Устройство реактивного привода несущего винта

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям приводов несущих винтов винтокрылых летательных аппаратов. Устройство реактивного привода несущего винта состоит из силовой установки (1), компрессора (2) с регулировочным клапаном давления воздуха, втулки несущего винта (3), лопастей (4), трубопроводов (5), щелевых сопел (6), длинная сторона которых располагается вдоль задней кромки лопастей. Поперечная ось щелевых сопел находится на расстоянии 0,7 радиуса винта от оси вращения. Угол выброса газа из сопел составляет α_рз=45° относительно хорды профиля поперечного сечения лопасти винта. Установочный угол профиля лопасти находится в пределах 18°<ϕ<25°. Достигается повышение удельной тяги винта, уменьшение веса и габаритов устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям винтокрылых летательных аппаратов, и может быть применено в летательных аппаратах тяжелее воздуха с вертикальным взлетом или посадкой с вертикальным положением продольной оси при посадке, в т.ч. и в беспилотных летательных аппаратах.

Из уровня техники известна струйно-щелевая лопасть (варианты) несущего винта вертолета с реактивным приводом и стартер - генератором из описания к патенту RU 2362707 С2, кл. В64С 11\00 (2006.01), В64С 27\18 (2006.01), опубл. 27.07.2009, бюл. №21, в которой выполнен продольный воздуховод, соединенный с продольными щелями воздухозаборника и выходного сопла, напротив которых размещены направляющие лопатки, имеющие комбинации размещения воздухозаборника и выходного сопла относительно комлевой и концевой частей лопасти, при этом происходит соединение областей пониженного давления на нижней поверхности лопасти и областей повышенного давления на верхней поверхности лопасти, чем достигается управление циркуляцией вокруг профиля лопасти. Для создания крутящего момента и суперциркуляции, в полостях лопастей размещены прямоточные воздушно-реактивные двигатели с системой подачи топлива.

Недостатком этого технического решения является достаточно сложная конструкция лопастей, большая строительная высота профиля, применение жаропрочных материалов, значительные энергетические потери из-за большого гидравлического сопротивления при движении газовой смеси и продуктов сгорания внутри полостей лопасти.

Известен также летательный аппарат вертикального взлета и посадки (реактивный вертолет) из описания изобретения к патенту RU 2656780 С2, КЛ. В64С 27\18, опубл. 06.06.2018, бюл. №16, вертолет с реактивным приводом несущего винта с техническим обеспечением вращения лопастей несущего винта без редуктора. Реактивные двигатели размещены внутри лопастей вдоль их осей с движением газового потока через двигатели в направлении от оси винта к периферии лопастей с выходом газов в сторону задней кромки лопастей несущего винта. Дополнительные реактивные двигатели размещены на втулке несущего винта с движением газового потока через двигатели в направлении от оси несущего винта в сторону, противоположную направлению вращения винта.

Недостатком данного устройства является достаточная громоздкость и сложность конструкции и недостаточно высокие энергетические характеристики, в частности удельная тяга , здесь: Т - тяга несущего винта, N - мощность силовой установки.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сути к предлагаемому изобретению является устройство управления реактивным приводом несущего винта вертолета патент RU 2569233 С1, кл. В64С 27\18 (2006.01), опубл. 20.112015, бюл. №32, содержащее силовую установку и компрессор для получения газа высокого давления, систему транспортирования сжатого газа в полости винта, щелевые сопла, установленные на задних кромках лопасти под углом α<45° относительно плоскости, проходящей через продольную ось и хорду профиля ее поперечного сечения, а также щелевые сопла, расположенные на линии максимальных относительных толщин профиля поперечных сечений лопасти, оси которых направлены вниз перпендикулярно вышеуказанной плоскости и клапаны для регулирования величины давления газа в щелевых соплах.

В результате анализа вышеуказанных и других устройств выявлено, что для улучшения (увеличения) основного энергетического показателя винта с реактивным приводом - удельной тяги q необходимо, прежде всего, снижать энергетические потери в струе винта, т.е. увеличивать КПД винта η₀ различными конструктивными мероприятиями, что является достаточно сложной технической проблемой.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение удельной тяги устройства, а также упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных показателей за счет снижения энергетических потерь в струе винта.

