Изобретение относится к предназначенным для вертолета устройствам для гашения вращающего момента с винтом, установленным в канале, выполненном в хвосте вертолета и фазовой модуляцией лопастей, и особенно к устройствам такого типа, в которых выпрямляющий воздушный поток статор, содержащий неподвижные лопатки с аэродинамическим профилем и закрепленный за винтом по направлению течения потока в канале, образованном в поперечном направлении в обтекателе, включенном в конструкцию хвостовых узлов вертолета, таких как хвостовая балка, хвостовое оперение или стабилизатор. Усовершенствования, вносимые в конструкцию устройств данного типа для гашения вращающего момента, благодаря изобретению позволяют улучшить их акустические и/или аэродинамические характеристики, что, в свою очередь, позволяют обеспечить как существенное снижение как обычного шума, так и соответствующих раздражающих шумов, что улучшает управление при рыскании.
Известно, что в условиях рыскания балансировка вертолетов с одним несущим винтом, достигаемая путем гашения вращающего момента, создаваемого при вращении несущего винта, может быть обеспечена с помощью винта для гашения вращающего момента, расположенного в поперечном канале, выполненном в хвостовой части вертолета, в большей степени, чем с помощью обычно используемого внешнего рулевого винта, смонтированного сбоку на хвостовом оперении у верхнего его конца.
Конструкция и размещение такого винта для гашения вращающего момента расположенного в канале, средств для привода его во вращательное движение, средств управления общим шагом его лопастей, а также преимущества такого исполнения были рассмотрены в многочисленных патентах, среди которых можно упомянуть патенты Франции FR 531536 и FR 253422 /относящиеся к устройству для гашения момента с винтом в канале и выпрямляющим поток статором в канале/ и патенты США US - 3594097, US - 4809931, US - 4626172 и US - 4626173 и патент США US - 5131604, на которые преимущественно будет сделана ссылка для предоставления более подробной информации по данному вопросу.
Мы ограничимся упоминанием о том, что с точки зрения безопасности рулевой винт для гашения момента, расположенный в канале, предотвращает любую угрозу физических повреждений /травм/ на земле за счет того, что он закрыт внутри канала, выполненном в хвостовой балке в отличие от обычного рулевого винта. Такое расположение рулевого винта в канале также позволяет ему избежать засасывания каких-либо вызывающих повреждения предметов, которые могут быть втянуты в спутную струю несущего винта. В полете или при маневрировании близко от земли или на земле рулевой винт в канале естественным образом защищен его обтекателем, который предотвращает любую угрозу столкновения с внешним препятствием, таким как линии электропередач, ветки деревьев, здания или даже земля, которые могут вызвать неисправимые повреждения обычного рулевого винта и, следовательно, потерю вертолета со всеми вытекающими из этого последствиями для экипажа. И в завершение, меньшая площадь поверхности диска винта и большее число лопастей рулевого винта в канале по сравнению с обычным рулевым винтом делают уязвимость рулевого винта в канале при столкновениях, например, со снарядами или пулями, значительно меньшей, чем в случае применения обычного рулевого винта.
С точки зрения аэродинамики рулевой винт в канале позволяет устранить ряд проблем, проявляющихся при оснащении вертолета обычным рулевым винтом. В этом последнем случае для создания достаточной индуцированной скорости с целью получения величины бокового усилия, необходимой для выполнения функции гашения момента, диаметр обычного рулевого винта, как правило, имеет существенное значение. Для минимизации взаимодействий со струей, отбрасываемой несущим винтом, и для обеспечения достаточного дорожного просвета обычный рулевой винт, как правило, монтируют высоко на стабилизаторе, что создает момент крена на вертолете, который следует уравновесить, и создает вредное сопротивление при прямолинейном горизонтальном полете на высокой скорости. Вследствие открытого /незащищенного/ местоположения обычного рулевого винта он может подвергаться воздействию значительных динамических нагрузок, которые ограничивают его срок службы. Кроме того, эффект аэродинамического экранирования обычного рулевого винта, вследствие экранирования стабилизатором приводит к существенно асимметричному поведению машины при боковом ветре и к разрушающим ударным периодическим аэродинамическим нагрузкам.
Рулевой винт, расположенный в канале, лишен этих недостатков. Как правило, его можно легко установить таким образом, чтобы его ось в основном пересекала ось бортовой качки вертолета или была расположена близко от этой оси бортовой качки, так что он не создает никакого паразитного момента крена. Кроме того, благодаря своему обтекателю рулевой винт в канале создает примерно половину своего суммарного усилия гашения момента только за счет явления всасывания коллектором у входного отверстия канала, в котором расположен винт. Это позволяет соответственно разгрузить лопасти винта, которые практически не подвергаются никаким динамическим напряжениям благодаря эффективной защите, обеспечиваемой обтекателем по отношению к внешним изменениям в воздушном потоке, вызываемым несущим винтом и фюзеляжем вертолета. При горизонтальном прямолинейном полете вертолета на высокой скорости рулевой винт в канале разгружен, что соответственно уменьшает его "вклад" в суммарное лобовое сопротивление машины. При такой конфигурации вертикальный стабилизатор, возможно оснащенный отклоняемой пластиной /закрылком/, выполняет функцию гашения вращающего момента. Кроме того, ни стабилизатор, ни поверхность управления хвостового оперения не препятствует работе рулевого винта в канале, что обеспечивает максимальную эффективность его работы при боковом ветре и во время быстрых маневров относительно оси рыскания.
Добавление в конструкцию выпрямляющего воздушный поток статора с профилированными лопатками за винтом по направлению течения воздушного потока и в канале обтекателя винта для получения энергии вращения воздушного потока за винтом в виде дополнительного усилия гашения вращающего момента и, таким образом, для улучшения аэродинамических характеристик устройства для гашения вращающего момента типа, описанного в патенте Франции FR 2534222, обеспечивает возможность повышения эффективности работы рулевого винта в канале и достижения показателя качества, значительно превышающего показатели лучших обычных рулевых винтов.
В завершение следует отметить, что для направляемого канала, в котором размещен рулевой винт для гашения вращающего момента, показатель диффузии близок к 1 и может быть увеличен за счет увеличения угла дивергенции, имеющей форму усеченного конуса части диффузора, который может содержаться в канале за плоскостью вращения лопастей винта по направлению течения воздушного потока, как это описано, например, в патент США US-5131604, в котором угол дивергенции ограничен до 5o. Напротив, сжатие спутной струи при обычном рулевом винте снижает показатель диффузии до 1/2, что не дает возможности улучшить какие-либо характеристики за счет этого параметра.
С точки зрения акустики рулевой винт, расположенный в канале, обеспечивает дополнительные преимущества за счет его установки в канале обтекателя: в отличие от обычного рулевого винта, который распространяет шум во всех направлениях, обнаружительная способность рулевого винта в канале спереди и сзади в направлении прямолинейного горизонтального полета вертолета существенно снижена благодаря обтекателю. Более того, сочетание более высокой частоты вращения Ω и большего числа лопастей b на рулевом винте в канале, чем на обычном рулевом винте, создает "частоту прохода лопасти" b×Ω и кратные ей частоты nbΩ, которые представляют собой частоты с более высокой концентрацией акустической энергии, чем при обычном рулевом винте, и, как правило, в пределах поля частот от 400 Гц до 2000 Гц. Теперь колебания с этими частотами очень быстро затухают в атмосфере, в то время как колебания с частотами, имеющими очень низкую концентрацию акустической энергии, распространяются далеко.
Тем не менее один недостаток рулевых винтов в канале заключается в том, что увеличение уровня частот с концентрацией акустической энергии переводит их в зону частот, в которой человеческое ухо имеет максимальную чувствительность. Кроме того, чрезвычайно импульсный характер частотного спектра шумов рулевых винтов в канале, при котором большая часть акустической энергии сконцентрирована на очень узких первых двух или трех линиях спектра, проявляется в виде характерного свистящего шума, который очень болезнен для человеческого уха и является причиной значительных штрафных санкций /отбраковки/ по акустическим критериям сертификации за счет "коррекции чистых тонов или возникающих линий". С военной точки зрения характерный акустический признак рулевого винта в канале также представляет собой нежелательное явление, облегчающее опознование вертолета.
Вне зависимости от распределения акустической энергии по полю частот, как упоминалось выше, общий уровень рассеянной акустической энергии представляет собой второй основной фактор для оценки качества акустических характеристик вертолета. Как разъяснялось выше в данном материале и как более конкретно показано в патенте США US-5131604, аэродинамическое функционирование рулевого винта в канале, который имеет большое число лопастей и для которого усилие гашения момента наполовину обеспечивается всасыванием, приводит к нагрузке на лопасть, которая меньше нагрузки, выдерживаемой лопастями обычного рулевого винта, и, следовательно, к более низкому уровню нагрузочного шума.
