Силовая установка скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла)

Полезная модель относится к авиастроению, а именно к силовой установке скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
Известен «Скоростной комбинированный вертолет (винтокрыл)» патент на полезную модель RU №168554 В64С 27/22. Дата приоритета 04.10. 2016. Дата публикации 08.02.2017.
Скоростной комбинированный вертолет (винтокрыл) имеет комбинированную несущую систему, состоящую из соосного несущего винта и планера с горизонтальным и вертикальным оперением с управляемыми поверхностями, силовую установку, состоящую из трансмиссии (редукторов и валов) и двигателя, снабжен крылом, обеспечивающим практически полную разгрузку несущего винта, оборудованным управляемыми закрылками, элевонами, и не менее одного двигателя, выполненного комбинированным и обеспечивающим создание как пропульсивной реактивной тяги посредством хвостового сопла на всех эксплуатационных режимах полета, так и привод с возможностью изменения частоты вращения соосного несущего винта. Силовая установка известной полезной модели скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) работает следующим образом. Взлет винтокрыла осуществляется по вертолетному - вертикально с использованием соосного несущего винта. Для этого комбинированный двигатель подает необходимую мощность на соосный несущий винт через редуктор, реактивная тяга комбинированного двигателя минимальна, а обороты двигателя настроены на обеспечение взлетных оборотов соосного несущего винта. Далее осуществляется переход на большие скорости полета. Для этого путем отклонения органов управления в кабине экипажа увеличивается реактивная тяга комбинированного двигателя и по мере разгона при уменьшении потребой мощности автоматически уменьшается подача мощности на соосный несущий винт с сохранением частоты его вращения до некоторой величины скорости полета. С ростом скорости полета до 260…300 км/час осуществляется плавная перенастройка частоты вращения соосного несущего винта в сторону уменьшения его оборотов для обеспечения оптимальных характеристик полета. На скоростях полета более 500 км/час соосный несущий винт разгружается до минимально допустимой величины с соответствующей автоматической перенастройкой частоты вращения выходного вала комбинированного двигателя.
Известное техническое решение силовой установки скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) имеет ряд недостатков. У реактивного комбинированного двигателя снижение частоты вращения выходного вала может осуществляться только за счет снижения частоты вращения турбины двигателя, которое осуществляется за счет уменьшения подачи топлива регулятором двигателя. В связи с этим снижение частоты вращения соосных несущих винтов путем перенастройки частоты вращения выходного вала комбинированного двигателя неизбежно приведет к глубокому дефорсированию двигателя по тяге и мощности. Снижение частоты вращения турбины реактивного двигателя до значения, обеспечивающего получение требуемых оборотов соосного несущего винта винтокрыла на скорости полета 600 км/час, приведет к дефорсированию двигателя по тяге и мощности до уровня 10-15% от их максимальных располагаемых значений. Указанное выше влияние оборотов выходного вала двигателя на его располагаемую мощность и реактивную тягу не позволяет в полной мере обеспечить независимое управление величиной оборотов несущего винта, требуемой для обеспечения всех эксплуатационных режимов полета скоростного комбинированного вертолета из-за указанных выше противоречий.
Другим недостатком является то, что на больших скоростях полета, когда несущий винт вертолета практически полностью разгружен, при создании необходимой вертикальной перегрузки и маневрировании несущий винт склонен к самопроизвольной раскрутке. Известная силовая установка не позволяет предотвратить самопроизвольную раскрутку несущего винта. Для предотвращения раскрутки несущего винта в известной полезной модели предусмотрено использование механизации крыла винтокрыла, а именно закрылков, а так же изменение общего шага несущего винта. Такой способ поддержания частоты вращения несущего винта в приемлемых пределах требует высокой квалификации пилота или применения сложной автоматизированной системы управления.
Указанные недостатки силовой установки известной полезной модели не позволяют обеспечить независимое раздельное управление пропульсивной реактивной тягой, механической мощностью и частотой вращения привода несущего винта в диапазоне сочетаний значений этих параметров требуемом для обеспечения всех эксплуатационных режимов полета скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) и предотвратить самопроизвольную раскрутку несущего винта при маневрировании.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности независимого раздельного управления пропульсивной реактивной тягой, механической мощностью и частотой вращения привода несущего винта в диапазоне сочетаний значений этих параметров, требуемом для обеспечения всех эксплуатационных режимов полета скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) и предотвращение самопроизвольной раскрутки несущего винта при маневрировании.
