ХВОСТОВОЕ ОПЕРЕНИЕ ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2016 года по МПК B64C27/00 B64C27/82 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкции хвостового оперения/обтекателя вертолета с фенестроном с признаками ограничительной части п. 1 формулы.

Уровень техники

Системы рулевого винта в кольце для вертолетов состоят по существу из конструкции хвостового оперения, содержащей обтекатель с каналом для воздушного потока и узел винта, установленный соосно в канале для воздушного потока. Фактом является то, что все системы рулевого винта на вертолетах создают шум в дополнение к шуму несущего винта. В то время как известные рулевые винты для вертолетов часто являются сложными, непрочными и требуют больших диаметров винта, спрятанные в обтекатель/кольцо рулевые винты имеют меньшие габариты благодаря лучшей аэродинамической эффективности и исключают риск несчастных случаев, так как защищены обтекателем от ударов.

Рулевой винт в кольце содержит конструкцию центральной втулки, множество опорных стоек для установки конструкции втулки в воздушном канале. Опорные стойки обычно имеют эллиптическую форму для улучшения аэродинамических характеристик и могут быть выполнены в виде статоров для выпрямления потока и тем самым для утилизации энергии вращения воздушного потока.

Акустическая энергия, излучаемая такими устройствами, по существу зависит от процессов вытекания, явлений обтекания тел потоками и вращающихся полей давления. В рулевых винтах в кольце могут иметься дополнительные источники шума, создаваемого резонансом фюзеляжа и эффектами полостей. Хотя шум винта экранируется обтекателем вертолета в направлении полета, неоптимизированные рулевые винты в кольце тем не менее издают значительный шум, направленный назад и по бокам вертолета.

Значительным источником акустической энергии, излучаемой рулевым винтом в кольце, может быть турбулентность между концами лопастей и обтекателем. Чем больше расстояние между концами лопастей и обтекателем, тем большая акустическая энергия создается этой турбулентностью. Этот так называемый «шум зазора» обычно известен как умеренное, но широкополосное увеличение уровня шума. Frank Kameier в работе “Experimentelle Untersuchung zur Entstehung und Minderung des Blattspitzen-Wirbellärms axialer Strömungsmaschinen, Diss. TU Berlin, Hermann-Föttinger Institut für Thermo- und Fluiddinamik. Berlin, 1994” показал, что если зазор превышает 0,003 диаметра винта, возникает существенное увеличение шума в определенных узких частотных диапазонах.

Были предложены различные способы уменьшения уровня беспокоящего и утомляющего шума рулевых винтов:

1. Документы US 5588618; EP680873 соответственно описывают аэродинамическую оптимизацию опорных стоек и статоров для уменьшения разделения завихрений;

2. Документы ЕР562527; ЕР680871 соответственно описывают неравномерные угловые интервалы между лопастями винта для распределения акустического шума по большему количеству фундаментальных частот, и

3. Документы US 5634611; US 8061962 соответственно описывают гармонизацию количества и расположения лопастей винта и статоров для снижения интерференции между лопастями и статорами.

Из-за увеличения количества фундаментальных частот и их гармоник шум хвостовой конструкции вертолета имеет характер широкополосного шума, который способен возбудить множество резонансов фюзеляжа и полостей. Фактически хвостовая конструкция вертолета, особенно оперение, превратилась в своего рода «музыкальный инструмент» подобный гитаре, который усиливает широкий спектр остающегося слышимого звука.

Документ WO 2010 118860 описывает композитные компоненты и термореактивные смолы и эластомеры и относится к пластиковому композитному компоненту, который образован тонким твёрдым пластиковым внешним слоем, примыкающим к нему изнутри по меньшей мере одним эластомерным слоем, и по меньшей мере одним металлическим и/или пластиковым слоем-носителем, примыкающим к этому эластомерному слою изнутри и выполненным из пластика, армированного волокном (углеродным волокном или стекловолокном). Этот компонент, помимо прочего, должен работать как деталь, защищающая от ударов, от осколков или как деталь, защищающая от вибраций, повреждений, вызванных вибрациями, от резонанса для демпфирования колебания или для акустического демпфирования, помимо прочего, лопастей винта и деталей летательного аппарата.