Напротив, наличие неподвижных препятствий в канале для обтекания рулевого винта, расположенных за данным винтом по направлению течения воздушного потока, таких как, например, опорные траверсы для хвостовой трансмиссионной коробки, которая связана с механизмом управления общим шагом лопастей и на которой винт установлен с возможностью вращения, или даже таких как, например, выпрямляющий поток статор с неподвижными профилированными лопатками, может существенно повысить уровень излучаемой акустической энергии.
По этой причине в патенте США US-5131604 предлагается выполнить поперечное сечение трех опорных траверс эллиптическим, при этом одна опорная траверса расположена радиально и выровнена относительно продольной оси вертолета, а две другие траверсы параллельны вертикальной оси обтекателя, но смещены к его задней части, при этом расстояние вдоль оси канала между плоскостью вращения винта и опорными траверсами в 2 - 2,5 раза больше малой оси эллипса поперечного сечения траверс. Такие формы и размещение позволяют существенно сократить линии акустических взаимодействий между винтом и опорными траверсами для восьмилопастного винта, окружная скорость которого ограничена до приблизительно 225 м/с.
Кроме того, для уменьшения излучения шума воздушных судов с приводом от воздушного винта в патенте Франции FR 2622170 уже было предложено, чтобы воздушный винт имел четное число лопастей, большее или равное четырем, при этом лопасти были расположены парами диаметрально противоположно друг другу, и пары лопастей были смещены друг относительно друга с шагом углового расстояния, лежащим между приблизительно 15o и 50o, так что уровни гармоник шумов из-за вращения снижаются за счет интерференции.
Для уменьшения излучения шума рулевого винта вертолета, расположенного в канале, в заявке на Европейский патент EP 562527 также было предложено распределение лопастей винта при неравных углах между ними. Однако, поскольку такое размещение лопастей может привести к конструктивной неосуществимости выполнения соединения лопастей с втулкой рулевого винта без того, чтобы лопасти вместе с их рычагом управления шагом не мешали друг другу, в этом документе предлагается размещение лопастей с неравными углами между ними только в сочетании с группированием лопастей в две группы, в которых рычаги управления шагом имеют различные настройки по углу, так что на части диапазона углов установки усилие гашения момента в основном обеспечивается одной группой лопастей, в то время как на другой части диапазона углов установки оно в основном обеспечивается другой группой лопастей при срыве потока с лопастей первой группы.
В основу настоящего изобретения положена задача предложить усовершенствования для получения устройства для гашения вращающего момента с винтом, установленным в канале при минимальных раздражающих акустических шумах, которое предназначено для оснащения вертолета, приводимого одним несущим винтом, при сохранении или даже улучшении аэродинамических характеристик устройства для гашения вращающего момента, расположенного в канале, по сравнению с известными устройствами данного типа.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить закон углового распределения лопастей рулевого винта с тем, чтобы распределить акустическую энергию как можно более эффективно по всему спектру частот, принимая во внимание ограничения по механическим возможностям с точки зрения соединения лопастей с втулкой винта, и это распределение будет иметь место, даже если устройство для гашения вращающего момента содержит винт в канале, который не взаимодействует с расположенным за ним по направлению течения воздушного потока, выпрямляющим поток статором.
В случае устройства для гашения момента, содержащего рулевой винт и выпрямляющий поток статор, оба размещенные в канале, еще одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить угловые распределения для лопастей винта, которые учитывали бы угловое распределение лопаток выпрямителя потока, чтобы предотвратить их непосредственное взаимодействие и предотвратить образование шума, который мог бы исходить от них.
Также в случае устройства для гашения вращающего момента с рулевым винтом и выпрямляющим поток статором, которые оба размещены в канале, одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить конфигурацию и/или размещение выпрямителя потока в виде функции геометрии рулевого винта, чтобы минимизировать шум от взаимодействия при снижении излучаемой акустической энергии, избегая возникновения чистых тонов в диапазонах частот, где человеческое ухо имеет максимальную чувствительность.
Еще одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить конфигурацию закрытого канала, улучшающую аэродинамические характеристики устройства для гашения вращающего момента вне зависимости от того, содержит ли оно винт с выпрямляющим поток статором или без него, и вне зависимости от того, имеют ли лопасти винта равномерное угловое распределение или нет, чтобы повысить величину усилия при заданной мощности и уменьшить шум, вызываемый прохождением потока воздуха через канал.
В общем задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство для гашения вращающего момента с рулевым винтом в канале и предпочтительно также с выпрямляющим поток статором в канале, которое удовлетворяло бы различным практическим требованиям лучше, чем известные устройства для гашения вращающего момента, расположенные в канале.
Как вышеуказанные, так и другие задачи решаются в соответствии с изобретением с помощью устройства для гашения вращающего момента, предназначенного для вертолета, которое содержит многолопастный воздушный винт изменяемого шага, установленный с возможностью вращения и в основном коаксиально в канале для воздушного потока с осью, в основном расположенном поперек вертолета и проходящем через обтекатель, включенный в хвостовую часть вертолета, так что оси изменения шага лопастей смещаются в плоскости вращения, в основном перпендикулярной оси канала обтекателя, при этом лопасти винта имеют угловое распределение вокруг оси винта с неравномерной модуляцией по азимуту, и которое отличается тем, что модуляция лопастей по азимуту в основном задается следующим синусоидальным законом:
где θn - угловое положение n-й лопасти винта, отсчитанной последовательно от произвольного начала отсчета;
b - число лопастей винта;
m - целое число, выбираемое из чисел от 1 до 4, которое не совпадает с числом b лопастей винта, выбираемым из чисел от 6 до 12;
Δθ выбирается большим или равным минимальному значению Δθmin, которое таково, что произведение Δθmin× b выбирается в пределах диапазона значений от 1,5 до 1 рад.
Неравномерное угловое размещение лопастей, которое имеет место в результате этого синусоидального закона, обеспечивает эффективное распределение по спектру частот акустической энергии, излучаемой комплектом вращающихся лопастей, которая представляет собой основной источник шума. В результате предложенного неравного углового расстояния между лопастями достигается уменьшение уровня акустической энергии, которая сконцентрирована на линиях частот b×Ω и целых кратных им частот при винте с равномерно распределенными лопастями, и распределение этой энергии по соседним частотам. Импульсный спектр, характерный для винтов с равномерно распределенными лопастями, преобразуется в более насыщенный спектр при винте, выполненном согласно изобретению, и человеческому уху больше не приходится испытывать сильные и болезненные ощущения от чистого тона, и вместо этого оно слышит значительно более нейтральный шум. Этот синусоидальный закон для углового распределения лопастей винта одновременно упрощает промышленную реализацию и повышает акустическую отдачу, поскольку параметры m и Δθ выбираются как функция числа b лопастей, чтобы в то же самое время обеспечить динамическую балансировку винта и оптимальное распределение энергии по спектру частот и гарантировать минимальное угловое расстояние между лопастями, обусловленное параметрами углового ухода лопастей в условиях тангажа и конструктивным сцеплением с втулкой винта.
Однако, если применение синусоидального закона не дает возможности сохранять угловое расстояние между лопастями большим или равным минимально допустимому расстоянию по вышеупомянутым причинам, вышеприведенный синусоидальный закон может быть искажен для получения подходящей модуляции по азимуту. Тогда допускается изменение углового положения, исходно заданного для каждой лопасти винта синусоидальным законом распределения, и угловое положение по меньшей мере одной лопасти винта меняется максимум на ± 5o по отношению к угловому положению, заданному синусоидальным законом, чтобы сохранить эффективность, присущую модуляции, и охватить вышеупомянутые ограничения.
Устройство для гашения вращающего момента может дополнительно содержать выпрямляющий поток статор, закрепленный в канале за винтом по направлению течения потока и содержащий неподвижные лопатки, которые расположены в основном в виде звезды вокруг оси канала, каждая из которых имеет асимметричный аэродинамический профиль, и кривизна профиля и угловая установка которых относительно оси канала таковы, что лопатки выпрямляют воздушный поток за винтом в основном параллельно оси канала. В этом случае лопатки выпрямителя потока могут быть распределены в основном равномерно вокруг оси канала, и, независимо от неравномерной модуляции лопастей винта по азимуту, устройство выполнено так, что любой угол между двумя произвольно выбранными лопастями винта отличается от любого угла между двумя произвольно выбранными лопатками выпрямителя воздушного потока. То есть, другими словами, не существует ни одного углового расстояния между двумя лопастями винта, не обязательно являющимися последовательными, которое было бы равно любому произвольно выбранному угловому расстоянию между двумя лопатками, которые не обязательно расположены последовательно в выпрямителе воздушного потока.
