СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОГО МОМЕНТА НЕСУЩЕГО ВИНТА Российский патент 2014 года по МПК B64C27/00 B64C27/04 

Работа вертолета в воздушном пространстве осуществляется опорой на воздушные потоки, созданные несущим винтом и корректирующим его реактивный момент дополнительным винтом с механическим разделением крутящего момента между ними, созданного единой силовой установкой.

Известны три основные схемы вертолетов:

- с соосным реактивным винтом противоположного вращения с упором на опорный поток, созданный несущим винтом с его обратной закруткой;

- с поперечным рычагом с рулевым винтом на конце, создающий поперечный реактивный поток из внешней среды противоположного направления;

- двухвинтовой с разнесенными осями, создающий два и более опорных потоков с взаимным гашением реактивных моментов отклонением их от вертикали.

Общим недостатком является двухвинтовая система образования опорных и реактивных потоков, ухудшающая технические и эксплуатационные характеристики вертолетов.

Основным условием образования кинетических потоков является преобразование тепловой энергии в двигателях внутреннего сгорания в крутящий момент, передаваемый винтам.

Большей частью двигателем силовой установки является турбовальный с аксиальным расположением, преобразующий тепловое давление в кинетический поток газогенератором с последующим преобразованием его тяговой турбиной в крутящий момент и с разделением между винтами.

Если преобразование кинетической энергии газогенератора с высокой плотностью концентрации в разнесенную кинетическую энергию опорного потока несущего винта через крутящий момент продиктовано увеличением тяговой способности вертолета в ущерб скорости, то преобразование кинетической энергии газа газогенератора через крутящий момент опять в кинетический воздушный поток, образующий реактивную тягу для гашения реактивного момента несущего винта, носит затратный характер, связанный с потерей энергии при ее двойной трансформации, снижением мощности заменой источника ее создания с теплового давления на механическое лопастями, неэффективностью использования теплового давления, оставленного по крайней мере для выброса отработанных газов в атмосферу и в связи с увеличивающимся пропуском турбины при увеличении мощности газогенератора, ухудшением эксплуатационных и технических качеств вертолета наличием дополнительной трансмиссии и реактивного (рулевого) винта.

Сущность предложения состоит в использовании реактивной силы тяги из непреобразованной в крутящий момент части кинетической энергии газового потока, вырабатываемой газогенератором, в качестве нейтрализатора реактивного момента несущего винта при поперечно-тангенциальном взаимодействии с его воздушным опорным потоком, образованных из независимых друг от друга источников.

И в том и в другом случае часть кинетической энергии, вырабатываемой газогенератором, идет на нейтрализацию реактивного момента несущего винта, крутящий момент для которого получен с другой части, в виде реактивной силы тяги с отличием, что источником ее создания в одном случае является дополнительный реактивный винт, в другом - сопло выходного сечения двигателя.

В любом случае происходит разделение энергии, вырабатываемой газогенератором на две части, но в отличие от механического раздвоения и регулирования крутящего момента разделение энергии на стадии газового потока легко осуществимо разделением потока на две части с перераспределением газа между ними.

По принципу работы отличием от одновинтового вертолета с рулевым винтом является его разворот в сторону оси несущего винта, где нормаль от оси до вектора тяги будет являться плечом момента, противодействующий реактивному моменту несущего винта, с последующим смещением его к оси и переносом питания реактивной струи из внешней среды через винт в центральную зону его наименьшей активности без влияния на параллельный процесс формирования несущим винтом опорного потока через осевой воздухозаборник с последующим поперечно-тангенциальным объединением с опорным потоком, причем разгон реактивной струи может осуществляться на любом участке нелинейного газопровода с заменой источника давления с механического на тепловое.

Отличие от двухвинтового вертолета соосной схемы состоит в исключении реактивного винта с заменой его влияния на опорный поток влиянием реактивных струй без их противоположного вращения для упрощения конструкции.

