Вертолет с реактивным приводом несущего винта
HELICOPTER WITH REACTIVE ROTOR DRIVE

Изобретение относится к области авиации и касается конструкции одновинтовых вертолетов, а именно конструкции несущего винта, содержащего турбореактивный двигатель (ТРД), установленный на концах лопастей НВ.
Поиск перспективных путей дальнейшего увеличения грузоподъемности и полезной нагрузки винтокрылых летательных аппаратов в середине прошлого века привел к созданию вертолетов с реактивным приводом несущего винта, а именно, с таким приводом, при котором крутящий момент винта создается силой реакции газов.
Самым простым решением привода несущего винта (НВ) вертолета является установка движителей на концах лопастей, при этом отсутствует реактивный момент несущего винта на корпус вертолета, следовательно, нет необходимости в энергоемких и громоздких средствах его парирования, что также упрощает компоновку вертолета.
Известен вертолет (патент РФ № 2333867, МПК В64С 27/06; В64С 11/08), содержащий фюзеляж, двигатель, несущий винт и рулевой винт. Лопасть несущего винта, имеет обрамление вдоль задней кромки, и это обрамление жестко связанно с центральным валом. На конце обрамления, установлен турбореактивный двигатель для привода лопасти во вращательное движение. Лопасть несущего винта подвижно прикреплена петлями (подвижной пружиной) к обрамлению, и в целом они составляют несущую лопасть, и таким образом, турбореактивный двигатель оказывается прикрепленным к лопасти несущего винта. Топливо к турбореактивному двигателю подводится трубопроводами, размещенными в обрамлении. Проведенные испытания на макетах продемонстрировали увеличение подъемной мощности вертолета за счет ТРД на 15%. При этом увеличение подъемной силы вертолета происходит не только за счет установки ТРД на концах лопастей несущего винта, но и особой конструкции несущего и рулевого винтов, передняя и задняя кромка лопастей которых имеют форму, образованную, пересечением двух парабол. Сложная форма лопасти несущего винта, выполненная согласно расчету, и сложная внутренняя конструкция, состоящая из подвижной части и неподвижного обрамления, закрепленного механически замкнутым кольцом, делают изготовление лопасти весьма затруднительным. Все это создает определенные конструктивные трудности. А учитывая то, что над лопастями несущего винта установлен дополнительно усеченный параболоид вращения, все это еще больше усложняет конструкцию.
Известен вертолет с реактивным приводом несущего винта (патент РФ № 2656780, МПК В64С 27/18) с реактивными двигателями, размещенными внутри лопастей вдоль их осей с движением газового потока через двигатели в направлении от оси винта к периферии лопастей, с выходом газов в сторону задней кромки лопастей несущего винта, Дополнительно для повышения эффективности работы и мощности вертолета, он снабжен реактивными двигателями, размещенными на втулке несущего винта с движением газового потока через двигатели в направлении от оси несущего винта в сторону, противоположную направлению вращения несущего винта. Недостатком вертолета является сложная и громоздкая конструкция лопасти винта, выполненного с внутренним каналом, для размещения двигателей, использование пульсирующих двигателей с низким КПД. Твердо-реактивные двигатели, размещенные на втулке несущего винта подвержены гироскопическому эффекту, что способствует их повреждению и разрушению.
Известен опытный образец вертолёта В-7 (прототип), на несущем винте которого были установлены горизонтально турбореактивные двигатели (http://xn--80aafy5bs.xn--p1ai/aviamuseum/aviatsiya/sssr/vertolety/vertolety-kb-milya/legkij-vertolet-v-7/). Разработкой такого вертолёта занималось ОКБ М.Л. Миля с 1956 по 1965г. Конструкция вертолета была максимально простой. Основу составлял цельнометаллический каплевидный фюзеляж полу-монококовой клепаной конструкции. В верхней части силовых шпангоутов монтировалась на болтах литая плита. К фланцу плиты крепился редуктор, состоявший из вала несущего винта и приводов агрегатов. На оси вала несущего винта устанавливались втулка с лопастями и автомат перекоса. К переднему торцу плиты присоединялся кронштейн с качалками управления и гидроусилителями. Топливный бак находился под полом. Насос направлял горючее в топливный регулятор, из которого оно поступало в коллектор вала несущего винта и оттуда под действием центробежной силы — к ТРД, расположенным горизонтально на концах лопастей двухлопастного несущего винта.
