АЭРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ
AERODYNAMIC PROPELLER

Изобретение относится к авиации, в частности к конструкции тянущих и несущих винтов беспилотных летательных аппаратов и сверхлегких самолетов.
Известные из уровня техники воздушные винты можно разделить на три основных типа: винты фиксированного шага (ВФШ); винты изменяемого шага (ВИШ); аэромеханические воздушные винты (ABB).
Винты фиксированного шага обеспечивают высокое значение коэффициента полезного действия (КПД) только в узкой области значений относительной поступи винта λ, близкой к оптимальному режиму его работы
0
где V - скорость набегающего потока (или скорость полета), принятая за расчетную, м/с;
n - частота вращения винта, об/мин;
D - диаметр винта, м.
Поэтому изменение скорости полета V или частоты вращения n, то есть увеличение или уменьшение относительной поступи винта λ по сравнению с его оптимальным значением, приводит к существенному снижению КПД винта.
max
Кроме того, винт фиксированного шага имеет другой существенный недостаток, заключающийся в том, что такой винт, снимает максимальную мощность двигателя N только на одном режиме полета, для которого он подобран, а на всех других режимах такой винт для двигателя становится либо «тяжелым», либо «легким».
Чтобы избежать недостатков, присущих винтам фиксированного шага, в авиации, в большинстве случаев, применяют винты изменяемого шага (ВИШ), то есть выполняют винт с поворачивающимися относительно оси лопастями. Такой винт, по существу, представляет собой серию винтов с одинаковым диаметром, но с различными углами установки лопастей. Изменяя угол установки лопастей, в зависимости от скорости V и частоты вращения n, можно получить винт, очень близкий к оптимальному.
Основным недостатком винта изменяемого шага является большая конструктивная сложность узлов крепления и системы управления положением лопастей. Именно по этой причине ВИШ затруднительно, а часто и невозможно, применить на небольших беспилотных летательных аппаратах.
На некоторых ЛА используются аэромеханические воздушные винты, занимающие как по эффективности, так и по конструктивной сложности, промежуточное положение между рассматриваемыми двумя типами винтов.
Одним из недостатков аэромеханических винтов является большая конструктивная сложность узлов крепления лопастей. Из-за достаточно больших инерционных сил, действующих на каждую из лопастей, масса их подшипниковых узлов оказывается большой, а это, в свою очередь, требует существенного увеличения прочности, а значит и массы всей втулки винта.
Из источников патентной информации известен воздушный винт, лопасти которого имеют изменяемую геометрию за счет использования упругого элемента, общего для всех лопастей (см. заявку Франции №1311648, кл. B64D, 1962).
Известен воздушный винт, содержащий втулку и лопасти, которые под действием центробежной силы поворачиваются вокруг продольной оси лопасти во втулке в сторону увеличения шага, при этом момент от аэродинамической силы противодействует этому повороту благодаря скошенному положению лопасти относительно втулки (см. патент Австрии №243099, кл. B62D 57/04).
Недостатком таких воздушных винтов является невысокая надежность и сложность изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является воздушный винт, описанный в патенте РФ на изобретение №2349504, кл. В64С 27/48, 20.03.2009. Воздушный винт с изменяемым шагом лопастей и элементами управления шагом каждой лопасти, соединенной с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, при этом каждый торсион на всем упругом участке между лопастью и валом или в зоне по длине этого участка, испытывающей преимущественно деформацию кручения, выполнен в виде балки, состоящей из набора продольно расположенных силовых элементов открытого профиля с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичным заполнителем, а в заделках по концам торсиона или участка кручения силовые элементы соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью.
Такой винт хорошо работает при косой обдувке или неравномерном поле скоростей перед винтом благодаря упругим переходным участкам, обеспечивающим некоторую свободу поворота лопасти относительно исходного угла, выработанного регулятором шага.
Недостатком данного винта является то, что он требует достаточно сложную систему управления шагом, что неприемлемо к беспилотным и сверхлегким летательным аппаратам.
Техническая задача изобретения - разработка саморегулирующегося (адаптивного) винта за счет совместного использования упругих свойств переходного участка лопасти и аэродинамических сил, действующих на нее.
Решение технической задачи предлагаемого изобретения достигается тем, что аэромеханический воздушный винт, состоящий из лопастей, соединенных с втулкой, закрепленной на валу, и каждая лопасть соединена с валом винта при помощи упругих на кручение элементов, имеет упругий на кручение элемент в виде корневого переходного участка лопасти, при этом установка лопастей на необходимый угол обеспечена смещением на некоторое конструктивно выбранное расстояние центра давления лопасти относительно оси жесткости ее упругого на кручение корневого переходного участка.
Плечо приложения равнодействующей силы тяги, создаваемой на лопасти относительно оси жесткости упругого на кручение переходного участка, а значит и крутящий момент на переходном участке можно изменять за счет изменения взаимного расположения лопасти и ее упругого на кручение корневого переходного участка в плоскости вращения винта.
Восстанавливающий момент, создаваемый за счет упругих сил переходного корневого участка, изменяют либо за счет подбора материала, либо за счет изменения полярного момента сечения переходного участка.
