УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ ВИБРАЦИИ ДЛЯ ВЕРТОЛЕТА
VIBRATION DAMPING DEVICE FOR HELICOPTER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта патентная заявка заявляет о приоритете по европейской патентной заявке №18186028.9, поданной 27 июля 2018 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к комплекту для вертолета.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что вертолеты содержат фюзеляж, основной винт, расположенный на верхней части фюзеляжа и вращающийся вокруг своей оси, и хвостовой винт, расположенный на конце фюзеляжа.
Более подробно, винт, в свою очередь, содержит:
- опорный корпус;
- втулку, вращающуюся вокруг упомянутой оси и снабженную множеством лопастей, радиально прикрепленных к упомянутой втулке и выступающих из нее; и
- вал, который может соединяться с приводным элементом и функционально соединяться со втулкой, чтобы приводить ее во вращение.
Фюзеляж обычно соединяется с винтом множеством соединительных стержней и пластиной парирования крутящего момента; другими словами, фюзеляж «подвешен» на опорном корпусе.
В процессе эксплуатации работа винта вызывает создание высокочастотных и низкочастотных вибраций. Более конкретно, низкочастотные вибрации создаются спутной струей, отделяющейся от лопастей и от центра втулки. Это отделение происходит в центре втулки и влияет на вертикальные и горизонтальные аэродинамические поверхности хвоста и хвостовой винт.
В процессе эксплуатации вращение лопастей при высоких угловых скоростях приводит к возникновению высокочастотных вибраций, которые передаются на вал и, вследствие этого, на фюзеляж, создавая дискомфорт для находящихся внутри фюзеляжа.
В отрасли известно, что вибрационные нагрузки, действующие на винт, имеют импульсы, равные N*Ω, и кратным им значениям в единой системе отсчета с фюзеляжем, где Ω - скорость вращения вала, а N - число лопастей винта.
Другими словами, втулка и вал передают импульсы вибрационной аэродинамической нагрузки, действующие в плоскости лопастей, на вышеупомянутые импульсы.
Исходя из вышеизложенного, в отрасли явно ощущается необходимость ограничения передачи от вала к фюзеляжу вибраций с вышеупомянутыми значениями импульсов, равными N*Ω, и их кратными значениями.
Для этой цели используются пассивные и активные демпфирующие устройства.
Пассивные демпфирующие устройства содержат массы, упруго подвешенные на валу или втулке на пружинах. Вибрация этих подвешенных масс позволяет по меньшей мере частично поглощать вибрации на валу и втулке.
Вышеупомянутые демпфирующие устройства преобразуют кинетическую энергию в движение вышеупомянутых масс на упругой опоре и создают демпфирующую силу, пропорциональную упругости пружины и смещению масс.
Активные демпфирующие устройства представляют собой исполнительные механизмы, которые прикладывают к втулке или валу синусоидальную демпфирующую силу, которая противодействует силе, создаваемой вибрациями.
Демпфирующие устройства, которые работают путем поглощения вибрации посредством пассивного вибрирующего элемента, требуют использования сочетаний масс и пружин в стандартных компоновках и имеют минимальные габаритные размеры, которые ограничивают гибкость использования.
Активные демпфирующие устройства дороги и сложны в изготовлении.
Еще одно недавно разработанное решение представлено так называемыми «инерционными» устройствами, известными как «инерторы».
Эти устройства располагаются между первой и второй точками и оказывают на них силу, пропорциональную разности ускорений между первой и второй точками, причем целью являются составляющие ускорения вдоль линии, соединяющей две точки.
Посредством своевременной калибровки значений инерции можно обеспечить уменьшение или устранение этой силой передачи вибраций с заданной частотой между первой и второй точками.
Один из первых примеров таких устройств инерционного типа описан в EP-B-1402327 и содержит:
- стержень, соединенный с первой точкой;
- корпус, соединенный со второй точкой, и стержень может скользить относительно него; и
- маховик, соединенный со стержнем и вращающийся внутри корпуса в результате скольжения стержня из-за вибраций в первой точке.
В US-A-2009/0108510 описывается еще одно демпфирующее устройство инерционного типа.
