ВТУЛКА НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к области авиации и касается разработки конструкции несущего винта вертолета.
В последние годы ведутся работы по созданию скоростных вертолетов. Наиболее сложная часть этих работ связана с разработкой несущих винтов, способных эффективно работать в сложных условиях обтекания винта при больших скоростях полета вертолета. При создании таких винтов одной из наиболее сложных задач является проблема предотвращения срыва потока на отступающих лопастях (Джонсон У. Теория вертолета, т.1, пер. с англ. М., Мир, 1983; Миль М.Л., Некрасов А.В., Браверман А.С., Гродко Л.Н., Лейканд М.А. Вертолеты. Расчет и проектирование. Т.1 Аэродинамика. М., "Машиностроение", 1966; Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета. пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963). Во многих случаях срыв потока является главным препятствием для увеличения скорости полета, поскольку он приводит к возникновению автоколебаний лопастей типа срывного флаттера, вызывающего чрезвычайно резкое увеличение нагрузок в системе управления, увеличение вибраций вертолета и напряжений в лопастях. Наиболее эффективным методом решения проблемы срыва на лопастях в настоящее время является использование винтов, обеспечивающих возможность увеличить аэродинамическую нагрузку на наступающих лопастях и уменьшить ее на отступающих.
Такими несущими винтами являются винты с жестким креплением лопастей к втулке, винты с упругим элементом в комле и винты с шарнирным креплением лопастей с большим выносом горизонтальных шарниров (Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета, пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963).
У лопастей перечисленных типов винтов наиболее низкая частота собственных колебаний в плоскости взмаха выше частоты вращения винта. Именно отличие частоты собственных маховых колебаний лопастей от частоты вращения винта и обеспечивает возможность воздействовать на распределение по ометаемому диску углов атаки в сечениях лопастей. В частности нужное распределение углов атаки, может быть достигнуто путем соответствующего изменения циклического шага лопастей.
Однако, при нагружении наступающих лопастей и уменьшении нагрузок на отступающих лопастях, которое необходимо для уменьшения на них срыва, появляются значительные моменты аэродинамических сил относительно продольной оси вертолета.
На соосном вертолете такие моменты, возникающие на верхнем и нижнем винтах, при нагружении наступающих лопастей, взаимно уравновешиваются.
На одновинтовом вертолете уравновесить момент крена можно посредством смещения оси вращения винта вбок относительно плоскости симметрии фюзеляжа или путем установки на вертолете достаточно длинного крыла, в частности, несимметричного.
Перечисленные варианты решения проблемы уменьшения моментов крена содержат более или менее значительные недостатки, главными из которых являются - снижение весовой отдачи вертолета и усложнение его конструкции.
Наиболее близким по конструкции к предлагаемой полезной модели является втулка несущего винта с большим положительным выносом горизонтальных шарниров (Пейн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолета. Пер. с англ. М., Оборонгиз, 1963). Втулка состоит из корпуса втулки и рукавов, которые соединены с корпусом втулки посредством горизонтальных шарниров. Рукава имеют вертикальные и осевые шарниры. К корпусу осевого шарнира крепится лопасть.
Недостаток втулки несущего винта с большим положительным выносом горизонтальных шарниров (ГШ) состоит в том, что при нагружении наступающих лопастей возникают большие моменты на втулке и аэродинамические боковые силы, создающие одинаковые по знаку моменты крена, относительно центра тяжести вертолета, для преодоления которого требуются дополнительные технические решения.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции втулки несущего винта скоростного вертолета, обеспечивающей увеличение аэродинамической нагрузки на наступающих лопастях несущего винта и уменьшение ее на отступающих.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение суммарного момента крена создаваемого несущим винтом.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в конструкции втулки несущего винта содержащей корпус втулки и рукава, которые имеют вертикальные и осевые шарниры и соединены с корпусом втулки посредством горизонтальных шарниров, установленных относительно оси вращения вала винта на стороне противоположной расположению лопасти.
Возможная реализация предложенной втулки несущего винта поясняется на фигурах.
На фиг.1 - схема крепления одной из лопастей несущего винта к его втулке с отрицательным выносом горизонтальных шарниров;
На фиг.2 - схематический чертеж четырехлопастного винта с отрицательным выносом горизонтальных шарниров, состоящего из двух расположенных один над другим двухлопастных винтов.
На фиг.3 - схема приложения сил для лопастей с положительным и отрицательным выносом горизонтальных шарниров.
Корпус втулки 1 (фиг.1 и фиг.2) содержит горизонтальные шарниры 2 с отрицательным выносом, к которому крепятся рукава 3 втулки. Рукава имеют вертикальные 4 и осевые 5 шарниры. К проушине 6 осевого шарнира крепится лопасть несущего винта 7. Отличие предлагаемой втулки винта с отрицательным выносом горизонтальных шарниров состоит в том, что горизонтальные шарниры расположены на противоположной стороне, относительно оси вращения 8 вала винта по сравнению с расположением соответствующих шарниров втулки несущего винта с положительным выносом ГШ.
гш1
гш2
гш
Рассмотрим лопасти двух винтов с отрицательным выносом ГШ - №1 и с положительным - №2 с одинаковым по абсолютной величине выносом горизонтального шарнира l=l=l, (фиг.3).
1
2
Предположим, что центробежные силы у лопастей №1 и №2 имеют одинаковую величину N, а лопасти совершают одинаковое маховое движение β=β=β=ƒ(ψ), где β - угол взмаха лопасти (угол между плоскостью вращения винта 9 и осью лопасти); ψ - азимутальное положение лопасти винта.
гш1
гш2
гш
В этом случае на одном и том же азимуте у обеих лопастей в горизонтальном шарнире будут приложены равные по величине вертикальные силы Р=Р=Р, направленные по нормали к плоскости вращения винта:
гш
Р≈Nsinβ
гш
Сила Р создает момент относительно оси вращения винта:
0
гш
гш
m=Рl.
0
0
Но поскольку у лопастей №1 и №2 горизонтальные шарниры расположены по разные стороны от оси вращения винта, то они создают на каждом азимуте равные по величине, но противоположные по знаку моменты m. Очевидно, что после умножения моментов m лопастей №1 и №2 на sinψ или cosψ, интегрирования этих произведений по азимуту и деленния их на 2π, получим равные по величине, но противоположные по знаку постоянные моменты на втулке относительно продольной и поперечной осей вертолета.
Поскольку лопасти №1 и №2, согласно принятому условию, имеют одинаковое маховое движение, оси конусов лопастей у них направлены одинаково. Поэтому боковые силы обоих винтов, расположенные в плоскости вращения винта и приблизительно равные произведениям тяги винта на углы поперечного наклона оси конуса лопастей, создают одинаковые по знаку моменты относительно центра тяжести вертолета. При этом у винта с отрицательным выносом ГШ, в отличие от винта с положительным выносом ГШ, момент создаваемый аэродинамической боковой силой винта относительно центра тяжести вертолета, возникающий при нагружении наступающих лопастей, противоположен по знаку моменту, возникающему при этом на втулке винта. Это позволяет достичь заявленного технического результата, а именно уменьшить суммарный момент крена, создаваемого несущим винтом, для преодоления которого на скоростных одновинтовых вертолетах с большим положительным выносом ГШ требуется установка несимметричного крыла или поперечное смещение оси вращения винта относительно центра тяжести вертолета, что увеличивает вес конструкции вертолета.
Уменьшение суммарного момента крена является существенным преимуществом предлагаемой втулки, так как позволяет улучшить весовую отдачу вертолета.