УСТРОЙСТВО ХВОСТОВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА
HELICOPTER TAIL ROTOR DEVICE

Настоящее изобретение касается устройства хвостового винта, выполненного с возможностью закрепления на хвостовой балке винтокрыла, в частности вертолета, включающего в себя тоннель, который образует канал для протекания воздуха с глубиной канала в направлении оси канала, проходящей перпендикулярно продольной оси, и внутренним диаметром канала, так что в канале для протекания воздуха может быть оперт с возможностью вращения хвостовой винт, имеющий несколько лопастей винта, причем этот тоннель выполнен таким образом, что глубина его канала по ходу длины тоннеля выполнена сужающейся в направлении, обращенном от хвостовой балки.
Коммерчески доступными являются вертолеты, которые наряду с несущим винтом имеют устройство хвостового винта, расположенное на хвостовой балке, причем это устройство хвостового винта может быть выполнено открытым или окруженным тоннелем (так называемый винт в кольце) и используется для создания латеральной тяги, чтобы противодействовать вращательному моменту, вызванному несущим винтом.
Ниже речь идет о варианте устройства хвостового винта, имеющем тоннель, который уже давно известен в различных вариантах осуществления. Тоннель устройства хвостового винта сегодня широко распространен у малых и средних классов вертолетов по весу, не только из-за того, что возможно снижение шума, а также вибраций, и обеспечение улучшенного обтекания хвостового винта как части устройства хвостового винта, но и потому что, в частности, люди, а также сам вертолет лучше защищены этим тоннелем.
Кроме того, устройство хвостового винта, снабженное тоннелем, имеет обычно лучшее отношение тяги к мощности. Это можно объяснить снижением мощности хвостового винта, так как могут сокращаться потери на вершине лопасти, и предотвращается сжатие струи вследствие эффекта диффузора выше по потоку от хвостового винта. С другой стороны, лучший результат получается из дополнительного прироста тяги, который создается ускоренным течением на впуске канала. Соответственно хвостовым винтом, снабженным тоннелем, достигается большая тяга, чем при применении открытого хвостового винта, при одинаковом потреблении мощности.
Из EP 0508025 известно устройство хвостового винта, которое оптимизировано для операций парящего полета и маневров рыскания при различных скоростях полета. На хвостовой балке расположено устройство хвостового винта, снабженное тоннелем, окружающим хвостовой винт. Тоннель образует канал для протекания воздуха, в котором установлен хвостовой винт. Глубина T канала тоннеля в направлении оси вращения хвостового винта выполнена таким образом, что стенка тоннеля окружает хвостовой винт по всему периметру в направлении оси вращения хвостового винта. Глубина T канала имеет постоянное значение и выполнена больше, чем глубина хвостового винта, так что лопасти винта полностью находятся внутри канала для протекания воздуха. В соответствии с EP 0508025 выбирается глубина канала от 50 см до 60 см. Через хвостовую балку до хвостового винта проведена трансмиссия, с помощью которой может осуществляться привод хвостового винта. Как видно на фиг.1 из EP 0508025, диаметр D хвостового винта выбран значительно больше, от 120 см до 135 см, чем глубина T канала. Как известно из уровня техники, обычно отношение (D/T) диаметра D хвостового винта к глубине T канала выбирается больше 30%, благодаря чему достижимо хорошее отношение тяги и мощности.
Это отношение основано на том, что диаметр D хвостового винта принципиально выбирается не очень большим, чтобы по возможности уменьшить плечо рычага массы, находящейся в хвостовой области, так чтобы центр тяжести вертолета мог находиться в пределах допустимой области. Чтобы при малых диаметрах D хвостового винта могла достигаться необходимая тяга и хорошая эффективность, глубина T канала чаще всего еще больше увеличивается, и иногда также встраиваются дополнительные статоры, которые получают дополнительную тягу от завихрения течения.
Эти мероприятия по совершенствованию приводят, впрочем, к тому, что вследствие дополнительно увеличенной глубины T канала и связанной с этим большей поверхности стенки канала или, соответственно, всей поверхности тоннеля создается увеличенное сопротивление формы вертолета в прямолинейном горизонтальном полете. Выполнение статоров также повышает результирующий уровень шума хвостового винта, снабженного тоннелем, так что использование статоров хотя и целесообразно для повышения эффективности, но происходит за счет комфорта полета.