Техническая задача обеспечивается тем, что в силовой установке скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла), содержащей 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 привода несущего винта, комбинированный двигатель выполнен в виде двухконтурного двигателя с вентилятором внешнего контура и свободной силовой турбиной, имеющей выходной вал передачи механической мощности, снабженный датчиком оборотов, и 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, при этом вариатор вентилятора внешнего контура снабжен датчиком оборотов выходного управляемого вала и устройством управления по сигналу текущего значения положения органа управления 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 соединен с выходным неуправляемым валом вариатора привода вентилятора внешнего контура, а выходной управляемый вал соединен с устройством сцепления, при этом вариатор, снабжен датчиком оборотов выходного управляемого вала и устройством управления по сигналу воздушной скорости, поступающему от вычислителя воздушной скорости полета, кроме того, датчик оборотов выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины соединен с регулятором подачи топлива, устройством управления вариатором вентилятором внешнего контура и устройством управления вариатором, 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, а
устройство управления по сигналу текущего значения положения органа управления 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 тягой двигателя, а регулятор подачи топлива комбинированного двигателя соединен линией связи с устройством сцепления и управляет оборотами вала передачи механической мощности свободной силовой турбины по закону:
ст
n=const=100%, где:
ст
n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема силовой установки скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла).
ст
Силовая установка винтокрыла содержит двухконтурный комбинированный двигатель 1 со свободной силовой турбиной 2, имеющей выходной вал передачи механической мощности 3, снабженный датчиком оборотов 4, и вентилятор внешнего контура 5, управляемый редуктор с бесступенчатым изменением передаточного отношения (далее вариатор) 6 с выходными управляемым валом 7, соединенным с вентилятором внешнего контура 5 и вторым неуправляемым валом 8. Вариатор 6 снабжен датчиком оборотов 9 выходного управляемого вала 7, имеет входной вал 10, соединенный с выходным валом передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2. Вариатор 6 снабжен устройством управления 11, на которое по линии связи поступает сигнал n - обороты выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2 с датчика оборотов 4.
Силовая установка содержит редуктор 12 привода несущего винта, снабженный устройством сцепления 13, управляемый редуктор с бесступенчатым изменением передаточного отношения (далее вариатор) 14, входной неуправляемый вал 15 которого, соединен с выходным неуправляемым валом 8 вариатора 6, а выходной управляемый вал 16 вариатора 14 соединен с устройством сцепления 13 редуктора 12 привода несущего винта. Вариатор 14 снабжен устройством управления 17 и датчиком оборотов 18 выходного управляемого вала 16.
ст
Силовая установка содержит регулятор подачи топлива 19 двухконтурного комбинированного двигателя 1 с механизмом дозирования подачи топлива 20, при этом регулятор подачи топлива 19 соединен линией связи с датчиком оборотов 4 выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2 и устройством сцепления 13, имеет линию связи устройства управления 17 вариатора 14 по сигналу воздушной скорости полета, поступающему с вычислителя воздушной скорости полета 21 с приемником воздушного давления 22 и по сигналу n - обороты выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2, поступающему с датчика оборотов 4 и линию связи устройства управления 11 вариатора 6 вентилятора внешнего контура 5 по сигналу текущего значения положения органа управления тягой 23 двухконтурного комбинированного двигателя 1.
Силовая установка винтокрыла работает следующим образом.
Двухконтурный комбинированный двигатель 1 со свободной силовой турбиной 2, имеющей выходной вал передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины, представляет собой тепловую машину, которая вырабатывает на свободной силовой турбине 2 механическую мощность. Эта мощность распределяется пилотом, воздействующим на органы управления несущим винтом и орган управления тягой 23двухконтурного комбинированного двигателя 1, между редуктором 12 несущего винта и выходным управляемым валом 7 вариатора 6 привода вентилятора внешнего контура 5, который создает реактивную тягу двухконтурного комбинированного двигателя 1.
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 свободной силовой турбины 2 и, соответственно, к изменению оборотов выходного вала передачи механической мощности 3 от свободной силовой турбины 2.
Регулятор подачи топлива 19 двухконтурного комбинированного двигателя 1 получает сигнал по линии связи от датчика оборотов 4 выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2, вступает в работу, стремясь восстановить исходные обороты, и производит через механизм дозирования топлива 20 изменение подачи топлива, соответствующее заложенному в него закону:
ст
n=const=100%, где:
ст
n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины.