В отрасли известно о необходимости создания демпфирующего устройства инерционного типа, которое легко встраивается в вертолеты известного типа без изменения аэродинамической конфигурации вертолета.
В отрасли также известно о необходимости создания демпфирующего устройства инерционного типа, которое будет особенно компактным, особенно точным и способным гасить вибрации с большой амплитудой.
В отрасли также известно о необходимости создания демпфирующего устройства инерционного типа, которое будет долговечным, будет иметь высокую нагрузочную способность и создавать минимально возможное трение.
В JP-A-S6078130 раскрывается комплект по ограничительной части пунктов 1 и 9.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание комплекта для вертолета, который позволит удовлетворить по меньшей мере одну из вышеупомянутых потребностей простым и недорогим способом.
Вышеупомянутая задача реализуется посредством настоящего изобретения, относящегося к комплекту для вертолета по п.1.
Настоящее изобретение также относится к комплекту для вертолета по п.9.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведен предпочтительный вариант осуществления исключительно в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
- фиг.1 представляет собой боковую проекцию в перспективе основного винта вертолета с комплектом в соответствии с настоящим изобретением, с частями, удаленными для ясности;
- фиг.2 представляет собой сечение в увеличенном масштабе вдоль оси II-II по фиг.1 компонента комплекта с частями, удаленными для ясности;
- фиг.3 представляет собой сечение в увеличенном масштабе вдоль линии III-III по фиг.2 компонента комплекта с частями, удаленными для ясности;
- фиг.4 представляет собой сечение по линии IV-IV по фиг.3; и
- Фиг.5 представляет собой вид в перспективе в очень увеличенном масштабе вертолета, включающего комплект по фиг.1-4.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1, ссылочная позиция 1 обозначает комплект для вертолета 2.
Как показано на фиг.5, вертолет 2 содержит фюзеляж 3, основной винт 4, расположенный на верхней части фюзеляжа 3 и вращающийся вокруг оси А, и хвостовой винт, расположенный на одном конце фюзеляжа 3 и вращающийся вокруг своей собственной оси, поперечной к оси А.
Более подробно, винт 4 показан только в отношении:
- опорного корпуса 5;
- вала 6, вращающегося вокруг оси А, соединенного не показанным способом с приводным блоком, например, турбиной, установленной на вертолете 1 и функционально соединенной со втулкой (не показана), на которой шарнирно закреплено множество лопастей (также не показаны).
Вертолет 2 также содержит множество стержней 7, которые проходят вдоль соответствующих осей B, которые наклонены к оси A и имеют соответствующие концы 8 и 9 напротив друг друга, соответственно прикрепленные к корпусу 5 и к верхней части 10 фюзеляжа 3.
Стержни 7 шарнирно соединены с соответствующими анкерами 12 и 13, которые удерживаются верхней частью 10 и корпусом 5, соответственно, относительно соответствующих осей D и E.
Комплект 1 содержит множество устройств 15 для гашения вибраций, передаваемых фюзеляжу 3 винтом 4.
В показанном примере имеется четыре устройства 15, связанных с соответствующими стержнями 7.
Как показано на фиг.2-4, устройства 15 проходят вдоль соответствующих осей B, являются полыми и вмещают соответствующие стержни 7.
Поскольку устройства 15 являются идентичными, ниже описано только одно устройство 15.
Предпочтительно устройство 15 содержит (фиг.2-4):
- гайку 21, соединенную с винтом 4 и приспособленную для вибрации параллельно оси B;
- винт 20, соединенный с фюзеляжем 3, функционально соединенный с гайкой 21, чтобы вращательно вибрировать вокруг оси B; и
- множество резьбовых роликов 22, которые имеют резьбу 23, навинчиваемую на винт 20 и на гайку 21, которые могут вращаться вокруг своих соответствующих осей C, параллельно и отдельно от оси B, и также могут вращаться вокруг оси B относительно винта 20 и гайки 21.
Таким образом, устройство 15 реализует инертор, а именно устройство, способное прикладывать силу к фюзеляжу 3 и к корпусу 5, пропорционально разнице в ускорении между фюзеляжем 3 и корпусом 5.
