancing of structures, helicopter main rotors and steering rotors in particular. SUBSTANCE: static balancing of blades is effected before mounting the blades on rotor hub and according to results thus obtained, blades are distributed on hub to ensure balancing of centrifugal forces. Trimmers of each blade are turned through angle corresponding to amount of deviation of blades tip from average amount of sagging of rotor blade set. Length of rods of wobbler plate is corrected depending on atmospheric parameters for value corresponding to amount of deviation of averaged magnitude of angle of twist of each blade of set. EFFECT: improved comfort; enhanced safety of flight; reduced losses of power caused by helicopter vibrations. 7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений, в частности к проверке статической балансировки конструкций, и может быть использовано для балансировки несущих и рулевых винтов вертолетов. The invention relates to the field of measurements, in particular to checking the static balancing of structures, and can be used to balance the rotors and tail rotors of helicopters.

Известен способ балансировки воздушных винтов, включающий определение статического момента лопасти в осевом направлении, податливость лопасти в разных сечениях путем нагружения ее постоянной и равной нагрузкой, комплектование их, уравновешивание противоположно расположенных на втулке лопастей и сборку несущего винта. (Авторское свидетельство SU N 1239535 А1. Способ сборки воздушных винтов с податливьми лопастями. - МКИ: G 01 М 1/12. - Бюл. 23, 23.06.1986). Данный способ принят за прототип. A known method of balancing propellers, including determining the static moment of the blade in the axial direction, the flexibility of the blade in different sections by loading it with constant and equal load, picking them, balancing the blades opposite to those located on the hub and assembling the rotor. (Copyright certificate SU N 1239535 A1. Method for assembling propellers with flexible blades. - MKI: G 01 M 1/12. - Bull. 23, 06.23.1986). This method is adopted as a prototype.

Недостатком известного способа является недостаточная сбалансированность воздушных винтов, которая вызывает повышенный уровень вибрации вертолета, что приводит к ухудшению летных характеристик вертолета (дальность полета, грузоподъемность и экономичность) и увеличению вероятности возникновения аварийных ситуаций. The disadvantage of this method is the lack of balance of propellers, which causes an increased level of vibration of the helicopter, which leads to a deterioration in the flight characteristics of the helicopter (flight range, carrying capacity and economy) and increase the likelihood of emergency situations.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение дебаланса и несоконусности лопастей воздушных винтов вертолета за счет дополнительного учета отклонений углов закрутки и центробежных сил лопастей, а также атмосферных условий эксплуатации вертолета. The objective of the proposed technical solution is to reduce the unbalance and inconsistency of the blades of the propellers of the helicopter due to the additional consideration of deviations of the angles of rotation and centrifugal forces of the blades, as well as atmospheric operating conditions of the helicopter.