Таким образом, обороты свободной силовой турбины 2 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 тягой 23 комбинированного двигателя, соединенный линией связи с устройством управления 11 вариатора 6, передает управляющий сигнал на соответствующее изменение передаточного отношения вариатора 6. Сигнал от органа управления тягой 23 двухконтурного комбинированного двигателя 1 поступает в устройство управления 11 вариатора 6,которое производит изменение передаточного отношения вариатора 6 в соответствии с заданным пилотом значением, что приводит к изменению оборотов выходного управляемого вала 7 вариатора 6 и, в свою очередь, приводит к изменению оборотов вентилятора внешнего контура 5 и, соответственно, к изменению реактивной тяги двухконтурного комбинированного двигателя 1 в соответствии с требованиями режима полета. Фактическое значение передаточного отношения вариатора 6 устройство управления 11 определяет по отношению сигнала датчика оборотов 4 вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2 и сигнала датчика оборотов 9 выходного управляемого вала 7 вариатора 6. После достижения заданного пилотом значения передаточного отношения вариатора 6 устройство управления 11 вариатора 6 осуществляет автоматическое поддержание достигнутого передаточного отношения постоянным до появления нового управляющего сигнала. Управление вариатором 6 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;
α - положение органа управления тягой.
При изменении оборотов вентилятора внешнего контура 5 изменяется величина нагрузки, снимаемой со свободной силовой турбины 2, тем самым нарушается баланс потребной и располагаемой мощности, снимаемой со свободной силовой турбины 2, что приводит к появлению тенденции изменения оборотов выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины. Регулятор подачи топлива 19 двухконтурного комбинированного двигателя 1 получает сигнал по линии связи от датчика оборотов 4, вступает в работу, стремясь восстановить исходные обороты, и производит через механизм дозирования топлива 20 изменение подачи топлива по заложенному в него закону:
ст
n=const=100%, где:
ст
n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины.
За счет этого, обороты свободной силовой турбины 2 двухконтурного комбинированного двигателя 1 всегда остаются постоянными независимо от изменения потребной мощности для привода вентилятора внешнего контура 5.
Таким образом, предлагаемая силовая установка скоростного комбинированного вертолета обеспечивает независимое раздельное управление механической мощностью, передаваемой на привод несущего винта винтокрыла, и реактивной тягой двухконтурного комбинированного двигателя 1 в широком диапазоне их значений.
Аэродинамика несущего винта винтокрыла при полете на скорости более 400 км/час требует уменьшения оборотов несущего винта. Это требование обусловлено недопущением на наступающих лопастях выхода на скорость обтекания с числом М=1 и более (сверхзвуковое обтекание). Выполнение этого требования обеспечивается тем, что вариатор 14, входной неуправляемый вал 15 которого соединен с выходным неуправляемым валом 8 вариатора 6, а его выходной управляемый вал 16 соединен с устройством сцепления 13 редуктора 12 привода несущего винта винтокрыла. Вариатор 14 снабжен устройством управления 17 по сигналу воздушной скорости, поступающему по линии связи от вычислителя 21 воздушной скорости полета, который воспринимает от приемника воздушного давления 22 полное и статическое давление потока воздуха, в котором движется винтокрыл, вычисляет текущую воздушную скорость полета, вычисляет по заложенной в него программе потребные обороты несущего винта, соответствующие текущей скорости полета, и по линии связи, соединяющей вычислитель воздушной скорости полета 21 с устройством управления 17 вариатора 14, передает управляющий сигнал устройству управления 17 на соответствующее изменение передаточного отношения вариатора 14.
Фактическое значение передаточного отношения вариатора 14 определяется по отношению сигнала, поступающего с датчика оборотов 4 выходного вала передачи механической мощности 3 свободной силовой турбины 2 и сигнала датчика оборотов 18 выходного управляемого вала 16 вариатора 14. Устройство управления 17 вариатора 14 производит изменение передаточного отношения вариатора 14, что приводит к изменению оборотов выходного управляемого вала 16 вариатора 14 и, соответственно, к изменению оборотов привода несущего винта винтокрыла до значения, заданного вычислителем воздушной скорости полета 21, и осуществляет поддержание постоянным достигнутого текущего передаточного отношения вариатора 14 до появления нового управляющего сигнала. Управление вариатором 14 осуществляется по закону:
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины;
вых
n - обороты выходного управляемого вала вариатора;
полета
V - текущее значение воздушной скорости полета.
