Трансмиссия вертолёта соосной схемы несущих винтов
HELICOPTER TRANSMISSION OF ROTOR COAXIAL CONFIGURATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при разработке или модернизации систем привода для винтокрылых аппаратов с соосными несущими винтами и других схем.
Уровень техники
Известна конструкция системы привода соосных несущих винтов вертолета, в которой втулки несущих винтов установлены на неподвижной опоре редуктора на подшипниках с возможностью вращения вокруг нее («Трансмиссия соосных винтов летательного аппарата», Авторское свидетельство СССР №692226 от 20.12.1976 г.).
В известном устройстве неподвижная опора (опорная мачта) выполнена в виде полой трубы и жестко закреплена к корпусу вертолета, а во втулках несущих винтов установлены планетарные зубчатые передачи, причем втулка одного несущего винта соединена с водилом сателлитов, а втулка другого несущего винта соединена с наружным колесом планетарной передачи, причем центральные колеса планетарных передач установлены на рессоре, а неподвижная опора (мачта) в месте установки нижнего несущего винта имеет фланец с полостями, в которых размещены сателлиты планетарной передачи.
Такое техническое решение системы привода и установки несущих винтов позволяет ограничить тип и характер нагрузок, приходящих от несущих винтов и действующих на элементы конструкции редуктора.
Так, переменные составляющие осевых и изгибных нагрузок от несущих винтов целиком воспринимаются опорной мачтой, а крутящие моменты передаются на втулки винтов связанными с ними полыми рессорами - выходными валами редуктора. Недостатком такой конструкции является установка на одной опорной мачте двух втулок несущих винтов и двух планетарных передач, что приводит к повышенным вибрационным нагрузкам, действующим как на опорную мачту, так и на зубчатые передачи несущей системы вертолета.
Известна конструкция системы привода соосных несущих винтов вертолета с опорной мачтой, описанная в патенте фирмы Sikorsky («Counter-rotating rotor system with stacionary standpipe», WO 2015/069514 A1 (PCT/US2014/062839), 14.05.2015).
В известной конструкции втулка нижнего несущего винта закреплена на подшипниках между опорной мачтой и корпусом редуктора, а втулка верхнего несущего винта закреплена на выходном (несущим) валу редуктора, установленного на подшипниках внутри опорной мачты.
В такой конструкции осевые и изгибные нагрузки от верхнего несущего винта распределяются между валом верхнего несущего винта с закрепленной на нем втулкой и опорной мачтой, а осевые и изгибные нагрузки от вала нижнего несущего винта с закрепленной на нем втулкой распределяются между корпусом редуктора и опорной мачтой, причем вал нижнего несущего винта с закрепленной на нем втулкой выполнен в виде единой детали, соединяющей через подшипники корпус редуктора с опорной мачтой и при этом воспринимающий одновременно изгибные нагрузки и от опорной мачты и от корпуса редуктора.
Такая компоновка соосных узлов усложняет конструкцию системы привода несущих винтов вертолета, требует повышенной точности установки подшипников и балансировки вращающихся частей для уменьшения вибраций, что снижает надежность и ресурс всей системы привода, а также может вызвать появление нежелательных автоколебаний вертолета типа «земной резонанс».
Наиболее близким техническим решением является, принятая в качестве прототипа, конструкция системы привода соосных несущих винтов вертолета с опорной мачтой, описанная в патенте US 2014/0091172 от 03.04.2014.
Система привода соосных несущих винтов вертолета с опорной мачтой содержит привод верхнего несущего винта, располагающийся выше диска верхнего несущего винта и привод нижнего несущего винта, располагающийся ниже диска нижнего несущего винта, верхнее устройство управления шагом, расположенное между плоскостью вращения верхнего несущего винта и плоскостью вращения нижнего несущего винта, для управления шагом упомянутых лопастей верхнего несущего винта изменяемого шага, нижнее устройство управления шагом, расположенное между плоскостью вращения верхнего несущего винта и плоскостью вращения нижнего несущего винта, для управления шагом упомянутых лопастей нижнего несущего винта изменяемого шага.
Валы приводов нижнего и верхнего несущих винтов передают втулкам только крутящий момент, в то время как остальные нагрузки, такие как осевая, перерезывающая сила и изгибающие моменты от каждого из несущих винтов через втулки и подшипники передаются на неподвижную опорную мачту, закрепленную к корпусу редуктора.
Опорная мачта воспринимает от несущих винтов суммарные нагрузки (кроме крутящих моментов), переменные изгибающие моменты от несущих винтов действуют на опорную мачту в разных плоскостях, проходящих через ось опорной мачты, причем угол между ними изменяется по режимам полета от 0° на взлетном режиме до 90° при крейсерском полете, что обусловлено аэродинамическими особенностями работы соосных несущих винтов вертолета.
В отличие от знакопеременных изгибающих моментов, действующих на несущие валы в плоскости вращения соосных винтов вертолета обычной схемы (не подкрепленных опорной мачтой), на опорную мачту действуют переменные по азимуту изгибающие моменты от несущих винтов в диапазоне ±45° относительно плоскости симметрии вертолета.
