ЛОПАСТЬ ВОЗДУШНОГО ВИНТА, В ЧАСТНОСТИ, ЛОПАСТЬ ДЛЯ ХВОСТОВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2002 года по МПК B64C27/35 B64C27/45 B64C27/48 

Изобретение касается лопастей воздушного винта, в частности лопастей, предназначенных для закрытого кольцевым обтекателем (fenestron - торговый знак фирмы EUROCOPTER) хвостового винта вертолета. Более конкретно, изобретение касается узла крепления лопасти к втулке воздушного винта.

Известно, что лопасти хвостового винта вертолета обычно вставляются корневыми частями во втулку воздушного винта посредством двух подшипников, отстоящих один от другого по направлению вдоль корневых частей лопасти. В то же время лопасти закрепляются в непосредственной близости от центра втулки воздушного винта при помощи органов, способных упруго деформироваться на кручение, которые позволяют обеспечить изменение угла атаки лопастей, противодействуя при этом центробежным усилиям, воздействующим на лопасти вследствие вращения воздушного винта.

В соответствии с известным способом реализации таких лопастей воздушных винтов органы, способные упруго деформироваться на кручение, выполняются либо металлическими (например, в виде пакета уложенных друг на друга тонких металлических пластин из нержавеющей стали), либо изготавливаются из композиционного материала в виде волокон в матрице из смолы (каждый такой упруго деформируемый орган может представлять собой продолжение лопасти, которая сама может быть изготовлена из композиционного материала).

Из уровня техники известен винт вертолета по ЕР 0157502 А1, 01.03.1985, который содержит лопасть воздушного винта с корневой частью лопасти, смонтированную с возможностью вращения во втулке воздушного винта с возможностью поворота лопасти вокруг своей оси изменения шага, причем корневая часть лопасти выполнена полой и открыта на своем внутреннем конце для формирования внутренней выемки, средство присоединения корневой части лопасти ко втулке воздушного винта, содержащее жесткую тягу и орган, способный упруго деформироваться на кручение вокруг оси изменения шага и расположенный внутри внутренней выемки в корневой части лопасти.

Однако при любом возможном способе реализации подобных органов, способных упруго деформироваться на кручение, они всегда представляют собой в определенном смысле критические элементы лопастей воздушных винтов, поскольку эти органы подвергаются воздействию достаточно больших растягивающих нагрузок от центробежных сил, а также усталостным напряжениям на кручение, возникающим в процессе управления углом атаки лопастей. Для снижения нагрузок кручения и увеличения срока службы органов крепления приходится в максимально возможной степени увеличивать их длину, что неизбежно приводит к увеличению радиальных габаритных размеров втулки воздушного винта.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченных выше недостатков и обеспечение возможности реализации такого воздушного винта, габаритные размеры которого в радиальном направлении являются достаточно малыми при устранении всякого риска разрушения этих упругих органов, деформируемых на кручение.

Для решения поставленной задачи в соответствии с предлагаемым изобретением лопасть воздушного винта, в частности лопасть хвостового винта вертолета, содержащая корневую часть лопасти, смонтированную с возможностью вращения во втулке воздушного винта для обеспечения необходимого поворота лопасти вокруг оси изменения ее шага, средство закрепления корневой части лопасти во втулке воздушного винта, содержащее орган, способный упруго деформироваться на кручение относительно упомянутой оси изменения ее шага, согласно изобретению корневая часть лопасти является полой и открытой на своем внутреннем конце, орган, способный упруго деформироваться на кручение, представляет собой эластичный упор, расположенный в корневой части лопасти, способный функционировать наподобие шарового шарнира ограниченного действия и центрированный на оси изменения шага, при этом жесткая тяга связывает эластичный упор со втулкой воздушного винта.

Таким образом, упомянутый выше упругий упор исключает всякую опасность усталостного разрушения при кручении. Этот упругий упор может иметь различные размерные параметры и способен обеспечить достаточно продолжительный срок службы без существенного износа и без опасности внезапного усталостного разрушения.

В то же время указанный упругий упор представляет собой особенно компактный элемент и обладает достаточно малыми собственными габаритными размерами, в частности, в радиальном направлении по отношению к воздушному винту.

