Результат интеллектуальной деятельности: ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности - к устройству несущих и рулевых винтов вертолетов.

Изобретение также может быть использовано в других воздушных винтах с изменяемым шагом, в конструкции роторов ветродвигателей и винтовентиляторов, а также в других областях техники, где необходима гибкая связь между двумя твердыми телами, например - в виде упругих элементов шасси различных видов транспорта или в виде упругих муфт.

Известен винт, лопасти которого соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов - патент Франции N 2041747, кл. В 64 С 27/00. В этом винте упругая средняя по длине (рабочая) часть торсиона состоит из продольно расположенных отдельных пучков высокопрочных волокон, соединенных между собой эластичным материалом с низким сопротивлением сдвигу. Недостатком этой конструкции является низкая изгибная жесткость торсиона при поперечном изгибе, то есть при действии перерезывающих сил. Это может привести к выбору неоптимальных соотношений размеров торсиона, к завышенному весу конструкции, в частности - для случая свеса лопасти на стоянке, а также к нарушению передаточных соотношений между отклонениями органов управления и изменениями углов установки лопастей при воздействиях на торсионы перерезывающих сил от поводков лопастей и от самих лопастей.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в разработке конструкции торсиона с возможностью широкого изменения изгибных и крутильных жесткостей при их оптимальных соотношениях, в снижении веса конструкции винта, в улучшении управления лопастями винта.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в воздушном винте, содержащем вал, лопасти, втулку с элементами управления шагом лопастей и упругими на изгиб и кручение торсионами, соединяющими лопасти с корпусом втулки (ступицей) или непосредственно с валом, или соединяющие лопасти между собой и с валом, каждый из торсионов выполнен в виде слоистой балки и на участке между лопастью и валом состоит из набора по толщине силовых пластин из высокопрочного материала, соединенных между собой эластичными прослойками из материала с низким сопротивлением сдвигу, а по концам торсиона, в заделках, все силовые пластины или их часть соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью. Кроме того, предусмотрено, что в зонах перехода от рабочей части торсионов к их концевым заделкам эластичные прослойки имеют переменные размеры по ширине и длине для различных прослоек, а также то, что силовые пластины на рабочем участке и в зонах перехода к заделкам имеют продольные прорези. Предусматривается также то, что силовые пластины выполнены из анизотропного материала. К отличительным особенностям изобретения относится также возможность выполнения групп (пары, тройки и т. д. ) торсионов или всех торсионов одного винта как одно целое, а также возможность отсутствия жесткой заделки наружных пластин всех торсионов одного винта со стороны оси вращения винта, то есть объединение рабочих частей всех торсионов в одну общую рабочую часть. Кроме того, предусмотрено выполнение торсиона за одно целое с лопастью.

На фиг.1 показан воздушный винт с жестким креплением торсиона к корпусу втулки и к лопасти, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - 6 - некоторые из возможных сечений А-А на фиг. 1; на фиг.7 - вариант конструкции воздушного винта в четырехлопастной конфигурации, у которого каждая пара (группа) торсионов выполнена как одно целое, но с отдельными рабочими частями, вид сбоку; на фиг.8 - то же, вид сверху; на фиг. 9 - сечение Б-Б на фиг.7; на фиг.10 - воздушный винт, каждый торсион которого выполнен как одно целое с лопастью, вид сбоку; на фиг.11 - то же, вид сверху; на фиг.12, фиг.13, фиг.14 - сечения В-В, Г-Г, Д-Д на фиг. 10 соответственно; на фиг.15 - воздушный винт в двухлопастной конфигурации, у которого отсутствует жесткая заделка наружных пластин торсионов со стороны оси вращения, два торсиона выполнены как одно целое и рабочая часть двух торсионов является общей, вид сбоку; на фиг.16 - то же, вид сверху; на фиг. 17 - сечение Е-Е на фиг.15; на фиг.18 - воздушный винт в трехлопастной конфигурации, у которого отсутствует жесткая заделка наружных пластин торсионов со стороны оси вращения, три торсиона выполнены как одно целое и рабочая часть трех торсионов является общей, вид сбоку; на фиг.19 - то же, вид сверху; на фиг.20 - сечение Ж-Ж на фиг.18.