При работе винта на месте (V=0), углы атаки на сечениях лопастей будут максимальными, а значит, максимальными будут и силы, действующие на каждую из лопастей. За счет этих сил лопасти будут повернуты (в пределах упругих деформаций переходных участков) на минимальные углы атаки. С увеличением поступи винта (например, за счет увеличения скорости V) углы атаки лопастей уменьшаются, уменьшаются и силы, действующие на лопасти. Но уже при незначительном уменьшении силы тяги под воздействием упругих деформаций корневых переходных участков одновременно уменьшается угол поворота лопастей, то есть увеличиваются углы атаки.
При любой поступи винта лопасти сами будут устанавливаться на углы атаки, при которых:
аэр.
у.д.
М=М
аэр
где М - момент создаваемой аэродинамической силой тяги лопасти на переходном участке относительно его оси;
у.д.
М - реактивный момент, который создается упругим переходным участком лопасти винта, при его скручивании.
аэр.
Момент, создаваемый силой тяги, можно определить по формуле М=Pb,
где P - аэродинамическая сила, действующая на одну лопасть;
b - плечо силы P, относительно оси жесткости упругого переходного участка.
Момент, возникающий вследствие упругих деформаций, определяют по формуле
у.д.
М=kφ,
где φ - угол поворота лопасти за счет упругих деформаций;
k - коэффициент, учитывающий свойства материала и полярный момент сечения переходного участка лопасти.
Тяга предлагаемого винта при увеличении его поступи снижается значительно медленнее, чем у винта фиксированного шага. При этом характер изменения тяги винта, в зависимости от его поступи, зависит только от жесткости корневых переходных участков лопастей.
При значительной (выше расчетной) поступи винта лопасти возвращаются в исходное положение и при дальнейшем увеличении скорости винт работает как ВФШ.
Применение предлагаемого воздушного винта позволяет снять полную мощность двигателя в сравнительно широком диапазоне поступи винта без применения сложных по конструкции ВИШ.
Применение предлагаемого винта вместо ВФШ на беспилотных и сверхлегких самолетах позволит, при сохранении тех же характеристик летательного аппарата, значительно снизить вес силовой установки за счет уменьшения ее мощности, а следовательно, и вес летательного аппарата в целом. Кроме того, повышается КПД винта, что приводит к уменьшению как километрового, так и часового расхода топлива.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 показан аэромеханический воздушный винт; на фиг, 2 - то же, при расположении лопастей позади втулки; на фиг.3 - то же, саблевидная форма лопасти с изменяемой геометрией при малом диаметре винта.
Аэромеханический воздушный винт, показанный на фиг.1, состоит из лопастей 1 и втулки 2, закрепленной на валу 3. Каждая из лопастей 1 имеет цилиндрический корневой переходной участок, выполняющий роль гибкого вала, повернутый в плоскости вращения винта на некоторый угол относительно средней линии лопасти винта. Такое взаимное расположение корневого переходного участка и самой лопасти 1 обеспечивает смещение точки А - точки приложения равнодействующей аэродинамической силы, действующей на лопасть 1, относительно оси жесткости корневого переходного участка на плечо b. Корневой переходный участок лопасти 1 заканчивается узлом крепления к втулке 2, выполненным, например, в виде ласточкина хвоста.
аэр
Лопасти 1 винта при его создании устанавливаются на углы атаки, оптимальные для крейсерской скорости. Такой винт на скорости, близкой к нулю, будет «тяжелым» для двигателя. Однако при запуске двигателя и выводе его на повышенные режимы работы сила тяги, действующая на лопасть на плече b, создает момент M, который, закручивая переходный участок, устанавливает лопасть на угол атаки, близкий к оптимальному, на скорости, близкой к нулю. При изготовлении винта это осуществляется за счет подбора материала или изменения полярного момента сечения корневого переходного участка лопасти 1.
По мере увеличения поступательной скорости винта уменьшаются углы атаки лопастей 1, а это ведет к уменьшению тяги винта. Однако даже при незначительном уменьшении тяги винта уменьшаются и моменты, скручивающие корневые переходные участки. Поэтому за счет упругих сил этих участков, с ростом поступательной скорости винта, лопасти поворачиваются на все большие углы установки сечений φ. При этом углы атаки а сечений лопастей изменяются незначительно. Следовательно, тяга винта по скорости полета уменьшается значительно меньше, чем у винтов фиксированного шага.
С увеличением диапазона скоростей полета увеличивается угол закручивания корневого переходного участка лопасти 1.
Известно что:
кр
где M - крутящий момент;
l - длина переходного участка;
G - модуль сдвига;
p
I - полярный момент инерции,
то есть угол закручивания пропорционален длине участка лопасти.
С ростом длины корневого переходного участка лопасти увеличивается не только угол закручивания, но и его изгиб.
В этом случае лопасти 1 тянущего винта (фиг.2) располагают таким образом, чтобы они корневыми переходными участками опирались на опорные ролики 4.
При малой мощности двигателя и соответственно малом диаметре винта (фиг.3) устанавливают винты с лопастями изменяемой геометрии непосредственно на вал двигателя (без использования редуктора). В этом случае, с целью задержки волнового кризиса на концах лопастей, последние могут иметь саблевидную форму. По принципу работы такой винт не отличается от работы винта, рассмотренного выше.