Отличием от двухвинтовой схемы с разнесенными осями является перенос горизонтально составляющей тяги, создаваемой перекосом лопастей одного из винтов, в зону действия опорного потока другого винта с заменой ее на реактивные струи, вырабатываемые турбореактивным генератором не из опорного потока.

Известен турбовинтовой двигатель с преобразованием одной части кинетического потока, вырабатываемого газогенератором, в крутящий момент винта и преобразованием другой части в реактивную силу тяги, прирост которой к тяге винта достигает 15% с гашением реактивного момента винта поперечной корректировкой рулями от набегающего потока или при использовании поворотных двигателей в самолетах вертикального взлета и посадки соответствующей корректировкой наклона опорных потоков, что предопределяет их число не менее двух аналогично вертолетам с разнесенными осями, тогда как в предлагаемом одновинтовом варианте реактивный момент нейтрализуется противоположным моментом сил, образованным реактивной тягой с изменением ее направления с осевого на поперечно-тангенциальное.

Однонаправленный реактивный поток, обладающий большей скоростью иссечения из сопла, чем опорный поток винта при линейном смешении вызывает у последнего также процесс ускорения аналогично работе струйного насоса с падением его внутреннего давления, что приводит к снижению сопротивления истечения опорного потока от винта со снижением его несущей способности в отличие от поперечного взаимодействия, препятствующего линейному исходу опорного потока от винта с увеличением несущей силы.

При линейном объединении воздушных потоков турбовинтового самолета, созданных винтом и тепловым давлением, не произойдет увеличение объема общего потока из-за занятия реактивной струи объема, ранее занимаемого двигателем или самолетом, тогда как при поперечном объединении потоков происходит увеличение объема опорного потока силовым внедрением в него реактивных струй с оставлением зоны разрежения за самолетом, отрицательно действующей на силу тяги винта, поэтому преимущественное использование этого способа возможно в вертолетах с небольшой поступательной скоростью поперечно плоскости вращения несущего винта, сила тяги которого направлена на противодействие весу вертолета.

Известны реактивные самолеты вертикального взлета и посадки с поворотными соплами, изменяющие направление кинетического истечения газа с осевого на поперечное, и с раздвоением однонаправленной реактивной силы тяги для устойчивости без необходимости гашения реактивного момента винта его отсутствием.

Применение поворотных сопел в турбовинтовом двигателе с поперечно-противоположным разворотом с направлением реактивной силы тяги для образования момента сил, противодействующего реактивному моменту винта, позволит совершать вертикальные перемещения с изменением высоты без обратного кручения двигателя и летательного аппарата, но для горизонтального полета необходим их разворот с изменением тяги винта с вертикального на горизонтальное направление с переходом несущей силы винта на крылья, что предопределяет небольшую несущую способность винта из-за компромисса со скоростными показателями для создания подъемной силы крыльям, тогда как в вертолетном варианте винт работает только в несущем режиме с максимально возможной тягой, обусловленной нелинейной зависимостью аэродинамического сопротивления от квадрата скорости, мощности двигателя для преодоления аэродинамического сопротивления кубу скорости, тяги несущего винта от его диаметра в четвертой степени, а горизонтальная составляющая полета создается перекосом лопастей или в автожирах дополнительным линейным движителем, одновременно гасящим реактивный момент винта, что не дает возможность получить требуемый результат простым сложением турбовинтового двигателя с поворотными соплами.

В самолетном режиме движения нет необходимости в использовании крутящего момента реактивных сил для гашения реактивного момента винта возможностью поперечной корректировки элеронами крыльев, а при применении винта большого диаметра с созданием им максимальной несущей силы тяги при низких оборотах с переходом на горизонтальную тягу с вращением в вертикальной плоскости большое влияние на меняющийся по кругу вектор скорости лопастей и центробежной силы будет оказывать односторонняя сила тяжести, вызывая дисбаланс дополнительным ускорением и замедлением, тогда как при вращении в горизонтальной плоскости сила тяжести равнозначно взаимодействует с силами вращения винта отсутствием подъема и опускания лопастей.

