ЗАКЛЮЧЕННЫЙ В ОБТЕКАТЕЛЬ ВИНТ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ВИНТОКРЫЛЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Настоящее изобретение касается заключенного в обтекатель винта винтокрылого летательного аппарата, а также винтокрылого летательного аппарата, оборудованного таким винтом, и, в частности, касается хвостового винта вертолета.

Изобретение относится к ограниченной технической области винтов летательных аппаратов.

Например, как правило, вертолет содержит единственный несущий винт, механически вращаемый, по меньшей мере, одним двигателем, при этом несущий винт обеспечивает подъемную силу и движение вперед вертолета.

Этот тип вертолета оборудован хвостовым винтом, который обеспечивает функцию противодействия моменту, чтобы компенсировать момент рыскания, создаваемый несущим винтом, создавая поперечную тягу.

Кроме того, хвостовой винт позволяет пилоту управлять движениями вертолета по рысканию и при виражах, создавая положительную или отрицательную поперечную тягу.

Известен не заключенный в обтекатель хвостовой винт, для удобства называемый «классическим хвостовым винтом», который выполняет эту функцию. Классически, не заключенный в обтекатель хвостовой винт установлен сбоку на верхнем конце хвостового оперения или на конце хвостовой фермы вертолета.

Этот не заключенный в обтекатель хвостовой винт является наиболее распространенным. Тем не менее, можно устанавливать и заключенный в обтекатель хвостовой винт, известный, например, под товарным знаком fenestron®.

При этом заключенный в обтекатель хвостовой винт содержит винт, расположенный в канале, выполненном в вертикальном киле вертолета, причем ось симметрии канала по существу перпендикулярна к вертикальной переднезадней плоскости симметрии вертолета.

Таким образом, профилированная конструкция вертикального киля вертолета охватывает упомянутый канал и, следовательно, хвостовой винт, откуда и вытекает название «заключенный в обтекатель хвостовой винт». Следует отметить, что специалисты обычно называют эту профилированную конструкцию «обтекателем». Для удобства в дальнейшем тексте описания такой винт будет называться «заключенным в обтекатель винтом».

Профилированная конструкция защищает хвостовой винт от воздействий со стороны элементов, внешних по отношению к летательному аппарату. Кроме того, она повышает безопасность персонала на земле, так как позволяет избегать травм, которые персонал может получить от хвостового винта.

Профилированная конструкция, охватывающая канал, в котором расположен хвостовой винт, препятствует распространению шума в переднем направлении, в нижнем направлении и в заднем направлении винтокрылого летательного аппарата, тогда как не заключенный в обтекатель хвостовой винт распространяет шум во всех направлениях.

Классически заключенный в обтекатель винт оборудован втулкой, на которой установлено множество лопастей, вращающихся в канале обтекателя.

Каждая лопасть может быть закреплена на втулке, например, при помощи пластины, которая может деформироваться кручением и которую иногда называют «торсионной пластиной». Между каждой лопастью и корпусом втулки установлены подшипники, оснащенные эластомерными элементами. Подшипники обеспечивают лопасти свободу движения при повороте вокруг шаговой оси для изменения шага, а также определенную свободу движения при взмахе лопасти и лобовом сопротивлении.

Кроме того, каждая лопасть может содержать фланец, на котором установлен рычаг шага. При этом рычаги шага винта соединены с диском управления шагом. Летательный аппарат содержит, таким образом, средство управления шагом лопастей через этот диск управления. Классически такое средство управления содержит рычаг ножного управления.

Кроме того, каждая лопасть может содержать, по меньшей мере, один весовой балансир, такой как балансиры, называемые «китайскими балансирами».

Кроме того, лопасть заключенного в обтекатель винта обычно имеет прямоугольную форму и большую крутку.

Следует напомнить, что геометрическая крутка лопасти может выражаться углом, образованным между осью хорды каждого сечения лопасти и базовой плоскостью этой лопасти. Иногда каждое сечение лопасти закручивают относительно оси изменения шага этой лопасти на угол, определяемый относительно такой базовой плоскости. В этих условиях изменение упомянутых углов крутки по размаху лопасти называют «законом крутки».

