ВТУЛКА НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2009 года по МПК B64C11/02 

Изобретение относится к авиации и может быть использовано для проектирования втулок несущих винтов с шаровыми шарнирами всех типов вновь разрабатываемых вертолетов и автожиров, а также для замены втулок серийных вертолетов и автожиров на предлагаемые.

Известны втулки несущих винтов вертолетов соосной схемы, в частности, упругое устройство крепления каждой из лопастей к втулке многоцелевого российского вертолета Ка-126 выполнено в виде пластинчатого торсиона, который одним концом жестко крепится к втулке, а вторым через переходной элемент соединен с лонжероном лопасти, при этом имеется шаровая опора, которая закреплена к втулке, и жесткое звено, соединенное одной стороной совместно с переходным элементом и пластинчатым торсионом, а другой закреплено на шаровой опоре, центр которой расположен на продольной упругой оси лопасти на участке (0,019…0,020)R от оси ее вращения, где R - радиус несущего винта (Патент RU 41701 U1 на полезную модель, срок действия с 02.07.04 г., опубликован в Официальном бюллетене федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Изобретения, полезные модели, № 31 ч.III, 2004 г., стр.572). Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, дороговизна производства и применение только для легких вертолетов.

В качестве прототипа выбрано устройство втулки российского тяжелого вертолета Ми-26 с горизонтальным, вертикальным и осевым шарнирами крепления лопастей (A.M.Володько, А.Л.Литвинов. «Основы конструкции и технической эксплуатации одновинтовых вертолетов», Москва, Военное издательство, 1986 г.). Недостатком данного прототипа является сложность конструкции, большой вес и габариты, длительный производственный цикл изготовления и дороговизна производства, что обуславливает значительную трудоемкость при техническом обслуживании в эксплуатации (см. фиг.1 и фиг.2).

Изобретение направлено на уменьшение массы втулок несущих винтов вертолетов и автожиров, уменьшение их габаритных размеров, снижение стоимости производства и технического обслуживания за счет простоты конструкции и надежности шаровых шарниров, воспринимаемых все действующие на лопасть аэродинамические, инерционные силы, гасящих колебания лопастей без демпферов и обеспечивающих изменение их угла атаки.

Поставленная задача решается тем, что у втулки несущего винта, содержащей ступицу, центробежный ограничитель свеса, рычаг поворота, наконечник крепления лопасти, в ступице выполнены полусферические полости по количеству лопастей, а на наружных цилиндрических поверхностях, ограничивающих полости, выполнено резьбовое соединение для крепления корпуса шарового шарнира с окном для выхода цилиндрического стержня, внутри которого расположен шар, выполненный заодно со стержнем, стержень снабжен съемным наконечником для крепления лопасти, внизу на наружной поверхности стержня закреплен центробежный ограничитель свеса, который взаимодействует с упором на корпусе шарового шарнира, сбоку на стержне закреплен рычаг поворота лопасти, на наружной цилиндрической поверхности окна корпуса шарового шарнира расположен чехол из эластичного материала, охватывающий стержень, окно для выхода стержня выполнено в виде эллипса, наконечник для крепления лопасти выполнен съемным.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.3 и 4 представлены: ступица втулки - 1, шар - 2, корпус шарового шарнира - 3, резьбовое соединение - 4, стержень цилиндрический с наконечником для крепления лопасти - 5, центробежный ограничитель свеса - 6, эластичный чехол - 7, рычаг поворота лопасти - 8. На фиг.3 представлена втулка несущего винта для четырех лопастей.

Втулка несущего винта представляет собой ступицу 1 с шаровыми шарнирами по количеству лопастей (см. фиг.3, 4). Узел шарового шарнира представляет собой шар 2 и корпус 3 с внутренней сферической поверхностью, который с помощью резьбового соединения 4 крепится к ступице втулки 1. Шар шарнира выполнен как одно целое со стержнем 5, с наконечником к которому при помощи двух болтов крепится лопасть. В корпусе шарового шарнира 3 выполнено эллипсное окно (сеч. А-А, фиг.3) для выхода стержня 5, выполняющее еще и роль упоров для ограничения перемещений стержня с лопастью в горизонтальной и вертикальной плоскости. Для уменьшения угла отклонения лопасти вниз на стоянке в нижней части стрежня имеется центробежный ограничитель свеса 6 (фиг.4). Окно корпуса шарового шарнира снаружи прикрыто эластичным чехлом 7, на наружной цилиндрической поверхности стержня расположен рычаг поворота лопасти 8.

