Рулевой винт вертолета и вертолет, содержащий этот рулевой винт

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям рулевых винтов вертолетов. Рулевой винт (3) вертолета (1) содержит вал (5), вращающийся вокруг оси вращения (А), по меньшей мере две лопасти (6), проходящие вдоль продольных осей, расположенных поперечно по отношению к оси вращения, ступицу (7) для соединения вала (5) с лопастями (6). Лопасть (6) рулевого винта (3) вертолета (1) имеет переднюю кромку (8) и заднюю кромку (9), расположенные напротив друг друга и проходящие вдоль продольной оси (В) лопасти (6). Задняя кромка (9) в процессе эксплуатации взаимодействует с воздушным потоком после передней кромки (8). Лопасть (6) имеет также две расположенные напротив друг друга поверхности (12, 13), проходящие между передней кромкой (8) и задней кромкой (9), и корневую часть (14а), проходящую от первого торца (10), внутреннего по отношению к оси вращения (А) лопасти (6), по направлению ко второму торцу (11), который находится по другую сторону от первого торца (10). Корневая часть (14а) при ее рассечении плоскостью, перпендикулярной передней кромке (8) и задней кромке (9), имеет профиль (G), асимметричный по отношению к хорде (Р), соединяющей переднюю кромку 8 и заднюю кромку 9. Вершины первых торцов лопастей расположены на расстоянии от оси вращения, составляющем от 10% до 25% максимального расстояния между осью вращения и вершинами вторых торцов лопастей. Улучшается аэродинамическая эффективность лопастей и уменьшается нагрузка на лопасти и механизмы управления рулевым винтом. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к рулевому винту вертолета и к вертолету, содержащему этот рулевой винт.

Уровень техники

Известны вертолеты, включающие фюзеляж, несущий винт, установленный сверху в центральной части фюзеляжа, и рулевой винт, который противодействует вращательному моменту, создаваемому несущим винтом на фюзеляже.

Рулевые винты, главным образом, включают в себя вал трансмиссии; ступицу, установленную на валу трансмиссии; некоторое количество лопастей, закрепленных на ступице и отходящих от нее радиально.

В частности, каждая лопасть проходит в продольном направлении, по существу, радиально и приводится ступицей во вращение в плоскости, перпендикулярной оси вала трансмиссии.

Кроме того, каждая лопасть обладает подвижностью в любой плоскости по отношению к ступице, что позволяет управлять движением вертолета.

В данной отрасли ощущается потребность в том, чтобы улучшить аэродинамическую эффективность лопастей и уменьшить нагрузку на лопасти и механизмы управления рулевым винтом без увеличения радиального размера рулевого винта.

Раскрытие изобретения

Ввиду изложенного, задача настоящего изобретения заключается в создании рулевого винта вертолета такой конструкции, которая позволяет достичь упомянутых выше целей простым и недорогим способом.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью рулевого винта вертолета, обладающего признаками п. 1 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный, не ограничивающий вариант осуществления изобретения объясняется ниже в качестве примера со ссылкой на чертежи, где:

Фиг.1 и 2 под различными углами показывают изображения в перспективе лопасти рулевого винта вертолета согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 показывает вид сверху лопасти по фиг.1 и 2;

Фиг.4 показывает вид спереди передней кромки лопасти по фиг.1;

Фиг.5-8 показывают сечения лопасти по фиг.3 плоскостями V-V, VI-VI, VII-VII, VIII-VIII;

Фиг.9 показывает вид сбоку хвостовой части вертолета (некоторые детали удалены для ясности), включающей в себя рулевой винт, состоящий из определенного числа лопастей, как показано на фиг.1-4;

Фиг.10 и 11 показывают разрезы рулевого винта по фиг.9 (некоторые детали удалены для ясности);

Фиг.12 и 13 показывают соответственно вид сбоку и вид сверху рулевого винта по фиг 9-11.

Осуществление изобретения

Фиг.9, 12 и 13 показывают хвостовую часть вертолета 1, включающую в себя, главным образом, фюзеляж 2, несущий винт (не показан), установленный в верхней части фюзеляжа 2 и вращающийся вокруг соответствующей оси, и рулевой винт (3), выступающий из хвостового оперения фюзеляжа 2 и противодействующий вращательному моменту, который передается от винта 3 к фюзеляжу 2.

