ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ Российский патент 2009 года по МПК B64C27/48 

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

Изобретение также может быть использовано в других воздушных винтах с изменяемым шагом, в конструкции роторов ветродвигателей, а также в других областях техники, где необходима гибкая связь между двумя твердыми телами, например в виде упругих муфт.

Известен винт, лопасти которого соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов (патент Франции №2041747, МПК В64С 27/00). В этом винте упругая средняя по длине (рабочая) часть торсиона состоит из продольно расположенных отдельных пучков высокопрочных волокон, соединенных между собой эластичным материалом с низким сопротивлением сдвигу. Недостатком этой конструкции является низкая изгибная жесткость торсиона при поперечном изгибе, то есть при действии перерезывающих сил. Это может привести к выбору неоптимальных соотношений размеров торсиона, к завышенному весу конструкции, а также к нарушению передаточных соотношений между отклонениями органов управления и изменениями углов установки лопастей при воздействиях на торсионы перерезывающих сил от поводков лопастей и от самих лопастей.

Известны также винты, лопасти которых соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов (патенты США №4427340, МПК В64С 27/38 и №4746272, МПК В64С 27/38). В этих винтах выполненная как единое целое упругая, средняя по длине (рабочая) часть каждого торсиона состоит из двух зон по его длине: ближняя к лопасти винта зона, работающая в основном на кручение, состоит из монолитных продольно расположенных ребристых балок из композиционных материалов, выполненных в виде элементов открытого профиля, а зона со стороны вала винта представляет собой работающую в основном на изгиб монолитную пластину. Необходимые упругие свойства торсионов в этих двух вариантах конструкций достигаются подбором свойств связующего (смол с различными добавками) и материалов наполнителя (матрицы), которые пропитываются связующим. К недостаткам таких конструкций следует отнести трудности получения оптимальных размеров торсионов для требований обеспечить высокие изгибные жесткости при низкой жесткости на кручение в их зонах кручения, а также противоречивые требования к свойствам связующего и ограниченный выбор материалов для торсионов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в разработке конструкции воздушных винтов с возможностью широкого изменения изгибных и крутильных жесткостей торсионов при их оптимальных соотношениях за счет применения специальной конструкции и различных форм геометрии упругих частей торсионов, использования различных материалов с требуемым набором свойств, в снижении веса конструкции винта, в улучшении управления лопастями винта.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в воздушном винте с изменяемым шагом лопастей, включающем в себя лопасти, соединенные с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, элементы управления шагом каждой лопасти, каждый из торсионов на всем упругом участке между лопастью и валом или в зоне по длине этого участка, испытывающей преимущественно деформации кручения, выполнен в виде балки, состоящей из набора продольно расположенных силовых элементов открытого профиля с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичным заполнителем из материала с низким сопротивлением сдвигу, а в заделках по концам торсиона или зоны кручения - в зоне изгиба, в местах соединения торсиона с лопастью, валом, промежуточными деталями, в местах соединения зон кручения и изгиба одного торсиона или торсионов между собой - силовые элементы соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью. Предусматривается также то, что в определенных вариантах конструкций воздушных винтов силовые элементы и эластичный заполнитель в разных местах торсиона как по длине, так и в разных секторах его поперечных сечений имеют разные механические свойства, а также то, что силовые элементы торсионов выполнены из анизотропного материала. Кроме того, предусмотрено, что группы торсионов (пары, тройки и больше) или все торсионы одного винта могут быть выполнены как единое целое, а также то, что лопасти винта могут быть выполнены как единое целое с торсионами, при этом материал лопасти является продолжением материала высокопрочных элементов ее торсиона. К отличительным особенностям изобретения относится также то, что каждый торсион или все торсионы одного винта могут быть соединены с валом винта через шарниры с расположением осей в плоскости, перпендикулярной оси вала винта.