Разносторонний разворот сопел с образованием ими момента сил в реактивных самолетах вертикального взлета и посадки без поперечного взаимодействия с другим кинетическим газовым потоком лишен смысла.

Аксиальное расположение турбовальных двигателей вертолета в подвинтовом пространстве с нахождением входных и выходных устройств в горизонтальной плоскости в зоне действия опорного потока образует последовательное образование реактивных потоков двигателей из уже созданного несущим винтом опорного потока, что аналогично смещению рулевого винта в опорный поток без учета влияния его на лопасти винта или действию реактивного винта в опорном потоке в вертолетах соосной схемы оказывает менее эффективную роль в повышении подъемной силы винта, чем при их осевом турбовинтовом варианте или радиальном положении с параллельным забором воздуха из центральной надвинтовой области с последующим приданием ему кинетической энергии от теплового повышения давления и поперечно-тангенциальным соединением с независимым опорным потоком.

По существу конструктивным отличием предлагаемой схемы вертолета с уравновешивающим реактивным экраном является перестановка двигателей вертолета с аксиального на осевое или радиальное звездообразное с переносом забора воздуха из зоны действия опорного потока или заменой тягового винта турбовинтового двигателя самолета на несущий винт вертолета с его механизмом перекоса лопастей и разносторонним разворотом сопел с дополнительными устройствами надвинтового забора воздуха для двигателя из-за отсутствия набегающего напора воздуха.

Поперечно-тангенциальное внедрение реактивных струй, созданных газогенератором из воздуха надвинтовой области центральной зоны его наименьшей активности, в опорный поток, созданный перемещением воздуха также из надвинтовой периферийной области его наибольшей активности, образует следующие существенные положительные эффекты:

- увеличение объема опорного потока, сопротивление которому приводит к увеличению подъемной силы винта, тогда как постоянное нахождение реактивного винта соосной схемы в нем не изменяет его объема без соответствующего прироста силы тяги;

- поперечное взаимодействие опорного потока и реактивных струй вызовет торможение обоих с увеличением их сопротивления и давления с результирующей реакцией образования поперечного момента сил и увеличения подъемной силы несущего винта, тогда как взаимодействие опорного потока с вращающимся реактивным винтом вызывает торможение опорного потока с распределением увеличенного давления между двумя замкнутыми плоскостями вращающихся винтов, не вызывая прироста подъемной силы;

- распространяемые от центра к периферии реактивные струи вызывают расширение опорного потока с захватом новых областей воздушного пространства с соответствующим увеличением сопротивления исходу опорного потока с увеличением подъемной силы несущего винта в отличие от сужающего воздушного опорного потока при отсутствии воздействия на него, при этом улучшаются условия работы под винтом;

- реактивная часть кинетической энергии газогенератора расходуется на противоположную закрутку опорного потока, тогда как та же часть кинетической энергии газогенератора, преобразованная в крутящий момент реактивного винта, тратится на обратную закрутку потока и на его лобовое сопротивление, что повышает расход энергии;

- реактивная струя, созданная тепловым давлением камеры сгорания газогенератора, не ограничена предельной окружной скоростью вращения лопастей реактивного, рулевого винта или иного механического источника издания, мощность которой позволяет ей достичь границ опорного потока и зоны наибольшей производительности несущего винта, что увеличивает ее эффективность при создании экранного эффекта, при этом их "перехлест" не приводит к аварийной ситуации, где расстояние между ними определяет не предотвращение этой ситуации, а наиболее выгодное взаимодействие между ними;

- использование реактивной тяги отработанных газов в создании экрана с поперечным объединением с опорным потоком принесет больший прирост мощности, чем при прямом ее использовании, из-за распространения ее на большей площади, сметаемой несущим винтом.