Естественно, можно предпочтительным образом обеспечить выполнение этого геометрического условия путем придания лопастям винта исходного углового положения, заданного вышеприведенным синусоидальным законам распределения, а затем, в случае необходимости, искажения этого закона, допустив вышеупомянутое отклонение относительно исходного углового положения, пока не будет обеспечено выполнение вышеуказанного геометрического условия.
Действительно, при использовании выпрямителя потока, расположенного за винтом по ходу течения потока воздуха, важно минимизировать шум, возникающий в результате взаимодействия спутной струи от каждой лопасти винта с препятствиями, которые представляют собой лопатки выпрямителя воздушного потока. В частности, для винта предлагается разрушить любую корреляцию /взаимосвязь/, вызванную взаимодействием лопасти с лопастью. Фактически такая корреляция не только ведет к общему аккумулированию акустической энергии, порождаемой взаимодействием спутных струй, поскольку сдвиг фазы от одного источника взаимодействия по отношению к другому равен нулю, но и вследствие периодичности концентрирует всю эту энергию в очень узких полосах частот, которые кратны друг другу. Это приводит к излучению чистого тона большой энергии, который человеческим ухом переносится плохо, и это явление наказывается штрафными санкциями по правилам акустической сертификации.
Техническое решение, соответствующее вышеуказанному геометрическому условию, обеспечивает то, что две произвольно выбранные лопасти винта никогда одновременно не пройдут напротив двух произвольно выбранных лопаток выпрямителя потока.
Следует отметить, что это геометрическое условие для произвольного окружного расположения лопастей винта и лопаток выпрямителя потока является обобщением геометрического условия, имеющего силу исключительно для конструкций с равномерным распределением лопастей и лопаток, и в соответствии с которым количества лопастей винта и лопаток выпрямителя потока должны совпадать друг с другом.
Также достигается уменьшение раздражающих шумов, возникающих из-за взаимодействия между лопастями винта и неподвижными лопатками выпрямителя воздушного потока, независимо от вышеупомянутых условий и законов углового распределения, путем снижения уровня акустической энергии, излучаемой вследствие этих взаимодействий, вне зависимости от того, сконцентрирована ли она на определенных частотах или нет. Чтобы избежать взаимодействия спутной струи от произвольно выбранной лопасти винта с произвольно выбранной лопаткой выпрямителя воздушного потока, которое возникает одновременно по всей высоте лопатки, лопатки выпрямителя воздушного потока, в соответствии с изобретением, установлены не радиально. Рационально, если каждая из них наклонена к направлению радиуса предпочтительно под углом от приблизительно 1o до приблизительно 25o от оси канала к его периферии и в направлении, противоположном направлению вращения винта. Эта ориентация благоприятна и с точки зрения восприятия крутящего момента, который действует, как реакция на вращение винта, на центральный корпус, который в основном расположен коаксиально с каналом, содержит элементы для привода винта в движение и элементы для управления общим шагом лопастей винта и который может, следовательно, рациональным образом опираться на лопатки выпрямителя потока внутри канала.
Чтобы лопатки одновременно выполняли такие функции, как обеспечение опоры для центрального корпуса и выпрямление воздушного потока, проходящего через канал, при благоприятных условиях, рационально, чтобы они имели аэродинамический профиль типа NACA 65 с относительной толщиной, составляющей от приблизительно 8% до приблизительно 12%, с установкой угла относительно оси канала, составляющего от приблизительно 2o до приблизительно 2,5o при ориентации под отрицательным углом атаки, и с кривизной профиля, составляющей от приблизительно 20o до приблизительно 28o. Выбранная таким образом толщина представляет собой компромисс между наименьшей возможной относительной толщиной, чтобы уменьшить как нагрузочный шум, так и шум вследствие толщины выпрямителя потока, работающего в спутной струе от вращающихся лопастей, и толщиной, достаточной для того, чтобы удержать корпус, служащий опорой винту и содержащий хвостовую трансмиссионную коробку и устройство управления общим шагом лопастей, которые таким образом крепятся к хвостовому оперению вертолета в сборе, включая конец хвостовой балки и хвостовое оперение или стабилизатор вертолета, подвергаясь при этом воздействию полей статических и динамических сил.
Для уменьшения излучаемой акустической энергии в целом независимо от того, наполнены ли лопатки в радиальном направлении или нет, рационально, если лопатки выпрямителя потока будут наклонены под уклоном от центра канала к его периферии и от зоны, лежащей выше по ходу течения потока, к зоне, лежащей ниже по ходу течения потока, предпочтительно под углом от приблизительно 1o до приблизительно 6o. Такая конструкция, при которой каждая лопатка выпрямителя образует не равный нулю угол с плоскостью вращения лопастей винта, будучи наклоненной к выходному отверстию канала, обеспечивает возможность увеличения расстояния, которое отделяет плоскость вращения лопастей от локального положения передней кромки лопаток выпрямителя потока у периферии канала, где лопатки соединены с закрывающей стенкой данного канала и где скорость, индуцированная винтом в спутной струе, имеет максимальное значение и, следовательно, вызывает большее воздействие на выпрямитель потока, чем в направлении корневой части лопастей.
Чтобы добиться рационального компромисса между уровнем излучаемой акустической энергии и аэродинамическим качеством выпрямителя воздушного потока и способствовать размещению выпрямителя воздушного потока в канале устройства для гашения вращающего момента и, в частности, закреплению его лопаток в закрывающей стенке канала, а также, чтобы обеспечить хорошее позиционирование винта внутри канала с помощью хвостовой трансмиссионной коробки, опирающейся в канале на лопатки, расстояние вдоль оси канала между плоскостью вращения винта и передней кромкой лопаток выпрямителя воздушного потока у периферии канала предпочтительно представляет собой расстояние, составляющее от 1,3 до 2,5 c, где c - это длина хорды лопастей винта, измеренная на уровне начала основного профилированного участка лопасти.
Кроме того, для уменьшения интерференции между винтом и трансмиссионной траверсой, передающим приводную мощность на винт и проходящим через канал до хвостовой трансмиссионной коробки, эта траверса рациональным образом установлена внутри канала в основном на месте расположения одной из лопаток выпрямителя потока, число профилированных лопаток которого рациональным образом по крайней мере равно число лопастей винта, уменьшенному на единицу.
В соответствии с изобретением снижение раздражающих акустических шумов и повышение аэродинамических характеристик устройства для гашения момента с рулевым винтом в канале также могут быть достигнуты за счет определенной геометрической формы канала, независимо от того, равномерна или нет модуляция лопастей по азимуту, и независимо от того, связан ли винт с выпрямителем потока или нет.
С этой целью канал содержит две части, одна из которых представляет собой коллектор, соответствующий той части канала, которая расположена до плоскости вращения винта по направлению течения потока, а другая представляет собой диффузор, соответствующий той части канала, которая расположена за плоскостью вращения винта по направлению течения потока, при этом коллектор содержит суживающееся впускное сопло, ограниченное кольцевой стенкой, которая является выпуклой в направлении входного конца и скруглена с постоянным радиусом Rc и продолжением которой в направлении плоскости вращения винта служит цилиндрическая зона с первой длиной L1, а диффузор содержит по плоскости вращения винта до выходного конца цилиндрическую зону со второй длиной L2, продолжающую цилиндрическую зону коллектора, затем имеющее форму усеченного конуса, расширяющееся сопло с половинным углом α при вершине и расширяющееся выходное отверстие, ограниченное кольцевой стенкой, которая является выпуклой в направлении выходного конца и скругленной с радиусом r.
Наличие цилиндрической части канала, образованной цилиндрическими зонами коллектора и диффузора, обеспечивает возможность улучшения аэродинамического функционирования каждого из профилей лопастей винта, когда винт смонтирован в канале таким образом, что его лопасти вращаются внутри этой цилиндрической части, поскольку поток в этой цилиндрической части является осесимметричным.
Рационально, если положение плоскости вращения винта в этой цилиндрической части определяется как функция хорды c лопастей винта, их положительного диапазона углов установки, расстояния a между их передней кромкой и осью изменения шага и максимальной деформации f лопасти, характеризующей ее жесткость при маховом движении, так что длины L1 и L2 цилиндрических зон таковы, что
L1 > asin(βmax)+f
и
L22<(c-a)sin(βmax),
где βmax - максимальный положительный угол установки лопастей винта.
На практике рационально, если длины L1 и L2 цилиндрических зон коллектора и диффузора соответственно составляют от приблизительно 2% до приблизительно 8% и от приблизительно 1% до приблизительно 3,5% диаметра канала, измеренного в его цилиндрической части.