В частности, рулевой винт 3 включает в себя, главным образом, следующее (фиг.9-13):

- вал 5 трансмиссии, вращающийся вокруг оси А, расположенной поперечно по отношению к оси вращения несущего винта;

- определенное число (в показанном примере - 2) лопастей 6, проходящих вдоль соответствующих осей В, по существу радиально по отношению к оси А; и

- ступицу 7, функционально соединенную с валом 5, от которой отходят лопасти 6.

В частности, ступица 7 вращает лопасти 6 вокруг оси А и допускает свободное движение лопастей 6 относительно вала 5 в плоскости, определяемой осью А и соответствующими осями В, а также допускает вращение лопастей 6, посредством внешнего управления, вокруг соответствующих осей В для регулирования соответствующих углов атаки относительно воздушного потока.

Ось А расположена вне лопастей 6.

Согласно фиг.1-4 каждая лопасть 6 является полой и ограничена:

- передней кромкой 8, определяемой теми точками лопасти 6, которые располагаются впереди с учетом направления вращения (показано на фиг.9) лопасти 6;

- задней кромкой 9, определяемой теми точками лопасти 6, которые располагаются сзади с учетом направления вращения, и находящейся на противоположной стороне лопасти по отношению к передней кромке 8;

- внутренним, в радиальном направлении, торцом 10, закрепленным на боковой стороне ступицы 7 и расположенным между передней кромкой 8 и задней кромкой 9; и

- наружным, в радиальном направлении, торцом 11, по другую сторону относительно торца 10, расположенным между передней кромкой 8 и задней кромкой 9.

Каждая лопасть 6 включает в себя, главным образом, переднюю поверхность 12 и заднюю поверхность 13, которые находятся на противоположных сторонах лопасти, проходят в радиальном направлении между торцами 10 и 11 и отделены друг от друга передней кромкой 8 и задней кромкой 9.

В частности, задняя поверхность 13 расположена между передней поверхностью 12 и хвостовым оперением, от которого отходит рулевой винт 3.

В направлении от торца 10 к торцу 11 лопасть 6 включает в себя (фиг.1-4 и 8):

- корневую часть 14а;

- промежуточную часть 14b; и

- оконечную часть 14с, изгибающуюся в сторону от хвостового оперения вертолета 1 по отношению к корневой части 14а и промежуточной части 14b.

Другими словами, оконечная часть 14с опущена вниз относительно остальной части лопасти 6.

От торца 10 до торца 11 передняя кромка 8 (фиг.4) включает в себя первый прямой участок, проходящий вдоль корневой части 14а; второй прямой участок, наклоненный относительно первого участка; и криволинейный участок, проходящий вдоль оконечной части 14с.

В частности, второй участок проходит вдоль промежуточной части 14b.

Ступица 7 включает в себя следующее (фиг.9-13):

- пластинчатый замок 15, который приводится во вращение валом 5 вокруг оси А, вращается относительно вала 5 вокруг оси С, перпендикулярной оси А и осям В, и соединяется с лопастями 6 под фиксированным углом по отношению к оси А, с возможностью вращения относительно осей В;

- две пары пластин 20, неподвижно соединенных с лопастями 6; и

- втулку 25 (фиг.10 и 11), которая приводится во вращение валом 5 вокруг оси А, и перемещается вдоль оси А относительно вала 5 при помощи механизмов управления (не показаны) и соединяется с двумя парами пластин 20 для вращения лопастей 6 вокруг осей В.

В частности, пластинчатый замок 15 лежит в плоскости, пересекающей ось А, и включает в себя основную секцию 16, надетую на вал 5; и две удлиненные секции 17, концы которых расположены по разные стороны оси А и вставлены в соответствующие посадочные гнезда 19 соответствующих лопастей 6 (фиг.10).

