ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ЗАКОНЦОВКАМИ ЛОПАСТЕЙ
PROPELLER WITH CONTROLLABLE TIPS OF BLADES

Техническое решение относится к области авиации и авиационной промышленности, в частности к конструкциям воздушных винтов самолетов, вертолетов и винтокрылых машин.
Воздушный винт лопасти которого содержат законцовки, выполненные в виде крылышек, которые располагаются на концевой торцевой поверхности, т.е. являются частью кольца ометаемого торцом концевой части лопасти, в частности законцовка может иметь изменяемый угол атаки лопасти как по ходу движения лопасти, так и по ходу движения воздушного потока законцовки лопасти для повышения аэродинамики и создания вектора тяги в плоскости перпендикулярной или иным углом к вектору тяги, создаваемого лопастями воздушного винта, и может быть использовано в авиации на самолетах, вертолетах, всевозможных винтокрылых машинах, которые должны перемещаться с малой скоростью одновременно в вертикальном и горизонтальном направлении или зависать с сохранением высоты без перемещения в горизонтальной плоскости или для перемещения в горизонтальной плоскости.
Из предшествующего уровня техники известна лопасть воздушного винта с кольцевой законцовкой (ЛКЗ) которая является такой же лопастью (воздушным винтом), как и лопасть с законцовкой в виде загнутого конца. И относится она к тому же уровню техники - двигателестроению. Отличие их состоит в том, что лопасть с загнутым концом предназначена для снижения потерь мощности, а ЛКЗ для максимально эффективного использования лопастных механизмов в двигателях и турбинах. (К.В. Холщевников и др. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва. Машиностроение, 1986, Часть 1. Теория лопаточных машин).
Известна так же законцовка лопасти воздушного винта вертолета, являющаяся оконечностью лопасти и включающая профилированную нижнюю и верхнюю поверхности, и для улучшения обтекания лопасти вертолета, снижения изгибающего момента и тряски в системе управления вертолетом, срединная плоскость верхней и нижней профилированной поверхности законцовки выполнена так, что направлена выпуклостью вниз по описанию полезной модели к патенту RU 56329 U1.
Недостатком предложенной законцовки лопасти является только борьба с вихрем срывающегося с конца лопасти воздушного потока и малая степень ослабления интенсивности вихря из-за фиксированного шага законцовки лопасти. При изменении скорости вращения лопасти и угла атаки лопасти происходит изменение вихреобразование срывающегося потока, но не происходит изменение направления вектора тяги воздушного винта.
В качестве аналога выбрана Фиксированная или управляемая законцовка (крылышко) лопасти винта по патенту на изобретение RU 2546337 C1, которая состоит из фиксированной или управляемой законцовки (крылышко) лопасти, представляющей из себя часть кольца с профилем лопасти, разделенную на верхнюю и нижнюю части по отношению к этому профилю, где каждая часть имеет фиксированный или управляемый угол атаки независимый друг от друга, в результате чего достигается уменьшение потерь мощности привода воздушного винта, улучшение аэродинамики лопасти, увеличение подъемной или тянущей силы и эффективности винта.
Недостатком аналога является разделение законцовк лопасти винта на части, которые расположены в зонах с разным давлением, что приводит к образованию вихря и турбулентности после разделенной законцовки лопасти, как в зоне разделения элеронов на крыле, и может привести к снижению эффективности, потерям мощности, увеличению шума от вихреобразования и появлению изгибающего момента в точке крепления законцовки лопасти из-за разности подъемной силы на частях закоцовки лопасти.
Такая законцовка лопасти винта приводит к уменьшению потерь мощности, почти не увеличивает вес конструкции только способствует улучшению и регулирует аэродинамику крайней части лопасти, так же немного снижает шум и, следовательно, увеличивает его подъемную силу и эффективность. При этом площадь законцовок лопасти воздущного винта малы по площади и создают малые, разные по величине вектора тяги в направлении перпендикулярном вектору тяги лопасти воздушного винта и вследствии разных уголов установки частей законцовки лопасти.
Законцовка лопасти приводит к уменьшению потерь мощности, улучшает аэродинамику, но не создает переменного по направлению вектора тяги из-за постоянного угла атаки законцовки лопасти при различном положении лопасти воздушного винта.