Лопасти заключенного в обтекатель винта имеют большую крутку, при этом угол крутки, разделяющий два разных сечения, может составлять, например, около 20 градусов.

Действительно, воздушные потоки на входе лопастей в канале имеют углы атаки, меняющиеся в зависимости от размаха лопасти. Так, угол атаки воздушного потока по отношению к комлю лопасти обычно отличается от угла атаки воздушного потока на входе дистального конца лопасти.

Для обеспечения однородной создаваемой скорости конструктор закручивает каждую лопасть таким образом, чтобы учитывать эти различия в углах атаки.

Кроме того, втулка приводится во вращение редуктором, закрепленным на обтекателе, например, при помощи крепежных штанг ниже по потоку от винта. Эти крепежные штанги можно профилировать таким образом, чтобы они выполняли функцию неподвижных лопаток, спрямляющих воздушный поток ниже по потоку от винта. Иногда соединение, содержащее эти крепежные штанги, называют «статором - направляющим аппаратом» воздушного потока.

Следует отметить, что термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» определены относительно направления циркуляции воздуха через канал.

Понятно, что в дальнейшем под термином «заключенный в обтекатель винт» следует понимать узел, включающий в себя обтекатель, винт как таковой, редуктор и лопатки, находящиеся ниже по потоку от лопастей. В частности, заключенный в обтекатель винт включает в себя обтекатель и элементы, присутствующие внутри канала, образованного этим обтекателем.

В документе FR 1531536 раскрыт заключенный в обтекатель хвостовой винт. Каждая лопасть содержит удлиненный элемент, выполненный с возможностью кручения, закрепленный на втулке при помощи болта. Удлиненный элемент может содержать множество прилегающих друг к другу тонких пластин.

В документе FR 2719554 представлен заключенный в обтекатель винт противодействия моменту с плавающими лопастями. Каждая лопасть соединена с втулкой через корневую часть, содержащую, по меньшей мере, одну стойку, выполненную с возможностью кручения вокруг оси изменения шага. Стойка установлена в стакане комля лопасти, содержащем две опорные поверхности, через которые стакан установлен с возможностью поворота вокруг оси с радиальным зазором в двух подшипниках втулки.

В документе ЕР 1778951 раскрыто устройство противодействия моменту для вертолета. Это устройство содержит серповидные лопасти.

В этих условиях заключенные в обтекатели винты имеют интересные функциональные характеристики.

Однако поведение заключенного в обтекатель хвостового винта винтокрылого летательного аппарата может отличаться от поведения не заключенного в обтекатель хвостового винта. Это поведение можно представить в виде кривой работы, показывающей тягу, развиваемую хвостовым винтом, в зависимости от положения средства управления шагом лопастей хвостового винта, например от положения рычага ножного управления.

Кривая работы классического не заключенного в обтекатель хвостового винта по существу является линейной.

Что же касается кривой работы заключенного в обтекатель хвостового винта, то она содержит относительно ровный горизонтальный участок, когда средство управления находится в промежуточном интервале, требующем слабой и даже нулевой тяги. Этот промежуточный интервал соответствует промежуточной фазе полета, происходящей между фазой, требующей тяги, действующей в направлении вращения несущего винта, и фазой, требующей тяги в направлении, противоположном направлению вращения несущего винта.

Иначе говоря, во время этой промежуточной фазы полета изменение положения средства управления не приводит к изменению тяги, эквивалентному изменению тяги, получаемому во время установившихся фаз, при одинаковой амплитуде управления.

Эта характеристика является известной. Например, пилот знает, что во время промежуточной фазы полета для получения реакции заключенного в обтекатель хвостового винта необходимо перемещать средство управления на большее расстояние. Эта ситуация может быть неудобной, но остается приемлемой, учитывая преимущества заключенного в обтекатель хвостового винта.

Кроме того, подшипники, удерживающие лопасти, проявляют тенденцию к относительно быстрому износу.

Документ FR 2271121 далек от технической области изобретение и описывает устройство муфтового соединения лопасти с хомутом стойки несущего винта.