Вал 5 (фиг.10 и 11) окружен цилиндрическим элементом 22, который находится в контакте с опорным гнездом 21, входящим в состав основной секции 16. Цилиндрический элемент 22 и опорное гнездо 21 соединены с возможностью вращения вокруг оси С и расположены под фиксированным углом по отношению к оси А. Поверхности контакта цилиндрического элемента 22 и опорного гнезда 21 являются сопряженными поверхностями и имеют совмещенные центры, расположенные на пересечении осей А и С.

Опорное гнездо 21 и цилиндрический элемент 22, таким образом, образуют цилиндрический шарнир с осью С, благодаря которому лопасти 6 могут колебаться все вместе, то есть совершать движения вокруг оси С относительно вала 5. В частности, причиной таких колебаний являются различные аэродинамические нагрузки на лопасти 6, которые являются следствием различных относительных скоростей лопастей 6 по отношению к воздушному потоку.

Удлиненные секции 17 выступают из главной секции 16 по разные стороны оси А и входят внутрь соответствующих лопастей 6. Концы 18 имеют форму полых цилиндров, оси которых совпадают с соответствующими осями В, а посадочные гнезда 19 имеют форму цилиндрических полостей, проходящих вдоль соответствующих осей В, так что после вставки концов 18 внутрь соответствующих посадочных гнезд 19 лопасти имеют возможность вращаться вокруг соответствующих осей В, относительно пластинчатого замка 15, а лопасти 6 и пластинчатый замок находятся под фиксированным углом относительно осей А и С.

Пластины 20 каждой пары установлены так, что одна пластина крепится к передней поверхности 12, а другая - к задней поверхности 13 соответствующей лопасти 6. Пластины 20 параллельны друг другу и лежат в параллельных плоскостях.

Ступица 7 включает в себя для каждой пары пластин 20 пару рычагов 24 (фиг.9, 10, 11), одни концы которых прикреплены к соответствующим пластинам 20 в одной паре пластин 20. Другие концы рычагов 24 в каждой паре соединены друг с другом при помощи поперечного элемента 26, размещенного между осью А и торцом 10 соответствующей лопасти 6.

Втулка 25 выдается наружу по отношению к валу 5 на противоположной стороне хвостового оперения и включает в себя следующее:

- первые радиальные выступы 27 (фиг.10, 12, 13), расположенные диаметрально противоположно по отношению к оси А и присоединенные к соответствующим элементам 26 при помощи поперечин 29; и

- вторые радиальные выступы 28, расположенные диаметрально противоположно по отношению к оси А, каждый из которых при помощи двух рычагов 31, 32 присоединен к тарелке 33, которая составляет одно целое с валом 5 с определенной угловой ориентацией и расположена на оси А, между валом 5 и втулкой.

В частности, каждый выступ 27 расположен с определенной угловой ориентацией между выступами 28.

Поперечины 29 проходят поперек оси А, и их первые концы присоединены к выступам 27, а вторые концы, располагающиеся по другую сторону от первых концов, присоединены к соответствующим элементам 26, расположенным эксцентрически по отношению к осям В (фиг.10).

В частности, поперечины 29 присоединены к соответствующим элементам 26 так, что при перемещении втулки 25 вдоль оси А лопасти 6 поворачиваются в одном и том же направлении вокруг соответствующих осей В.

Каждый рычаг 31 имеет первый конец, шарнирно соединенный с втулкой 25, и второй конец по другую сторону от первого конца, шарнирно соединенный с первым концом соответствующего рычага 32.

Каждый рычаг 32 имеет второй конец по другую сторону от первого конца, шарнирно соединенный с тарелкой 33.

Пластины 20 каждой пары соединены друг с другом с помощью штыря 35, перпендикулярного оси В лопасти 6. Штырь 35 имеет промежуточную секцию 36, которая помещается внутри корневой части 14а лопасти 6 и входит в зацепление с опорным гнездом 37, входящим в состав удлиненной секции 17, с возможностью вращения относительно оси В.

В частности, промежуточная секция 36 имеет сферическую наружную поверхность, сопрягающуюся со сферической поверхностью опорного гнезда 37. В частности, сферические поверхности, входящие в состав промежуточной секции 36 и опорного гнезда 37, являются концентрическими, и их центры располагаются на оси В.

