國(guó)外旋翼槳轂構(gòu)型技術(shù)綜述

李滿福,程錦濤,王清龍

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

1 國(guó)外槳轂構(gòu)型發(fā)展歷程

直升機(jī)旋翼槳轂是一個(gè)不斷變革的關(guān)鍵部件,其構(gòu)型設(shè)計(jì)經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜再到簡(jiǎn)單的發(fā)展過(guò)程。早期的直升機(jī)由于沒(méi)有鉸鏈,無(wú)法解決直升機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性問(wèn)題。鉸的發(fā)明使直升機(jī)旋翼變得可以操縱,直升機(jī)也因此真正發(fā)展成為一種實(shí)用的飛行器;但在以后的發(fā)展過(guò)程中,鉸接式槳轂變得越來(lái)越復(fù)雜,槳轂中不僅有揮舞鉸,擺振鉸和變距鉸,而且還有各式各樣的軸承,減擺器,限動(dòng)器等。由于全鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件數(shù)目多,不僅制造成本高,維護(hù)費(fèi)用昂貴,維護(hù)工作量大,而且安全性比較差,因此簡(jiǎn)化槳轂,改善槳轂勢(shì)在必行。

簡(jiǎn)化槳轂的第一步是用彈性軸承或鈦合金撓性件取代揮舞鉸和擺振鉸。20世紀(jì) 60年代初,世界上開(kāi)始研制旋翼系統(tǒng)所用的彈性軸承,開(kāi)始只是在尾槳中應(yīng)用,20世紀(jì) 70年代初用于旋翼系統(tǒng)。簡(jiǎn)化和改善槳轂的第二步就是用復(fù)合材料取代鈦合金撓性件,星形柔性槳轂是成功的案例,A S 350“松鼠”和 S A 365“海豚”直升機(jī)都裝有星形柔性槳轂,同“云雀”的鉸接式槳轂比較,星形柔性槳轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零件數(shù)目大為減少。簡(jiǎn)化和改善槳轂的第三步就是取消變距軸承,設(shè)計(jì)出真正的無(wú)鉸/無(wú)軸承旋翼槳轂。取消了軸承之后,每片槳葉都有一個(gè)復(fù)合材料撓性件,它可以適應(yīng)槳葉的各種運(yùn)動(dòng)。在槳轂構(gòu)型的進(jìn)化過(guò)程中,先進(jìn)材料和先進(jìn)工藝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,成為槳轂設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)革命性飛躍的關(guān)鍵因素之一,在旋翼的設(shè)計(jì)中扮演著極其重要的角色。

根據(jù)國(guó)外槳轂構(gòu)型出現(xiàn)的先后順序,其發(fā)展歷程可用簡(jiǎn)圖進(jìn)行描述(圖 1)。

2 國(guó)外槳轂構(gòu)型技術(shù)特點(diǎn)

2.1 鉸接式槳轂

鉸接式槳轂通常指具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸中的三個(gè)鉸或兩個(gè)鉸。鉸接式槳轂的構(gòu)型包括：全鉸接式、半鉸接式,以及幾種演變發(fā)展類型(用彈性軸承代替三鉸的星形柔性和球柔性)。

2.1.1 全鉸接式槳轂

1)金屬軸承全鉸接式槳轂

金屬軸承全鉸接式槳轂具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸,利用金屬軸承的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)(圖 2)。為了保證金屬軸承具有良好的工作環(huán)境,槳轂通常設(shè)有潤(rùn)滑系統(tǒng)和密封系統(tǒng)。以中型直升機(jī)“海王”槳轂為例,槳轂就有幾百個(gè)單獨(dú)的零件,還有幾十個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn),較大的直升機(jī)“支奴干”的旋翼,零件數(shù)目多達(dá) 1 800個(gè)。因此,全鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、可靠性低、使用維護(hù)成本高。