Это устройство включает в себя один элемент крепления на лопасть. Каждый элемент крепления, с одной стороны, шарнирно соединен с хомутом, в частности, через эластомерный подшипник и, с другой стороны, оснащен четырьмя лапками, закрепленными на лопасти при помощи болтов. Кроме того, каждый элемент крепления соединен с трубкой управления шагом лопасти.

Известны также документы FR 2628062, ЕР 0493303 и DE 102007062490.

Настоящее изобретение призвано предложить прочный заключенный в обтекатель хвостовой винт, работа которого имеет тенденцию к большей линейности, чем работа некоторых заключенных в обтекатель хвостовых винтов.

В связи с этим объектом изобретения является заключенный в обтекатель винт для управления движением по рысканию винтокрылого летательного аппарата, при этом заключенный в обтекатель винт содержит обтекатель, ограничивающий аэродинамический канал. Заключенный в обтекатель винт содержит также вращающийся узел, расположенный в канале для осуществления вращения вокруг оси симметрии в этом канале, причем этот вращающийся узел содержит множество лопастей, каждая из которых закреплена на втулке.

Каждая лопасть соответствует закону крутки, определяющему максимальный угол крутки, заключенный между нулем градусов включительно и 5 градусами включительно.

Кроме того, каждая лопасть содержит по размаху первую корневую зону, закрепленную на втулке, затем вторую концевую зону, при этом вторая зона проходит радиально от первой зоны к дистальному концу лопасти, при этом вторая зона имеет прямую стреловидность, являясь снабженной второй задней кромкой первой зоны в направлении вращения лопасти в канале.

Каждая первая зона содержит комель, соединенный с втулкой при помощи устройства крепления, снабженного подшипником качения и конусным слоистым упором.

Заключенный в обтекатель винт оборудован лопастями, имеющими уменьшенный и даже нулевой максимальный угол крутки. Следует напомнить, что этот признак означает, что каждое сечение имеет угол крутки, заключенный между нулем градусов включительно и 5 градусами включительно, по отношению к базовому сечению, например к сечению корня. Крутка может быть непрерывной, при этом самый большой угол крутки разделяет сечение корня и сечение конца лопасти.

Подшипник может быть при этом «подшипником качения без зазора», то есть подшипником, рабочий зазор которого составляет примерно несколько сотых миллиметра. Таким образом, подшипник качения без зазора является подшипником качения с минимизированным зазором, причем этот зазор может быть меньше одной десятой миллиметра.

Изобретение идет вразрез с утверждениями, согласно которым лопасть винта фенестрон должна иметь большую амплитуду крутки, например порядка 20 градусов.

Действительно, заявитель отмечает, что нелинейная зона, наблюдаемая на кривой работы заключенного в обтекатель винта, является результатом большой крутки лопастей.

Действительно, если лопасть имеет шаг, находящийся в ограниченном диапазоне, а также учитывая крутку этой лопасти, комель лопасти и конец лопасти стремятся иметь противоположные углы атаки по отношению к воздушному потоку. Комель лопасти стремится при этом развивать тягу в одном направлении, тогда как конец лопасти стремится создавать тягу в другом направлении.

При этом заключенный в обтекатель винт стремится не реагировать, когда пилот устанавливает шаг лопастей в таком интервале.

Решить эту проблему можно за счет применения лопатки с небольшой круткой или без крутки. Действительно, все сечения лопасти создают тягу в одном направлении. Однако такое решение ухудшает производительность заключенного в обтекатель винта, чем и объясняется тот факт, что оно не находит применения. Чтобы избежать снижения производительности, при котором происходит чрезмерное ограничение максимальной тяги, которую может создавать заключенный в обтекатель винт, изобретением предложено применить небольшую крутку во второй концевой зоне лопасти, имеющей прямую стреловидность.

Эта прямая стреловидность уменьшает угол атаки воздуха относительно профилей лопасти и отодвигает срыв потока. Прямая стреловидность позволяет лопасти без крутки или со слабой круткой осуществлять вращение вокруг оси вращения винта с высокой скоростью без срыва потока. Эта прямая стреловидность позволяет заключенному в обтекатель винту создавать большую тягу, осуществляя быстрое вращение.

