ЛОПАСТЬ НЕСУЩЕГО ВИНТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 1997 года по МПК B64C27/04 B64C11/16 

Изобретение относится к авиации, а именно к лопасти со стреловидной законцовкой для несущего винта летательного аппарата.

Известно, что как при полете на зависании, так и при полете вперед технические характеристики винта летательного аппарата с несущим винтом, в частности вертолета, ограничены следующими явлениями:
ударными волнами, которые развиваются на спинке лопастей при полете на большой скорости;
срывом в результате отделения пограничного слоя на спинке лопастей;
взаимодействием завихрения, созданного предыдущей лопастью, со следующей лопастью, что приводит к значительному рассеиванию энергии при полете на зависании в двух видах: индуцированная мощность и мощность сопротивления профилей.

Кроме потерь летно-технических характеристик, удары и взаимодействие лопасти с завихрениями также способствуют созданию вредных звуковых воздействий в виде импульсных звуков соответственно в результате смещения ударов (полет на большой скорости) и в результате импульсивной модуляции подъемной силы в момент, когда концевой вихрь ударяет непосредственно лопасть (спуск).

Было установлено, что технические характеристики лопасти для несущего винта летательного аппарата зависят в большой степени от параметров, связанных с конструкцией лопасти, например, таких как:
а) радиальное распределение поверхности лопасти;
b) стреловидность части свободного конца лопасти;
с) распределение закрутки профилей;
d) введение части свободного конца лопасти в двухгранник.

а) Радиальное распределение поверхности лопасти
В случае летательного аппарата с несущим винтом, профили или элементарные сечения которого работают при одном и том же коэффициенте подъемной силы C_z, линейная подъемная сила изменяется как квадрат местной скорости, которая прямо пропорциональна радиусу (радиальное положение) r сечения. Отсюда вытекает, что общая подъемная сила изменяется пропорционально средней хорде :

в которой RO представляет радиус r в начале части, снабженной оперением лопасти, и R обозначает полный радиус лопасти.

Принято широко сравнивать технические показатели лопастей различной формы, привязывая их к этой средней хорде .

По сравнению с обычной лопастью прямоугольной формы расчеты показывают, а опыт подтверждает, что уменьшение хорды на наружном конце лопасти (удлиненная форма) улучшает технические характеристики, в частности, при полете на большой скорости. Это улучшение технических характеристик объясняется уменьшением сопротивления профилей в результате уменьшения хорды на конце. Удары в этой зоне воздействуют на более слабую поверхность, в то время как центральная часть лопасти, которая не подвержена ударам, обеспечивает тогда основную подъемную силу с максимальными аэродинамическими качествами, при этом частное (мощность/сопротивление) является максимальным.

Однако увеличение хорды на оставшейся части размаха лопасти, которое необходимо для сохранения средней постоянной хорды, является большим из-за уравновешивания в r². Это ведет к значительному увеличению веса винта. Однако сужение, направленное к наружной части лопасти, является средством, которое широко использовано для улучшения технических характеристик последней, в общем, в комбинации с приданием стреловидности концу лопасти так, как описано в патентах Fr N 2617118 и 2473983.

Однако в патенте Fr N 2311713 предложена совершенно отличная конструкция, которая заключается, кроме других особенностей, в том, что резко увеличивают ширину хорды за пределы сечения, расположенного приблизительно на 87% общего радиуса лопасти R. Это расположение способствует появлению интенсивных и стабильных вихрей, которые отталкивают критический угол атаки, в частности, когда лопасть находится в положении, смещенном назад. Тем не менее эта конструкция, которая концентрирует поверхность лопасти к концу, сводится к уменьшению эффективной части винта до периферийного кольца. В результате создаваемый поток оказывается менее однородным и, следовательно, создаваемая мощность возрастает, что является особенно вредным при взлете.

b) Придание стреловидности части свободного конца лопасти
Кроме того, для того, чтобы отодвинуть порог появления ударных волн и ограничить их интенсивность, полезно согнуть свободный конец лопасти в направлении назад. Угол стреловидности А, определенный линией аэродинамических фокусов (приблизительно на четверть перед хордой), и ось изменения шага уменьшают эффективное число Маха, и, таким образом, придание стреловидности свободному концу лопасти является эффективным средством для уменьшения неблагоприятных последствий сжимаемости воздуха, в частности появления ударных волн. Такая стреловидность конца лопасти, описана, в частности, в патентах Fr N 2311713, 2473983 и 2617118 и эффективно используется в некоторых вертолетах.

Однако величина угла стреловидности и протяженность размаха действительно ограничены скручивающими усилиями, которые возникают в результате смещения назад аэродинамической подъемной силы, а также центра тяжести.

В патенте Fr N 2311713 предлагают сместить вперед часть лопасти таким образом, чтобы уравновесить смещение назад ее конца. Это позволяет расширить стреловидную зону на более значительную часть размаха. Однако соединение части передней кромки, которая смещена вперед, с внутренней частью лопасти осуществляется резко, и вихрь, создаваемый этим соединением, вызывает преждевременный отрыв от профилей, которые ближе расположены к ступице. При большей скорости вогнутая форма передней кромки на уровне соединения фиксирует и усиливает местами ударные волны, что может уменьшить или даже свести на нет положительные эффекты стреловидности.

В патенте Fr N 2397323 предлагают также смещение вперед передней кромки, но с одной отличной целью. Здесь не идет речь об уменьшении скручивающих усилий, а о том, чтобы вызвать эластичную деформацию лопасти контролируемым образом и так, как находят это благоприятным.