На фиг.1, фиг.2 показан воздушный винт в четырехлопастной конфигурации с жестким креплением каждого торсиона к валу винта и к лопасти, без деления упругой части торсиона (участок L=I) на зоны кручения (зона I) и изгиба (зона (L-I)) - вид сбоку и вид сверху соответственно; на фиг.3 - сечение А-А от фиг.1; на фиг.4, фиг.5 - сечения Б-Б и В-В от фиг.1; на фиг.6, фиг.7 - некоторые из возможных вариантов сечений А-А от фиг.1; на фиг.8, фиг.9 - вариант конструкции воздушного винта в трехлопастной конфигурации, у которого все торсионы выполнены как одно целое, но с отдельными рабочими упругими частями (участок L), разделенными на зоны преимущественно кручения (со стороны лопасти - зона I) и изгиба (со стороны вала винта - зона (L-I)), а вся группа торсионов соединена с валом винта жестко - вид сбоку и вид сверху соответственно; на фиг.10 - сечение Г-Г от фиг.8; на фиг.11, фиг.12 - сечения Д-Д и Е-Е от фиг.8; на фиг.13, фиг.14 - воздушный винт, каждый торсион которого выполнен как одно целое с лопастью без разделения упругой части (участок L=l) на зоны кручения и изгиба и соединен с валом винта через горизонтальный шарнир (упрощенный вид) - вид сбоку и вид сверху соответственно; на фиг.15 - сечение И-И от фиг.13; на фиг.16, фиг.17, фиг.18 - сечения К-К, Л-Л, М-М соответственно от фиг.13; на фиг.19, фиг.20 - вариант конструкции воздушного винта в четырехлопастной конфигурации, у которого пары торсионов выполнены как одно целое, но с отдельными рабочими упругими частями без разделения каждой упругой части (участок L=l) на зоны кручения и изгиба, а все торсионы соединены с валом винта через карданную подвеску (упрощенный вид) - вид сбоку и вид сверху соответственно; на фиг.21 - сечение Н-Н от фиг.19; на фиг.22, фиг.23 - вариант конструкции воздушного винта в двухлопастной конфигурации, у которого оба торсиона выполнены как одно целое, но с отдельными рабочими упругими частями без разделения каждой упругой части (участок L=I) на зоны кручения и изгиба, и два торсиона соединены с валом винта через общий горизонтальный шарнир (упрощенный вид) - вид сбоку и вид сверху соответственно; на фиг.24 - сечение П-П от фиг.22; на фиг.25, фиг.26 - сечения Р-Р и С-С от фиг.22.

Воздушный винт, в частности несущий винт вертолета (фиг.1...7), состоит из вала 1, являющегося одновременно и корпусом втулки; торсионов 2, соединенных с валом 1 упорными кольцами 3 и винтами 4; переходников 5, стыкующих между собой лопасти 6 и торсионы 2 упорными полукольцами 7, винтами 8 и болтами 9; а также поводков 10 управления лопастями, соединенных с торсионами 2 и лопастями 6 винтами 8 через переходники 5.

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

Торсион 2 имеет по всей длине рабочей упругой части (участок L) или в зоне кручения (зона I) поперечное сечение, состоящее из набора силовых элементов 11 открытого профиля, выполненных из материала с высокой прочностью, соединенных между собой эластичным заполнителем 12 из материала с низким сопротивлением сдвигу. Эластичный заполнитель 12 расположен по длине торсиона 2 на всем его рабочем участке или в зоне кручения, а в местах стыковки всего рабочего участка или зоны кручения с валом 1, лопастью 6, с зоной изгиба или торсионов между собой (в заделках) место эластичного заполнителя 12 занимает высокопрочный материал 13, например такой же, из которого выполнены силовые элементы 11, или иной, обеспечивающий прочное соединение силовых элементов 11 между собой.

