АВТОМАТ ПЕРЕКОСА НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции вертолета, а именно к устройству автомата перекоса вертолета, предназначенного для управления углами установки лопастей несущего винта.
Известна конструкция автомата перекоса (книга И.П.Братухин «Проектирование и конструкции вертолетов», Москва, изд. «Оборонгиз», 1955, стр.300, рис.262, 263), предназначенного для управления углами установки лопастей несущего винта по первой гармонике, являющаяся наиболее близким аналогом.
Автомат перекоса состоит из невращающегося и вращающегося колец, соединенных между собой подшипниками. Эти два кольца посредством шарового шарнира или кардана сидят на ползуне, установленном на невращающемся валу (стакане). Перемещением ползуна вдоль оси несущего винта осуществляется управление общим шагом лопастей. К невращающемуся кольцу присоединены тяги продольного и поперечного управления. К вращающемуся кольцу крепятся тяги, которые другим концом присоединяются к рычагам лопастей. Для обеспечения вращения кольца совместно с валом оно соединено с ним шлиц-шарниром.
При наклоне автомата перекоса, тяги изменения углов установки лопастей совершают возвратно-поступательное движение вдоль оси вала несущего винта, что вызывает циклическое изменение углов установки лопастей один раз за один оборот несущего винта, то есть по первой гармонике, и создает моменты относительно центра масс вертолета.
К недостаткам известной конструкции следует отнести возможность изменения углов установки лопастей только по первой гармонике, что приводит к внешнему шуму вертолета и значительной вибрации, из-за чего ограничивается скорость полета.
Заявляемая полезная модель решает задачу снижения вибрации и шума вертолета и, следовательно, дает возможность увеличить скорость полета.
Поставленная задача решается тем, что автомат перекоса вертолета, содержащий невращающееся кольцо с подсоединенными к нему тягами продольного и поперечного управления, вращающееся кольцо, приводимое во вращение вместе с валом несущего винта шлиц-шарниром и связанное тягами с рычагами поворота лопастей, - в соответствии с заявляемым техническим решением - он снабжен конической шестерней, венец которой установлен на невращающемся кольце, и кинематически связанными с ней зубчатыми передачами по количеству лопастей несущего винта, при этом на концах выходных валов зубчатых передач выполнены эксцентрики, связанные с тягами, соединенными с рычагами поворота лопастей, причем, передаточные отношения зубчатых передач и величины эксцентриситетов эксцентриков выбраны из условия изменения положения рычагов поворота лопастей и, соответственно, углов установки лопастей по выбранной высокой гармонике за один оборот несущего винта.
Высокими гармониками являются вторая (угол установки циклически изменяется два раза за один оборот винта) и более высокие гармоники.
Зубчатые передачи могут иметь вторые выходные валы, связанные с первыми цилиндрической зубчатой парой, со вторыми эксцентриками на концах, связанными через суммирующие рычаги с тягами, соединенными с рычагами поворота лопастей.
При этом вращающееся кольцо выполнено в виде торообразного корпуса, в котором расположены элементы зубчатых передач.
Кроме того, автомат перекоса несущего винта вертолета может содержать рулевые агрегаты управления для дистанционного изменения эксцентриситетов.
Заявляемое конструктивное решение автомата перекоса несущего винта вертолета позволяет осуществлять изменения углов установки лопастей с частотой одной или двух высоких гармоник. Для обеспечения возможности изменения углов установки лопастей за один оборот несущего винта по одной высокой гармонике, зубчатые передачи, взаимодействующие с центральной конической шестерней, включают одну коническую шестерню и одну выходную ось, установленную, например, в корпусе вращающегося кольца, выполненного горообразным и в котором расположены все элементы зубчатых передач. На концах выходных валов зубчатых передач выполнены эксцентрики, связанные непосредственно или через промежуточные тяги с тягами, соединенными с рычагами поворота лопастей. Передаточные отношения зубчатых передач и величины эксцентриситетов эксцентриков выбраны из условия изменения положения рычагов поворота лопастей и, соответственно, углов установки лопастей по выбранной высокой гармонике за один оборот несущего винта. Для обеспечения возможности изменения углов установки лопастей за один оборот несущего винта по двум высоким гармоникам, зубчатые передачи имеют вторые выходные валы, связанные с первыми цилиндрической зубчатой парой, со вторыми эксцентриками на концах, которые связаны с помощью промежуточных тяг через суммирующие рычаги с тягами, соединенными с рычагами поворота лопастей.