В качестве прототипа выбран лопасть с кольцевой законцовкой согласно описания изоб-ретения к патенту RU 2546912 С1, состоящей из лопасти воздушный винта с кольцевой законцовкой (крылышком) являющаяся аналогом лопасти с законцовкой в виде отогнутого конца, но отличается от нее тем, что у лопасти с отогнутым концом законцовка является прямым продолжением лопасти, а у лопасти с кольцевой законцовкой она сделана в виде части кольца импеллера, который тоже имеет профиль лопасти как по ходу движения лопасти, так и по ходу движения воздушного потока с определенным углом атаки.
Недостатком прототипа является то, что законцовки лопастей, при всех скоростях вращения винта, с изменением угла атаки к набегающему на них потоку создают разность давлений и определенный вектор тяги в плоскости перпендикулярной плоскости вращения лопастей воздушного винта, всегда направленный вдоль лопасти, что предотвращается при условии наличия замкнутого кольца импеллера, и в совокупности с разностью давлений на разных сторонах лопасти самого воздушного винта это создает изгибающий момент в точке крепления законцовки лопасти. При этом улучшение аэродинамики и уменьшение затрат мощности не приводит к улучшения управляемости и увеличению безопасности перемещения летательных аппаратов и винтокрылых машин и не создается переменный по направлению вектор тяги воздушного винта.
В известных конструкциях лопастей воздушных винтов с законцовками нет возможности одновременно создавать переменный вектор тяги хотя бы во взаимно перпендикулярных направлениях.
В уровне техники не обнаружены аналоги устройства того же назначения.
В основу изобретения поставлена задача создать воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей для создания управляемого вектора тяги в направлении перпендикулярном вектору тяги лопасти воздушного винта для повышения управляемости винтокрылых машин.
Задачей технического решения является повышение надежности и безопасности движения летательных аппаратов и винтокрылы машин за счет создания изменяемого по величине и направлению вектора тяги в плоскости перпендикулярной или под углом к вектору тяги воздушного винта и перемещение летательного аппарата или винтокрылой машины суммарным вектором тяги лопастей воздушного винта и законцовок лопастей воздушного винта, который меняется для корректировки направления движения, положения летательного аппарата и винтокрылой машины без использования иных средств.
Поставленная задача решается благодаря тому, что воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей содержтит концевую законцовку в виде профилированной части лопасти как по ходу движения лопасти, так и по ходу движения воздушного потока с определенным углом атаки, и имеет шарнирное крепление, которое позволяет изменять угол атаки концевой законцовки как в направлении движении конца лопасти, так и в направлении перпендикулярном вектору тяги лопасти так или с опреденным углом к нему с помошью механизма перемещения или иного устройства аналогичному автомата перекоса несущего винта вертолета.
Законцовка лопасти выполнена из одной целой профилированной части, имеющей шарнирное крепление с валом в центре или двух равных или разных по площади параллельных друг другу частей, расположенных на расстоянии друг от друга, соединненных жестко валом, свободно вращающемся в вилочном шарнире, при этом ось вала может быть соосна оси вращения воздушного винта.
Воздушный винт с управляемыми законцовакми лопастей отличающейся тем, что для изменения положения законцовки лопасти применен механизм перемещения с тягой, соединяющий части законцовки лопасти в центральной части между опорами вилочного шарнира.
Лопасть воздушного винта по всей длине имеет канал для размещения в нем со свободой перемещения на опорах скольжения и качения тяги привода и воздействия для изменения положения вала с законцовками лопасти от механизма перемещения, при этом сам механизм перемещения, воздействующий на тягу и обеспечивающий изменение положения законцовки лопасти в зависимости от положения лопасти воздушного винта, расположен в центре на оси вращения воздушного винта.
Лопасть с управляемой законцовкой отличается тем, что имеет профиль законцовки лопасти для создания минимальной или нулевой тяги в направлении перпендикулярном вектору тяги лопасти при нулевом угле атаки законцовки лопасти.
Длина частей законцовки лопасти может быть меньше, равна или быть больше длины самой лопасти воздушного винта.
Воздушный винт может одновременно содержать четное или нечетное количество лопастей с законцовками и лопастей без законцовок, а части законцовки лопасти могут быть выполнены одинаковыми или разными по длине, площади, профилю и форме.