金屬軸承全鉸接式槳轂又有典型的三鉸分開(kāi)和揮舞擺振兩鉸重合兩種形式。三鉸分開(kāi)的機(jī)型有“海王 ”、“支奴干 ”、米 4、米 8等 ;二鉸重合的機(jī)型有“超黃蜂”等。

2)彈性軸承全鉸接式槳轂

彈性軸承全鉸接式槳轂是在金屬軸承全鉸接式槳轂基礎(chǔ)上發(fā)展成功的,其基本特點(diǎn)是用彈性軸承代替金屬軸承。波音的 360型槳轂是一個(gè)彈性軸承全鉸接式槳轂的成功范例(圖 3)。這副槳轂主要的優(yōu)點(diǎn)除了重量減輕 25%和零件數(shù)目減少 60%之外,槳轂的壽命達(dá)到了 5 000 h以上(主要是彈性軸承的壽命),槳轂的維修工時(shí)也降低 60%。

2.1.2 半鉸接式槳轂

半鉸接式槳轂通常指具有揮舞鉸和變距鉸,無(wú)擺振鉸。半鉸接式槳轂的構(gòu)型包括：蹺蹺板式和萬(wàn)向鉸式。

圖1 槳轂構(gòu)型發(fā)展簡(jiǎn)圖

圖2 金屬軸承全鉸接式槳轂

圖3 波音 360型槳轂

2.1.2.1 蹺蹺板式槳轂

蹺蹺板式的兩片槳葉通過(guò)各自的軸向鉸和槳轂殼體相連接,沒(méi)有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖 4)。槳轂殼體通過(guò)一個(gè)水平鉸和旋翼軸相連接,因此槳葉沒(méi)有單獨(dú)的水平鉸,其揮舞運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)一個(gè)水平鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)。蹺蹺板槳轂通常采用懸掛裝置來(lái)減少哥氏力的影響,這樣就可以不設(shè)置擺振鉸。為了彌補(bǔ)揮舞鉸在旋轉(zhuǎn)中心引起的槳轂操縱力矩的不足,通常把蹺蹺板槳轂中心布置較高。蹺蹺板式的機(jī)型有 U H-1等。

2.1.2.2 萬(wàn)向鉸式槳轂

1)金屬軸承萬(wàn)向鉸槳轂

萬(wàn)向鉸式旋翼各片槳葉通過(guò)各自的軸向鉸和槳轂殼體連接,沒(méi)有垂直鉸,屬于擺振剛硬的槳轂(圖 5)。槳轂殼體通過(guò)萬(wàn)向接頭和旋翼軸連接,因此槳葉沒(méi)有單獨(dú)的水平鉸,其揮舞運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)萬(wàn)向接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。萬(wàn)向接頭式的機(jī)型有 B e l l-47等。

圖4 蹺蹺板式槳轂

圖5 金屬接頭萬(wàn)向鉸槳轂

2)彈性軸承萬(wàn)向鉸槳轂

萬(wàn)向鉸式旋翼經(jīng)歷了金屬軸承萬(wàn)向鉸和彈性軸承萬(wàn)向鉸的發(fā)展過(guò)程,目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用彈性軸承萬(wàn)向鉸。與金屬軸承萬(wàn)向鉸相比,彈性軸承萬(wàn)向鉸無(wú)需潤(rùn)滑和密封,具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、重量輕、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、阻力小等特征(圖 6)。V-22“魚(yú)鷹”采用彈性軸承萬(wàn)向鉸式槳轂,,其零件數(shù)目減少了 30%,重量減輕 18%。

圖6 彈性軸承萬(wàn)向鉸槳轂

2.1.3 星形柔性槳轂

星形柔性槳轂是法國(guó)宇航公司在 20世紀(jì) 70年代后期研制成功的一種新型復(fù)合材料槳轂型式,并在 S A 365海豚系列和 A S 350小松鼠系列等直升機(jī)型號(hào)上成功使用。