Для того чтобы в еще большей степени уменьшить радиальные габаритные размеры воздушного винта, предпочтительно для упомянутого эластичного упора, содержащего множество слоистых элементов, изготовленных из эластомера и расположенных между двумя элементами арматуры, чтобы внутри корневой части лопасти этот эластичный упор был расположен таким образом, чтобы один из элементов его арматуры, или так называемый наружный элемент арматуры, располагался со стороны профилированной части лопасти, тогда как другой из двух его элементов арматуры, или так называемый внутренний элемент арматуры, располагался со стороны оси вращения воздушного винта, эластичный упор содержал центральную выемку, ось которой совпадает с упомянутой осью изменения шага, жесткая тяга проходила с некоторым зазором через упомянутую центральную выемку в эластичном упоре и ее наружный конец, который располагается со стороны профилированной части лопасти, был жестко связан с наружным элементом арматуры эластичного упора, внутренний элемент арматуры эластичного упора, через который с некоторым зазором проходит жесткая тяга, был жестко связан с внутренним концом корневой части лопасти, который располагается со стороны оси вращения воздушного винта.

Таким образом, небольшие габаритные размеры эластичного упора и жесткой тяги позволяют существенно уменьшить диаметр втулки воздушного винта, удерживающей опорные подшипники лопастей, что приводит к улучшению характеристик тяги воздушного винта и особенно к уменьшению массы собственно втулки воздушного винта, а также к уменьшению массы опоры редуктора трансмиссии воздушного винта (приводящего данный воздушный винт во вращательное движение), который располагается в продолжение и позади упомянутой втулки.

Эластичный упор может быть сферическим. Это означает, что его слоистые элементы, изготовленные из эластомера, в данном случае имеют сферическую форму и центрированы на упомянутой оси изменения шага. Принимая во внимание небольшие углы отклонения эластичного упора, он может иметь и коническую форму. Это означает, что слоистые элементы, изготовленные из эластомера, также являются коническими и центрированными на оси изменения шага.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения можно предусмотреть использование опоры типа шарового шарнира, центрированной на оси изменения шага, между наружным концом тяги и наружным концом корневой части лопасти.

Таким образом, создавая подобную опору для наружного конца тяги внутри корневой части лопасти, можно сделать неподвижной эту тягу, и в этом случае эластичный упор, нагруженный в осевом направлении центробежной силой, подвергается только кручению, соответствующему изменениям угла атаки данной лопасти.

Благодаря этому упору становится возможным использовать только один подшипник, располагающийся со стороны наружного конца корневой части лопасти, для шарнирного закрепления корневой части лопасти на втулке воздушного винта. Действительно, в процессе вращения воздушного пинта отклонение лопасти является весьма незначительным по амплитуде (обычно менее 1^o), и соответствующие деформации эластичного упора приводят к очень малым отклонениям. Кроме того, при отсутствии вращения отклонение лопасти ограничивается контактом внутреннего элемента арматуры эластичного упора с жесткой тягой.

Нетрудно представить себе, что устранение одного подшипника лопасти (по сравнению с конструкцией, характеризующей существующий уровень техники в данной области) обеспечивает существенное упрощение и облегчение конструкции втулки воздушного винта, которая в этом случае может быть изготовлена, например, путем штамповки, как простая кастрюля. Кроме того, исключение из конструкции одного подшипника лопасти позволяет устранить преобладающую часть усилий управления, то есть тех усилий, которые возникают в результате трения в подшипниках, сильно нагруженных вследствие жесткого закрепления лопасти. В данном случае отпадает необходимость в применении сервопривода, не прибегая при этом к использованию значительных по величине уравновешивающих масс на лопастях. Отсюда следует дополнительное упрощение и снижение веса конструкции воздушного винта.

В соответствии с предлагаемым изобретением средство крепления лопастей воздушного винта оказывается более простым по конструкции, более компактным, более надежным в эксплуатации и менее дорогостоящим в изготовлении по сравнению с известными аналогичными средствами, используемыми в воздушных винтах.

