СОПЛО С УПРАВЛЯЕМЫМ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

Полезная модель относится к области авиации, в частности, к устройствам для путевого управления и компенсации реактивного момента несущего винта одновинтовых вертолетов.
Подавляющее большинство современных вертолетов выполнено по одновинтовой схеме. Характерной особенностью этой схемы является необходимость компенсации реактивного момента несущего винта. Для этой цели уже на самых ранних этапах развития вертолетостроения рассматривались самые разнообразные устройства: различного рода аэродинамические поверхности, контрпропеллеры, реактивные сопла и т.п. В 1911 г. Б.Н. Юрьевым был получен патент на одновинтовой вертолет, у которого компенсация реактивного момента и путевое управление осуществлялись с помощью одного или нескольких небольших винтов. Схема одновинтового вертолета с рулевым винтом получила в настоящее время наиболее широкое распространение. Однако рулевой винт при всех своих достоинствах - обладает рядом существенных недостатков. По некоторым данным, от 15% до 20% летных происшествий вертолетов происходят по причинам, связанным с рулевым винтом. Сюда относится разрушение рулевого винта или его трансмиссии, задевание лопастями рулевого винта за посторонние предметы, попадание под рулевой винт наземного персонала и т.п. Весьма существенными недостатками рулевого винта являются также высокий уровень шума, значительное вредное сопротивление винта и его втулки при больших скоростях полета, наличие опасных режимов полета, например, неуправляемого самовращения вертолета.
Наличие этих недостатков приводит к постоянным (с самого начального периода развития вертолетов по нынешнее время) попыткам найти эффективную замену рулевому винту.
Известно альтернативное рулевое устройство, так называемый фенестрон - вентилятор, устанавливаемый в канале, сформированном в развитом вертикальном оперении вертолета (Davidson J.K., Harvey С.Т., Sherrib Н.Е. Fan-in-fin anti-torque concept study. USAAMRDL Tech. Rep. 72-44, US Army, July 1982). Такая конструкция существенно облегчает проблемы безопасности в эксплуатации.
К недостаткам этого решения можно отнести сложность конструкции, повышенную потребляемую мощность, проблемы с управляемостью на некоторых режимах полета, значительное вредное сопротивление при полете с большой скоростью.
Известно предложение использовать вместо рулевого винта пропеллер с лопастями, образующими конус с углом раствора около 90° (Molyneux W.G. Observations on the highly coned propeller. Aeron J. v. 87, N 870, Dec. 1983). Независимое управление лопастями такого пропеллера позволяет в весьма широком диапазоне изменять величину и направление его тяги и использовать тягу как для управления вертолетом по крену и тангажу, так и для создания пропульсивной силы.
Известно устройство (Molyneux W.G. A vectored-thrust rotor for helicopter anti-torque applications. Aeron. J., 1983, XI, с. 87, N 869, p. 357-360), также обеспечивающее создание как пропульсивной силы, так и управляющих моментов по курсу и тангажу.
Существенным недостатком двух последних решений является сложность технических решений при их реализации и значительные нагрузки в лопастях и системах управления устройств.
Известно применение для компенсации реактивного момента несущего винта и для путевого управления реактивного сопла, расположенного на хвостовой балке вертолета (Hanvey S.A. NOTAR - no tail rotor (circulation control tail boom) SETP Techn. Rev., 1982, p. 308-332). Такая система, в сочетании с суперциркуляционным обтеканием хвостовой балки, используется, в частности, на вертолете MD-900 и ряде других вертолетов фирмы McDonnell Douglas. Система NOTAR обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с рулевым винтом в части безопасности полета и наземной эксплуатации, снижение шума, улучшение управляемости и пр. К недостаткам такой системы можно отнести увеличение мощности, потребляемой рулевым устройством и значительное повышение вредного сопротивления корпуса вертолета при больших скоростях полета.
