УСТРОЙСТВО РУЛЕВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к области авиации и может быть использована в качестве транспортного средства в народном хозяйстве. Соблюдение всех норм авиаперевозки позволит использование предложенной модели как транспортного авиаперевозчика в более узком диапазоне, не расширяя ее возможности эксплуатации в целях безопасности.
Известны вертолеты традиционной, наиболее распространенной в мире, одновинтовой классической схемы- это российские модели МИ- 2, МИ- 8, иностранного производства, например, США модель фирмы Bell типа UH-1 Iroquois, модель 407, модели фирмы Сикорского S-70C, S-76 Spirit, производства Великобритании- Westland Lynx, Италии- Agusta А. 109 и другие.
Традиционный рулевой винт расположенный на балке обладает целым рядом недостатков. Недостатками машин классической схемы являются во-1х, затраты мощности для компенсации реактивного момента, которые составляют около 10% мощности, потребной для вращения несущего винта на режиме висения. При разворотах на висении, особенно на высотах статического потолка и режимах вертикального подъема эти затраты могут достигать 20% и более. Для разгрузки рулевого винта в горизонтальном полете и повышения транспортной эффективности, а также для повышения путевой устойчивости применяют киль, имеющий несимметричный профиль. Но обдувка киля и хвостовой балки потоком от рулевого винта увеличивает потребную тягу. Вредная поперечная сила, создаваемая килем, может достигать 10-15% тяги рулевого винта. В результате влияния оперения растут затраты мощности, необходимые для обеспечения путевой балансировки вертолета. Плюс прочностные ограничения, накладываемые на рулевой винт и его трансмиссию, приводят к ограничениям по скорости разворота на висении и бокового полета. На высоких скоростях рулевой винт создает значительное вредное сопротивление. В горизонтальном полете рулевой винт работает в сложных условиях, когда помимо внешнего воздушного потока на него воздействует спутная струя и вихри несущего винта и фюзеляжа, что приводит к появлению знакопеременных нагрузок. Кроме того, традиционный рулевой винт является источником звуковых колебаний повышенной частоты. Наконец, размещение рулевого винта оказалось небезопасным при полетах вблизи препятствий и во время вращения винтов на земле. По разным источникам, каждая седьмая авария (катастрофа) происходит из-за повреждений рулевого винта при столкновении с препятствиями (провода, ЛЭП, деревья, кустарники, здания и т.п.) или попадании посторонних предметов. (См. Вертолетные заметки Евгения Матвеева. Livejournal, October 3rd, 2013).
Известны вертолеты одновинтовой схемы с рулевым винтом производства Франции такие модели как Eurocopter ТС 135/ ЕС 120, российский вертолет КА-62, американский RAH-66, японский ОН-Х, у которых рулевой винт расположен в кольце на хвостовой балке.
Расположенный в кольце рулевой винт обеспечивает безопасность на висении у земли для работ обслуживающего персонала, особенно в условиях плохой видимости (ночью, в туман, дождь, снег); отсутствие вибраций во всем диапазоне высот и скоростей полета. По результатам многочисленных научных исследований расположенный в кольце рулевой винт эффективен при оптимальном выборе параметров кольца, его кпд значительно выше, чем кпд традиционного рулевого винта, а габариты меньше. В горизонтальном полете без угла скольжения винт в кольце работает практически в условиях работы на месте и некоторая доля боковой силы создается профилированной входной частью туннеля кольца. В горизонтальном полете винт в кольце значительно разгружается и потребляет меньшую мощность, чем традиционный рулевой винт (выигрыш - около 2% полной мощности). Основное преимущество «винта в кольце» - уменьшение турбулентности и срыва вихрей, которые происходят на лопастях винта. Сам агрегат винт в кольце становится более аэродинамически эффективным путем уменьшения сопротивления и шума, а также значительного снижения вибраций. Модель «вертолета-стелс» RAH-66 Comanche оборудована «винтом в кольце», чтобы максимально затруднить обнаружение, поскольку основной шум, создаваемый вертолетом, как правило, приходит от рулевого винта.
Известен одновинтовой вертолет HI 55, принятый за прототип, который конструктивно имеет хвостовую балку с рулевым винтом в кольце.