Аналогичным образом, независимо от того, содержит ли канал цилиндрическую часть или нет, поскольку он содержит коллектор с суживающимся впускным соплом, ограниченным кольцевой стенкой, которая является выпуклой и скругленной с постоянным радиусом Rc, этот радиус составляет приблизительно 8% диаметра канала, измеренного в его сужении в самом узком поперечном сечении.
Для увеличения усилия при заданной мощности или для уменьшения шума за счет снижения нагрузки на лопасти винта при заданном суммарном усилии угол рассеяния диффузора, или половинный угол α его имеющего форму усеченного конуса, расширяющегося сопла, предпочтительно выбирается между приблизительно 5o и приблизительно 20o.
Для уменьшения сопротивления устройства для гашения момента с винтом в канале при прямолинейном горизонтальном полете без искажения усилия, создаваемого этим устройством для гашения момента, в частности, при установившемся полете фирма-правопреемник /Assignee Company/ выполняет на своих вертолетах моделей AS 365 N1, поставляемых на рынок с 1985 г., кольцевую стенку расширяющегося выходного отверстия диффузора, которая имеет первый постоянный радиус r1 на круговой дуге, проходящей в направлении передней части вертолета, второй постоянный радиус r2, больше чем r1, на круговой дуге, проходящей в направлении хвостовой части вертолета, и две зоны с постепенно изменяющимся от r1 до r2 радиусом соединяющие зоны с постоянным радиусом, симметрично с обеих сторон от продольной оси вертолета. В соответствии с изобретением r1 предпочтительно меньше, чем приблизительно 1,6% диаметра канала, в то время как r2 составляет от 4,3% диаметра канала до радиуса Rc, выбранного для суживающегося сопла коллектора, а передняя зона с постоянным радиусом r1 проходит по круговой дуге, соответствующей стягиваемому углу, составляющему не менее 210o, в то время как задняя зона с постоянным радиусом r2 проходит по круговой дуге, соответствующей стягиваемому углу 90o, симметрично над продольной осью вертолета и под ней.
Как и в вариантах исполнения устройства для гашения вращающего момента с винтом в канале по предшествующему техническому уровню, канал может быть выполнен в обтекателе, включенном в хвостовую часть вертолета, содержащую задний конец хвостовой балки и хвостовое оперение по меньшей мере с одним стабилизатором, при этом хвостовое оперение может иметь два стабилизатора и может быть крестообразным, T-образным или V-образным хвостовым оперением над каналом, и по меньшей мере один стабилизатор хвостового оперения может содержать отклоняемую пластину /закрылок/ стабилизатора. Кроме того, ось канала может быть наклонена в горизонтальном направлении, так что усилие винта в канале создает составляющую подъемную силы, действующей на вертолет.
Другие преимущества и признаки изобретения вытекают из приведенного ниже и не накладывающего никаких ограничений описания вариантов исполнения со ссылкой на графические материалы, в которых:
фиг. 1 представляет собой перспективный вид сзади в ракурсе 3/4 устройства для гашения вращающего момента в канале с винтом и выпрямляющим воздушный поток статором, расположенными в канале, проходящем в обтекателе в заднем конце хвостовой балки и у основания хвостового оперения вертолета, при этом винт показан вне канала и с частичным вырывом для большей ясности;
фиг. 2 представляет собой схематичный вид сбоку винта по фиг. 1 с неравномерной модуляцией лопастей по азимуту;
фиг. 3 представляет собой схему, иллюстрирующую работу винта и выпрямляющего поток статора по фиг. 1;
фиг. 4 представляет собой частичный вид сбоку определенного варианта исполнения устройства по фиг. 1;
фиг. 5 соответствует в основном половине осевого сечения устройства для гашения вращающего момента по фиг. 1;
фиг. 6 представляет собой половину осевого сечения канала устройств по фиг. 1, 4 и 5 и
фиг. 7 схематично показывает при виде сбоку выход из диффузора канала и его части, имеющие различные радиусы.
Показанная на фиг. 1 хвостовая балка 1 вертолета, фюзеляж и единственный несущий винт которого не показаны, служит опорой у своего заднего конца хвостовому оперению 2, верхняя часть которого служит в качестве вертикального стабилизатора 3, необходимого для того, чтобы способствовать управлению в условиях рыскания, и спереди от хвостового оперения 2 служит опорой горизонтальному стабилизатору с двумя поверхностями 4 управления, расположенными с обеих сторон от балки 1, чтобы способствовать управлению полетом вертолета в условиях тангажа.
Основание хвостового оперения 2 выполнено в виде колпака или обтекателя 5, через который проходит канал 6, необходимый потоку воздуха для устройства гашения вращающего момента, расположенного в канале и содержащего многолопастный винт 7 переменного шага, установленный с возможностью вращения и в основном коаксиальный каналу 6, выпрямляющий поток статор 8, закрепленный в канале 6 за винтом по направлению движения воздушного потока, проходящего через канал, и содержащий неподвижные лопатки 9, расположенные в основном в виде звезды вокруг оси X-X канала 6.
Это устройство для гашения вращающего момента, которое обеспечивает большую часть управления в условиях рыскания при установившемся полете или при полете на невысокой скорости, дополняется вертикальным стабилизатором 3 и горизонтальным стабилизатором 4, чтобы способствовать управлению вертолетом в условиях рыскания и в условиях тангажа при движении на высокой скорости. Те же самые функции могут выполняться V-образным стабилизатором, расположенным над обтекателем 5, или крестообразным хвостовым оперением, при этом стабилизатор 4, который смонтирован по существу в зоне, находящейся посредине вертикального стабилизатора 3, или даже T-образным хвостовым оперением, при котором стабилизатор 4 смонтирован у верхнего конца стабилизатора 3.
Канал 6 имеет в основном осесимметричную конфигурацию относительно своей оси X-X, в основном поперечной к продольной оси вертолета, при этом эта конфигурация канала 6 описывается ниже со ссылкой на фиг. 6. Канал 6 содержит суживающееся в направлении воздуховыпускного отверстия входное отверстие 19, продолжением которого является цилиндрическая часть 20, которая также проходит в направлении воздуховыпускного отверстия и продолжением которой является расширяющееся сопло 21, переходящее в другое сопло 22. Винт 7 (фиг. 5) установлен в канале 6 на его входной стороне так, что его лопасти 10 вращаются в цилиндрической части 20 канала 6, при этом оси переменного шага лопастей 10 определяют положение плоскости P вращения винта, в которой они двигаются и которая по существу перпендикулярна оси X-X канала 6. Винт 7 установлен и приводится во вращение от задней трансмиссионной коробки, находящейся внутри центрального корпуса 11, имеющего в основном цилиндрическую внешнюю форму и коаксиального каналу 6. Корпус 11 зафиксирован относительно конструкции хвостового оперения 2 лопатками 9 выпрямителя 8 потока воздуха, которые удерживают корпус 11 в центре канала 6 и с выходной стороны по отношению к винту 7.
Хвостовая трансмиссионная коробка в корпусе 11 известным образом содержит механизм для привода винта 7 во вращение с помощью приводного вала 12 (фиг. 1), который сам приводится во вращение от трансмиссионного вала, проходящего через траверсу 13 и соединенного с вспомогательным выходом главной трансмиссионной коробки вертолета, при этом часть траверсы 13 расположена по существу в канале 6 на месте одной из лопаток 9 выпрямителя 8 потока.
Таким образом, вращение винта 7 внутри канала 6 создает направленный поток воздуха, который приводит к образованию поперечного усилия для гашения вращающего момента, необходимого для балансировки вертолета в условиях рыскания.
Для изменения амплитуды этого поперечного усилия хвостовая трансмиссионная коробка корпуса 11 и винт 7 также известным образом содержат устройство управления общим шагом лопастей 10, приводимое в действие тягой системы управления (на чертежах не показана), поскольку предполагается, что траверса 13, показанная на фиг. 1, действует в качестве обтекателя для трансмиссионного вала и для тяги управления общим шагом.
Что касается конструкции, конфигурации и работы хвостовой трансмиссионной коробки, устройства управления общим шагом лопастей 10, а также винта 7, то предпочтительно мы ссылаемся на патент Франции FR 1 531 536, патент США US - 3 594 097 и патент Франции FR - 4 626 173 фирмы правопреемника, которые включены в настоящее описание путем ссылки на них. Мы ограничимся лишь упоминанием о том, что каждая лопасть 10 содержит основную часть 14, имеющую аэродинамический профиль и корневую часть 15, которая выполнена в виде манжеты, с помощью которой лопасть 10 смонтирована так, что она может поворачиваться вокруг ее продольной оси изменения шага по меньшей мере в одной опоре, выполненной с этой целью по меньшей мере в одной кольцевой стенке втулки 17 винта и также предпочтительно упругую гребенку 16, которая проходит через корневую часть 15 лопасти и удерживается своим противоположным по отношению к корневой части 15 концом на втулке 17 винта, которая приводится во вращение приводным валом 12, проходящим вдоль оси X - X канала 6 в корпусе 11, окружающем хвостовую трансмиссионную коробку. В корневой части 15 каждой лопасти 10 имеется выступающий с одной стороны от лопасти 10 рычаг 23 (фиг. 2) управления шагом, соединенный небольшой тягой с управляющей паукообразной деталью, свободно вращающейся вместе с винтом 7, но способной поступательно перемещаться вдоль оси вращения винта 7 путем приведения в действие тяги управления шагом, чтобы управлять изменением общего шага лопастей 10.
