Соосный воздушный винт и способ его управления

 

Использование: изобретение относится к авиационной технике. Сущность: соосный воздушный винт содержит переднюю и заднюю лопастные втулки с гидромеханизмами изменения угла установки лопастей. Каждая из втулок снабжена энергетическим источником рабочей жидкости. Способ управления соосным воздушным винтом включает направление рабочей жидкости с переменным давлением от регулятора на режимах нормального регулирования. На режимах ускоренного изменения углов установки лопастей отключают полости управления втулок от регулятора и включают в работу расположенный внутри каждой из втулок энергетический источник рабочей жидкости. 2 с. и ф-лы 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к области авиационной техники, в частности, к конструкции соосных воздушных винтов и способам их управления.

Результаты патентных исследований в вышеуказанной рубрике классификатора изобретений показывают о все более возрастающем интересе к соосным воздушным винтам со стороны всех основных зарубежных фирм-разработчиков винтов. Вызвано это целым рядом причин, главной из которых является высокая экономичность их работы. Использование в производстве современных соосных воздушных винтов новых технологий особенно в части изготовления композитных лопастей, выполняя их широкохордными, саблевидными, с улучшенными акустическими характеристиками, позволили получить многолопастной движитель для самолетов, не уступающий по скорости полета турбовентиляторным двухконтурным двигателям, но при этом, на (20-25)% более экономичный по расходу топлива.

Управление шагом лопастей в соосных воздушных винтах осуществляют посредством подачи от регулятора рабочей жидкости переменного давления в гидромеханизм изменения угла установки лопастей пастей обоих рядов. Тем самым обеспечивают поддержание заданной частоты вращения винта на режимах нормального регулирования. Однако в эксплуатации присутствуют режимы, например, реверс через флюгер, требующие ускоренного изменения угла установки лопастей для обеспечения высокой эффективности отрицательной тяги при посадке самолета. Осуществление этого аэродинамически предпочтительного процесса должно проходить достаточно быстро, чтобы исключить значительный провал частоты вращения винтовентилятора при прохождении лопастями флюгерного положения и избежать увеличения динамических напряжений в лопастях.

Указанные негативные явления можно свести к минимуму при обеспечении изменения угла установки лопастей со скоростью, примерно в 10 раз большей максимальных скоростей перекладки лопастей в существующих воздушных винтах.

Известна конструкция соосного воздушного винта, содержащая переднюю и заднюю лопастные втулки с приводами от дифференциального редуктора двигателя, каждая из которых включает гидромеханизм изменения угла установки лопастей с управляющими полостями, подключенными к регулятору [1] Известная конструкция обеспечивает реализацию системы реверсирования тяги, в которой лопасти передней втулки имеют положительные углы установки для создания организованного потока перед лопастями задней втулки, которые установлены на отрицательных углах для создания отрицательной тяги, превосходящей положительную тягу лопастей передней втулки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции соосного воздушного винта, следует отнести то, что он не обеспечивает быстрого изменения тяги для получения эффективной отрицательной тяги из-за отсутствия средств, осуществляющих высокие скорости перевода лопастей в реверсное положение через флюгер.

Известна также конструкция соосного воздушного винта, содержащая первый и второй ряды лопастей, закрепленных во втулках, вращаемых двигателями через редуктор. Изменение шага лопастей осуществляют гидромеханизмами с управляющими полостями, подключенными к регулятору [2] К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции винта, следует отнести то, что в нем реверсирование тяги осуществляют традиционным путем без ускоренного перевода лопастей в реверс через флюгер.

Известна конструкция соосного воздушного винта, содержащая два ряда лопастей, размещенных во втулках с приводом для их вращения от двигателя через дифференциальный редуктор при этом каждая из втулок включает устройство поворота лопастей со своим приводным механизмом [2] К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции винта, следует отнести то, что она не обеспечивает ускоренного перевода лопастей, например, для осуществления реверса через флюгер.

Наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому винту в группе изобретений является соосный воздушный винт, содержащий первый и второй ряды лопастей, вращаемых двигателем через редуктор. Изменение шага лопастей осуществляют гидромеханизмом с управляющими полостями, подключенными к регулятору [3] К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции винта, принятого за прототип, следует отнести то, что в нем реверсировании тяги осуществляют традиционным путем без ускоренного го перевода лопастей в реверс через флюгер.