Предлагаемое изобретение будет лучше понято из приведенного ниже описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает продольный разрез лопасти воздушного винта согласно изобретению, снабженной средствами крепления;
фиг. 2 изображает вид сбоку повернутый на 90^o по отношению к виду, показанному на фиг.1, лопасти воздушного винта согласно изобретению;
фиг.3, 4 и 5 изображают продольные разрезы, иллюстрирующие различные варианты реализации лопасти воздушного винта согласно изобретению;
фиг. 6 изображает разрез по линии VI-VI на фиг.5 втулки воздушного винта согласно изобретению.

Лопасть воздушного винта 1 (фиг.1, 2) в соответствии с предлагаемым изобретением содержит профилированную часть 2 (показанную частично) и корневую часть лопасти 3. Эта лопасть предназначена для формирования, совместно с другими идентичными лопастями, хвостового воздушного винта вертолета. Хвостовой воздушный винт вертолета вращается относительно оси Х-Х и содержит втулку, образованную центральной частью 4С (фиг.2) и наружной частью 4Е.

Корневая часть лопасти 3 смонтирована с возможностью вращения в наружной части втулки 4Е посредством единственного подшипника 5, располагающегося со стороны профилированной части 2 лопасти, чтобы дать возможность лопасти 1 поворачиваться вокруг оси Р-Р изменения ее шага. Кроме того, упомянутая лопасть 1 закреплена на центральной части 4С втулки при помощи продольной тяги 6.

Для обеспечения возможности такого закрепления свободный конец 7 тяги 6 содержит соединительный элемент в виде обоймы, который взаимодействует с дополняющим его вильчатым соединительным элементом 8, жестко связанным с центральной частью 4С втулки воздушного винта, чтобы связать лопасть с этой втулкой. Соединительный элемент в виде обоймы 7 и вильчатый соединительный элемент 8 имеют общую ось 1-1, параллельную оси Х-Х.

Как схематически показано на фиг.2, шток 9, ось которого совпадает с осью Х-Х воздушного винта и который имеет возможность скользить вдоль этой оси (схематически показано двойной стрелкой F на фиг.2), управляет поворотом лопасти 1 вокруг оси Р-Р изменения ее шага посредством соединительного элемента 10, который закреплен с одной стороны на упомянутом штоке 9, а с другой стороны соединен с эксцентрическим пальцем 11, располагающимся на корневой части лопасти 3.

В соответствии с предлагаемым изобретением конструкция узла крепления лопасти воздушного винта обладает следующими отличительными особенностями:
корневая часть лопасти 3 является полой и определяет внутреннюю выемку 12, открытую с внутренней стороны (то есть со стороны расположения оси Х-Х) и закрытую с наружной стороны (то есть со стороны расположения профилированной части 2 лопасти) ее донной частью 14;
во внутренней выемке 12 корневой части лопасти 3 размещается сферический эластичный упор 15, который содержит совокупность 16 слоистых элементов 16А, изготовленных из эластомера и располагающихся между наружным элементом арматуры 17 и внутренним элементом арматуры 18, причем этот сферический эластичный упор вставлен между профилированной частью 2 лопасти 1 и тягой 6 для обеспечения функции органа, способного упруго деформироваться на кручение вокруг оси изменения шага лопасти Р-Р.

Сферический эластичный упор 15 центрирован на оси изменения шага лопасти Р-Р и способен совершать движения наподобие шарового шарнира ограниченного действия. Упор содержит центральную выемку 19, ось которой совпадает с осью изменения шага лопасти Р-Р.

Жесткая тяга 6 с некоторым зазором проходит через центральную выемку 19 и ее наружный конец 6Е закреплен на наружном элементе арматуры 17 эластичного упора 15. Наружный элемент арматуры 17 изготовлен из стали, и крепление может быть обеспечено, как это схематически показано на фиг.1, путем завинчивания наружного резьбового конца 6Е в наружный элемент арматуры 17, образующий гайку. Шплинт 20 обеспечивает блокировку вращательного движения этой жесткой тяги относительно наружного элемента арматуры 17.

Распорка из легкого сплава 21 надевается на жесткую тягу 6 между соединительным элементом в виде обоймы 7 и наружным элементом арматуры 17, чтобы служить упором относительного позиционирования этих элементов. Кроме того, распорка 21 позволяет обеспечить хорошее удлинение тяги в резьбовом соединении элементов 6-17.