Лопасти прямоугольной формы имели стальной лонжерон в виде стальной трубы, деревянный каркас и фанерную обшивку. Они крепились к втулке посредством осевых и общего горизонтального шарниров. В носках нервюр лопастей были проложены две трубки топливопитания. Электропроводка проходила внутри лонжерона. Сверху на конце вала несущего винта монтировался токосъемник приборов силовой установки. Рулевой винт был установлен сзади фюзеляжа на короткой трубчатой ферме.
При испытаниях опытного вертолёта В-7, турбореактивные двигатели разрушались из-за гироскопического момента, возникающего в двигателях, и отрывались от концов лопастей несущего винта.
Несмотря на все усилия конструкторов, избавиться от гироскопического момента, возникающего в турбореактивном двигателе, который приводит к разрушению ТРД, не удалось, и работы были прекращены.
Технический результат - повышение надежности вертолета за счет изменения вектора тяги двигателей с вертикального на горизонтальный и создание горизонтального вращающего момента на несущий винт, таким образом, устранение того разрушительного гироскопического момента, воздействующего на ротор турбореактивного двигателя, который наблюдался в прототипе – вертолете В7.
Технический результат достигается за счет того, что в вертолете с реактивным приводом несущего винта, содержащем фюзеляж, несущий винт, на оси вала которого установлена втулка с автоматом перекоса и с четным количеством лопастей, вращающихся в горизонтальной плоскости, снабженных полыми стальными штангами, на концах которых размещены турбореактивные двигатели, лопасти выполнены с возможностью качания относительно оси штанги, а турбореактивные двигатели установлены вертикально на вилках, соединенных со штангами с возможностью качания в вертикальной плоскости, проходящей через оси штанги для сохранения вертикального положения двигателя за счет гироскопического эффекта при качании лопасти несущего винта вверх-вниз в течение полного оборота винта.
Новизна изобретения заключается в том, что в вертолете с реактивным приводом несущего винта, турбореактивные двигатели устанавливают (навешивают) вертикально на вилках, соединенных со штангами на концах лопастей несущего винта, в отличие от прототипа, где они были установлены горизонтально. При вертикальной установке двигателя возникает возможность избавиться от гироскопического момента, воздействующего ранее на ТРД, установленного горизонтально, как в вертолете В-7.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 Общий вид вертолета.
Фиг.2 Вид лопасти несущего винта с турбореактивным двигателем.
Фиг.3 Схема устройства лопасти несущего винта.
Фиг.4 Схема устройства турбореактивного двигателя.
Фиг.5 Схема вертикального положения двигателя независимо от положения лопасти.
Перечень обозначений на фиг.1-5:
1. фюзеляж (корпус)
2. несущий винт (НВ);
3. лопасть несущего винта;
4. турбореактивный двигатель;
5. втулка несущего винта;
6. штанга НВ;
7. поводок качания лопасти НВ от автомата перекоса;
8. вилка крепления турбореактивного двигателя (ТРД);
9. приливы на корпусе двигателя;
10. ротор ТРД;
11. воздухозаборное устройство (ВЗУ);
12. газовыхлопное устройство (ГВУ);
13. гребешок;
14. топливопровод, электрические провода, трубка пожаротушения.
15. ограничитель наклона турбореактивного двигателя.
Вертолет содержит (Фиг.1) фюзеляж 1 и несущий винт (НВ) 2 с четным количеством лопастей 3, на концах которых размещены турбореактивные двигатели 4. Количество лопастей в несущем винте должно быть чётным, так проще проводить попарную балансировку двигателей по весу (если такая необходимость возникнет). Турбореактивный двигатель 4 (ТРД) разрабатывается специально для данного вертолёта с вертикальным рабочим положением.