В документе ЕР2071561 раскрывается конструкция поглощения шума винта и канала винта. Эта конструкция имеет разделительный узел для размещения пористой стенки на фиксированном расстоянии от жесткого кольца, выполненный из стекловолокна, путем определения полостей на некоторой высоте между пористой стенкой и кольцом, где высота определена для получения максимального поглощения акустических волн, излучаемых на основной частоте. Дополнительная пористая стенка расположена в полостях на промежуточной высоте для максимального поглощения другой основной частоты. Пористые стенки имеют поглощающий слой, выполненный из мелкоячеистой конструкции, и другой поглощающий слой из волокнистого войлока. Применение резонаторов Гельмгольца для поглощения шума и уменьшения уровня звука рулевого винта в кольце позволяет уменьшить амплитуды конкретных частот, т.е. частот, на которые настроены резонаторы, а также их гармоник. Однако очень трудно - если вообще возможно - полностью снизить широкополосный шум стохастическими частотами, когда он возникает в результате работы рулевого винта в кольце.

В документе US 2009014581 A1 описан рулевой винт в кольце для вертолета с поперечным каналом и рулевым винтом, установленным в канале. Рулевой винт содержит винт, установленный с возможностью вращения в канале, и статор, неподвижно установленный в канале далее по ходу по отношению к винту. Винт содержит втулку винта, имеющую ось винта, и лопасти винта, отходящие от втулки. Лопасти винта имеют модулированное угловое распределение вокруг оси винта. Статор содержит втулку статора и множество лопаток статора, распределенных вокруг втулки статора. Лопатки статора имеют модулированное угловое распределение вокруг втулки статора.

В документе US6206136 B1 описан поглощающий акустический экран, в котором перфорированная лицевая панель имеет нанесенное на нее покрытие из стойкого к эрозии материала. Это покрытие можно наносить простым процессом распыления. Акустический экран можно легко настраивать, регулируя толщину покрытия.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в уменьшении общего уровня шума хвостового оперения вертолета.

Эта цель достигается за счет хвостового оперения вертолета, имеющего признаки, перечисленные в п. 1 формулы. Предпочтительные варианты выполнения изобретения определены в зависимых пунктах формулы.

Согласно настоящему изобретению хвостовое оперение вертолета содержит рулевой винт в кольце с многолопастным винтом с лопастями винта и при необходимости вертикальные кили. Винт приводится в действие приводным валом, проходящим вдоль хвостовой балки вертолета. Выпрямляющие поток статоры неподвижных лопаток распределены по существу в звездообразной конфигурации параллельно плоскости винта за винтом. Кольцо с заключенным в канал хвостовым винтом заключено в композитную конструкцию, состоящую из внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя, выполненного из жесткого пластика или пластикового композитного материала, по меньшей мере одного следующего слоя из эластомерного демпфирующего материала и по меньшей мере одного несущего нагрузку структурного слоя, идущего после по меньшей мере одного эластомерного слоя. Хвостовое оперение по настоящему изобретению уменьшает паразитный широкополосный шум рулевого винта в кольце и предотвращает резонанс полости и фюзеляжа в конструкции хвостового оперения и хвостовой балки с минимальным увеличением веса и без влияния на аэродинамическое сопротивление. Хвостовое оперение по настоящему изобретению может применяться без ослабления элементов конструкции хвостового оперения. Настоящее изобретение предпочтительно усиливает эффект глушения, создаваемого кольцом, для уменьшения усиливающего эффекта хвостового оперения и конструкции рулевого винта в кольце в максимально возможной степени с помощью конкретного состава композитных материалов, используемых для конструкции хвостового оперения и, в частности, кольца хвостового оперения. Предлагаемые составы материала эффективно глушат звук и колебания хвостового оперения, глуша звук и колебания кольца, и, тем самым, существенно снижают возбуждение резонансов фюзеляжа и полостей за счет демпфирования элементов, создающих, распространяющих и усиливающих паразитный широкополосный шум на внутренней периферии кольца, на самих лопастях винта и на выпрямляющих поток статорах в канале далее по ходу по отношению к винту. Это решение является модульным, т.е. в зависимости от необходимости можно реализовать различные уровни шумоподавления.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения за слоем эластомерного материала, который расположен после внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя, выполненного из твердого пластика или пластикового композитного материала, следует по меньшей мере еще один слой из пластикового композитного материала или металла с промежуточным слоем эластомерного материала. Этот по меньше мере один дополнительный слой из пластикового композитного материала или металла является несущим нагрузку слоем конструкции, предназначенным для удержания возникающих механических и аэродинамических нагрузок. Композитный материал, предлагаемый для глушения шума заднего винта по настоящему изобретению, состоит по существу из одного или множества слоев эластомерного материала с промежуточным либо металлическим листом, либо с материалом пластиковой матрицы, уменьшая широкополосный шум рулевого винта в кольце.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения эластомерный материал обработан сшивающим агентом, например материалами из группы перекисей, аминов или бифенолов, при этом точный выбор материала зависит от конкретного эластомера, используемого и сшитого термообработкой в материал матрицы с помощью термореактивной смолы, например эпоксидной смолы, фенолформальдегидной смолы, полиэфирной смолы или акрилатной смолы. Эластомерный материал состоит из материала, такого как этилен-пропилен-диен-каучук (EPDM), этилен-акрилат-каучук (EAM), фтор-углеород-каучук (FKM), натуральный каучук (NR) или эластомерный полиуретан (PU).

