ЛОПАСТЬ РУЛЕВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА И РУЛЕВОЙ ВИНТ ВЕРТОЛЕТА
ANTITORQUE ROTOR BLADE AND ANTITORQUE ROTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лопасти рулевого винта вертолета и к рулевому винту вертолета.
Уровень техники
Известны вертолеты, включающие в себя 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 улучшении конструкции свободного конца лопасти, находящегося на противоположной стороне по отношению к ступице, с тем чтобы повысить аэродинамическую эффективность лопасти, ослабить звуковую эмиссию рулевого винта и уменьшить нагрузку на механизмы управления рулевым винтом.
Раскрытие изобретения
Ввиду изложенного, задачей настоящего изобретения является обеспечение лопасти рулевого винта вертолета такой конструкции, которая позволяет достичь упомянутых выше целей простым и недорогим способом.
Согласно изобретению, эта задача решается с помощью лопасти рулевого винта вертолета, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Предпочтительный не ограничивающий вариант осуществления настоящего 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.5-12 показывают сечения лопасти по фиг.3 плоскостями V-V, VI-VI, VII-VII, VIII-VIII, IX-IX, Х-Х, XI-XI, XII-XII;
Фиг.13 показывает характер изменения длины хорды лопасти по фиг.1-4 вдоль длины лопасти по фиг.1-4;
Фиг.14 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.15 и 16 показывают разрезы рулевого винта по фиг.14 (некоторые детали удалены для ясности);
Фиг.17 и 18 показывают соответственно вид сбоку и вид сверху рулевого винта по фиг.14-16.
Осуществление изобретения
Фиг.14, 17 и 18 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, винт 3 включает в себя, главным образом, следующее (фиг.15-18):
- вал 5 трансмиссии, вращающийся вокруг оси А, которая расположена поперек 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 связанную 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, и допускает вращение лопастей 6 посредством внешнего управления вокруг соответствующих осей В для регулирования соответствующих углов атаки относительно воздушного потока.
Ступица 7 включает в себя, главным образом, следующее (фиг.15-18):
- 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 и с возможностью вращения относительно осей В;
- две пары пластин 20, неподвижно соединенных с лопастями 6; и
- втулку 25, которая приводится во вращение валом 5 вокруг оси А,  перемещается вдоль оси А относительно вала 5 при помощи механизма управления (не показан) 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.15).
Вал 5 (фиг.15 и 16) окружен цилиндрическим элементом 22, который находится в контакте с опорным гнездом 21, образованным в основной секции 16. Цилиндрический элемент 22 и опорное гнездо 21 соединены с возможностью вращения вокруг оси С и под фиксированным углом по отношению к оси А.
Поверхности 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 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. 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.
Каждая пара пластин 20 установлена так, что одна пластина крепится к поверхности 12, а другая - к задней поверхности 13 соответствующей лопасти 6 (фиг.17, 18). Пластины 20 параллельны друг другу и лежат, по существу, в параллельных плоскостях.
Ступица 7 включает в себя для каждой пары пластин 20 пару рычагов 24 (фиг.14 - 17), первые концы которых прикреплены к соответствующим пластинам 20 в одной паре пластин 20. Вторые концы рычагов 24 в каждой паре соединены друг с другом при помощи поперечного элемента 26, размещенного между осью А и внутренним в радиальном направлении концом 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.14, 15, 17, 18), расположенные диаметрально противоположно по отношению к оси А и присоединенные к соответствующим элементам 26 при помощи соответствующих поперечин 29; и
- вторые радиальные выступы 28 (фиг.14-17), 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 25.
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 напротив первых концов, присоединены к соответствующим элементам 26 эксцентрически по отношению к осям В (фиг.15).
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 напротив первого конца, шарнирно соединенный с первым концом соответствующего рычага 32.
Каждый рычаг 32 имеет второй конец напротив первого конца, шарнирно соединенный с тарелкой 33.