Решение задачи и технический результат изобретения достигаются тем, что в устройстве реактивного привода несущего винта, включающем силовую установку и компрессор для получения газа высокого давления, систему транспортирования сжатого газа к соплам, клапан для регулирования давления газа, сопла прямоугольного сечения размещены на задних кромках лопастей, по одному на каждой лопасти и направлены под углом α_рз=45° относительно плоскости, проходящей через продольную ось и хорду профиля ее поперечного сечения, поперечная ось каждого щелевого сопла находится на расстоянии 0,7 радиуса винта от оси вращения, а лопасти имеют установочный угол (угол между плоскостью вращения винта и плоскостью, проходящей через продольную ось и хорду профиля поперечного сечения) 18°<ϕ<25°.

Такое размещение сопел и конструктивные параметры винта создают эффект реактивного закрылка (А.К. Мартынов Прикладная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1972, с. 284-285), обтекание профиля винта при этом изменяется и коэффициент подъемной силы профиля с_у может достигать большой величины особенно в характерном сечении (на расстоянии 0,7 радиуса винта от оси вращения).

На фиг. 1 представлена схема устройства реактивного привода несущего винта.

Устройство состоит (фиг. 1) из силовой установки 1, компрессора 2 с регулировочным клапаном давления воздуха, втулки несущего винта 3, лопастей 4, трубопроводов 5, щелевых сопел 6, длинная сторона которых располагается вдоль задней кромки лопастей, причем длина щелевого сопла b_щели ≈ b, а ширина сопла δ_щели ≈ 0,1 b.

Используя соотношения, известные из импульсной теории винта (Б.Н. Юрьев Аэродинамический расчет вертолетов М.: Оборонгиз, 1956, с. 171, 193-201, 260) удельную тягу обычного изолированного воздушного винта при его работе на месте можно записать в следующем виде

где: Т - тяга винта, R - радиус винта, ω - угловая скорость вращения

b₇ - величина хорды винта на расстоянии 0,7R от оси вращения

Су₇ - коэффициент подъемной силы профиля винта на расстоянии 0,7R от оси вращения

к - число лопастей винта, F - ометаемая винтом площадь, ρ - плотность воздуха при заданных температуре и атмосферном давлении

здесь: χ=0,75-0,9 - коэффициент концевых потерь, η₀ - КПД винта, учитывающий потери энергии в струе винта ≈ 0,6÷0,75 (для обычных винтов)

Кроме того, из импульсной теории следует (Б.Н. Юрьев Аэродинамический расчет вертолетов М.: Оборонгиз, 1956, с. 260-262), что для винта средней формы работающем на месте КПД винта можно записать в виде

здесь: χ - коэффициент концевых потерь винта (он практически постоянен для заданного винта), С_х7,С_у7 - соответственно коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы профиля поперечного сечения на расстоянии 0,7 радиуса винта R от оси вращения винта (характерное сечение), - коэффициент заполнения винта на расстоянии 0,7R от оси вращения

Из равенств (1), (2) следует, что КПД винта η₀ при постоянстве прочих определяющих параметров существенно зависит от отношения .

Расположение щелевого сопла на задней кромке лопасти винта так, что поперечная ось сопла находится на расстоянии 0,7R от оси вращения винта и при α_рз=45°, а продольная проходит вдоль задней кромки его лопастей, создает наибольший эффект реактивного закрылка, т.е. значительно увеличивает коэффициент подъемной силы С_у7.Что же касается коэффициента лобового сопротивления С_х7, то здесь действуют два фактора. Согласно методу определения лобового сопротивления при помощи теоремы импульсов (А.К. Мартынов Прикладная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1972, с. 293-295), лобовое сопротивление профиля имеет два слагаемых: сопротивление, создаваемое силами поверхностного давления и сопротивление, создаваемое силами трения воздушного потока о поверхность винта. На фиг. 2 представлена схема, описывающая лобовое сопротивление профиля винта методом импульсов. Как известно из гидромеханики, импульс силы равен секундному изменению количества движения среды, заключенной в струйке, и разности сил давления, действующих в рассматриваемых сечениях струйки. Этот импульс силы и будет равен лобовому сопротивлению профиля X в плоскости контура ABCD (фиг. 2).

