СТРУЙНО-ЩЕЛЕВАЯ ЛОПАСТЬ (ВАРИАНТЫ)
JET SLOT BLADE (VERSIONS)

Изобретение относится к авиации, а именно к лопастям несущих и маршевых винтов вертолетов и самолетов.
Из уровня техники известны лопасти воздушных винтов с реактивным приводом и управляемой суперциркуляцией вихря Жуковского, которые обеспечивают нормальный полет вертолета с одним несущим винтом без автомата управления циклическим шагом и рулевого винта.
Известна струйно-щелевая лопасть воздушного винта по патенту РФ 2081789, МПК В64С 11/00, 1997, содержащая на конце лопасти каналы в виде щелей, выполненные вдоль лопасти, соединяющие ее поверхности с различными давлениями и на конце лопасти ориентированные на стороне разрежения по направлению циркуляции скорости вокруг лопасти.
Существенным недостатком такой конструкции лопасти является незначительное увеличение циркуляции скорости за счет уменьшения разности давлений на верхней и нижней сторонах лопасти, то есть уменьшением ее подъемной или тянущей силы, и невозможность оперативного управления этой циркуляцией.
Наиболее близким заявляемому изобретению по числу сходных признаков является несущий винт с реактивным приводом для вертолета по патенту РФ 2059536, МПК В64С 27/18, 1996. Известный несущий винт включает пустотелые лопасти крыловидного профиля, стенки силового набора которых образуют продольные воздуховоды, соединенные с источником сжатого воздуха, при этом часть воздуховодов соединена с продольными щелями лопасти для выдува воздуха на верхнюю поверхность лопасти. Режим выдува и создание аэродинамических сил управления циркуляцией обеспечивает система управления. Другая часть воздуховодов заканчивается реактивными соплами, размещенными в концевых сечениях лопастей. Сопло в каждой лопасти соединяется с частью воздуховода, содержащего топливную форсунку и устройство поджига топливовоздушной смеси, образующие в целом реактивный двигатель, сопло которого обеспечивает истечение продуктов сгорания и создание реактивной силы для вращения винта. Сжатый воздух в реактивные сопла подается от центрального компрессора с мультипликатором, кинематически связанного с лопастями и стартер-генератором вертолета.
Недостатком этого технического решения является сложная и неэффективная конструкция компрессора с мультипликатором, который передает часть реактивного момента на корпус вертолета, что требует создания соответствующего противомомента рулевым винтом вертолета. Несовершенство реактивного привода состоит в том, что истечение продуктов сгорания участвует практически только в создании реактивной тяги винта (реактивный привод "толкает" винт) и не участвует в создании аэродинамических сил управления циркуляцией (вихря Жуковского). Для достижения максимальной эффективности этой заданной функции обеспечивают сжатие смеси и ее поджиг в конце лопасти в непосредственной близости от сопла, чтобы вектор скорости истечения продуктов сгорания с начального момента поджига смеси совпадал с траекторией вращения конца лопасти. При этом величина подъемной силы винта вертолета определяется скоростью вращения лопасти и ее геометрией.
Технической задачей изобретения является повышение энергетической эффективности реактивного двигателя путем его участия в системе управления циркуляцией; упрощение конструкции лопастей воздушных винтов с реактивным приводом, способных работать и в обычном режиме без подачи топлива к встроенным реактивным двигателям; полная разгрузка корпуса вертолета от вращающего противомомента лопастей несущего винта; возможность замены автомата перекоса воздушного потока пошаговой подачей топлива к реактивным двигателям лопастей, отказ от отдельного источника сжатого воздуха в виде компрессора.
Решение поставленной задачи обеспечивается заявляемым изобретением. Заявляется в трех вариантах струйно-щелевая лопасть несущего винта вертолета с стартер-генератором, образованная крыловидным профилем, в которой выполнен продольный воздуховод с размещенным в нем реактивным приводом. Воздуховод образован жаростойкими стенками силового набора лопасти и соединен с продольными щелями воздухозаборника и выходного сопла для создания аэродинамических сил управления циркуляцией.