Наиболее близким способом управления того же назначения к заявляемому способу в группе изобретений, по совокупности приемов его осуществления, является способ управления соосным воздушным винтом, заключающийся в том, что в полости управления для увеличения или уменьшения угла установки лопастей каждой из втулок направляют от регулятора рабочую жидкость с переменным давлением и обеспечивают этим работу винта на режимах нормального регулирования [3] К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, следует отнести то, что он не обеспечивает большой эффективности отрицательной тяги и высоких скоростей перевода лопастей в реверсное положение через флюгер.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения заключается в: обеспечении быстрого изменения тяги винта вследствие получения скоростей изменения угла установки лопастей в несколько раз больших, чем в существующих винтах (150^o в с.), не требуя при этом, повышения давления в каналах гидросистемы между винтом и регулятором, что обеспечивает установленный ресурс маслоподводящего узла в редукторе с вращающимися маслоуплотнительными кольцами, повышение надежности работы винта вследствие размещения энергетического источника рабочей жидкости в непосредственной близости к гидромеханизму изменения шага лопастей, что позволяет снизить гидравлические потери давления рабочей жидкости при ее движении по каналам гидросистемы регулятор-редуктор-винт, существенно раскрыть питающие каналы, снизить скорость движения масла по каналам гидросистемы и значительно упростить сливные магистрали, особенно, в редукторе: значительном уменьшении объема и веса гидросистемы в сравнении с конструкциями винтов, в которых стоящая задача ускоренного увеличения углов установки лопастей решается традиционным путем, поскольку рабочая жидкость на вход энергетического источника поступает из полости слива втулок и дополнительного количества рабочей жидкости из других емкостей не требуется: устранение слива в редуктор большого объема рабочей жидкости на режимах ускоренного увеличения углов установки лопастей, что облегчает ее откачку в редуктор.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту устройство достигается тем, что в заявляемом соосном воздушном винте, содержащем переднюю и заднюю лопастные втулки с приводами от дифференциального редуктора двигателя, каждая из которых включает гидромеханизм изменения угла установки лопастей с управляющими полостями, подключенными к регулятору, особенность заключается в том, что каждая из втулок снабжена энергетическим источников рабочей жидкости с клапаном его подключения и соединенной с энергетическим источником дополнительной полостью изменения углов установки лопастей, а также клапаном отключения управляющих полостей от регулятора и клапаном соединения управляющих полостей между собой, при этом, энергетический источник передней втулки соединен с приводом задней втулки, а энергетический источник задней втулки соединен с приводом передней втулки.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в заявляемом способе управления соосным воздушным винтом, включающи1л переднюю и заднюю втулки с лопастями, гидромеханизмами изменения углов установки лопастей и полостями управления и слива, заключающемся в том, что в полости управления для увеличения или уменьшения шения угла установки лопастей каждой из втулок направляют от регулятора рабочую жидкость с переменным давлением и обеспечивают этим работу винта на режимах нормального регулирования, особенностью является то, что на режимах ускоренного изменения углов установки лопастей, отключают полости управления втулок от регулятора, включают в работу расположенный внутри каждой из втулок энергетический источник рабочей жидкости повышенной производительности, давлением которой воздействуют через дополнительную полость на гидромеханизм изменения углов установки лопастей, при этом, необходимое давление жидкости на входе в энергетический источник обеспечивают посредством использования центробежной силы объема жидкости в полости слива втулок при их вращении, а полости управления соединяют между собой для перетекания вытесняемого объема жидкости из одной полости управления в другую.

Совокупность признаков, не перечисленных в соответствии с формулой изобретения на соосный воздушный винт и способ его управления, полностью обеспечивает достижение вышеизложенного технического результата, доказывая тем самым существенность признаков формулы изобретения.

Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из заявляемых объектов группы "Соосный воздушный винт" позволяет осуществить другой рассматриваемый объект группы "Способ управления соосным воздушным винтом", при этом, оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Вышеуказанный технический результат, а также средства его достижения, сущность и преимущества заявляемой группы изобретений подробно поясняются нижеследующим описанием и чертежами, на которых:
Фиг. 1 соосный воздушный винт (продольный разрез ),
Фиг. 2 узел А фиг. 1,
Фиг. 3 узел В фиг. 1,
Фиг. 4 структурная схема управления полостями одной из втулок винта.

Заявляемая группа изобретений ставит целью создать соосный воздушный винт и реализовать способ его управления для применения его на самолете.

