Выбранные значения [σцс]доп должны обеспечивать прочность лонжерона при раскрутке НВ и при падении лопасти на ограничитель свеса. В последнем случае необходимо исключить потерю статической устойчивости лонжерона.
При увеличении радиуса, удлинения и массы лопасти увеличивается прогиб лопасти от собственного веса. Если принять специальные меры, улучшающие компоновку вертолета, то прогиб конца лопасти оказывается строго ограниченным вследствие возможности задевания лопасти за конструкцию вертолета. У малых вертолетов относительный прогиб меньше, чем у больших. Поэтому проблема ограничения по прогибу лопасти особенно актуальна для больших вертолетов. Обычно по компоновочным соображениям у таких вертолетов относительный прогиб конца лопасти не должен превышать допустимого значения прогиба [уR]доп ≈ 12 [3].
Если принять допущения, что моменты инерции сечений лопасти пропорциональны четвертой степени ее хорды, то прогиб конца лопасти может быть определен по выражению
(1.19)
где коэффициент пропорциональности kyR, характеризующий совершенство компоновки лопасти по достигнутому уменьшению ее прогиба, зависит от конструкции лопасти, материала ее лонжерона, распределения моментов инерции и погонной массы лопасти по ее длине. Этот коэффициент для ряда построенных лопастей находится в пределах kyR = (0,38–0,5)·106 м2/кг.
Требование статической прочности приводит к разделению лопасти на три участка по длине (рисунок 1.15), различающихся по характеру нагружения от центробежной силы и собственного веса: балластный участок на конце лопасти (R – r2), средний разрывной участок (r2 – r1) c предельно допускаемыми напряжениями от растяжения и участок комлевого утяжеления (r1 – r0) лопасти из-за повышенных изгибающих моментов от собственного веса, появляющийся при удлинении лопасти сверх определенных значений.
На балластном участке не выполняется требование равнопрочности, т.к. [σцс]доп ≥ σцс.Таким образом, масса лопасти оказывается связанной с толщиной стенки концевой части лонжерона. Чем тоньше стенка концевой части лонжерона, тем ниже масса балластной части лопасти и ее общая масса. Но выполнять уменьшение стенки концевого участка лонжерона технологически трудно и не целесообразно. Если раскрутить НВ до частоты вращения, намного превышающей рабочую, то лопасть должна разорваться именно на среднем участке – отсюда и название разрывной участок. На этом участке площадь сечения лонжерона должна увеличиваться для сохранения постоянными напряжений от центробежных сил. Возрастает к комлю и действующий в сечении лопасти изгибающий момент от собственного веса лопасти. На радиусе r3 напряжения изгиба становятся равными допускаемым напряжениям. При малых относительных массах каркаса r2 может оказаться меньше r1 , т.е. средний участок лопасти может пропасть.
Рисунок 1.15 – Схема изменения статических напряжений σ в зависимости от относительного радиуса лопасти r, где σцс и [σцс]доп – действующие и допускаемые при заданном ресурсе напряжения от центробежной силы; σизг и [σизг]доп – действующие и допускаемые напряжения от изгиба при падении лопасти на ограничитель свеса; R – радиус лопасти
Участок комлевого утяжеления лопасти может появиться у лопастей НВ особо больших диаметров и у лопастей с необычно большими удлинениями. С увеличением поперечных размеров сечения лонжерона (при сохранении толщин его стенок неизменными) критические напряжения потери устойчивости при его изгибе в направлении действия сил собственного веса лопасти значительно падают. Масса наконечника у существующих серийных лопастей НВ составляет обычно от 10 до 17 % массы, лопасти [3].