Технический результат - снижение уровня вибрации, повышение комфортности и безопасности полета, увеличение силы тяги и уменьшение расхода топлива за счет улучшения качества балансировки воздушных винтов вертолета. EFFECT: reduced vibration level, increased flight comfort and safety, increased traction and reduced fuel consumption by improving the quality of balancing of helicopter propellers.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе балансировки воздушных винтов вертолетов, включающем определение продольного статического момента лопасти как произведение массы лопасти на расстояние от центра тяжести ее до оси вращения винта, прогиба в разных сечениях лопасти путем нагружения ее постоянной и равной нагрузкой, уравновешивание противоположно расположенных лопастей, кинематически соединяемых с тягами автомата перекоса, и установку их на втулку воздушного винта, согласно предложенному техническому решению:
1) перед установкой лопастей на втулку воздушного винта каждую лопасть предварительно нумеруют в порядке позиций втулки и на каждой из них замеряют углы закрутки в заданных сечениях, затем по величинам статических моментов моделируют расстановку номеров комплекта лопастей по позициям из условия получения наименьшего дебаланса центробежных сил противоположно устанавливаемых на втулке лопастей, после чего последние закрепляют на втулке в порядке номеров, определенном моделированием;
2) при определении веса и центра тяжести лопасти последнюю устанавливают с опорой на ее носовую часть;
3) перед моделированием расстановки лопастей на втулке воздушного винта производят статическую балансировку всего комплекта по статическим моментам в заданных границах разброса центров тяжестей лопастей путем установки на их концах дополнительных балансировочных грузов;
4) прогиб лопасти определяют путем закрепления ее в горизонтальном положении так, чтобы изгиб лопасти соответствовал изгибу ее в полете вертолета, затем лопасть нагружают постоянной и равной нагрузкой, измеряют прогиб ее в заданных сечениях под действием приложенной нагрузки и по сумме результатов замера определяют среднюю величину прогиба лопасти;
5) прогиб каждой лопасти выравнивают по среднему уровню прогиба всех лопастей комплекта дополнительными аэродинамическими силами, создаваемыми каждой лопастью, для чего ее триммер поворачивают на угол, соответствующий значению и величине отклонения конца лопасти от средней величины прогиба лопастей воздушного винта.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of balancing the propellers of helicopters, including determining the longitudinal static moment of the blade as the product of the mass of the blade by the distance from its center of gravity to the axis of rotation of the screw, deflection in different sections of the blade by loading it with a constant and equal load, balancing opposite blades, kinematically connected with the rods of the swash plate, and installing them on the hub of the propeller, according to the proposed technique to whom the decision:
1) before installing the blades on the propeller hub, each blade is preliminarily numbered in the order of the positions of the hub and the twist angles are measured on each of them in predetermined sections, then the arrangement of numbers of the set of blades according to the positions of the conditions of obtaining the smallest unbalance of the centrifugal forces oppositely set on the sleeve of the blades, after which the latter are fixed on the sleeve in the order of numbers determined by the simulation;
2) when determining the weight and the center of gravity of the blade, the latter is installed with support on its nose;
3) before modeling the arrangement of the blades on the propeller hub, static balancing of the entire set is carried out according to static moments at the given boundaries of the spread of the centers of gravity of the blades by installing additional balancing weights at their ends;
4) the deflection of the blade is determined by fixing it in a horizontal position so that the bend of the blade corresponds to its bend in helicopter flight, then the blade is loaded with constant and equal load, its deflection is measured in predetermined sections under the action of the applied load, and the average amount of deflection is determined by the sum of the measurement results blades;
5) the deflection of each blade is aligned according to the average level of deflection of all the blades of the set with additional aerodynamic forces created by each blade, for which its trimmer is rotated by an angle corresponding to the value and magnitude of the deviation of the end of the blade from the average deflection of the blades of the propeller.

6) длину тяг автомата перекоса воздушного винта устанавливают в соответствии с параметрами атмосферы места эксплуатации вертолета (давления, температуры, плотности и т.п.);
7) длину тяги автомата перекоса для каждой лопасти корректируют на величину, соответствующую величине отклонения усредненного значения угла закрутки лопасти, полученной путем приведения всех углов закрутки лопасти в заданных сечениях с соответствующими им весовыми коэффициентами, от средней величины их по всему комплекту.6) the length of the rods of the propeller swashplate is set in accordance with the atmospheric parameters of the place of operation of the helicopter (pressure, temperature, density, etc.);
7) the length of the thrust of the swash plate for each blade is corrected by a value corresponding to the deviation of the average value of the angle of twist of the blade, obtained by bringing all the angles of twist of the blade in the given sections with the corresponding weight coefficients, from the average value of them throughout the set.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа балансировки воздушных винтов вертолетов, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "новизна". The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that there are no analogues that are characterized by sets of features identical to all the features of the claimed method for balancing helicopter propellers. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "novelty."

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". The search results for known solutions in the art in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the proposed technical solution showed that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art determined by the applicant, the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed technical solution on the achievement of the specified technical result is not revealed. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "inventive step".

На фиг. 1 показана схема расположения лопастей на втулке воздушного винта, вид вертолета сверху; на фиг.2 - лопасть несущего винта; на фиг.3 - схема установки лопасти при статическом балансировании; на фиг.4 - схема измерения прогиба лопасти; на фиг.5 - кинематическая схема соединения тяги автомата перекоса несущего винта с лопастью. In FIG. 1 shows the layout of the blades on the propeller hub, a top view of the helicopter; figure 2 - rotor blade; figure 3 is a diagram of the installation of the blades with static balancing; figure 4 - diagram of the measurement of deflection of the blade; figure 5 - kinematic diagram of the connection of the thrust of the swashplate rotor with the blade.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. The proposed method is as follows.