л
л
л
Управление углами установки лопастей предлагаемым автоматом перекоса по высоким гармоникам создает следующие преимущества. Управление по 2-ой гармонике так изменяет углы установки и маховое движение лопастей в зависимости от их азимутального положения, что уменьшаются максимальные углы атаки концевых сечений лопастей. Благодаря этому можно уменьшить частоту вращения несущего винта, и при той же мощности увеличить скорость полета. Увеличив мощность, можно продвинуться по скорости полета, не допуская закритические углы атаки сечений лопастей, что уменьшает шарнирные моменты лопастей и напряжения в их лонжеронах. У вертолетов с крылом и движителем введение управления по 2-й гармонике дает возможность уменьшить площадь крыла и тягу движителя. Управление углами установки по проходным гармоникам z и z±1 (z - число лопастей у несущего винта) приводит к уменьшению сил и моментов лопасти, создающих вибрации вертолета. Оно уменьшает также внешний шум вертолета. Таким образом, управление углами установки лопастей по высоким гармоникам решает ряд важнейших проблем у вертолетов.
Конструкция предлагаемого автомата перекоса несущего винта вертолета поясняется чертежами, где изображены:
Фиг.1 - схема автомата перекоса с изменением углов установки лопастей с частотой двух высоких гармоник, вид сбоку;
Фиг.2 - то же, вид сверху;
Фиг.3 - узел А фиг.2.
Фиг.4 - вид сбоку по стрелке Б;
Автомат перекоса несущего винта вертолета (с изменением углов установки лопастей с частотой двух высоких гармоник) состоит из невращающегося кольца 1 (фиг.1, 2) с закрепленным на нем венцом конической шестерни 2 и вращающегося кольца 3, выполненного в виде горообразного корпуса и связанного с помощью шлиц-шарнира 4 с валом несущего винта 5.
Внутри торообразного корпуса вращающегося кольца 3 установлены зубчатые передачи (по количеству лопастей несущего винта вертолета), кинематически связанные с венцом конической шестерни 2 с помощью конических шестерен 6 и включающие два выходных вала 7 и 8, которые связаны цилиндрической зубчатой парой 9 и 10.
На концах выходных валов 7, 8 (фиг.2, 4) выполнены эксцентрики, соответственно, 11 и 12, соединенные с промежуточными возвратно-поступательно перемещаемыми тягами 13, 14, которые через суммирующий рычаг 15 связаны с тягой 16, соединенной с рычагом 17 поворота лопасти 18. Эксцентрик 11 (12) вместе с возвратно-поступательно перемещаемой тягой 13 (14) образуют кривошипно-шатунный механизм. Для перемещения суммирующего рычага 15 и тяги 16 в основном вдоль оси вала несущего винта 5 имеется направляющая 19, крепящаяся с помощью кронштейна 20 к корпусу вращающегося кольца 3 (или к втулке несущего винта).
1
2
Передаточные отношения зубчатых передач, связанных с конической шестерней 2, и величины эксцентриситетов α и α эксцентриков 11 и 12 выбираются из условия заданного изменения положения рычага поворота 17 лопастей и, соответственно, углов установки лопастей 18 по двум выбранным высоким гармоникам за один оборот несущего винта.
Возможно выполнение устройства (не показано) с изменением углов установки лопастей 18 по одной высокой гармонике. В этом случае в конструкции отсутствуют пара цилиндрических шестерен 9, 10 и второй выходной вал 8 с эксцентриком 12, а также связанная с ним промежуточная тяга 14 и суммирующий рычаг 15. Оставшийся эксцентрик 11 при этом может быть соединен непосредственно с тягой 16 или через промежуточную тягу 13 с рычагом поворота лопасти 17.
1
2
Возможно выполнение узла А фиг.2 в конструкции устройства, при котором эксцентрики 11 и 12 содержат дистанционно управляемые рулевые агрегаты управления 21 (фиг.3), устанавливающие эксцентриситеты α и α выходом штоков 22.
Между невращающимся кольцом 1 и торообразным корпусом вращающегося кольца 3 (фиг.1) находятся подшипники 23, 24, служащие для передачи нагрузки от зубчатых передач на невращающееся кольцо 1 и в качестве уплотнения, препятствующего вытеканию масла. Снизу вращающегося кольца 3 вытеканию масла препятствует кольцо уплотнения 25.
Устройство работает следующим образом.
Во время вращения несущего винта (и вращающегося вместе с валом несущего винта 5 кольца 3 с установленными в его корпусе зубчатыми передачами) коническая шестерня 6 обкатывает венец конической шестерни 2, закрепленный на невращающемся кольце 1.
Вращение выходного вала 7 и связанного с ним через шестерни цилиндрической пары 9 и 10 выходного вала 8 каждой из зубчатых передач приводят во вращение эксцентрики 11 и 12, сидящие на конце соответствующего выходного вала 7, 8 (фиг.4).
Соотношение диаметров всех шестерен конических и цилиндрических зубчатых передач 2, 6, 9, 10 таково, что при вращении валов 7 и 8 угол установки лопастей 18 изменяется по гармоникам, номера которых выбирает конструктор. Если, например, диаметр конических шестерен 6 в четыре раза меньше диаметра венца конической шестерни 2, то частота вращения выходного вала 7 в четыре раза больше, чем вала несущего винта 5. Соответственно, изменение угла установки лопастей 18 будет происходить по 4-ой гармонике. Если при этом соотношение диаметров шестерен 9 и 10 цилиндрической зубчатой пары равно 2/1, то изменение угла установки лопастей будет происходить и по 2-ой гармонике.
