СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СКОРОСТНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ВЕРТОЛЕТА (ВИНТОКРЫЛА)

Полезная модель относится к авиастроению, а именно к силовой установке скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
Известна «Силовая установка скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла)», патент на полезную модель RU №179890, В64С 27/12 от 14.12.2017.
Силовая установка скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) содержит трансмиссию, состоящую из редукторов и валов и не менее одного комбинированного двигателя, снабженного регулятором подачи топлива, обеспечивающего как создание пропульсивной реактивной тяги, так и привод с возможностью изменения частоты вращения несущего винта, Комбинированный двигатель известной силовой установки выполнен в виде двухконтурного комбинированного двигателя с вентилятором внешнего контура и свободной силовой турбиной, имеющей выходной вал передачи механической мощности, снабженный датчиком оборотов. Двигатель содержит вариатор вентилятора внешнего контура, имеющий один входной вал, соединенный с выходным валом передачи механической мощности свободной силовой турбины и два выходных вала, один из которых управляемый соединен с вентилятором внешнего контура, а другой неуправляемый. Вариатор вентилятора внешнего контура снабжен датчиком оборотов выходного управляемого вала и устройством управления по сигналу текущего значения положения органа управления реактивной тягой комбинированного двигателя, поступающему с органа управления комбинированным двигателем. Редуктор привода несущего винта снабжен устройством сцепления и вариатором с входным неуправляемым валом и выходным управляемым валом, при этом входной неуправляемый вал вариатора редуктора привода несущего винта соединен с выходным неуправляемым валом вариатора вентилятора внешнего контура, а выходной управляемый вал соединен с устройством сцепления. Вариатор редуктора привода несущего винта снабжен датчиком оборотов выходного управляемого вала и устройством управления по сигналу воздушной скорости, поступающему от вычислителя воздушной скорости полета. Датчик оборотов выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины соединен с регулятором подачи топлива, устройством управления вариатором вентилятора внешнего контура и устройством управления вариатором редуктора привода несущего винта, управление которым осуществляется по закону:
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины;
вых
n - обороты выходного управляемого вала вариатора вентилятора внешнего контура;
полета
V - текущее значение воздушной скорости полета.
Устройство управления по сигналу текущего значения положения органа управления реактивной тягой комбинированного двигателя управляет вариатором вентилятора внешнего контура по закону:
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины;
вых
n - обороты выходного управляемого вала вариатора вентилятора внешнего контура;
α - текущее значение положения органа управления реактивной тягой двигателя, а регулятор подачи топлива комбинированного двигателя соединен линией связи с устройством сцепления и управляет оборотами выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины по закону:
ст
n=const=100%,
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины.
Силовая установка известной полезной модели работает следующим образом.
При необходимости изменения реактивной тяги двухконтурного комбинированного двигателя производится изменение оборотов вентилятора внешнего контура за счет изменения передаточного отношения вариатора привода вентилятора внешнего контура по сигналу текущего значения положения органа управления реактивной тягой двигателя. При изменении оборотов вентилятора внешнего контура изменяется реактивная тяга двухконтурного комбинированного двигателя. При этом также изменяется потребная мощность на его привод. Это приводит к возникновению тенденции изменения оборотов свободной силовой турбины. Регулятор подачи топлива получает сигнал от датчика оборотов выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины об изменении оборотов свободной силовой турбины, вступает в работу, автоматически изменяя подачу топлива в двигатель в соответствии с заложенным в него законом поддержания постоянной частоты вращения свободной силовой турбины на заданном уровне 100%, что приводит к восстановлению оборотов на уровне 100% и восстанавливает баланс потребной и располагаемой мощности. При этом управление передаточным отношением вариатора привода вентилятора внешнего контура осуществляется по безразмерному параметру, которым является передаточное отношение вариатора привода вентилятора внешнего контура закону:
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины;
вых
n - обороты выходного управляемого вала вариатора привода вентилятора внешнего контура;
α - текущее значение положения органа управления реактивной тягой двигателя.
Изменение передаваемой на привод несущего винта мощности осуществляется изменением загрузки несущего винта органами управления вертолетом или при изменении оборотов несущего винта по сигналу, поступающему от вычислителя воздушной скорости на устройство управления вариатором редуктора привода несущего винта. При этом так же как и в вышеуказанном случае регулятор оборотов свободной силовой турбины автоматически изменяет подачу топлива в двигатель в соответствии с заложенным в него законом поддержания постоянной частоты вращения свободной силовой турбины на уровне заданного значения 100% и восстанавливает баланс потребной и располагаемой мощности. Таким образом, обеспечивается способность получения как механической мощности на привод несущего винта вертолета (винтокрыла), так и получения реактивной тяги, обеспечивающей движущую силу.
