Wirnik nośny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Statek powietrzny z przechylanymi wirnikami nośnymi

Wirnik nośny - jest to zespół konstrukcyjny wiropłatu odpowiedzialny za:


Wirnik nośny składa się z łopat (metalowych, drewnianych bądź kompozytowych) oraz piasty osadzonej na wale napędowym wirnika nośnego. W śmigłowcach wał napędowy połączony jest poprzez przekładnię główną z silnikiem. W wiatrakowcach wał pełni funkcję łożyskowanej osi obrotu dla wirnika. Sterowanie wirnikiem nośnym umożliwia tarcza sterująca.

Napęd wirnika nośnego stanowi silnik (jeden lub więcej) tłokowy bądź turbinowy o specjalnej konstrukcji. Powstały też śmigłowce, w których napęd wirnika nośnego stanowiły dysze bądź nawet całe silniki odrzutowe umieszczane na końcach łopat wirników. W przypadku konstrukcji o jednym wirniku napędzanym silnikiem poprzez wał napędowy w celu zrównoważenia momentu obrotowego konieczne jest stosowanie śmigła ogonowego.

Wirnik nośny jest podstawowym źródłem drgań i hałasu śmigłowca oraz stanowi zagrożenie dla otoczenia.

Cechą wirników nośnych ze zmiennym kątem natarcia łopat jest możliwość zapewnienia autorotacji czyli wiatrakowania wirnika w przypadku awarii zespołu napędowego. Do utrzymania obrotów wirnika wykorzystuje się wówczas energię przepływającego przez wirnik powietrza. Energię kinetyczną wirnika, dzięki dużemu momentowi bezwładności i dużej prędkości obrotowej, można wtedy wykorzystać do bezpiecznego wyhamowania wiropłatu przed przyziemieniem.

Śmigłowce najczęściej są budowane w tzw. układzie klasycznym: z jednym wirnikiem nośnym i śmigłem ogonowym. Bywają jednak śmigłowce z dwoma, a w przeszłości nawet z czterema i więcej wirnikami nośnymi (patrz: śmigłowiec).

Wymagania stawiane wirnikom nośnym[edytuj | edytuj kod]

Wymagania aerodynamiczne:

  • Duża sprawność wirnika w locie silnikowym i w trakcie autorotacji
  • Nieodrywanie się strug powietrza na końcowych odcinkach łopat
  • Liczby Macha na końcach łopat mniejsze od wartości krytycznych (0,8 – 0,85Ma)
  • Minimalne odkształcenia profili łopat podczas lotu
  • Małe momenty w przegubach głowicy

Wymagania dotyczące sztywności i trwałości:

  • Brak rezonansów i flatteru
  • Nieuleganie uszkodzeniom zmęczeniowym
  • Brak występowania odkształceń trwałych
  • Odpowiednia sztywność łopat na zginanie i skręcanie

Wymagania z zakresu produkcji:

  • Prostota wykonania i powtarzalność geometrii
  • Zamienność
  • Łatwość wyważania

Ponadto wirnik nośny powinien spełniać założenie lekkości przy jednoczesnym dużym momencie bezwładności wirnika względem osi obrotu koniecznym z uwagi na bezpieczeństwo podczas autorotacji. Wirnik nośny powinien być wyposażony w urządzenia tłumiące drgania i zabezpieczające przed kolizją z innymi częściami śmigłowca.

Podział[edytuj | edytuj kod]

Wirniki nośne możemy podzielić ze względu na np.:

  • liczbę łopat
  • sposób sterowania skokiem
  • sposób łączenia łopat wirnika z głowicą

Podane przykłady kategorii nie wykluczają się nawzajem.


Najważniejszym pod względem konstrukcyjnym jest podział wirników ze względu na sposób łączenia łopat z głowicą. Wyróżniamy wówczas wirniki:

  • przegubowe
  • wahliwe
  • bezprzegubowe
  • bezłożyskowe


Budowa wirnika nośnego[edytuj | edytuj kod]

Łopata wirnika nośnego[edytuj | edytuj kod]

Łopata wirnika nośnego posiada kształt smukłego płata, który obracając się z dużą prędkością wytwarza siłę nośną i umożliwia sterowanie śmigłowcem.

Przekrój łopaty wirnika nośnego ma kształt profilu lotniczego. W początkowym okresie rozwoju wiropłatów na profile łopat wirników nośnych były stosowane profile symetryczne (np. NACA 0012, NACA 0015…). Obecnie, z uwagi na dążenie do uzyskania lepszych osiągów, na długości łopaty stosuje się różne (skręcenie aerodynamiczne), odpowiednio dobrane profile niesymetryczne. Najczęściej – z uwagi na technologię procesu produkcji – łopaty posiadają dwa profile, z których jeden na odcinku od nasady do ok. 0,7 długości promienia. W rzucie z góry łopaty mają kształt prostokątny, przy czym mogą mieć różne końcówki:

  • z eliptyczną owiewką
  • trapezową
  • ze skośnymi krawędziami natarcia i spływu
  • tzw. BERP (British Experimental Rotor Program); np. śmigłowiec Westland Lynx

Łopata wirnika nośnego posiada także skręcenie geometryczne polegające na tym, że nasada łopaty posiada inny (większy) kąt nastawienia niż jej końcówka.

Głowica wirnika nośnego[edytuj | edytuj kod]

Zadaniem głowicy wirnika nośnego jest przeniesienie, a właściwie zamknięcie w głowicy powstających w wyniku obrotu wirnika sił aerodynamicznych i odśrodkowych.