Через внутренний элемент арматуры 18 эластичного упора 15, который жестко связан с внутренним концом корневой части лопасти 3, проходят с некоторым зазором тяга и распорка 21. Для этого внутренний элемент арматуры 18 неподвижно закреплен в выемке 12 корневой части лопасти 3 между круговым выступом 22 и деталью 23, завинченной в выемку 12. Фиксированное позиционирование внутреннего элемента арматуры 18 по вращению может быть обеспечено при помощи различных подходящих в данном случае устройств, показанных на фиг.1 в виде заостренного стопорного винта 24.

Опорная точка 25, центрированная на оси изменения шага Р-Р, предусмотрена между наружным концом 6Е тяги 6 и наружным концом корневой части лопасти 3. Опорная точка 25 реализована в виде шарового шарнира 26, жестко закрепленного на тяге 6 и вставленного в обойму 27, располагающуюся в основании 14 выемки 12.

Движения сферического упора 15 наподобие шарового шарнира имеют весьма небольшую амплитуду, составляющую максимум 0,7^o, и ограничены при этом величиной зазора, существующего в центральной выемке 19 между внутренним элементом арматуры 18 и системой, образованной совокупностью тяги 6 и распорки 21. Вследствие этого сферический упор 15 может быть заменен (фиг.3) на упор более простой конструкции 28 с коническими слоистыми элементами 28А. Как можно видеть, вариант реализации 29 является идентичным варианту реализации 1, за исключением того, что сферический эластичный упор 15 заменен здесь на конический эластичный упор 28.

В представленном на фиг.4 варианте реализации 30 лопасти воздушного винта согласно изобретению можно видеть элементы, уже описанные выше со ссылками на фиг.1, за исключением следующих отличительных особенностей:
в данном случае эластичный упор 31 уже не является сферическим, но выполнен коническим. Это означает, что элементы 31А упора, изготовленные из эластомера, имеют коническую форму и центрированы на оси изменения шага Р-Р;
тяга 6 содержит на своем наружном конце часть 32 типа клапанной тарелки, удерживающую конический упор 31, опираясь с наружной стороны на наружный элемент арматуры 33 упора;
соединительный элемент в виде обоймы 34, предназначенный для соединения тяги 6 с центральной частью 4С втулки воздушного винта, навинчивается с использованием контргайки 35 на внутренний резьбовой конец 61 тяги 6.

В этом случае наружный элемент арматуры 33, который не содержит резьбовой части, может быть выполнен из легкого сплава.

Представленный на фиг. 5 и 6 вариант реализации 40 лопасти воздушного винта согласно изобретению подобен варианту реализации 30, но со следующими отличиями:
опорная точка 25, 26, 27 в данном случае исключена и заменена кольцевой сферической опорной поверхностью 33А, выполненной на периферийной части наружного элемента арматуры 33 эластичного упора 31 и опирающейся на стенку внутренней выемки 12;
внутренний резьбовой конец 61 тяги 6 соединен путем завинчивания непосредственно с центральной частью 4С втулки воздушного винта без введения промежуточного соединительного элемента 34, но с использованием контргайки 35.