При изменении оборотов привода несущего винта изменяется величина нагрузки, снимаемой со свободной силовой турбины 2, и тем самым нарушается баланс потребной и располагаемой мощности, снимаемой со свободной силовой турбины 2, что приводит к появлению тенденции изменения оборотов выходного вала 3 передачи механической мощности свободной силовой турбины. Регулятор подачи топлива 19 двухконтурного комбинированного двигателя 1 получает сигнал по линии связи от датчика оборотов 4, вступает в работу, стремясь восстановить исходные обороты, и производит через механизм дозирования топлива 20 изменение подачи топлива по заложенному в него закону.
ст
n=const=100%,
ст
где n - обороты выходного вала передачи механической мощности свободной силовой турбины.
ст
За счет этого обороты свободной силовой турбины 2 двухконтурного комбинированного двигателя 1 всегда остаются постоянными независимо от изменения потребной мощности, связанного с изменением оборотов несущего винта. Принцип управления вариаторами 6 и 14 с отказом от управления по прямому параметру «выходные обороты» и переходом на управление по параметру «отношение входных и выходных оборотов» в сочетании с управлением свободной силовой турбиной 2 традиционно по закону n=const обусловлен тем, что любая система автоматического регулирования является колебательным звеном и при наличии в единой кинематической цепи от турбины двигателя до несущего винта трех регуляторов, а именно регулятора подачи топлива 19 комбинированного двигателя 1, устройства управления 11 вариатора 6, устройства управления 17 вариатора 14, осуществляющих регулирование по взаимозависимым параметрам «частота вращения» будет принципиально неустойчивой, так как регуляторы в процессе регулирования будут вмешиваться в- процесс регулирования друг друга. Это будет приводить к раскачке (автоколебаниям) системы и, соответственно, к автоколебаниям оборотов несущего винта. Переход на регулирование обоих вариаторов по безразмерному отношению входных и выходных оборотов, которое не зависит от частоты вращения их валов, обеспечивает устойчивую совместную работу трех указанных устройств управления в единой кинематической цепи силовой установки и, соответственно, устойчивость системы «двигатель-трансмиссия-несущий винт»
Устройство сцепления 13 имеет два режима работы: режим « жестко сцеплено» и режим «расцеплено». Применение такого устройства на входе в редуктор 12 привода несущего винта обусловлено тем, что на больших скоростях полета винтокрыла, когда несущий винт практически полностью разгружен при создании необходимой вертикальной перегрузки и маневрировании винтокрыла несущий винт имеет склонность к самопроизвольной раскрутке. Для предотвращения раскрутки несущего винта устройство сцепления 13 на режимах полета со штатно работающим двухконтурным комбинированным двигателем 1 работает в режиме «жестко сцеплено» и имеет постоянную кинематическую связь несущего винта со свободной силовой турбиной 2 и вентилятором внешнего контура 5 двухконтурного комбинированного двигателя 1, обладающих большими полярными моментами инерции, что обеспечивает демпфирование режимов раскрутки несущего винта за счет жестко присоединенных инерционных масс. Кроме того, вентилятор внешнего контура 5, являясь потребителем мощности, будет препятствовать раскрутке несущего винта, потребляя энергию, вырабатываемую несущим винтом при его подкрутке набегающим воздушным потоком. Для обеспечения режима самовращения несущего винта в случае отказа двухконтурного комбинированного двигателя 1 устройство сцепления 13 по сигналу «отказ двигателя», поступающему в устройство сцепления 13 по управляющей линии от регулятора 19 двухконтурного комбинированного двигателя 1, переводится в режим «расцеплено».
Совокупность признаков предлагаемой полезной модели позволяет осуществить решение поставленной задачи по обеспечению возможности независимого раздельного управления пропульсивной реактивной тягой, механической мощностью и частотой вращения привода несущего винта в диапазоне сочетаний значений этих параметров, требуемом для обеспечения всех эксплуатационных режимов полета скоростного комбинированного вертолета (винтокрыла) при обеспечении устойчивости системы «двигатель-трансмиссия-несущий винт» и предотвращении самопроизвольной раскрутки несущего винта при маневрировании.