Недостатком известной полезной модели является низкий коэффициент полезного действия двигателя, обусловленный наличием вариатора в линии привода вентилятора внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя, обеспечивающего изменение оборотов рабочего колеса вентилятора с целью управления реактивной тягой двигателя.
Общеизвестно, что изменение оборотов выходного вала вариатора (его передаточного отношения) сопровождается большими потерями передаваемой мощности. Коэффициент полезного действия вариатора при его передаточном отношении порядка 2,0 может составлять величину 0,9, то есть потери мощности в этом случае будут составлять 10% от передаваемой через управляющий контур вариатора мощности. При этом такие потери приведут к необходимости создания громоздкой системы охлаждения рабочей жидкости вариатора со съемом тепловой энергии той же величины, так как потери мощности, естественно, будут преобразованы в тепло в соответствии с законами сохранения энергии.
Указанные недостатки известной полезной модели существенно снижают летно-технические характеристики скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), такие как дальность и продолжительность полета, увеличивают его габариты из-за необходимости увеличивать запас топлива и приводят к увеличению веса и габаритов конструкции силовой установки из-за громоздкой системы охлаждения вариатора.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия силовой установки скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), обладающей способностью независимого раздельного управления пропульсивной тягой, механической мощностью и частотой вращения привода несущего винта в требуемом диапазоне сочетаний значений реактивной тяги, мощности и частоты вращения привода несущего винта, повышения дальности и продолжительности полета скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) и минимизации ее габаритных и весовых характеристик.
Техническая задача обеспечивается тем, что в силовой установке скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), состоящей из не менее одного двухконтурного комбинированного двигателя с вентилятором внешнего контура, обеспечивающего как создание пропульсивной реактивной тяги, так и привод с возможностью изменения частоты вращения несущего винта, включающего регулятор подачи топлива и силовую турбину, управляемую по закону постоянства оборотов, снабженную датчиком оборотов, имеющую вал передачи механической мощности, редуктора привода несущего винта, снабженного вариатором, имеющим входной не управляемый вал и выходной управляемый вал и устройством сцепления, вычислителя воздушной скорости полета и органа управления реактивной тягой двухконтурного комбинированного двигателя, вентилятор внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя соединен с валом передачи механической мощности и снабжен управляемым лопаточным входным направляющим аппаратом, а выхлопное сопло внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя выполнено с возможностью изменения площади выходного сечения, кроме того управляемый лопаточный входной направляющий аппарат и выхлопное сопло внешнего контура с возможностью изменения площади выходного сечения двухконтурного комбинированного двигателя снабжены исполнительными устройствами управления углами установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата и площадью выходного сечения выхлопного сопла внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя по сигналу текущего значения положения органа управления реактивной тягой двухконтурного комбинированного двигателя, по законам:
вна
α=f(α),
c
F=f(α),
вна
где α - угол установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата вентилятора внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя;
c
F - площадь выходного сечения управляемого выхлопного сопла с изменяемой площадью выходного сечения внешнего контура двухконтурного комбинированного двигателя;
α - текущее значение положения органа управления реактивной тягой двухконтурного комбинированно двигателя.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема силовой установки скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
Силовая установка скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) содержит двухконтурный комбинированный двигатель 1 с вентилятором внешнего контура 2, силовой турбиной 3 (может быть как свободной силовой турбиной, так и турбиной каскада низкого давления двигателя, что для предлагаемой полезной модели не имеет принципиального значения) привода вентилятора внешнего контура 2, датчиком оборотов 4 силовой турбины 3, регулятором подачи топлива 5, управляемым лопаточным входным направляющим аппаратом 6, вентилятора внешнего контура 2, управляемым выхлопным соплом внешнего контура 7, выполненным с возможностью изменения площади выходного сечения и выходным валом передачи механической мощности 8 на привод несущего винта скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
Силовая установка содержит редуктор привода несущего винта 9 скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), снабженный устройством сцепления 10, управляемый редуктор с бесступенчатым изменением передаточного отношения (далее-вариатор) 11, имеющий неуправляемый входной вал 12, соединенный с выходным валом передачи механической мощности 8 и управляемый выходной вал 13, соединенный с устройством сцепления 10 редуктора привода несущего винта 9 скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) и орган управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1.