Эта сила позволяет гасить вибрации, возникающие при работе винта 4, и ограничивать их передачу на фюзеляж 3.
Более подробно, устройство 15 содержит:
- трубчатый осевой наконечник 30, прикрепленный к корпусу 5; и
- трубчатый осевой наконечник 31, аксиально противоположный наконечнику 30 и прикрепленный к верхней части 10 фюзеляжа 2.
Наконечники 30 и 31 шарнирно закреплены на соответствующих анкерах 12 и 13 относительно соответствующих осей D и E.
Как следствие, наконечник 30 подвергается переменному движению осевой вибрации, параллельной оси B, которая вызывается вибрационными нагрузками, передаваемыми корпусом 5.
Устройство 15 также содержит между наконечниками 30 и 31:
- трубчатый корпус 32, прикрепленный к наконечнику 30 и содержащий в части, аксиально противоположной наконечнику 30, гайку 21; а также
- трубчатый корпус 33, прикрепленный к наконечнику 31 и содержащий в части, аксиально противоположной наконечнику 30, винт 20.
В частности, трубчатый корпус 32 содержит, в свою очередь, на своих взаимно противоположных осевых концах:
- чашеобразную часть 35, соединенную с наконечником 30; и
- чашеобразную часть 36, имеющую больший диаметр, чем часть 35, и содержащую гайку 21.
В свою очередь, трубчатый корпус 33 содержит:
- чашеобразную часть 37, соединенную с наконечником 31; и
- часть 38, имеющую большую длину, чем часть 37, и меньший диаметр, чем часть 37, и содержащую винт 20.
Часть 38 трубчатого корпуса 33 имеет меньший диаметр, чем часть 36 трубчатого корпуса 32.
Часть 38 трубчатого корпуса 33 размещена внутри части 36 трубчатого корпуса 32.
Винт 20 и гайка 21 имеют многозаходные резьбы.
Винт 20 и гайка 21 расположены радиально друг против друга и радиально разнесены относительно оси В.
Ролики 22 расположены в положении, радиально размещенном между винтом 20 и гайкой 21 в направлении, радиальном к оси В.
Ролики 22 проходят вдоль своих соответствующих осей С, и каждый имеет наружную резьбу 23.
Резьба 23 одновременно навинчивается на гайку 21 и на винт 20.
Ролики 22 проходят вдоль соответствующих осей C и расположены под углом на равных расстояниях друг от друга вокруг оси B, и в показанном случае их девять.
Ролики 22:
- могут вращаться вокруг осей С с вращательным движением; и
- могут одновременно вращаться вокруг оси B с вращательным движением.
Предпочтительно, ролики 22 выполнены с возможностью перемещения вместе с гайкой 21 в направлении, параллельном оси В.
Предпочтительно, угол резьбы 23 на роликах 22 равен углу резьбы гайки 21.
Благодаря соединению между резьбой 23 и винтом 20 перемещение роликов 22 вдоль оси B вызывает вращение трубчатого корпуса 33 вокруг оси B.
Каждый ролик 22 также содержит:
- два взаимно противоположных осевых конца 27 и 28; и
- два зубчатых колеса 45 и 46, расположенных рядом с соответствующими концами 27 и 28.
Резьбы 23 роликов 22 представляют собой однозаходные резьбы.
Важно подчеркнуть, что углы резьб 23 роликов 22, винта 20 и гайки 21, показанные на прилагаемых фигурах, являются исключительно ориентировочными.
Соединение между резьбами 23 роликов 22 и винта 20, и гайки 21 является реверсивным.
Устройство 15 также содержит пару коронок 47 и 48, соответственно прикрепленных к гайке 21 и выполненных одним целым с гайкой 21.
Коронки 47 и 48 соосны с осью B и разнесены вдоль оси B.
Каждая коронка 47 и 48 имеет внутренний зуб 49, зацепляющийся с соответствующими зубчатыми колесами 45 и 46 каждого ролика 22.
Таким образом, зубчатые колеса 45 и 46 сцепляются с зубом 49 (фиг.4) при вращении роликов 22 вокруг оси В.
