УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ХВОСТОВОГО ВИНТА НА ОДНОВИНТОВОМ ВЕРТОЛЕТЕ

Полезная модель относится к авиации, к области конструирования и эксплуатации вертолетов одновинтовой схемы с рулевым винтом.
В известных одновинтовых вертолетах движительная сила для горизонтального полета создается несущим винтом (НВ), который с этой целью наклоняется автоматом перекоса в сторону движения вертолета. Это обстоятельство отрицательно сказывается на больших скоростях полета, так как наклон вектора тяги НВ влечет за собой увеличение ϕ° общего шага НВ, и при увеличении скорости полета увеличивается сопротивление обтекания профилей вперед идущей лопасти, что увеличивает сопротивления НВ и, как следствие, ограничивается максимальная скорость вертолета.
Проблемой при конструировании и эксплуатации вертолетов одновинтовой схемы с рулевым винтом является увеличение скорости и дальности полета вертолета без усложнения трансмиссий и винтов.
Известны вертолеты, которые используют пропеллеры для уменьшения или даже исключения движительной силы НВ, что позволяет увеличить максимальные скорости вертолетов до 400 и более км/час.
Так, на вертолете AAFSS фирмы «Локхид» (фиг. 4) помимо характерных для вертолетов агрегатов на хвостовой балке установлены два винта с изменяемым шагом, один из которых является пропеллером, тяга которого направлена вдоль продольной оси вертолета, а другой - рулевым винтом, тяга которого перпендикулярна плоскости симметрии вертолета. НВ используется только для создания подъемной силы и управления по крену и тангажу.
Недостатком этой конструкции вертолета является наличие усложненной трансмиссии и двух винтов.
Известен вертолет 16Н-1А «Пасфайндер» фирмы «Пясецкий» (фиг. 5), особенностью которого является установка в хвостовой части фюзеляжа хвостового винта, помещенного в канал с аэродинамическими рулями на выходе из канала. Ось винта направлена вдоль продольной оси вертолета. Создаваемый хвостовым винтом воздушный поток отклоняется аэродинамическими рулями в том направлении, в каком необходимо получить реактивную тягу. На висении вертолета отклоняемый рулями воздушный поток перпендикулярен плоскости симметрии вертолета, и создаваемая им реактивная тяга уравновешивает момент от несущего винта. В горизонтальном полете вектор этой тяги устанавливается рулями под углом к плоскости симметрии вертолета. Его проекции на оси X и Z являются соответственно продольной движущей силой и поперечной, уравновешивающей момент несущего винта.
Недостатком этого устройства является наличие постоянных гидравлических потерь, связанных с обтеканием аэродинамических рулей воздушным потоком, что значительно снижает КПД хвостового винта, особенно на висении, когда поток необходимо повернуть на 90°.
За прототип заявляемого устройства установки хвостового винта на одновинтовом вертолете принята установка рулевого винта на вертолете Ми-8 (Данилов В.А. Вертолет Ми-8. Устройство и техническое обслуживание. М., «Транспорт», 1988). Рулевой винт вертолета Ми-8 установлен на концевой балке, предназначенной для выноса оси вращения рулевого винта в плоскость вращения НВ. Ось рулевого винта всегда перпендикулярна оси симметрии вертолета. Концевая балка клепаной конструкции и своими аэродинамическими обводами играет роль киля. Верхняя часть концевой балки оканчивается жесткой диафрагмой в виде фланца, к которому неподвижно закреплен хвостовой редуктор, на оси которого закреплен рулевой винт изменяемого шага (ВИШ). Изменение угла атаки лопастей винта производится выдвигаемым из центра втулки поводком с тремя рычагами (по количеству лопастей), которые с помощью тяг синхронно поворачивают лопасти винта, изменяя его шаг. Концевая балка в своей нижней части с помощью фланца крепится к хвостовой балке. В месте крепления установлен промежуточный редуктор, который изменяет направление трансмиссионного вала, обеспечивая привод хвостового редуктора и рулевого винта. Так как тяга рулевого винта всегда перпендикулярна оси симметрии вертолета, то ее действие заключается только в путевом управлении полетом и компенсации момента НВ.
К недостатку этой установки следует отнести невозможность использовать потенциальные возможности тяги воздушного (рулевого) винта в создании движительной силы при полете со скоростью, когда момент от НВ уменьшается.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в снижении движительной функции НВ на одновинтовых вертолетах для увеличения скорости полета вертолета, в том числе максимальной, а также увеличения дальности полета.