Рабочая часть L торсиона 2 может иметь по длине как постоянное, так и переменное сечение. Также для одного торсиона 2 его силовые элементы 11 и эластичный заполнитель 12 могут иметь на участках L или в зоне I как постоянное, так и переменное сечение. В частности, на концах торсиона 2 или его зоны кручения (в местах перехода к заделкам) специально подобранные по длине торсиона 2 изменения размеров силовых элементов 11 и эластичного заполнителя 12 сглаживают характерный для этих мест скачок жесткостей и напряжений.

В целях обеспечения наилучшего соотношения изгибных и крутильной жесткостей рабочей части L торсиона 2, а также для получения достаточного конструкционного демпфирования (гашения) колебательных движений системы лопасть-втулка в разных местах торсиона силовые элементы 11 и эластичный заполнитель 12 могут иметь разные механические свойства, например разные изгибные и крутильные жесткости для силовых элементов 11, а также разные жесткости на сдвиг или разные свойства гистерезиса (внутреннего трения в материале при циклическом деформировании) для заполнителя 12. Эти свойства могут меняться как по длине торсиона, так и по различным секторам его поперечных сечений, отдельным элементам или отдельным промежуткам между силовыми элементами 11.

Для тех же целей, а также для повышения технологичности конструкции силовые элементы 11 открытого профиля торсиона 2 могут быть выполнены из анизотропного композиционного материала.

Для снижения массы, габаритов и жесткости в месте стыка торсиона с валом винта стык каждого торсиона 2 с валом 1 винта может отсутствовать. В этом случае все торсионы одного винта или группы торсионов в составе одного винта (по два, по три и больше) выполняются как одно целое и соединяются с валом 1 непосредственно или через промежуточные элементы конструкции (например, шарниры) как одна деталь. Такие варианты конструкций винта представлены на фиг.8...12, фиг.19...21, фиг.22...26. В варианте на фиг.8...12 выполненные как одно целое три торсиона 2 крепятся непосредственно к валу 1 винта болтами 14. В этом же варианте конструкции винта отсутствуют переходные детали, соединяющие торсионы 2 и лопасти 6, а лопасти непосредственно соединены с наружными концами торсионов болтами 15, что также снижает массу и габариты элементов конструкции винта. В варианте на фиг.19...21 выполненные как одно целое по два торсиона 2 четырехлопастного винта соединены с валом 1 через карданную подвеску, а в варианте на фиг.22...26 выполненные как одно целое два торсиона 2 двухлопастного винта соединены с валом 1 при помощи общего горизонтального шарнира.

В целях устранения высоконагруженного стыка лопасти 6 с торсионом 2 и, как следствие, снижения веса конструкции лопасть 6 может быть выполнена как единое целое с торсионом 2. На фиг.13...18 показан вариант конструкции такого винта. В этом варианте материал лопасти 6 является продолжением материала силовых элементов 11 ее торсиона 2. В этом же варианте конструкции соединение торсионов 2 с валом 1 винта выполнено при помощи горизонтальных шарниров. Такой вариант востребован, когда требуется обеспечить минимальную изгибную жесткость в вертикальной плоскости (плоскости взмаха лопасти) в месте соединения торсионов с валом винта, а также связанные с этим необходимые эффективность управления и уровень вибраций на винте. При этом наличие дополнительных промежуточных деталей, например, в виде болтов 16, проушин 17, пальцев 18, корпуса 19 втулки и гайки 20 вала может быть оправдано для удовлетворения специальным техническим требованиям к параметрам винта.

Также при специальных требованиях к конструкции винта его торсионы 2 могут быть соединены с валом 1 на карданном подвесе или на общем горизонтальном шарнире для двух лопастей. На фиг 19...21 представлен винт, у которого каждая пара из четырех торсионов 2 выполнена как единое целое, а все торсионы соединены с валом 1 через пальцы 21 и 22 кардана, карданное кольцо 23, корпус 24 втулки. На фиг.22...26 показана конструкция двухлопастного винта на общем горизонтальном шарнире, где два торсиона 2, выполненные как единое целое, непосредственно соединены с валом 1 винта через палец 25 шарнира. Типы всех вышеуказанных шарниров могут быть разными (эластомерные, сухого трения, механические или другие) и выбираются под конкретные технические требования.