с) Распределение закрутки профилей
Кроме распределения в радиальном направлении длины хорды и придания стреловидности наружному концу, распределение закрутки элементарных сечений лопасти также способствует улучшению технических характеристик последней. Закрутка лопасти заключается в том, что изменяют установку профилей вдоль размаха лопасти таким образом, чтобы наружный конец лопасти входил в контакт с воздухом под относительно малым углом атаки, а корень лопасти под относительно большим углом атаки. Это позволяет распределить подъемную силу более равномерно по всей поверхности винта и уменьшить таким образом поглощаемую мощность при полете на висении.

Закрутка характеризуется разницей установки между двумя концами лопасти. Однако известно, что сильная закрутка может привести к тому, что наружный конец лопасти будет создавать отрицательную подъемную силу (вниз) при поступательном положении вперед, когда летательный аппарат с несущим винтом перемещается на большой скорости. Технические характеристики оказываются в результате этого хуже, и особенно возрастают сильно вибрации.

Выбор закрутки осуществляется в результате компромисса, при котором учитывают, с одной стороны, полет на висении и низкие скорости, которые требуют сильной закрутки, и, с другой стороны, полет вперед, для которого желательна более умеренная закрутка.

В целях упрощения распределение закрутки в радиальном направлении часто линейное, причем такое, чтобы общая закрутка была достаточной для определения установки всех элементарных сечений.

Однако для улучшения технических характеристик в патенте Fr N 2636593 предлагают осуществить нелинейную постоянную закрутку с повышенной закруткой наружного конца лопасти, например в пределах между 85 и 100% общего радиуса лопасти R. Это приводит к уменьшению интенсивности концевого вихря, даже к устранению последнего для данного уровня подъемной силы таким образом, чтобы улучшить технические характеристики на малой скорости и уменьшить шумы взаимодействия лопасти с вихрем при спуске. Однако это расположение не позволяет отодвинуть критические углы атаки, и выигрыши в мощности уменьшаются при больших скоростях.

d) Введение части свободного конца лопасти в двухгранник
Согласно обычному способу лопасти конструируются таким образом, что фокус профилей, определенный обычно как точка половины толщины на передней четверти хорды, остается существенно на оси изменения шага, и это все вдоль размаха. Однако придание стреловидности свободному концу лопасти осуществляется обычно в результате перемещения фокуса в плоскости, определенной, с одной стороны, осью изменения шага и, с другой стороны, направлением хорды профиля в концевой зоне.

В патенте Fr N 2617118 описано усовершенствование этой обычной конструкции, заключающийся в том, что линию фокусов вписывают в плоскость, проходящую через ось изменения шага, но с наклоном относительно хорды таким образом, чтобы фокус профилей с наружным концом лопастей располагался существенно ниже, чем внутренняя часть лопасти. Таким образом, концевой вихрь образованный внешним концом лопасти, удален от следующей лопасти, что приводит к уменьшению интенсивности взаимодействия, в частности, при полете на висении. В результате достигают явное уменьшение мощности, поглощаемой винтом, в частности, при полете на висении и на малых скоростях.

Этот способ назван термином "введение в двухгранник" конца лопасти, хотя в патенте Fr N 2617118 предлагается постепенное перемещение (параболического типа) фокуса, а не простой "излом".

Итак, понятно, что никакой из документов, приведенных выше, не описывает конструкции лопасти, которая была бы полностью лишена недостатков, а настоящее изобретение, относится в этом контексте к лопасти для несущего винта со стреловидной законцовкой, геометрия которой определена оптимальным образом для обеспечения гарантии наилучших технических показателей.

Для этой цели лопасть со стреловидной законцовкой для несущего винта летательного аппарата, предназначенная для использования в качестве составной части несущего винта, ступица которого соединена с вышеуказанной лопастью, которая может приводиться во вращение вокруг оси вышеуказанной ступицы, содержит переднюю и заднюю кромки и образована из поперечных элементарных последовательно расположенных сечений, которые обозначены расстоянием, отделяющим каждое из этих сечений от оси вращения вышеуказанной ступицы, и каждое из которых имеет профиль определенной хорды и аэродинамический фокус, смещение которого относительно оси изменения шага, перпендикулярного каждому из вышеуказанных сечений, определяет стреловидность вышеуказанной лопасти. Вышеуказанная лопасть разделена в продольном направлении на четыре зоны, а именно: первую зону, расположенную между внутренней кромкой лопасти и первым сечением, расположенным между 75 и 87% общей длины лопасти, отсчитанной от оси вращения ступицы; вторую зону, расположенную между первым сечением и вторым сечением, расположенным между 87 и 93% общей длины лопасти; третью зону, расположенную между вторым сечением и третьим сечением, расположенным между 93 и 97% общей длины лопасти; четвертую зону, расположенную между третьим сечением и свободной наружной кромкой лопасти. Длина хорды L возрастает, в основном, линейно в первой зоне, изменяется по закону кубической функции во второй зоне, постоянна в третьей зоне и изменяется по параболическому закону в четвертой зоне таким образом, что лопасть имеет двойное сужение к внутренней и наружной кромкам лопасти. Изменение длины хорды таково, что передняя и задняя кромки лопасти не имеют в продольном направлении излома, причем кроме прямолинейных участков передняя и задняя кромки включают выпуклые и вогнутые участки, соответственно, а смещение y'f аэродинамического фокуса относительно оси изменения шага изменяется линейно в первой зоне таким образом, чтобы аэродинамический фокус был смещен к передней кромке в этой зоне, изменялся по закону кубической функции во второй зоне, изменялся линейно в третьей зоне и изменялся по параболическому закону в четвертой зоне таким образом, чтобы лопасть имела стреловидность, обращенную в направлении назад. При этом изменение смещения аэродинамического фокуса таково, что передняя и задняя кромки лопасти не имеют никаких изломов в продольном направлении.