Для повышения эффективности тяги и при этом дополнительного снижения уровня шума в US 4506849 был представлен тоннель в форме узко выполненного в продольном направлении вертолета замкнутого кольца. Это кольцо в направлении оси канала, которая ориентирована перпендикулярно продольной и вертикальной оси вертолета, расположено ниже по потоку от лопастей винта или, соответственно, плоскости этих лопастей винта, так что кольцо не представляет собой тоннель, так как плоскость лопастей винта находится не в кольце, а выше по потоку от него. Собственно, нельзя говорить об образовании канала. Это скорее экзотическое решение противоречит прежнему методу применения тоннелей, имеющих наибольшие возможные глубины каналов, и расположения хвостового винта, окруженного стенкой канала, во внутреннем диаметре канала. Отношение (D/T) диаметра D хвостового винта к глубине T канала при применении такого узкого кольца в соответствии с US 4506849 составляет примерно 12,5%. Благодаря применению такого кольца в качестве тоннеля удалось предотвратить сжатие струи и таким образом констатировать повышенную эффективность. Впрочем, добиться преимуществ удалось не при всех возможных условиях полета, из-за чего этот вид тоннеля не имел коммерческого успеха.
st
В середине 1970-х годов в работе Clark, D.R., “Aerodnamic Design Rationale for the Fan-in Fin on the S-67 Helicopter”, American Helicopter Society 31 Annual National Forum, Washington, D.C., May 13-15, 1975, было раскрыто другое исполнение чрезвычайно компактного устройства хвостового винта вертолета. Там показан хвостовой винт, имеющий экстремально малый диаметр хвостового винта, который окружен тоннелем, выполненным радиально не симметрично, при этом ширина тоннеля в отрицательном направлении L продольной оси сужена назад, от стороны хвостовой балки к концу тоннеля в направлении продольной оси L. Максимальная глубина канала при испытаниях по порядку величины составляла половину диаметра хвостового винта.
Для достижения надлежащего сопротивления воздуху были оптимизированы радиус впуска и выпуска, а также наружная геометрия тоннеля. Благодаря сужающемуся и находящемуся ниже по потоку, если смотреть снаружи, вогнуто искривленному тоннелю удалось снизить вес, что оказалось предпочтительным. Больше напоминающее сопло, это устройство хвостового винта на практике оказалось убедительным не при всех маневрах полета, из-за чего начатое направление разработки не развивалось. Возможный потенциал работы над формой тоннеля, очевидно, не был обнаружен, и в последующие годы происходил поиск других исполнений форм тоннелей, соответственно, устройств хвостового винта. Эти исполнения имели, прежде всего, тоннели с наибольшими возможными глубинами каналов и корпусами тоннелей симметричной формы. Таким образом, эти работы над формой шли в другом направлении, но при этом также результаты не смогли достичь намеченных преимуществ.
Настоящее изобретение поставило перед собой задачу, создать устройство хвостового винта вертолета, при эксплуатации которого будут улучшены свойства прямолинейного горизонтального полета и снижено потребление мощности несущего винта.
В целом при использовании этого устройства хвостового винта, благодаря тоннелю, может снижаться общее потребление энергии вертолета, при этом сохраняются известные положительные свойства тоннеля, такие как защита лопастей винта от столкновений с посторонними предметами, улучшение отношения тяги к мощности и, прежде всего, подавление шума.
Для решения этой задачи используется вертолет, имеющий сравнительно экстремально большой диаметр хвостового винта, который по меньшей мере в пять раз больше, чем глубина канала, и тем самым имеющий внутренний диаметр канала соответствующего большого размера. Сужение тоннеля, соответственно, глубины канала в отрицательном направлении продольной оси, от носа вертолета в направлении хвоста по ходу тоннеля в обращенном от несущего винта направлении, выбрано при этом в заданном отношении глубины канала к диаметру канала, соответственно, диаметру хвостового винта.
Для оптимального повышения флюгерной устойчивости и устойчивости рыскания форма тоннеля комбинируется с хвостовым винтом, диаметр которого составляет по меньшей мере 1000 миллиметров.
