Однолопастный несущий винт вертолета - RU2237599C2

Чертежи

Описание

Настоящая заявка на патент для промышленного изобретения касается однолопастного несущего винта, разработанного для использования в качестве несущего винта в вертолетах и других типах винтокрылых летательных аппаратов. Несущий винт поддерживает вертолет во время висения и горизонтального полета и посредством его органов управления обеспечивает возможность выполнения маневров, обычных для этого типа летательных аппаратов.

С этой целью вертолеты обычно оборудуют несущими винтами на вертикальной оси, снабженными двумя или больше идентичными лопастями, соединенными шарнирами или аналогичными средствами с центральной втулкой воздушного винта, которую, в свою очередь, крепят к верхнему концу вертикальной колонны, приводимой в действие системой для передачи вращательного движения, подсоединенной к одному или больше двигателям.

При сохранении вращения на соответствующей скорости лопасти поддерживают вертолет благодаря направленной вверх подъемной силе, образуемой в результате относительной скорости воздуха относительно аэродинамически профилированных лопастей. Кроме того, лопасти подвергаются действию силы тяжести и благодаря вращению центробежной силы. Равновесие всех этих сил и их моментов относительно соединений лопастей с втулкой несущего винта и колонной, к которой прикладывается вес винтокрылых летательных аппаратов, определяет геометрическое положение лопастей, которое направлено вверх относительно плоскости, ортогональной к оси вращения, обычно с небольшим углом конусности. Комплекс общего подъема регулирует пилот посредством общего рычага управления, который действует на угол установки лопасти посредством тяг, рычагов и вращающихся механизмов, соединенных с соответствующими рычагами угла установки лопастей, расположенными на втулке каждой лопасти, подсоединенными вращательным образом к втулке несущего винта, с осью вращения, заметно параллельной ее собственной продольной оси.

Механизмы управления обеспечивают возможность пилоту изменять угол установки каждой лопасти ручкой управления вертолетом относительно средней величины, определяемой управлением общим шагом, с целью создания разности угла установки лопасти, симметричной этой средней величине, в положениях, диаметрально противоположных оси вращения, вызывая наклон диска несущего винта, таким образом заставляя вертолет двигаться в направлении, соответствующем наклону.

Несущие винты обычно изготавливают в соответствии с множеством решений, которые все требуют, с целью гарантирования правильной работы, чтобы лопасти были идентичными в отношении сущности и распределения масс и по возможности аналогичными в отношении формы и аэродинамических характеристик, в то время как соединения во втулке несущего винта и кинематической системе, которая управляет их углом установки, должны иметь одни и те же характеристики для всех лопастей несущего винта. Следовательно, с целью сохранения приемлемых характеристик такие несущие винты требуют частых работ по техническому обслуживанию в части регулировки соконусности и баланса лопастей, включая сложные процедуры и способы, и использования специального оборудования.

В таких многолопастных несущих винтах подъемная поверхность разделена между лопастями несущего винта. При одинаковых диаметре и величине покрытия в многолопастном несущем винте каждая лопасть имеет более короткую среднюю хорду, которая для данной вершины лопасти несущего винта приводит к более низкому значению отношения между произведением числа оборотов, умноженного на хорду, и кинематической вязкостью воздуха (число Re (Рейнольдса)). Поскольку это более низкое значение приводит к увеличенному коэффициенту лобового сопротивления лопастей для данной подъемной силы, следовательно, удобно снизить количество лопастей.

Кроме того, следует подчеркнуть, что вращение каждой подъемной лопасти производит попутную струю, которая может создавать помехи для следующей лопасти, особенно во время висения или полета на низкой скорости, с отрицательным влиянием на его характеристики. Таким образом, временной интервал между прохождением одной лопасти в площади диска и следующей, когда количество лопастей несущего винта уменьшается, при данных условиях, снижает возмущение воздуха, в котором функционирует несущий винт.

Ввиду приведенных выше соображений всякий раз, когда возможно, выбор уменьшенного количества лопастей может давать аэродинамические преимущества над аналогичными несущими винтами с более высоким количеством лопастей. Кроме того, сокращение количества лопастей уменьшает количество компонентов и движущихся деталей, что ведет к простому двухлопастному несущему винту с подвешенной втулкой, подсоединенной к колонне горизонтальным шарниром, нормальным к оси вращения.

Также были проведены эксперименты с однолопастными несущими винтами, в которых лопасть балансировали противовесом, но трудности в получении приемлемого баланса между силами и моментами, действующими на такие несущие винты при различных эксплуатационных условиях, не позволили осуществить применение и распространение таких решений.

Главная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть неудобства, обнаруженные в многолопастных и однолопастных вертолетах известного типа, посредством системы несущего винта для вертолетов, состоящей из единственной лопасти с центральной втулкой, устройствами противовеса и уравновешивания, имеющими высокую гибкость и адаптируемость и отличающимися простой конструкцией, безопасным использованием и эффективной работой.

