Hlavním rotorem je vrtule se svislou osou otáčení, která zajišťuje vztlak (obvykle u vrtulníků ), umožňující řízený horizontální let a přistání. Hlavní funkcí takového šroubu je „unést“ letadlo, což se odráží i v názvu [1] . Poměrně často se také nazývá jednoduše rotor.
Kromě vrtulníků jsou k dispozici rotory pro autogyroskopy , rotorová letadla , konvertoplány a létající plošiny .
Hlavním rozdílem mezi hlavními rotory a podpůrnými vrtulemi je schopnost rychle měnit celkové a / nebo cyklické stoupání. Hlavní rotor vrtulníku se obecně skládá z lopatek , pouzder a pantů .
Řídicí systém hlavního rotoru se skládá z kyvné desky spojené s axiálními závěsy listů hlavního rotoru pomocí táhel (prvků, které přenášejí translační pohyb). Otáčení listu v axiálním závěsu způsobuje změnu úhlu instalace listu.
Úhel instalace čepele je úhel mezi tětivou čepele a konstrukční rovinou rotace. Čím větší je tento úhel, tím větší je zvedací síla , kterou poskytuje list rotoru.
Pohyb kývavého kotouče nahoru/dolů podél hřídele hlavního rotoru vede k současné změně montážních úhlů všech listů, čímž se upraví vztlaková síla vrtule a v souladu s tím i visící (letová) výška letadla. Tato změna se nazývá celkové stoupání vrtule .
Sklon kyvné desky vzhledem k tělu letadla se nazývá cyklický krok a umožňuje ovládat zařízení v podélně-příčné rovině ( pitch - roll ).
Otáčky hlavního rotoru jsou obvykle konstantní a změna zatížení vrtule je automaticky kompenzována odpovídající změnou výkonu motoru.
Existují řídicí systémy, ve kterých nejsou žádné axiální závěsy lopatek. Například u modelů rádiem řízených vrtulníků se mění sklon otáčení celé vrtule, nikoli jednotlivých listů. U verzí rotorů se servo vztlakovými klapkami (synchronizátory od Kaman Aircraft ) se mění úhel instalace klapek umístěných na odtokové hraně listů.
Úseky lopatky umístěné blíže k ose otáčení a v souladu s tím, popisující kružnice s menším poloměrem, mají nižší lineární rychlost vzhledem ke vzduchu a vytvářejí úměrně nižší zvedací sílu. Pro snížení tohoto efektu je čepel zkroucená tak, že její úhel instalace se postupně zvyšuje, jak se blíží k ose otáčení, což umožňuje oblastem s menším poloměrem otáčení poskytovat větší zdvih. Zkroucení lopatek (rozdíl mezi úhlem instalace sekcí u kořene a na konci ostří) může být 6-12°.
Spojení lopatek s násadou může být kloubové , tuhé, polotuhé a elastické. U kloubového a elastického spojení není možné vychýlit rovinu rotace hlavního rotoru vzhledem k trupu vrtulníku , na rozdíl od polotuhého spojení .
Hlavní rotor může mít dva až osm lopatek. Čepele mohou být dřevěné, celokovové a kompozitové (sklolaminát). Kompozitní čepele jsou méně časově náročné na výrobu ve srovnání s celokovovými čepelemi, mají výrazně delší zdroje, spolehlivost a odolnost proti korozi .
Docela často jsou lopatky duté a do lopatky je pod tlakem pumpován plyn nebo vzduch. Pokles tlaku uvnitř lopatky, měřený speciálním senzorem, ukazuje na její poškození [1] .
Pro zmenšení velikosti vrtulníku na parkovišti nebo při základně v hangárech, na letadlových lodích a vrtulníkových lodích se používají skládací rotory. Skládání lze provádět ručně nebo automaticky [1] .
Pro snížení úrovně vibrací přenášených z hlavního rotoru na trup jsou na jeho náboji nebo lopatkách instalovány kyvadlové tlumiče vibrací . Pro ochranu proti námraze jsou listy vrtule vybaveny protinámrazovými systémy [1] .
Existují různá schémata vrtulníků .
Většina vrtulníků na světě je vyrobena podle „klasického“ schématu s jedním hlavním rotorem a ocasním rotorem na ocasním výložníku. Existují vrtulníky se dvěma protiběžnými souosými rotory , bez ocasního rotoru ( Ka-25 , Ka-27 , Ka-50 ). Pro takové stroje se používá termín "koaxiální rotor", přičemž se rozlišují "horní" a "spodní" šrouby. [2]
[3]
V závislosti na poloze hlavního rotoru v proudu vzduchu se rozlišují dva hlavní režimy provozu: režim axiálního proudění, kdy je osa náboje rotoru rovnoběžná s nastupujícím nerušeným prouděním (vznášející se), a režim šikmého proudění. ve kterém proud vzduchu běží na rotor pod úhlem k ose náboje .