Изобретение касается узла крепления лопастей воздушного винта к втулке. Лопасть воздушного винта для хвостового винта вертолета содержит внутреннюю выемку в корневой части. Средство присоединения корневой части лопасти ко втулке воздушного винта содержит жесткую тягу и эластичный упор из множества слоистых элементов, располагающихся между двумя элементами арматуры так, что упор способен функционировать наподобие шарового шарнира ограниченного действия, отцентрированного относительно оси изменения шага. Жесткая тяга связывает эластичный упор со втулкой воздушного винта внутри корневой части лопасти. Такое выполнение лопасти позволяет снизить нагрузки кручения при малых радиальных габаритных размерах втулки воздушного винта. 13 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Лопасть воздушного винта для хвостового винта вертолета, содержащая корневую часть лопасти (3), смонтированную с возможностью вращения во втулке (4Е) воздушного винта с возможностью поворота лопасти вокруг своей оси изменения шага (Р-Р), причем корневая часть лопасти (3) выполнена полой и открыта на своем внутреннем конце для формирования внутренней выемки (12), средство присоединения корневой части лопасти (3) ко втулке воздушного винта, содержащее жесткую тягу (6) и орган (15, 28, 31), способный упруго деформироваться на кручение вокруг оси изменения шага и расположенный внутри внутренней выемки (12) в корневой части лопасти (3), отличающаяся тем, что упомянутый орган (15, 28, 31), способный упруго деформироваться на кручение, выполнен в виде эластичного упора, содержащего множество слоистых (ламинированных) элементов, располагающихся между двумя элементами арматуры так, что орган способен функционировать наподобие шарового шарнира ограниченного действия, отцентрированного относительно оси изменения шага, жесткая тяга (6) связывает эластичный упор со втулкой (4С) воздушного винта, внутри корневой части лопасти (3) эластичный упор расположен таким образом, что один из его элементов арматуры (17, 33), или наружный элемент арматуры, находится со стороны профилированной части (2) лопасти, тогда как другой (18) из этих элементов арматуры, или внутренний элемент арматуры, находится со стороны оси вращения (Х-Х) воздушного винта, эластичный упор содержит центральную выемку (19), ось которой совпадает с осью изменения шага, жесткая тяга (6) проходит с зазором через центральную выемку и ее наружный конец (6Е), который расположен со стороны профилированнной части лопасти и жестко связан с наружным элементом арматуры эластичного упора, внутренний элемент арматуры (18) эластичного упора, через который с определенным зазором проходит тяга, жестко связан с внутренним концом корневой части лопасти (3), который расположен со стороны оси вращения (Х-Х) воздушного винта. 2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что слоистые элементы (16А) эластичного упора (15), изготовленные из эластомера, имеют сферическую форму. 3. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что слоистые элементы (28А, 31А) эластичного упора (28, 31), изготовленные из эластомера, имеют коническую форму. 4. Лопасть по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что шаровая опора (25, 33А), центрированная на оси изменения шага (Р-Р), предусмотрена между наружным концом тяги (6) и наружным концом корневой части лопасти (3), которая находится со стороны расположения собственно лопасти. 5. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что корневая часть лопасти (3) поворачивается во втулке (4Е) воздушного винта посредством единственного подшипника (5), располагающегося со стороны наружного конца корневой части лопасти. 6. Лопасть по одному из п.4 или 5, отличающаяся тем, что шаровая опора (25) содержит шаровой шарнир (26), жестко связанный с наружным концом тяги (6) и вставленный в обойму (27), выполненную в донной части внутренней выемки в корневой части лопасти. 7. Лопасть по одному из п.4 или 5, отличающаяся тем, что шаровая опора содержит кольцевую сферическую опорную поверхность (33А), выполненную на периферийной части наружного элемента арматуры (33) эластичного упора (31) и опирающуюся на стенку внутренней выемки (12). 8. Лопасть по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что жесткая тяга (6) завинчивается в наружный элемент арматуры (17) эластичного упора (15, 28). 9. Лопасть по п.8, отличающаяся тем, что распорка (21) расположена вокруг жесткой тяги (6) между внутренним концом (7) тяги и наружным элементом арматуры (17) эластичного упора (15, 28). 10. Лопасть по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что наружный конец жесткой тяги (6) выполнен в виде тарелки клапана (32), удерживающей эластичный упор (31). 11. Лопасть винта по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что на внутреннем конце (61) жесткой тяги (6) содержится соединительный элемент в виде обоймы (7, 34), способный взаимодействовать с дополняющим его вильчатым соединительным элементом (8), выполненным на втулке (4С) воздушного винта, для присоединения корневой части лопасти к этой втулке. 12. Лопасть по п.11, отличающаяся тем, что соединительный элемент в виде обоймы (7) тяги (6) жестко закреплен на внутреннем конце (61) упомянутой тяги. 13. Лопасть по п.12, отличающаяся тем, что соединительный элемент в виде обоймы (34) тяги (6) навинчен на внутренний резьбовой конец (61) тяги. 14. Лопасть по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что внутренний конец (61) тяги (6) имеет резьбовую часть и присоединен к втулке воздушного винта (4С) путем завинчивания.