Воздушный винт, в частности - несущий винт вертолета, состоит из корпуса 1 втулки, торсионов 2, соединенных с корпусом 1 болтами 3, переходников 4, стыкующих между собой лопасти 5 и торсионы 2 болтами 6 и 7, и поводков 8 управления лопастями, соединенных с торсионами 2 и переходниками 4 также болтами 6.

Для уменьшения статических нагрузок на элементы конструкции винта оси торсионов 2 могут быть смещены на величину В в плоскости вращения и на угол К начальной конусности в вертикальной плоскости (плоскости взмаха).

Торсион 2 имеет в рабочей части поперечное сечение, состоящее из набора по толщине силовых пластин 9, выполненных из материала с высокой прочностью, соединенных между собой эластичными прослойками 10 из материала с низким сопротивлением сдвигу. Эластичные прослойки 10 расположены по длине торсиона 2 на его среднем (рабочем) участке L, а в местах стыковки торсиона 2 с корпусом 1 втулки и переходником 4 место эластичных прослоек 10 занимает высокопрочный материал, например, такой же, из которого выполнены силовые пластина 9.

Рабочая часть L торсиона 2 может иметь по длине как постоянное, так и переменное сечение. Также для одного торсиона 2 его силовые пластины 9 и эластичные прослойки 10 могут иметь по длине как постоянное, так и переменное сечение. В частности, на концах торсиона 2, в зонах перехода от рабочей части L к заделкам, специально подобранные изменения по длине торсиона 2 размеров силовых пластин 9 и эластичных прослоек 10 сглаживают характерный для этих мест скачок жесткостей и напряжений.

Для снижения крутильной жесткости торсионов 2 их силовые пластины 9 на рабочем участке L и в зонах перехода к заделкам могут иметь продольные прорези Р. Прорези Р могут также иметь по длине торсиона постоянное или переменное сечение и переменную длину для разных пластин 9 одного торсиона 2. Разные пластины 9 одного торсиона 2 могут иметь и разное количество прорезей Р. Прорези Р могут быть заполнены эластичным материалом, аналогичным материалу прослоек 10 или не заполнены ничем вовсе.

В целях обеспечения наилучшего соотношения изгибных и крутильных жесткостей рабочей части L торсиона 2, а также для повышения технологичности конструкции, силовые пластины 9 торсиона 2 могут быть выполнены из анизотропного композиционного материала.

Для устранения высоконагруженного стыка лопасти 5 через переходник 4 с торсионом 2 и, как следствие, снижения веса конструкции лопасть 5 может быть выполнена как единое целое с торсионом 2. На фиг.10, 11, 12, 13, 14 показан вариант конструкции такого винта. В этом варианте материал лопасти 5 является продолжением материала силовых пластин 9 ее торсиона 2, при этом внутренняя часть торсиона 2, показанная в виде вкладыша 12, может изготавливаться как отдельно с последующим неразъемным соединением с лопастью, так и в едином процессе формования лопасти 5.

Для снижения жесткости торсионов на изгиб в плоскости взмаха лопасти винта жесткая заделка наружных силовых пластин торсиона со стороны вала 11 винта может отсутствовать. В этом случае все торсионы одного винта выполняются как одно целое, и деформации всех торсионов происходят совместно, то есть рабочие части всех торсионов объединяются в одну общую рабочую часть. Такие варианты конструкций винта представлены на фиг.15, 16, 17, 18, 19, 20. В показанных вариантах выполненные как одно целое торсионы 2 крепятся непосредственно к валу винта 11.

Необходимость использования тех или иных вышеперечисленных особенностей конструкции торсианов определяется при проектировании винта в процессе выбора различных параметров его элементов.

Изменение углов установки (шага) каждой лопасти может осуществляться с применением известных элементов управления, с различным соединением этих элементов с втулкой и лопастью.

