ТОРСИОН И ВИНТ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА ЛОПАСТЕЙ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНО ВЗЛЕТАЮЩИХ АППАРАТОВ
TORSION BAR AND VARIABLE BLADE PITCH PROPELLER FOR VERTICALLY TAKING OFF VEHICLES

Группа изобретений относится к области авиации, в частности к конструкции втулок несущих и рулевых винтов вертолетов, винтокрылов, и предназначена для снижения вредного аэродинамического сопротивления втулок, снижения веса, упрощения конструкции при одновременном обеспечении минимальных моментов в плоскостях тяги и вращения лопасти, приходящих со втулки на вал винта.
Известно решение по обеспечению капотирования для снижения вредного аэродинамического сопротивления втулок винтов (смотри патент №RU 2382721, публ. 27.02.2010, В64С 27/32). В данном патенте отмечается, что вредное сопротивление втулок несущих винтов вертолетов может достигать 25…30% от вредного аэродинамического сопротивления всего вертолета. В этом же патенте приводятся данные, из которых видно, что вредное сопротивление автоматов перекоса вертолета составляет половину от вредного сопротивления втулки НВ.
Для снижения вредного аэродинамического сопротивления в указанном патенте №RU 2382721 автомат перекоса и втулки несущего винта закрываются обтекателями. Втулка несущего винта, которая в патенте №RU 2382721 закрывается обтекателями, не имеет вертикальных и горизонтальных шарниров, то есть приводится пример капотирования бесшарнирной втулки. Отсутствие вертикальных и горизонтальных облегчает капотирование втулки винта. В то же время применение бесшарнирной втулки, жесткой в плоскостях тяги и вращения, приводит к высокому уровню нагрузок в плоскостях тяги и вращения, действующих на комель лопасти, рукав втулки и вал главного редуктора и, как следствие, приводит к увеличению веса этих агрегатов, увеличению массы пустого вертолета и, как следствие, приводит к снижению полезной нагрузки, перевозимой винтокрылым летательным аппаратом.
Известен патент (№RU 2025409, В64С 11/14, публ. 28.06.1991), описывающий капотирование втулок несущих винтов с плавным сопряжением с обводами капотов фюзеляжа вертолета. Применение этого патента подходит для конструкций втулок с жестким креплением лопастей, недостатки которых указаны выше. Техническая реализация установки обтекателя на втулки с шарнирным креплением лопастей для известных конструкций втулок винтов (с совмещенными или разнесенными шарнирами) в данном патенте не раскрыты.
Известен патент (№RU 2531858, В64С 27/32, публ. 27.10.2014), описывающий капотирование втулок несущих винтов с помощью бесконтактных лабиринтных уплотнений, образованных манжетами на каждой лопасти и юбками по контуру вырезов под лопасти. Недостатком данной конструкции является ограничение на предельные отклонения лопастей. Так, в данном патенте указывается, что «…углы лопастей лежат в диапазоне от 18,6 до +25° угла установки, +5,1 до 11,6° угла взмаха и +0,9 до 7,1° угла опережения / отставания.». Приведенный диапазон углов характерен для бесшарнирных упругих или жестких втулок. В самом патенте способ капотирования рассматривается на примере бесшарнирной упругой втулки. Диапазон изменения углов отклонения шарнирных втулок существенно больше. Для сравнения, укажем значения предельных углов отклонения шарнирной втулки с разнесенными шарнирами, приведенные в книге «Вертолет МИ-8МТВ» автор В.А. Данилов и др., издательство «Транспорт», Москва, 1985 г., стр. 199, 234, следующие,
- Угол взмаха лопасти относительно горизонтального шарнира от -4° (вниз) до +25° (вверх);
- Угол отклонения лопасти относительно вертикального шарнира от - 13° (вперед по вращению) до +10° (назад по вращению);
- Угол установки (по общему шагу) от +1° до +14,5°.
Т.е. применение патента № RU 2531858 накладывает существенные ограничения на предельные отклонения лопастей и может быть применен для бесшарнирных винтов, недостатки применения которых приведены выше.
В книге «Аэродинамика элементов вертолета» (Игнаткина Ю.М., Учебное пособие, МАИ, 1987 г.) отмечается, что коэффициент сопротивления втулок, отнесенный к максимальной площади боковой проекции втулок, равен Сх≈1,2…1,4, что практически совпадает с коэффициентом сопротивления стоящей поперек потока квадратной пластины. Отсюда следует вывод, что для снижения вредного аэродинамического сопротивления втулок винтов вертолетов необходимо уменьшать площадь максимальной боковой проекции втулок и, прежде всего, уменьшать вертикальную высоту рукавов (Н) втулок. В этой же книге приводятся данные о существенном снижении вредного сопротивления втулок за счет установки обтекателей на рукава и корпус втулки, что приводит к снижению коэффициента сопротивления втулок Сх. Там же отмечается, что за счет изменения расстояния между втулкой и фюзеляжем вертолета (капотами редуктора) изменяется интерференция между втулкой и фюзеляжем, что также может быть использовано для снижения сопротивления системы, состоящей из втулки винта и фюзеляжа.
Известна конструкция втулки несущего винта вертолета, описанная в патенте (US 5601408, В64С 27/35, публ. 11.02.1997 г.), в которой лопасть несущего винта крепится к корпусу посредством рамки и сдвоенного эластомерного подшипника, обеспечивающего перемещение лопасти в плоскостях тяги, вращения и относительно продольной оси лопасти. Такая конструкция может быть применена как для легких, так для средних и тяжелых вертолетов, имеет относительно малый вес, по сравнению со втулками на подшипниках качения, но обладает значительным вредным сопротивлением, из-за относительно большой высоты «Н» рукава втулки, что является существенным недостатком. Максимальная высота «Н» рукава втулки с совмещенными шарнирами на эластомерных подшипниках вертолетов среднего взлетного веса 10…14 тонн, как правило, лежит в диапазоне 250…370 мм. Также конструкции таких втулок практически не поддаются снижению вредного аэродинамического сопротивления путем их капотирования из-за сложного сопряжения обтекателей корпуса и рукавов втулки.
Известна также конструкция втулки несущего винта вертолета, описанная в патенте (US 5110260, В64С 27/35, публ. 05.05.1992 г.), в которой лопасть несущего винта крепится к корпусу втулки посредством полого рукава, внутри которого проходит торсион, а по наружной цилиндрической поверхности полого рукава крепится внутренний (ближе к оси вращения винта) фланец сферического эластомерного подшипника, на который передает центробежную силу с лопасти торсион, а сферический эластомерный подшипник через наружный фланец передает указанную силу на рукав корпуса втулки и одновременно сферический эластомерный подшипник обеспечивает возможность перемещения лопасти в плоскостях тяги, вращения и относительно продольной оси лопасти. Такая конструкция может быть применена как для легких, так для средних и тяжелых вертолетов, имеет относительно малый вес, по сравнению со втулками на подшипниках качения, но также обладает значительным вредным сопротивлением обусловленное тем, что размер полого рукава, передающий перерезывающие силы и все моменты с лопасти на эластомерный подшипник, определяется требованиями обеспечения прочности и жесткости, т.е. не может быть меньше определенной величины, но этот же размер определяет посадочный размер внутреннего фланца эластомерного подшипника, в связи с чем нельзя изначально сделать габариты эластомерного подшипника минимальной величины, исходя только из требований по обеспечению работоспособности эластомерного подшипника. В связи с этим габариты эластомерного подшипника получаются завышенными, а вслед за габаритами подшипника увеличиваются и габариты всего рукава втулки и, как следствие, увеличивается величина вредного аэродинамического сопротивления втулки.
Известны конструкции втулок несущих винтов, имеющих относительно низкое аэродинамическое сопротивление, описанные, например, в патенте (№RU 2126343, В64С 27/33, публ. 20.02.1999), в которых центробежная сила от лопасти передается на корпус втулки, (затем и на вал редуктора) через упругий элемент, имеющий возможность, деформируясь, обеспечивать перемещение лопасти в плоскостях тяги и вращения, а также обеспечивать вращение рукава относительно продольной оси лопасти. В этой конструкции имеется также полый кожух, крепящийся с одной стороны к лопасти и внутри которого проходит упругий элемент. Другой стороной он опирается через сферическую опору на корпус втулки (или комель упругого элемента). Совместная работа упругого элемента и кожуха обеспечивает возможность взмаха лопасти в плоскостях тяги и вращения в полете и обеспечивает изменение угла установки лопасти относительно продольной оси лопасти, в то же время угол свеса лопасти на стоянке относительно мал, что обеспечивает возможность не применять подвижные элементы, обеспечивающие ограничение величины угла свеса лопасти на стоянке (центробежных или иных конструктивных исполнений ограничителей свеса).
β
изг
Известные на сегодняшний день конструктивные материалы не позволяют применять подобные конструкции для втулок несущих винтов средних и тяжелых вертолетов. Данное обстоятельство обусловлено противоречивыми требованиями к упругому элементу, заключающимися, с одной стороны, в том, что с ростом взлетной массы увеличивается диаметр винта, а, следовательно, растет и статический момент лопасти, и для обеспечения приемлемого угла свеса лопасти на стоянке необходимо увеличивать размеры поперечного сечения упругого элемента. С другой стороны, надо стремиться уменьшать поперечное сечение упругого элемента, для снижения действующих напряжений изгиба σ, возникающих от перемещений лопасти в плоскости тяги на угол β, что следует из приведенной ниже формулы:
где - Е - модуль упругости материала упругого элемента (торсиона);
h - высота упругого элемента (торсиона);
R - радиус изгиба средней линии упругого элемента (торсиона), который определяется по формуле:
1
где - L - длина рабочей части упругого элемента (торсиона), т.е. той части торсиона, которая не зажата направляющими поверхностями;
β - угол перемещения лопасти в плоскости тяги.
β
изг
Таким образом, с ростом взлетного веса вертолета, как показано выше, растет высота упругого элемента «h» и неизбежно растут и изгибные напряжения σ, возникающие в упругом элементе при отклонении лопасти на угол β в полете. Поэтому бесшарнирные втулки несущего винта, с креплением лопастей с помощью упругого элемента, (далее упругие втулки), хотя и обладают относительно низким аэродинамическим сопротивлением, в то же время имеют ограничение в применении по взлетному весу вертолетов и не применяются в настоящее время для средних и тяжелых вертолетов.
β
изг
Упругие втулки из-за отсутствия горизонтальных шарниров, имеют относительно высокие нагрузки в плоскости тяги и, как следствие, увеличенные массы лопастей, втулки винта и вала редуктора, что приводит к увеличению массы пустого вертолета, и как уже отмечалось выше, к снижению полезной нагрузки перевозимой вертолетом. Также для упругих втулок, описанных в патенте (№RU 2126343, В64С 27/33, публ. 02.02.1999 г.), характерны и относительно высокие напряжения при маховых движениях лопасти в плоскости вращения (отклонения по углу ξ) в полете. Напряжения изгиба σбудут определяться по приведенной ниже формуле [3], аналогичной формуле [1], в которой угол β заменяется на угол ξ и высота «h» на ширину поперечного сечения упругого элемента «В»:
где Е - модуль упругости материала упругого элемента (торсиона);
В - ширина упругого элемента (торсиона);
R - радиус изгиба средней линии упругого элемента (торсиона), который определяется по формуле:
1
где L- длина рабочей части упругого элемента (торсиона), т.е. той части торсиона, которая не зажата направляющими поверхностями;
ξ - угол перемещения лопасти в плоскости вращения.
раст
При этом с ростом взлетной массы вертолетов и увеличением статического момента лопастей растет центробежная сила на лопастях (Nцб), что при указанных выше ограничениях на увеличение высоты торсиона «h» оставляет только одну возможность компенсировать возрастающие напряжения растяжения σ - это увеличение ширины поперечного сечения упругого элемента (размер «В»), что ведет к увеличению жесткости упругого элемента в плоскости вращения и как следствие, к возрастанию момента, действующего в плоскости вращения.
Увеличение размера «В», приводящее к увеличению жесткости в плоскости вращения и, как следствие, к уменьшению угловых перемещений лопасти, приводит к усложнению обеспечения демпфирования колебаний лопасти в плоскости вращения, т.к. на относительно малых углах отклонения лопасти сложно обеспечивать потребное демпфирование (рассеивание энергии). Одного же конструкционного демпфирования элементов втулки винта без установки специального демпфирующего устройства (например, гидродемпфера) недостаточно для исключения автоколебательных явлений в полете (см. статью Павленко Н.С. «Выбор параметров втулки несущего винта из условий обеспечения потребного демпфирования в плоскости вращения» «Труды МАИ» выпуск №81, 2015 г.). В указанной работе показано, что неустойчивость лопастей несущего винта по форме с преимущественными колебаниями в плоскости наибольшей жесткости («хордовый флаттер») не исключается только обеспечением условия, при котором относительная частота первого тона собственных колебаний лопасти в плоскости вращения  В указанной работе показано, что хордовый флаттер исключается только введением демпферов колебаний лопастей в плоскости вращения.
Следует отметить, что установка демпферов на упругие бесшарнирные втулки и на жесткие бесшарнирные втулки представляет существенную трудность из-за малых величин перемещений элементов втулки в плоскости вращения винта. Одним из способов получения достаточных перемещений для осуществления демпфирования в плоскости вращения является закрепление демпфера одним концом к корпусу втулки, а другим к лопасти. Причем крепление к лопасти осуществляется на относительно большом удалении от корпуса втулки для увеличения величины перемещения за счет податливости комлевого участка лопасти. Такой способ крепления демпфера приводит к увеличению веса конструкции втулки винта и к увеличению вредного аэродинамического сопротивления рукавов лопастей и комлевых участков лопастей из-за крепления демпфера к лопасти на относительно большом удалении от корпуса втулки.
β
изг
Известна также конструкция, описанная в патенте (RU 2289530, В64С 27/32, публ. 20.12.2006), имеющая V-образные торсионы, соединенные со втулкой и через вертикальные шарниры с переходниками крепления лопастей, кожухи, размещенные вокруг торсиона, при этом на одном конце каждого кожуха закреплен рычаг управления углом установки лопастей и сферический подшипник, закрепленный на втулке, а другим концом кожух через вертикальный шарнир присоединен к торсиону и к переходнику крепления лопасти. В данной конструкции имеется упругий элемент, расположенный внутри кожуха вдоль оси рукава лопасти, при этом разрезанным концом упругий элемент жестко закреплен с проушинами переходника лопасти, а противоположным концом вставлен в направляющие на рычаге управления углом установки лопасти, при этом для снижения нагрузок в плоскости вращения жесткость упругого элемента выбирается из указанного в патенте №RU 2289530 соотношения. Недостатком данной конструкции является нагружение торсиона поперечной силой и моментом в плоскости вращения торсиона, а также ограничение возможных углов отклонения лопасти в плоскости вращения прочностью упругого элемента, что приводит к росту постоянных моментов в плоскости вращения лопасти. При этом конструктивное исполнение V-образных торсионов и материалы, из которых они изготовлены, в патенте №RU 2289530 не раскрываются. Вариант конструктивного исполнения V-образных торсионов втулок винтов описан, например, в Учебном пособии «Конструкция несущих и рулевых винтов вертолетов» (автор О.А. Завалов, Москва, 2001 г.). На Рис 6.1 данного пособия представлена конструкция втулки, имеющая V-образный торсион, состоящего из пакета тонких пластин, выполненных из стали марки ВНС-9. Указанный торсион воспринимает центробежную силу и обеспечивает возможность лопасти перемещаться в плоскости тяги и закручиваться относительно продольной оси лопасти. Недостатком данной конструкции является то, что для уменьшения жесткости в плоскости взмаха и снижения напряжений, действующих в торсионе, надо уменьшать суммарную толщину торсиона «h» и увеличивать количество пластин Z в торсионе, так как изгибные напряжения σ будут определяться формулой [5]:
где Е - модуль упругости материала торсиона;
h - высота торсиона;
R - радиус изгиба торсиона;
Z - количество пластин по высоте торсиона;
t - толщина одной пластины торсиона.
β
изг
Увеличение количества пластин «Z» приводит к уменьшению действующих изгибных напряжений σ за счет уменьшения толщины пластин «t». Но уменьшение толщины пластин «t» имеет технологические и конструктивные ограничения, т.к. обеспечение относительно малой толщины пластин, примерно 0,3…0,8 мм, ведет к усложнению технологии, удорожанию конструкции, за счет возрастания затрат на обеспечение стабильности технологии изготовления пластин торсиона. Также уменьшение толщины пластин ограничивается необходимостью сохранения некоторой минимально необходимой жесткости пластин в плоскости взмаха, исходя из требования по недопущению потери устойчивости ветви торсиона (задней по вращению винта), в которой при отклонении лопасти назад по вращению возникают сжимающие усилия.
Отмеченное выше требование по недопущению потери устойчивости ветви торсиона накладывает также ограничение на величину минимального угла между двумя ветвями V-образного торсиона, что в свою очередь накладывает ограничения на минимальный размер кожуха, внутри которого проходит V-образный торсион, что в свою очередь приводит к ограничению по возможности снижать высоту «Н» рукава втулки и к ограничению на снижение вредного аэродинамического сопротивления.
Известна конструкция торсиона втулки несущего винта, изложенная в патенте (SU 907972, В64С 27/35, публ. 07.10.1986 г.), в которой для восприятия центробежной силы лопасти применен проволочный торсион, содержащий концевые коуши, рабочий стержень прямоугольного поперечного сечения, выполненный из набора кольцевых проволок на связующем, концевые петли которых расположены в ручьях на периферии коуша, и устройство для крепления проволок на сходе с коуша в виде двух разнесенных относительно продольной оси стержня сухарей, имеющих выступы, причем коуш имеет проушины, на внутренней поверхности которых выполнены пазы, в которых размещены выступы сухарей закрепленных болтами, проходящими в отверстиях сухарей и проушин коуша. Способ соединения торсиона с элементами втулки винта и возможность одновременного восприятия торсионом изгибных деформаций при перемещении в плоскости тяги с восприятием центробежной силы не раскрыты в данном патенте.
Известна также конструкция воздушного винта с изменяемым шагом, наиболее близкая к заявляемому изобретению, описанная в патенте (№RU 2349504, В64С 27/48, публ. 20.03.2009 г.), принимаемая за прототип, в которой лопасти соединяются с валом винта при помощи торсионов, упругих на участке между лопастью и валом, при этом торсион состоит из продольно расположенных силовых элементов открытого профиля, соединенных между собой эластичным заполнителем, а в заделках, в местах соединения торсиона с лопастью и валом - силовые элементы соединены между собой жестко. В данном патенте (№RU 2349504) заявлены четыре варианта конструкций винтов с использованием упругих торсионов с эластичным заполнителем.
В первом варианте (смотри фиг. 1, 8, 9 патента №RU 2349504) представлена конструкция винта с упругим креплением лопасти к валу. Недостатки такого крепления лопастей указаны выше при рассмотрении патента №RU 2126343.
Во втором варианте (смотри фиг. 13-17 патента №RU 2349504) представлена конструкция винта, в которой лопасть крепится к валу при помощи последовательно расположенных упруго элемента, обеспечивающего маховое движение в плоскости вращения и изменение угла относительно продольной оси лопасти, и горизонтального шарнира, обеспечивающего маховое движение лопасти в плоскости тяги (в плоскости взмаха). В данной конструкции центробежная сила с лопасти передается на упругий элемент, а с упругого элемента на горизонтальный шарнир. Таким образом, детали горизонтального шарнира нагружены центробежной силой, что потребует увеличения габаритов подшипников, что в свою очередь, приведет к увеличению вредного аэродинамического сопротивления винта. В описании данного варианта отмечается, что если конструкционного демпфирования торсионов недостаточно, в конструкцию винта могут быть установлены дополнительные эластомерные демпферы.
В третьем и четвертом вариантах (смотри, соответственно, Фиг. 19, 20 и Фиг. 22, 23 патента №RU 2349504) лопасти крепятся к валу через упругий элемент и кардан для третьего варианта и совмещенный горизонтальный шарнир в четвертом варианте. Общим для третьего и четвертого вариантов является то, что момент в плоскости тяги не передается на вал винта и замыкается но корпусе втулки и при применении этих конструкций для втулок несущих винтов для создания достаточных управляющих моментов, потребных для обеспечения управления и балансировки вертолетом, потребуется плоскость винта (плоскость кардана) размещать на относительно большем расстоянии от центра тяжести вертолета по сравнении с винтами с разнесенными горизонтальными шарнирами. Данное обстоятельство потребует удлинения вала винта, что приведет к увеличению вредного аэродинамического сопротивления от дополнительной длины участка вала винта и дополнительной длины тяг поворота лопастей автомата перекоса.
Недостатком 1, 3 и 4 вариантов патента №RU 2349504 является отсутствие специальных демпфирующих устройств, что, как отмечалось выше, не исключает возникновение «хордового флаттера». Недостатком 3-го варианта конструкции винта, описанного в патенте №RU 2349504, является передача центробежной силы на детали горизонтального шарнира, что приводит к увеличению габаритов подшипников, что в свою очередь, приведет к увеличению вредного аэродинамического сопротивления винта.
Техническая проблема, не решенная в известных устройствах, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в создании винта изменяемого шага, обладающего одновременно низким аэродинамическим сопротивлением, низкой массой при обеспечении минимальных моментов, приходящих со втулки на вал винта и при обеспечении простоты и надежности конструкции, и достигается применением упруго торсиона податливого на кручение и податливого на изгиб, по крайней мере, в одной плоскости, обеспечивающего передачу центробежной силы с лопасти на корпус втулки, так, что подшипники горизонтального и осевого шарниров на каждом рукаве втулки оказываются разгруженными от центробежной силы при этом на стоянке и при малых оборотах несущего винта перемещение рукава втулки вниз в вертикальной плоскости ограничивается упором ограничителя свеса.
Технический результат заключается в уменьшении габаритов, снижении веса и аэродинамического сопротивления рукавов втулки, снижении нагрузок, действующих на конструкцию вертолета, увеличении ресурса винта.
Для достижения технического результата предлагается торсион, выполненный в виде балки, на концах которой имеются два коуша 5, 6 с узлами крепления, в соответствии с заявляемым изобретением отличающийся тем, что на коуши 5, 6 в виде петель намотаны нити 7, которые по всей длине соединены между собой эластичным связующим материалом 8, имеющим низкую прочность на сдвиг.
При этом продольные нити торсиона выполнены из высокопрочной стальной проволоки.
Причем эластичный материал, связывающий продольные нити, выполнен из резины.
Кроме того, продольные нити могут быть выполнены из органоволокон и/или стекловолокон, причем наружные нити торсиона могут быть выполнены из нитей, имеющих ориентацию к продольной оси торсиона до 45 градусов.
Кроме того, в торсионе отношение высоты h торсиона к ширине В торсиона определяют в соответствии с соотношением [12]:
h/B=Δξ/Δβ [12],
где h - высота торсиона;
В - ширина торсиона;
Δξ - переменный угол отклонения лопасти в плоскости вращения на эквивалентном режиме полета;
Δβ - переменный угол отклонения лопасти в плоскости тяги лопасти на эквивалентном режиме полета.
Для достижения технического результата также предлагается воздушный винт изменяемого шага лопастей для вертикально взлетающих аппаратов, состоящий из втулки винта, которая состоит из корпуса 1 втулки, к которому закреплены рукава с лопастями 3, в соответствии с заявляемым изобретением отличающийся тем, что каждый рукав включает упругий на изгиб и кручение торсион 4, который одним концом закреплен к корпусу втулки через коуш 5, другим своим концом через коуш 6 торсион 4 присоединен к лопасти 3, при этом каждый коуш 5, 6 размещен между двумя сухарями, которые имеют радиусную поверхность, прилегающую к торсиону 4, причем два сухаря 14, 15 закреплены к корпусу 1 втулки, а два других сухаря 16, 17, закреплены на коуше 6, к корпусу 9 закреплена лопасть 3, причем корпус 9 шарнирно закреплен на коромысле 20 с помощью двух подшипников 18 и 19, что в совокупности образует осевой шарнир втулки, демпфер 21 закреплен одним концом на корпусе 9, а другим концом связан с лопастью 3, на корпусе 9 установлен рычаг 22 с проушинам 22а, к которым закреплены тяги поворота лопастей 23, коромысло 20 выполнено с проушинами 20а и 20b, в которые устанавливают два подшипника 24 и 25 горизонтального шарнира, на корпусе 1 шарнирно закреплен подвижный упор 26 ограничителя свеса лопасти 3.
При этом торсион 4 присоединен к лопасти 3 через корпус 45 осевого шарнира.
Кроме того, торсион 4 присоединен к лопасти 3 через вертикальный шарнир, который конструктивно состоит из проушин корпуса 9, в которых установлен болт 10, на который в свою очередь закреплен кронштейн 11 через подшипники скольжения 12 и 13, имеющие износостойкое покрытие.
Причем корпус 1 втулки закрыт обтекателем 28.
Существует вариант, в котором горизонтальные, вертикальные и осевые шарниры конструктивно совмещены в одном сферическом шарнире 29 на каждом рукаве втулки, при этом применяют торсион по п. 5.
Конструкция винта изменяемого шага с торсионом представлена на следующих изображениях:
- На фиг. 1 - конструкция втулки шарнирного винта с разнесенными горизонтальными, вертикальными и осевыми шарнирами и упругим торсионом, обеспечивающим передачу центробежной силы от лопасти на вал винта и изгибающийся в плоскости тяги лопасти и закручивающийся относительно продольной оси лопасти с подшипниками осевого и горизонтального шарниров, разгруженными от центробежной силы, и демпфером колебаний лопасти в плоскости вращения;
- На фиг. 2 - рукав втулки винта, изображенной на фиг. 1, схема крепления торсиона;
- На фиг. 3 - сечение торсиона на высокопрочных нитях с эластичным связующим;
- На фиг. 4 - вариант установки обтекателя на корпус втулки винта;
- На фиг. 5 - вариант втулки шарнирного винта с совмещенными горизонтальным и вертикальным шарнирами и упругим торсионом, обеспечивающим передачу центробежной силы от лопасти на вал винта и изгибающийся в плоскостях тяги и вращения лопасти и закручивающийся относительно продольной оси лопасти и со сферическим подшипником, выполняющим функцию осевого, горизонтального и вертикального шарниров, подшипники которых разгружены от центробежной силы;
На фиг. 6 - рукав втулки винта, изображенной на фиг. 5;
На фиг. 7 - схема втулки шарнирного рулевого винта с разнесенными горизонтальными и осевыми шарнирами и упругим торсионом, обеспечивающим передачу центробежной силы от лопасти на вал винта и изгибающийся в плоскости тяги лопасти и закручивающийся относительно продольной оси лопасти с подшипниками осевого и горизонтального шарниров, разгруженными от центробежной силы.
Винт содержит втулку винта, которая состоит из корпуса втулки 1 устанавливаемой по оси «а» на вал редуктора (не показан на фиг 1) и лопасти 3. На редукторе также закреплен автомат перекоса с вращающейся тарелкой 2 для обеспечения управления углом установки лопастей 3.
К корпусу втулки 1 крепятся рукава по количеству лопастей 3. Каждый рукав включает гибкий торсион 4. Торсион 4 (фиг 1, 2) состоит из двух коушей 5, 6, на которые намотаны высокопрочные нити 7 (фиг. 3). Между нитями 7 располагается эластичный материал 8, к примеру, резина. Каждый торсион 4 одним концом закреплен к корпусу втулки 1 через коуш 5. Другим своим концом через коуш 6 торсион 4 соединен с корпусом 9 и через вертикальный шарнир с лопастью 3. Вертикальный шарнир конструктивно состоит из проушин корпуса 9а с осью «g», в которых установлен болт 10, на который в свою очередь устанавливается кронштейн 11 через подшипники скольжения 12 и 13, имеющие покрытие, обладающее относительно высокими характеристиками износостойкости, например, тканевое покрытие, типа ткани Оргалон или ПТТ-65.
Коуш 5 размещен между верхним сухарем 14 и нижним сухарем 15. Сухари 14, 15 закреплены к корпусу 1 втулки. Упомянутые сухари 14, 15 имеют радиусную поверхность, прилегающую к торсиону 4. Верхний сухарь 14 контактирует с верхней ветвью торсиона 4а. Нижний сухарь 15 контактирует с нижней ветвью 4b торсиона 4. Коуш 6 размещен между верхним сухарем 16 и нижним сухарем 17. Сухари 16,17 также имеют радиусные поверхности, прилегающие к торсиону 4. Сухари 16,17 закреплены на коуше 6.
К кронштейну 11 закреплена лопасть 3.
Корпус 9 опираясь через подшипники 18 и 19 на цилиндрическую поверхность коромысла 20, формирует осевой шарнир втулки с осью «ш». На корпусе 9 имеются проушины 9b с осью «d» (возможно выполнение проушин в виде отдельной детали). Демпфер 21 одним концом закреплен к проушинам 9b, а другим концом крепится к проушинам 3а с осью «с» лопасти 3. Таким образом, при периодическом перемещении лопасти 3 относительно оси «g» вертикального шарнира изменяется длина демпфера и обеспечивается демпфирование колебаний лопасти в плоскости вращения при изменении угла ξ (фиг. 1).
На корпусе 9 имеется рычаг поворота лопасти 22 с проушинам 22а. Возможно выполнение рычага единой деталью с корпусом 9. Тяги поворота лопасти 23 шарнирно крепятся к проушинам 22а. Вторым своим концом тяги 23 крепятся шарнирно к проушинам вращающейся тарелки 2 автомата перекоса. Таким образом обеспечивается передача управляющих перемещений от наклона тарелки 2 автомата перекоса на лопасти 3.
При перемещении тарелки 2 вдоль оси «а», то есть при изменении управления по общему шагу или при наклоне тарелки 2 относительно продольной или поперечной осей управления вертолетом, то есть при изменении циклического управления, изменяется постоянный «ϕ» и, за каждый оборот вращения винта, переменный «Δϕ» углы установки лопастей, что приводит к изменению сил и моментов, действующих на лопасть в полете, и приводит к изменению углового положения лопасти в плоскости тяги постоянного угла (β) и переменного угла (±Δβ).
Углы ϕ и β показаны на фиг. 1.
Коромысло 20 имеет проушины 20а и 20b, в которые устанавливаются подшипники горизонтального шарнира 24 и 25. Подшипники горизонтального шарнира устанавливаются по единой оси «т» в проушинах корпуса 1 и разгружены от центробежной силы лопасти 3, поэтому могут быть выполнены с применением несмазываемых подшипников, например, на основе подшипников с тканевым покрытием. Разгрузка подшипников горизонтального шарнира 24, 25 от действия центробежной силы лопасти 3 позволяет также уменьшить габариты этих подшипников, а, следовательно, уменьшается вертикальный габарит втулки «Н» (см фиг 1).
На фиг. 1, 2 показано расположение собачки узла ограничителя свеса 26 лопасти в конструкции втулок несущего или рулевого винта в введенном положении, соответствующем стояночному положению и работе винта при снижении оборотов и в выведенном положении собачки 26а при наборе оборотов вращения несущего винта. Узел ограничителя свеса лопасти 3 (в данном случае - центробежного ограничителя свеса) предназначен для ограничения перемещения лопасти 3 вниз при снижении оборотов вращения несущего винта с режима малого газа и до остановки винта и при нахождении вертолета на стоянке. Подвижный упор (собачка) 26 узла ограничения свеса лопасти 3 под действием пружины 26d стремится занять стояночное положение. При наборе оборотов несущего винта центробежная сила, действующая на груз 26b, создает момент, превосходящий момент от пружины, и подвижный упор (собачка) 26 перемещается в положение 26а, т.е. переходит в полетное положение, освобождая пространство для перемещения лопасти 3 вниз.
1
Применяется гибкий торсион 4, состоящий из продольных высокопрочных нитей 7 (смотри фиг. 3), например, но не ограничиваясь, стальных проволок (высокопрочных стальных нитей), расположенных с шагом 12 по вертикали сечения торсиона 4 и с шагом t по горизонтали сечения торсиона 4 и имеющего эластичный материал 8 в качестве связующего высокопрочных нитей 7. С каждого своего конца гибкий торсион 4 имеет коуши 5, 6. Высокопрочные нити 7, связанные эластичным материалом 8, например, резиной, петлей обходят коуш 5 и коуш 6. Петлеобразный обход коушей 5, 6 формирует верхнюю ветвь 4а и нижнюю ветвь 4b торсиона 4. При изготовлении высокопрочные нити 7 промазываются клеем и вместе с сырой резиновой смесью укладываются в пресс-форму для вулканизации резины.
Высокопрочные нити 7 воспринимают центробежную силу. Эластичный материал 8, например, резина марки ИРП 1347, за счет адгезии к нитям 7 обеспечивает связь между нитями 7, препятствует распадению торсиона 4 на отдельные нити 7. Применяется эластичный материал 8 с низкими величинами модулей упругостей и сдвига по сравнению со связующими материалами, например, на основе эпоксидных смол, это обеспечивает высокую податливость торсиона 4 на кручение относительно продольной оси торсиона.
1
Применение подвижных упоров 26а ограничителя свеса обеспечивает необходимый угол свеса лопасти 3 на стоянке вертолета, что позволяет выполнить высоту «h» торсиона 4 меньше его ширины «В», тем самым обеспечить податливость торсиона 4 на изгиб в плоскости тяги лопасти 3. В свою очередь, крепление торсиона 4 к корпусу втулки 1 разгружает подшипники 20а, 20b, обеспечивающих перемещение лопасти 3 в плоскости тяги относительно оси «т» горизонтального шарнира. При перемещении лопасти 3 в плоскости тяги торсион 4 изгибается относительно направляющих 14 и 15 (так называемых, сухарей), задающих радиус изгиба Rв и Rн. Для исключения истирания торсиона 4 при перемещении по радиусным направляющим сухарей 14,15 на поверхности торсиона 4 применена защитная оболочка 27 из износостойкого материала, например, тканевого покрытия. Одновременно, указанные сухари 14, 15 препятствуют расхождению друг от друга ветвей 4а и 4b торсиона 4 под действием центробежной силы от лопасти 3 и определяют (фиксируют) размер «h» высоты торсиона. Таким образом, сухари 14, 15 выполняют одновременно две функции, а именно, задают радиус изгиба торсиона 4 в плоскости тяги и предотвращают распадение ветвей 4а и 4b торсиона 4 под действием центробежной силы от лопасти 3. Совмещение этих двух функций в сухарях 14 и 15 позволяет уменьшить часть длины торсиона 4 в районе коуша 5, не участвующей в кручении и изгибе торсиона 4. Соответственно, увеличивается часть длины торсиона 4 (длина L), которая участвует в изгибе и кручении торсиона 4, что способствует снижению действующих напряжений в высокопрочных нитях 7 торсиона 4 при заданной общей длине L (фиг 1) торсиона 4.
Применение гибкого торсиона 4, передающего центробежную силу от лопасти 3 на корпус 1, позволяет разгрузить подшипники осевого шарнира 18, 19 от восприятия центробежной силы. Разгрузка подшипников осевого шарнира 18, 19 от восприятия центробежной силы позволяет уменьшить радиальные габариты этих подшипников, следовательно, уменьшить и высоту «Н» рукава втулки. По проведенным расчетам уменьшение высоты «Н» с 270 мм до 130 мм позволяет уменьшить вредное воздействие аэродинамического сопротивления втулки в 1,5 раза.
Т.о, разгрузка подшипников осевого и горизонтального шарниров, от центробежной силы лопасти 3, позволяет применять четыре несмазываемых подшипника скольжения 18, 19, 24, 25. Применение несмазываемых подшипников обеспечивает снижение количества деталей и повышает надежность, по сравнению с конструкциями со смазываемыми подшипниками качения. Сочетание применения горизонтальных, вертикальных и осевых подшипников с торсионом 4 с низкой жесткостью на изгиб и кручение, обеспечивает снижение нагрузок на лопасть 3, втулку и редуктор, что приводит к уменьшению веса как самой втулки винта, так и лопастей, редуктора на котором установлен винт, и мест крепления редуктора к фюзеляжу вертолета.
Устройство работает следующим образом.
Закрепленный к корпусу 1 гибкий торсион 4 имеет малую жесткость на кручение относительно продольной оси «ш» осевого шарнира и позволяет лопасти 3 совершать колебания по углу ϕ±Δϕ (см фиг 1) относительно оси осевого шарнира «ш». Гибкий торсион 4 имеет также малую жесткость на изгиб в плоскости тяги лопасти 3 и позволяет лопасти 3 совершать колебания по углам β±Δβ (см фиг 1) относительно оси «т» горизонтального шарнира. Малая жесткость на кручение и изгиб обеспечивается конструктивным исполнением торсиона 4, состоящего из продольных прочных, например, но не ограничиваясь стальных проволок 7, наматываемых на коуши 5 и 6 и связанных между собой эластичным связующем 8. Продольные силовые элементы 7 могут быть выполнены из других материалов, к примеру, из стеклонитей либо органоволокон.
Малая жесткость на изгиб в плоскости тяги обеспечивается также геометрией торсиона 4, при которой ширину «В» торсиона 4 можно выполнить больше, чем его высота «h». При этом минимальная высота «h» не ограничивается требованием по обеспечению допустимого прогиба лопасти 3 вниз на стоянке и при малых оборотах несущего винта за счет применения подвижного упора 26 (собачки) ограничителя свеса. Данный подвижный упор 26 ограничивает перемещения лопасти 3 вниз на стоянке и при малых оборотах несущего винта, тем самым исключает необходимость применения противоречивых требований к торсиону 4, по которым торсион 4 должен бы быть с одной стороны достаточно жестким на изгиб для обеспечения ограничения свеса лопасти 3 на стоянке и на малых оборотах, а с другой достаточно податливым для снижения возникающих изгибных напряжений при маховых колебаниях лопасти 3 в плоскости тяги в полете.
Перемещение лопасти 3 в плоскости тяги, то есть изменение углового положения коромысла 20, обеспечивается поворотом этой детали относительно оси «m» проушин 20а и 20b коромысла 20, которые, в свою очередь, устанавливаются также по оси «m» в проушинах корпуса 1. Как уже отмечалось выше, ось «m» является осью горизонтального шарнира. При перемещении лопасти 3 относительно горизонтального шарнира происходит изменение угла β (на фиг 1), в результате чего корпус 9 и коромысло 20 тоже изменяют свое угловое положение, при этом торсион 4 деформируется в плоскости тяги и изгибается, одновременно передавая центробежную силу с лопасти 3 на корпус 1. При достаточно больших углах β торсион 4 повторяет форму сухарей 14 и 15. При взмахе вверх упругий торсион 4 ложится на поверхность радиусом "Rв" сухаря 14 и при взмахе вниз касается поверхности радиусом "Rн" сухаря 15.
сум
сум
Суммарное напряжение σ, действующее в упругом торсионе 4 с применением высокопрочных нитей 7 из стальных проволок, рассчитывают по формулам [6, 7, 8, 9, 10] расчета напряжений, вносящих основной вклад в суммарное напряжение σ (см. [6]):
N
P
где σ - напряжения растяжения от действия центробежная сила от лопасти;
β
изг
σ - напряжение изгиба любой проволоки торсиона от махового движения лопасти;
h
изг
σ - напряжение изгиба от махового движения лопасти в плоскости тяги, возникающее в проволоке, дальней от направляющей поверхности сухаря, по которой изгибается упругий торсион;
ϕ
изг
σ - напряжение изгиба в упругом торсионе от закрутки торсиона на угол ϕ.
Данные напряжения рассчитываются по приведенным ниже формулам: -напряжение растяжения в упругом торсионе от действия центробежной силы на лопасти σNp [7]:
- σNp=Nл/(К*S) [7],
где Nл - центробежная сила от лопасти;
S - площадь поперечного сечения торсиона;
К- коэффициент равный отношению площади несущих продольных элементов 7 к площади поперечного сечения торсиона (К<1);
β
изг
напряжение изгиба любой проволоки торсиона от махового движения лопасти σ [8]:
где- Е - модуль упругости материала;
d- диаметр проволочек;
R - радиус направляющей.
h
изг
Напряжение изгиба от махового движения лопасти в плоскости тяги, возникающее в проволоке, дальней от направляющей поверхности сухаря, по которой изгибается упругий торсион σ [9]:
где  Е - модуль упругости материала;
h- высота упругого торсиона 4 (см фиг 1, 2, 3);
β - угол отклонения лопасти в плоскости тяги;
1
L- длина рабочей части упругого торсиона 4, т.е. той части торсиона, которая не зажата направляющими поверхностями сухарей 14, 15 (см фиг 1, 2).
Напряжение изгиба в упругом торсионе от закрутки торсиона на угол ϕ (для расчета применена известная формул, приведенная, например, в книге «Конструкция вертолетов» В.Н. Далин, С.В. Михеев, Издательство МАИ, 2001) [10]:
где - ϕ - угол закрутки торсиона в радианах;
1
L - длина рабочей части упругого элемента (торсиона 4);
Nл - центробежная сила от лопасти;
Е - модуль упругости материала;
- отношение высоты «h» рабочего сечения торсиона к его ширине «В» (см фиг 2);
- Ку - коэффициент, зависящий от формы сечения проволоки и плотности ее укладки (Ку≈1).
1
Проведенные с помощью математической модели расчеты показали, что для проволоки диаметром 00,16 мм по ГОСТ 9389-68 с пределом прочности больше либо равно 2500 МПа, или для проволок из стали ВНС-9 с пределом прочности больше либо равно 3000 МПа и при сечении торсиона h=12 мм, В=48 мм, при К=0,5; рабочей длине торсиона L=400 mm, и центробежной силе Nл=270000 Н, при маховом движении лопастей ϕ=2°±8,5°; β=3,2°±3,2°; ξ=±0,8° величины напряжений на крейсерских режимах полета, рассчитанные по формуле [6], составляют:
Приведенные значения суммарных статических и переменных напряжений в сравнении с напряжениями, действующими в проволочном торсионе осевого шарнира серийного тяжелого вертолета, позволяют прогнозировать ресурс торсиона в заявляемой конструкции больше 3000 часов.
∅
Следует отметить, что для проволочного торсиона 2 можно применять диаметр стальных проволочек до d=0,l…0,16 мм, что меньше толщин (t) пластинчатых торсионов, которые по технологическим ограничениям, как правило, не меньше t=0,3 мм. С учетом формул [3] и [6], при прочих равных условиях, в проволочном упругом торсионе 4 напряжения изгиба при маховом движении лопастей 3 в плоскости тяги будут примерно в 2…3 раза ниже, чем в известных конструкциях пластинчатых торсионов, что позволит увеличить ресурс проволочных торсионов 4 по сравнению с пластинчатыми торсионами.
0
0
0
Анализ напряжений, рассчитанных по формуле [6], показывает, что при предельных отклонениях лопасти 3 в плоскости тяги и максимальных углах закрутки относительно продольной оси лопасти 3 величины суммарных напряжений могут достигать величин, приближающихся к пределу прочности материала высокопрочных нитей 7. Для снижения предельных величин напряжений следует выполнять крепление упругого торсиона 4 к корпусу 1 втулки под конструктивным углом β=(5…10)°. Конструктивный угол β обеспечивается за счет расположения оси крепления коуша 5 к корпусу 1 втулки таким образом, чтобы не возникало изгиба упругого торсиона 4 по радиусным поверхностям сухарей 14, 15 при взмахе лопасти 3 вверх на угол β. Т.е. крепление коуша 5 должно располагаться ниже плоскости, проходящей через оси лопастей 3 при нулевом угле взмаха лопастей 3.
Также для снижения максимальных напряжений изгиба торсиона 4 от закрутки на угол ϕ ось крепления коуша 6 к корпусу 9 надо располагать под углом к плоскости вращения лопастей 3. Угол установки оси крепления коуша 6 следует выбирать примерно равным величине угла общего шага лопасти на крейсерской скорости. Для средних транспортных вертолетов этот угол составляет ϕ≈ 8,0…11°.
На стоянке при не вращающемся винте центробежная сила отсутствует, и для предотвращения касания лопастей и элементов хвостовой балки вертолета применяется ограничитель свеса 26 с подвижными или не подвижными упорами. Как правило, на втулках несущих винтов применяют подвижные упоры, ограничивающие свес лопасти 3 на стоянке (вниз от плоскости вращения) на угол β=-0,5…-1,0°. В технике известны различные конструкции подвижных ограничителей свеса 26: центробежных, с кольцевым упором и т.д..
На фиг 1 представлен центробежный ограничитель свеса 26. При раскрутке винта при увеличении центробежной силы, а также подъемной силы (силы в плоскости тяги винта), лопасть 3 отходит вверх от подвижного упора. Сам же подвижный упор, как правило, имеет ось качания, расположенную так, что положение упора определяется соотношением действующей на него силы пружины 26d, стремящейся установить его в стояночное положение (упор введен) и центробежной силы, возрастающей с увеличением оборотов и стремящейся вывести упор и установить в полетное положение (упор выведен). При выведенном положении у лопасти 3 появляется возможность переместиться вниз на больший угол, обычно от β=4,5° до 8,5° (величина угла зависит от компоновки вертолета и от типа втулки несущего винта), что обеспечивает практическое отсутствие касания упоров в полете при махе лопасти 3 вниз в плоскости тяги.
На рулевых винтах, а иногда и на несущих винтах (например, на вертолете Ми-2), отсутствуют подвижные упоры, ограничивающие перемещения лопасти в плоскости тяги, при этом угол свеса 26 лопасти 3 при упоре на неподвижный ограничитель свеса должен быть выбран из условия касания лопасти 3 хвостовой балки и других элементов вертолета. Описанная выше конструкция винта (см фиг 1) может также быть реализована без подвижных ограничителей свеса 26, при этом свес вниз лопасти 3 на стоянке, при невращающимся винте, будет ограничиваться неподвижными ограничителями свеса. В этом случае изгиб гибкого торсиона будет происходить по радиусу, который определяется по формуле [2], а максимальный угол β при отклонении лопасти 3 вниз будет ограничиваться неподвижными упорами.
На фиг 4 показан вариант возможной конфигурации обтекателя 28 корпуса 1 втулки винта, обеспечивающий дополнительное снижение аэродинамического сопротивления винта, за счет придания корпусу 1 втулки удобообтекаемой формы, а также за счет обеспечения уменьшения интерференции между корпусом 1 втулки винта и капотами фюзеляжа. Следует отметить, что при капотировании втулок винтов необходимо добиваться минимальных зазоров между элементами втулки и деталями обтекателя, что, естественно, вытекает из стремления избежать появления «карманов» для набегающего потока воздуха, существенно увеличивающих вредное аэродинамическое сопротивление системы обтекатель - втулка.
3
4
5
6
3
4
В заявляемой конструкции благодаря тому, что коромысло 20 совершает перемещение только относительно одной оси, а именно, оси «т» горизонтального шарнира, можно добиться минимальных зазоров (см фиг. 4) между элементами обтекателя 28 и коромыслом 20. Между подвижным коромыслом 20 и обтекателем зазоры t и t могут быть порядка 0,5…1,5 мм, а между неподвижным корпусом 1 и элементами обтекателя 28 зазоры t и t могут быть порядка 0,05…0,5 мм, что способствует уменьшению вредного сопротивления втулки винта. Одним из предпочтительных вариантов является выполнение обтекателя 28 из двух частей, а именно, верхней части 28а и нижней части 28b (см фиг 4). Такое деление обтекателя 28 позволяет обеспечить минимальные величины зазоров t и t между элементами обтекателя 28 и элементами втулки винта.
Еще один вариант применения гибкого торсиона 4 в конструкции втулки винта с совмещенными шарнирами, представлен на фиг. 5 и фиг. 6.
В данном варианте вертикальный, горизонтальный и осевой шарниры совмещены в одном сферическом шарнире 29, разгруженном от центробежной силы (Nл), которая передается от лопасти 3 на корпус втулки 1 с помощью упругого торсиона 4. Сферический шарнир 29 состоит из двух частей, а именно, наружной обоймы 29а и внутренней обоймы 29b. Сферический шарнир 29 является центрирующей опорой для корпуса 30. Корпус 30 с одной своей стороны крепится к лопасти 3, а с другой стороны, ближней к оси вращения винта, опирается на сферический шарнир 29. Корпус 30 имеет проушины 30а с осью «и» для шарнирного крепления тяги поворота 23. Тяга поворота лопасти 23 другим своим шарниром крепится к тарелке 2 автомата перекоса. На корпусе 30 по проушинам 30b (с осью «с») крепится демпфер 10 с помощью шарнира 10а. Другим своим шарниром 10b (ближним к оси вращения винта) демпфер 10 крепится к корпусу 1 втулки.
0
0
В данном варианте упругий торсион 4 имеет низкую жесткость в плоскостях тяги и вращения лопасти 3, а также относительно продольной оси «ш» лопасти 3. Низкая жесткость обеспечивается также за счет применения высокопрочных продольных нитей 7, связанных между собой эластичным, например резиновым, связующим 8, и намотанных на два коуша 5 и 6. Коуш 5 крепится к цапфе, выполненной из двух половин, а именно, цапфы левой 31 и цапфы правой 32. Внутренние поверхности половин цапф 31, 32, обращенные к торсиону 4, спрофилированы радиусной поверхностью с радиусом R. И выполняют две функции. Первая функция половин каждой из цапф 31, 32 заключается в сужении ветвей торсиона 4, состоящих из высокопрочных нитей 7, связанных эластичным связующим 8, после обхода коуша 5. Сужение ветвей торсиона 4 производится до размера h (см фиг 3) и задается верхней радиусной поверхностью 32а и нижней радиусной поверхностью 32b правой цапфы 32 и аналогичными радиусными поверхностями левой цапфы 31. Вторая функция заключается в задании радиусной поверхности R половин цапф 31, 32, по которым будет изгибаться торсион 4 при взмахе лопасти 3 в плоскости тяги и вращения.
Аналогично при обходе коуша 6 высокопрочные нити 7, связанные эластичным связующим 8, сужаются с помощью спрофилированных поверхностей верхнего сухаря 33 и нижнего сухаря 34 для обеспечения требуемой ширины В торсиона 4 (фиг 3, 5). В свою очередь коуш 5 крепится к цапфам 31 и 32 с помощью пальца 35, а коуш 6 крепится к лопасти 3 с помощью пальца 36. Таким образом, центробежная сила с лопасти 3 передается через упругий торсион 4 на половины цапф 31, 32, а с них на проушины корпуса 1 с помощью верхнего пальца цапф 37 и нижнего пальца цапф 38.
5
6
4
6
4
6
Между корпусом 30 и наружной обоймой 29а сферического шарнира 29 устанавливается упор 40. К корпусу 30 упор 40 фиксируется жестко. Упор 40 имеет поверхности Т и Т (см фиг 6). На проставке 39 также организована упорная поверхность Т, с зазорами в плоскостях тяги и вращения лопасти 3 относительно поверхности Т. Зазоры между поверхностями Т и Твыбираются исходя из условия обеспечения предельно допустимых углов отклонения в плоскости тяги и в плоскости вращения лопасти 3 в полете.
7
6
К корпусу 1 жестко крепиться обойма 41 подвижного упора (собачки) 42. На подвижном упоре 42 имеется поверхность Т, с которой на стоянке контактирует упор 40 по поверхности Т. Подвижный упор 42 опирается на пружину 43, которая в свою очередь жестко связана с кольцом 44.
Как уже отмечалось, центробежная сила Nл с лопасти 3 передается на торсион 4 через палец 36 коуша 6, далее через палец 35 коуша 5 на левую и правую половины цапф 31 и 32, а затем через пальцы 38 на корпус 1. Перерезывающие силы с лопасти 3 передаются на корпус 30, а затем на сферический шарнир 29 и через проставку 39 на цапфу левую 31 и цапфу правую 32, а затем с указанных цапф 31, 32 на корпус 1 через пальцы 37 и 38.
Маховые перемещения лопасти 3 передаются на корпус 30 и на наружную обойму 29а сферического шарнира 29. Наружная обойма 29а устанавливается по сферической поверхности на внутреннюю обойму 29b сферического шарнира 29. На сферической поверхности наружной обоймы 29а приклеивается износостойкая ткань, например ткань Оргалон. Наличие износостойкой ткани обеспечивает возможность перемещаться наружной обойме 29а относительно внутренней обоймы 29b. Внутренняя обойма 29b сферического шарнира 29 имеет цилиндрическую поверхность, на которую также приклеивается износостойкая ткань, например ткань Оргалон. Внутренняя обойма 29b устанавливается на цилиндрическую поверхность проставки 39 и может смещаться в осевом направлении по цилиндрической поверхности проставки 39 для компенсации изменения длины торсиона 4 при изменении величины центробежной силы Nл лопасти 3.
Маховые движения лопасти 3 на стоянке и на малых оборотах винта ограничиваются механизмом ограничителя свеса 26 лопасти 3.
6
Устройство ограничителя свеса 26 может быть реализовано несколькими известными способами. Например, с помощью механизма центробежного ограничителя свеса 26, представленного на фиг 1, 2. На фиг 5, 6 механизм ограничителя свеса 26 реализован с помощью кольца 44, имеющего возможность перемещаться только в горизонтальной плоскости, с которым на каждом рукаве втулки связана пружина 43. Пружина 43 может перемещаться вдоль внутренней цилиндрической поверхности подвижного упора 42. Подвижный упор 42, в свою очередь, может перемещаться только вдоль внутренней цилиндрической поверхности обоймы 41 подвижного упора. Таким образом, на каждом рукаве подвижный упор 42 через пружину 43 с одной стороны контактирует с кольцом 44, а с другой по поверхности Т с упором 40, закрепленном на корпусе 30, к которому крепится лопасть 3. В полете маховые движения в плоскости тяги лопастей 3, как правило, не бывают одновременно отрицательными, т.е. лопасти 3 одновременно не перемещаются вниз по углу β (см фиг 5) ниже плоскости вращения лопастей при угле β равном нулю (ниже плоскости вращения). Поэтому кольцо 44, имея возможность горизонтального перемещения относительно корпуса 1, не препятствует в полете перемещению одной лопасти 3 при отклонении этой лопасти 3 вниз ниже плоскости вращения. На стоянке же, когда все лопасти 3 начинают давить на кольцо 44 через свои подвижные упоры 42 и пружины 43, кольцо 44, подпираемое со стороны каждой лопасти 3, занимает «среднее» положение и препятствует каждой лопасти 3 перемещаться вниз относительно плоскости вращения. Наличие ограничителя свеса 26 позволяет обеспечить минимальную жесткость упругого торсиона 4 в плоскости тяги.
Низкая жесткость торсиона 4 наряду с применением эластичного связующего 8 обеспечивается также за счет выбора геометрических характеристик поперечных сечений торсиона 4, при которых высота «h» (см фиг 3) торсиона в 2…4 раза меньше ширины «В» торсиона 4.
Вариант втулки винта с совмещенными шарнирами имеет простую конструкцию, за счет совмещения горизонтального, вертикального и осевого шарнира в одном сферическом шарнире 29, имеет низкий вес рукава втулки, за счет разгрузки сферического шарнира 29 от центробежной силы и малого количества деталей. Вертикальные габариты рукава втулки Н за счет разгрузки сферического шарнира 29 от действия центробежной силы также могут быть уменьшены. Уменьшение вертикального габарита Н позволяет снизить вредное аэродинамическое сопротивление втулки винта. Данная схема позволяет также обеспечить минимальные моменты.
Перемещения лопасти 3 в плоскости тяги на угол β или в плоскости вращения на угол ξ (см фиг 5) приводит к перемещению корпуса 30 и дальнего от оси вращения коуша 6. Это приводит к изгибу торсиона с радиусом изгиба Ro, который задается внутренними поверхностями половин цапф 31 и 32. В районе дальнего от оси вращения лопасти торсиона коуша 6 торсион 4 также изгибается по радиусным поверхностям Rк сухарей 33 и 34, закрепляемых на коуше 6.
h
в
изг
изг
Здесь следует отметить, что для обеспечения равной прочности упругого торсиона 4 напряжения изгиба σ (см формулу [9]) в плоскости тяги лопасти, зависящие от угла β и высоты h торсиона 4 должны быть равными напряжениям изгиба σ в плоскости вращения лопасти, зависящие от угла ξ и ширины В торсиона 4.
h
в
в
изг
изг
изг
Равенство напряжений σ и σ будет обеспечиваться, если отношение высоты h торсиона к ширине В торсиона принять примерно равным отношению значения переменного угла (ξ) отклонения лопасти 3 в плоскости вращения на эквивалентном режиме полета к значению переменного угла (β) отклонения лопасти 3 в плоскости вращения также на эквивалентном режиме полета. Переменные напряжениям изгиба σ в плоскости вращения лопасти 3 от махового движения на угол ξ=±0,8° лопасти 3 в плоскости вращения с учетом приведенных выше (см формулу [6]) исходных данных рассчитываются по формуле [11]:
где - Е - модуль упругости материала;
В - ширина торсиона (см фиг 6);
1
L - длина рабочей части упругого элемента (торсиона), т.е. той части торсиона, которая не зажата направляющими поверхностями (см фиг 5, 6);
ξ - угол отклонения лопасти в плоскости вращения.
B
h
изг
изг
Действительно, переменные напряжения: σ=±352 МПа совпадают с σ,=±352МПа (см. расчет напряжений в формуле [9]). Объясняется это тем, что в полете переменный угол Δξ, примерно, в четыре раза меньше переменного угла Δβ, поэтому и целесообразно выбирать отношение высоты торсиона h к ширине торсиона В в таком же соотношении [12]:
где h - высота торсиона;
В - ширина торсиона;
Δξ - переменный угол отклонения лопасти в плоскости вращения на эквивалентном режиме полета;
Δβ - переменный угол отклонения лопасти в плоскости тяги лопасти на эквивалентном режиме полета.
Следует также отметить, что переменные напряжения в торсионе, рассчитываемые по формулам [6]-[11] прямо пропорционально зависят от модуля упругости материала, из которого изготовлены применяемые продольные нити 7.
Для существенного снижения напряжений изгиба (в 3-4 раза) можно в продольных нитях 7 вместо стальной проволоки применить высокопрочные нити из стекловолокна или органоволокна.
Следует отметить также, что в упругом торсионе, состоящим из высокопрочных нитей, усталостное разрушение одной нити (проволоки) приводит к уменьшению сечения площади торсиона менее чем на 0,1%. Для сравнения аналогичная трещина в одной пластине пластинчатого торсиона, как правило, приводит к разрушению всей пластины и уменьшению площади рабочего сечения в зависимости от количества пластин в торсионе на 3…8%, что существенно больше уменьшает площадь рабочего сечения по сравнению с заявляемой конструкцией.
Схема использования гибкого торсиона 4 в конструкции втулки рулевого винта представлена на фиг. 7. Данная схема повторяет конструкцию втулки винта с гибким торсионом 4 и разнесенными осевыми и горизонтальными шарнирами (фиг 1, 2, 3) с исключением из конструкции вертикальных шарниров. При этом лопасть 3 закреплена к корпусу 45 (фиг 7), имеющего проушины для крепления наконечника тяги поворота лопасти 3. Корпус 45, в свою очередь, закреплен на цапфе коромысла 20 через подшипники осевого шарнира 18, 19. Упругий торсион 4 крепится к корпусу 1 и к корпусу 45 по месту крепления 45а. Как вариант, упругий торсион 4 может быть закреплен непосредственно к лопасти 3.
Исключение вертикальных шарниров позволяет исключить из конструкции демпферы 21 колебаний лопастей 3 в плоскости вращения, таким образом, данная схема обеспечивает в конструкции рулевых винтов вертолетов упрощение конструкции и снижение веса.
Также данная конструкция, как и конструкция, представленная на фиг 1, имеет минимальные вертикальные габариты «Н» рукава втулки, что обеспечивает снижение вредного аэродинамического сопротивления винта.
H
в
в
н
Данный вариант обеспечивает снижение веса рукава втулки и за счет исключения подвижных упоров ограничения угла свеса лопасти 3 (вниз по отношению к рукаву втулки на фиг. 7), что также упрощает конструкцию, при этом ограничение перемещения лопасти 3 в плоскости тяги винта обеспечивается неподвижными упорами. На фиг. 7 показан вариант возможных зон конструктивного расположения неподвижных упоров взмаха в плоскости тяги вниз (условно относительно изображения на фиг. 7) обозначено "у", а в плоскости взмаха в плоскости тяги вверх обозначено "у", при этом направление взмаха вверх выбрано также условно относительно изображения на фиг. 7. Наиболее оптимальным вариантом является расположение упорной поверхности "у" ограничения взмаха лопасти 3 вверх на верхнем сухаре 14 коуша 5. А упорная поверхность "у" ограничения взмаха лопасти 3 вниз размещена на нижнем сухаре 15 коуша. При этом ответные поверхности на деталях, имеющих перемещения вместе с лопастью 3 в плоскости тяги, наиболее оптимально располагать на коромысле 20.
β
изг
Таким образом, достигается заявленный технический результат путем создания конструкции шарнирного винта изменяемого шага и применением в этой конструкции торсиона 4, гибкого на изгиб в плоскости тяги лопасти 3 и на кручение вдоль продольной оси лопасти 3, имеющего минимальную длину при заданных геометрических сечениях торсиона (см фиг. 2), за счет применения продольных высокопрочных нитей 7, например, стальных, связанных эластичным материалом 8, например, резиной и наматываемых (см фиг. 1) на коуш 5 и коуш 6. Минимальная длина торсиона достигается также за счет применения верхнего сухаря 14 и нижнего сухаря 15, которые выполняют функцию радиусных направляющих, по которым изгибается торсион 4, и выполняют функцию сухарей, обеспечивающих сжатие нитей торсиона 4, после обхождения ими коуша для обеспечения минимальной высоты торсиона и снижения, тем самым, напряжений изгиба σ от маховых движений лопастей в плоскости тяги. Для уменьшения истирания торсиона при контакте с радиусными направляющими может применяться защитная оболочка 27, выполненная, например, но не ограничиваясь, из износостойкой ткани (см фиг. 2). Применение торсиона 4 (упругого элемента), гибкого на изгиб в плоскости тяги лопасти 3 и на кручение вдоль продольной оси лопасти 3 и разгружающего горизонтальные и осевые шарниры втулки от центробежной силы, обеспечивает снижению габаритов этих шарниров, а значит, обеспечивает снижение веса и аэродинамического сопротивления рукавов втулки.
Малая жесткость на кручение и изгиб торсиона 4 обеспечивается его конструктивным исполнением, заключающимся в применении продольных высокопрочных нитей 7, например, но не ограничиваясь, стальных проволок (либо стеклонитей, либо органоволокон), наматываемых на коуш 5 и коуш 6 и связанных, но не ограничиваясь, эластичным связующим 8, например, резиной. Малая жесткость на изгиб в плоскости тяги обеспечивается также геометрией торсиона, при которой ширина «В» торсиона больше чем его высота «h». Малая жесткость на изгиб в плоскости тяги для втулок несущих винтов обеспечивается применением подвижного упора ограничителя свеса, исключающим наличия противоречивых требований к торсиону 4 при выборе параметров жесткости в плоскости тяги, по которым он должен бы быть, с одной стороны, достаточно жестким на изгиб для ограничения свеса лопасти на стоянке и на малых оборотах вращения винта, а с другой, достаточно податливым на изгиб для снижения возникающих изгибных напряжений при маховых колебаниях лопасти 3 в плоскости тяги в полете.
Наличие осевых и горизонтальных шарниров в сочетании с разгружающим их от действия центробежной силы лопасти гибким торсионом 4 обеспечивает минимальные нагрузки, приходящие с лопасти 3 через подшипники рукава втулки на вал винта, что обеспечивает минимальные габариты деталей рукава втулки, уменьшение массы втулки, лопастей, вала винта и деталей крепления редуктора к фюзеляжу.
Технический результат также достигается за счет создания конструкции шарнирного винта и применением в этой конструкции гибкого в плоскостях тяги и вращения лопасти 3 и вдоль продольной оси лопасти 3 гибкого торсиона 4 (упругого элемента) в сочетании с подвижным упором ограничителя свеса 26 и наличием вертикального шарнира с демпфером колебаний лопасти 3 в плоскости вращения, позволяет создать конструкцию втулки, в которой отсутствует противоречивые требование к торсиону 4 при выборе параметров жесткости в плоскости вращения винта, по которым он должен быть с одной стороны достаточно жестким на изгиб в плоскости вращения для обеспечения требуемой относительной собственной частоты лопасти 3, для исключения чрезмерных перемещений в плоскости тяги при больших углов закрутки торсиона относительно продольной оси лопасти 3, а с другой достаточно податливым для снижения возникающих изгибных напряжений при маховых колебаниях лопасти в плоскости вращения в полете. Отсутствие противоречивых требований к параметрам жесткости торсиона в плоскости тяги и вращения лопасти 3, позволяет выбрать оптимальное соотношение высоты «h» и ширины «В» торсиона 4, создать податливым торсион 4 в плоскости вращения и тяги, что приводит к снижению нагрузок в плоскости тяги и вращения, приходящих на корпус 1 втулки. Это, в свою очередь, способствует уменьшению потребных габаритов деталей втулки, способствует снижению веса и аэродинамического сопротивления.
Перечисленные выше характеристики устройства позволяют существенно уменьшить габариты подшипников горизонтального и осевых шарниров, уменьшив высоту «Н» втулки (см фиг 1) и, как следствие, снизить аэродинамическое сопротивление и вес втулки несущего винта. Одновременно, за счет исключения действия центробежной силы на подшипники горизонтальных и осевых шарниров, обеспечивается возможность применить несмазываемые подшипники в указанных шарнирах, вместо смазываемых подшипников качения, что повышает эксплуатационную надежность и упрощает конструкцию.
Возможность применения несмазываемых подшипников в вертикальных шарнирах втулки обусловлена меньшей нагруженностью этих подшипников по сравнению с подшипниками горизонтальных и осевых шарниров, заключающейся в том, что в эквивалентные за полет переменные маховые движения лопастей 3 относительно вертикального шарнира (ξ≈±0,7°…±0,9°) примерно в 3-4 раза меньше, чем перемещения относительно горизонтального шарнира (β≈±3…±4°), и при этом в 8-10 раз меньше, чем относительно осевого шарнира (ϕ≈±8,5°).
В заявленном изобретении компоновка втулки с торсионом 4 обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление винта как за счет уменьшения высоты «Н» рукавов втулки, так и за счет обеспечения возможности установки обтекателя 26 на корпус 1 втулки.
В проволочном упругом торсионе 4 напряжения изгиба при маховом движении лопастей 3 в плоскости тяги будут примерно в 2…3 раза ниже, чем в известных конструкциях пластинчатых торсионов, что позволит увеличить ресурс проволочных торсионов 4 по сравнению с пластинчатыми торсионами.
Следует отметить, что описываемая в настоящей заявке конструкция проволочного торсиона 4 с эластичным связующим может быть использована и в конструкции втулок с V-образными торсионами, с заменой пластинчатого V-образного торсиона на две ветви проволочных торсионов 4 с эластичным связующим.
Спецификация позиций, отраженных на фигурах, приведена в Таблице 1.