Таким образом, промежуточные секции 36 штырей 35 и опорные гнезда 37 образуют шарниры, которые позволяют лопастям 6 поворачиваться вокруг осей В относительно пластинчатого замка 15.

В передней поверхности 12 и задней поверхности 13 каждой лопасти 6 выполнены отверстия 38 (фиг.1-3) вблизи торца 10, в которые вставлены противоположные концы штыря 35.

Будучи рассеченной плоскостью, перпендикулярной передней кромке 8 и задней кромке 9 (фиг.5), корневая часть 14а имеет профиль G, асимметричный по отношению к хорде Р, соединяющей переднюю кромку 8 и заднюю кромку 9.

В силу асимметрии профиля G корневая часть 14а играет активную роль в создании лопастями 6 подъемной силы, и, следовательно, крутящего момента, который передается от рулевого винта 3 на фюзеляж 2.

В частности, передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 плавно переходят друг в друга на передней кромке 8 и сходятся под острым углом на задней кромке 9, вдоль корневой части 14а и промежуточной и оконечной частей 14b, 14с.

В корневой части 14а задняя поверхность 13 имеет выпуклую форму, тогда как передняя поверхность 12 имеет вогнутый первый участок 41, примыкающий к задней кромке 9, и выпуклый второй участок 42, расположенный между участком 41 и передней кромкой 8 (фиг.5).

В каждом сечении, перпендикулярном передней кромке 8 и задней кромке 9, точки профиля G, определяющие заднюю поверхность 13, удалены от хорды Р на большее расстояние, чем соответствующие точки профиля G, определяющие переднюю поверхность 12 (фиг.3, 4, 5).

Что касается профиля G, то хорда Р включает в себя основную часть P₁, находящуюся между передней поверхностью 12 и задней поверхностью 13; и конечную часть P₂ на конце задней кромки 9. В частности, примыкающий к задней кромке 9 участок 41 находится между конечной частью Р₂ и задней поверхностью 13 (фиг.5).

В частности, профиль G получен в сечении корневой части 14а, примыкающей к торцу 10.

Те точки на передней поверхности 12, которые максимально удалены от задней поверхности 13 в корневой части 14а, обозначены участком 43 на фиг.1-4.

На фиг.6 и 7 оба сечения промежуточной части 14b и оконечной части 14 с соответствующими плоскостями, перпендикулярными задней кромке 9, задней поверхности 13 и передней поверхности 12, имеют выпуклую форму (фиг.6 и 7).

На фиг.6 и 7, где показаны сечения лопасти 6, хорда 6 расположена между задней поверхностью 13 и передней поверхностью 12.

От передней кромки 8 до задней кромки 9, в каждом сечении лопасти 6 плоскостью, перпендикулярной задней кромке 9, передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 сначала расходятся, а потом сходятся (фиг.5-7).

Как показано на фиг.8, в промежуточной продольной плоскости лопасти 6 между передней кромкой 8 и задней кромкой 9 передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 сходятся в корневой части 14а, остаются равноудаленными друг от друга в промежуточной части 14b и сходятся в оконечной части 14с.

В промежуточной части 14b длина хорды Р лопасти 6, то есть расстояние между передней кромкой 8 и задней кромкой 9, измеренное перпендикулярно к задней кромке 9, является постоянной величиной.

Как показано на фиг.5-7, наклон хорд Р относительно неподвижной оси, перпендикулярной передней кромке 8 и задней кромке 9, меняется в направлении от торца 10 к торцу 11. В частности, неподвижная ось вертикальна, а угол между хордами Р и неподвижной осью уменьшается в направлении от корневой части 14а (фиг.5) к оконечной части 14с (фиг.7).

Другими словами, угол установки лопастей 6 изменяется вдоль осей В, то есть в противоположность нахождению в одной плоскости, геометрическое место точек хорд Р имеет искривленный профиль на виде сверху.

В торце 10, на участке от передней кромки 8 до задней кромки 9, передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 включают в себя первые участки 45, лежащие в одной плоскости, расположенной под углом по отношению к задней кромке 9; закругленные вторые участки 46, окружающие отверстия 38; и третьи участки 47, лежащие в одной плоскости, расположенной под углом по отношению к плоскости участков 45.