Budowa i typy głowic

  • głowica przegubowa
  • głowica huśtawkowa
  • głowica bezprzegubowa

Wał wirnika nośnego[edytuj | edytuj kod]

Wał wirnika nośnego ma postać grubościennej rury łączącej się za pomocą wielowypustu z piastą głowicy wirnika. W przypadku śmigłowców wał napędzany jest przez silnik, którego obroty są redukowane w przekładni głównej.

Wał wirnika w celu uzyskania lekkości jest drążony. Niekiedy wykorzystuje się tę własność w celu przeprowadzenia w środku wału dodatkowych instalacji (np. ogrzewania łopat np. Mi-2, W-3 Sokół, instalacji pomiarowych) lub nawet układu sterowania wirnikiem nośnym (śmigłowce współosiowe np. Ka-35, Ka-52, bezzałogowy Gyrodyne QH-50, niektóre śmigłowce w układzie klasycznym, np. Estrom 480)

Aerodynamika wirnika[edytuj | edytuj kod]

Stany pracy wirnika nośnego

Głównym zadaniem wirnika nośnego jest wytworzenie siły nośnej. Obliczając siły aerodynamiczne wytwarzane przez pojedynczą łopatę w pierwszym przybliżeniu można korzystać ze wzorów znanych w aerodynamice samolotów traktując łopatę jako wirujący płat.

W rzeczywistości rozkład prędkości i wyznaczanie obciążeń łopaty jest o wiele bardziej skomplikowane, niż skrzydła samolotu.

Azymut łopaty[edytuj | edytuj kod]

Kątem azymutu \psi łopaty nazywamy kąt mierzony zgodnie z kierunkiem obrotu wirnika od położenia łopaty, w którym zajmuje ona skrajne tylne położenie, czyli pokrywa się z belką ogonową (\psi = 0°). Łopatą nacierającą nazywamy łopatę znajdującą się na azymucie \psi = 0° – 180°, zaś łopatą powracającą – łopatę na azymucie \psi = 180° - 360°.

Rozkład prędkości na wirniku[edytuj | edytuj kod]

  • Zawis
  • Lot śmigłowca
    Podczas lotu (w dowolnym kierunku) do prędkości powietrza wynikającej tylko z obrotu wirnika dodaje się wektorowo prędkość lotu śmigłowca. Stąd na łopacie nacierającej prędkość napływającego powietrza jest większa od prędkości powietrza na łopacie powracającej.

Liczby opisujące wirnik[edytuj | edytuj kod]

Powszechnie opisuje się wirnik podając liczbę łopat oraz promień wirnika. Czasem podaje się także cięciwę lub oznaczenie profilu (co pozwala na jednoznaczne określenie geometrii profilu) oraz prędkość obrotową \omega.

W celu porównywania różnych obiektów (nie tylko wirników, ale np. całych samolotów, samochodów i innych) wprowadza się bezwymiarowe liczby podobieństwa (np. liczba Reynoldsa, liczba Strouchala …) oraz współczynniki (np. tarcia, siły nośnej...).

Najważniejszą liczbą bezwymiarową dla wirników nośnych jest liczba Locka wyrażona wzorem:

\gamma = \frac{\rho a c R^{4}}{I_{y}} gdzie:

  • \gamma – liczba Locka
  • \rho – gęstość powietrza (1,4 kg/m3)
  • a – współczynnik nachylenia, pochodna współczynnika siły nośnej względem kąta natarcia, nazywany gradientem siły nośnej
  • c – cięciwa profilu łopaty wirnika
  • R – promień łopaty wirnika nośnego
  • Iy - moment bezwładności łopaty względem przegubu poziomego (wahań)

Wyraża ona podobieństwo ruchów łopaty jako ciała sztywnego, wykonującej wahania względem przegubu poziomego. Liczbę Locka wykorzystuje przy porównywaniu osiągów i charakterystyk dynamicznych wirników rzeczywistych śmigłowców różnych klas masowych oraz do porównywania tunelowych modeli wirników z wirnikami rzeczywistymi.

Do opisania wirnika nośnego używa się także współczynnika wypełnienia:

\sigma = \frac{n c}{\pi R}

gdzie n to liczba łopat wirnika nośnego

Współczynnik wypełnienia określa stosunek łącznej powierzchni łopat do powierzchni tarczy wirnika

Przy opisie aerodynamiki wirnika występuje współczynnik prędkości:

ν =\frac{V}{\Omega R}

Współczynnik prędkości jest stosunkiem prędkości napływającego powietrza V do prędkości liniowej końców łopat.

Dla konstruktora ważne są także:

  • Kąt stożka – kąt określający umowny stożek tworzony poprzez wirujące łopaty wirnika. Podstawa tego stożka nazywana jest płaszczyzną wirowania.
  • Kąt wyprzedzenia sterowania – służy do prawidłowego sprzężenia ruchów drążka z wychyleniami tarczy sterującej wirnika nośnego. Kąt wyprzedzenia powoduje takie nastawienie kąta natarcia łopaty, że kąt natarcia np. osiąga wartość minimalną na azymucie \psi =/ 90°. Zazwyczaj kąt wyprzedzenia sterowania zawiera się w granicach 60° – 70°.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • J. P. Bratuchin: Projektowanie i konstrukcja śmigłowców; Państwowe Wydawnictwa Techniczne 1958
  • Ilustrowany Leksykon Lotniczy: Napędy; WKŁ 1993
  • K. Szabelski, B. Jancelewicz, W. Łucjanek: Wstęp do konstrukcji śmigłowców; WKŁ 1995
  • W. Łucjanek, K. Sibilski: Wstęp do dynamiki lotu śmigłowca; Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych 2007
  • G. Padfield: Dynamika lotu śmigłowców; WKŁ 1998