Частично эти недостатки устраняются в схеме сопла с управляемым вектором тяги (патент № EP 2619087 (A1) - 2013-07-31 Propulsive Anti-Torque Nozzle System With External Rotating Sleeve For A Rotorcraft), которое содержит входной канал, 2 комплекта пластин, формирующих боковые сопла, размещенные на поворотных участках хвостовой балки, а также две поворотные створки, образующие, при их открытии, хвостовое сопло, создающее пропульсивную силу с возможностью ее поворота на небольшой угол и механизм управления створками. В этом сопле воздух, отбираемый из внешнего потока и нагнетаемый вентилятором, смешивается с выхлопными газами двигателя и, в зависимости от режима полета, распределяется между поворотными боковыми соплами и створками хвостового сопла. Таким образом, создается боковая сила, необходимая для управления по курсу и для компенсации реактивного момента несущего винта, и (или) пропульсивная сила, обеспечивающая снижение сопротивления корпуса вертолета. К недостаткам такой схемы можно отнести сложную конструкцию рулевого устройства с большим количеством подвижных элементов и системы управления этими элементами. При необходимости создания как боковой, так и пропульсивной компоненты силы тяги сопла, разделение нагнетаемого потока на две части, выдуваемые вбок и назад, энергетически хуже, чем поворот единого потока на соответствующий угол. Кроме того, рассматриваемая схема не позволяет повернуть поток на большие углы (близкие к 90° на режиме висения) при приемлемом уровне гидравлических потерь. К тому же, большое количество створок приводит к повышенным потерям давления в тракте и, соответственно, к повышению потребляемой мощности.
Задачей данной полезной модели является создание такого реактивного сопла, которое эффективно (с малыми потерями давления) обеспечивает поворот струи нагнетаемого воздуха вбок на режиме висения и, по мере увеличения скорости потока, плавный поворот струи назад, обеспечивая оптимальное соотношение боковой и пропульсивной сил для каждого режима полета.
Технический результат заключается в упрощении конструкции сопла, в уменьшении потерь давления в сопле и, соответствующем повышении его эффективности, в обеспечении необходимого для каждого режима полета соотношения боковой и пропульсивной сил.
Технический результат достигается тем, что сопло с управляемым вектором тяги содержит входной канал прямоугольного сечения, поворотные створки и механизм управления створками, к сторонам канала прикреплены две плоские пластины, как продолжение этих сторон, на которых закреплены три створки, выполненные в виде обтекаемого аэродинамического профиля и образующие между собой при всех рабочих положениях щелевые каналы шириной не менее 3% от хорды центральной створки, причем центральная створка имеет максимальную толщину 30%÷50% хорды и максимальную кривизну 5%÷15% хорды, а профили боковых створок имеют максимальную толщину 5%÷20% хорды и максимальную кривизну 3%÷5% хорды.
Технический результат достигается также тем, что в сопле пластины выполнены как единое целое со сторонами входного канала.
Полезная модель поясняется иллюстрациями:
фиг. 1 - общий вид сопла, выполненного в соответствии с полезной моделью;
фиг. 2 - взаимное расположение створок на различных режимах полета вертолета;
фиг. 3 - расчетная картина линий тока в канале сопла;
фиг. 4 -визуализация обтекания створок на режиме висения;
фиг. 5 - зависимость углов поворота одной из боковых створок в зависимости от угла поворота центральной створки;
фиг. 6 - зависимость углов поворота второй боковой створки в зависимости от угла поворота центральной створки;
фиг. 7 - зависимость угла поворота вектора тяги от угла поворота центральной створки;
фиг. 8 - зависимость потерь тяги сопла от угла поворота центральной створки.
На фиг. 1 показан один из вариантов сопла.
К реактивному соплу в составе струйной системы управления вертолета предъявляются требования, существенно отличающиеся от требований к самолетным соплам с поворотным вектором тяги. Прежде всего, это существенно увеличенный диапазон углов поворота струи от 90° на режиме висения до ~ -40° на режиме авторотации. При этом необходимо обеспечить минимально возможные потери тяги, по крайней мере, на двух основных режимах - висение (угол поворота струи около 90°) и полет с максимальной скоростью (угол около 10°÷20°). Кроме того, поскольку оптимальный перепад давления в вертолетном сопле существенно ниже, чем в самолетном, то чувствительность системы к уровню потерь давления гораздо выше. Исходя из этих условий и было разработано предлагаемое сопло.