Устройство 15 также содержит две дискообразные опоры 25 на оси B, разнесенные друг от друга вдоль оси B и вращающиеся относительно гайки 21 и винта 20.
Каждая опора 25 образует множество гнезд 26, расположенных под углом на равных расстояниях друг от друга вокруг оси B и соединенных осевыми концами 27 соответствующих роликов 22.
В показанном варианте осуществления существует радиальный люфт между опорами 25 и частью 36.
В альтернативном варианте осуществления между опорами 25 и частью 26 с гайкой 21 могут быть размещены элементы с низким коэффициентом трения.
Устройство 15 также содержит:
- маховик 40, вращающийся вокруг оси B и совмещенный в угловой направлении с винтом 20; и
- два подшипника 41, радиально установленных между частью 37 трубчатого корпуса 33 и наконечником 31.
В показанном примере маховик 40 расположен на плече, образуемом частями 37 и 38 корпуса 33.
Маховик 40 вращается вместе с винтом 20 вследствие вибрации трубчатого корпуса 32 вдоль оси В.
Маховик 40 имеет размер, который позволяет получить желаемое значение для вращающихся масс, равное сумме масс роликов 22, трубчатого корпуса 32 и маховика 40. Это значение вращающихся масс настраивает устройство 15 на заранее определенное значение частоты вибрации корпуса 5, передачу которой на фюзеляж требуется ослабить.
Подшипники 41 обеспечивают относительное вращение трубчатого корпуса 33 в отношении наконечника 31 вокруг оси B и поддерживают осевые нагрузки, передаваемые винтом 20.
Концы 8 и 9 стержня 7 размещены внутри наконечников 30 и 31, соответственно.
Стержень 7 проходит от конца 8 к концу 9 вдоль оси B, внутри наконечника 30, трубчатого корпуса 32, трубчатого корпуса 33 и наконечника 31.
В частности, диаметр стержня 7 меньше внутреннего диаметра винта 23.
В процессе эксплуатации вал 6 вращает втулку и лопасти вокруг оси А.
Вращение втулки и лопастей создает аэродинамические нагрузки на лопасти и последующие вибрации, которые передаются на вал 6.
Стержни 7 соединяют фюзеляж 3 с корпусом 5 винта 4.
Принцип действия вертолета 2 поясняется далее со ссылкой на один стержень 7 и на одно устройство 15.
Работа винта 4 вызывает появление вибрационных нагрузок.
Шарнирное крепление наконечника 30 относительно оси E предотвращает вращение гайки 21 вокруг оси B.
Следовательно, вибрационные нагрузки вызывают попеременную переходящую вибрацию наконечника 30, трубчатого корпуса 32 и гайки 21 параллельно оси В.
Попеременное смещение гайки 21 приводит к тому, что в результате соединения между резьбой 23 роликов 22 и гайки 21 происходит попеременное вращение опор 25 вокруг оси B и роликов 22 вокруг их соответствующих осей C.
В то же время ролики 22 совершают переменное вращательное движение вокруг оси B, потому что соответствующие зубчатые колеса 45 и 46 сцепляются с зубьями 49 соответствующих коронок 47 и 48.
Вращение роликов 22 вокруг их соответствующих осей C в результате сцепления между резьбами 23 роликов 22 и гайки 21 приводит к попеременному вращению винта 20, трубчатого корпуса 33 и маховика 40 вокруг оси B.
Подшипники 41 предотвращают передачу этого вращения фюзеляжу 3 через наконечник 31 и поддерживают осевые нагрузки, передаваемые винтом 20.
Устройство 15, таким образом, создает инерционный вибрационный момент на маховике 40, возникающий в результате поступательного вибрационного движения, передаваемого от корпуса 5 к трубчатому корпусу 32.
Более конкретно, этот инерционный вибрационный момент обусловлен попеременным вращением роликов 22, винта 20 и маховика 40.
Благодаря попеременному вращению роликов 22, трубчатого корпуса 33, винта 20 и маховика 40, устройство 15 прикладывает две равные силы в точках соприкосновения наконечников 30 и 31 с корпусом 5 и фюзеляжем 3 соответственно. Эти силы противоположны друг другу и пропорциональны относительному ускорению между вышеупомянутыми точками соприкосновения.