Технический результат достигается тем, что в устройстве установки хвостового винта на одновинтовом вертолете, содержащем хвостовую и концевую балки, воздушный винт изменяемого шага, трансмиссионный вал, промежуточный редуктор и хвостовой редуктор, который установлен на торцевой диафрагме концевой балки вместе с механизмом изменения шага винта и воздушным винтом, ось которого лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии вертолета, новым является то, что трансмиссионный вал хвостового редуктора установлен промежуточным редуктором вертикально вверх и перпендикулярно торцевой диафрагме концевой балки, а хвостовой редуктор соединен с механизмом вращения, выполненным с возможностью поворота редуктора вместе с воздушным винтом относительно оси трансмиссионного вала и возможностью стопорения их под разными углами поворота, при которых вектор тяги воздушного винта обеспечивает как рулевое управление вертолетом, так и движущей силой горизонтального полета.
В устройстве установки хвостового винта на одновинтовом вертолете хвостовой редуктор соединен с механизмом вращения с помощью цепной передачи.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется на фиг. 1-фиг. 5, где:
фиг. 1 - Вертолет с заявляемой установкой хвостового винта;
фиг. 2 - Устройство установки хвостового винта на концевой балке;
фиг. 3 - Сечение Б-Б; цепная передача привода хвостового редуктора;
фиг. 4 - Вертолет AAFSS в полете;
фиг. 5 - Вертолет 16Н-1А в полете.
х
y
Здесь: 1 - хвостовой винт изменяемого шага (ВИШ); 2 - одновинтовой вертолет; 3 - хвостовая балка; 4 - концевая балка; 5 - промежуточный редуктор; 6 - хвостовой редуктор; 7 - механизм вращения (поворота); 8 - трансмиссионный вал; 9 - трубчатый лонжерон; 10 - подшипники; 11 - шкворень; 12 - цепь роликовая; 13 - звездочка редуктора; 14 - звездочка механизма вращения; α - угол поворота хвостового винта; Т - тяга хвостового винта; Т - проекция тяги Т на ось X; Т - проекция тяги Т на ось Z.
Заявленное устройство установки хвостового винта 1 на одновинтовом вертолете 2 содержит следующие основные части (узлы): хвостовую 3 и концевую 4 балки, промежуточный 5 и хвостовой 6 редукторы, механизм вращения (поворота) 7 и трансмиссионный вал 8. Промежуточный редуктор 5, установленный в месте соединения хвостовой 3 и концевой 4 балок, обеспечивает направление трансмиссионного вала 8 вертикально вверх перпендикулярно торцу концевой балки 4, на торцевой диафрагме которой установлен хвостовой редуктор 6 вместе с закрепленным на его валу хвостовым винтом 1. Концевая балка 4 состоит из трубчатого лонжерона 9 и обшивки с нервюрами, которые клепкой и болтами соединены с лонжероном 9, содержащим две подшипниковые опоры 10, соосные с трансмиссионным валом 8. Хвостовой редуктор 6 с помощью своего шкворня 11 установлен в подшипниках 10 с возможностью поворота в них с помощью цепной передачи, состоящей из цепи 12, звездочки 13, установленной на хвостовом редукторе 6, и насаженной на вал механизма вращения 7 звездочки 14. Механизм поворота 7 реверсивного типа содержит тормоз, который при выключении механизма стопорится и надежно фиксирует хвостовой редуктор 6 с винтом 1 в повернутом положении.
z
х
При взлете одновинтового вертолета 2 хвостовой винт 1, зафиксированный механизмом вращения 7 под углом α=0°, выполняет функцию рулевого винта. Увеличение скорости полета и сам полет вертолета может происходить как от движительной силы НВ, так и от тяги хвостового винта, который при этом должен быть повернут на угол α. При этом система управления вертолетом посредством механизма изменения шага винта при любых углах α должна постоянно обеспечивать составляющей тяги T уравновешивание момента НВ и путевое управление вертолетом, а неизбежно сопутствующая ей составляющая Т выполняет роль движущей силы хвостового винта. Задачей системы управления вертолетом является также обеспечение баланса между движительными силами НВ и хвостового винта.
max
z
max
z\
max
х
max
max
Возможны разные варианты применения заявленного устройства на одновинтовых вертолетах. Например, вариант с ограничением мощности, передаваемой по трансмиссионному валу. Здесь максимальный угол поворота хвостового винта определяется максимальной величиной тяги Т, получаемой при заданной мощности. Составляющая этой тяги T должна уравновешивать момент НВ и выполнять рулевые функции. При этом α=arccos T/T (а максимальная движительная сила Т=Т⋅sinα).
max
Возможен вариант применения с α≈90°. В этом случае момент, создаваемый составляющей тяги, перпендикулярной оси симметрии вертолета, может менять знак. Режим полета такого вертолета будет соответствовать полету автожира.
Преимуществом заявленного устройства установки хвостового винта на одновинтовом вертолете является возможность увеличить скоростные характеристики вертолета: крейсерскую скорость; экономическую скорость; максимальную скорость, а также увеличить дальность полета.