В соответствии с первым вариантом щелевой воздухозаборник воздуховода выполнен вдоль задней кромки в концевой нижней части лопасти, а щелевое выходное сопло воздуховода выполнено вдоль передней кромки в верхней комлевой части лопасти. В продольном воздуховоде размещены направляющие лопатки напротив щелевого воздухозаборника и щелевого сопла, а также размещен продольный прямоточный реактивный двигатель, образованный путем размещения топливной форсунки и устройства поджига между лопатками воздухозаборника и лопатками сопла.
Щелевой воздухозаборник и щелевое сопло образованы отгибкой одной кромки или отгибкой в противоположные стороны обеих кромок продольной щели. При изготовлении лопасти щелевой воздухозаборник образован отгибкой, по крайней мере, передней кромки продольной щели вовнутрь лопасти, а щелевое сопло образовано отгибкой, по крайней мере, передней кромки продольной щели наружу лопасти. Также щелевой воздухозаборник может быть образован отгибкой передней кромки продольной щели вовнутрь лопасти и отгибкой задней кромки наружу лопасти, а щелевое сопло образовано отгибкой передней кромки продольной щели наружу лопасти и отгибкой задней кромки вовнутрь лопасти.
Лопасть выполнена с осевой круткой крыловидного профиля с обеспечением плавного увеличения угла атаки лопасти к ее комлевой части.
Лопасть может быть выполнена с постоянным углом атаки вдоль лопасти, при этом топливная форсунка снабжена устройством управления пошаговой топливоподачей.
Второй вариант отличается применением аварийного реактивного привода и расположением на лопастях щелевых воздухозаборника и выходного сопла. Лопасть по второму варианту может быть использована для вертолета с механическими приводами и стартер-генератором маршевого двигателя.
В соответствии с вторым вариантом щелевой воздухозаборник воздуховода выполнен вдоль задней кромки в нижней комлевой части лопасти, а щелевое выходное сопло воздуховода выполнено вдоль передней кромки в концевой верхней части лопасти; в продольном воздуховоде размещены направляющие лопатки напротив щелевого воздухозаборника и щелевого сопла. Также предусмотрен аварийный реактивный привод в виде твердотопливного реактивного двигателя, который размещен вдоль воздуховода между лопатками воздухозаборника и лопатками сопла перпендикулярно направлению движения лопасти и ориентирован выходным соплом в сторону направляющих лопаток щелевого сопла лопасти.
В третьем варианте струйно-щелевой лопасти винта вертолета также реализуется задача создания суперциркуляции вихря Жуковского посредством размещения продольного прямоточного реактивного двигателя в продольном воздуховоде между щелевыми воздухозаборником и соплом.
Третий вариант отличается от первого тем, что две диаметрально расположенные лопасти имеют общий продольный воздуховод, две части которого, принадлежащие двум лопастям, сообщаются посредством трубчатой ступицы, укрепленной на валу несущего винта вертолета. Щелевой воздухозаборник воздуховода выполнен вдоль задней кромки в нижней концевой части первой лопасти, а щелевое выходное сопло воздуховода выполнено вдоль передней кромки в верхней концевой части второй лопасти. В общем продольном воздуховоде размещены направляющие лопатки напротив щелевого воздухозаборника и щелевого сопла и размещен продольный прямоточный реактивный двигатель, образованный путем размещения топливной форсунки и устройства поджига между лопатками воздухозаборника и лопатками сопла, при этом топливная форсунка расположена в части воздуховода с воздухозаборником, а устройство поджига расположено в части воздуховода с соплом.
Во втором и третьем вариантах кромки щелевых воздухозаборника и сопла, как указано в зависимых пунктах, выполняются аналогично с первым вариантом. Также аналогично выполнена лопасть с осевой круткой крыловидного профиля или с постоянным углом атаки вдоль лопасти.
Заявляемое изобретение обеспечивает автономное самовращение лопастей воздушного винта после его раскрутки стартером. При этом воздушный винт с такими лопастями может эффективно работать и в обычном режиме с механическим приводом от маршевого двигателя или в аварийном режиме при помощи встроенных твердотопливных реактивных двигателей, расположенных перпендикулярно направлению движения лопасти.
На фигурах 1-3 показан вид снизу на одну из лопастей воздушного винта по 1-му варианту и сечения лопастей по месту расположения щелевых воздухозаборника и сопла. На фигурах 4-6 - то же по 2-му варианту. На фигурах 7-9 - то же по 3-му варианту.