Управляемый лопаточный входной направляющий аппарат 6 имеет исполнительное устройство изменения углов установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата 15, управляемое выхлопное сопло внешнего контура с возможностью изменения площади выходного сечения 7 двухконтурного комбинированного двигателя 1 имеет исполнительное устройство управления площадью выходного сечения 16. Конструкция исполнительного устройства изменения углов установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата 15 и исполнительного устройства управления площадью выходного сечения управляемого выхлопного сопла с возможностью изменения площади выхлопного сечения 16 не является предметом полезной модели и может быть выполнена по любому известному принципу, например, электрической, гидравлической или другого типа. Силовая установка содержит вычислитель воздушной скорости полета 17 с приемником воздушного давления 18. Регулятор подачи топлива 5 соединен линиями связи с датчиком оборотов 4 силовой турбины 3, исполнительным устройством изменения углов установки лопаток 15 управляемого лопаточного входного направляющего аппарата 6 двухконтурного комбинированного двигателя 1, исполнительным устройством управления площадью выходного сечения 16 управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7 с изменяемой площадью выходного сечения и органом управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1. Вычислитель воздушной скорости полета 17 имеет линию связи с вариатором 11 привода редуктора 9 несущего винта скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
Силовая установка скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) работает следующим образом.
Двухконтурный комбинированный двигатель 1 с силовой турбиной 3, имеющей выходной вал передачи механической мощности 8 представляет собой тепловую машину, которая вырабатывает на силовой турбине 3 механическую мощность. Эта мощность распределяется пилотом, воздействующим на органы управления несущим винтом и орган управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1, между приводом вентилятора внешнего контура 2, создающего реактивную тягу двухконтурного комбинированного двигателя и редуктором привода несущего винта 9 скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла). Пилот винтокрыла, воздействуя на органы управления несущим винтом винтокрыла, изменяет тягу несущего винта и, соответственно, потребную мощность несущего винта в соответствии с выполняемым режимом полета (висение, разгон, набор высоты, изменение скорости полета и другие маневры), что приводит к изменению баланса потребной и располагаемой мощности силовой турбины 3 и, соответственно, к появлению тенденции изменения оборотов силовой турбины 3.
ст
ст
Регулятор подачи топлива 5 двухконтурного комбинированного двигателя 1, получая сигнал по линии связи от датчика оборотов 4 силовой турбины 3, вступает в работу, стремясь поддержать исходные обороты, и производит автоматическое изменение подачи топлива, в соответствии с заложенным в него законом: n=const=100%, где n-частота вращения силовой турбины.
Таким образом, обороты силовой турбины 3 двухконтурного комбинированного двигателя 1 всегда остаются постоянными независимо от изменения потребной мощности для привода несущего винта.
Пилот винтокрыла при желании изменить реактивную тягу комбинированного двигателя, воздействуя на орган управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1, соединенный линией связи с регулятором подачи топлива 5 передает по линии связи управляющий сигнал на регулятор подачи топлива. Регулятор подачи топлива 5, получив управляющий сигнал от органа управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1 вырабатывает исполнительный сигнал, который по линии связи поступает на исполнительное устройство управления углами установки лопаток управляемого лопаточного аппарата 15, которое производит изменение углов установки его лопаток в соответствии с заданными органом управления реактивной тягой 14 значением. При изменении углов установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата 6 вентилятора внешнего контура 2 происходит изменение углов подхода потока воздуха к рабочим лопаткам вентилятора внешнего контура 2 и, соответственно, изменение их углов атаки. Это приводит к изменению степени повышения давления воздуха в ступени вентилятора внешнего контура 2 и, в связи с этим, к изменению скорости истечения воздуха из управляемого выхлопного сопла внешнего контура с изменяемой площадью выходного сечения 7 и, тем самым, к изменению реактивной тяги вентилятора внешнего контура 2. При этом так же изменяется потребляемая вентилятором внешнего контура 2 мощность, что приводит к изменению баланса потребной и располагаемой мощности силовой турбины 3 и, соответственно, к появлению тенденции изменения оборотов силовой турбины 3. Регулятор подачи топлива 5 двухконтурного комбинированного двигателя 1, получая сигнал по линии связи от датчика оборотов 4 силовой турбины 3, вступает в работу, стремясь поддержать исходные обороты турбины, и производит автоматическое изменение подачи топлива, в соответствии с заложенным в него законом:
ст
n=const=100%,
ст
где n - частота вращения силовой турбины.
Таким образом, обороты силовой турбины 3 двухконтурного комбинированного двигателя 1 всегда остаются постоянными независимо от потребляемой вентилятором внешнего контура 2 двухконтурного комбинированного двигателя мощности.