Лопатки 9, закрепленные неподвижно в канале 6 за лопастями 10 винта 7 по ходу движения потока воздуха и расположенные в зоне расширяющихся сопел 21 - 22 канала 6, воспринимают энергию вращения потока воздуха за лопастями 10 по ходу его течения и выпрямляют этот поток воздуха в направлении вдоль оси X-X канала 6 и таким образом дополнительно создают усилия гашения вращающего момента, как это объяснено в патенте Франции FR 2 534 222 фирмы-правопреемника, описание которого включено в данный документ путем ссылки на него, в частности, что касается описания фиг. 4 и фиг. 5 этого патента, то его фиг. 5 соответствует фиг. 3 настоящей патентной заявки. Две лопасти 10 винта, которые вращаются со скоростью вращения U = ΩR, схематично изображены на этой фиг. 3 перед двумя неподвижными лопастями 9 по ходу течения потока воздуха. Эта скорость U суммируется с осевой входной скоростью Va1 воздуха, чтобы получить относительную скорость W1 потока воздуха у винта, причем эта последняя скорость создает поле давления вокруг каждой движущейся лопасти 10.
Это поле приводит к образованию аэродинамического результирующего усилия R1, которое, с одной стороны, можно разложить на подъемную силу FZ1 и силу лобового сопротивления FX1 и которое, с другой стороны, приводит к образованию осевого усилия S1 в направлении, перпендикулярном направлению скорости U вращения винта и противоположном направлению скорости Va1.
Вследствие наличия первого препятствия, создаваемого каждой рассматриваемой лопастью 10, воздух выходит из зоны винта 7 при разных скоростных режимах, и треугольник выходных скоростей позволяет выделить новую скорость W2 по отношению к винту, которая меньше, чем W1, и абсолютную скорость V2, которая действует на неподвижную лопатку 9, обращенную к ней.
Скорость V2, играющая для неподвижной лопатки 9 ту же роль, что и скорость W1 для движущейся лопасти 10, создает поле давления вокруг каждой лопатки 9, и это поле давления приводит к образованию аэродинамического результирующего усилия R2, которое, с одной стороны, разлагается на подъемную силу FZ2 и силу лобового сопротивления FX2 и, с другой стороны, приводит к образованию осевого усилия S2, которое представляет собой добавочное усилие, складываемое с усилием S1. При выходе из зоны лопаток 9 поток воздуха выпрямляется и его скорость V3 может быть сделана практически аксиальной /параллельной/ оси X-X за счет соответствующего выбора ассимметричного аэродинамического профиля лопатки 9 и, в частности, их кривизны и угловой установки по отношению к оси X-X канала 6.
В устройстве для гашению вращающего момента, находящемся в канале, размещение выпрямляющего поток статора 8 с профилированными неподвижными лопатками 9 за винтом 7 по ходу течения потока в канале 6 позволяет получить компактное, уравновешенное и жесткое устройство для гашения вращающего момента, которое без изменения мощности, требуемой для приведения винта 7 в движение, создает увеличенное усилие для гашения вращающего момента.
Таким образом, эффективность такого устройства для гашения вращающегося момента обусловлена:
- характеристиками винтами 7, уровнем характеристик, требуемых для полета вертолета в условиях управления направлением полета, зависящих в основном от выбора диаметра винта 7 и, следовательно, диаметра канала 6, от окружной скорости лопастей, их числа, их хорды и от их профиля и закона крутки;
- характеристиками выпрямителя 8 потока, если он есть, и в частности, числом лопаток 9, их хордой, их профилем /кривизной, установкой,.../,
- а также характеристиками канала 6.
Параллельно обеспечивается акустическая оптимизация устройства для гашения вращающего момента, расположенного в канале, за счет распределения акустической энергии по всему спектру частот, за счет использования неравномерного углового распределения лопастей 10 винта 7, выраженной модуляции по азимуту, или фазовой модуляции, и за счет снижения уровня акустической энергии, излучаемой устройством для гашения момента, за счет уменьшения окружной скорости лопастей 10 винта, за счет уменьшения взаимного влияния между винтом 7, с одной стороны, и, с другой стороны, выпрямляющим поток статором 8 и трансмиссионной траверсой 13 с помощью особой конфигурации и размещения этих элементов внутри канала 6 на соответствующем отдалении от винта 7.
Для десятилопастного винта 10 пример неравномерной
фазовой или азимутальной модуляции показан на фиг. 2. Целью данной фазовой модуляции является нарушение обычной угловой симметрии или обычного размещения лопастей винта на равных угловых расстояниях друг от друга, чтобы не уменьшить изучаемую акустическую энергию, а распределитель ее более рационально по спектру частот, в отличие от того, что имеет место при отсутствии модуляции /при равномерно размещенных лопастях/, а именно в отличие от концентрации энергии на определенных частотах (bΩ,2bΩ,3bΩ,...).
Закон фазовой модуляции для лопастей 10 винта 7 представляет собой синусоидальный закон или закон, близкий к синусоидальному, типа
,
где θn - угловое положение n-ой лопасти винта, отсчитанной последовательно от произвольно выбранного исходного углового положения (начала отсчета);
b - число лопастей винта;
m и θΔ - параметры синусоидального закона, соответствующие в случае m целому числу, которое не равно числу b лопастей 10 винта 7, в то время как значение Δθ выбирается большим или равным минимальному значению Δθmin, которое задается в виде функции числа b лопастей и уменьшается при увеличении b.
Ясно, что n • 360o/b представляет собой угловое положение n-ой лопасти в случае конфигурации с равномерным распределением, в то время как 
соответствует условию модуляции по азимуту по отношению к конфигурации с равномерным угловым распределением.
Параметры m и Δθ задаются в виде функции числа b лопастей 10, чтобы одновременно обеспечить динамическую балансировку винта 7 и оптимальное распределение энергии по спектру частот и гарантировать минимальное межлопастное угловое расстояние, обусловленное параметрами углового ухода /отклонения/ лопастей в условиях тангажа и конструктивным сцеплением лопастей 10 с втулкой 17.
Целое число m выбирается следующим образом: это первое из всех выбранных чисел, соответствующее условию динамической балансировки винта 7. При записи этого баланса получают следующие два равенства, которые должны соблюдаться:
Σcosθn= 0 и Σsinθn= 0.
Для синусоидального закона модуляции θn, приведенного выше, эти два равенства соблюдаются, если m и b не совпадают друг с другом (are not prime).
В приведенной таблице 1 в виде крестиков даны возможные значения m как функция числа b лопастей 10, изменяющегося от 6 до 12.
Как функция возможностей, предлагаемых в табл. 1, целое число m выбирается по возможности наименьшим и предпочтительно равным 2 или 3, чтобы получить как можно более плотный спектр и, следовательно, лучшее распределение энергии на трети октавы. Как показано выше, параметр m может быть равным 4, но значения 1 следует избегать.
Параметр Δθ должен выбираться следующим образом; он должен быть большим или равным минимальной величине Δθmin определяемой акустическим критериям для заданного числа лопастей 10 винта, как показано в таблице 2.
Эти значения соответствуют одному и тому же угловому фазовому сдвигу Δφ = bΔθ, который действует как параметр функций Бесселя, характеризующий уровни спектральных линий синусоидальной модуляции по отношению к линии основной частоты, как разъясняется в статье Donald EWALD и др., озаглавленной "Noise Reduction by Applynig Madulation Priuciples" /"Уменьшение шума за счет применения принципов модуляции"/ и опубликованной в "The Journal of the Acoustical Society of America" /в журнале Акустического общества США/, том. 49, номер 5 /часть 1/, 1971, стр. 1381 - 1385. Этот угловой фазовый сдвиг Δφ = 1,5 rd (радиан) соответствует значению, выше которого функция Бесселя J0 (Δφ) меньше или равна функциям Бесселя Jn (Δφ), где n отлично от нуля /см. рис. 2 вышеупомянутой статьи/. Это позволяет минимизировать появление основной частоты, равной bΩ, по отношению к соседним линиям, так как J0 (Δφ) представляет собой весовой коэффициент линии основной частоты, в то время как J1 (Δφ) представляет собой весовой коэффициент соседних линий (b-1)Ω и (b+1)Ω, которые существуют при наличии модуляции. Угловой фазовый сдвиг Δφ = bΔθ = 1,5 rd (радиан) представляет собой идеальную точку, поскольку уровень шума на трех соседних линиях bΩ,(b-1)Ω и (b+1)Ω идентичен, /и/ энергия, сконцентрированная на линии bΩ для винта с равномерным распределением лопастей, распределена таким образом по трем линиям. Таким образом, в табл. 2 приведены значения Δθmin в виде функции от b, так что bΔθmin = 1,5 rd (радиан).