Existuje projekt nosného rotoru upevněného za letu, tzv. X-Wing, namontovaný na vrtulníku Sikorsky S-72 .
Rotor uzavřený v prstencovém kanálu se nazývá oběžné kolo , tato konstrukce zvyšuje výkon šroubu a snižuje hluk, ale zvyšuje hmotnost nosné konstrukce.
Existují také konstrukce rotorů s kotoučovými křídly, jako je Boeing's Discrotor [ 4 ]Helicopter V projektu Discrotor jsou listy rotoru teleskopické, během letu lze listy zasunout dovnitř diskového křídla.
Při rotaci hlavního rotoru dochází k vibracím, které mohou způsobit předčasné selhání přístrojů, zařízení a dokonce vést ke zničení letadla. Vzhled vibrací zahrnuje takové jevy, jako je zemská rezonance, flutter a vírový prstenec.
K tomuto jevu jsou náchylná letadla, u kterých jsou listy rotoru připevněny k náboji pomocí otočného kloubu. Těžiště listů nekroucené vrtule se nachází na její ose otáčení. Při otáčení vrtule se listy mohou otáčet ve svých vertikálních závěsech a jejich společné těžiště je posunuto směrem od osy otáčení, což vede k vibracím náboje vrtule v horizontální rovině. Když se harmonické kmity těchto kmitů shodují s vlastními kmity vrtulníku stojícího na zemi na pružném podvozku, dochází k neřízeným oscilacím vrtulníku - zemní rezonanci .
Přízemní rezonanci lze potlačit zavedením tlumení jak do svislého závěsu, tak do vzpěry zavěšení podvozku vrtulníku. Příznivější podmínky pro vytváření zemské rezonance jsou vytvořeny, když vrtulník běží po zemi. [5]
Flutter se nazývá samobuzené kmitání listů hlavního rotoru, ke kterému dochází v důsledku energie proudění vzduchu a vede k rychlému nárůstu amplitudy máchání. [6] Flutter je zvláště nebezpečný pro koaxiální obvody , protože tento efekt způsobuje překrývání lopatek. Aby se zabránilo chvění, je v lopatkách rotoru instalováno závaží proti chvění a na náboji jsou instalovány kyvadlové tlumiče vibrací . U vrtulníků s kloubovým a elastickým typem spojení lopatek je známkou výskytu flutteru během letu „rozmazání“ kužele hlavního rotoru.
Vírový prstenec je kritický režim letu vrtulníku, který se vyvíjí během rychlého klesání při nízké dopředné rychlosti. Vyznačuje se prudkou ztrátou výšky a oslabením odezvy vrtulníku na pohyb ovládacích prvků. [7] Vrtulník rychle zvyšuje rychlost klesání; vlivem turbulentního stavu proudění ve vírovém prstenci se vrtulník třese, zhoršuje se stabilita a ovladatelnost. [osm]
Listy hlavního rotoru jsou připevněny k náboji , který se volně otáčí kolem hřídele vrtulníku. Existují následující hlavní typy takových sloučenin.
S otočným čepem, který vynalezl Juan de La Cierva , jsou lopatky připojeny k tělu náboje v sérii prostřednictvím axiálních, vertikálních a horizontálních závěsů. Díky skloubení lopatek s tělesem náboje se výrazně snižují střídavé namáhání v prvcích hlavního rotoru a snižují se momenty aerodynamických sil přenášených z vrtule na trup vrtulníku.
Horizontální závěsy umožňují nožům kývat nahoru a dolů; vertikální umožňují, aby lopatky oscilovaly v rovině rotace, vznikající působením proměnných tažných sil a Coriolisových sil , které se objevují, když lopatka osciluje vzhledem k horizontálnímu závěsu; axiální závěsy jsou určeny ke změně úhlů instalace lopatek.
Při létání v kloubových helikoptérách můžete vidět, že lopatky ve vzduchu neopisují kruh, ale postavu v podobě trychtýře nebo kužele.