Один из предпочтительных примеров осуществления предмета изобретения описывается ниже при помощи прилагаемых чертежей.
Фиг.1: показан частично рассеченный вид устройства хвостового винта по уровню техники.
Фиг.2: показан вид сбоку вертолета, имеющего предлагаемое изобретением устройство хвостового винта, в то время как на
фиг.3 показан вид в перспективе хвостовой балки с закрепленным на ней устройством хвостового винта.
Фиг.4a: показан детальный вид сбоку хвостового винта, имеющего тоннель, с входной стороны, в то время как на
фиг.4b показан вид сечения устройства хвостового винта, рассеченный по линии Y-Y с фиг.4a.
Фиг.5: показан схематичный вид сечения устройства хвостового винта.
В качестве примера здесь показывается вертолет 0, имеющий кабину K, от которой в направлении хвоста вертолета 0 выдается хвостовая балка 1. Несущий винт H приводится в действие не изображенным и не поясненным подробно приводом, причем этот привод также приводит устройство 2 хвостового винта, которое присоединено к хвостовой балке 1 в направлении продольной оси L. Продольная ось L представляет собой продольную ось L вертолета 0 и устройства 2 хвостового винта. Устройство 2 хвостового винта включает в себя хвостовой винт 21, который заключен в тоннель (кольцо) 20, удаленный на небольшое радиальное расстояние. Так как тип привода несущего винта H и хвостового винта 21 в этой заявке не играет решающей роли и может варьироваться, на нем подробнее здесь не останавливаются.
Хвостовой винт 21 расположен вне окружности несущего винта H и при эксплуатации создает действующую перпендикулярно продольной оси L, а также вертикальной оси h тягу в направлении A оси канала, которую можно назвать также горизонтальной тягой, за счет чего выравнивается вращающий момент от несущего винта H. Благодаря окружающему хвостовой винт 21 тоннелю 20 получается устройство 2 хвостового винта в форме тоннельного винта, при этом тоннель 20 представляет собой окружной (боковой) корпус 20 по существу цилиндрической формы.
Как видно на фиг.3 на детальном виде устройства 2 хвостового винта в перспективе, в продольном направлении L перед тоннелем 20 расположено обращенное к хвостовой балке 1 горизонтальное оперение 23. Изображение вертикального стабилизатора на этих изображениях было опущено для упрощения изображения.
Тоннель 20 имеет внутреннюю окружную (боковую) стенку 201, которая окружает канал 200 для протекания воздуха, имеющий ось A канала. Канал 200 для протекания воздуха проходит перпендикулярно к вертикальной оси h и к продольной оси L. Направление воздуха, проходящего через канал 200 для протекания воздуха, при эксплуатации обозначено штриховой стрелкой. Хвостовой винт 21 расположен с опиранием внутри канала 200 для протекания воздуха и тем самым окружен тоннелем 20 в направлении оси A канала.
Хвостовой винт 21 имеет несколько лопастей 210 винта и двумя поперечинами 22 неподвижно удерживается в канале 200 для протекания воздуха, будучи удален от внутренней стенки 201 корпуса. Лопасти 210 винта слегка скручены внутрь себя и во время эксплуатации могут по-разному устанавливаться посредством перестановки лопастей. Хвостовой винт 21 имеет ось 211 вращения, которая расположена параллельно оси A канала, здесь даже идентично оси A канала. Хвостовой винт 21 имеет вращающуюся опору 212, на которой закреплено колесо тележного типа. На этом колесе тележного типа лопасти 210 винта смонтированы с возможностью вращения вместе с колесом тележного типа. На передаточном механизме хвостового винта и устройстве управления для перестановки лопастей здесь подробнее останавливаться не имеет смысла, так как соответствующие решения известны специалисту. С помощью передаточного механизма хвостового винта и устройства управления для перестановки лопастей лопасти 210 винта вращаются и переставляются управляемым образом. Привод вращающейся опоры 212 и вместе с тем лопастей 210 винта вокруг оси 211 вращения осуществляется с помощью трансмиссии 10, которая проведена через хвостовую балку 1 от привода к устройству 2 хвостового винта в отрицательном направлении L продольной оси.