Втулка несущего винта с шаровыми шарнирами работает следующим образом. При раскрутке несущего винта и достижении определенных оборотов центробежный ограничитель свеса 6 высвобождается с упора на корпусе шарового шарнира 3 и лопасть вместе со стержнем 5 занимает положение по направлению вектора результирующей силы, действующей на лопасть. При дальнейшем увеличении оборотов с увеличением шага винта на режиме осевого обтекания увеличивается подъемная сила лопасти, она приподнимается относительно шарового шарнира и образует конус вращения. В этом случае вертикальная и горизонтальная составляющие результирующей силы по азимуту равны, воспринимаются узлом шарового шарнира и передаются через ступицу 1 на вал редуктора.

В горизонтальном полете за счет разности скоростей набегающего потока воздуха на наступающие и отступающие лопасти вертикальные и горизонтальные составляющие результирующей силы по азимуту будут разные, что вынуждает лопасть вместе со стержнем 5 совершать колебательные движения относительно шарового шарнира в вертикальной и горизонтальной плоскости под действием этих аэродинамических сил, а также инерционных сил вследствие этих колебаний.

Таким образом, узел шарового шарнира, имея три степени свободы, обеспечивает колебания лопасти в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также поворот лопасти относительно ее продольной оси при изменении шага винта автоматом перекоса, что исключает применение горизонтального, вертикального и осевого шарниров или пластинчатых торсионов со сферическими эластомерными подшипниками. При этом шаровый шарнир воспринимает все действующие на лопасть аэродинамические и инерционные силы в полете и на земле при вращении несущего винта. Вследствие большой площади контакта шара и корпуса узел шарового шарнира способен воспринимать значительно большие нагрузки по сравнению с опорно-упорными подшипниками трехшарнирной втулки, что уменьшает его габариты.

Кроме того, шаровый шарнир обеспечивает гашение колебаний присоединенной к нему лопасти за счет трения шара о корпус, что исключает применение демпферов и торсионов. При этом динамические характеристики процесса гашения колебаний можно изменять за счет изменения усилия предварительной затяжки корпуса шарового шарнира, что конкретно для данной лопасти и летных характеристик вертолета позволяет устанавливать тарированную затяжку этого корпуса. Для смазки подвижной пары "шар-корпус" предусмотрено твердо-смазочное покрытие поверхностного слоя шара (насыщение ее графитов, по аналогии с изделиями для космоса), что исключает применение жидких смазок. Отвод тепла, выделяющегося при трении, достаточно эффективен за счет набегающего в полете потока воздуха.

Втулка несущего винта с шаровыми шарнирами имеет значительно меньшие геометрические размеры, а именно диаметр (Ф_вт) и высоту (Н_вт):

Ф_шш=Ф_вр+Ф_ш+2δ_ст

Ф_вт=Ф_шш+Ф_ш+2L_ст=Ф_вр+2(Ф_ш+L_ст+δ_ст)

Н_вт=Ф_ш+2δ_щ

где Ф_шш - диаметр расположения центров шаров;

Ф_вр - диаметр вала редуктора;

Ф_вт - диаметр втулки несущего винта;

Ф_ш - диаметр шара;

L_ст - длина стержня;

Н_вт - высота втулки;

δ_ст - толщина стенки втулки;

δ_щ - толщина стенки щеки шарового шарнира.

Примечание: Ф_ш, δ_ст, δ_щ определяются прочностным расчетом узла шарового шарнира и втулки.