Необходимость использования тех или иных вышеперечисленных особенностей конструкций винтов с предлагаемыми торсионами определяется при проектировании винта под определенные технические требования в процессе выбора различных параметров его элементов.

В представленных выше конструкциях воздушных винтов для различных вариантов в качестве примеров использованы торсионы с разными геометрическими формами поперечных сечений их рабочих частей из множества возможных вариантов. Выбор варианта геометрии для конструкции торсионов зависит от технических требований к параметрам винта.

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

Так, например, на фиг.1...7 и на фиг.13...18 показаны воздушные винты, у которых управление углами установки каждой лопасти осуществляется при помощи поводка 10, выполненного в виде балки переменного сечения и жестко соединенного с наружным концом торсиона 2. Изгибные жесткости торсионов для этих вариантов конструкции высоки, и поводку 10 не требуется дополнительных опор.

На фиг.8...12 изображен винт с управлением шагом каждой лопасти при помощи кожуха (полой трубы) 26, выполненного как единое целое с лопастью 6 (продолжение лопасти) и соединенного с наружным концом торсиона жестко болтами 15, а с внутренней, преимущественно изгибной, зоной (зона (L-I)) торсиона 2 при помощи подвижной вдоль оси лопасти шаровой опоры 27 и работающих на сдвиг упругих компенсаторов 28 взаимных поперечных (в плоскости вращения) перемещений кожуха 26 и торсиона 2. Такая подвеска кожуха 26 исключает свободные перемещения кожуха вместе с присоединенным к нему поводком лопасти относительно торсиона в вертикальной плоскости (плоскости взмаха) при изгибно-крутильных деформациях торсиона и при воздействиях усилий от системы управления на поводок. Вариант применим для торсионов, имеющих невысокие изгибные жесткости для плоскости взмаха.

На фиг.19...21 показан винт, у которого каждый кожух выполнен в виде отдельной трубы 29, выполняющей одновременно функции трубы управления и переходной детали для стыковки лопасти и торсиона. Труба 29 жестко соединена с наружным концом (заделкой) торсиона 2 болтами 30, и при этом непосредственно к трубе 29 болтами 31 и 32 крепится лопасть 6. При достаточно высоких изгибных жесткостях торсиона 2 и трубы 29 в этом варианте дополнительных опор для внутреннего конца трубы 29 с поводком лопасти не требуется.

Винт, представленный на фиг.22...26, имеет конструкцию с установкой кожуха 26 управления шагом лопасти аналогично конструкции на фиг.8...12, где роль кожуха управления выполняет комлевая часть лопасти 6, жестко соединенная с наружным концом торсиона 2. На фиг.22...26 лопасть 6 также жестко соединена с наружным концом торсиона 2 болтами 33, а внутренняя заделка торсиона 2 соединена с кожухом 26 и поводком лопасти через две эластичные цилиндрические опоры 34, позволяющие за счет сдвиговых деформаций их эластичных слоев изменять шаг лопасти и обеспечивать компенсацию взаимных перемещений торсиона 2 и кожуха 26.

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

Если конструкционное демпфирование торсионов недостаточно, в конструкцию винта могут быть установлены дополнительные демпферы, например, такие как эластомерные демпферы 35, показанные для винта на фиг.13...18. Дополнительное демпфирование можно также получить, например, за счет совмещения функций демпферов для упругих компенсаторов 28 в конструкции на фиг.8...12. Возможны и другие варианты установки дополнительных демпфирующих устройств.

Воздушный винт работает следующим образом.