Итак, изменение длины хорды и изменение смещения аэродинамического фокуса вдоль продольной поверхности лопасти являются такими, что передняя кромка лопасти имеет только выпуклые или прямолинейные участки, но не вогнутые (шаг точки изгиба на виде сверху), его задняя кромка имеет вогнутые или прямолинейные участки, а не вогнутые (шаг точки изгиба на виде сверху). Это позволяет, в частности, избежать явления фокусировки ударов, вызываемого местной вогнутостью передней кромки. Кроме того, устранение или снижение ударов на конце лопасти достигается с помощью большой саблевидности, эффект которой увеличивается большой длиной хорды в этой зоне.

Равновесие аэродинамических сил вокруг оси изменения шага обеспечивается посредством перемещения аэродинамического фокуса вперед относительно оси шага (к передней кромке) на всей внутренней части лопасти (первая зона). При этом изменение длины и хорды и изменение смещения аэродинамического фокуса таковы, что общий фокус лопасти располагается существенно на оси шага. Это геометрическое расположение облегчает массу, при этом общий центр тяжести может также быть размещен, по крайней мере существенно, на оси шага с добавлением очень небольшой пассивной массы. Благодаря тому, что общий фокус и общий центр тяжести расположены, по крайней мере существенно, на вышеуказанной оси, скручивающие усилия на уровне корня лопасти, так же как и усилия привода (тяги двухзвенной, циклических дисков, цилиндров), уменьшены.

Внутренняя часть лопасти (первая зона), которая мало участвует в подъемной силе, но имеет значительную часть массы, уменьшена за счет постепенного уменьшения хорды в направлении к корню лопасти ("сужение корня") настолько, насколько позволяет прочность материалов, которыми располагают. Плавность такого уменьшения гарантирует, что никакой концентрированный вихрь не может возникнуть на соединении с наиболее широкой частью лопасти. Такой вихрь является действительно бесполезным, при этом критический угол атаки отодвинут не с помощью этого способа, а скорее в результате применения отдельного закона закрутки.

Выгодно, чтобы изменение длины L хорды относительно средней длины хорды было ограничено двумя предельными линиями нижней ABCD и верхней - пределом EFGH, при которых координаты точек А, В, С, D следующие:

причем линии соединяющие эти точки, образуют предельную линию ABCD, состоящую из прямолинейных участков, за исключением, участка CD, определяемого зависимостями:
,
x (r/R 0,93)/0,07,
а координаты точек E, F, G и H являются следующими:

при этом линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию EFGH, состоящую из прямолинейных участков, за исключением GH параболической формы, определяемого зависимостями:
,
x (r/R 0,97)/0,03
В этих пределах длина L хорды изменяется относительно средней длины хорды, предпочтительно на продольной поверхности, следующим образом:
r обозначает расстояние от элементарно поперечного сечения лопасти до оси вращения ступицы;
RO расстояние от внутренней кромки лопасти до оси вращения ступицы;
R1 расстояние от наружного конца первой зоны до оси вращения ступицы;
R2 расстояние от наружного конца второй зоны до оси вращения ступицы;
R3 расстояние от наружного конца третьей зоны до оси вращения ступицы;
R расстояние наружной кромки лопасти до оси вращения ступицы;
а) в первой зоне от R0 до R1:
линейно от L0 0,778400 до L1 1,095054 ;
b) во второй зоне от R1 до R2:
от L1 до L2 1,104833 согласно функции:

в которой x (r-R1)/(R2-R1);
c) в третьей зоне от R2 до R3:
от L2 1,104833 до L3 L2 и остается постоянной;
d) в четвертой зоне от R3 до R:
от L3 1,104833 до L4 0,351543 ,
согласно функции:
,
в которой x (r R3)/(R-R3).

Кроме того, смещение y'f аэродинамического фокуса каждого сечения по отношению к оси изменения шага ограничено нижней A'B'C'D' и верхней E'F'G'H' предельными линиями, так что координаты точек A'B'C'D':

при этом линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию A'B'C'D', состоящую из прямолинейных участков, за исключением, участка C'D' параболической формы, определяемого зависимостями:
y'f(r/R)/R -0,03165 0,04200x 0,04551x²,
x (r/R 0,93)/0,07,
а координаты точек E'F'G'H' имеют следующие значения:

при этом линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию A'B'C'D', состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка C'D' параболической формы, определяемого зависимостями:
y'f(r/R)/R -0,03165 0,04200x 0,04551x²,
x (r/R 0,97)/0,03
В этих пределах смещение y'f аэродинамического фокуса относительно оси изменения шага изменяется, предпочтительно в продольном направлении лопасти, следующим образом:
r обозначает расстояние от элементарного поперечного сечения лопасти до оси вращения ступицы;
R0 расстояние от внутренней кромки лопасти до оси вращения ступицы;
R1 расстояние от наружного конца вышеуказанной первой зоны до оси вращения ступицы;
R2 расстояние от наружного конца вышеуказанной второй зоны до оси вращения ступицы;
R3 расстояние от наружного конца вышеуказанной третьей зоны до оси вращения ступицы;
R расстояние от наружной кромки лопасти до оси вращения ступицы.

a) в первой зоне от R0 до R1:
линейно от Y0 0,0029242R до Y1 0,012282R или
y'f 0,004449r;
b) во второй зоне от R1 до R2:
от Y1 до Y2 0б003244К согласно функции:
y'f(r/R)/R 0,01096890 0,01772363x³ + 0,00131353(1-x³) - 0,00451858x(1-x)(2x-1),
в которой x (r-R1)/(R2-R1);
c) в третьей зоне от R2 до R3:
линейно от Y2 до Y3 -0,024733R;
d) в четвертой зоне от R3 до R:
от Y3 до Y4 -0,089994R согласно функции:
y'f(r/R)/R 0,024733 0,02396x 0,041955x²,
в которой x (r R3)/(R R3).