Как показано на фиг. 1 соосный воздушный винт содержит переднюю 1 и заднюю 2 втулки, в рукавах которых посредством подшипников закреплены лопасти 3 и 4, из которых показана только одна, детали цилиндрово-поршневой группы, включающей цилиндры 5 и 6 с перегородками 7 и 8 и поршни 9 и 10, скрепленные с траверсами 11 и 12 и образующей гидромеханизм изменения угла установки лопастей с управляющими полостями большого 13 и 14 и малого 15 и 16 шага, подключенными каналами 17, 18, 19, 20 к регулятору 21 (при этом, следует иметь в виду, что каждая из втулок имеет управление от своего регулятора, размещенного в общем корпусе).

На комлевом конце лопастей 3 и 4 расположен эксцентричный палец 22 и 23 с подшипником, вставленным в паз траверсы 11 и 12.

Особенностью конструкции винта является то, что каждая из втулок 1 и 2 снабжена энергетическим источником рабочей жидкости (в дальнейшем масло) 24 и 25 повышенной производительности с клапаном его подключения 26, 27 и дополнительной полостью 28 и 29, а также клапанами отключения 30 (фиг. 2) от регулятора управляющих полостей 13, 15 для передней втулки и 14, 16 для задней втулки и клапанами 31 соединения управляющих полостей 13, 15, 14 и 16 соответственно для каждой из втулок между собой. Клапаны 30 и 31, условно не показанные на фиг. 1 размещены в маслопроводах 32 и 33 втулок 1 и 2. Энергетический источник 24 передней втулки, в качестве которого может быть использован, например, шестеренчатый маслонасос, ротор которого соединен с приводом задней втулки 2 посредством конической шестеренной передачи 34, рессоры 35 и корпуса сателлитов 36 редуктора, имеет частоту вращения задней втулки. Сам же корпус переднего маслонасоса 24 размещен в маслопроводе 32 и имеет частоту вращения передней втулки. Тем самым обеспечивается относительная удвоенная скорость вращения ротора маслонасоса 24.

Привод ротора маслонасоса 25 задней втулки осуществлен от вала 37 привода передней втулки через коническую шестеренную передачу 38. Таким образом, ротор маслонасоса 25, вращается с частотой вращения передней втулки, умноженной на редукцию в конической шестеренной передаче, а корпус маслонасоса 25, размещенный в маслопроводе задней втулки имеет частоту вращения этой втулки. В результате этого также обеспечивается относительная удвоенная скорость вращения ротора маслонасоса 25.

Работа соосного воздушного винта, раскрывающая, при этом, существо и исполнение другого объекта-способа, происходит следующим образом.

Изменение шага винта для поддержания установленного значения частоты вращения осуществляют посредством направления рабочей жидкости (в дальнейшем масла) переменного давления от регулятора 21 на одну или другую стороны поршня 7 и 10 в полости управления 13, 15 и 14, 16 соответственно для передней и задней втулок 1 и 2. Если нагрузка на лопасти 3 и 4, которая меняется в зависимости от угла их установки и от других факторов, уравновешивается общим давлением масла на поршни 9 и 10 в противоположном нагрузке направлении, лопасти остаются в неизменном положении. При различии давления и нагрузки происходит поворот лопастей посредством перемещения траверсы 11 и 12, скрепленной с поршнем. Изменение угла установки лопастей и установка их в новое положение осуществляется до тех пор, пока не восстановится равновесие между вышеописанными действующими силами и пока двигатель не будет вращаться с установленной частотой вращения.

Таким образом, обеспечивается работа винта на режимах нормального регулирования.