Этот результат соответствует идеальному случаю, для которого функция колебания давления совершенно равномерна, то есть для случая винта с большим числом лопастей /больше чем 20/. В случае, когда рулевой винт 7 имеет сравнительно небольшое число лопастей 10, то это делает функцию колебания давления более импульсной. Кроме того, вышеуказанное правило может быть слегка скорректировано, что потребует задания границ изменения для того, чтобы согласовать закон синусоидальной модуляции с конкретным случаем исполнения рулевого винта 7 в канале. Кроме того, минимально допустимое межлопастное угловое расстояние для обеспечения возможности углового ухода лопастей в условиях тангажа без оказания воздействия друг на друга, а также соответствующее конструктивное сцепление лопастей 10 с втулкой 7 могут потребовать выбора меньшего значения Δθ, чем рекомендуемое акустическим критерием значение Δθmin /таблица 2/. Например, для винта 7 с десятью лопастями 10 минимальное межлопастное угловое расположение составляет 24o.
Следовательно, может быть принят закон фазовой модуляции, основанный на искаженном синусоидальном законе, для которого bΔθ может выбираться в пределах ряда значений от 1,5 rd (радиан) до 1 rd (радиана) и/или может быть принято отклонение ±5o относительно углового положения, задаваемого исходно синусоидальным законом распределения для каждой лопасти 10 винта 7, чтобы охватить ограничение по минимальному межлопастному угловому расстоянию при сохранении хороших акустических характеристик за счет фазовой модуляции.
Следует отметить, что при bΔθ = 1 rd (радиан) весовой коэффициент для линии основной частоты bΩ составляет 0,8 и падает до 0,45 для соседних линий (b±1)Ω.
Когда устройство для гашения момента содержит выпрямитель 8 потока, лопатки 9 которого равномерно распределены вокруг оси X-X канала 6, то для того, чтобы ограничить интерференцию между винтом 7 и выпрямителем 8 потока воздуха и, в особенности, чтобы избежать какого-либо явления помпажа /динамического возбуждения/ между винтом 7 и выпрямителем 8, фазовая модуляция лопастей 10 винта 7 такова, что любое угловое расстояние между двумя лопастями 10 винта, которые не обязательно являются последовательно расположенными, отличается от любого углового расстояния между двумя не обязательно последовательно расположенными лопатками 9 статора 8. Математически это условие можно выразить следующим образом: если θij представляет собой угловое расстояние между лопастями i и j винта 7, отсчитанными последовательно от произвольного начала отсчета, то есть угол между осями изменения шага лопастей i и j, и если θk,l представляет собой угловое расстояние между лопатками k и l выпрямителя 8 потока, то независимо от значений i, j, k, l, θi, j отличается от θk,l. На практике считается, что это условие соблюдается, если разница между соответствующими угловыми расстояниями различных лопастей 10 винта 7 и различных лопаток 9 выпрямителя 8 потока больше 1o в абсолютных величинах, по меньшей мере для половины лопаток 9 выпрямителя 8 потока, не считая трансмиссионной траверсы 13.
Если это условие относительно угла, которое предотвращает одновременное прохождение двух лопастей 10 относительно двух лопаток 9, не подтверждено выбором синусоидальной фазовой модуляции, наиболее рационального типа, упомянутой выше, угловые положения некоторых лопастей по меньшей мере должны быть изменены путем смещения от положений по синусоидальному закону и с учетом искаженного синусоидального закона, как указывалось выше, то есть, поскольку в этом случае нельзя выбрать Δθ таким, чтобы bΔθ = 1,5 rd (радиан), то bΔθ последовательно уменьшают от 1,5 до 1 rd (радиан), пока не будет получено подходящее значение Δθ, чтобы удовлетворять вышеупомянутому геометрическому условию θij≠ θkl, не уменьшая значения bΔθ ниже 1 rd (радиана), и одновременно или альтернативно допускается максимальное отклонение ±5o относительно углового положения, заданного исходно синусоидальным законом распределения для каждой лопасти 10 винта 7.
Если достигнуто уменьшение уровня раздражающих шумов, избегая при этом одновременных взаимодействий между двумя лопастями 10 и двумя лопатками 9 при винте 7, лопасти 10 которого распределены равномерно, достаточно выбрать число b лопастей 10 винта 7, которое равно числу лопастей 9 выпрямителя 8 потока воздуха, с тем, чтобы не искать произвольное угловое расстояние между двумя не обязательно последовательно расположенными лопастями 10, которое равно произвольно выбранному угловому расстоянию между двумя не обязательно последовательно расположенными лопатками 9.
Уменьшение уровня раздражающих шумов, возникающих из-за взаимодействий между винтом 7 и выпрямителем 8, потока воздуха также достигается путем снижения уровня акустической энергии, излучаемой при этих взаимодействиях, независимо от частот, на которых она концентрируется или по которым она распределяется. Как показано на фиг. 4, чтобы избежать взаимодействия между лопастью 10 и лопаткой 9, возникающего одновременно по всей высоте рассматриваемой лопатки 9, лопатки 9 устанавливают не радиально, а каждую из них наклоняют под углом ν, составляющим от приблизительно 5o до приблизительно 25o, к направлению радиуса и в направлении, противоположном направлению вращения лопастей 10, рассматривая положение лопатки 9 от центра канала 6 к его периферии. Это направление наклона позволяет не только уменьшить шум от взаимодействия между лопастями 10 винта 7 и лопатками 9 выпрямителя 8 потока, но и обеспечить лучшее восприятие нагрузок, действующих на хвостовую трансмиссионную коробку в корпусе 11, при этом лопатки 9 работают на сжатие. В действительности, поскольку одной из функций выпрямителя 8 потока является обеспечение опоры для хвостовой трансмиссионной коробки и корпуса 11, лопатки 9 таким образом могут лучше воспринимать момент, реактивный по отношению к моменту, передаваемому на винт 7. Кроме того, относительную толщину аэродинамических профилей лопаток 9 выпрямителя 8 потока выбирают так, чтобы как можно более уменьшить общие габариты /элементов/ в канале 6 при обеспечении достаточной механической прочности для выполнения функции создания опоры для корпуса 11, и на практике относительная толщина профилей лопаток 9 составляет от приблизительно 8% до приблизительно 12%.
Этот выбор относительной толщины сопоставим с использованием, для лопаток 9, аэродинамического профиля типа NACA 65 с установкой угла атаки относительно оси X-X канала 6, который имеет отрицательную величину и составляет от приблизительно 2o до приблизительно 2,5o, и с кривизной, составляющей от приблизительно 20o до приблизительно 28o, при этом эти характеристики профиля обеспечивают высокую эффективность работы выпрямителя 8 потока.
Кроме того, снижение шума от взаимодействия между винтом 7 и выпрямителем 8 потока становится существенным за пределами минимального осевого расстояния между передней кромкой лопаток 9 выпрямителя 8 потока и плоскостью P вращения винта 7, определяемой осями изменения шага для лопастей 10, которое составляет приблизительно 40% их хорды c, при этом это минимальное расстояние равно не менее 1,3C. Однако, поскольку опору для хвостовой трансмиссионной коробки и корпуса 11 в канале 6 обеспечивает выпрямитель 8 потока, для придания хорошей устойчивости положению плоскости P вращения винта в канале 6 необходимо закрепить выпрямитель 8 потока, хвостовую трансмиссионную коробку и корпус 11 как можно ближе к плоскости P винта 7.