При полете вертолета с горизонтальной скоростью его несущий винт находится в неравномерном скошенном потоке воздуха, и лопасти 6 винта совершают маховые движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то есть в плоскостях взмаха и вращения. При действии системы управления винтом лопасти 6 винта меняют свои углы установки. Во время работы винта торсионы 2 воспринимают нагрузки от лопастей 6 и передают на лопасти крутящий момент от вала 1 винта.

При маховом движении необходимая подвижность лопастей 6 обеспечивается соответствующим выбором изгибных жесткостей торсионов 2 в плоскостях взмаха и вращения, жесткостей их заделок по концам, а также наличием в некоторых вариантах шарниров для движений в плоскости взмаха.

Возможность изменения углов установки лопастей 6 путем закручивания торсионов 2 через элементы управления достигается тем, что при кручении торсиона 2 силовые элементы 11, соединенные между собой эластичным заполнителем 12, имеют возможность сдвига один относительно другого, так как эластичный заполнитель выполнен из материала с низким сопротивлением сдвигу, например из резины.

Устойчивость силовых элементов 11 при изгибе торсиона в сжатой зоне достигается тем, что эластичный заполнитель 12, соединенный с силовыми элементами, не дает им выпучиваться (терять устойчивость), и торсион 2 при изгибе работает как одно целое.

При изгибах торсиона 2, благодаря сдвигу силовых элементов 11 за счет эластичного заполнителя 12, деформации каждого силового элемента распределяются на всю его длину, что снижает напряжения в этом элементе, повышает усталостную прочность торсиона 2 и ресурс конструкции винта в целом. Сдвиговые деформации в эластичном заполнителе 12 при изгибах и кручении торсионов 2 определяют демпфирующие свойства конструкции торсионов.

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

Изобретение относится к воздушным винтам с изменяемым шагом лопастей. Воздушный винт с изменяемым шагом лопастей включает в себя лопасти (6), соединенные с валом (1) винта при помощи торсионов (2), и элементы управления шагом каждой лопасти. Каждый из торсионов (2) на всем упругом участке между лопастью (6) и валом (1) или в зоне по длине этого участка выполнен в виде балки, состоящей из набора продольно расположенных силовых элементов открытого профиля, соединенных между собой эластичным заполнителем, а в заделках по концам торсиона или участка кручения - в зоне изгиба, в местах соединения торсиона с лопастью, валом, промежуточными деталями, в местах соединения зон кручения и изгиба одного торсиона или торсионов между собой - силовые элементы соединены между собой жестко. Изобретение упрощает конструкцию винта при небольшом количестве деталей, уменьшает вес. 5 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Воздушный винт с изменяемым шагом лопастей, включающий в себя лопасти, соединенные с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, элементы управления шагом каждой лопасти, отличающийся тем, что каждый из торсионов на всем упругом участке между лопастью и валом или в зоне по длине этого участка, испытывающей преимущественно деформации кручения, выполнен в виде балки, состоящей из набора продольно расположенных силовых элементов открытого профиля с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичным заполнителем из материала с низким сопротивлением сдвигу, а в заделках по концам торсиона или участка кручения - в зоне изгиба, в местах соединения торсиона с лопастью, валом, промежуточными деталями, в местах соединения зон кручения и изгиба одного торсиона или торсионов между собой, - силовые элементы соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью.2. Воздушный винт по п.1, отличающийся тем, что силовые элементы и эластичный заполнитель в разных местах торсиона имеют разные механические свойства.3. Воздушный винт по п.1, отличающийся тем, что силовые элементы торсионов выполнены из анизотропного материала.4. Воздушный винт по п.1, отличающийся тем, что группы торсионов или все торсионы одного винта выполнены как одно целое.5. Воздушный винт по п.1, отличающийся тем, что лопасти винта выполнены как единое целое с торсионами, при этом материал лопасти является продолжением материала высокопрочных элементов ее торсиона.6. Воздушный винт по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что торсионы соединены с валом винта через шарниры с расположением осей в плоскости, перпендикулярной оси вала винта.