Так, например, на фиг.1 и фиг.2 показан винт, у которого управление шагом каждой лопасти осуществляется при помощи поводка 8, жестко соединенного с наружном концом торсиона 2.

На фиг.7 и фиг.8 изображен винт с управлением шагом каждой лопасти 5 при помощи кожуха (полой трубы) 13, соединенного с внутренним и наружным концами торсиона 2 при помощи трех шаровых шарниров 14, 15, 16, имеющих возможность движения в необходимых пределах вдоль осей своих опорных пальцев 17, 18, 19. Такая подвеска кожуха 13 исключает работу кожуха на изгиб при изгибно-крутильных деформациях торсиона, и кожух работает только на кручение.

На фиг. 10 и фиг.11 показан винт, у которого каждая лопасть 5 выполнена как единое целое с ее торсионом 2, а кожух 13 управления шагом лопасти соединен с наружным концом (заделкой) торсиона 2 жестко, двумя болтами 20, а с внутренним концом торсиона 2 кожух 13 соединен при помощи шаровой опоры 14, имеющей возможность движения вдоль оси своего опорного пальца 17.

На фиг. 15 и фиг.16 представлен винт, у которого роль кожуха управления выполняет комлевая часть лопасти 5, жестко соединенная с наружным концом торсиона 2 при помощи болтов 21.

На фиг. 18 и фиг.19 показана конструкция винта с установкой кожуха 13 управления шагом лопасти аналогично конструкции на фиг.10 и фиг.11, при этом кожух 13 выполняет еще и роль переходника лопасти, то есть лопасть 5 крепится непосредственно к кожуху 13 болтами 22.

Наличие тех или иных элементов управления шагом лопастей, а также схем их закрепления в конструкции винта определяется при проектировании винта в процессе выбора его параметров.

Воздушный винт работает следующим образом.

При полете вертолета его несущий винт находится в неравномерном скошенном потоке воздуха, и лопасти 5 винта совершают маховые движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то есть в плоскостях взмаха и вращения. При действии системы управления лопасти 5 винта меняют свои углы установки. Во время работы винта торсионы 2 воспринимают нагрузки от лопастей 5 и передают на лопасти крутящий момент от вала 11 винта.

При маховом движении необходимая подвижность лопастей 5 обеспечивается соответствующим выбором жесткостей торсионов 2 в плоскостях взмаха и вращения.

Возможность изменения углов установки лопастей 5 путем закручивания торсионов 2 через элементы управления достигается тем, что при кручении торсиона 2 силовые пластины 9, соединенные между собой эластичными прослойками 10, имеют возможность сдвига одна относительно другой, так как эластичные прослойки выполнены из материала с низким сопротивлением сдвигу, например - из резины.

Устойчивость силовых пластин 9 при изгибе торсиона в сжатой зоне достигается тем, что эластичные прослойки 10, соединенные с силовыми пластинами по всей поверхности, не дают им выпучиваться (терять устойчивость), и торсион 2 при изгибе работает как одно целое. Потерю устойчивости крайних ветвей торсиона 2 от изгиба при большом количестве продольных прорезей Р в рабочей части предотвращает заполнение прорезей Р эластичным материалом, соединяющим силовые пластины 9 смежных ветвей, или выполнение в разных силовых пластинах 9 одного торсиона 2 разного количества прорезей Р.

При изгибах торсиона 2 благодаря сдвигу силовых пластин 9 за счет эластичных прослоек 10 деформации каждой пластины распределяются на всю ее длину, что снижает напряжения в пластине, повышает усталостную прочность торсиона 2 и ресурс конструкции винта в целом.

Технический эффект изобретения заключается в простоте конструкции воздушного винта, малом весе, небольшом количестве деталей, малом лобовом сопротивлении ненесущих элементов, минимальных затратах на производство и техническое обслуживание. Разделение рабочей части торсионов на множество параллельно работающих силовых пластин и применение анизотропных композиционных материалов для изготовления силовых пластин повышает надежность и безопасность конструкции воздушного винта.