Участки 45 симметричны относительно оси В (фиг.4 и 13, слева), тогда как участки 47 асимметричны относительно оси В.

Расстояние между вершинами торца 10 и осью А составляет от 10% до 25% максимального расстояния между вершинами торца 11 и осью А.

Расстояние между вершинами торца 10 и осью А предпочтительно составляет от 10% до 23% от максимального расстояния между вершинами торца 11 и осью А.

В реальных условиях эксплуатации вал 5 вращается вокруг оси А для того, чтобы вращать ступицу 7.

Пластинчатый замок 15 вращает лопасти 6 вокруг оси А, в то время как соединение между элементом 22 и опорным гнездом 21 в пластинчатом замке 15 позволяет лопастям 6 свободно колебаться вокруг оси С под воздействием аэродинамических нагрузок.

При помощи средств внешнего управления лопасти 6 можно повернуть на один и тот же угол и в одном и том же направлении вокруг осей В для того, чтобы изменить угол атаки лопастей 6 относительно воздушного потока, обтекающего лопасти 6.

В частности, средства внешнего управления перемещают втулку 25 вдоль оси А, и это движение передается на поперечины 29 и элементы 26.

Поперечины 29 соединены с элементами 26 эксцентрически по отношению к осям В, в результате перемещения поперечин 29 поворачиваются пластины 20, и, следовательно, лопасти 6 вокруг осей В.

По мере поворота лопастей посадочные гнезда 19 лопастей поворачиваются вокруг осей В относительно соответствующих концов 18 удлиненных секций 17 пластинчатого замка 15, а штыри 35 вращаются вокруг осей В относительно опорных гнезд 37 удлиненных секций 17.

Во время нормальной работы рулевого винта 3 в корневых частях 14а лопастей создается значительная подъемная сила.

Поэтому корневые части 14а лопастей 6 играют активную роль в создании силы, передаваемой от рулевого винта 3 на хвостовое оперение, и, следовательно, крутящего момента, передаваемого на фюзеляж 2.

Преимущества рулевого винта 3 согласно настоящему изобретению становятся ясными из представленного выше описания.

В частности, благодаря своей конструкции корневая часть 14а лопасти 6 играет активную роль в создании аэродинамической силы, передаваемой потоком воздуха лопасти 6, и, следовательно, в создании крутящего момента, передаваемого рулевым винтом 3 на фюзеляж 2 вертолета 1.

В частности, заявитель выяснил, что конструкция корневой части 14а обеспечивает создание подъемной силы даже на расстоянии от оси А, которое составляет от 10% до 20% полного радиального размера лопасти 6. Другими словами, для заданного значения числа Рейнольдса конструкция корневой части 14а повышает коэффициент подъемной силы лопасти 6.

По этой причине лопасть 6 обеспечивает максимальную аэродинамическую эффективность рулевого винта 3 для заданного полного радиального размера рулевого винта 3.

Более того, поскольку подъемная сила создается также в сечениях лопасти 6, расположенных чрезвычайно близко к оси А, напряжение, создаваемое изгибающими моментами на органах управления рулевым ротором 3, значительно уменьшается для заданного выпрямляющего момента, создаваемого рулевым винтом 3.

Другими словами, для заданного выпрямляющего момента, создаваемого рулевым винтом 3, и, следовательно, для заданной равнодействующей подъемных сил на лопастях 6, конструкция корневых частей 14а переносит точку приложения равнодействующей ближе к оси А.

Очевидно, что в описанный рулевой винт 3 можно внести изменения, не отклоняясь от объема охраны, определенного в формуле изобретения.

В частности, средства шарнирного крепления ступицы 7 к валу 5 и лопастей 6 к ступице 7 могут быть другого типа.