Вторая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать систему однолопастного несущего винта с рабочим механизмом, в котором баланс сил и моментов, действующих на его детали, получают посредством взаимных расположений, принимаемых этими деталями, когда изменяется угол конусности единственной лопасти. Механизмами, управляющими уравновешиванием несущего винта, могут быть кинематические системы известного типа или другие электромеханические или гидравлические устройства. В любом случае горизонтальную составляющую подъемной силы единственной лопасти балансируют идентичным противопоставленным разбалансом центробежных инерционных сил, получаемых при перемещении центра массы несущего винта относительно его оси вращения.

Третья задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы изобрести систему несущего винта с механизмами управления, которая не требует регулировки соконусности лопастей для гарантирования правильного функционирования.

Последняя, но не менее важная, еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы сконструировать механизм, способный создавать и сохранять устойчивый баланс между элементами однолопастного несущего винта во время работы.

Все эти и другие задачи, которые будут освещены в нижеприведенном описании, могут быть решены в соответствии с настоящим изобретением, отличительные особенности которого описаны в п.1 формулы изобретения.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания трех различных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые приведены в качестве иллюстрации, а не в смысле ограничения, на которых:

фиг.1 представляет схематический вид сбоку однолопастного несущего винта и устройств, используемых для поддержания баланса, нормально оси вращения несущего винта и продольной оси лопасти, согласно первому варианту осуществления;

фиг.2 изображает тот же самый вариант осуществления в аксонометрической проекции в разобранном виде;

фиг.3 и 4 аналогичны фиг.1, с лопастью несущего винта, наклоненной под данным углом конусности;

фиг.5 представляет схематический вид сбоку однолопастного несущего винта и устройств, используемых для поддержания баланса, нормально оси вращения несущего винта и продольной оси лопасти, согласно второму варианту осуществления;

фиг.6 представляет схематический вид сбоку однолопастного несущего винта и устройств, используемых для поддержания баланса, нормально оси вращения несущего винта и продольной оси лопасти, согласно третьему варианту осуществления.

Вышеупомянутые чертежи показывают, что втулка (1) несущего винта подсоединена к опоре (14) лопасти (8) и сделана из вертикальной пары пластин (1а и 1b), симметричных колонне (7). Лопасть (8) присоединена к опоре (14) осевым шарниром известного типа, так чтобы лопасть могла поворачиваться вокруг его продольной оси А-А, изменяя его геометрический угол установки посредством соединений и устройств известного типа, очень похожих на обычно используемые в несущих винтах вертолета, прикладываемых к рычагу (9) угла установки лопасти, управляемому тягой (10).

Кроме того, лопасть (8) оборудована шарниром также виртуального типа с осью В-В в вертикальном и эксцентричном положении относительно оси Y-Y колонны, который обеспечивает ее возможность принимать угловое положение в плоскости, ортогональной оси вращения Y-Y, причем упомянутый шарнир оборудован амортизатором или аналогичными известными устройствами.

Две пластины (1а и 1b), формирующие втулку (1), содержат два отверстия (1с) на той же оси R-R, с которой соединено цилиндрическое тело (2) с возможностью вращения, где упомянутое тело является в центре полым и подсоединено также с возможностью вращения к вершине колонны (7) посредством пары идущих в противоположные стороны шарниров (7а), снабженных соответственно фрикционными устройствами, с осью Х-Х, нормальной относительно этой колонны.

Две противоположные боковые стороны цилиндрического тела (2) также вмещают вращательным образом два вращающихся коаксиальных цилиндра (3) с осью Т-Т, эксцентричной по отношению к другим осям R-R и Х-Х. Цилиндры (3) заключены в идущей в противоположные стороны коаксиальной паре эксцентричных отверстий (2b), расположенных в полом теле (2), в котором имеется другая идущая в противоположные стороны коаксиальная пара отверстий (2а), вмещающих шарнир (7а).

Эти цилиндры (3), в свою очередь, подсоединены через вращающиеся эксцентричные штифты (4) к двум парам идентичных рычагов (5) втулки (11) противовеса, содержащего втулку (11), расположенную на конце плеча (12), имеющего профилированную массу (13) на другом конце.

Втулка (11) подвешена с возможностью вращения к втулке (1) несущего винта соосными шарнирами (6) с соответствующими фрикционными устройствами нормально к продольной оси противовеса; соединение центра штифтов (6) с барицентром противовеса (13) определяет направление С-С.

Точнее, шарниры (6) размещают в двух идущих в противоположные стороны соосных отверстиях, расположенных в пластинах (1а и 1b) втулки (1) вдоль оси W-W, параллельной, но лежащей ниже оси Х-Х.

Когда лопасть поворачивается без подъема (фиг.1), она вращается почти в той же горизонтальной плоскости, что и противовес, ось которого образована продлением оси А-А.