1
2
Вращение установленных на концах выходных валов 7, 8 эксцентриков 11, 12 вызовет возвратно-поступательное движение тяг 13, 14, суммирующего рычага 15 и тяги 16 так, что положение рычага поворота лопасти 17 и угол установки лопасти 18 изменяется по двум высоким гармоникам. Величина этого изменения, то есть его амплитуда, зависит от величины эксцентриситета α или α эксцентриков 11 или 12, а фаза изменения угла установки лопасти 18 зависит от того, при каком азимутальном положении лопасти 18 эксцентрики 11, 12 находятся в крайне-нижнем или в крайне-высоком положении.
2
1
2
При наличии дистанционно управляемых рулевых агрегатов управления 21 возможна установка величины эксцентриситетов (например, эксцентриситета α на фиг.3) с помощью выхода штоков 22, следующим образом. Когда штоки 22 находятся на продолжении осей выходных валов 8 (7), то эксцентриситетов нет, и изменения углов установки лопастей 18 по высоким гармоникам не происходит. Но когда штоки 22 смещены относительно осей валов 8 (7), создаются требуемые величины эксцентриситетов α и α.
Использование управляемых агрегатов управления для выбора величин эксцентриситетов обеспечивает возможность определять при летных испытаниях их оптимальные величины без замены эксцентриков, изменяя эксцентриситеты дистанционно, а также позволяет управлять величинами амплитуды изменения угла установки лопастей автоматически в полете, например, в зависимости от скорости полета.
Таким образом, суммарное возвратно-поступательное движение тяги 16 каждой лопасти складывается из перемещений с частотами обеих высоких гармоник, а также при наклоне автомата перекоса вокруг шарового шарнира (или кардана) с помощью тяги продольного (не показана) или поперечного управления 26 - с частотой по первой гармонике.
Управление общим шагом осуществляется перемещением ползуна с шаровым шарниром 27 вдоль невращающегося стакана 28 вверх и вниз.
Для увеличения длины тяг 13, 14, 16 (что приведет к уменьшению погрешности в изменении угла установки лопасти) возможно расположение шестерен 6, 9, 10 под венцом конической шестерни 2. Это также упростит капотирование автомата перекоса, что целесообразно для уменьшения вихреобразования за несущим винтом и его вредного сопротивления. Возможны другие варианты компоновки зубчатых передач, например, размещение шестерен 9, 10 одна над другой или сбоку-сверху.
шо
ш1s
ш1с
Возможный метод выбора закона управления углом установки лопастей по высоким гармоникам (выбора эксцентриситетов α и их фаз) заключается в следующем. Известно, что у многих вертолетов есть ограничения на полеты с максимальной скоростью из-за увеличений нагрузок в системе управления несущим винтом и амплитуды вибраций в кабине экипажа А. Нагрузки зависят от 0-ой и 1-ых гармоник шарнирного момента лопастей (М и M, М). На величины гармоник шарнирного момента, в основном, влияет изменение угла установки лопастей по 2-ой гармонике, а на величину вибраций А - у вертолета с 5-тилопастным несущим винтом - по 4-ой и более высоким гармоникам. Поэтому рассматривают, например, управление углом установки по закону:
2s
2с
4s
4c
φ=φsin2ψ+φcos2ψ+φsin4ψ+φcos4ψ
2s
2с
4s
4c
Расчеты приращений сил и моментов несущего винта при изменении угла установки лопастей по высоким гармоникам, показывают, что приращения зависят практически линейно от амплитуд углов установки лопастей φ, φ, φ, φ. Поэтому амплитуды можно найти из системы уравнений:
шо
шо
0
шо
2s
шо
2с
шо
4s
шо
4c
2s
2с
4s
4с
(М)=(М)+(М)<φ+(М)φ+(М)φ+(М)φ
ш1s
ш1s
0
ш1s
2s
ш1s
2с
ш1s
4s
ш1s
4c
2s
2c
4s
4c
(M)=(M)+(M)φ+(M)φ+(M)φ+(M)φ
ш1с
ш1с
0
ш1с
2s
ш1с
2с
ш1с
4s
ш1с
4с
2s
2c
4s
4c
(М)=(М)+(М)φ+(М)φ+(М)φ+(М)φ
0
2s
2с
4s
4c
2s
2c
4s
4c
А=A+Аφ+A+φ+Аφ+Аφ
2s
2s
ш
2s
2с
ш
Здесь индексом 0 обозначены величины, измеренные при летных испытаниях на вертолете без управления углом установки по высшим гармоникам. Верхними индексами 2s, 2с… обозначены коэффициенты этих уравнений, например, А=ðA/ðφ. Эти коэффициенты тоже нужно определять при летных испытаниях вертолета. Задавшись желаемыми величинами М и A, из системы уравнений найдем углы φ, φ…, при которых будет достигнуто изменение М и А.