Кроме того, если лопасть обладает некоторой гибкостью при кручении, концевая зона имеет вынос, который может приводить к локальной деформации лопасти под действием подъемной силы, создаваемой этим выносом. В этом случае следует тщательно позиционировать лопасть в канале, чтобы избегать деформации по взмаху, стремящейся вытолкнуть лопасть из канала, поскольку такая деформация не исключена по причине гибкости упомянутой лопасти.

Кроме того, каждая лопасть закреплена на втулке при помощи инновационного устройства крепления, основанного на использовании подшипника качения, призванного уменьшить трения, которые наблюдались на эластомерных подшипниках в известных технических решениях.

Обычные эластомерные подшипники имеют зазор, позволяющий лопасти смещаться в направлении взмаха и лобового сопротивления. Этот функциональный зазор стремится нарушить работу заключенного в обтекатель винта и приводит к износу подшипников.

Когда заключенный в обтекатель винт развивает сильную тягу, действующая на лопасть центробежная сила стремится ограничить влияние этого зазора. При слабой тяге лопасть может смещаться при лобовом сопротивлении и взмахе, что приводит к износу подшипников. Кроме того, эти движения лопасти могут приводить к ударам, ощущаемым экипажем.

Устройство крепления в соответствии с изобретением позволяет устранить этот недостаток.

Таким образом, комбинация вышеупомянутых признаков стремится сделать линейной кривую работы прочного заключенного в обтекатель винта.

Этот винт может дополнительно содержать один или несколько следующих дополнительных признаков.

Описанная выше лопасть может, например, иметь незначительную крутку.

Однако максимальный угол может быть и нулевым. Иначе говоря, согласно этому варианту лопасть выполнена без крутки. Этот вариант обеспечивает оптимизированную устойчивость, в частности, когда тяга, создаваемая заключенным в обтекатель винтом, является нулевой.

Кроме того, вторая зона может иметь прямую стреловидность с наклоном по меньшей мере 30 градусов по отношению к размаху лопасти. Такая стреловидность позволяет получать удовлетворительную тягу в отсутствие крутки или при очень слабой крутке. Прямая стреловидность позволяет максимизировать скорость вращения лопасти без усиления производимого шума за счет уменьшения локального числа Маха.

Кроме того, центр аэродинамической тяги лопасти может находиться в пространстве, проходящем от задней кромки этой лопасти до геометрической оси симметрии упомянутого подшипника, чтобы прямая стреловидность могла локально создавать крутку, если лопасть обладает соответствующей гибкостью при кручении.

Центр тяжести лопасти может находиться на упомянутой геометрической оси симметрии упомянутого подшипника, чтобы избегать деформации подшипника под действием центробежных сил.

Кроме того, вторая концевая зона может иметь аэродинамические профили, каждый из которых имеет хорду большей длины, чем каждая хорда профилей первой зоны.

Кроме того, подшипник может представлять собой подшипник качения с керамическими роликами. Кроме того, этот подшипник может содержать кольцо, неподвижно соединенное с комлем лопасти. Преимуществом керамических роликов является минимизация рисков возникновения явления, называемого “false brinelling” (ложное бринеллирование) на английском языке.

Восприятие центробежных усилий происходит через конусный слоистый упор, при этом восприятие усилий, появляющихся в результате возможного движения при взмахе и лобовом сопротивлении лопасти, происходит через роликовый подшипник. Следует отметить, что эта конструкция не требует применения торсионных пластин, что позволяет оптимизировать размер втулки.

Кроме того, слоистый упор может содержать наружную арматуру и внутреннюю арматуру, при этом эластомерный элемент кольцевой формы соединяет внутреннюю арматуру с наружной арматурой, при этом комель проходит через подшипник и эластомерный элемент для крепления на внутренней арматуре при помощи, по меньшей мере, одного крепежного стержня.

Эластомерный элемент содержит последовательность гибких слоев из эластомерного материала и жестких слоев.