Пластины 20 каждой пары соединены друг с другом с помощью штыря 35, перпендикулярного оси В соответствующей лопасти 6. Штырь 35 имеет промежуточную секцию 36, которая помещается внутри корневой части 14а соответствующей лопасти 6 и входит в зацепление с опорным гнездом 37, образованным в удлиненной секции 17, с возможностью вращения относительно оси В (фиг.15).
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.
Все лопасти 6 (фиг.1-4) являются полыми и включают в себя следующее:
- переднюю кромку 8, определяемую теми точками лопасти 6, которые располагаются впереди с учетом направления вращения (показано на фиг.14) лопасти 6;
- заднюю кромку 9, определяемую теми точками лопасти 6, которые располагаются сзади с учетом направления вращения, находящуюся на противоположной стороне лопасти по отношению к передней кромке 8 и взаимодействующую с воздушным потоком позади передней кромки 8;
- торец 11 по другую сторону от торца 10, располагающийся в радиальном направлении снаружи по отношению к оси А; и
- переднюю поверхность 12 и заднюю поверхность 13 на противоположных сторонах лопасти, которые проходят между торцами 10 и 11 и отделены друг от друга передней кромкой 8 и задней кромкой 9.
В направлении от торца 10 к торцу 11 лопасть 6 включает в себя следующее (фиг.1-8):
- корневую часть 14а, проходящую от торца 10 до сечения 50, перпендикулярного задней кромке 9, и присоединенную к пластинам 20;
- промежуточную часть 14b, проходящую от сечения 50 до базового сечения 51, также перпендикулярного задней кромке 9; и
- оконечную часть 14с, проходящую от базового сечения 51 до торца 11 и 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.
В частности, протяженность оконечной части 14с, то есть расстояние по радиусу между базовым сечением 51 и торцом 11 составляет от 8 до 16% от всей радиальной протяженности лопасти 6, то есть максимального расстояния между торцами 10 и 11.
В частности, от торца 10 до торца 11 передняя кромка 8 включает в себя первый участок 52, образованный двумя наклонными сегментами и проходящий вдоль корневой части 14а, прямой второй участок 53, проходящий вдоль промежуточной части 14b и наклоненный относительно сегментов первого участка 52, а также криволинейный третий участок 54, проходящий вдоль оконечной части 14с и изгибающийся в сторону от хвостового оперения вертолета 1.
В частности, первый 52 и второй 53 участки лежат в плоскости, параллельной задней кромке 9, тогда как кривая, определяющая третий участок 54, наклонена по отношению к задней кромке 9, которая является прямой.
Задняя поверхность 13 расположена между передней поверхностью 12 и хвостовым оперением, от которого отходит рулевой винт 3.
В передней поверхности 12 и задней поверхности 13 каждой лопасти 6 проделаны отверстия 38 (фиг.1-3) вблизи торца 10, в которые вставлены противоположные концы штыря 35.
Фиг.5-9 показывают соответствующие сечения лопасти 6 в последовательных плоскостях, перпендикулярных передней кромке 8 и проходящих от торца 10 до торца 11.
Как видно из сечений на фиг.5-8, лопасть 6 имеет профили G, асимметричные по отношению к хордам Р.
Важно отметить, что термин «хорда Р» использован здесь для того, чтобы обозначить расстояние между передней кромкой 8 и задней кромкой 9, измеренное в вертикальной плоскости (не показана), перпендикулярной задней кромке 9 на фиг.3.
В частности, передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 плавно соединяются на передней кромке 8 и образуют острый край на задней кромке 9 вдоль корневой части 14а, промежуточной 14b и оконечной 14с частей.
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.
Задняя поверхность 13 имеет выпуклую форму в корневой части 14а и в промежуточной части 14b (фиг.5, 6, 7).
В корневой части 14а вблизи торца 10 передняя поверхность 12 имеет вогнутый участок 41, который примыкает к задней кромке 9, и выпуклый участок 42, находящийся между участком 41 и передней кромкой 8 (фиг.5).