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения наружный слой кольца, а также поверхности лопастей винта и статоры могут состоять предпочтительно из слоев твердого пластика толщиной от 0,02 до 0,4 мм и с ударной вязкостью образца с надрезом по меньшей мере 40 кДж/м² предпочтительно более 60 40 кДж/м², для защиты композитной конструкции от эрозии. Этот наружный слой может состоять, например, из твердого полиуретана (PU) или предпочтительно из высокомолекулярного (HMW) полиэтилена (HMW-PE) или еще более предпочтительно сверхвысокомолекулярного (UHMW) полиэтилена (UHMW-PE).

Краткое описание чертежей

Ниже следует подробное описание примерных вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 - вид сбоку хвостового оперения вертолета по настоящему изобретению.

Фиг. 2 - вид сбоку альтернативного варианта выполнения хвостового оперения вертолета по настоящему изобретению.

Фиг. 3 - вид в перспективе деталей кольца оперения вертолета по настоящему изобретению.

Фиг. 4а - вид в перспективе лопасти винта хвостового оперения по настоящему изобретению.

Фиг. 4b - поперечное сечение лопасти винта по фиг. 4а.

Фиг. 5а - композитная конструкция, примененная к оперению вертолета по настоящему изобретению

Фиг. 5b - альтернативная композитная конструкция, примененная к оперению вертолета по настоящему изобретению.

Фиг. 5с - сечение элемента статора хвостового оперения вертолета по настоящему изобретению, и

Фиг. 5d - сечение альтернативного элемента статора конструкции хвостового оперения/обтекателя вертолета по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, хвостовая балка 1 вертолета имеет оперение 1.1, состоящее из фенестрона с многолопастным винтом 4 с лопастями 3 внутри кольца 2.1. Оперение 1.1 далее содержит установленные на кольце вертикальные кили 1.2, помогающие управлять рысканием. Винт 4 приводится во вращение приводным валом 6, установленным в хвостовой балке 1. Два горизонтальных стабилизатора 1.3 расположены слева и справа от хвостовой балки 1 для управления тангажом. Выпрямляющие поток статоры 5 состоят из стационарных лопаток, расположенных по существу в звездообразной конфигурации параллельно плоскости винта 4.

Кольцо 2.1, в котором установлен винт 4, заключено в композитную конструкцию (см. фиг. 5b) для гашения колебаний и широкополосного шума, создаваемого работающим винтом 4.

На фиг. 2 соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1. В дополнение к композитной конструкции, в которую заключено кольцо 2.1, содержащее винт 4, хвостовое оперение 1.1, хвостовое оперение 1.1 с вертикальными хвостовыми килями 1.2 заключено в композитную конструкцию по фиг. 5а или 5b, являющуюся конструкцией, гасящей колебания и звук и усиливающей эффект глушения колебаний и звука, создаваемых работающим винт 4.

На фиг. 3 соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1 и 2. Хвостовое оперение 1.1 с винтом 4 и имеющими аэродинамическую форму и имеющими обшивку вертикальными хвостовыми килями 1.2 заключено в композитную конструкцию. Внешняя стенка 2.2 хвостового оперения 1.1 имеет внешние слои 7, содержащие внешний защищающий от эрозии поверхностный слой 7.1, выполненный из твердого пластика, один эластомерный слой 7.2 и первый слой 7.3 конструкции. Внутренняя периферия кольца 2.1 имеет конструкцию 8 верхнего слоя, содержащую внешний защищающий от эрозии поверхностный слой 8.1, выполненный из твердого пластика, за которым следуют два эластомерных слоя 8.2 и 8.4, между которыми имеется пластиковая композитная конструкция 8.3, и все эти слои прикреплены к первому слою 8.5 конструкции (см. фиг. 5b).

На фиг. 4а соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1-3. Лопасть 3 винта, имеющая аэродинамический профиль и с сечением, изменяющимся вдоль ее размаха, заключена в эластомерный слой (см. фиг. 4b) между радиальным внешним поперечным сечением а-а и радиальным внутренним поперечным сечением b-b для оптимизации эффекта глушения звука и гашения колебаний.