Это устройство крепления является относительно простым и компактным.

Внутренняя арматура может быть закреплена на втулке.

Кроме того, винт содержит один рычаг шага на лопасть, при этом каждый рычаг шага шарнирно соединен с внутренней арматурой.

Кроме того, на упомянутой внутренней арматуре закреплен, по меньшей мере, один весовой балансир.

Предпочтительно на внутренней арматуре симметрично относительно оси шага лопасти закреплены два балансира, чтобы не создавать бокового усилия, действующего на устройство крепления.

Кроме того, эластомерный элемент может иметь радиальную толщину, уменьшающуюся согласно заранее определенному правилу уменьшения толщины от внутренней арматуры к наружной арматуре. Этот признак гарантирует, что каждый слой эластомера подвергается одинаковому давлению, несмотря на изменение диаметра.

Наконец, объектом изобретения является винтокрылый летательный аппарат, содержащий винт в соответствии с изобретением.

Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания иллюстративных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - винтокрылый летательный аппарат в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 - заключенный в обтекатель винт винтокрылого летательного аппарата.

Фиг. 3 - схематичный вид лопасти и устройства крепления этой лопасти.

Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая максимальный угол крутки лопасти.

Фиг. 5 - два весовых балансира, называемых «китайскими балансирами», которые уменьшают усилия управления шагом.

На различных фигурах аналогичные элементы имеют одинаковые обозначения.

На фиг. 1 показан винтокрылый летательный аппарат 1, содержащий фюзеляж 2 с вращающейся несущей поверхностью 3. Этот фюзеляж 2 включает в себя хвостовую балку 4 с установленным на ней килем 5. Этот киль 5 содержит заключенный в обтекатель винт 10 в соответствии с изобретением, включающий в себя вращающийся узел 15.

Как показано на фиг. 2, заключенный в обтекатель винт 10 содержит обтекатель 11 киля. Этот заключенный в обтекатель винт 10 имеет аэродинамический канал 12, проходящий насквозь через обтекатель 11 вдоль оси симметрии АХ1. Эта ось симметрии АХ1 может быть по существу перпендикулярной к переднезадней плоскости симметрии винтокрылого летательного аппарата.

Вращающийся узел 15 расположен в канале и осуществляет вращение вокруг оси симметрии АХ1. Для этого заключенный в обтекатель винт может содержать приводное средство 14, такое как двигатель или редуктор, поддерживаемый лопатками 14 в канале 12. Вращающийся узел включает в себя множество лопастей 20, приводимых во вращение втулкой 16, вращаемой приводным средством 14.

Как показано на фиг. 3, каждая лопасть 20 походит по размаху от комеля 24, закрепленного на втулке 16 при помощи устройства 50 крепления, к дистальному концу 25. В частности, каждая лопасть может быть разложена на первую зону 21, включающую в себя комель 24, и вторую зону 22, включающую в себя дистальный конец 23.

Первая зона 21 проходит от комля, достигая радиуса R1, измеренного радиально от оси симметрии АХ1, а вторая зона 22 проходит от этого радиуса R1 до дистального конца 23.

Каждая лопасть 20 может иметь крутку. Как показано на фиг.4, лопасть может при этом иметь максимальную амплитуду крутки между двумя разными сечениями Р1, Р2 в интервале от нуля до 5 градусов, причем пределы включены в этот интервал.

Угол α крутки между двумя сечениями Р1, Р2 можно, например, измерить между двумя осями хорды С1, С2, соединяющими переднюю кромку с задней кромкой сечений. «Осью хорды» называют ось лопасти, соединяющую переднюю кромку с задней кромкой сечения, вдоль которой измеряют хорду сечения.

Максимальный угол может быть, например, достигнут между первым сечением лопасти и последним сечением, образующим дистальный конец 23.

Согласно варианту лопасть может не иметь крутки. В этом случае все оси хорды расположены в одной плоскости.

Как показано на фиг. 3, вторая зона содержит прямую стреловидность, имеющую вынос 25 в заднем направлении, а именно участок, смещенный в заднем направлении относительно первой зоны.