Входной канал 1 обеспечивает сопряжение выходного сечения хвостовой балки (обычно круглого) с прямоугольным сечением входа непосредственно в сопло. Далее канал ограничивается сверху и снизу плоскими пластинами 2, между которыми размещены поворотные створки 3, 4 и 5. Основным элементом сопла является центральная створка 4, которая, в основном, и определяет угол поворота струи. Взаимное расположение створок для основных режимов полета показано на фиг. 2.
Пластины могут быть прикреплены к входному каналу или выполнены с ним как единое целое.
3
5
4
Форма центральной створки выбрана таким образом, чтобы обеспечить на основных режимах безотрывное течение в канале сопла. Кроме того, для минимизации потерь давления в канале, обеспечивают такое течение, чтобы относительно медленный поток сначала поворачивался на нужный угол, а уже затем ускорялся до заданной скорости. Для организации такого течения центральная створка должна иметь аэродинамический профиль с большой кривизной. Если при этом профиль будет относительно тонким, то при переходе от режима висения к режиму максимальной скорости, неизбежно образование отрывных зон на передней кромке створки. По этой причине профиль центральной створки имеет значительную толщину не менее 30%÷50% ее хорды, а профили боковых створок имеют максимальную толщину 5%÷20% своих хорд и максимальную кривизну 3%÷5% своих хорд. Однако тогда на режиме висения образуется застойная зона в углу между створками 4 и 5, которая приводит к значительным потерям давления. Для устранения этого эффекта створки поворачивают таким образом, чтобы между ними всегда оставался зазор, который обеспечивает «слив» застойной зоны. При этом, благодаря большой толщине центральной створки и, соответственно, большому радиусу ее передней кромки, на ней реализуется эффект Коанда: вытекающий через щелевой зазор воздух прилипает к поверхности створки и поворачивается практически вдоль всей ее поверхности, обеспечивая создание дополнительной боковой силы. Это наглядно видно из расчетной картины течения в канале сопла (фиг. 3) и при визуализации течения методом шелковинок при испытаниях в аэродинамической трубе (фиг. 4). В процессе испытаний были определены взаимные перемещения створок, обеспечивающие минимальный уровень потерь тяги сопла. На фиг. 5 и 6 показаны оптимальные законы изменения углов поворота φ и φ створок 3 и 5 соответственно, в зависимости от угла поворота центральной створки φ. При этом, как видно на фиг. 7, поворот центральной створки 4 в диапазоне от -90° до 100° обеспечивает достаточно большой диапазон угла χ поворота вектора тяги R от -50° до 75°.
ид
4
ид
На фиг. 8 показана зависимость отношения тяги сопла к ее идеальному значению R от угла поворота центральной створки φ. Видно, что в данном сопле достигается весьма низкий уровень потерь тяги: на основных режимах полета значение R/R лежит в диапазоне 0.93÷0.98.
Окончательные формы выполнения створок и сопла в целом зависят от конкретной конфигурации вертолета.
Таким образом, упрощение конструкции сопла достигается тем, что для поворота струи на всех режимах полета используют лишь три подвижных элемента (створки) с достаточно простыми связями взаимного расположения. Уменьшение потерь давления в сопле и повышение его эффективности достигается тем, что створки выполнены в виде обтекаемого аэродинамического профиля с центральной створкой, имеющей большую относительную толщину и кривизну, а профили боковых створок имеют меньшую толщину и кривизну, что обеспечивает безотрывное течение в образуемых створками каналах при всех углах поворота струи, а также благоприятное сочетание поворота и ускорения потока в каналах. Обеспечение необходимого для каждого режима полета соотношения боковой и пропульсивной сил с минимальным увеличением вредного сопротивления из-за потери импульса, отбираемого из внешнего потока воздуха достигается тем, что при всех рабочих положениях створок они образуют щелевые каналы, вследствие чего для создания необходимого сочетания сил используется не разделение потока на боковую и продольную струи, а поворот общей истекающей струи на требуемый угол.