Тоннель 20, соответственно, внутренняя окружная стенка 201 выполняется примерно в форме тора, соответственно, в форме кольцевого тора, при этом тоннель 20 имеет длину U в направлении продольной оси L и закреплен, соответственно, отформован на хвостовой балке 1. Внутренняя окружная стенка 201 выполнена частично изогнутой.
На виде сбоку видно по существу кольцо с отверстием, в котором расположен хвостовой винт 21. Это отверстие представляет собой канал 200 для протекания воздуха, который позволяет воздуху проходить в направлении, перпендикулярном вертикальной оси h и продольной оси L. На виде сбоку на фиг.4a показан вид впускной стороны тоннеля 20. При эксплуатации хвостового винта 21 воздух всасывается через эту впускную сторону через канал 200 для протекания воздуха. Кривизна внутренней окружной стенки 201 на впускной стороне показана на виде сбоку. При эксплуатации воздух засасывается по кругу этой изогнутой внутренней окружной стенки 201 через хвостовой винт 21 и перемещается через канал 200 для протекания воздуха.
Внутренний диаметр 202 канала выполнен на расстояние a больше, чем диаметр D хвостового винта. Расстояние a или же зазор a лопасти должен составлять меньше 0,5% диаметра D хвостового винта, чтобы минимизировать потерю давления в канале 200 для протекания воздуха, соответственно, минимизировать завихрение воздуха.
Здесь на хвостовом винте 21, соответственно, колесе тележного типа расположены десять лопастей 210 винта. Хвостовой винт 21 удерживается двумя поперечинами 22, так что лопасти 210 винта удерживаются в постоянной плоскости E лопастей винта. Поверхность отдельных лопастей 210 ротора перекрывает соответственно некоторую часть всей площади канала 200 для протекания воздуха в плоскости Е лопасти винта. Опыты показали, что поверхностная плотность, как отношение между площадью, перекрытой лопастями 210 винта, и общей площадью канала 200 для протекания воздуха, должна составлять от 25% до 35%, чтобы создавать достаточную тягу хвостового винта.
На виде сбоку на фиг.4b глубина канала обозначена T, при этом течение воздуха на фиг.4b проходит сверху вниз от впускной стороны до выпускной стороны. Воздушный поток через канал 200 для протекания воздуха при эксплуатации устройства 2 хвостового винта обозначен разными штриховыми стрелками.
Глубина T канала проходит в направлении к оси A канала, соответственно, оси 211 вращения и вместе с тем перпендикулярно вертикальной оси h и продольной оси L. Глубина T канала определяется длиной внутренней окружной стенки 201 в направлении оси A канала и здесь изменяется по ходу длины U тоннеля в направлении продольной оси L, точнее говоря в отрицательном направлении L продольной оси, направленном от кабины K. Глубина T канала сужается от большей, первой глубины T1 канала до второй, меньшей глубины T2 канала в направлении обращенной от хвостовой балки 1 стороны тоннеля 20.
Как показало варьирование разных параметров, удивительным образом положительный эффект на свойства полета может достигаться тогда, когда выбирается тоннель с наибольшим возможным внутренним диаметром 202 канала и соответственно этому большим диаметром D хвостового винта, а сужение при этом выполнено в определенном отношении глубин T1, T2 канала к внутреннему диаметру 202 канала.
Диаметр 202 канала, соответственно, согласованный с ним диаметр D хвостового винта 21 выбран таким образом, что отношение между изменяющейся глубиной T канала тоннеля 20 в отрицательном направлении L продольной оси к внутреннему диаметру 202 канала тоннеля 20 составляет от 20,5% до 14%. Соответственно внутренний диаметр 202 канала должен быть выбран примерно по меньшей мере в пять раз больше наибольшей глубины T1 канала.
Хотя при сужении окружного корпуса 20 эффективность создания латеральной тяги не так велика, как у тоннелей 20 с постоянной наибольшей возможной глубиной T канала, опыты показали, что такое сужение является предпочтительным. Но из соображений устойчивости меньшая глубина T2 канала больше уменьшаться не должна, так чтобы это отношение было или равно 14%.