1
2
2
Что касается профиля G в корневой части 14а вблизи торца 10 (фиг.5), то хорда Р включает в себя основную часть P, находящуюся между передней поверхностью 12 и задней поверхностью 13, и конечную часть Р на конце задней кромки 9. В частности, примыкающий к задней кромке 9 участок 41 находится между конечной частью Р и задней поверхностью 13 (фиг.5).
Передняя поверхность 12 имеет выпуклую форму в промежуточной части 14b.
Как показано на фиг.8 и 9, в оконечной части 14с передняя поверхность 12 имеет выпуклую форму, тогда как задняя поверхность 13 включает в себя выпуклый участок 60, примыкающий к передней кромке 8, и плоский участок 61, примыкающий к задней кромке 9.
Выпуклость передней поверхности 12 постепенно уменьшается при движении вдоль промежуточной части 14b и оконечной части 14с по направлению к торцу 11. Другими словами, передняя поверхность 12 в каждом профиле стремится все ближе и ближе к хорде Р, по мере того как она приближается к торцу 11.
Как показано на фиг.5-9, 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, ссылаясь на фиг.5-7, неподвижная ось (не показана) вертикальна, а угол между хордами Р и неподвижной осью уменьшается в направлении от корневой части 14а (фиг.5) к оконечной части 14с (фиг.9). Другими словами, угол установки лопастей 6 изменяется вдоль соответствующих осей В, то есть в противоположность нахождению в одной плоскости геометрическое место точек хорд Р имеет искривленный профиль при взгляде сверху.
0
В промежуточной части 14b длина хорды Р лопасти 6 принимается равной постоянной величине d.
В оконечной части 14с длина d хорды Р уменьшается при движении от базового сечения 51 в направлении торца 11, а передняя кромка 8 и задняя кромка 9 соединяются на торце 11.
В частности, на торце 11 соединяются задняя кромка 9 и третий участок 54 передней кромки 8.
0
Другими словами, длина d хорды Р уменьшается от значения d в базовом сечении 51 до нуля на торце 11.
0
n
В оконечной части 14с длина d хорды Р меняется как функция расстояния r по радиусу от базового сечения 51, согласно уравнению d=d(1-kr), где k и n - постоянные коэффициенты.
В частности, коэффициент n принимает значения в диапазоне от 2 до 11, но предпочтительно его выбирают равным 6, тогда как коэффициент k равен отношению 1/R, где R - расстояние по радиусу от торца 11 до базового сечения 51.
Коэффициент k предпочтительно выбирают таким, чтобы угол между задней кромкой 9 и плоскостью, касательной к передней кромке 8 в торце 11, принимал значения в диапазоне от 87 до 89 градусов. В частности, коэффициент k предпочтительно выбирают таким, чтобы указанный угол принимал значения в диапазоне от 88 до 89 градусов.
На фиг.13 показан характер изменения длины хорды Р и геометрическое место аэродинамических центров Н вдоль лопасти 6.
Термин «аэродинамический центр» использован здесь для того, чтобы обозначить точку в каждом сечении лопасти 6 плоскостью, перпендикулярной задней кромке 9, по отношению к которой коэффициент аэродинамического момента остается постоянным наряду с изменениями угла атаки лопасти 6 по отношению к воздушному потоку.
0
n
В частности, расстояние между геометрическим местом точек Н и задней кромкой 9 можно рассчитать в оконечной части 14с с помощью уравнения 0,75*d(1-kr).
Упомянутое выше расстояние можно измерить вдоль оси у на фиг.13.
Поскольку оконечная часть 14с искривлена по отношению к промежуточной части 14b, аэродинамические центры оконечной части 14с также располагаются на определенном расстоянии от базового сечения 51 в направлении, параллельном оси А.
n
Зависимость упомянутого выше расстояния от базового сечения 51 можно рассчитать с помощью уравнения h(1-kr), где h - постоянный коэффициент.
На фиг.10 показано сечение лопасти 6 продольной плоскостью Q, параллельной задней кромке 9 и пересекающейся с осью А. В сечении вдоль плоскости Q передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 симметричны относительно осевой линии L лопасти 6 в корневой части 14а и в промежуточной части 14b.