Перед установкой лопастей 1 на втулку 2 воздушного винта ведут нумерацию лопастей 1 в порядке N в соответствии с позициями П на втулке 2 (фиг.1). Затем лопасть 1 устанавливают на носовую часть 3 ее, измеряют массу m лопасти, находят положение центра тяжести ЦТ и измеряют расстояние х от него до линии 4 центров отверстий на комле 5 лопасти 1 (фиг.2). В заданных сечениях лопасти измеряют углы закрутки φ. Для каждой лопасти комплекта вычисляют продольный статический момент М_ст, как произведение массы т на расстояние R от центра тяжести ЦТ лопасти до оси 6 вращения винта, и по их результатам производят балансировку всего комплекта лопастей в пределах заданных границ разброса центров тяжести х путем установки на их концах дополнительных балансировочных грузов 7. По сбалансированным продольным статическим моментам лопастей 1 моделируют расстановку номеров N комплекта лопастей по позициям П втулки из условия получения наименьшего дебаланса противоположно устанавливаемых на втулке лопастей 1, для чего сравнивают и выбирают наибольший дебаланс центробежных сил ΣP_цб каждой из пар противоположно устанавливаемых лопастей выбранной комбинации расстановки комплекта на втулке несущего винта с последующим выбором варианта расстановки лопастей N на втулке несущего винта с наименьшим дебалансом d из всех комбинаций расстановки комплекта согласно выражению:

,
где i - количество лопастей в комплекте;
j - количество комбинаций, равное i!;
N - порядковый номер лопасти.Before installing the blades 1 on the hub 2 of the propeller, the numbering of the blades 1 in the order N in accordance with the positions P on the sleeve 2 (figure 1). Then the blade 1 is installed on the nose 3 of it, measure the mass m of the blade, find the position of the center of gravity of the CT and measure the distance x from it to the line 4 of the centers of the holes on the butt 5 of the blade 1 (figure 2). In the given sections of the blade, the swirl angles φ are measured. For each blade of the set, the longitudinal static moment M _{st is} calculated as the product of mass m by the distance R from the center of gravity of the center of gravity of the blade to the axis of rotation 6 of the screw, and according to their results, the entire set of blades is balanced within the specified boundaries of the scatter of the centers of gravity x by installing on them the ends of the additional balancing weights 7. According to the balanced longitudinal static moments of the blades 1, the arrangement of numbers N of the set of blades at the positions of the P sleeve is simulated from the condition of obtaining the smallest unbalance oppositely mounted on the hub of the blades 1, which compare and select the greatest unbalance centrifugal force ΣP _cf each pair of oppositely mounted blades selected combination arrangement set on the hub of the rotor and then selecting the option arrangement blade N at the hub of the rotor with the smallest unbalance d of all combinations set arrangement according to the expression:

,
where i is the number of blades in the kit;
j is the number of combinations equal to i !;
N is the serial number of the blade.

После этого определяют прогиб f каждой лопасти N (фиг.4). Для этого лопасть 1 комлем 5 закрепляют в горизонтальном положении так, чтобы изгиб лопасти соответствовал изгибу ее в полете вертолета, затем лопасть нагружают постоянной и равной нагрузкой 8, измеряют прогиб f ее в заданных сечениях 9 и по сумме результатов замера определяют среднюю величину прогиба лопасти. Затем прогиб каждой лопасти выравнивают по среднему уровню прогиба всех лопастей комплекта дополнительными аэродинамическими силами, создаваемыми каждой лопастью, для чего ее триммер 10 поворачивают на угол α, соответствующий значению и величине отклонения конца лопасти от средней величины прогиба лопастей несущего винта. После всего лопасти 1 закрепляют на втулке в порядке номеров N, определенном моделированием, и соединяют их с тягами 11 автомата перекоса несущего винта (фиг. 5). Длину l тяг автомата перекоса устанавливают в соответствии с параметрами атмосферы места эксплуатации вертолета (давления, температуры, плотности и т.п.). Длину l тяги 11 автомата перекоса для каждой лопасти N корректируют на величину Δl, соответствующую величине отклонения усредненного значения угла закрутки лопасти, полученной путем приведения всех углов закрутки φ лопасти 1 по сечениям 9 с соответствующими им весовыми коэффициентами, от средней величины их по всему комплекту. After that, the deflection f of each blade N is determined (Fig. 4). To do this, blade 1 with butt 5 is fixed in a horizontal position so that the blade bends correspond to its bend in helicopter flight, then the blade is loaded with a constant and equal load of 8, the deflection f is measured in the given sections 9 and the average value of the deflection of the blade is determined by the sum of the measurement results. Then, the deflection of each blade is equalized to the average level of deflection of all blades of the set with additional aerodynamic forces created by each blade, for which its trimmer 10 is rotated through an angle α corresponding to the value and magnitude of the deviation of the end of the blade from the average deflection of the rotor blades. After all, the blades 1 are fixed on the sleeve in the order of numbers N, determined by modeling, and connect them to the rods 11 of the rotor swashplate (Fig. 5). The length l of the swashplate rods is set in accordance with the atmospheric parameters of the place of operation of the helicopter (pressure, temperature, density, etc.). The length l of the thrust 11 of the swash plate for each blade N is adjusted by the value Δl corresponding to the deviation of the average value of the angle of twist of the blade obtained by reducing all the twist angles φ of the blade 1 along sections 9 with their respective weight coefficients from their average value for the whole set.