На режимах ускоренного изменения углов установки лопастей отключают полости управления 13, 14, 15 и 16 передней и задней втулок от регулятора 21. Для этого подается команда с борта самолета, по которой происходит срабатывание целого ряда управляющих средств в регуляторе 21 с выдачей сигнала по каналу связи 39 на включение клапана 26 и по каналу связи 40 на включение клапана 31 для каждой из втулок 1 и 2. Дальнейшее описание работы приведено на примере управления передней втулкой. Управление задней втулкой происходит аналогичным образом. Клапан 26, срабатывая, подключает в работу маслонасос 24 посредством отсоединения последнего от канала слива 41. В дальнейшем клапан 26, выполненный в форме дифференциального плунжера, работает в режиме общеизвестного редукционного клапана, ограничивающего максимальное давление. В результате того, что клапан 26 перенастроил давление в выходном канале маслонасоса 24 со сливного на высокое, например, 200 кг/см², масло под давлением поступает в дополнительную полость 28 по каналу 42 с одновременным воздействием по каналу 43 на клапан 30 отключения управляющих полостей 13 и 15 от регулятора 21. Подача высокого давления масла в дополнительную полость 28 вызывает ускоренное перемещение поршня 9, который через траверсу II поворачивает лопасти 3 в сторону увеличения углов их установки с переводом лопастей через флюгер в реверсное положение с беспрепятственным прохождением "съемных" упоров флюгера во втулках. При этом, масло из полости 15 малого шага перетекает в равную ей по площади полость 13 большого шага через золотник 31,который, как было выше отмечено, срабатывает по сигналу высокого давления от регулятора 21 в канале 40. Вследствие размещения маслонасоса 24 во втулке винта в непосредственной близости от дополнительной полости 28 обеспечиваются минимальные потери давления, подаваемого в упомянутую полость (короткий канал, отсутствие уплотнительных вращающихся колец, максимальное раскрытие сечения питающего канала и т.д.), а это, в совокупности с возможностью использования высоких значений указанного давления, позволяет уменьшить диаметр дополнительной полости 28 и получить выигрыш в массе втулки.

Масло в маслонасос 24 подается из полости 44 слива втулки и дополнительного масла из других источников не требуется. Суммарный объем масла в полостях управления и слива при реверсировании винта остается неизменным, что существенно сокращает объем и вес маслосистемы. Этим удалось также решить проблему устранения слива в редуктор большого объема масла при реверсе, что облегчает масло-откачку из редуктора. Для устранения кавитации масла на входе в маслонасос 24 без постановки дополнительного подкачивающего насоса торец входного канала в маслонасос 24 размещают, по возможности, как можно ближе к периферии втулки для использования давления от центробежной силы вращающегося объема жидкости в полости слива 44.

При достижении лопастями угла реверса автоматически выдается команда на возврат клапана 26 в исходное состояние и перенастраивания давления в ветви "насос 24 дополнительная полость 28" на сливное. Этим обеспечивается отсутствие дополнительного нежелательного подогрева масла и повышенный ресурс маслонасосов 24 и 25, длительно работающих на режимах нормального регулирования винта без сопротивления по давлению, а на режимах реверса и других, находящихся под давлением не более, например, 5 с.

Маслонасосы 24 и 25 вращаются с относительной удвоенной скоростью вращения роторов, поскольку, как выше отмечалось, маслонасос 24 передней втулки 1 соединен с приводом задней втулки, а маслонасос 25 задней втулки соединен с приводом передней втулки.

С выключением из работы маслонасоса 24 клапан 31 возвратится в исходное положение и исключит перетекание масла из полости 15 малого шага в полость 13 большого шага. Клапан 30 также вернется в исходное положение и подключит полости управления 13 и 15 к регулятору. При этом следует иметь в виду, что подключение каналов 17 и 19 к управляющему элементу регулятора должно быть обратным их подключению, имевшему место на режиме прямой тяги, так как при прохождении лопастями флюгерного положения коэффициент мощности винта меняет знак на противоположный. Обратное переключение каналов 17 и 19 позволяет поддерживать регулятором равновесную частоту вращения винта на режиме реверсирования и иметь управляемый реверс для исключения рассогласования частот вращения передней и задней втулок.

Промышленная применимость заявляемой группы изобретений доказывается прежде всего тем, что соосный воздушный винт, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования на самолетах в силовых установках повышенного диапазона мощностей с высокой топливной экономичностью.

Для заявленной группы изобретений в том виде, как она охарактеризована в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, возможность их осуществления также подтверждается использованием средств, апробированных в отечественной и зарубежной практике проектирования и изготовления воздушных винтов.

Формула изобретения

1. Соосный воздушный винт, содержащий переднюю и заднюю лопастные втулки с приводами от дифференциального редуктора двигателя, каждая из которых включает гидромеханизм изменения угла установки лопастей с управляющими полостями, подключенными к регулятору, отличающийся тем, что каждая из втулок снабжена энергетическим источником рабочей жидкости с клапаном его подключения и соединенной с энергетическим источником дополнительной полостью изменения угла установки лопастей, а также клапаном отключения управляющих полостей от регулятора и клапаном соединения управляющих полостей между собой, при этом энергетический источник передней втулки соединен с приводом задней втулки, а энергетический источник задней втулки соединен с приводом передней втулки.