Уменьшение геометрических размеров втулки и ее обтекаемые формы наряду с отсутствием демпферов, торсионов, эластомерных подшипников и жидких смазок снижает ее массу в два раза по сравнению с трехшарнирной втулкой, а также аэродинамическое (лобовое) сопротивление в полете.

Применение втулки с шаровыми шарнирами позволяет уменьшить плечо (R_шш=Ф_шш/2) приложения вертикальной составляющей результирующей силы лопасти в полете, что значительно уменьшает тряску вертолета, в том числе и на режиме моторного планирования.

Для исключения попадания посторонних предметов, пыли, влаги окно корпуса шарового шарнира защищено эластичным чехлом 5 (фиг.3, 4), крепящимся двумя хомутами, соответственно на корпусе и стержне.

Втулка с шаровыми шарнирами позволяет применять лопасти и автомат перекоса традиционного исполнения одновинтовых вертолетов, вертолетов продольной, поперечной, соосной схем и автожиров. При этом за счет уменьшения диаметра втулки уменьшается диаметр всего несущего винта, что при сохранении постоянной окружной скорости конца лопасти позволяет увеличить максимальную скорость этих летательных аппаратов.

Если наконечник стержня для крепления лопасти по размерам больше, чем размеры окна в корпусе шарового шарнира, в этом случае наконечник должен быть съемным и крепится к стержню с помощью резьбы или сварки после монтажа шара в корпусе шарового шарнира при сборке.

Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности для проектирования втулок несущих винтов с шаровыми шарнирами всех типов вновь разрабатываемых вертолетов и автожиров, а также для замены втулок серийных вертолетов и автожиров на предлагаемые. Втулка несущего винта вертолета содержит ступицу, центробежный ограничитель свеса, рычаг поворота, наконечник крепления лопасти. Втулка отличается тем, что в ступице выполнены полусферические полости по количеству лопастей, а на наружных цилиндрических поверхностях, ограничивающих полости, выполнено резьбовое соединение для крепления корпуса шарового шарнира с окном для выхода цилиндрического стержня. Внутри корпуса расположен шар, выполненный заодно со стержнем, снабженным съемным наконечником для крепления лопасти. Внизу на наружной поверхности стержня закреплен центробежный ограничитель свеса, который взаимодействует с упором на корпусе шарового шарнира. Сбоку на стержне установлен рычаг поворота лопасти. На наружной цилиндрической поверхности окна корпуса шарового шарнира расположен чехол из эластичного материала, охватывающий стержень. Достигается уменьшение массы втулок несущих винтов вертолетов и автожиров, уменьшение их габаритных размеров и надежность. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Втулка несущего винта вертолета, содержащая ступицу, центробежный ограничитель свеса, рычаг поворота, наконечник крепления лопасти, отличающаяся тем, что в ступице выполнены полусферические полости по количеству лопастей, а на наружных цилиндрических поверхностях, ограничивающих полости, выполнено резьбовое соединение для крепления корпуса шарового шарнира с окном для выхода цилиндрического стержня, внутри которого расположен шар, выполненный заодно со стержнем, снабженным съемным наконечником для крепления лопасти, внизу на наружной поверхности стержня закреплен центробежный ограничитель свеса, который взаимодействует с упором на корпусе шарового шарнира, сбоку на стержне установлен рычаг поворота лопасти, а на наружной цилиндрической поверхности окна корпуса шарового шарнира расположен чехол из эластичного материала, охватывающий стержень.

2. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что окно для выхода стержня выполнено в виде эллипса.

3. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что ее габариты определяют из выражений
Ф_вт=Ф_вр+2(Ф_ш+L_ст+δ_ст);
Н_вт=Ф_ш+2δ_щ,
где Ф_вр - диаметр вала редуктора;
Ф_вт - диаметр втулки несущего винта;
Ф_ш - диаметр шара;
L_ст - длина стержня;
Н_вт - высота втулки;
δ_ст - толщина стенки втулки;
δ_щ - толщина стенки щеки шарового шарнира.

4. Втулка по п.1, отличающаяся тем, что наконечник для крепления лопасти выполнен съемным.