Предлагаемая лопасть (фигуры 1, 4, 7) состоит из обшивки крыловидного профиля 1 и силового набора 2 (лонжеронов, нервюры и т.п.), который делит ее на рабочую полость и вспомогательные полости (выделены цветом заливки) с уложенными в них топливопроводом, электропроводкой и другими сервисными устройствами (на фигурах не показаны). При этом сама лопасть может иметь осевую крутку, при которой угол атаки а лопасти (фигуры 3, 5, 9) плавно увеличивается к комлевой части лопасти, поскольку такие лопасти хорошо освоены авиационной промышленностью.
В соответствии с конструкцией лопасти по первому варианту рабочая полость выполнена в виде продольного воздуховода 4 с жаростойкими стенками. Щелевой воздухозаборник 5 размещен в концевой части лопасти (фигура 2) и образован отгибкой передней кромки 6 продольной щели нижней обшивки вовнутрь лопасти, а щелевое сопло 7 расположено в комлевой части лопасти (фигура 3) и образовано отгибкой передней кромки 8 продольной щели верхней обшивки наружу лопасти. Также щелевой воздухозаборник и щелевое сопло могут быть образованы отгибкой обеих кромок продольной щели. В этом случае щелевой воздухозаборник образован отгибкой передней кромки продольной щели вовнутрь лопасти и отгибкой задней кромки 9 наружу лопасти, а щелевое сопло образовано отгибкой передней кромки продольной щели наружу лопасти и отгибкой задней кромки 10 вовнутрь лопасти. Исполнение кромок щелей служит цели обеспечить максимальное проходное сечение щели при минимальном искажении аэродинамического профиля лопасти и увеличить циркуляцию вихря Жуковского.
Напротив щелевого воздухозаборника 5 и щелевого выходного сопла 7 установлены направляющие лопатки 11, 12. Между направляющими лопатками в области создания среды сжатого воздуха вдоль лопасти в воздуховоде 4 расположены топливная форсунка 13, устройство поджига топливовоздушной смеси 14, которые в среде сжатого воздуха образуют камеру сгорания продольного прямоточного реактивного двигателя. Лопасть через ступицу соединена с валом стартера или маршевого двигателя вертолета (на фигурах не показаны).
Второй вариант изобретения (фигуры 4-6) характеризуется тем, что щелевой воздухозаборник 15 воздуховода выполнен вдоль задней кромки в нижней комлевой части лопасти, а щелевое выходное сопло 16 воздуховода выполнено вдоль передней кромки в концевой верхней части лопасти. Также в продольном воздуховоде между лопаток 17, 18 напротив щелевого воздухозаборника и щелевого сопла вместо продольного прямоточного реактивного двигателя по первому варианту установлен аварийный твердотопливный реактивный двигатель 19 (фигура 4), ориентированный выходным соплом 20 в сторону направляющих лопаток 17 щелевого сопла 16 лопасти.
Согласно третьему варианту лопасть предназначена преимущественно для изготовления несущего винта вертолета с реактивным приводом и стартер-генератором. При этом две диаметрально расположенные лопасти 21 и 22 (фигуры 7-9) имеют общий продольный воздуховод 23, две части которого, принадлежащие лопастям 21, 22, сообщаются посредством трубчатой ступицы 24, укрепленной на валу винта вертолета. Щелевой воздухозаборник 25 воздуховода выполнен вдоль задней кромки в нижней концевой части первой лопасти 21, а щелевое выходное сопло 26 воздуховода выполнено вдоль передней кромки в верхней концевой части второй лопасти 22. В общем продольном воздуховоде размещены направляющие лопатки 27, 28 напротив щелевого воздухозаборника и щелевого сопла. Продольный прямоточный реактивный двигатель образован путем размещения топливной форсунки 29 и устройства поджига 30 между лопатками воздухозаборника и лопатками сопла. При этом топливная форсунка расположена в части воздуховода с воздухозаборником 25, а устройство поджига расположено в части воздуховода с соплом.
Предложенная струйно-щелевая лопасть воздушного винта может работать как в автономном режиме самовращения реактивным приводом, так и в обычном режиме без реактивной тяги с механическим приводом от маршевого двигателя.
