Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАСТЬ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЁТА С ОТКЛОНЯЕМОЙ ЗАДНЕЙ КРОМКОЙ

Изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам для управления изменением мгновенного значения подъемной силы на эффективном отрезке несущей поверхности лопасти для снижения периодических нагрузок на лопасть от азимутального взаимодействия ее с аэродинамическим потоком, следствием чего является снижение вибрации вертолета в целом.

Благодаря способности вертикально взлетать и садиться, зависать в воздухе, вертолеты занимают уникальное место в авиации. В то же время, полет на вертолете для пассажиров и членов экипажа сопряжен с дискомфортом, вызванным высоким уровнем вибраций в кабине. Вибрации также снижают усталостную прочность конструкции, сокращают ресурс, снижают эффективность бортового электронного и вычислительного оборудования, критичного для выполнения заданий по предназначению: навигационного, управления полетов, системы управления вооружением. В течение нескольких десятилетий ведется значительная работа по снижению уровня вибраций вертолета.

Причин возникновения колебаний вертолета много: редуктор, двигатель, хвостовой винт. Однако больше всего колебаний порождает система несущего винта. Максимум вибраций приходится на два режима: переходной с малыми поступательными скоростями и установившийся полет с высокой поступательной скоростью.

На переходных режимах (обычно взлет и посадка) высокий уровень вибраций определяют импульсные нагрузки, индуцированные взаимодействием лопастей и срывом потоков с законцовок лопастей. Такие условия обычно описываются как вихревое взаимодействие лопастей. В крейсерском полете в диапазоне средних и высоких скоростей вибрации вызывают, главным образом, аэродинамические условия, в которых работают лопасти. Периодическое изменение аэродинамических нагрузок на лопасти приводит к периодическому изменению скоростей обтекающего лопасть потока и угла атаки лопасти, а значит и к периодическому изменению действующих на лопасти нагрузок.

Для экстремально высокой скорости уровень вибраций резко увеличивается из-за образования на наступающих лопастях ударных волн (при этом резко увеличивается лобовое сопротивление и момент тангажа) и срыва потока на отступающих лопастях (потеря подъемной силы) в каждом обороте винта.

Одним из направлений борьбы с вибрацией на больших скоростях полета вертолета является применение на лопастях несущего винта активного органа управления - закрылка. Применение на лопастях несущего винта активных органов управления позволяет создать приращение силы тяги противоположного знака, равное величине пульсации силы в данной момент времени.

Известны аналоги лопасти с отклоняемыми закрылками.

Так в патенте (№ EP 2860108, МПК B64C 27/615, 2015 г.) приводится описание лопасти с отклоняемым закрылком, приводимым в движение при помощи двух линейных приводов, расположенных в поле действия центробежных сил и линейной трансмиссии, состоящей из тяг, блоков, гибких лент и реечно-винтового преобразователя, также расположенного в поле центробежных сил.

Недостатком данной конструкции является расположение приводов и реечно-винтового преобразователя в поле действия центробежных сил. Воздействие центробежной силы на привод будет выражаться в увеличении усилия в одном направлении и уменьшении усилия в другом, что не позволит равномерно управлять закрылком. У реечно-винтового преобразователя возможно заклинивание шариков в пазах при воздействии центробежной силы, что будет приводить к заклиниванию всего агрегата. Если пазы сделать шире, то появится люфт привода, что приведет к вибрации закрылка в потоке. Также за счет сложного механизма преобразования движения быстродействие системы управления будет низкое.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2851294, МПК B64C 27/615, 2015 г.), где закрылок приводится в движение валом, проходящим внутри лопасти от рукава втулки до привода закрылка. Управление производится с помощью дополнительного автомата перекоса и механизма суммирования при помощи тяг.

Недостатком данной конструкции является невозможность установить закрылок дальше комлевой зоны лопасти, т.к. в средней части лопасть изгибается в плоскости взмаха под действием изгибающего момента. В таких условиях вал привода закрылка заклинит в подшипниках или согнет. При этом максимальная эффективность закрылка будет именно в средней части лопасти, а у комля она практически нулевая. Данная конструкция привода с дополнительным автоматом перекоса и механизмом суммирования сильно усложняет и перегружает конструкцию системы управления. При этом закрылок может работать только на одной установленной конструктивно частоте привода.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2703285, МПК B64C 27/615, 2014 г.), где закрылок приводится в движение двумя приводами, расположенными вдоль лопасти напротив друг друга. Привод осуществляется через механический преобразователь, который преобразует продольное движение привода в поперечное движение тяги управления закрылком.

Недостатком данной конструкции является расположение приводов в поле действия центробежных сил. Воздействие центробежной силы на привод будет выражаться в увеличении усилия в одном направлении и уменьшении усилия в другом, что не позволит равномерно управлять закрылком. Также данная конструкция механического преобразователя снижает быстродействие всей системы. Центр масс привода расположен сзади оси жесткости лопасти, что неизбежно сместит центровку назад. Это может привести к флаттеру винта.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2674360, МПК B64C 27/615, 2013 г.), где приводом является электрический двигатель постоянного тока с редуктором, преобразующим вращательное движение двигателя в поступательное движение тяги привода через качалку.