Когда пилот увеличивает геометрический шаг вращающейся лопасти с помощью управления общим шагом, подъемная сила наклоняет лопасть по направлению вверх на угол конусности (β) так, что подъемная сила уравновешивается другими силами и моментами, действующими на лопасти (фиг.3). При выполнении этого движения лопасть (8) тянет втулку (1), с которой она соединена, которая поворачивается вокруг оси (R-R) цилиндрического тела (2) на соответствующий угол (β).

Вращение также происходит относительно противовеса, который сохраняет свою продольную ось ортогональной к оси вращения Y’-Y’ несущего винта. Благодаря этому относительному движению цилиндры (3), связанные вращающимися эксцентричными штифтами (4) с рычагами (5) противовеса и цилиндрическим телом (2), соединенным вращательным образом с втулкой (1), поворачиваются вокруг друг друга, определяя новое положение втулки (1) относительно оси вращения Y-Y, вдоль направления С-С, проходящего через Х-Х, т.е. другое положение центра массы несущего винта относительно оси вращения. Поскольку подъемная сила перпендикулярна лопасти, угол конусности лопасти включает горизонтальную составляющую подъемной силы, направленную к центру вращения. Горизонтальная сила сочетается с силами инерции, действующими на лопасть и противовес. С помощью соответственного определения относительных местоположений штифтов (4), шарниров (6) и осей R-R, Х-Х, Т-Т, используя известные методы расчета известного типа и учитывая массы и местоположения относительных барицентров лопасти, противовеса и других компонентов несущего винта и взаимных соединений, можно в пределах нормального диапазона значений конусности установить достаточно приближенный и устойчивый баланс, который остается постоянным при изменении угла конусности и практически независимым от числа оборотов несущего винта, поскольку все силы, которые воздействуют на несущий винт, независимо от того, обусловлены ли они подъемной силой или силой инерции, пропорциональны квадрату числа оборотов.

Изменения шага, вызванные воздействием пилота на управление циклическим шагом от пилота или определяемым асимметрией воздушного потока, накладываемой на лопасть во время горизонтального полета, вызывает наклон плоскости вращения противовеса с последующим наклоном всего несущего винта относительно оси Х-Х, как показано на фиг.4, таким образом обеспечивая возможность перемещения и управления вертолетом.

Фиг.5 иллюстрирует второй, но не последний, вариант осуществления настоящего изобретения, в котором смещение центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ и вдоль направления С-С, с целью уравновешивания горизонтальной составляющей подъемной силы, осуществляется электромеханическим исполнительным механизмом (15), действующим между штифтами (16) и (17), подсоединенными соответственно к втулке (1) несущего винта и цилиндрическому телу (2), которое, в свою очередь, соединено с возможностью вращения с втулкой, электрически управляемой коробкой (18) управления в соответствии с обнаруживаемыми и передаваемыми значениями электрических сигналов телескопическим датчиком (19) известного типа относительного расстояния, принимаемого точками (20) и (21), относительно которых датчик (19) соответственно подвешен к втулке (11) противовеса и втулке (1) несущего винта, когда конусность лопасти (8) изменяется.

Фактически коробку управления разрабатывают и программируют, используя известные способы вычисления и конструкционные системы, так чтобы для каждого значения конусности лопасти, измеряемого устройством (19) датчика, исполнительный механизм (15) вызывал поворот цилиндрического тела (2) вокруг втулки (1), так чтобы центр массы несущего винта относительно оси вращения, проходящей через Х-Х, принимал правильное положение, с целью гарантирования баланса между аэродинамическими и инерционными силами, действующими на несущий винт.

Фиг.6 иллюстрирует третий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором исполнительный механизм (15), управляемый коробкой (18) управления, смещает в радиальном направлении подвижную массу (22), которая скользит по тяге (12) противовеса, согласно углу конусности, измеряемому датчиком (19), таким образом изменяя положение центра массы несущего винта относительно оси вращения несущего винта.

Исполнительный механизм (15) подсоединен шарнирными штифтами (болтами) (16 и 16а) к одной из пластин втулки (1) и к подвижной массе (22).

В этом варианте конструкции две пластины втулки (1) показывают только два идущих в противоположные стороны отверстия (23), расположенных вдоль одной и той же оси Х-Х, перпендикулярной оси вращения Y-Y несущего винта. Отверстия (23) вмещают штифты (7а), расположенные на верхней части колонны (7).

Реферат

Изобретение относится к авиации, в частности к вертолетам, и может быть использовано в качестве несущего винта для вертолетов и других типов винтокрылых летательных аппаратов. Однолопастный несущий винт содержит единственную лопасть, крепящуюся на центральной втулке через шарниры к вертикальному валу, устройства противовеса и уравновешивания. Устройство противовеса имеет груз, закрепленный подвижно на другой стороне втулки с возможностью изменения своего положения для компенсации сил, возникающих при движении лопасти путем смещения центра массы несущего винта относительно его оси вращения. Технический результат заключается в упрощении конструкции несущего винта, снижении трудоемкости технического обслуживания, повышении приспособляемости винта к различным режимам работы, повышении эффективности работы несущего винта. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула