Лопасть винта летательного аппарата вертолетного типа (варианты)
HELICOPTER TYPE AIRCRAFT PROPELLER BLADE (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к конструкции лопастей винтов летательных аппаратов вертолетного типа и может быть использовано для несущих и управляющих винтов вертолетов.
Лопасти несущих винтов работают в сложных условиях, формируемых их вращением и увеличением скорости потока воздуха вдоль радиуса винта. При этом на концевом участке лопасти создается сложный вихревой поток обтекающего конец винта воздуха, что в значительной степени влияет на эффективность несущего винта в целом. Выбор рациональной геометрии концевой части лопасти (законцовки) может заметно улучшить аэродинамические характеристики работы винта. Помимо проблем возникновения вихревых потоков и срывов потока при высоких скоростях вращения возникают проблемы с поведением самой лопасти, обусловленные жесткостью и прочностными свойствами. Высокие скорости работы при классической конструкции лопастей приводят к резкому перепаду давлений между лобовой и тыльной сторонами лопасти. Этот перепад давлений инициирует возникновение концевых вихрей, на которые тратится до 30% полезной энергии. А при приближении скорости обтекания концов лопасти к скорости звука появляются ударные волны, срывы потоков на концах лопастей. Возникают продольные крутильные колебания и вибрации лопастей, высокие изгибающие моменты, приводящие к снижению эффективности работы винта, а порой к деформациям и разрушению. В связи с этим уделяется большое внимание разработке особых законцовок лопастей, снижающих подобные негативные явления (Ивчин В.А., Лисе А.Ю. Расчетно-экспериментальные исследования лопастей со стреловидной законцовкой, плоской и отогнутой вниз в плоскости тяги. Труды 3-го форума Российского вертолетного общества. М., 1998; Ивчин В.А., Пржебельский В.В. Комбинированный метод расчета крыла и законцовок лопастей несущего винта сложной формы в плане на основе вихревой теории. Сборник трудов Московского вертолетного завода им. М.Л. Миля, №13, 1997.).
В патентах РФ на полезную модель №№56329 и 65861 предлагается законцовка лопасти винта, которая выполнена в виде профилированной поверхности, срединная плоскость которой расположена выпуклостью вниз. Как утверждается в патенте № 56329, при больших углах атаки, например, на взлете или посадке, когда интенсивность концевого вихря на лопасти максимальна, передняя поверхность законцовки, создавая подсасывающую силу разворачивает концевой вихрь в сторону продолжения лопасти, увеличивая тем самым эффективное удлинение лопасти. За счет этого снижается индуктивное сопротивление законцовки и лопасти в целом. Энергия набегающего потока почти полностью реализуется в обратную подъемную силу в зоне законцовки, в то время как в районе задней кромки законцовки образуется устойчивое вихревое течение, безотрывное по отношению к задней поверхности законцовки. Такое взаимодействие двух устойчивых безотрывных структур потока в зонах передней и задней кромок законцовки создает безотрывное обтекание законцовки в целом. При этом, наличие отрицательной подъемной силы в зоне законцовки, благоприятно трансформирует общую эпюру распределения давления вдоль лопасти, сдвигая точку приложения равнодействующей подъемной силы к корню - за счет создания небольшой зоны отрицательной подъемной силы на законцовке, что соответственно уменьшает изгибающий момент.
Однако, выполнение профиля нижней поверхности законцовки выпуклой, а верхней - вогнутой приводит к усилению проявления эффекта воздействия радиального течения воздуха, направленного вдоль лопасти к комлю. На верхней части законцовки лопасти линии тока оказываются направлены в сторону комля винта, а на нижней - в противоположную сторону. Данный эффект нивелирует значение отрицательной подъемной силы на законцовке. При этом дополнительные негативные завихрения создает переход от лопасти к законцовке, когда выпуклая поверхность переходит в вогнутую на верхней поверхности лопасти, и от вогнутой или плоской поверхности к выпуклой - на нижней. Эти завихрения снижают общую подъемную силу винта.
Известна лопасть с криволинейной концевой частью для винта летательного аппарата (ЕР 0298826), характеризующаяся тем, что наклон вниз концевой части выполнен по всему размаху этой части. При этом, концевая часть лопасти имеет кривизну, при которой ее верхняя поверхность выпуклая, а нижняя вогнутая. Такая конструкция лопасти препятствует продольному потоку вдоль лопасти. Однако, это препятствие приводит к возрастанию профильного сопротивления с более интенсивным отрывом потока и, соответственно, снижается КПД лопасти.
Известна лопасть воздушного винта летательного аппарата, выполненная с обращенной назад стреловидной законцовкой (RU 2093421). По сравнению с обычной лопастью прямоугольной формы уменьшение хорды на наружном конце лопасти улучшает технические характеристики, в частности, при большой скорости. Это улучшение объясняется уменьшением сопротивления в результате уменьшения хорды на конце. Динамические нагрузки в этой зоне воздействуют на более тонкую часть, в то время как центральная часть лопасти, которая не подвержена ударам, обеспечивает основную подъемную силу с максимальными аэродинамическими качествами. Кроме того, для того, чтобы отодвинуть порог появления ударных волн и ограничить их интенсивность, отгибают свободный конец лопасти в направлении назад. Стреловидная форма законцовки уменьшает эффективное число Маха, и, таким образом, придание стреловидности свободному концу лопасти является эффективным средством для уменьшения неблагоприятных последствий в виде завихрений и ударных волн.
Однако величина угла стреловидности и протяженность размаха ограничены скручивающими усилиями, которые возникают в результате смещения назад аэродинамической подъемной силы. Более того, при традиционной аэродинамической компоновке лопасти, когда установлен изогнутый вверх профиль по всему размаху лопасти до самого ее конца, имеет место известный концевой эффект лопасти. Сжатый на нижней поверхности лопасти воздух устремляется вверх в зону разрежения на верхней поверхности лопасти, создавая завихрения. Такие негативные явления не только снижают аэродинамическое качество лопасти, но и требуют повышения конструкционной прочности и жесткости лопастей, что неизбежно ведет к увеличению веса лопастей. Эти недостатки особенно актуальны для малых летательных аппаратов.
Техническим результатом заявленного изобретения выступает повышение равномерности нагрузки на концевую часть лопасти, снижение динамических нагрузок, снижение изгибающих нагрузок и крутильных колебаний.
Технический результат достигается тем, что по первому варианту лопасть винта летательного аппарата вертолетного типа, имеющая стреловидную законцовку, передняя кромка которой имеет изогнутую в плане форму с переменным углом стреловидности, плавно увеличивающимся к концевой части, снабжена вставкой, расположенной между лопастью и законцовкой и имеющей в поперечном сечении форму поперечного сечения лопасти, причем верхние поверхности вставки и лопасти образуют между собой угол (наиболее оптимально 160-178°), ребро которого расположено под острым углом (наиболее оптимально 70-88°) к передней кромке лопасти, а нижние поверхности вставки и законцовки образуют между собой угол, равный углу между верхними поверхностями лопасти и вставки, при этом площадь верхней поверхности вставки не превышает площади верхней поверхности законцовки.
По второму варианту технический результат достигается тем, что лопасть винта летательного аппарата вертолетного типа, имеющая стреловидную законцовку, передняя кромка которой имеет изогнутую в плане форму с переменным углом стреловидности, плавно увеличивающимся к концевой части, снабжена вставкой, расположенной между лопастью и законцовкой и имеющей в поперечном сечении форму поперечного сечения лопасти, причем нижние поверхности вставки и лопасти образуют между собой угол (наиболее оптимально 160-178°), ребро которого расположено под тупым углом (наиболее оптимально 92-108°) к передней кромке лопасти, а верхние поверхности вставки и законцовки образуют между собой угол, равный углу между нижними поверхностями лопасти и вставки, при этом площадь верхней поверхности вставки не превышает площади верхней поверхности законцовки.
Указанные отличительные признаки существенны.