Эти крутящие силы ослабляют вибрации, передаваемые на фюзеляж 3, поскольку они стремятся нейтрализовать вибрационные силы, передаваемые стержнем 7, тем самым повышая удобство пассажиров вертолета 2.
Другими словами, устройство 15 реализует инертор.
По результатам рассмотрения комплекта 1 согласно настоящему изобретению очевидны преимущества, которые могут быть достигнуты путем его реализации.
В частности, комплект 1 содержит множество демпфирующих устройств 15 инерционного типа. Каждое из устройств 15 содержит множество роликов 22, навинченных на соответствующий винт 20 и гайку 21, и вращающихся вокруг соответствующих осей B и C в результате осевых вибраций, передаваемых от корпуса 5 к трубчатому корпусу 32 и к гайке 21.
Следовательно, устройство 15 способно преобразовывать осевые вибрации трубчатого корпуса 32 в попеременное вращение роликов 22 вокруг осей B и C и винта 20 и маховика 40 вокруг соответствующих осей B.
Это переменное вращение создает силу, действующую на анкеры 12 и 13, которая пропорциональна относительному ускорению анкеров 12 и 13.
Эта сила сдерживает передачу вибраций на анкер 13 и, следовательно, на фюзеляж 3, улучшая удобство пассажиров внутри вертолета 2.
Благодаря наличию роликов 22, вставленных между соответствующими винтами 20 и гайками 21, устройства 15 из комплекта 1 имеют низкое трение, большой ресурс и долговечность по отношению к инерционным устройствам известного типа, описанным во вступительной части этого описания.
Кроме того, наличие роликов 22, вставленных между винтами 20 и гайками 21, делает устройства 15 особенно компактными и точными.
Это делает применение вертолета 2 особенно выгодным.
Каждое устройство 15 содержит стержень 7 и шарнирно соединено с соответствующими анкерами 12 и 13 относительно таких же шарнирных осей D и E соответствующего стержня 7 с анкерами 12 и 13.
Следовательно, устройства 15 не требуют какой-либо существенной модернизации вертолета 1 и используют уже установленные анкеры 12 и 13 для крепления стержней 7 между корпусом 5 и верхней частью 10 фюзеляжа 3.
Кроме того, это делает комплект 1 пригодным для переоснащения особо простым и недорогим способом уже существующих вертолетов 2, оснащенных стержнями 7.
Для этого достаточно навесить устройство 15 на уже существующие анкеры 12 и 13 вокруг осей D и E.
Маховик 40 позволяет настраивать силу, создаваемую соответствующим устройством 15, относительно конкретного значения частоты вибраций, которое должно быть погашено. Фактически, достаточно увеличить или уменьшить момент инерции вращения маховика 40, чтобы изменить частоту вибраций, которые в основном гасятся соответствующим устройством 15.
Коронки 47 и 48 обеспечивают вращение роликов 22 вокруг соответствующей общей оси B посредством зацепления между соответствующими зубьями 49 и зубчатыми колесами 45 и 46 роликов 22.
Опора 25 каждого устройства 1 удерживает соответствующие ролики 22 под углом вокруг оси В.
Наконец, разумеется, в описанном и проиллюстрированном здесь комплекте 1 могут быть выполнены модификации и варианты исполнения, без выхода за рамки, определенные формулой изобретения.
В частности, гайка 21 может быть соединена с фюзеляжем 3 посредством наконечника 31, а винт 20 может быть соединен с корпусом 5 посредством наконечника 30.
Кроме того, в дополнение к вращению вокруг оси B относительно винта 20 ролики 22 также могут свободно перемещаться по оси относительно гайки 21 параллельно оси B.
Кроме того, устройства 15 могут быть размещены внутри соответствующих стержней 7 или соединены с другими соответствующими конструктивными элементами, расположенными между верхней частью 10 фюзеляжа 3 и корпусом 5.
Кроме того, комплект 1 может содержать только одну опору 25 и только одну коронку 47 или 48.
Наконец, трубчатые корпуса 32 и 33 каждого устройства 15 могут быть непосредственно прикреплены к соответствующему стержню 7.