однолопастный несущий винт вертолета

Формула изобретения

1. Однолопастный несущий винт для вертолетов такого типа, который содержит колонну (7) с вертикальной осью вращения Y-Y, снабженной идущей в противоположные стороны соосной парой штифтов (7а) вдоль оси Х-Х, ортогональной оси вращения Y-Y, втулку (1) несущего винта, подсоединенную к колонне (7) и снабженную опорой (14) для лопасти (8), единственную лопасть (8), управляемую обычным средством (10), связанным с соответственным рычагом лопасти (8), подсоединенную к опоре (14) осевым шарниром известного типа, который обеспечивает возможность небольшого вращения вокруг его продольной оси А-А, противовес (13), сделанный из профилированной массы, расположенной на конце плеча (12), которое завершается, на другом конце, втулкой (11) противовеса (13), используемой для подвешивания противовеса к втулке (1) несущего винта, на которой несущий винт поворачивается вокруг оси Y’-Y’, штифты (6) для подвешивания втулки (11) противовеса (13) к втулке (1) несущего винта, на которой соединение центра штифтов (6) с барицентром противовеса (13) определяет направление С-С, отличающийся тем, что а) втулка (1) несущего винта выполнена с возможностью вращения вокруг оси Х-Х, b) втулка (11) противовеса (13) подвешена к втулке (1) несущего винта с возможностью колебания, с трением, вокруг оси W-W, параллельной оси Х-Х, находящейся под ней, с) наклон втулки (1) несущего винта относительно оси Х-Х, вызываемый изменением угла конусности лопасти (8), не определяет соответствующий наклон противовеса (13), плоскость вращения которой остается ортогональной оси вращения Y’-Y’ несущего винта, d) средство, предусмотренное для вызова смещения центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ и вдоль направления С-С в соответствии с наклоном втулки (1) несущего винта вокруг оси Х-Х, с последующим уравновешиванием составляющей подъемной силы - нормальной оси вращения несущего винта Y’-Y’ - лопасти (8) и инерционных сил, е) фрикционные устройства, предусмотренные для расположения между втулкой (1) несущего винта и втулкой (11) противовеса (13), гарантирующие, что наклон плоскости вращения лопасти (8) относительно оси Х-Х - вызываемый циклическим изменением шага лопасти (8) - определяет одновременный соответствующий наклон плоскости вращения противовеса (13), с последующим наклоном оси вращения Y’-Y’ несущего винта.

2. Однолопастный несущий винт для вертолетов по п.1, отличающийся тем, что средство, предусмотренное для вызова смещения центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ и вдоль направления С-С в соответствии с наклоном втулки (1) несущего винта вокруг оси Х-Х, с последующим уравновешиванием составляющей подъемной силы - нормальной оси вращения несущего винта Y’-Y’ - лопасти (8) и инерционных сил, содержит цилиндрическое тело (2), имеющее продольную ось R-R, параллельную оси Х-Х, цилиндрическое тело (2) размещено во втулке (1) несущего винта и свободно для вращения вокруг оси Х-Х и содержит глубокую выемку, в которую вставлена верхняя часть колонны (7), и идущая в противоположные стороны соосная пара штифтов (7а), соответственно оборудованных фрикционными устройствами, которые размещены в первой паре эксцентричных отверстий (2а) цилиндрического тела (2), где предусмотрено средство, которое определяет вращение цилиндрического тела (2) внутри втулки (1) несущего винта и вокруг оси W-W с последующим смещением центра массы несущего винта вдоль направления С-С.

3. Однолопастный несущий винт для вертолетов по п.2, отличающийся тем, что средство, которое определяет вращение цилиндрического тела (2) внутри втулки (1) несущего винта и вокруг оси W-W, содержит вращающиеся цилиндры (3), размещенные в идущей в противоположные стороны соосной второй паре эксцентричных отверстий (2b), расположенной в цилиндрическом теле (2), рычаги (5), расположенные на втулке (11) противовеса (13) и прикрепленные к цилиндрам (3) посредством эксцентричных штифтов (4), штифты (6) для подвешивания втулки (11) противовеса (13) к втулке (1) несущего винта.