Для запуска прямоточного реактивного двигателя лопасть воздушного винта предварительно раскручивается стартером в наземном положении так, что набегающий, лоток воздуха создает на нижней части обшивки определенный прирост давления +ΔР, а на верхней - соответствующее разрежение минус ΔР. Благодаря этому окружающий воздух (на примере лопасти на фигуре 1) через щелевой воздухозаборник 5 поступает в продольный воздухопровод 4, где смешивается с топливом, распыляемым форсункой 13. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поджигается устройством поджига 14, разворачивается направляющими лопатками 12 в сторону щелевого сопла 7 и выбрасывается на верхнюю часть обшивки лопасти 1, где происходит динамическое увеличение разрежения минус ΔР.
Топливовоздушная смесь при своем движении в продольном воздуховоде 4 вынуждена преодолевать действие центробежной силы, направленной поперек движению лопасти против силы динамического давления, созданного щелевым воздухозаборником 5. Поэтому в результате их взаимодействия давление в продольном воздуховоде 4 значительно превышает давление окружающей среды Р, то есть происходит сжатие топливовоздушной смеси без какого-либо компрессора, а следовательно, и реализация термодинамического цикла воздушного реактивного двигателя, который не только раскручивает лопасть, но и создает вокруг ее обшивки 1 дополнительную суперциркуляцию и прирост подъемной силы. Причем за счет расположения реактивного сопла 7 в комлевой части лопасти, суперциркуляции вектор скорости  здесь получается выше, чем у конца лопасти, что эквивалентно осевой крутке лопасти, даже при исполнении постоянного угла атаки α по всей лопасти. При осуществлении пульсирующей пошаговой топливоподачи управляемым топливонасосом или управляемым вентилем осуществляется фазовое изменение подъемной силы лопасти при каждом ее обороте вокруг ступицы, через которую происходит подача топлива и электроэнергии, что эквивалентно действию автомата перекоса воздушного потока несущего винта вертолета при его полной разгрузке от действия вращающего момента этого винта.
При вращении лопасти обычным механическим приводом от маршевого двигателя вертолета (второй вариант лопасти, с реактивным приводом) происходит аналогичное, но меньшее по величине перераспределение суперциркуляции вдоль лопасти, которое получается и при смене (по сравнению с первым вариантом) положения сопла 16 (в концевой части лопасти) и воздухозаборника 15 (в комлевой части лопасти) относительно направления центробежной силы, действующей на поток, и относительно продольного воздуховода 4 лопасти. В воздуховоде может быть установлена шашка твердотельного реактивного двигателя 19, обращенного своим соплом 20 в сторону концевой части лопасти, так как твердотельному двигателю компрессия воздуха не нужна. В случае аварийной остановки маршевого двигателя происходит автоматическое включение твердотельного реактивного двигателя 19 устройством поджига в виде пиропатрона, обеспечивающего достаточно продолжительное вращение лопастей воздушного винта и мягкую посадку вертолета в управляемом режиме.
По третьему варианту осуществление фазы сжатия топливовоздушной смеси происходит в одной лопасти 21 с воздухозаборником 25 и топливной форсункой 29, а фаза расширения горячих газов - в другой лопасти 22 с щелевым соплом 26 и устройством поджига 30. Такая дифференциальная специализация лопастей увеличивает полезную площадь и работу термодинамического цикла реактивного двигателя за счет синхронного взаимодействия его фаз сжатия и расширения с действием центробежных сил внутри лопастей. В два раза снижается потребность в жаропрочных конструкционных материалах, так как поджиг осуществляется в одной из двух взаимодействующих лопастей.
Таким образом, простая конструкция предлагаемой лопасти воздушного винта без механического компрессора позволяет повысить его технологичность и эффективность, а также отказаться от обязательной осевой крутки лопасти и автомата перекоса потока воздушного винта вертолета, у которого рулевой винт может быть заменен плоским вертикальным рулем отклонения потока несущего винта вертолета. Кроме того, предложенная лопасть может использоваться в составе тянущих и толкающих винтов самолетов с непосредственной подачей топлива в движитель, а не маршевый двигатель летательного аппарата. Это позволяет отказаться вообще от маршевых двигателей, ограничившись лишь пусковыми маломощными двигателями или стартер-генераторами.