Кроме того, наружная законцовочная часть лопасти имеет кривизну, ориентированную вниз, по крайней мере приблизительно параболической формы, причем вертикальное перемещение Z_v центра закрутки относительно плоскости нулевой подъемной силы лопасти ограничено нижней A"B"C"D" и верхней E"F"G"H" предельными линиями, так что координаты точек A"B"C" и D"следующие:

при этом линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию A"B"C"D", состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка C"D" параболической формы, определяемого зависимостями:
Z_v(r/R)/R -0,001 0,014 x²,
x (r/R 0,93)/0,07,
а координаты точек E", F", G" и H" следующие:

при этом линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию E"F"G"H", состоящую из прямолинейных участков за исключением участка G"H" параболической формы, определяемого зависимостями:
Z_v(r/R)/R +0,001 0,006 x²,
X (r/R 0,97)/0,003.

Выгодно, чтобы вертикальное смещение центра Z_v центра закрутки относительно плоскости нулевой подъемной силы лопасти было таким, чтобы центр закрутки оставался существенно в вышеупомянутой плоскости в вышеуказанных первой, второй, третьей и четвертой зонах определялся соотношениями:
Z_v(r/R)/R -0,0905 x³,
x (r R3)/(R R3).

Предпочтительно, чтобы вышеупомянутые первая, вторая, третья и четвертая зонЫ были определены с помощью:
R0 0,202380R, R1 0,050000R, R2 0,89000R и R3 0,950000R
Сверх того, выгодно, чтобы в зоне между сечениями R0 и R1, находящимися в диапазоне 0,40 до 0,50 от длины R лопасти, и в зоне между сечением RII, находящимися в диапазоне 0,75-0,85R, степень изменения аэродинамической крутки постоянна и равна заданному значению, тогда как в центральной зоне между сечениями R1 и RII степень изменения аэродинамической крутки также постоянная и равна 1,5 величины степени изменения аэродинамической крутки зон R0-R1 и RII.

С помощью повышенной закрутки центральной части лопасти (R1-RII) можно лучше эксплуатировать область надежной работы профилей, уменьшая требуемую максимальную подъемную силу и увеличивая в зоне, где имеется большой запас, в частности в центральной части лопасти. В случае быстрого полета конец наступающей полости развивает отрицательную подъемную силу, но повышенная закрутка не осложняет практически это явление, в то время как увеличение со стороны отступающей лопасти значительное. В общем, мощность, необходимая для ротора, уменьшается приблизительно на 10% в случае полета.

Это является результатом отвода критического угла атаки винта, другие положительные последствия которого следующие: снижение динамических напряжений в лопастях, ступице и цепи управления; снижение вибраций.

Кроме того, уменьшена интенсивность взаимодействия лопасти с вихрем благодаря, с одной стороны, перемещению вниз концевого вихря и, с другой стороны, уменьшению интенсивности вихря. Перемещение вихря обеспечивается частично перемещением профилей в плоскости нулевой несущей силы лопасти и частично благодаря значительному отводу задней кромки, что вызывает также перемещение вихря вниз в результате вращения лопасти вокруг оси шага. Уменьшение интенсивности вихря достигается в результате уменьшения хорды, постепенного, но значительного, в части наружного конца лопасти ("концевого обтекателя"). Это специфическое сужение обеспечивает дополнительное преимущество, позволяющее уменьшить массу в зоне, которая наиболее удалена от оси шага, облегчает таким образом инерционное уравновешивание.

На фиг. 1 представлен схематический перспективный вид лопасти винта вертолета согласно изобретению; на фиг. 2 и 3 вид сверху двух вариантов выполнения лопасти согласно изобретению; на фиг. 4 кривая, показывающая изменение длины хорды вдоль продольной плоскости лопасти; на фиг. 5 кривая, показывающая эволюцию смещения аэродинамического фокуса вдоль продольной плоскости лопасти; на фиг. 6 -кривая, показывающая вертикальное перемещение центра закрутки относительно плоскости конструкции; на фиг. 7 кривая, показывающая изменение аэродинамической установки вдоль продольной поверхности лопасти; на фиг. 8-10 элементарные сечения лопасти при различных положениях его продольной плоскости.

Лопасть 1 со стреловидной законцовкой согласно настоящему изобретению (фиг. 1) является составной частью винта, ступица которого изображена чисто схематическим образом и другие лопасти которого не показаны. Лопасть 1 соединена со ступицей 2 с помощью шарнирных и удерживающих органов лопасти, в частности шарнирного соединения изменения шага для лопасти вокруг оси 4, называемого управляемым изменением шага.

Итак, лопасть, содержащая переднюю кромку 5 и заднюю кромку 6, образована из последовательных элементарных поперечных сечений, из которых сечение 7 обозначено на фиг. 1. Каждое элементарное сечение 7 обозначено расстоянием r, которое отделяет сечение по оси вращения 2А ступицы и имеет профиль определенной хорды L и аэродинамический фокус (точка приложения изменения подъемных аэродинамических сил), кривая которых вдоль продольной плоскости лопасти обозначена позицией 8 на фиг. 2 и 3, смещение аэродинамического фокуса относительно оси изменения шага 4, которое ортогонально относительно последовательного сечения 7, определяет стреловидность лопасти, как хорошо видно на фиг. 2 и 3.

Ниже описывается геометрическая конструкция, позволяющая определить точно поверхность лопасти согласно изобретению.

В качестве источника конструкции выбрана прямоугольная пространственная система координат, начало которой 0 является центром винта. Ось 0Х является осью изменения шага 4 таким образом, что первая координата совпадает с радиусом r, который отсчитан от центра вращения 0. Вторая ось 0Y, которая является прямоугольной относительно оси 0Х, составляет опорное направление смещения и направлена произвольно к передней кромке 5. Третья ось 0Z перпендикулярна плоскости, определенной осями 0X и 0Y, и направлена произвольно к верху (верхняя поверхность профилей). Треугольник расположен в прямом направлении, если винт вращается против часовой стрелки. Однако само собой разумеется, что все, что будет изложено, будет пригодно для винта, вращающегося по часовой стрелке.