Недостатком устройства в известных схемах вертолета с рулевым винтом в кольце является расположение винта на конце хвостовой балки. Такое расположение не позволяет получить толщину кольца с аэродинамическим профилированием эффективной компенсации боковой силы, а также достичь оптимального выбора параметров (глубина, расположение плоскости винта в туннеле кольца, геометрия тоннеля до и после плоскости винта). Спутная струя и вихри несущего винта и фюзеляжа полем высокочастотных скоростей ухудшают характеристики винта в кольце при обдуве, что приводит к появлению знакопеременных нагрузок. Перечисленные недостатки можно в значительной степени преодолеть изменением расположения рулевого винта в кольце, однако этому препятствует нецелесообразность общей компоновки и отсутствие достаточной мощности силовой установки для компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств компенсации момента несущего винта и путевого управления, правильный выбор и расположение агрегатов составного реактивного сопла увеличивает импульс силы и присоединенную массу, используя сумму сил давления скоростного напора несущего винта и выхлопных газов в сумме с пониженным давлением (часть вакуумного разрежения) в тракте составного реактивного сопла при работе циклического клапана, и в конечном счете увеличению тяги рулевого винта. Перечисленные параметры позволяют изменить расположение рулевого винта относительно оси несущего винта.
Технический результат достигается тем, что предложенное устройство рулевого винта вертолета характеризуется тем, что в туннеле фюзеляжа вертолета расположен рулевой винт, соосная с ним турбина, связанная своим входом с выходом составного реактивного сопла с эжекторной насадкой, вход реактивного сопла соединен через циклический клапан с трактом горячего сжатого газа компрессора двигателя вертолета, а вход насадки соединен каналом с атмосферой.
На фиг. 1 приведено расположение агрегатов устройства рулевого винта в фюзеляже вертолета (вид сзади в разрезе а-а). Пунктиром показан циклический клапан в положении «закрыто».
На фиг. 2 представлена модель вертолета (вид спереди и вид сверху), у которого устройство рулевого винта расположено в туннеле фюзеляжа вертолета.
В туннеле 1 фюзеляжа 2 вертолета (фиг. 2) расположен рулевой винт 3 соосная с ним турбина 4 (фиг. 1), связанная своим входом 5 с выходом 6 составного реактивного сопла 7 (СРС) с эжекторной насадкой 8, вход 9 реактивного сопла 7 соединен через циклический клапан 10 с трактом 11 горячего сжатого газа 12 компрессора двигателя 13 вертолета (фиг. 2), а вход 14 насадки 8 соединен каналом 15 с атмосферой 16. К рулевому винту 3 подключен укороченный вал 17 привода от двигателя 2.
При работе силовой установки, когда прокручивается несущий винт, сжатый горячий газ 12 компрессора левого двигателя 2 (фиг. 1) проходит агрегаты и направляется в конце концов на турбину 4, которая помогает раскручивать винт 3 в туннеле 1 вместе с валом привода 17 от двигателя 13, работает циклический клапан 10, создается тяга рулевого винта 3 в туннеле 1, компенсируется реактивный момент несущего винта (НВ) и имеется запас мощности для путевого управления вертолетом.
Цикличность работы клапана 10 можно рассмотреть так, что, начиная с некоторого момента скорость движения воздуха в канале 15 и сжатого газа 12 в эжекторной насадке 8 не поддерживается подачей газа 12 клапаном 10 из сопла 7, которая к концу истечения уменьшается, и удаление из насадки массы газа происходит быстрее, чем поступление сжатого газа 12 из сопла 7. Тогда под действием разрежения, образующегося на входной кромке эжекторной насадки 8 и в полости 18, в насадок 8 через вход 14 устремляется масса воздуха 16 по каналу 15, которая движется вслед за удаляющимися порциями 19 газа из эжекторной насадки 8. Кроме того, действие скоростного напора НВ дополнительно «проталкивает» по каналу 15 массу смешанного газа с другими термодинамическими параметрами относительно сжатого газа 12 из окружающего атмосферного воздуха 16 и выхлопных газов двигателей 13. Последовательное присоединения масс по каналу 15 к массе сжатого газа 12, которое по своему механизму принципиально отличается от эжекции в виде турбулентного захвата и дальнейшего смешения и представляет собой взаимодействие разделенных масс типа газового поршня и выталкиваемого или втекающего воздуха. Такой процесс не основан на трении газовых потоков с большими потерями, однако он связан с образованием волн давления и разрежения и волновыми потерями (см. открытие В.Н. Челомей, О.И. Кудрин, А.В. Квасников. Номер и дата приоритета: №314 от 2 июля 1951 г.).
В номинальном режиме работы несущий винт вертолета создает скоростной напор и перепад давления на входе в диффузор эжекторной насадки 8, который при переходе конечной величины массы (порций) смеси выхлопных газов и атмосферного воздуха 16 внутрь диффузора эжекторной насадки 8 добавляет скорость движения к порциям горячей массы 12 компрессора двигателя 13 и циклическая струя приобретает суммарный импульс силы на выходе 6 СРС и входе 5 в турбину 4, которая придает винту 3 требуемую тягу, превышающую тягу традиционого рулевого винта.