Увеличение плеча реактивного момента вплоть до выхода за пределы сметаемой площади соответственно вызовет уменьшение составляющей момента или силу реактивной тяги и ее влияние на опорный поток, что негативно скажется на подъемной силе несущего винта, тогда как при переносе рулевого винта в одновинтовых вертолетах в зону действия опорного винта эффективность несущего и рулевого винта падает из-за взаимного влияния друг на друга через создаваемые ими воздушные потоки, что более неприемлемо.

Радиальное расположение турбовальных двигателей вокруг общего воздухозаборника и редуктора предопределяет возможность компактного размещения их большего числа, чем при их аксиальном расположении, используемом в действующей технике со сложностью обеспечения предлагаемых параметров, что повышает экономичность и безопасность полетов в случае поломки одного или нескольких двигателей.

Наглядные изображения поясняют суть изобретения, где на фиг.1, 2, 3 прямоугольные проекции двухмоторного одновинтового варианта, на фиг.4 - многомоторный вариант, вид сверху, на фиг.5 - общий вид двухмоторного варианта, фиг.6 - общий вид одномоторного варианта.

Вертолет 1 состоит из функционально соединенных между собой турбовальных двигателей 2 радиального или осевого расположения (фиг.5), центрального редуктора 3, осевого воздухозаборника 4 с переходником 5 несущего винта 6, выходных направляющих устройств (сопел) 7, обходных каналов 8 (фиг.5) и рулевых устройств (лопаток или заслонок) 9.

Турбовальный двигатель 2 состоит из газогенератора 10, образованного турбинами 11, компрессором 12 и камерой сгорания 13 между ними, тяговой турбины 14, соединенной валом 15 с редуктором 3.

Часть раздвоенного воздушного потока из надвинтовой области пониженного давления P- под действием крутящего момента несущего винта 6 переносится в подвинтовую зону повышенного давления с преобразование его в опорный кинетический поток P+, другая паралельная часть раздвоенного потока P- под действием разрежения поступает в осевой воздухозаборник 4 через переходной канал 5 (на фиг.6 отсутствует подведение воздухозаборника 4 под комель винта 6), необходимого из-за отсутствия набегающего потока воздуха при поперечном осевом перемещении вращающегося винта 6 в проточную часть турбовального двигателя 2 под действием компрессора 12 в камеру сгорания 13, откуда после приобретения теплового давления в виде кинетического потока P+ продуктов горения поступает на турбины 11 с преобразованием ими части кинетической энергии в крутящий момент вращения компрессора 12, образуя газогенератор 10 с дальнейшим продвижением через тяговую турбину 14 с преобразованием части оставшейся кинетической энергии потока газогенератора 10 в крутящий момент М, передаваемый через кинематику (валы 15, редуктор 3) несущему винту 6 и пропуском другой части P+ с преобразованием ее соплами 7 в реактивную струю потока F с корректировкой рулевыми устройствами 9 поперечно-тангенциального направления в плоскости, параллельной плоскости вращения винта 6 с результирующим поперечным объединением с опорным потоком P+ при взаимном воздействии друг на друга с образованием общего кинетического потока R измененного направления.

Управление реактивным моментом с изменением положения вертолета 1 осуществляется рулевыми лопатками 9 без полного перекрытия выходных сечений с изменением направления реактивной струи F с радиального на тангенциальное и наоборот, тогда как в механическом устройстве плавное изменение крутящего момента реактивного винта осуществить сложнее и ненадежно, например применением вариатора, поэтому используется прием изменения шага винта, что в одновинтовых вертолетах с рулевым винтом удлиняются механизмы управления, а в вертолетах соосной схемы усложняется управление из-за параллельно расположенного механизма перекоса лопастей, тогда как в предлагаемом варианте механизмы поворота вертолета и управление лопастями несущего винта 6 разнесены в пространстве и принадлежностью к различным функциональным устройствам и осуществляются не связанными между собой органами управления.