Плоскость 0X, 0Y будет называться плоскостью конструкции или опорной плоскостью. Плоскость 0X, 0Y выбирается таким образом, чтобы она совпадала с плоскостью нулевой подъемной силы лопасти, которая определяется после этого. Поверхность лопасти (оболочка лопасти) образована комплексом плоских элементарных сечений 7, которые все параллельны друг другу и плоскости 0Y, 0Z и перпендикулярны оси изменения шага 0X.

Каждое элементарное сечение может быть обозначено своим радиусом r (расстояние от сечения до оси 0Y), расположенным между R0 (начало части, снабженной оперением) и R (наружный конец лопасти).

Параметры, определяющие контур элементарного поперечного сечения 7 лопасти 1, следующие:
длина хорды L, которая отсчитывается перпендикулярно оси шага; - средняя длина уравновешенной хорды;
перемещение аэродинамического фокуса F относительно центра закрутки V параллельно хорде; Δ yf, yf, zf -координаты фокуса F (расположенного обычно в передней четверти хорды и в половине толщины) согласно позиции конструкции; положение на хорде общего фокуса; y'f положение, спроектированное на плоскость конструкции (без закрутки);
положение центра закрутки V, определенное ее координатами Y_v, Z_v согласно обозначению конструкции;
геометрическая крутка θ_g, рассчитанная относительно направления 0Y, которая является положительной для набора высоты и определяется из аэродинамической крутки θ_a с помощью уравнения:
θ_g=θ_a+α_o,
в котором α_o угол нулевой подъемной силы элементарного сечения (рассматриваемая установка не является геометрической круткой θ_g, но скорее аэродинамической круткой θ_a, рассчитанной относительно направления нулевой подъемной силы сечения). Отклонение θ_g-θ_a равно углу нулевой подъемной силы профиля рассмотренного сечения. Это отклонение является нулевым для симметричных профилей, а расстояние между θ_a-θ_g является основным для современных профилей. Рассматриваемые ранее линейные или нелинейные законы закрутки относятся к характеристике θ_a;
контур образующего профиля, описанный набором уравнений или таблицей числа.

На фиг. 8-10 представлены отдельные сечения.

Аэродинамический фокус может быть определен как точка приложения изменений подъемной силы относительно изменения угла. Обычно они располагаются рядом с четвертью рассчитываемой хорды передней кромки.

Аэродинамическая крутка θ_a обычно определяется при приблизительной дополнительной константе (фиг. 7).

Сечения устанавливаются геометрически относительно плоскости 0X, 0Y под углом θ(r) SN/SD+a_o, что придает плоскости 0X, 0Y описанные ранее свойства плоскости нулевой подъемной силы.

Лопасть, являющаяся предметом настоящего изобретения, подразделена на четыре зоны, позволяющие ее описать независимо от закрутки, которая требует особого разделения, которое будет описано ниже. Эти четыре зоны следующие:
зона 1, называемая внутренней частью, которая простирается от сечения R0, соответствующего началу оперенной части, до сечения R1, расположенного между 75 и 87% общего радиуса R;
зона 2, называемая переходной зоной, которая простирается от сечения R1 до сечения R2, расположенного между 87 и 93% общего радиуса R;
зона 3, называемая стреловидной частью, которая простирается от сечения R2 до сечения R3, расположенного между 93 и 97% общего радиуса R;
зона 4, называемая концевым обтекателем, которая распространяется от сечения R3 до свободного конца (радиус R).

Описание закрутки требует разделения на три зоны:
зона I, которая распространяется от сечения R0 до сечения R1, расположенного между 40 и 50% общего радиуса R;
зона II (центральная часть), которая распространяется от сечения R1 до сечения RII расположенного между 75 и 85% общего радиуса R;
зона III, которая распространяется от сечения RII до свободного края лопасти (радиус R).

В качестве предпочтительного примера выполнения, можно определить четыре зоны 1, 2, 3, 4 следующим образом:
R0 0,202380R, R1 0,850000R, R2 0,890000R, R3 0,950000R.

Отметим, что сечения 7, представленные на фиг. 8-10, следующие:
на фиг. 8: r R_y, точка y определена на фиг. 5 и точка V расположена на оси 0X и на половине толщины профиля;
на фиг. 9: R_v<r≅R3, в то время как точки F и V совмещены, когда они на половине толщины профиля (Z_V Z_F) и располагаются в плоскости 0X, 0Y;
на фиг. 10: r>R3, точки F и V остаются совмещенными, когда они расположены на половине толщины профиля, но расположены под плоскостью 0X, 0Y. Закон изменения хорды соответствует кривой PQRST на фиг. 4 (изменения хорды 1 относительно средней хорды вдоль размаха лопасти);
сегмент PQ (зона 1): изменение линейное от L0 0,778400 до L1 1,095054 ;
сегмент QR (зона 2): изменение кубическое от L1 до L2 1,104833 , согласно функции:

где X (r-R1)/(R2-R1);
сегмент RS (зона 3): хорда постоянная и равна L2 L3 1,1048333 ;
сегмент ST (зона 4): изменение параболическое от L3 1,104833 до L4 0,351543 согласно функции:

где x (r-R3)/(R-R3).

Вышеприведенные выражения выбраны таким образом, чтобы обеспечить непрерывное изменение производной dL/dr. Это условие необходимо для того, чтобы передняя кромка 5 и задняя кромка 6 лопасти 1 не имели излома.