Варианты конструкции концевой части лопасти со вставкой и законцовкой позволяют создавать повышенное давление на фронтальной стороне вставки и пониженное давление (разрежение) на обратной стороне вставки. При этом стреловидная закругленная законцовка, расположенная параллельно лопасти предотвращает формирование паразитных завихрений, образуемых на концах вставок при отсутствии таких законцовок, что также препятствует срыву потока на обратной стороне вставок при высоких оборотах. Такое перераспределение давления на периферийной части винта заметно снижает энергию вихреобразования и, соответственно, повышает КПД винта, а также уменьшает крутильные колебания и изгибающие моменты. Причем сама конструкция законцовок лопасти со вставками обеспечивает повышение продольной и поперечной жесткости, что еще более снижает вероятность вибраций и крутильных колебаний. Конкретные пределы величины углов подобраны в результате экспериментов по критерию максимальной подъемной силы под нагрузкой для двулопастных винтов. Проведенные натурные испытания заявленных вариантов конструкции под нагрузкой показали повышение подъемной силы на 13-15% на двулопастных винтах с относительно широкими лопастями.
На фиг. 1 изображена лопасть винта по первому варианту, вид сверху.
На фиг. 2 изображена лопасть винта по первому варианту, вид спереди.
На фиг. 3 изображена лопасть винта по второму варианту, вид сверху.
На фиг. 4 изображена лопасть винта по второму варианту, вид спереди.
По первому варианту исполнения лопасть 2 винта 1 имеет законцовку 3, передняя кромка 11 которой имеет изогнутую в плане форму с переменным углом стреловидности, плавно увеличивающимся к концевой части. Между лопастью 2 и законцовкой 3 расположена вставка 4, имеющая в поперечном сечении форму поперечного сечения лопасти 2. Верхние поверхности вставки 4 и лопасти 2 образуют между собой угол 7, составляющий 160-178°, ребро 12 которого расположено под острым углом 5 составляющим 70-88° к передней кромке 11 лопасти 2. Нижние поверхности вставки 4 и законцовки 3 образуют между собой угол 8, равный углу 7 между верхними поверхностями лопасти и вставки. Площадь верхней поверхности вставки 4 не превышает площади верхней поверхности законцовки 3.
По второму варианту лопасть 2 винта 1, имеющая стреловидную законцовку 3, передняя кромка 11 которой имеет изогнутую в плане форму с переменным углом стреловидности, плавно увеличивающимся к концевой части. Между лопастью 2 и законцовкой 3 расположена вставка 4, имеющая в поперечном сечении форму поперечного сечения лопасти 2. Нижние поверхности вставки 4 и лопасти 2 образуют между собой угол 9, составляющий 160-178°, ребро 12 которого расположено под тупым углом 6, составляющим 92-108° к передней кромке 11 лопасти 2. Верхние поверхности вставки 4 и законцовки 3 образуют между собой угол 10, равный углу 9 между нижними поверхностями лопасти и вставки, при этом площадь верхней поверхности вставки не превышает площади верхней поверхности законцовки.
Лопасть 2 винта 1 работает следующим образом. При вращении винта 1 набегающий поток воздуха создает зону повышенного давления на верхней поверхности вставки 4 за счет ее расположения под углом к передней кромке 11 лопасти 2. Такое расположение вставки 4 создает отрицательный угол атаки. Соответственно, на нижней поверхности вставки создается разрежение. Когда интенсивность концевого вихря на лопасти 2 повышается, вставка 4 гасит его и перенаправляет в сторону законцовки 3, уменьшая тем самым индуктивное сопротивление лопасти в целом. Законцовка 3 за счет стреловидности и закругленной передней кромки способствуют рассеиванию завихрений, повышая общий КПД лопасти. При этом, возникновение отрицательной подъемной силы в периферийной части лопасти 2 создает встречный изгибающий момент, снижая напряжение на лопасти и выравнивая его при вращении. Это позволяет, помимо улучшения условий работы, снижения деформирующих нагрузок на лопасть, предотвращать отклонение потоков воздуха от вертикали при изгибании лопастей на режимах взлета и висения под нагрузкой, повышая общую подъемную силу и КПД винта. Это особенно важно для винтов малых летательных аппаратов, где снижение веса и повышение прочности конструкции особенно актуальны. Как показали натурные испытания, заявленная конструкция уменьшает величину продольных крутильных колебаний и повышает общий КПД двулопастных винтов относительно небольших диаметров на режимах подъема и висения до 15%.