1. Рулевой винт вертолета, содержащий вал, вращающийся вокруг оси вращения, по меньшей мере две лопасти, проходящие вдоль продольных осей, расположенных поперечно по отношению к оси вращения; и ступицу для соединения вала с лопастями, при этом каждая лопасть имеет переднюю кромку и заднюю кромку, расположенные напротив друг друга и проходящие вдоль продольной оси лопасти, причем в процессе эксплуатации задняя кромка взаимодействует с воздушным потоком после передней кромки, первую и вторую поверхности на противоположных сторонах лопасти, проходящие между передней кромкой и задней кромкой, первый торец, внутренний в радиальном направлении по отношению к оси вращения лопасти, второй торец, наружный в радиальном направлении, с противоположной стороны от первого торца, внутреннего в радиальном направлении, и корневую часть, отстоящую от указанного наружного второго торца в продольном направлении и включающую в себя указанный внутренний первый торец, причем корневая часть при ее рассечении плоскостью, перпендикулярной передней кромке или задней кромке, имеет профиль, асимметричный по отношению к хорде, соединяющей переднюю кромку и заднюю кромку в указанной плоскости, отличающийся тем, что вершины первых торцов лопастей расположены на расстоянии от оси вращения, составляющем от 10% до 25% максимального расстояния между осью вращения и вершинами вторых торцов лопастей.

2. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что ступица образует средства управления для вращения лопастей вокруг соответствующих продольных осей с целью изменения углов атаки лопастей по отношению к воздушному потоку, причем указанные средства управления, по меньшей мере частично, размещены в соответствующих корневых частях лопастей.

3. Рулевой винт по п.2, отличающийся тем, что средства управления включают в себя, по меньшей мере, привод, перемещаемый вдоль оси вращения; по меньшей мере, две пары пластин, составляющих одно целое с лопастями и соединенных функционально с приводом, для вращения вокруг соответствующих продольных осей; а также два штыря, которые выполнены с возможностью вращения вокруг соответствующих продольных осей, составляют одно целое с соответствующими парами пластин, и каждый из которых имеет соответствующую секцию, входящую внутрь соответствующей корневой части.

4. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что в корневой части первая и вторая поверхности каждой лопасти плавно переходят друг в друга на передней кромке.

5. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что в корневой части первая и вторая поверхности каждой лопасти сходятся под острым углом на задней кромке.

6. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что вторая поверхность каждой лопасти имеет выпуклую форму в корневой части.

7. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что первая поверхность каждой лопасти имеет частично вогнутую и частично выпуклую форму в корневой части.

8. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что хорда каждой лопасти имеет основную часть, которая расположена между первой и второй поверхностями, при этом одна из указанных поверхностей расположена между конечной частью хорды и другой из указанных поверхностей.

9. Рулевой винт по п.8, отличающийся тем, что конечная часть хорды каждой лопасти находится на стороне задней кромки.

10. Рулевой винт по п.8, отличающийся тем, что конечная часть первой поверхности каждой лопасти, находящаяся на стороне задней кромки, расположена между конечной частью хорды и второй поверхностью.

11. Рулевой винт по п.7, отличающийся тем, что на участке от задней кромки до передней кромки первая поверхность каждой лопасти включает в себя, в корневой части, участок вогнутой формы и следующий за ним участок выпуклой формы.

12. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что точки указанного профиля, определяющие первую поверхность каждой лопасти, удалены от хорды на большее расстояние, чем соответствующие точки, определяющие вторую поверхность.

13. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть включает в себя оконечную часть, которая имеет указанный второй торец, наружный в радиальном направлении; и промежуточную часть, проходящую вдоль продольной оси и расположенную между корневой частью и оконечной частью, причем промежуточная часть каждой лопасти отстоит от первого и второго торцов, при этом расстояние между передней кромкой и задней кромкой в промежуточной части является постоянной величиной, и длина хорды в промежуточной части также является постоянной величиной.

14. Рулевой винт по п.1, отличающийся тем, что в первом торце, на участке от передней кромки до задней кромки, первая и вторая поверхности каждой лопасти включают в себя первые участки, лежащие в одной плоскости, расположенной под углом по отношению к задней кромке; закругленные вторые участки; и третьи участки, лежащие в одной плоскости, расположенной под углом по отношению к плоскости первых участков.

15. Вертолет, содержащий хвостовое оперение, отличающийся тем, что содержит рулевой винт по п.1, причем указанная вторая поверхность расположена между хвостовым оперением и указанной первой поверхностью.