星形柔性旋翼主要由中央星形件、球面彈性軸承、粘彈性阻尼器、夾板和自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承等組成(圖 7)。該槳轂利用材料的柔性變形,使得其作用如同一個(gè)鉸接式槳轂,但又無(wú)鉸鏈機(jī)構(gòu),消除了傳統(tǒng)金屬槳轂的機(jī)械復(fù)雜性。與全鉸接式金屬槳轂相比,槳轂零件數(shù)量由 377個(gè)減少到 70個(gè),重量減輕45%,槳轂的壽命由 2 500 h提高到6 000 h以上。

2.1.4 球柔性槳轂

1)單個(gè)球面彈性軸承球柔性槳轂

球柔性槳轂構(gòu)型是一種新型的彈性鉸式槳轂,其球面彈性軸承、阻尼器與星形柔性槳轂的構(gòu)造相當(dāng),但省略柔性臂和關(guān)節(jié)軸承,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化(圖 8)。該構(gòu)型的特點(diǎn)是以球面彈性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)、振擺運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng),法宇航(歐直)公司的 E C-120、E C-135等直升機(jī)均采用這種構(gòu)型。其槳轂數(shù)量從星形柔性 70個(gè)進(jìn)一步減少到50個(gè),重量可減輕 21%,價(jià)格也下降 35%。此外,其氣動(dòng)廢阻也比星形柔性槳轂低 2/3。

2)球面彈性軸承和柱形彈性軸承組合式球柔性槳轂

“黑鷹”直升機(jī)槳轂采用球面彈性軸承和柱形彈性軸承組合式,以球面彈性軸承承擔(dān)槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng),柱形彈性軸承擔(dān)變距運(yùn)動(dòng)(圖 9)。與單個(gè)球面彈性軸承球柔性槳轂相比,減少了球面彈性軸承的變距運(yùn)動(dòng),有效提高球面彈性軸承的壽命。

3)球面彈性軸承和定心軸承組合式球柔性槳轂

EH101直升機(jī)槳轂采用球面彈性軸承和定心軸承組合式(圖 10),其特點(diǎn)是以球面彈性軸承和定心軸承共同承擔(dān)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)、振擺運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng)。與單個(gè)球面彈性軸承球柔性槳轂相比,槳葉大部分升力通過(guò)定心軸承傳遞到槳轂中央件上,只有一小部分通過(guò)彈性軸承傳遞,這種設(shè)計(jì)減小了彈性軸承的載荷,有利于提高彈性軸承的壽命。

2.2 無(wú)鉸式槳轂

無(wú)鉸式槳轂通常指具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸中的一個(gè)鉸。無(wú)鉸式槳轂的構(gòu)型包括：帶變距鉸無(wú)鉸式和帶擺振鉸無(wú)鉸式。

2.2.1 帶變距鉸無(wú)鉸式槳轂

1)金屬軸承無(wú)鉸式槳轂

BO-105、BK-117和 Lynx(“山貓”)都屬于金屬軸承無(wú)鉸式旋翼,其特點(diǎn)是：取消了揮舞和擺振鉸,保留了變距鉸,變距鉸由金屬軸承和拉扭條組成。由槳葉或槳轂柔性段的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng)(圖 11)。

2)彈性軸承無(wú)鉸式槳轂

“虎”式直升機(jī)槳轂是 MBB公司在BO-105和BK-117無(wú)鉸基礎(chǔ)上發(fā)展成功的彈性軸承無(wú)鉸式槳轂。其主要特點(diǎn)是用一對(duì)彈性軸承替代金屬變距鉸(圖 12)。整個(gè)槳轂的主要零件只有 20個(gè),零件數(shù)目比BO-105減少了 50%,而其復(fù)合材料構(gòu)件的壽命也已達(dá)到無(wú)限壽命的視情維護(hù)。

2.2.2 帶擺振鉸無(wú)鉸式槳轂

A H-64阿帕奇直升機(jī)的無(wú)鉸旋翼又是另一種構(gòu)型,它取消了揮舞鉸和變距鉸,保留了垂直鉸(圖 13)。這種構(gòu)型的特點(diǎn)是利用彎扭柔性件的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)和變距運(yùn)動(dòng)。