Таким образом, задняя кромка 30 лопасти содержит первую заднюю кромку 30' на уровне первой зоны 21 и вторую заднюю кромку 30” на уровне второй зоны 22. При этом первая задняя кромка 30' находится выше по потоку от второй задней кромки 30”, при этом термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» следует рассматривать в зависимости от направления вращения ROT лопасти в канале.

Если лопасть не имеет крутки или имеет очень небольшую максимальную амплитуду крутки согласно варианту и в рамках гибкой лопасти, этот вынос позволяет деформировать лопасть на большой скорости вращения винта для максимизации тяги, создаваемой заключенным в обтекатель винтом.

Кроме того, прямая стреловидность второй зоны 23 может иметь наклон в 30 градусов по отношению к нулевой стреловидности.

Кроме того, центр тяжести CG лопасти 20 может находиться вблизи геометрической оси АХ2 симметрии устройства 50 крепления и, в частности, подшипника этого устройства 50 крепления.

В случае необходимости, центр тяжести CG может находиться на геометрической оси АХ2.

Кроме того, устройство 50 крепления содержит подшипник 45 качения, связанный со слоистым упором 50.

Этот подшипник, представляющий собой подшипник качения с керамическими роликами, предпочтительно без зазора, содержит внутреннюю обойму 46, множество роликов 47 и наружную обойму 48.

Внутренняя обойма 46 может представлять собой кольцо, неподвижно соединенное с комлем 24 лопасти. При этом комель проходит через внутреннюю обойму 46 и неподвижно с ней соединен.

Наружная обойма 48 может быть, например, неподвижно соединена с элементом 17 втулки 16.

Кроме того, слоистый упор 50 представляет собой полый конусный упор, через который проходит комель 24. Этот слоистый упор оснащен наружной арматурой 51 и внутренней арматурой 52, стягивающими эластомерный элемент 55. Комель 24 последовательно проходит через наружную арматуру 51, затем через эластомерный элемент 55 для крепления на внутренней арматуре 52 при помощи крепежного стержня 60.

Наружная арматура 51 может содержать кольцо, неподвижно соединенное с наружной обоймой 48 подшипника. В этом случае наружная арматура 51 и эта наружная обойма 48 могут вместе образовать единую моноблочную конструктивную деталь, полученную посредством механической обработки.

Наружная арматура 51 закреплена на элементе 17 втулки.

Кроме того, эластомерный элемент 55 может содержать последовательность гибких слоев 57 из эластомерного материала и жестких слоев 56. Жесткие слои могут быть металлическими слоями на основе сплава или, например, из композиционных материалов.

Кроме того, эластомерный элемент имеет конусную кольцевую форму с радиальной толщиной 200, уменьшающейся согласно заранее определенному правилу уменьшения толщины, начиная от внутренней арматуры 52 в направлении наружной арматуры 51.

Для изменения шага лопасти заключенный в обтекатель винт дополнительно содержит рычаг 70 шага, шарнирно соединенный с внутренней арматурой 52.

Таким образом, этот рычаг 70 поворачивает наружную арматуру, которая вызывает изменение шага лопасти 20 через крепежный стержень 60. Слоистый упор 55 выдерживает это смещение при повороте.

Кроме того, центробежные усилия, создаваемые лопастью 20, передаются на втулку 16 последовательно через крепежный стержень 60, внутреннюю арматуру 52, эластомерный элемент и затем через наружную арматуру 51.

Усилия, создаваемые движениями при взмахе и/или лобовом сопротивлении лопасти, воспринимаются подшипником 45.

Как показано на фиг. 5, заключенный в обтекатель винт может содержать, по меньшей мере, один весовой балансир 80, закрепленный на внутренней арматуре 52, например, при помощи крепежного стержня 60.

Естественно, в настоящее изобретение можно вносить самые разные изменения в том, что касается его применения. Несмотря на то что были представлены несколько вариантов выполнения, понятно, что нельзя исчерпывающе идентифицировать все возможные варианты. Не выходя за рамки изобретения можно заменять одно описанное средство другим эквивалентным средством.