В частности, в плоскости Q передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 имеют сужающиеся участки 65, 66 в корневой части 14а и параллельные участки 67, 68 в промежуточной части 14b. В оконечной части 14с передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 асимметричны относительно осевой линии L и имеют участки 69, 72, сужающиеся к торцу 11 в оконечной части 14с.
В частности, осевая линия L равноудалена от участков 65, 66 и 67, 68.
В промежутке от базового сечения 51 до торца 11 участок 69 включает в себя прямой отрезок 70, наклоненный относительно участка 67 в направлении осевой линии L, и прямой отрезок 71, параллельный осевой линии L.
В промежутке от базового сечения 51 до торца 11 участок 72 включает в себя прямой отрезок 73, наклоненный относительно участка 68 в направлении осевой линии L, и криволинейный отрезок 74, заканчивающийся в торце 11 и пересеченный осевой линией L.
На фиг.11 и 12 показаны сечения лопасти 6 плоскостями R, S, параллельными плоскости Q и расположенными между задней кромкой 9 и плоскостью Q.
Сечения лопасти 6 плоскостями R, S аналогичны сечению лопасти 6 плоскостью Q, и они описаны лишь настолько, насколько они отличаются от последней, с использованием, где возможно, таких же обозначений для равнозначных или одинаковых элементов.
В частности, отрезки 69', 69" в сечениях лопасти плоскостями R, S имеют вогнутую форму.
Плоскость R расположена между плоскостями Q и S, а отрезок 69" в сечении лопасти 6 плоскостью S имеет более вогнутую форму, чем отрезок 69' в сечении лопасти 6 плоскостью R.
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 соответствующих 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 перемещение передается на поперечины 29 и элементы 26.
Поперечины 29 соединены с элементами 26 эксцентрически по отношению к осям В, при перемещении поперечин 29 поворачиваются пластины 20 и, следовательно, лопасти 6 вокруг соответствующих осей В.
По мере поворота лопастей посадочные гнезда 19 лопастей 6 поворачиваются вокруг соответствующих осей В относительно соответствующих концов 18 удлиненных секций 17 пластинчатого замка 15, а штыри 35 вращаются вокруг соответствующих осей В относительно опорных гнезд 37 удлиненных секций 17.
При вращении лопастей 6 завихрение, создаваемое конечной частью 14с каждой лопасти 6, также в меньшей степени воздействует на другую лопасть 6.
Преимущества лопасти 6 согласно настоящему изобретению становятся ясными из представленного выше описания.
В частности, заявитель выяснил, что показанный характер изменения длины d хорды Р в оконечной части 14с повышает эффективность и снижает уровень шума рулевого винта 3.
В частности, эффективность рулевого винта 3 особенно высока как в режиме зависания, так и в режиме полета на высокой скорости. Другими словами, соотношение тяги, создаваемой рулевым винтом 3 на хвостовом оперении, и крутящего момента, приложенного к валу 5, чрезвычайно высоко и составляет более 0,7.
Причина этого заключается в конструкции оконечной части 14с, которая обеспечивает более однородное, с меньшей турбулентностью, обтекание воздушным потоком лопасти 6 и уменьшение степени воздействия завихрения, создаваемого на торце 11 одной лопасти 6, на другую лопасть 6, тем самым значительно уменьшая расширение ударной волны в оконечной части 14с.
Наконец, из-за того что передняя поверхность 12 и задняя поверхность 13 сходятся асимметрично в оконечной части 14с, упомянутое выше преимущество может быть достигнуто без необходимости заметного отгибания оконечной части.
Вследствие этого упомянутые выше преимущества могут быть достигнуты путем уменьшения центробежной силы, действующей на оконечную часть 14с, и, следовательно, нагрузок на механизмы управления по сравнению со стандартной конструкцией с отогнутой оконечной частью.
Очевидно, что в описанную и проиллюстрированную в этом документе лопасть 6 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.