Смещение аэродинамического фокуса F относительно оси изменения шага определяет местный угол стреловидности:

На фиг. 5 смещение фокуса определяется его проекцией на плоскость конструкции 0X, 0Y или y'f y_v + y_f и изменяется согласно кривой PQRST:
сегмент PQ (зона 1): изменение линейное от Y0 0,0029242R до Y1 0,012282R или y'f 0,014449r;
сегмент QR (зона 2): изменение кубическое от Y1 до Y2 0,003244R согласно функции:
y'f(r/R)/R 0,01096890 0,00772363х³ + 0,00131353 (1-х³) 0,00451858_х(1-х)(2х-1),
в которой x (r-R1)/(R2-R1);
сегмент RS (зона 3): изменение линейное от Y2 до Y3 0,024733R (это соответствует постоянному углу стреловидности 25^o);
сегмент ST (зона 4): изменение параболическое от Y3 до Y4 0,089984R согласно функции:
y'f(r/R)/R 0,024733 0,023296x 0,041955x²,
в которой x (r R3)/(R R3).

Вышеприведенные выражения выбраны таким образом, чтобы обеспечить непрерывное изменение производной dy'f/dr. Это условие необходимо для того, чтобы передняя кромка и задняя кромка лопасти не имели никакой трещины.

Кроме того, благодаря выбору вышеуказанных параметров, общий фокус лопасти (точка приложения изменений подъемной силы) совпадает с осью шасси: Y 0,008R таким образом, что аэродинамические крутящие усилия в корне лопасти, так же как и аэродинамическая часть усилия, воздействующего на тягу управления, уменьшены.

Для лопасти со средней установленной хордой следует отметить, что другой вариант распределения вышеуказанных четырех зон 1, 2, 3 и 4 в ранее определенных пределах может быть использован совместно с параметрами, определенными согласно общим законам, предложенным ранее для изменений вдоль поверхности лопасти хорды L относительно средней хорды , с одной стороны, и смещения y'f аэродинамического фокуса относительно оси изменения шага, с другой стороны, таким образом, чтобы обеспечить существенно установку общего аэродинамического фокуса лопасти относительно оси изменения шага.

Можно также отметить, что смещение фокуса, которое составляет:
y′f=y_v+Δyf,
может быть достигнуто путем различных комбинаций смещения центра закрутки Y_v и смещения центра Δyf. Однако желательно поддерживать центр закрутки V, совпадающий с осью изменения шага в зоне корня лопасти, и на самой большой части размаха, причем таким образом, чтобы сохранить на лопасти прямолинейную линию при виде спереди и уменьшить таким образом изгиб, вызываемый центробежной силой. На практике Y_v будет равно нулю от корня лопасти до точки пересечения 0 линии фокусов с осью изменения шага (фиг. 5). За пределами этой точки центр закрутки будет совпадать с фокусом:

Однако вертикальное перемещение Y_v центра закрутки V относительно плоскости конструкции, определенной выше, изменяется согласно кривой PQRST (фиг. 6):
на сегментах PQ, QR, RS (зоны 1, 2, 3) центр закрутки находится в плане конструкции Z_v 0;
на сегменте ST (зона 4) изменение является параболическим от Z_v 0 до Z_v -0,0905R согласно функции:
Z_v(r/R)/R -0,9905x²,
x (r R3)/(R R3)
Это постепенное перемещение к низу позволяет привести заднюю кромку лопасти и, следовательно, концевой вихрь в такое положение, что воздействие со следующей лопастью будет значительно уменьшено, в частности, при конфигурации полета на висении и полета на спинке.

Кроме того, аэродинамическая установка θ_а может быть распределена по линии KLMN на фиг. 7. Три зоны определяются следующими сечениями I и II: RI 0,46R, RII 0,80R.

В зонах I и III степень закрутки постоянна и может составлять -12^o относительно общего радиуса R, в то время как в центральной зоне II (сегмент LM) она постоянна и может составлять -18^o относительно общего радиуса R, или увеличение на 50% относительно других зон I и III (фиг. 7).

Действительно, для того, чтобы отодвинуть предел срыва, достаточно увеличить закрутку в центральной части RI-RII приблизительно на 50% не изменяя ее на оставшейся части лопасти. Описанный выше простой критерий позволяет определить, обладает ли этим свойством данный закон закрутки.

На фиг. 7 прочерчена прямая KN (штриховая линия), соединяющая первое оперенное сечение RQ с наружным концом R. Определяют точки i и J, пересечения этой прямой KN с сечениями в 50 и 80% R и определяют точки i' и J', которые обеспечивают аэродинамическую установку на уровне этих сечений на 50 и 80% R.

Критерий заключается в изучении отклонений /θI′-θI/ и /θJ′-θJ/ и сравнении их с отклонением установки между двумя концами /θK-θN/:

Тогда рассмотренный закон обладает вышеуказанным свойством.

Кроме того, предварительно определенные изменения хорды, аэродинамического фокуса (стреловидности) и вертикального перемещения центра закрутки (двугранный угол) могут находиться в пределах ABCD и A'B'C'D' и E'F'G'H', A"B"C"D" и E"F"G"H" фиг. 4, 5 и 6, соответственно, сохраняя требуемые свойства лопасти согласно изобретению. Эти пределы определяются следующими точками:
1) для закона изменения хорды
нижний предел ABCD является таким, при котором координаты точек A, B, C и D следующие:

Линии, соединяющие эти точки для образования предела, являются сегментами прямой, за исключением сегмента CD параболической формы, определенного:
,
x (r/R 0,93)/0,07;
верхний предел EFGH является таким, при котором координаты точек E, F, G и H являются следующими:

Линии, соединяющие эти точки для образования предела EFGH, являются сегментами прямой, за исключением сегмента GH параболической формы, определенного с помощью:
,
x (r/R-0,97)/0,03;
2) для закона изменения аэродинамического фокуса
нижний предел A'B'C'D' является таким, при котором точки A', B', C' и D'являются следующими:

Линии, соединяющие эти точки для образования предела A'B'C'D', являются сегменты прямой, за исключением сегмента C'D' параболической формы, определенного с помощью:
y'f(r/R)/R 0,3165 0,04200 x 0,04551 x².

x (r/R 0,93)/0,07;
верхний предел E'F'G'H' является таким, при котором координаты точек E'F'G'H' являются следующими:

Линии, соединяющие эти точки для образования предела E'F'G'H', являются сегментами прямой, за исключением сегмента G'H' параболической формы, определенного:
y'f(r/R)/R -0,00390 0,00900 x 0,04267 x²,
x (r/R 0,9)/0,03;
3) для вертикального перемещения центра закрутки:
нижний предел A"B"C"D" является таким, при котором координаты точек A"B"C" и D" являются следующими:

Линии, соединяющие эти точки для образования предела A"B"C"D", являются сегментами прямой, за исключением сегмента C"D" параболической формы, определенного:
Z_v(r/R)/R 0,001 0,014 x²,
x (r/R 0,93)/0,07;
верхний предел E"F"G"H" является таким, при котором координаты точек E"F"G"H" являются следующими:

Линии, соединяющие эти точки для образования предел E"F"G"H" сегментов прямой, за исключением сегмента G"H" параболической формы, определенного с помощью:
Z_v(r/R)/R + 0,001 0,006 x²,
x (r/R 0,97)/0,03.

Следует отметить, что по сравнению с вариантом, представленным на фиг. 2, на фиг. 3 показана в плане форма лопасти 1, которая получена в результате еще большего вытягивания переходной зоны (зоны 2) к наружному концу и еще большего вытягивания "концевого обтекателя" (зона 4) внутрь до тех пор, пока точки P и S на фиг. 4, 5 и 6 существенно не совместятся.

Вкратце, настоящее изобретение использует для определения лопасти 1 четыре геометрические оригинальные характеристики:
1) радиальное распределение поверхности лопасти в виде закона хорды: L/ f(r/R);
2) радиальное распределение стреловидности в виде закона перемещения фокуса в направлении к хорде: y'f/R f(r/R);
3) радиальное распределение двуугольника в виде закона перемещения центра закрутки за плоскость конструкции: Z_v/R f(r/R);
4) радиальное распределение закрутки в форме закона установки: θ_a=f(r/R).

Эти четыре характеристики применены для устранения трех явлений, которые ограничивают технические характеристики несущего винта: ударные волны, срыв и взаимодействие лопасть.

Использование: в конструкции лопасти несущего винта летательного аппарата. Сущность изобретения: изменение длины хорды L и изменение смещения y'f аэродинамического фокуса являются такими, что передняя кромка 5 и задняя кромка 6 лопасти 1 в продольном направлении не имеют никакого излома, при этом общий аэродинамический фокус расположен существенно на оси изменения шага. 11 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. Лопасть несущего винта летательного аппарата, выполненная с обращенной назад стреловидной законцовкой, предназначенная для образования части несущего винта, ступица которого соединена с лопастью, выполненной с возможностью привода ее во вращение вокруг оси ступицы, причем лопасть включает в себя переднюю кромку и заднюю кромку и образована последовательными элементарными поперечными сечениями, определяемыми расстоянием r, отделяющим каждое из них от оси вращения ступицы, причем каждое из них имеет определенный профиль хорды и аэродинамический фокус, смещение которого по отношению к оси изменения шага, ортогональной к каждому сечению, определяет прямую стреловидность крыла, отличающаяся тем, что лопасть разделена в продольном направлении на четыре зоны, а именно первую зону, расположенную между внутренней кромкой R0 лопасти и первым сечением R1, находящимся в диапазоне 75 87% полной длины лопасти, измеренной от вращения ступицы, вторую зону, расположенную между первым сечением R1 и вторым сечением R2, находящимся в диапазоне 87 93% полной длины лопасти, третью зону, расположенную между вторым сечением R2 и третьим сечением R3, находящимся в диапазоне 93 97% полной длины лопасти, и четвертую зону, расположенную между третьим сечением R3 и свободной наружной кромкой R лопасти, причем длина L хорды возрастает в основном линейно в первой зоне, изменяется по закону кубической функции во второй зоне, постоянна в третьей зоне и изменяется по параболическому закону в четвертой зоне, так что обеспечивается двойное постепенное сужение лопасти в направлении ее внутренней и наружной кромок, причем изменение длины хорды таково, что передняя и задняя кромки лопасти в ее продольном направлении не имеют изломов, передняя кромка включает в себя только выпуклые и прямолинейные участки, а задняя кромка - только вогнутые и прямолинейные участки, и смещение y'f аэродинамического фокуса по отношению к оси изменения шага изменяется линейно в первой зоне, так что аэродинамический фокус смещен к передней кромке в этой зоне, изменяется по закону кубической функции во второй зоне, изменяется линейно в третьей зоне и по параболическому закону в четвертой зоне, так что лопасть имеет прямую стреловидность в направлении назад, при этом изменение смещения аэродинамического фокуса таково, что передняя и задняя кромки в продольном направлении не имеют изломов. 2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что диапазон длины L хорды по отношению к средней длине последней ограничен двумя предельными линиями - нижний ABCD и верхний EFGH, так, что координаты точек A, B, C и D имеют следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию ABCD, состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка CD параболической формы, определяемого зависимостями

и
x (r/R 0,93)/0,07,
а координаты точек E, F, G и Н имеют следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию EFGH, состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка GH параболической формы, определяемого зависимостями