2. Винт по п.1, отличающийся тем, что энергетический источник рабочей жидкости каждой из втулок выполнен в виде шестеренчатого маслонасоса.

3. Винт по п.1, отличающийся тем, что клапан подключения энергетического источника выполнен в виде дифференциального подпружиненного плунжера с командной полостью и управляющей проточкой.

4. Винт по п.3, отличающийся тем, что командная полость подпружиненного плунжера подключена каналом к регулятору.

5. Винт по п.4, отличающийся тем, что подпружиненный плунжер размещен в маслопроводе втулки в зоне продольной оси.

6. Винт по п. 5, отличающийся тем, что управляющая проточка подпружиненного плунжера на входе подключена к выходному каналу энергетического источника, а на выходе подключена к полости слива втулки.

7. Винт по п. 1, отличающийся тем, что клапан отключения управляющих полостей от регулятора выполнен в виде подпружиненного золотника с двумя управляющими проточками.

8. Винт по п.7, отличающийся тем, что верхняя проточка упомянутого подпружиненного золотника на входе подключена к каналу управления малым шагом, а нижняя проточка упомянутого золотника на входе подключена к каналу управления большим шагом от регулятора.

9. Винт по п. 8, отличающийся тем, что верхняя проточка упомянутого подпружиненного золотника на выходе подключена к клапану соединения управляющих полостей между собой, а нижняя проточка упомянутого подпружиненного золотника на выходе подключена к полости управления большим шагом гидромеханизма изменения угла установки лопастей.

10. Винт по п.9, отличающийся тем, что полость над торцем упомянутого подпружиненного золотника со стороны, противоположной пружине, подключена с возможностью соединения с выходным каналом энергетического источника.

11. Винт по п. 1, отличающийся тем, что клапан соединения управляющих полостей между собой выполнен в виде подпружиненного золотника с одной управляющей проточкой.

12. Винт по п.11, отличающийся тем, что управляющая проточка упомянутого подпружиненного золотника на входе подключена к каналу управления малым шагом через верхнюю проточку золотника отключения управляющих полостей регулятора.

13. Винт по п.12, отличающийся тем, что полость над торцем упомянутого подпружиненного золотника со стороны, противоположной пружине, подключена к командному каналу от регулятора для обеспечения возможности соединения между собой управляющих полостей гидромеханизма изменения угла установки полостей при наличии высокого давления в командном канале от регулятора.

14. Винт по п.1, отличающийся тем, что дополнительная полость изменения угла установки лопастей образована в гидромеханизме угла установки лопастей со стороны полости малого шага с меньшим диаметром по отношению к последней.

15. Винт по п.2, отличающийся тем, что ротор шестеренчатого маслонасоса передней втулки кинематически связан с корпусом сателлитов редуктора посредством конической шестеренной передачи и рессоры.

16. Винт по п.2, отличающийся тем, что ротор шестеренчатого маслонасоса задней втулки кинематически связан с валом привода и передней втулки посредством конической шестеренной передачи.

17. Винт по п.2, отличающийся тем, что входной канал шестеренчатого маслонасоса подключен к полости слива втулки.

18. Винт по п.17, отличающийся тем, что торец входного канала шестеренчатого маслонасоса размещен в периферийной зоне полости слива втулки.

19. Способ управления соосным воздушным винтом, включающим переднюю и заднюю втулки с лопастями, гидромеханизмами изменения углов установки лопастей и полостями управления и слива, заключающийся в том, что в полости управления для увеличения или уменьшения угла установки лопастей к каждой из втулок направляют от регулятора рабочую жидкость с переменным давлением и обеспечивают этим работу винта на режимах нормального регулирования, отличающийся тем, что на режимах ускоренного изменения углов установки лопастей отключают полости управления втулок от регулятора, включают в работу расположенный внутри каждой из втулок энергетический источник рабочей жидкости повышенной производительности, давлением которой воздействуют через дополнительную полость на гидромеханизм изменения углов установки лопастей, а полости управления соединяют между собой для перетекания вытесняемого объема жидкости из одной полости управления в другую.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что необходимое давление жидкости на входе в энергетический источник обеспечивают посредством использования центробежной силы объема жидкости в полости слива втулок при их вращении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4