Недостатком данной конструкции является расположение электродвигателя с редуктором в поле действия центробежных сил. Воздействие центробежной силы на привод будет выражаться в увеличении усилия в одном направлении и уменьшении усилия в другом, что не позволит равномерно управлять закрылком. Использованный в качестве привода электродвигатель с редуктором является изделием с малым быстродействием, что будет существенным ограничением в использовании привода для управления закрылком.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2514669, МПК B64C 27/615, 2012 г.), где привод присоединен непосредственно к механизму выдвижения закрылка и расположен перпендикулярно оси лопасти.

Недостатком данной конструкции является расположение всех элементов привода в задней части лопасти, что негативно скажется на центровке лопасти и приведет к флаттеру винта. Следует отметить также небольшой размер закрылка и малый угол его поворота, т.е. эффективность закрылка как элемента управления будет маленькой.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2769915, МПК B64C 27/615, 2014 г.), где один закрылок приводится в движение двумя приводами с различным направлением поворота закрылка. Один привод поворачивает закрылок вниз, а другой вверх с помощью ленточных тяг.

Недостатком данной конструкции является сложная конфигурация рамы крепления приводов и закрылка, которая при изгибе лопасти в плоскости взмаха будет мешать работе элементов привода, а также необходимость согласовывать между собой работу обоих приводов.

Известна лопасть с отклоняемым закрылком (патент № EP 2703285, МПК B64C 27/615, 2014 г.), где закрылок приводится в движение двумя приводами, расположенными вдоль лопасти напротив друг друга. Привод осуществляется через механический преобразователь, который преобразует продольное движение привода в поперечное движение тяги управления закрылком. Данное техническое решение было принято за прототип.

Недостатком данной конструкции является такое расположение приводов, при котором на их работу влияют центробежные силы. Воздействие центробежной силы на привод будет выражаться в увеличении усилия в одном направлении и уменьшении усилия в другом, что не позволит равномерно управлять закрылком. Также данная конструкция механического преобразователя снижает быстродействие всей системы. Центр масс привода расположен сзади оси жесткости лопасти, что смещает центровку назад. Это может привести к флаттеру лопасти винта.

Задачей изобретения является создание конструкции лопасти с отклоняемым закрылком с повышенным быстродействием, упрощение конструкции системы привода отклоняемого закрылка, расположение привода и элементов механического преобразователя в передней части лопасти (в носке для смещения центровки лопасти вперед) вне поля действия центробежных сил, для исключения неравномерности движения привода.

Технический результат заключается в широком диапазоне функционирования системы привода, который будет позволять регулировать дистанционно с помощью системы автоматического управления угол отклонения закрылка для создания эффективного прироста подъемной силы, частоту привода закрылка, для возможности использования системы на всех режимах полета, а также простоту исполнения.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в лопасти несущего винта вертолета с отклоняемой задней кромкой, включающей закрылок, привод и встроенную в корпус лопасти систему передачи движения, содержащую тяги, привод выполнен пьезоэлектрическим, содержит систему автоматического управления пьезоэлектрическим приводом, а система передачи движения расположена в передней части лопасти и содержит рычаг для увеличения хода закрылка, выполненный с изгибом, соответствующим профилю лопасти, при этом тяги расположены перпендикулярно продольной оси лопасти.

Фиг. 1 Общий вид вертолета

Фиг. 2 Профиль лопасти винта вертолета с отклоняемой задней кромкой

Фиг. 3 Схема системы привода

Фиг. 4 Рычаг, вид сбоку

Фиг. 5 Кинематическая схема системы привода

Фиг. 6 Плечи рычага

Фиг. 7 Взаимодействие лопасти винта с потоком

Фиг. 8 Общий вид модели для продувки в АДТ

Фиг. 9 Модель привода

Фиг. 10 Изменение амплитуды подъемной силы отсека с закрылком при различных скоростях потока трубы

Фиг. 11 Аэродинамические коэффициенты С_уа лопасти с неработающим закрылком и с работающим

Лопасть 1 несущего винта вертолета (Фиг. 1) с отклоняемой задней кромкой (закрылком) 6 показана на Фиг. 2. В средней части лопасти (Фиг. 2) проходит лонжерон 9, который делит внутреннее пространство лопасти на два отсека - передний и задний. На относительном радиусе R=0,7 установлен в задней части лопасти закрылок 6, который с помощью навесных поворотных кронштейнов 7 крепится к лонжерону 9. В передней части лопасти напротив закрылка 6 на внутренней части носка 10 установлен пьезоэлектрический привод 2. Система передачи движения, включающая рычаг и тяги, расположена в передней части лопасти. С помощью тяги 3 пьезопривод 2 соединен с рычагом 4 на малом плече 16 (Фиг. 6) посредством шарнира 12 (Фиг. 3). Рычаг 4 установлен вдоль оси лопасти 1 на подшипниковом узле 11 (Фиг. 3) в плоскости работы пьезоэлектрического привода 2. На большом плече 15 (Фиг. 6) рычага 4 установлена тяга 5 закрылка 6 при помощи шарнира 13 (Фиг. 3). Другая сторона тяги 5 через шарнирный узел крепится к закрылку 6 (Фиг. 2). Рычаг 4 по своей длине имеет изгиб (Фиг. 4), с углом α, составляющим 22°-25°, для того чтобы тягу 5 закрылка прижать к обшивке 8 лопасти 1 Фиг. 2, т.к. она к закрылку 6 от рычага 4 проходит между лонжероном 9 и обшивкой 8. Тяги 3 и 5 расположены перпендикулярно продольной оси лопасти.