Roli svislého a vodorovného závěsu u takového spojení plní pružný prvek z kompozitních materiálů neboli torzní . To umožňuje snížit počet dílů, snížit pracnost údržby, odstranit potřebu mazání a zvýšit životnost hlavního rotoru 3–10krát oproti otočnému kloubu. Na hlavním rotoru s takovýmto zapojením lze výrazně zvýšit účinnost řízení ve srovnání s kloubovým, což přispívá ke zvýšení manévrovatelnosti vrtulníku a také se snižuje jev „přízemní rezonance“. [9]
U takového schématu jsou dva listy vrtule pevně připevněny ke středovému pouzdru ve formě kyvného ramene ( vahadlo ): když jeden list zvedne, druhý se pohybuje symetricky dolů. Pilot změnou polohy řídicí páky vrtulníku mění polohu celé roviny otáčení hlavního rotoru. Vrtulník s polotuhým nábojem rotoru má dobré jízdní vlastnosti. Nezanedbatelnou výhodou tohoto schématu je jeho jednoduchost (absence vysoce zatížených ložisek v závěsech, tlumičích a omezovačích vyložení odstředivých listů), což usnadňuje a zlevňuje výrobu vrtule a její údržbu v provozu. Polotuhé helikoptéry sériově vyrábí Bell a Robinson .
Listy vrtule jsou pevně připevněny k objímce namontované na hnací hřídeli pouze pomocí axiálního závěsu. Takové schéma je nejjednodušší, ale zároveň nejvíce náchylné k destruktivním vibracím. Kromě toho má takové schéma ve srovnání s otočným kloubem zvýšenou hmotnost. Je třeba poznamenat, že proměnné zatížení listů hlavního rotoru v tomto případě může být sníženo díky pružnosti samotných listů.
Tuhé spojení se používá u leteckých vrtulí a před vynálezem otočného čepu Juana de La Siervy bylo použito na všech experimentálních vrtulnících počátku 20. století. V současné době lze takové spojení nalézt v rotorech vrtulníku Sikorsky X2 .
Při translačním pohybu vrtulníku v horizontální rovině je hlavní rotor obtékán přilétajícím proudem vzduchu. V případě jeho rotace ve směru hodinových ručiček se lopatka umístěná vlevo ve směru letu pohybuje směrem k proudu vzduchu (postupující lopatka) a umístěná na pravé straně podél něj (ustupující lopatka). V souladu s tím je rychlost postupující lopatky vzhledem k příchozímu vzduchu vyšší než rychlost ustupující lopatky a je maximální při azimutu 90°. Vzhledem k tomu, že odpor vzduchu a zdvih jsou úměrné rychlosti, postupující čepel vytváří větší zdvih a zažívá větší odpor.
Lineární rychlost je úměrná vzdálenosti od osy otáčení a je tedy maximální na koncích lopatek. Při určitých hodnotách úhlové rychlosti otáčení šroubu se lineární rychlost koncových částí postupující lopatky blíží rychlosti zvuku , v důsledku čehož se v těchto úsecích rozvíjí vlnová krize . Naopak rychlost řady sekcí ustupující lopatky vůči vzduchu je tak nízká, že na nich dochází k zastavení proudění a sekce umístěné ještě blíže k náboji spadají do zóny zpětného proudění (profil lopatky je proudnicový vzduchem z ostré části, který vytváří zpětnou vztlakovou sílu).
Listy rotoru, které spadají do krizových zón zastavení a vlny, se vyznačují zvýšením vibrací a prudkým poklesem zdvihu . Zablokování lze čelit zvýšením úhlové rychlosti rotace hlavního rotoru, tím se však zvětší zóna vlnové krize. Negativní dopad vlnové krizové zóny lze omezit použitím speciálních hrotů vrtulových listů – například vymetených.
Protože postupující lopatky vytvářejí větší zdvih než ty ustupující, existuje kompenzační mechanismus pro udržení rovnováhy vztlakových sil různých sekcí hlavního rotoru. Mechanismus je založen na použití horizontálního závěsu a axiálního závěsu pevně spojeného s cyklickou deskou. Během letu je list pod úhlem k proudění vzduchu, výsledný odpor vzduchu způsobí, že se list vykývne nahoru. Vzhledem k tomu, že axiální závěs je spojen s cyklickou deskou, při vykývnutí listu nahoru se list otočí ve směru zmenšování úhlu mezi listem a proudem vzduchu. Zmenšení tohoto úhlu vede ke snížení zdvihové síly čepele.
Naopak s poklesem rychlosti proudění vzduchu lopatka klesá, úhel instalace lopatky se zvyšuje a zvedací síla se zvyšuje. [deset]