На фиг. 4b соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1-4а. На сечении а-а показана сердцевина 3.1, выполненная либо из металла, например алюминия, либо из пластикового композита. Сердцевина 3.1 как элемент конструкции, несущий нагрузку, служит для принятия нагрузок на лопасть 3 винта. Эластомерный слой 3.2, используемый для гашения колебаний, вызванных механическими и аэродинамическими нагрузками, адаптирован к аэродинамическому профилю внешнего защищающего от эрозии слоя 3.3, имеющего гладкую поверхность, необходимую для минимального аэродинамического сопротивления лопасти 3 винта.

На фиг. 5а соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1-4b. Композитная конструкция 7, образующая внешнюю стенку 2.2 хвостового оперения 1.1, имеет внешний защищающий от эрозии слой 7.1, выполненный из твердого пластика, например полиуретана, или предпочтительно высокомолекулярного (HMW) полиэтилена, или еще более предпочтительно сверхвысокомолекулярного (UHMW) полиэтилена. В качестве альтернативы это может быть пластиковый композитный материал. Следующий слой 7.2 является эластомерным демпфирующим элементом, выполненным из такого материала, как этилен-пропилен-диен-каучук (EPDM), этилен-акрилат-каучук (EAM), фтор-углеород-каучук (FKM), натуральный каучук (NR) или эластомерный полиуретан (PU). Этот эластомерный материал обработан сшивающим агентом, например материалами из группы перекисей, аминов или бифенолов.

За этим слоем 7.2 следует слой 7.3 конструкции композитной конструкции 7, предназначенный для принятия любых возникающих нагрузок. Со слоями 7.1 и 7.3 термическим процессом с помощью термореактивной смолы, например эпоксидной смолы, фенолформальдегидной смолы, полиэфирной смолы или акрилатной смолы связан эластомерный материал.

На фиг. 5b соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1-5а. Композитная конструкция 8 для внутренней периферии кольца 2.1 содержит внешний защищающий от эрозии поверхностный слой 8.1, выполненный из твердого пластика или пластикового композитного материала, последующий эластомерный слой 8.2, за которым следует пластиковая композитная конструкция 8.3. За этим слоем пластиковой композитной конструкции 8.3 идет другой эластомерный слой 8.4 для усиления эффекта глушения на внутренней периферии кольца 2.1. Последующий слой 8.5 выполнен либо из пластикового композита, либо из металла. Этот последующий слой 8.5 способен выдерживать возникающие механические или аэродинамические нагрузки, действующие на внутреннюю периферию кольца 2.1. Слои 8.1, 8.3 и 8.5 соединены с эластомерными слоями 8.2 и 8.4 термическим процессом с помощью термореактивной смолы, например эпоксидной смолы, фенолформальдегидной смолы, полиэфирной смолы или акрилатной смолы.

Как показано на фиг. 5с, композитная конструкция выпрямляющих поток элементов 5 статора состоит из принимающего нагрузку компонента 5.4 конструкции, обращенного в сторону 5.1, на которую непосредственно воздействует вращающийся вихрь, а сторона 5,2, испытывающая уменьшенную аэродинамическую нагрузку, состоит из слоя 5.3 эластомерного материала для гашения возникающих колебаний и глушения возникающего звука. Компонент 5.4 конструкции элемента 5 статора на стороне 5.1 состоит из металла или пластикового композитного материала.

На фиг. 5d соответствующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1-5с. Композитная конструкция выпрямляющих поток элементов 5 статора содержит дополнительный внешний слой 5.5 из полированного твердого пластика для защиты от эрозии и снижения аэродинамического сопротивления. Дополнительный внешний слой 5.5 окружает компонент 5.4 конструкции, выполненный из металла или пластикового композитного материала, и слой 5.3 из эластомерного материала.

Перечень ссылочных позиций

1 - хвостовая балка

1.1 - оперение

1.2 - кили

1.3 - горизонтальные стабилизаторы

2.1 - кольцо

2.2 - внешняя стенка

3 - лопасть винта

3.1 - сердцевина

3.2 - эластомерный слой

3.3 - слой, защищающий от эрозии с гладкой поверхностью

4 - винт со втулкой

5 - статоры

5.1 - принимающая поток сторона

5.2 - сторона со сниженной аэродинамической нагрузкой

5.3 - слой эластомерного материала

5.4 - компонент конструкции статора, несущий нагрузку

5.5 - внешний слой из полированного твердого пластика для защиты от эрозии

6 - приводной вал

7, 8 - композитная конструкция

7.1, 8.1 - поверхностный слой для защиты от эрозии

7.2, 8.2, 84 - последующий эластомерный слой

7.3, 8.5 - несущий нагрузку слой конструкции

8.3 - пластиковая композитная конструкция (выполненная из одного или более слоя конструкции).