Работает устройство следующим образом.

При включении пьезоэлектрического привода 2 (Фиг. 5), последний обеспечивает прямой рабочий ход тяги пьезопривода 3 в направлении, перпендикулярном оси лопасти 1. Тяга пьезопривода 3 приводит в движение рычаг 4 на малом плече 16 (Фиг. 6). На большом плече 15 с увеличенным ходом (примерная редукция 1/5) пьезопривод 2 через рычаг 4 приводит в движение тягу закрылка 5, которая в свою очередь поворачивает закрылок 6 (Фиг. 2). Пьезоэлектрический привод 2 (Фиг. 5) при помощи обратного хода возвращает устройство в исходное положение. При помощи системы автоматического управления 14 (Фиг. 3) пьезоэлектрическим приводом 2 можно менять частоту его работы, а также длину хода. Изменением частоты работы привода 2 можно подбирать частоту работы закрылка 6 под необходимую частоту вращения несущего винта, а также подбирать режим работы закрылка 6 под нужную частоту возбуждения винта (обычно лопастную), которую в данный момент необходимо компенсировать. Изменением длины хода подбирается необходимая величина мгновенного значения подъемной силы под определенную нагрузку на несущий винт, в зависимости от режима полета.

Рассмотрим принцип работы лопасти 1 с закрылком 6 на примере наступающей лопасти 1 (идущей навстречу набегающему потоку) (Фиг. 7) несущего винта. Лопасть 1 при движении по азимуту винта в направлении вращения, при переходе из заднего положения 17 вдоль оси вертолета в положение 19, соответствующее 90°, перпендикулярно набегающему потоку испытывает резкое возрастание подъемной силы только на этой лопасти 1 в данный момент времени. Далее при переходе лопасти 1 в переднее положение 21, соответствующее 180°, вдоль оси вертолета подъемная сила резко снижается, т.к. набегающий поток проходит параллельно оси лопасти 1. Резкий скачок подъемной силы подбрасывает наступающую лопасть 1 вверх. И так с каждой из лопастей несущего винта раз за оборот. В итоге это приводит к постоянной периодической вибрации всего вертолета с частотой, равной количеству оборотов несущего винта, умноженному на количество лопастей. Если начинать отклонять закрылок 6 из положения 18, соответствующего 36°, до положения 19, соответствующего 90° лопасти 1 несущего винта, то максимальное положение он займет, когда лопасть 1 будет проходить отметку положения 19, соответствующего 90°. Закрылок 6 отклоняется в противоположную сторону от направления действия прироста подъемной силы лопасти 1. Соответственно прирост подъемной силы с обратным знаком от действия закрылка 6 компенсирует прирост подъемной силы лопасти 1 от воздействия набегающего потока. В положение 20 лопасти 1, отстоящее на 36° от положения 19 лопасти 1, закрылок 6 вернется в исходное положение. Быстродействие привода при этом должно быть 0,265 секунды.

Для обоснования заявленного технического результата создана не вращающаяся модель лопасти для продувки в аэродинамической трубе. Основной задачей данного исследования было показать наличие прироста подъемной силы на взвешенном отсеке лопасти от колеблющегося в потоке с определенной частотой закрылка.

Модель представлена на Фиг. 8. Движение закрылком осуществляется пьезоэлектрическим приводом (Фиг. 9) с фиксированной частотой от 1 Гц до 7 Гц. Исследование в аэродинамической трубе проводилось до скоростей потока 35 м/с. При нахождении в потоке трубы взвешенного отсека модели лопасти с неработающим приводом закрылка на нем будет возникать подъемная сила как на обычном крыле. Если в потоке начать колебания закрылка с нужной частотой, то на аэродинамических весах взвешенного отсека возникает дополнительный прирост подъемной силы от работы закрылка. На Фиг. 10 представлена зависимость амплитуды динамики прироста подъемной силы при колеблющемся закрылке от скорости аэродинамического потока трубы. Из Фиг. 10 видно, что с ростом величины аэродинамического потока растет амплитуда прироста подъемной силы от работы закрылка. На Фиг. 11 представлены графики зависимости подъемной силы от угла атаки взвешенного отсека модели. Треугольными маркерами представлена зависимость подъемной силы при неработающем закрылке (режим имитации профиля крыла), а круглыми маркерами представлена зависимость подъемной силы при колеблющемся закрылке. Прирост подъемной силы от работы закрылка очевиден из этого графика, что подтверждает достижение заявленного технического результата.