Пример осуществления способа балансировки несущего пятилопастного винта. An example of the method of balancing the main five-blade rotor.

Перед установкой лопастей на втулку несущего винта вертолета МИ-8 брали комплект лопастей в количестве 5 штук и нумеровали их по порядку номеров от 1 до 5. Затем каждую лопасть 1 с базой на носовую часть 3 устанавливали в балансировочное устройство и определяли массу m и положение центра тяжести лопасти, затем измеряли расстояние х от ЦТ до линии 4 центров отверстий на комле 5 лопасти 1. С помощью приспособления в заданных сечениях 9, 15 и 20 лопасти 1 измеряли углы закрутки φ лопасти. Результаты измерений сведены в табл. 1. Before installing the blades on the rotor hub of the MI-8 helicopter, we took a set of blades in the amount of 5 pieces and numbered them in the order of numbers from 1 to 5. Then each blade 1 with the base on the bow 3 was installed in the balancing device and the mass m and the center position were determined the severity of the blade, then measured the distance x from the center point to the line 4 of the centers of the holes on the butt 5 of the blade 1. Using the device in the given sections 9, 15 and 20 of the blade 1, the twist angles φ of the blade were measured. The measurement results are summarized in table. 1.

Для каждой лопасти комплекта вычислили продольный статический момент М_ст, как произведение массы m на расстояние R от центра тяжести ЦТ лопасти до оси 6 вращения винта, и по их результатам производили балансировку всего комплекта лопастей путем установки на их концах дополнительных балансировочных грузов 7. Результаты балансировки продольных статических моментов комплекта лопастей приведены в табл. 2.For each blade of the set, the longitudinal static moment M _{st was} calculated as the product of mass m by the distance R from the center of gravity of the center of gravity of the blade to the axis of rotation 6 of the screw, and according to their results, the entire set of blades was balanced by installing additional balancing weights at their ends 7. Balancing results longitudinal static moments of a set of blades are given in table. 2.

По сбалансированным продольным статическим моментам лопастей 1 произвели моделирование расстановки номеров N комплекта лопастей по позициям П из условия получения наименьшего дебаланса противоположно устанавливаемых на втулке лопастей 1, для чего сравнивали и выбирали наибольший дебаланс d_max центробежных сил каждой из пар противоположно устанавливаемых лопастей выбранной комбинации расстановки комплекта на втулке несущего винта с последующим выбором варианта расстановки лопастей N на втулке несущего винта с наименьшим дебалансом d_min из всех комбинаций расстановки комплекта. После этого определяли стрелу прогиба f каждой лопасти N. Для этого лопасть 1 комлем 5 закрепляли в горизонтальном положении, затем лопасть нагружали постоянной и равной нагрузкой 8 весом 5 кг и измеряли прогиб f ее в сечениях 9, 15 и 21, образуемый под воздействием веса G лопасти 1 и нагрузки 8. Результаты измерений сведены в табл. 3.Using the balanced longitudinal static moments of the blades 1, we simulated the arrangement of numbers N of the set of blades at positions P from the condition of obtaining the smallest unbalance of the blades 1 oppositely installed on the sleeve, for which we compared and selected the largest unbalance d _{max of} centrifugal forces of each of the pairs of oppositely set blades of the selected combination combination of the set of blades on the rotor hub with the subsequent choice of the arrangement of N blades on the rotor hub with the smallest unbalance d _min from all combinations of arrangement of a set. After that, the deflection arrow f of each N blade was determined. For this, the blade 1 with butt 5 was fixed in a horizontal position, then the blade was loaded with a constant and equal load of 8 weighing 5 kg and the deflection f of it was measured in sections 9, 15 and 21, formed under the influence of weight G blades 1 and load 8. The measurement results are summarized in table. 3.

По сумме результатов замера определили среднюю величину стрелы прогиба f_cрл лопасти. Затем стрелу прогиба каждой лопасти выравнивали по среднему уровню прогиба всех лопастей триммерами 10, поворачивая их на угол α, соответствующий значению и величине отклонения конца лопасти от средней величины прогиба комплекта f_cpк лопастей несущего винта. После этого лопасти 1 закрепили на втулке в порядке номеров N, определенном моделированием, и соединили их с тягами 11 автомата перекоса несущего винта. Длину l тяг автомата перекоса установили равной 380 мм в соответствии с параметрами атмосферы места эксплуатации вертолета (давления 750 мм рт. ст., температуры - 2^oС, плотности 1,0485 кг/м³).By the sum of the measurement results, the average value of the deflection arrow f _{crl of the} blade was _determined . Then, the deflection arrow of each blade was aligned with the average level of deflection of all blades with trimmers 10, turning them by an angle α corresponding to the value and deviation of the end of the blade from the average deflection of the set f _cpc of the rotor blades. After that, the blades 1 were fixed on the sleeve in the order of numbers N, determined by modeling, and connected them with rods 11 of the rotor swashplate. The length l of the tilt of the swash plate was set equal to 380 mm in accordance with the atmospheric parameters of the helicopter's operating site (pressure 750 mmHg, temperature 2 ^o C, density 1.0485 kg / m ³ ).