Таким образом, недостатком рассмотренной конструкции системы привода соосных несущих винтов вертолета, описанной в патенте US 2014/0091172, является недостаточное уменьшение габаритов привода, выраженное в существенном выступании его элементов над диском верхнего несущего винта, затрудненном подводе мощности к приводу верхнего несущего винта действующих на опорную мачту вибрационных нагрузок и усталостных переменных напряжений, что также не позволяет существенно повысить надежность и ресурс всей системы привода. Кроме того, наличие раздельных приводов несущих винтов существенно затрудняет их синхронизацию.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков известных конструкций и создание надежной системы привода соосных несущих винтов скоростного вертолета с опорной мачтой с оптимальным распределением действующих от несущих винтов нагрузок между корпусом редуктора и опорной мачтой, возможностью бесступенчатого регулирования частоты вращения несущих винтов и перераспределения мощности между несущими винтами и маршевым движителем.
Технический результат заключается в повышении надежности и ресурса нагруженных узлов системы привода, уменьшении стояночной высоты вертолета, высвобождении полезного пространства в фюзеляже вблизи центра масс вертолета, обеспечении возможности изменения частоты несущих винтов, перераспределения мощности между несущим и маршевым движителями с одновременным изменением частоты вращения несущих винтов и маршевого движителя, уменьшении массогабаритных характеристик трансмиссии, а также в повышении устойчивости к возникновению вибраций и нежелательных автоколебаний вертолета путем установки несущих винтов на опорной мачте, крепление которой к силовым узлам выполнено жестким.
Указанный технический результат достигается тем, что система привода соосных несущих винтов вертолета содержит блок гидромоторов и синхронизатора несущих винтов (включающий в себя опорную мачту, на которой закреплена распределительная обойма, содержащая гидромоторы, на выходных валах которых установлены ведущие шестерни; ведомые шестерни неподвижно закреплены на втулках верхнего и нижнего несущих винтов. Повышение частоты вращения гидромоторов необходимо, поскольку приводит к уменьшению массовой нагрузки на конструкцию в целом. При этом втулки несущих винтов установлены на мачте на подшипниках), распределитель рабочей жидкости, гидронасос (гидронасосы), гидромотор маршевого движителя. Введение в конструкцию трансмиссии распределителя позволяет перераспределять рабочую жидкость и, следовательно, мощность между приводами несущих винтов и маршевого движителя, и при этом регулировать частоту их вращения вплоть до полной остановки одного из них. Блок гидромоторов и синхронизатора несущих винтов, распределитель рабочей жидкости, гидромотор маршевого движителя и гидронасос последовательно соединены трубопроводами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана принципиальная схема трансмиссии;
На фиг. 2 и 3 показана принципиальная схема блока гидромоторов и синхронизатора несущих винтов.
Осуществление изобретения
Система привода соосных несущих винтов вертолета представлена на фиг. 1 и содержит гидронасос 1.1, распределитель рабочей жидкости 1.2, блок гидромоторов и синхронизатора несущих винтов 1.3, гидромотор маршевого движителя 1.4, которые последовательно соединены трубопроводами.
Блок гидромоторов и синхронизатора несущих винтов 1.3, представленный на фиг. 2 содержит опорную мачту 2.1, на которой закреплена распределительная обойма 2.2, содержащая гидромоторы 2.3, на выходных валах которых установлены ведущие шестерни 2.4 и 2.5, приводящие ведомые шестерни 2.6 и 2.7, которые неподвижно закреплены на втулках верхнего и нижнего несущих винтов 2.8 и 2.9 соответственно. При этом втулки несущих винтов 2.8 и 2.9 установлены на мачте на подшипниках, втулки верхнего и нижнего несущих винтов 2.8 и 2.9 сопряжены с гидромоторами 2.3, расположенными между дисками несущих винтов, а изменение частоты вращения втулок несущих винтов 2.8 и 2.9, а также перераспределение мощности между ними и маршевым движителем 1.4 осуществляется при помощи распределителя рабочей жидкости 1.2, валы несущих винтов отсутствуют, а лопасти несущих винтов снабжены индивидуальными приводами, интегрированными во втулки 2.8 и 2.9. При этом синхронизация частот вращения несущих винтов происходит за счет приведения их от общих агрегатов и подбора передаточного отношения зубчатого зацепления таким образом, что они имеют одну величину, но разный знак.
Опорная мачта 2.1 закреплена на фюзеляже вертолета креплением, позволяющим осуществлять ее складывание на стоянке, без разрыва гидравлической и механической связи с прочими агрегатами привода.
Распределитель рабочей жидкости 1.2, гидронасос 1.1 и гидромоторы маршевого движителя 1.4 и входящие в состав блока гидромоторов и синхронизатора несущих винтов 1.3 могут иметь любую конструкцию, имеющую удовлетворительные характеристики в данном случае.
Система привода соосных несущих винтов скоростного вертолета с опорной мачтой имеет следующие особенности конструкции:
1. Втулки верхнего и нижнего несущих винтов установлены на общей мачте на подшипниковых опорах.
2. Несущие винты приводятся во вращение гидромоторами.
3. Изменение частоты вращения несущих винтов и перераспределение мощности между ними и маршевым движителем осуществляется при помощи распределителя рабочей жидкости.
4. Блок гидромоторов и синхронизатора несущих винтов для уменьшения стояночной высоты вертолета может быть «завален» вдоль направления полета или вбок без разрыва связи с остальными агрегатами трансмиссии.
5. Управление шагом лопастей несущих винтов осуществляется при помощи индивидуальных приводов, интегрированных во втулки 2.8 и 2.9 (на схеме не показаны).
6. Синхронизация частот вращения несущих винтов происходит за счет приведения их от общих агрегатов и подбора передаточного отношения зубчатого зацепления таким образом, что они имеют одну величину, но разный знак.