В процессе с циклической активной струей ускорение присоединяемой массы воздуха обеспечивает неуравновешенная сила давления атмосферы при восстановлении равновесного состояния в эжекторной насадке 8, нарушаемого воздействием газовой массы 12 каждого импульса циклической активной струи. Причем присоединяемый воздух 16 по каналу 15 в этом процессе ускоряется вслед за массой импульсов сжатого газа 12, практически, без смешения с ними.
В предлагаемой схеме траектории движения масса воздуха, отбрасываемая НВ вертолета, уже не уравновешена, двигается с ускорением при проходе в эжекторную насадку 8. Получаемая в результате последовательного присоединения к массе газа 12 и ускорения массы 16 атмосферного воздуха объединенная масса реактивной струи, истекающая из эжекторной насадки 8, воздействует на лопатки турбины 4, создавая на ее валу суммарный момент, требуемый от активной струи с потенциальной энергией рабочего тела при расширении.
Внешние газовые массы 16 по каналу 15 при восстановлении равновесного состояния, нарушенного «газовым поршнем», «вдавливаются» в эжекторную насадку 8, ускоряясь вслед за ним. При этом тепловая энергии внешних газовых масс (находящихся вне насадка в равновесном состоянии) преобразуется в кинетическую энергию газового потока, состоящего из этих масс. Причем «газовый поршень» 19 не тратит своей энергии на ускорение присоединяемых газовых масс, потому что при оптимальных геометрических пропорциях и термодинамических параметрах процесса они движутся раздельно - вслед друг за другом практически без смешения и трения. Кроме того, истечение газовой массы «поршней» 19 происходит в область с пониженным давлением (по сравнению с давлением газовых масс вне эжекторной насадки 8), которая образуется в эжекторной насадке 8 за счет ускорения внешних газовых масс атмосферы 16, уже присоединенных в предыдущем периоде, при этом тяга реактивного сопла СРС 7 увеличивается (см. RU 2188960. БИ 2002, №25. Б.М. Кондратов или Ф.А. Слободкина, А.В. Евтюхин. Теоретическое исследование импульсного эжектора как устройства увеличения тяги авиационного двигателя, ж. Авиационно-космическая техника и технология. 2003. Вып. 8 (43) с. 31-34) или Ханталин Д.С. Влияние взаимодействия масс газа на тяговую эффективность пульсирующих двигателей pdf.technomag.bmstu.ru>doc/522954.html)
Расположение агрегатов 8, 7, 10, 14 составного реактивного сопла СРС позволяет иметь присоединенную массу, используя сумму сил давления сжатого газа 12 компрессора двигателя 13 силовой установки вертолета, от скоростного напора канала 15 несущего винта и от пониженного давления (часть вакуумного разрежения) в полости 18 между газовыми поршнями 19, в тракте составного реактивного сопла при работе циклического клапана 10. При этом улучшается общий термодинамический цикл расширения объемов поступающего горячего сжатого газа 12 непосредственно по выходному тракту 11 из компрессора левого двигателя 13, но и свободной присоединяемой выхлопной горячей массы газа двигателей. Общая масса газа от этого суммирования приводит к приросту тяги винта 3 в туннеле 1 по сравнению с наличием массы и тягой только за счет пониженного давления 18 между циклическими поршнями 19.
Отбираемая мощность компрессора двигателя 13 используется при преобразовании массы газа 12 с ее термодинамическими параметрами в тягу винта 3 в туннеле 1 для компенсации реактивного момента НВ и рулевого управления потоком 20 через туннель 1.
Кроме компенсации реактивного момента, винт в туннеле используется для путевого управления через механизм изменения шага (углов установки лопастей) винта, изменяется величина силы относительно вертикальной оси, осуществляется путевое управление. При необходимости пилот может воспользоваться управлением поворотного киля 21.
Предложенная модель позволяет получить сопутствующие расширению арсенал технических средств компенсации момента несущего винта и путевого управления преимущества такие свойства, как расположение рулевого винта в туннеле фюзеляжа (фиг. 2), обеспечение необходимой глубины тоннеля для оптимального расположения винта внутри тоннеля с минимальными гидравлическими потерями входа и выхода из туннеля, уменьшение знакопеременных нагрузок на рулевой винт в туннеле, расположенного на меньшем радиусе от оси общей тяги, в поле меньших скоростей несущего винта.