Здесь АВ - линия контура, пересекающая след за профилем, р₀, ν₀ -статическое давление и скорость невозмущенного потока перед профилем соответственно, р, ρ - статическое давление и плотность в любой точке потока, u, ν - компоненты скорости в любой точке течения, направленные по оси потока (х) и по перпендикулярной ей оси (у), ú - горизонтальная компонента скорости для профиля без реактивного закрылка. Аэродинамический след за профилем характеризует потери количества движения, и связан, таким образом, с лобовым сопротивлением.

Экспериментальная проверка показала, что на малых углах закрутки (по крайней мере, до ϕ=20°) первым слагаемым в равенстве (3) можно пренебречь, второе слагаемое может принимать экстремальные значения в зависимости от разности величин (ν₀ - u)и абсолютного значения величины ν₀. Минимальным лобовым сопротивлением профиль винта в характерном сечении (на расстоянии 0,7 R от оси вращения) обладает при 18°<ϕ<25° и α_рз=45°

Отношение при вышеуказанных параметрах становится минимальным и, соответственно, КПД винта η₀ и удельная тяга устройства q становятся максимальными.

Устройство работает следующим образом. Силовая установка 1 приводит в действие компрессор 2, вырабатывающий газ высокого давления и транспортирует его через регулировочный клапан во втулку винта 3 по трубопроводам 5 в полые лопасти 4 и далее к щелевым соплам 6 для создания реактивной силы T_p, горизонтальная составляющая которой Т_рх создает крутящий момент несущего винта, а вертикальная составляющая Т_ру вносит вклад в создание тяги (подъемной силы) винта (фиг. 1).

Струи газа под действием избыточного давления ΔР₀ истекают из сопел со средней скоростью ν_щели с секундным массовым расходом m_c, устанавливаемым регулировочным клапаном (плотность и давления газа при истечении из сопла равны атмосферным Р_а, ρ_а). Истечение происходит из сопел, расположенных вдоль задних кромок лопастей, под углом α_рз=45° относительно плоскости, проходящей через продольную ось винта и хорду профиля лопасти. При вращении винта возникает аэродинамическая сила Т_аэ (вследствие циркуляции вихря вокруг профиля), которая также вносит свой вклад в создание тяги несущего винта: Т=Т_ру+Т_аэ, причем величина этой силы значительно возрастает за счет эффекта реактивного закрылка, создаваемым струями воздуха, вытекающими из щелевых сопел.

Стационарный режим вращения винта наступает при уравновешивании вращающего момента реактивной составляющей силы моментом аэродинамического сопротивления лопастей винта.

Таким образом, достижение технического результата основано на том, что количеством и особым расположением щелевых сопел на лопастях несущего винта, а также выбором оптимального соотношения таких определяющих параметров как установочный угол лопасти ϕ и угол выброса струи газа из сопла α_рз достигается максимальное увеличение удельной тяги винта q, чего нельзя получить в прототипе из-за значительно большего лобового сопротивления профиля, вызванного струями газа выбрасываемого из сопел перпендикулярно плоскости вращения винта, большей строительной высоты профиля и, как следствие, большого расхода мощности.

Оценочные расчеты и экспериментальная проверка показали также, что, по крайней мере для винта с постоянной шириной лопастей и малой круткой (σ=σ₇=const) удельная тяга винта с щелевыми соплами на концах лопастей (реактивный закрылок) предлагаемой схемы на (40-50) % больше, чем у такого же винта без реактивного закрылка и с приводом от обычной силовой установки (например, от электродвигателя или ДВС).

Устройство реактивного привода несущего винта, содержащее силовую установку и компрессор для получения газа высокого давления, прямоугольные сопла для получения реактивной тяги, вращающей лопасти, расположенные на задних кромках лопастей под углом α_рз=45° относительно плоскости, проходящей через продольную ось и хорду профиля их поперечного сечения, систему транспортировки сжатого газа к соплам, клапан для регулирования величины давления газа в щелевых соплах, отличающееся тем, что на каждой лопасти расположено только одно сопло, поперечная ось которого находится на расстоянии 0,7 радиуса винта от оси вращения, а также установочный угол профиля поперечного сечения каждой лопасти винта находится в пределах 18°<ϕ<25°, что существенно повышает КПД винта и, соответственно, повышает удельную тягу устройства.