Хороший компромисс между этими двумя противоречивыми требованиями, то есть между уменьшением шума и хорошей устойчивостью положения плоскости P винта 7, достигается за счет наклона лопаток 9 выпрямителя 8 потока под углом ψ, равным от приблизительно 2o до приблизительно 6o, как это показано на фиг. 5. Этот наклон каждой лопатки 9 под углом от центра канала 6 к его периферии и от зоны, лежащей выше по направлению течения потока воздуха, к зоне, лежащей ниже по направлению течения потока, позволяет удерживать переднюю кромку каждой лопатки 9 как можно дальше от плоскости P винта при сохранении правильного позиционирования оси хвостовой трансмиссионной коробки и корпуса 11 и, следовательно, плоскости P винта в канале 6. Принимая во внимание то, что аэродинамическая нагрузка постепенно увеличивается от корневой части лопатки 9, присоединенной к корпусу 11, к ее более нагруженному концу, присоединенному к боковой стенке 18 или обтекателю канала 6, влияние шума остается незначительным, несмотря на то, что передняя кромка лопаток 9 проходит близко за корневой частью лопастей 10. По этим причинам осевое расстояние между плоскостью P вращения винта 7 и передней кромкой лопаток 9 выпрямителя 8 потока у периферии канала 6 представляет собой расстояние dr, составляющее от приблизительно 1,3c до приблизительно 2,5c, где c - это длина хорды лопастей 10 винта 7, выбранная на их основной части 14 вблизи от корневой части 15, когда эта длина хорды c не является постоянной по высоте основной части 14 лопатки.
Подводя итоги, следует отметить, что кроме угла ν наклона к радиальному направлению в плоскости, перпендикулярной оси X-X канала 6 и параллельной плоскости P винта, каждая лопатка 9 выполнена так, что ее передняя кромка находится на расстоянии dr, составляющим от приблизительно 1,3c до приблизительно 2,5c от плоскости P вращения винта у периферии канала 6, что позволяет избежать попадания задней кромки лопаток 9 в выходное отверстие, ограниченное скругленным краем этого канала 6, и каждая лопатка 9 наклонена под уклоном на угол ψ в плоскости, перпендикулярной плоскости P винта, к выходному концу и к периферии канала 6, чтобы обеспечить точное позиционирование плоскости P винта за счет точного позиционирования корпуса 11 и хвостовой трансмиссионной коробки. Если dr меньше 1,3c уровень излучаемой акустической энергии возрастает чрезвычайно быстро, когда лопатки 9 приближены к плоскости P вращения, в то время как при dr, большем 2,5C, происходит потеря аэродинамического качества выпрямителя 8 потока.
Как уже указывалось, трансмиссионная траверса 13 по своей форме повторяет форму лопатки 9 выпрямителя 8 потока, чтобы определить угловые положения лопаток 9 и лопастей 10, но он не профилирован, и число профилированных лопаток 9 выбирается большим или равным числу лопастей 10 винта 7, уменьшенному на единицу.
Эти лопасти 10 предпочтительно имеют аэродинамический профиль типа OAF с относительной толщиной и кривизной, которые постепенно изменяются по высоте лопасти, причем относительная толщина уменьшается, например, от 13,9% до 9,5% между 0,4R и R, где R - это радиус винта 7. Аналогично, крутка профиля уменьшается при удалении от оси винта.
Как показано на фиг. 6, и уже описано ранее, кольцевая стенка 18 канала 6 содержит от входного конца к выходному концу суживающееся впускное сопло 19, цилиндрическую часть 20, в которой вращается винт 7, как показано в плоскости P вращения, и имеющее форму усеченного конуса, расширяющееся сопло 21, заканчивающееся у скругленного выходного края 22. Канал 6 разделен на две части, а именно коллектор, соответствующий той части канала, которая расположена до плоскости P вращения винта по направлению течения воздушного потока, и имеющий длину dc в осевом направлении (вдоль оси X-X канала 6), и диффузор, соответствующий той части канала 6, которая расположена за плоскостью P винта, и имеющий длину dd в осевом направлении. Сам коллектор разделен на две зоны: суживающееся сопло 19, ограниченное краем входного отверстия или кольцевой стенкой, которая является выпуклой в направлении входного конца и скруглена с постоянным радиусом Rc, и цилиндрическую зону с длиной L1, которая следует за соплом 19. Диффузор разделен на три зоны, а именно: цилиндрическую зону длиной L2, являющуюся продолжением цилиндрической зоны L1 коллектора, имеющую форму усеченного конуса зону с углом 
равным половине угла при вершине расширяющегося сопла 21, и расширяющееся выпускное сопло, ограниченное краем 22 выходного отверстия в виде кольцевой стенки, которая является выпуклой в направлении выходного конца и скруглена с радиусом r.
Если ⊘ обозначает диаметр канала 6 и его цилиндрической части 20, отношение L1/⊘ должно составлять от приблизительно 0,02 до приблизительно 0,08, чтобы избежать наличия слишком большой цилиндрической зоны L1, сильно искажающей характеристики работы винта, расположенного в канале. Аналогичным образом, слишком малая длина dc коллектора искажает характеристики работы винта, расположенного в канале, так что минимальная длина коллектора dc = Rc + L1 соответствует приблизительно 10% от диаметра ⊘ канала. Таким образом 
На практике радиус Rc края 19 входного отверстия выбирают таким, что его отношение к диаметру ⊘ канала составляет приблизительно 0,08. Положение плоскости P винта в цилиндрической части 20 определяется как функция хорды c лопастей 10, их положительного диапазона углов установки, расстояния a, отделяющего их переднюю кромку от их оси изменения шага (a = 0,4 c), и максимальной деформации f лопасти 10, характеризующей жесткость лопасти в условиях махового движения. Длина L1 должна быть такой, что L1 > asin(βmax)+f, где βmax - максимальный положительный угол установки лопасти. Чтобы избежать какого-либо свешивания лопасти 10 за цилиндрическую часть 20 и перед ней, учитывается дополнительный запас (по длине), равный 1,33% диаметра ⊘. Длина L2 цилиндрической зоны диффузора изменяется между 1% и 3,5% диаметра ⊘ канала. На практике она определяется следующим выражением: L2 < (c-a)sin(βmax).
Угол α рассеяния (половинный угол при вершине имеющего форму усеченного конуса расширяющегося сопла 21) выбирается между приблизительно 5o и приблизительно 20o. Длина df расширяющейся части диффузора прямо зависит от угла α рассеяния и обратно пропорциональна диффузии, определяемой степенью диффузии, соответствующей отношению площади поверхности выходного отверстия канала 6 к площади поверхности диска винта 7, причем это соотношение сохраняется большим, чем 1,06.
Для уменьшения сопротивления расположенного в канале устройства для гашения вращающего момента при прямолинейном горизонтальном полете вертолета без искажения его летных характеристик при полете в режиме зависания радиус r выпуклого кольцевого выходного края 22 диффузора выполнен непостоянным по всей периферии этого края. Зоны, где радиус r постепенно изменяется, показаны на фиг. 7, схематично изображающем выходное отверстие диффузора при вертикальном виде сбоку. На фиг. 7 ось Y - Y представляет собой продольную ось вертолета, проходящую от его передней части (слева) к хвостовой части (справа), пересекающую ось X - X канала 6, а ось Z - Z представляет собой вертикальную ось, также пересекающую ось X - X канала 6. Край 22 имеет небольшой постоянный радиус r1, который меньше, чем приблизительно 1,6,% диаметра ⊘ канала 6, в передней зоне, проходящей по круговой дуге AA, соответствующей стягиваемому углу, величиной в 210o, и симметрично относительно оси Y - Y. Чтобы не исказить усилия, создаваемого расположенным в канале устройством для гашения вращающегося момента, при уменьшении его сопротивления при прямолинейном горизонтальном полете край 22 имеет радиус r2, больший, чем r1, и составляющий от приблизительно 4,3% диаметра ⊘ канала до величины радиуса Rc, выбранный для суживающегося сопла 19, в задней зоне, которая проходит по дуге BB, соответствующей стягиваемому углу 90o, и расположена симметрично с обеих сторон от оси YY. Между этими передней и задней зонами имеются две зоны с постепенно изменяющимся от r1 до r2 радиусом, которые соответствуют дугам AB со стягиваемым углом величиной 30o. Эти зоны постепенно меняющегося радиуса, необходимые вследствие ограничений, связанных с изготовлением обеспечивают переход между передней и задней частями края 22 выходного отверстия. В качестве варианта можно рассмотреть случай, когда передняя зона с малым радиусом r1 может проходить по дуге A'A', соответствующей стягиваемому углу, который может достигать 240o. В этом случае переходные зоны, соответствующие дугам A'B, короче.
В примере устройства для гашения вращающего момента пригодном для оснащения вертолета массой порядка 1,5t (тонны) установленном в канале 6 диаметром 750 мм, которое имеет винт 8 с металлическими лопастями с ребристой основной частью 14 лопасти и выполненной заодно с корневой частью 15, и, как описано в патенте США US-3594097, диаметр втулки винта составляет 304 мм, длина хорды лопастей составляет 53 мм или 63 мм в зависимости от того, какова окружная скорость концов лопастей - 186 м/с или 180 м/с, диапазон угла установки лопастей составляет от -25o до +41o при 0,7R (R - радиус винта), а профиль лопастей представляет собой постепенно изменяющийся профиль типа OAF, как упоминалось ранее, с законом крутки, уменьшающейся от 17o до 6,9o от 0,4R до R.