4. Однолопастный несущий винт для вертолетов по п.2, отличающийся тем, что средства, которые определяют вращение цилиндрического тела (2) внутри втулки (1) несущего винта и вокруг оси W-W, содержат электромеханический исполнительный механизм (15) осевого типа, имеющий шарнирные штифты (16 и 17), подсоединенные, соответственно, к втулке (1) несущего винта и к цилиндрическому телу (2); телескопическое устройство для линейного детектирования (19) известного типа, которое подвешено, своими двумя концами (20 и 21), соответственно, к втулке (11) противовеса (13) и к втулке (1) несущего винта, и при условии, что шарнирный штифт конца (20) телескопического устройства является эксцентричным относительно шарнирного штифта втулки (11) противовеса (13), коробку (18) управления, которая управляет исполнительным механизмом (15) в соответствии с расстоянием между концами (20 и 21) телескопического устройства (19), обнаруживаемым и передаваемым самим телескопическим устройством (19), где обеспечено, что наклон втулки (1) несущего винта вверх, определяемый подъемом лопасти (8), вокруг оси Х-Х и относительно противовеса (13), вызывает изменение расстояния между концами (20 и 21) телескопического устройства (19), упомянутое изменение, посредством коробки (18) управления, определяет соответствующие смещения шарнирного штифта (17) исполнительного механизма (15) относительно шарнирного штифта (16) исполнительного механизма (15) и последующие повороты цилиндрического тела (2), которые вызывают смещение центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ несущего винта, коробка (18) управления сделана с помощью известных средств такой, что однозначное угловое положение цилиндрического тела (2), определяемое исполнительным механизмом (15), которое управляет изменением расстояния между шарнирными штифтами (16 и 17) исполнительного механизма (15), соответствует каждому значению угла конусности .

5. Однолопастный несущий винт для вертолетов по п.1, отличающийся тем, что средство, предусмотренное для вызова смещения центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ и вдоль направления С-С в соответствии с наклоном втулки (1) несущего винта вокруг оси Х-Х, с последующим уравновешиванием составляющей подъемной силы - нормальной оси вращения несущего винта Y’-Y’ - лопасти (8) и инерционных сил, содержит подвижную массу (22), которая скользит по плечу (12) противовеса (13), электромеханический исполнительный механизм (15) осевого типа, имеющий шарнирные штифты (16 и 16а), подсоединенные, соответственно, к втулке (1) несущего винта и к подвижной массе (22), телескопическое устройство для линейного детектирования (19) известного типа, два конца (20 и 21) которого подвешены, соответственно, к втулке (11) противовеса (13) и к втулке (1) несущего винта, и это обеспечено тем, что шарнирный штифт на конце (20) телескопического устройства (19) является эксцентричным относительно шарнирного штифта втулки (11) противовеса (13), коробка (18) управления известного типа, которая управляет исполнительным механизмом (15) в соответствии с расстоянием между концами (20 и 21) телескопического устройства (19), обнаруживаемым и передаваемым самим устройством (19), где обеспечено, что наклон втулки (1) несущего винта вверх, определяемый подъемом лопасти (8), вокруг оси Х-Х и относительно противовеса (13), вызывает относительное смещение между концами (20 и 21) телескопического устройства (19), которое, посредством коробки (18) управления, определяет соответствующие смещения шарнирных штифтов (16 и 16а) исполнительного механизма (15) с последующим смещением подвижной массы (22) и центра массы несущего винта относительно оси вращения Y’-Y’ несущего винта.

6. Однолопастный несущий винт для вертолетов по пп.1-3, отличающийся тем, что втулка (1) несущего винта составлена из противолежащей пары симметричных пластин (1а и 1b), соединенных друг с другом опорой (14), определяющих одну идущую в противоположные стороны пару отверстий (1с) и вторую идущую в противоположные стороны пару отверстий (1d), где первая пара отверстий (1с) размещает цилиндрическое тело (2), в то время как вторая пара отверстий (1d) размещает шарнирные штифты (6) втулки (11) противовеса (13).

Описание изобретения к патенту

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 () 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 ().

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).