Возможен вариант (фиг.5) образования корректирующей реактивной тяги F выпуском газа через обходной канал 8 тяговой турбины 14 с тангенциальными противоположными соплами 7, перекрываемыми заслонками 9 с уменьшением отбираемого турбиной 14 крутящего момента М и создаваемого экрана, но одновременно с большим увеличением экранирования опорного потока P+ из-за большей кинетической энергии непреобразованной части потока газогенератора 10, что аналогично увеличению шага реактивного винта с соответствующим перераспределением мощности двигателя 2, приводящего к снижению подъемной силы несущего винта 6 отсутствием экранного эффекта.

Источники информации

1. Схемы вертолетов. http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница.

2. Д.Силкин. Классификация основных типов авиационных двигателей. attachment:/18/vaslogo2.gif. Из Интернета.

3. Газотурбинные двигатели, http://www.ga-avto.ru/.

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Турбовинтовые_двигатели.

5. Вертолеты опытно-конструкторского бюро М.Л.Миля. http://fly-historv.ru/.

6. НОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТОЛЕТАМИ. http://www.aviajournal.com/arhiv/1999/index.html.

7. Устройство вертолета. http://avia.cybernet.name/.

8. Почему летает самолет, или о потоках массы и импульса. http://ru.wikibooks.org/wiki/Заглавная_страница.

9. АЭРОДИНАМИКА, http://dic.academic.ru/.

10. Европейские самолеты вертикального взлета, http://lib.rus.ec/.

11. ПРИНЦИП ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА И ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОТЛИЧИЯ ЕГО ОТ САМОЛЕТА. Из Интернета.

12. Сопротивление воздуха. Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle), http://icarbio.ru/.

Изобретение относится к области авиации, в частности к способам компенсации крутящего момента несущих винтов вертолетов. Способ компенсации реактивного момента несущего винта состоит в создании противодействующего крутящего момента, который создается реактивными силами тяги выходного газового потока в виде реактивных струй газотурбинного двигателя вертолета под действием разделенной части энергии, вырабатываемой газогенератором двигателя, с последующим поперечно-тангенциальным внедрением их в воздушный опорный поток, образованный несущим винтом. Крутящий момент несущего винта получен турбиной привода винта из другой части кинетической энергии, вырабатываемой газогенератором с забором воздуха из центральной менее активной зоны винта или за пределами его зоны действия. Регулирование компенсирующего крутящего момента производится изменением равнодействующей сил тяг реактивных струй при противодействии друг с другом без изменения повышенной реакции опорного потока на винт, его создающий, или степенью перераспределения разделяемого кинетического потока двигателя между собой путем возможности его преобразования в реактивные струи в обход турбины привода несущего винта с сохранением неизменяемой силы тяги несущего винта. Достигается увеличение подъемной силы винта. 6 ил.

Способ компенсации реактивного момента несущего винта, включающий противодействующий крутящий момент, образованный реактивными силами тяги выходного газового потока в виде реактивных струй газотурбинного двигателя вертолета под действием разделенной части энергии, вырабатываемой газогенератором двигателя, с последующим поперечно-тангенциальным внедрением их в воздушный опорный поток, образованный несущим винтом, крутящий момент которого получен турбиной привода винта из другой части кинетической энергии, вырабатываемой газогенератором с забором воздуха из центральной менее активной зоны винта или за пределами его зоны действия, а регулирование компенсирующего крутящего момента производится изменением равнодействующей сил тяг реактивных струй при противодействии друг с другом без изменения повышенной реакции опорного потока на винт, его создающий, или степенью перераспределения разделяемого кинетического потока двигателя между собой путем возможности его преобразования в реактивные струи в обход турбины привода несущего винта с сохранением неизменяемой силы тяги несущего винта сохранением баланса между сопротивлением отходящего опорного потока от винта и мощности его создания.