Винт с восемью лопастями 10 связан с выпрямителем потока с десятью профилированными лопатками 9, которые имеют хорду длиной 80 мм и к которым добавили трансмиссионную траверсу 13 (имеются десять межлопаточных угловых расстояний 30,66o и одно угловое расстояние 53,4o, в пределах которого установлена траверса 13), и этот винт имеет фазовую модуляцию лопастей в соответствии с оптимальным синусодальным законом (bΔθmin = 1,5 rd (радиан)), параметры которого составляют m = 2 или Δθ = 10,75o, но чтобы учесть наличие выпрямителя 8 потока, оптимальный закон искажается за счет максимальных угловых отклонений ± 3,75o, что приводит к следующей модуляции восьми лопастей 10 винта 7.
n: 1; 2; 3; 4,
θn: n: 55o; 92o; 128o; 180o;
n: 5; 6; 7; 8.
θn: 235o; 272o; 308o; 360o.
Напротив, если винт с восемью лопастями 10 связан с выпрямителем потока, имеющим семь профилированных лопаток 9 плюс трансмиссионная траверса, то этот винт имеет фазовую модуляцию в соответствии с искаженным синусоидальным законом ( bΔθ = 1,25 rd (радиан)), параметры которого составляют m = 2 и Δθ = 8,96o с максимальными угловыми отклонениями ± 5o, что дает следующую модуляцию:
n: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8.
θn: 56o; 93o; 131o; 180o; 236o; 273o; 311o; 360o.
Наклон ν лопаток 9 в направлении радиуса, проходящего через основание каждой из лопаток, составляет порядка 10o, и их угол наклона ψ в направлении периферии и в направлении выходного отверстия канала 6 составляет 4o. Расстояние dr, отделяющее плоскость P вращения винта от передней кромки лопаток 9, составляет 96,5 мм, то есть оно приблизительно в 1,53 - 1,66 раза больше хорды лопастей винта. Профилированные лопатки 9 выпрямителя потока имеют профиль типа NACA 65 с относительной толщиной 10% и кривизной средней линии профиля 27o и установлены с углом атаки относительно оси X-X канала 6, который отрицателен и равен 2,5o. Этот канал имеет суживающееся сопло 19, радиус Rc которого равен 60 мм, длина L1 цилиндрической зоны коллектора составляет 24 мм, длина L2 цилиндрической зоны диффузора составляет 23 мм, угол расхождения α составляет 7o, и край 22 выходного отверстия имеет радиус r1, равный 10 мм, в передней зоне и r2, равный 45 мм, в задней зоне, причем минимальная длина расширяющейся части диффузора df составляет 187 мм.
В примере исполнения, пригодном для оснащения вертолета массой приблизительной 2,5t (тонны), устройство для гашения вращающего момента содержит винт с 10 лопастями, имеющими хорду длиной 50 мм, которые приводятся с окружной скоростью 187,66 м/с (3584 об/мин), с втулкой диаметром 380 мм, при этом винт расположен в канале диаметром 1 м. Профиль лопастей представляет собой профиль типа OAF, аналогичный предыдущему примеру, а диапазон углов установки варьируется от -25o до +35o (при 0,7 R). Лопасти, выполненные из металла, как и в предыдущем примере, имеют фазовую модуляцию или модуляцию по азимуту, задаваемую вышеприведенным синусоидальным законом с искажением ( bΔθ = 1 rd (радиан)), параметры которого следующие: m = 2 и Δθ = 5,73o при максимальных угловых отклонениях ± 3,4o. Выпрямитель потока имеет 10 профилированных лопаток с хордой 97 мм, к которым добавляется трансмиссионный кронштейн 13. Это приводит к следующей модуляции:
n: 1; 2; 3; 4; 5.
θn: n: 44,9o; 77,5o; 102,5o; 180o;
n: 6; 7; 8; 9; 10.
θn:224,9o; 257,5o; 282,5o; 315,1o; 360o.
Угол наклона ψ профилированных лопаток составляет 4o, а их наклон ν в радиальном направлении составляет 7,8o. Расстояние dr между плоскостью P винта и профилированными лопатками 9 составляет приблизительно 98 мм, то есть оно приблизительно в 1,96 раза больше хорды c лопастей. Лопатки 9 выпрямителя потока имеют профиль типа NACA 65 с относительной толщиной 10%, с кривизной 21o для средней линии профиля и установлены с углом атаки, который отрицателен и равен 2,5o. Радиус Rc суживающегося впускного сопла канала 6 составляет 80 мм, а длины L1 и L2 соответственно составляют 23 мм и 17 мм соответственно для цилиндрических зон коллектора и диффузора. Угол расхождения α равен 7o, а минимальная длина df расширяющейся части канала составляет 280 мм. Радиус r1 передней зоны края 22 равен 10 мм, в то время как радиус r2 задней зоны равен 60 мм.
Для оснащения вертолета массой порядка от 4 до 4,5t (тонны) устройство для гашения вращающего момента, например, может содержать винт, имеющий десять лопастей с хордой 94 мм, которые приводятся с окружной скоростью концов лопастей 180 м/с (3125 об/мин) в канале диаметром 1100 мм, причем радиус втулки составляет 225 мм. Как и в предыдущих примерах, ось изменения шага для лопастей находится на расстоянии 40% их хорды c, а их профиль представляет собой постепенно изменяющийся профиль типа OAF с тем же законом изменения относительной толщины, но с законом крутки, которая уменьшается от 7,25o до -1,2o между 0,4R и R. Выпрямитель потока содержит или 13 лопаток, то есть 12 профилированных лопаток с хордой длиной 80 мм, к которым добавляется трансмиссионная траверса, или 17 лопаток, то есть 16 профилированных лопаток с хордой длиной 66 мм, к которым добавляется трансмиссионная траверса. Профиль профилированных лопаток представляет собой профиль типа NACA 65 с относительной толщиной 10%, кривизной 23o и установкой угла атаки, который отрицателен и равен 2,2o. Угол ψ наклона профилированных лопаток составляет 3o, а их угол ν отклонения в радиальном направлении составляет 11,2o. Расстояние dr между плоскостью P винта и передней кромкой лопаток составляет от 1,65c до 1,7c, а применение искаженного синусоидального закона, приведенного выше, для получения фазовой модуляции, которая приводит к тому, что ни один угол между двумя произвольно выбранными лопастями не равен какому-либо углу между двумя произвольно выбранными лопатками, имеет следствием угловое распределение 10 лопастей винта, приведенное в нижеследующей таблице 3, в зависимости от того, сколько лопаток имеет выпрямляющий поток статор - 13 или 17.
На фиг. 2 изображен винт, имеющий угловое распределение, показанное в табл. 3 для выпрямляющего поток статора с 13 лопатками.
Изобретение относится к области авиации. Устройство содержит лопасти 10 винта 7, расположенного в поперечном канале 6. Лопасти 10 имеют угловое распределение по азимуту, заданное синусоидальным законом
где θn - угловое положение n-й лопасти, отсчитанной последовательно от произвольного начала отсчета, b - число лопастей;
m - целое число, выбираемое от 1 до 4, которое не совпадает с числом b лопастей, выбираемым от 6 до 12;
Δθ выбирается большим или равным минимальному значению Δθmin, которое выбирается в пределах диапазона значений от 1,5 радиан до 1 радиан. Изобретение направлено на уменьшение излучения шума путем распределения акустической энергии по всему спектру частот. 19 з.п.ф-лы, 7 ил., 3 табл.
где θn - угловое положение n-й лопасти (10), отсчитанной последовательно от произвольного начала отсчета;
b - число лопастей (10);
m - целое число, выбранное от 1 до 4, которое не совпадает с числом b лопастей (10), выбираемым от 6 до 12;
Δθ выбирается так, что значение Δθ больше или равно минимальной величине Δθmin, которая такова, что произведение Δθmin× b выбирается в пределах диапазона величин от 1,5 до 1 рад.
L1> asin(βmax)+f
и
L2<(c-a)sin(βmax),
где βmax - максимальный положительный угол установки лопастей (10) винта (7).
| EP, 0562527, A1, 24.03 | |||
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| US, 5131604, A ,21 | |||
| Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| SU, 0726358, A, 05.04 | |||
| Капельная масленка с постоянным уровнем масла | 0 |
|
SU80A1 |
| Книга "Авиационная акустика" | |||
| Ч | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| - М.: Машиностроение, 1986, с | |||
| Прибор для определения всасывающей силы почвы | 1921 |
|
SU138A1 |