С оптимальными результатами создания достаточной тяги в латеральном направлении устройство 2 хвостового винта оснащалось тоннелем 20, имеющем внутренний диаметр 202 канала равный 1208 мм, при этом диаметр D хвостового винта выбирался равным 1200 мм. Как показали опыты, должен выбираться размер диаметра D хвостового винта и вместе с тем внутреннего диаметра 202 канала по меньшей мере 1000 мм, чтобы достаточно большая поверхность хвостового винта могла способствовать хорошей флюгерной устойчивости и устойчивости рыскания.
Глубина T канала изменялась от первой глубины T1 канала 245 мм до второй глубины T2 канала 175 мм, так что глубина T канала сужена – в отрицательном направлении L продольной оси от стороны хвостовой балки 1 – назад и тем самым от хвостовой балки 1, и получается отношение глубины T канала к внутреннему диаметру 202 канала от 14,48% до 20,28%. T2 всегда выбиралась больше, чем T1/2. Отношение изменяющейся глубины T канала тоннеля 20 в направлении продольной оси L к внутреннему диаметру 202 канала тоннеля 20 выбиралось от 25% до 10% и приводило к хорошим результатам.
Преимущества описанного варианта осуществления устройства 2 хвостового винта заключаются, с одной стороны, в том, что благодаря большому диаметру D хвостового винта может создаваться хорошая флюгерная устойчивость и устойчивость рыскания, а с другой стороны, что несущий винт H должен развивать меньшую мощность во время прямолинейного горизонтального полета, потому что сопротивление формы устройства 2 хвостового винта меньше, чем у известных более глубоких каналов для протекания воздуха или, соответственно, более компактных устройств хвостового винта.
Если дополнительно выбирается отношение диаметра D хвостового винта к диаметру несущего винта H от 10 до 12%, может достигаться оптимизированное создание тяги хвостовым винтом 21. В качестве особенно предпочтительного выбиралось отношение D к диаметру несущего винта H 10,84%.
На фиг.5 еще раз показан схематичный вид сечения тоннеля 20 и внутреннего хвостового винта 21. Внутренняя окружная стенка 201 полностью окружает канал 200 для протекания воздуха, при этом внутренняя окружная стенка 201 по своему ходу имеет различные участки и кривизну. В области впуска 203, 203ʹ, вверху на фиг.5, внутренняя окружная стенка 201 имеет более слабую кривизну, чем у противоположного выпуска 205. Также кривизна на впуске 203 на уровне большей глубины T1 канала выполнена иной, чем кривизна на впуске 203ʹ на уровне меньшей глубины T2 канала.
В области перед выпуском 205 в направлении оси A канала ниже по потоку от плоскости E лопастей винта, к цилиндрической форме канала внутренней окружной стенки 201 присоединяется участок 204, 204ʹ диффузора. Он слегка отогнут к оси A канала и придает выходящему течению воздуха желаемое направление. Затем незадолго до выхода течение воздуха проходит через практически не имеющий кривизны, скорее имеющий острые кромки выпуск 205, 205ʹ. В то время как длины участков 204, 204ʹ диффузора со стороны большей глубины T1 канала и меньшей глубины T2 канала выполнены различно, оба выпуска 205, 205ʹ выполнены одинаково с острыми кромками.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
0 Вертолет
K Кабина
H Несущий винт
L Продольная ось
h Вертикальная ось
1 Хвостовая балка
10 Трансмиссия
2 Устройство хвостового винта
20 Тоннель/окружной корпус
200 Канал для протекания воздуха
201 Внутренняя окружная стенка
202 Внутренний диаметр канала
(по высоте продольной оси/перпендикулярно оси вращения)
T Глубина канала
T1, T2 Сужение глубины канала в продольном направлении
U Длина тоннеля
A Ось канала
203 Впуск
204 Участок диффузора
205 Выпуск
21 Хвостовой винт
(вращательное устройство/навеска лопасти винта)
210 Лопасть винта
E Плоскость лопастей винта
D Диаметр хвостового винта (D<202)
211 Ось вращения (коаксиально удерживается в канале)
212 Вращательная опора
a Расстояние/зазор лопасти
22 Поперечины
23 Горизонтальное оперение.