Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Design of a bearingless rotorhub for a small unmanned helicopter

Konrad Janecki

Abstract

The project involves designing a rotorhub for a small unmanned helicopter with a maximum takeoff weight of 20 kg. To a large extent, the project is based on numerical analyzes using the finite element method (FEM). Thesis begins with the description of the role of the rotorhub in the helicopter. Individual types of rotorhubs used on all types of helicopters are presented in the thesis. It is described what torsion straps are and what their function is in bearingless rotorhubs. A trend analysis was performed to show what solutions are typical for small unmanned helicopters and what factors designers take into account. The next part presents the initial assumptions for the hub design including dimensions that cannot be modified. Design of some elements depends on the dimensions of the parts which the rotorhub must be integrated with, such as blades, steering disc and propeller shaft. Thesis describes the course of actions that were carried out while designing the hub. There is a description of materials used in the project and their physical properties with typical applications. In the chapter 7. loads resulting from the work of the rotor and calculation of forces acting on the torsion element were presented. All elements and their numbers were described as well as their location in the hub. The thesis also includes assembly instructions with illustrations. Furthermore, all conducted analysis required to design the rotorhub were described along with the idea of using torsion element. The analysis of the torsion in the ANSYS program, given boundary conditions and calculation results were presented in chapter 11. The calculations were carried out for various load cases, as well as analysis of an element not divided into plates, which proves the need for their appliance. A simplified fatigue calculations of the torsion were made, based on the results of previous FEM analysis. A torsion with a cross element analysis was described. Due to the difficulty in implementation of this element, it was not used in the design. The role of the torsion tube, its working conditions and FEM analysis were presented. The torsion tube made of steel was also analyzed but was rejected due to the excessive weight of the element. The working conditions and FEM analysis of the blade connector and the drive shaft hub are presented in chapters 14 and 15. Bolt dimensions and dimensions of the blade connector were calculated using theoretical approach and compared with FEM analysis. A detailed mass analysis of the head was conducted, showing the percentage of the masses of individual elements in the total mass of the hub. The design was summarized by arguing all the construction solutions used. The attachment contains drawings of the elements.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Konrad Janecki (FPAE) Konrad Janecki,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Projekt głowicy bezłożyskowej dla małego śmigłowca bezzałogowego
Supervisor
Przemysław Bibik (FPAE/IAAM) Przemysław Bibik,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
16-09-2019
Issue date (year)
2019
Pages
46 + rysunki
Internal identifier
MEL; PD-5219
Reviewers
Przemysław Bibik (FPAE/IAAM) Przemysław Bibik,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Janusz Narkiewicz (FPAE/IAAM) Janusz Narkiewicz,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
śmigłowiec, głowica bezłożyskowa, wirnik
Keywords in English
helicopter, bearingless rotorhub, rotor
Abstract in Polish
Praca polega na zaprojektowaniu głowicy dla małego bezzałogowego śmigłowca o maksymalnej masie startowej 20 kg. W dużej mierze projekt opiera się o analizy numeryczne metodą elementów skończonych (MES). Na początku opisano rolę jaką głowica pełni w śmigłowcu. W pracy przedstawione są poszczególne typy głowic wykorzystywane na wszelkiego rodzaju śmigłowcach. Opisano czym są torsjony i jaką funkcje spełniają w głowicach bezłożyskowych. Wykonano analizę trendów pokazującą, jakie rozwiązania są typowe dla małych śmigłowców bezzałogowych i jakie czynniki biorą pod uwagę projektanci. W kolejnej części zostały przedstawione założenia wstępne do projektu głowicy, obejmujące wymiary i wielkości nie podlegające modyfikacji wynikające z konstrukcji elementów, z którymi projekt głowicy musi być zintegrowany m.in. łopaty, tarcza sterująca, wał napędowy. Przedstawiono tok działań jakie zostały wykonane przy projektowaniu głowicy. W rozdziale 7 opisane zostały materiały użyte w projekcie, ich właściwości fizyczne i typowe zastosowania. Pokazano schemat obciążenia głowicy jaki wynika z pracy wirnika nośnego, oraz wyliczenia sił działających na element torsjonu. Wszystkie elementy i ich numeracje, a także ich umiejscowienie w głowicy zostały opisane w rozdziale 9. W pracy załączono również instrukcje montażu głowicy wraz z ilustracjami. Następnie zostały zaprezentowane wszystkie przeprowadzone analizy potrzebne do zaprojektowania głowicy. Opisano ideę wykorzystania torsjonu płytkowego i charakterystykę jego pracy. W rozdziale 11 przedstawiono proces analizy torsjonu w programie ANSYS, zadane warunki brzegowe i wyniki obliczeń. Przeprowadzone zostały analizy dla różnych przypadków obciążeń, które objęły również analizę elementu nie podzielonego na płytki. Udowadnia ona konieczność podziału elementu na płytki. Dokonano uproszczonej analizy zmęczeniowej torsjonu w oparciu o wcześniejsze wyniki analiz MES. Opisano analizę MES torsjonu z elementem krzyżowym, który ze względu na trudność w wykonaniu, nie został zastosowany w projekcie. Przedstawiona została również rola rury skrętnej, jej warunki pracy oraz analiza MES. Analizie zostało również poddane rozwiązanie rury skrętnej wykonanej ze stali, które zostało odrzucone ze względu na zbyt dużą masę elementu. Warunki pracy i analizę MES łącznika łopaty oraz piasty wału napędowego przedstawiono w rozdziale 14 i 15. Dokonano obliczeń teoretycznych wymiarów sworzni oraz wymiarów widełek łącznika łopaty. Porównano naprężenia obliczone teoretycznie z wynikami analizy MES. Przeprowadzono szczegółową analizę masową głowicy pokazującą udziały mas poszczególnych elementów w całkowitej masie głowicy. Podsumowano projekt argumentując wszystkie zastosowane rozwiązania konstrukcyjne. W załączniku zamieszczono rysunki wykonawcze poszczególnych elementów.
File
  • File: 1
    Praca_Inz_KJanecki.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 35656

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTc9304500fa1747268810a13201474f0d/
URN
urn:pw-repo:WUTc9304500fa1747268810a13201474f0d

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page