Длину l тяги 11 автомата перекоса для каждой лопасти N корректировали на величину, соответствующую значению и величине отклонения усредненного значения угла закрутки лопасти φ_срл, полученным путем приведения всех углов закрутки φ лопасти 1 по сечениям 9 с соответствующими им весовыми коэффициентами, от средней величины их по всему комплекту φ_срк. Результаты расчетов приведены в табл. 4.The length l of the thrust 11 of the swash plate for each blade N was corrected by a value corresponding to the value and the deviation of the average value of the angle of twist of the blade φ _cfr obtained by reducing all the twist angles φ of the blade 1 over sections 9 with their respective weight coefficients from their average value over the whole set of φ _srk . The calculation results are given in table. 4.

На этом закончили балансировку несущего винта вертолета. This finished balancing the rotor of the helicopter.

Балансировка воздушных винтов предложенным способом позволила ликвидировать тряску и свести к минимуму вибрацию вертолета, повысить тягу несущего винта за счет высвобождаемой дополнительной мощности, непроизводительно затрачиваемой на возбуждение колебаний корпуса вертолета. В результате, вместе с повышением надежности вертолета и комфортности полета, увеличены скорость, грузоподъемность, экономичность и срок эксплуатации вертолета. После перебалансировки предложенным способом лопастей эксплуатируемых вертолетов их скорость возросла до 30%. The balancing of propellers by the proposed method made it possible to eliminate shaking and minimize the vibration of the helicopter, to increase the thrust of the rotor due to the released additional power, unproductive spent on exciting oscillations of the helicopter body. As a result, along with increasing the reliability of the helicopter and flight comfort, the speed, carrying capacity, economy and life of the helicopter are increased. After rebalancing the proposed method of the blades of operated helicopters, their speed increased to 30%.

Claims

1. The method of balancing the propellers of helicopters, including determining the longitudinal static moment of the blade as the product of the mass of the blade by the distance from its center of gravity to the axis of rotation of the screw, deflection in different sections of the blade by loading it with a constant and equal load, balancing oppositely located blades kinematically connected to rods of the swash plate, and installing them on the propeller hub, characterized in that before installing the blades on the propeller hub, each blade is preliminarily They are numbered in the order of the positions of the bushings and the twist angles in the given sections are measured on each of them, then, according to the values of the static moments, the arrangement of the numbers of the set of blades according to the positions is obtained from the condition of obtaining the smallest unbalance of the centrifugal forces of the blades oppositely installed on the sleeve, after which the latter are fixed on the sleeve in the order of numbers defined by the simulation.

2. The method according to p. 1, characterized in that when determining the weight and center of gravity of the blade, the latter is installed with support on its nose.

3. The method according to p. 1, characterized in that before modeling the arrangement of the blades on the propeller hub, the whole set is statically balanced according to the static moments at the specified boundaries of the scatter of the centers of gravity of the blades by installing additional balancing weights at their ends.

4. The method according to p. 1, characterized in that the deflection of the blade is determined by fixing it in a horizontal position so that the bend of the blade corresponds to its bend in helicopter flight, then the blade is loaded with constant and equal load, its deflection is measured in predetermined sections under the action of the applied load and the sum of the measurement results determine the average deflection of the blade.

5. The method according to p. 1, characterized in that the deflection of each blade is aligned with the average level of deflection of all blades of the set with additional aerodynamic forces created by each blade, for which its trimmer is rotated by an angle corresponding to the value and magnitude of the deviation of the end of the blade from the average amount of deflection propeller blades.

6. The method according to p. 1, characterized in that the length of the rods of the swashplate of the propeller is set in accordance with the atmospheric parameters of the place of operation of the helicopter (pressure, temperature, density, etc.).

7. The method according to p. 6, characterized in that the thrust length of the swash plate for each blade is adjusted by a value corresponding to the deviation of the average value of the angle of twist of the blade, obtained by bringing all the angles of twist of the blade in the given sections with their respective weight coefficients, from the average their values throughout the set.