Воздушный винт может иметь лопасти состоящие из одной или нескольких участков между которыми расположены законцовки лопастей, после которых начинается следующий участок лопасти.
Техническое решение позволяет для самолетов с тянущим и толкающим винтом значительно повысить управляемость во всех режимах полета за счет изменения результирующего вектора тяги воздушного винта, а именно: изменять угол атаки и направление полета в горизонтальной плоскости или одновременно, без использования рулей и элеронов. Поворот на малый угол осуществляется без наклона что позволяет не поднимать и опускать крылья при выполнении виражей.
Для вертолетов повышается безопасность взлета и посадки при боковом ветре, точность выполнения маневра и выдерживания линии полета за счет увеличения управляемости вследствие появления вектора тяги в перпендикулярной плоскости основного вектора тяги. Это позволяет на взлете не перемещаться от бокового ветра, а взлетать строго вертикально или в выбранном направлении, что особенно актуально при взлете с ограниченной площадки на крыше здания или на судне в открытом море.
Для других винтокрылых машин, которые используют воздушный винт при вертикальном взлете это позволяет повысить безопасность полета при смене направления тяги воздушного винта, не терять необходимый вектор тяги при изменении положения плоскости воздушного винта.
Такое выполнение воздушного винта с управляемыми законцовками лопастей позволяет получить суммарный вектор тяги воздушного винта, который меняется для корректировки направления движения, положения летательного аппарата без использования иных средств, что повышает безопасность полетов при воздействии внешних факторов, таких как ветер или влияние потоков воздуха от других воздушных винтов, отраженных от поверхностей воздушных потоков.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения показаны на фиг. 1 - воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей, на фиг. 2 - лопасть воздушного винта с узлом крепления управляемой законцовки, на фиг. 3 - воздушный винт с управляемыми законцовками и без управляемых законцовок, на фиг. 4 - лопасть воздушного винта с управляемыми законцовками лопастей и участков лопастей, где:
1 - лопасть;
2 - управляемая законцовка лопасти;
3 - вал;
4 - вилочный шарнир;
5 - рычаг;
6 - тяга;
7 - механизмом перемещения;
8 - лопасть винта без управляемых законцовок;
9 - участок лопасти;
V - угол атаки;
А - вектор тяги;
Б - вектор вращения;
В, Г, Д, Ε - точки изменения угла атаки V законцовки лопасти;
Ж - диск плоскости вращения винта.
Воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей (фиг. 1) содержит лопасти 1 с управляемыми законцовками лопасти 2, тяги 6 и механизм перемещения 7. Узлы крепления лопастей 1 к втулке воздушного винта условно не показаны. Управляемая законцовка лопасти 2 винта выполнена с возможностью изменения угла атаки V в направлении вектора вращения Б, в зависимости от ее положения на диске плоскости вращения винта Ж, образованного лопастями 1 для одновременного создания вектора тяги А. На диске плоскости вращения винта расположены точки В, Г, Д, Е, изменения угла атаки законцовки лопасти 2. В точке Г угол атаки V положительный, а в точке В угол атаки V отрицательный относительно вектора тяги Б, что способствует созданию вектора тяги в направлении А. В точках Ε и Д он равен нулю.
На фиг. 2 изображена лопасть воздушного винта с узлом крепления управляемой законцовки. Узел крепления управляемой законцовки лопасти состоит из законцовки лопасти 2, имеющей вал 3, ось вращения которого соосна оси вращения плоскости вращения винта Ж, который вращается в вилочном шарнире 4, закрепленном на лопасти 1. Между опор вилочного шарнира 4 вал 3 имеет жестко закрепленный на нем рычаг 5, шарнирно соединенный с тягой 6, проходящей через канал в лопасти 1. Другой конец тяги 6 соединен с механизмом перемещения 7, который управляет законцовкой лопасти 2 на лопасти 1 воздушного винта.
На фиг. 3 изображен воздушный винт имеющий в своем составе: лопасти 1 с управляемыми законцовками 2 и лопасти винта без управляемых законцовок 8, в плоскости вращения винта Ж. Управляемые законцовки 2 посредством тяг 6 управляются механизмом перемещения 7.
На фиг. 4 изображена лопасть воздушного винта с управляемыми законцовками лопастей и участков лопастей. Воздушный винт может иметь лопасти состоящие из отдельных участков лопастей 9 с управляемыми законцовками 2 на конце каждого участка лопасти 9. В этом случае тяга 6 перемещает все законцовки лопастей 2.
Воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей содержит лопасти 1 с управляемыми законцовками лопасти 2. Узлы крепления лопастей 1 к втулке воздушного винта условно не показаны. Узел крепления управляемой законцовки лопасти состоит из законцовки лопасти 2, имеющей вал 3, ось вращения которого соосна оси вращения воздушного винта, и вектору тяги воздушного винта, который вращается в вилочном шарнире 4, закрепленном на лопасти 1. Между опор вилочного шарнира 4 вал 3 имеет жестко закрепленный на нем рычаг 5, шарнирно соединенный с тягой 6, проходящей через канал в лопасти 1. Другой конец тяги 6 соединен с механизмом перемещения 7.
Механизм перемещения 7 управляемой законцовкой лопасти 2 или законцовок участков лопасти 9, может быть индивидуальным для каждой лопасти и расположен рядом с узлом крепления лопасти, выполненным в виде электромеханического устройства, представляющего собой быстродействующий управляемый актуатор с электро или гидравлическим приводом, для линейного перемещения тяги 6 или для вращения вала 3 управляемой законцовки лопасти 2, если он расположен непосредственно на торце лопасти 1.
Воздушный винт с управляемыми законцовками лопастей работает следующим образом: управляемая законцовка лопасти 2 винта выполнена с возможностью изменения угла атаки V в зависимости от ее положения на диске плоскости вращения винта Ж, в направлении вектора вращения Б, образованного лопастями 1 для одновременного создания вектора тяги А. На диске плоскости вращения винта Ж расположены точки В, Г, Д, Е, изменения угла атаки V законцовки лопасти 2. В первой точке «В» на диске плоскости вращения Ж воздушного винта, управляемая законцовка лопасти 2 имеет угол атаки V отличный от нуля и положительный относительно вектора направления вращения Б законцовки лопасти 2, в точке «Г» пересечения диска вращения воздушного винта угол атаки V отличен от нуля и отрицательный по отношению к вектору направления вращения Б законцовки лопасти 2. В точках «Д» диска вращения винта угол атаки V управляемой законцовки лопасти 2 нулевой по отношению к вектору направления вращения Б законцовки лопасти 2.
Для создания вектора тяги А управляемыми законцовками 2, они перемещаются и выставляются в определенной последовательности под углом атаки V к вектору направления вращения Б лопасти винта 1, создают подъемную силу разной направленности, в разных точках (В, Г, Д, Е), суммарная составляющая которых формирует вектор тяги А, чем достигается возможность перемещения воздушного винта в направлении вектора тяги А в плоскости перпендикулярной вектору тяги воздушного винта.
Изменение угла атаки V управляемой законцовки лопасти 2 происходит по такому же алгоритму, который используется в механизме перекоса лопастей несущего винта вертолета, для его осуществления используется механизм перемещения 7, который перемещает тягу 6, которая посредством рычага 5 поворачивает вал 3 в вилочном шарнире 4, при этом управляемая законцовка лопасти 2 меняет свой угол атаки V относительно вектора направления вращения Б лопасти 1.
В случае, когда механизм перемещения 7 в виде актуатора управляемой законцовкой лопасти 2, расположен на каждой такой лопасти 1, то управление каждым таким механизмом происходит по алгоритму аналогичному автомата перекоса всего воздушного винта, при этом актуаторы не связаны друг с другом посредством тяг и механизмов. В зависимости от управляющих сигналов актуатор механизма 7 выполняет линейное перемещение тяги 6, что приводит к изменению угла атаки V законцовки лопасти 2 и изменению суммарного вектора тяги воздушного винта. Когда механизм перемещения 7 выполнен в виде актуатора вращения, то он используется непосредственно для вращения вала 3 управляемой законцовки лопасти 2.
При наличии лопастей винта без управляемых законцовок 8 увеличивается тяга воздушного винта.
Такое выполнение воздушного винта с управляемыми законцовками лопастей позволяет получить необходимый вектор тяги воздушного винта, который меняется для корректировки направления движения воздушного судна или положения летательного аппарата на определенной высоте, без использования иных средств, что повышает безопасность полетов летательных аппаратов и воздушных судов.