Расчеты показывают, что применение управляемого лопаточного входного направляющего аппарата вентилятора внешнего контура не полностью обеспечивает управление реактивной тягой двухконтурного комбинированного двигателя в полном требуемом диапазоне изменения реактивной тяги. Это относится к области малой потребной реактивной тяги (режимы висения и перемещения с малыми скоростями и др.). Для решения этой задачи двухконтурный комбинированный двигатель снабжен управляемым выхлопным соплом внешнего контура 7 с возможностью изменения площади выходного сечения.
На режимах минимальной потребной реактивной тяги двигателя (полет на малых скоростях (в том на числе режимах висения), с целью получения минимальной околонулевой реактивной тяги предусмотрено вступление в работу исполнительного устройства 16 управления площадью выходного сечения управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7, выполненного с возможностью изменения площади выходного сечения. Воздействуя на орган управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1, соединенный линией связи с регулятором подачи топлива 5 пилот передает управляющий сигнал на регулятор подачи топлива 5. Регулятор подачи топлива 5, получив управляющий сигнал от органа управления реактивной тягой 14 двухконтурного комбинированного двигателя 1 вырабатывает исполнительный сигнал, который по линии связи поступает на исполнительное устройство управления площадью выходного сечения 16 управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7. Устройство управления площадью выходного сечения 16 производит изменение площади выходного сечения управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7 в соответствии с заданным органом управления реактивной тягой 14 значением. При увеличении площади выходного сечения управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7 (раскрытии сопла) уменьшается степень повышения давления в ступени вентилятора внешнего контура 2 двигателя 1, что приводит к уменьшению скорости истечения воздуха из управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7 и, соответственно, к уменьшению величины реактивной тяги вентилятора внешнего контура 2 двухконтурного комбинированного двигателя 1. При этом так же изменяется потребляемая вентилятором внешнего контура 2 мощность, что приводит к изменению баланса потребной и располагаемой мощности силовой турбины 3 и, соответственно, к появлению тенденции изменения оборотов силовой турбины. При этом регулятор подачи топлива 5 так же, как было описано выше, вступит в работу и автоматически изменит подачу топлива в двигатель и таким образом восстановит обороты силовой турбины 3 на исходном уровне. При совместном воздействии на реактивную тягу двухконтурного комбинированного двигателя 1 факторов изменения углов установки лопаток управляемого лопаточного входного направляющего аппарата 6 и изменения площади выходного сечения управляемого выхлопного сопла внешнего контура 7 с возможностью изменения площади выходного сечения двухконтурного комбинированного двигателя 1 возможно обеспечить полный потребный диапазон управления реактивной тягой двухконтурного комбинированного двигателя 1 при постоянных оборотах вентилятора внешнего контура 2 и одновременно обеспечить полный потребный диапазон изменения подаваемой мощности на несущий винт вертолета.
Для обеспечения изменения оборотов несущего винта комбинированного вертолета (винтокрыла) в зависимости от воздушной скорости полета в трансмиссии вертолета установлен вариатор 11, соединенный линией связи с вычислителем воздушной скорости полета 17, который измеряет при помощи приемника воздушного давления 18 полное и статическое давление набегающего потока воздуха и преобразовывает его в управляющий сигнал, передаваемый по линии связи на вариатор 11, в результате чего вариатор 11 производит изменение передаточного отношения по заложенному в него закону, что приводит к изменению оборотов его управляемого выходного вала 13, соединенного с устройством сцепления 10 редуктора привода несущего винта 9 и, соответственно, к изменению оборотов несущего винта комбинированного вертолета (винтокрыла).
Учитывая не высокие потери энергии в ступени лопаточной машины, которой является управляемый лопаточный входной направляющий аппарат 6 вентилятора внешнего контура 2 и не высокие потери в выхлопном сопле 7 внешнего контура с изменяемой площадью выхода, суммарный коэффициент полезного действия силовой установки предлагаемой полезной модели будет выше, чем в известном устройстве с вариатором привода вентилятора внешнего контура двигателя.
Совокупность признаков предлагаемой полезной модели позволяет осуществить решение поставленной задачи по обеспечению повышения коэффициента полезного действия силовой установки скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), обладающей способностью независимого раздельного управления пропульсивной реактивной тягой, механической мощностью и частотой вращения привода несущего винта в требуемом диапазоне сочетаний реактивной тяги, мощности и частоты вращения несущего винта, повышения дальности и продолжительности полета скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) и минимизации ее габаритных и весовых характеристик.