2.3 無(wú)軸承槳轂

無(wú)軸承槳轂通常指不具有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸。其特點(diǎn)是通過(guò)柔性梁來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的運(yùn)動(dòng),代替?zhèn)鹘y(tǒng)三鉸的功能。由于承受嚴(yán)重載荷壽命較低的金屬軸承和彈性軸承不再需要,槳轂的零件數(shù)目急劇減少,重量、廢阻和費(fèi)用也都得到降低,整個(gè)槳轂也只有在這種構(gòu)型中,才有可能真正達(dá)到無(wú)限壽命設(shè)計(jì)。無(wú)軸承槳轂的構(gòu)型包括：?jiǎn)为?dú)柔性梁構(gòu)型和柔性梁與槳葉一體化構(gòu)型。

2.3.1 單獨(dú)柔性梁無(wú)軸承槳轂

柔性梁、袖套、槳葉單獨(dú)成型,任一部件出現(xiàn)破損均可單獨(dú)拆下更換,節(jié)約維護(hù)成本(圖 14)。

2.3.2 柔性梁與槳葉一體化無(wú)軸承槳轂

柔性梁在典型段以后直接進(jìn)入翼型段形成槳葉大梁,柔性梁、槳葉、袖套一體化成型,結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單(圖 15)。

3 國(guó)外槳轂構(gòu)型發(fā)展分析

3.1 專一性和多樣性

國(guó)外各大直升機(jī)公司逐漸形成了各公司自身特色的旋翼構(gòu)型技術(shù),并且作為各大公司的核心技術(shù)牢牢掌握在自己手上,對(duì)外進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)保密和封鎖。國(guó)外各大直升機(jī)公司正是通過(guò)獨(dú)特風(fēng)格的旋翼構(gòu)型樹(shù)立起各自的品牌形象,使其型號(hào)產(chǎn)品能夠處于世界先進(jìn)的行列。例如：美國(guó)貝爾公司蹺蹺板旋翼技術(shù)、美國(guó)西科斯基公司雙線擺鉸接式旋翼技術(shù)、美國(guó)波音公司人字形拉扭條旋翼技術(shù)、美國(guó)麥道公司無(wú)軸承旋翼技術(shù)、歐直(法國(guó))公司的星形柔性和球柔性旋翼技術(shù)、歐直(德國(guó))公司的無(wú)鉸式旋翼技術(shù)、俄羅斯公司金屬全鉸接式旋翼技術(shù)等。

3.2 持續(xù)創(chuàng)新性和先進(jìn)性

構(gòu)型技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了幾次突破,隨著粘彈性材料和先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和使用,旋翼構(gòu)型從復(fù)雜的全鉸接式結(jié)構(gòu)逐步簡(jiǎn)化,先后發(fā)展了星型柔性結(jié)構(gòu)、球柔性結(jié)構(gòu)、無(wú)鉸式和無(wú)軸承式結(jié)構(gòu),其中 20世紀(jì)末發(fā)展的旋翼技術(shù)特征是：槳葉采用先進(jìn)復(fù)合材料、高效專用翼型、達(dá)到無(wú)限壽命,槳轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,球柔性、新型無(wú)鉸式和無(wú)軸承槳轂得到廣泛應(yīng)用,新型無(wú)鉸式和無(wú)軸承構(gòu)型代表了旋翼的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外槳轂構(gòu)型的發(fā)展歷程表明,創(chuàng)新發(fā)展旋翼構(gòu)型,是直升機(jī)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我們要走出有中國(guó)特色的旋翼技術(shù)發(fā)展之路,就應(yīng)在充分吸收借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),著眼于國(guó)內(nèi),立足我們的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)條件,通過(guò)旋翼構(gòu)型技術(shù)研究,形成自己的一套設(shè)計(jì)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證方法,牽引直升機(jī)技術(shù)進(jìn)步,謀求直升機(jī)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 鄧景輝.直升機(jī)旋翼技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].直升機(jī),2007(2)：2-10