и
x (r/R 0,97) / 0,03. 3. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что смещение y'f аэродинамического фокуса каждого сечения по отношению к оси изменения шага ограничено нижней A'B'C'D' и верхней E', F', G', H' предельными линиями, так что координаты точек A', B', C', и D' имеют следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию A'В'С'D', состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка C'D' параболической формы, определяемого зависимостями
y'f(r/R)/R -0,03165 0,04200 х -0,04551 х²
и
x (r/R 0,97)/0,07,
а координаты точек E', F', G' и Н' имеют следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию E'F'G'H', состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка G'H' параболической формы, определяемого зависимостями
y'f(r/R)/R -0,00390 0,00900 х -0,04267 х²
и
x (r/R 0,97)/0,03. 4. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что наружная законцовочная часть лопасти имеет в направлении вниз кривизну, по меньшей мере приблизительно параболической формы, причем вертикальное перемещение Z_v центра крутки по отношению к плоскости нулевой подъемной силы лопатки ограничено нижней A"B"C"D" и верхней "E"F"G"H" предельными линиями, так что координаты точек A", B", С" и D" принимают следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию A"B"С"D", состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка С"D" параболической формы, определяемого зависимостями
Zv(r/R)/R -0,001 0,14х²
и
x (r/R 0,093)/0,07,
а координаты точек E", F", G" и Н" имеют следующие значения:

причем линии, соединяющие эти точки, образуют предельную линию E"F"G"H", состоящую из прямолинейных участков, за исключением участка G"H" параболической формы, определяемого зависимостями
Z_v(r/R) R -0,001 0,006 х²
и
x (r/R 0,97)/0,03. 5. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что в зоне между сечением R0 и сечением R1, находящимся в диапазоне 0,40 0,50 длины R лопасти, и в зоне между сечением R11, находящимся в диапазоне 0,75 0,86 длины R лопасти, и сечением R лопасти, степень изменения аэродинамической крутки постоянна и равна заданному значению, тогда как в центральной зоне между сечением R1 и сечением R11 степень изменения аэродинамической крутки, которая постоянна, по меньшей мере равна значению, в 1,5 раза превышающему заданное значение. 6. Лопасть по п.2, отличающаяся тем, что по отношению к средней линии L хорды, длина L хорды изменяется в продольном направлении следующим образом: r расстояние от элементарного поперечного сечения лопасти до оси вращения ступицы; R0 расстояние от внутренней кромки лопасти до оси вращения ступицы; R1 расстояние от наружного конца первой зоны до оси вращения ступицы; R2 - расстояние от наружного конца второй зоны до оси вращения ступицы; R3 - расстояние от наружного конца третьей зоны до оси вращения ступицы; R - расстояние от наружной кромки лопасти до оси вращения ступицы,
а) в первой зоне между сечениями R0 и R1: линейно от
б) во второй зоне между сечением R1 и R2: от L1 до в соответствии с функцией

где x (r R1)/(R2 R1);
в) в третьей зоне между сечениями R2 и R3
г) в четвертой зоне между сечениями R3 и R: в соответствии с функцией
L (r/R)/L 1,104833 0,753290 x²,
где x (r R3) (R R3). 7. Лопасть по п.2, с фиксированной средней длиной L хорды, разделенной на четыре зоны вдоль ее продольного направления, отличающаяся тем, что параметры законов изменения в указанном продольном направлении, для каждой из зон, с одной стороны, длины L хорды каждого сечения по отношению к средней длине хорды, и, с другой стороны, смещение y'f аэродинамического фокуса каждого сечения по отношению к оси изменения шага по существу гарантируют расположение общего аэродинамического фокуса лопасти на оси изменения шага. 8. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что вертикальное смещение центра закрутки по отношению к плоскости нулевой подъемной силы лопасти таково, что центр закрутки остается, по существу, в той же самой плоскости в указанных первой, второй и третьих зонах, а в четвертой зоне
Z_v(r/R)/R -0,0905х³
и
x (r R3)/(R R3). 9. Лопасть по п.5, отличающаяся тем, что указанное заданное значение по меньшей мере равно -12"/R, тогда как в центральной зоне между сечениями R1 и R11 степень изменения аэродинамической крутки по меньшей мере равна -18"/R. 10. Лопасть по п.5, отличающаяся тем, что R1 0,46 R, а R 11 0,80 R. 11. Лопасть по п. 6, отличающаяся тем, что указанные первая, вторая, третья и четвертая зоны определяются значениями R0 0,202380R, R1 0,850000R, R2 0,890000R и R3 0,0950000R. 12. Лопасть по п.11, отличающаяся тем, что в основном для того, чтобы гарантировать расположение общего аэродинамического фокуса лопасти на оси изменения шага, смещение y'f аэродинамического фокуса каждого сечения по отношению к оси изменения шага изменяется в продольном направлении лопасти следующим образом:
r расстояние от элементарного поперечного сечения лопасти до оси вращения ступицы;
R0 расстояние от внутренней кромки лопасти до оси вращения ступицы;
R1 расстояние от наружного конца первой зоны до оси вращения ступицы;
R2 расстояние от наружного конца второй зоны до оси вращения ступицы;
R3 расстояние от наружного конца третьей зоны до оси вращения ступицы;
R расстояние от наружной кромки лопасти до оси вращения ступицы;
а) в первой зоне между сечением R0 и R1 от y0 0,0029242R до y1 0,012282R, например, y'f 0,014449;
б) во второй зоне между сечениями R1 и R2 от y1 до y2 0,003244R в соответствии с функцией
y'f (r/R)/R 0,01096890 0,00772363х³ + 0,00131353(1-х³) 0,00451858х (1-х) (2х-1),
где x (r R1) (R2 R1);
в) в третьей зоне между сечениями R2 и R3 от y2 до y3 0,024733R,
г) в четвертой зоне между сечениями R3 и R от y3 до y4 0,089984R в соответствии с функцией:
y'f(r/R)/R -0,24733 0,023296 х 0,041955 м³,
где x (r R3) (R R3).