Лопасть 3 несущего винта 2 (Фиг.2,) крепится шарнирами ко втулке 5 НВ при помощи круглой штанги 6. В связи с тем, что ТРД установлен на конце лопасти НВ, на него воздействует центробежная сила, величина которой зависит от числа оборотов НВ (в среднем 200 – 350 оборотов/минуту), на конце лопасти развивается околозвуковая скорость. Для уменьшения оборотов НВ и сохранения достаточной подъёмной силы площадь лопасти и её профиль рассчитывают так, чтобы добиться минимально возможных оборотов. Установка ТРД на конце лопастей влечёт за собой повышенную разрывающую нагрузку на лопасть из-за возникающей центробежной силы от массы двигателя. Для усиления лопасти в ней прокладывают стальную трубу – штангу 6 (Фиг. 2, 3). Штанга 6 несёт основную механическую нагрузку, и, поэтому ее располагают внутри лопасти 3. Для этого в верхней части лопасти предусмотрена продольная канавка, в которую укладывают круглую металлическую штангу 6 с надетыми на неё 3-4мя упорными подшипниками. Сверху штангу закрывают накладкой, которую крепят к лопасти с помощью само-контрящихся винтов. Лопасть свободно качается вокруг оси штанги с помощью поводка от автомата перекоса 7, который шарнирно прикреплён к лопасти 3 (Фиг. 3). Осевой шарнир в данной конструкции представлен парой: штанга – лопасть. Штанга 6, к втулке НВ 5 прикреплена с помощью двух шарниров. Один шарнир даёт свободу качания штанги в горизонтальной плоскости, второй шарнир даёт свободу качания штанги в вертикальной плоскости, (шарниры на рисунке не показаны, т.к. не относятся к данному изобретению). С другой стороны на штанге установлена вилка 8 (Фиг. 3) для крепления ТРД.
вертикально.
Вилка обеспечивает свободное качание ТРД в вертикальной плоскости, позволяя сохранять его вертикальное положение при качании лопасти в течение полного оборота. Вертикальное положение ТРД сохраняется за счёт гироскопического эффекта от вращения ротора двигателя - 12000 оборотов/минуту. Вращение НВ начинают только после запуска всех двигателей (2, 4 или 6 и т.д.). Для этой цели предусмотрен тормоз НВ. Во избежание гироскопического эффекта, который возникал в прототипе, и от которого страдают вращающиеся детали ТРД 4, двигатели устанавливают  Крепление ТРД к вилке осуществляют за счёт приливов 9 (Фиг. 4), которые расположены на ТРД, незначительно выше центра тяжести ТРД. На корпусе двигателя сделано 4 прилива, что позволяет поворачивать двигатель на 90° в процессе эксплуатации при регламентных работах, т.к. в двигателе изнашиваются подшипники с внешней стороны НВ. После поворота двигателя, подшипники начинают изнашиваться с другой стороны, тем самым, продлевая рабочий ресурс двигателя. Используя приливы на двигателе в процессе эксплуатации, через определённое количество моточасов, двигатель можно развернуть вокруг его оси на 90°, 180°, 270°, сместив отработанные участки подшипников в менее нагруженные сектора, это и продлевает ресурс двигателя. В статическом состоянии двигатель сам располагается вертикально за счёт своего веса.
Ротор двигателя должен вращаться в противоположную сторону вращения НВ
После запуска двигателя и вращения НВ, вертикальное положение двигателя сохраняется за счёт ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, возникающего от вращения ротора двигателя 10 (12000-15000 об./мин.). , это создаёт дополнительный вращающий момент на НВ от реакции статора двигателя относительно ротора (статор двигателя ТРД и лопасть НВ закреплены между собой). Гироскопический эффект от вращения ротора (примерно 12000 оборотов/в минуту) позволяет удерживать двигатель в вертикальном положении при качании лопасти НВ вверх, вниз.
Лопасть НВ легко качается вокруг круглой оси штанги 6 (Фиг. 3) с помощью поводка 7 (Фиг. 3) от автомата перекоса и она не испытывает других механических нагрузок, кроме своей основной – создание разной подъёмной силы в течение одного оборота НВ. Навешивание двигателя через вилку 8 (Фиг. 3) к круглой штанге 6, позволяет двигателю сохранять вертикальное положение, независимо от колебания штанги вверх – вниз вместе с лопастью, в течение полного оборота НВ (Фиг.5).