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям вертолетов. Хвостовое оперение вертолета содержит фенестрон с многолопастным винтом (4) с лопастями (3) и при необходимости вертикальные кили (1.2). Выпрямляющие поток статоры (5) неподвижных лопаток расположены в звездообразной конфигурации параллельно плоскости винта далее по ходу по отношению к винту (4). Кольцо (2.1) фенестрона заключено в композитную конструкцию из внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя (7.1, 8.1), выполненного из твердого пластика или пластикового композитного материала, и по меньшей мере одного последующего слоя (7.2, 8.2) из эластомерного демпфирующего материала. Кольцо фенестрона поочередно содержит два слоя твердого пластика и два слоя эластомерного демпфирующего элемента. Достигается снижение уровня шума хвостового оперения. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Хвостовое оперение (1.1) вертолета, содержащее:
- фенестрон с многолопастным винтом (4) с лопастями (3) винта и при необходимости вертикальные кили (1.2), при этом винт приводится во вращение приводным валом (6), установленным вдоль хвостовой балки, и
- выпрямляющие поток статоры (5) неподвижных лопаток расположены по существу в звездообразной конфигурации параллельно плоскости винта далее по ходу относительно винта (4) внутри кольца (2.1) фенестрона, отличающееся тем, что по меньшей мере кольцо (2.1) фенестрона заключено в композитную конструкцию, содержащую внешний защищающий от эрозии поверхностный слой (7.1, 8.1), выполненный из твердого пластика, или пластикового композитного материала, и по меньшей мере один последующий слой (7.2, 8.2), выполненный из эластомерного демпфирующего материала,
причем кольцо (2.1) фенестрона содержит композитную конструкцию внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя (8.1), выполненного из твердого пластика или слоя пластикового композитного материала, за которым следует один слой (8.2) эластомерного демпфирующего элемента, за которым далее следует слой пластикового композитного материала (8.3), за которым следует слой (8.4) эластомерного демпфирующего материала, за которым следует другой слой (8.5), выполненный из пластикового композитного материала или металла.

2. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что после по меньшей мере одного последующего слоя (7.2, 8.2) идет по меньшей мере один несущий нагрузку слой (7.3, 8.5) конструкции.

3. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что внешние стенки (2.2) по меньшей мере частично заключены в композитную конструкцию из:
- по меньшей мере одного внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя (7.1), выполненного из твердого пластика или пластикового композитного материала,
- по меньшей мере одного последующего слоя (7.2) из эластомерного демпфирующего материала, и
- несущих нагрузку слоев (7.3) конструкции, следующих за упомянутым по меньшей мере одним последующим слоем (7.2).

4. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что лопасти (3) винта фенесторона заключены в композитную конструкцию, состоящую из:
- по меньшей мере одного внешнего защищающего от эрозии поверхностного слоя (3.3), выполненного из твердого пластика или пластикового композитного материала, и
- по меньшей мере одного последующего слоя (3.2) из эластомерного демпфирующего материала.

5. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что неподвижные лопатки выпрямляющего поток статора (5) фенестрона заключены в композитную конструкцию, состоящую из:
- по меньшей мере одного защищающего от эрозии поверхностного слоя (5.5), выполненного из твердого пластика или пластикового композитного материала, и
по меньшей мере одного последующего слоя (5.3) из эластомерного демпфирующего материала, прикрепленного к компоненту (5.4) конструкции статора.

6. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что твердый пластик выполнен из полиуретана, или предпочтительно высокомолекулярного (HMW) полиэтилена, и/или более предпочтительно из сверхвысокомолекулярного (UHMW) полиэтилена.

7. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что эластомерный демпфирующий материал выполнен из этилен-пропилен-диен-каучука (EPDM), этилен-акрилат-каучука (ЕАМ), фторуглеродного каучука (FKM), натурального каучука (NR) и/или эластомерного полиуретана (PU).

8. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что композитная конструкция (8) содержит по существу один или несколько слоев эластомерного материала (8.2, 8.4), между которыми расположены либо металлические листы, либо материал (8.3) пластиковой матрицы.

9. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что эластомерный материал обработан сшивающим агентом, например материалами из группы перекисей, аминов или бифенолов.

10. Хвостовое оперение по п. 1, отличающееся тем, что слой эластомерного материала связан с материалом матрицы термическим процессом с помощью термореактивной смолы, например эпоксидной смолы, фенолформальдегидной смолы, полиэфирной смолы или акрилатной смолы.