Забор воздуха в двигатель осуществляют через воздухозаборное устройство 11 (ВЗУ) (Фиг. 4). ВЗУ выполнено в виде трубы, диаметром, равным диаметру двигателя, плавно изогнутой под углом 90°. ВЗУ направлено в сторону вращения НВ. Выход ВЗУ прикреплен к верхней (входной) части двигателя. Предусмотрен разворот ВЗУ на 180° при отказе двигателя, что уменьшит аэродинамическое сопротивление ВЗУ.
Изменение вектора тяги с вертикального, на горизонтальное, осуществляют с помощью газовыхлопного устройства 12 (ГВУ) (Фиг. 4). ГВУ выполнено в виде трубы, диаметром, равным диаметру двигателя, плавно изогнутым под углом 90°, оно изготовлено из высокожаропрочного материала. Вход ГВУ прикреплен к нижней (выходной) части двигателя 4. Горизонтальная часть ГВУ не перпендикулярна НВ, а несколько развёрнута во внешнюю сторону НВ. Разворот ГВУ создаёт частичную компенсацию центробежной силе, воздействующей на двигатель, и интенсивнее рассеивает выхлопные газы. Разворот ГВУ снижает КПД двигателя, поэтому необходимо подбирать оптимальный угол разворота ГВУ.
0
Гребешок 13 (Фиг.4) предназначен для разворота ВЗУ на 180 от набегающего потока воздуха в случае отказа двигателя, тем самым он  уменьшает аэродинамическое сопротивление ВЗУ.
Внутри полой штанги 6 (Фиг. 3) прокладывают: топливопровод, электрические провода для обеспечения работы ТРД, а также трубку пожаротушения - 14.
Нижняя часть турбореактивного двигателя 4 соединена троссовым поводком 15 с концом штанги 6 (Фиг.5), для предотвращения «заваливания» двигателя, при его отказе и исчезновении гироскопической силы, удерживающей двигатель в вертикальном положении. При верхнем, среднем и нижнем положении лопастей несущего винта 3 турбореактивный двигатель 4 сохраняет вертикальное положение (Фиг.5).
Электрические провода подключают к электрической схеме вертолёта через кольцевой токосъёмник.
Режим работы сигнализации турбореактивного двигателя и его управление осуществляются по радиоканалу.
Топливный бак размещают в корпусе вертолёта. Топливо подают в топливо-провод через топливный насос и вращающийся топливный коллектор. После топливного коллектора, в начале топливопровода, предусмотрен топливный электрический клапан, для отключения подачи топлива при аварийной ситуации на конкретном двигателе. После начала вращения НВ топливный насос может быть отключен, топливо к двигателю начнет поступать за счёт центробежной силы.
Кроме того, установка турбореактивного двигателя вертикально (весом от 10 до 15 кг) на концах лопастей несущего винта имеет следующие преимущества:
В первую очередь это позволяет избавиться от двух тяжёлых турбореактивных двигателей ТВ2-117а и редуктора несущего винта, общей массой около 1500 кг, что позволяет увеличить грузоподъёмность и полезную нагрузку на указанную величину и выше, в зависимости от мощности и количества установленных ТРД (в сравнении с вертолетом  МИ-8).
В связи с уменьшением реакции несущего винта на корпус вертолёта, мощность рулевого винта можно значительно снизить и выполнить электрический привод рулевого винта (от электродвигателя) с изменением числа оборотов, и встроить рулевой винт в руль направления. Таким образом, рулевой винт будет использоваться только в режиме висения, и на малых скоростях полета.
Преимущества установки турбореактивного двигателя вертикально на концах лопастей в вертолете также заключаются в:
- существенном снижении массы вертолета и, как следствие, в
увеличении коммерческой загрузки,
- значительном снижении расхода топлива,
- увеличении дальности полёта вертолёта,
- увеличении налёта моточасов,
- снижении стоимости обслуживания,
- улучшении комфорта на рабочем месте экипажа и пассажиров, от уменьшения шума двигателей.