РОТОРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК F02C7/45 B64C27/82 B64C27/20 

Работа роторных систем вызывает акустические излучения, которые могут восприниматься как мешающие как по громкости, так и по частоте. При применении роторных систем для воздушных судов, эксплуатируемых вблизи жилых районов, соответственно принимаются меры для снижения уровня шума, излучаемого в окружающую среду как такового или, по крайней мере, для определенных частот.

Известно, например, что для уменьшения акустических излучений роторной системы предусмотрен аэроакустический экран, а также аэродинамический экран. Аэроакустический экран уменьшает звук, создаваемый несущим винтом в целом, в то время как аэродинамическое покрытие направлено на уменьшение акустических излучений, вызванных вихрями на кончиках лопастей несущего винта.

Для этой цели в патентном документе ЕР 2 913 269 А1 описано, что в отношении рулевого винта вертолета предлагается разместить аэродинамический экран в виде отдельного канала в области плоскости несущего винта. Аэроакустический экран также расположен на стороне выпуска воздуха винта и образован соединенными друг с другом или ставленными полыми конструктивными элементами. Однако этот известный из уровня техники аналог имеет несколько недостатков. Например, расположение аэроакустического экрана рядом с аэродинамическим экраном требует соответствующего пространства для установки в осевом направлении относительно оси вращения несущего винта. Кроме того, функционирование аэроакустического экрана ограничено областью стороны выпуска воздуха, так что акустические излучения на стороне впуска воздуха винта не уменьшаются или уменьшаются только в ограниченной степени. В частности, аэроакустический экран не может быть выполнен непрерывным, поскольку статоры или опорные стойки винта расположены в области аэроакустического экрана. В конечном счете, однако, вес роторной системы рулевого винта также увеличивается из-за дополнительных конструкций, которыми устройство дополнено для формирования отдельного канала для аэродинамического экрана и для соединенных друг с другом или отдельно вставленных полых конструктивных элементов аэроакустического экрана.

Ввиду недостатков предшествующего уровня техники, задачей настоящего изобретения является создание роторной системы летательного аппарата, которая включает в себя аэродинамический экран, а также аэроакустический экран в компактном конструктивном выполнении для уменьшения звукового излучения.

Задача настоящего изобретения решается с помощью роторной системы для летательного аппарата, согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Дополнительные преимущества изобретения становятся очевидными из зависимых пунктов формулы изобретения.

При этом изобретение в целом применимо к роторным системам для летательных аппаратов. В частности, изобретение может быть применено к хвостовым винтам вертолета.

Согласно изобретению роторная система для летательного аппарата содержит винт, способный приводиться в движение и содержащий множество лопастей, расположенных по существу радиально вокруг оси вращения винта, причем плоскость, перпендикулярная оси вращения и проходящая через лопасти винта в радиальном направлении, образует плоскость винта, и кольцевой канал, который окружает винт по окружности относительно оси вращения и который ограничивает воздушный канал винта, проходящий в осевом направлении оси вращения, при этом кольцевой канал образует полую конструкцию, проходящую по окружности относительно оси вращения, полая конструкция имеет на своей окружной поверхности, обращенной к винту в радиальном направлении, по меньшей мере, на своем участке область, проницаемую для газа, кроме того, плоскость винта пересекает область, проницаемую для газа, а полая конструкция выполнена таким образом, что акустические волны по меньшей мере одной частоты, проникающие через область, проницаемую для газа, в полую конструкцию, по меньшей мере частично поглощаются полой конструкцией.

Словосочетание "по существу радиальный" в отношении расположения лопастей винта относится к основному направлению лопастей винта. Однако не обязательно, чтобы они были выполнены строго радиально. Например, лопасти винта могут иметь угол атаки относительно геометрического радиуса, при этом основное направление по-прежнему является радиальным в соответствии с замыслом радиального расположения лопастей винта вокруг оси вращения. Более того, лопасти винта необязательно должны располагаться на равных расстояниях, но могут иметь взаимно различающиеся расстояния, например, для передачи акустической энергии на несколько частот.

Кольцевой канал образует ареодинамический экран, а также аэроакустический экран посредством полой структуры во взаимодействии с областью, проницаемой для газа, образованной, по меньшей мере, в ее области. Другими словами, аэродинамические и аэроакустические экраны образованы посредством основной конструкции кольцевого канала без необходимости в дополнительных отдельных элементах кольцевого канала.

Термин "основная конструкция" используется здесь для пояснения того, что кольцевой канал винта, используемый для образования полой конструкции, не относится к другим дополнительным конструктивным элементам, не принадлежащим кольцевому каналу винта как таковому, а к элементам внешней оболочки, фактически предназначенным для формирования кольцевого канала. Соответственно, полая конструкция образована внутренними боковыми поверхностями, расположенными напротив соответствующих внешних боковых поверхностей кольцевого канала. Другими словами, полая конструкция образована теми элементами кольцевого канала, которые составляют внешнюю оболочку кольцевого канала винта. Таким образом, акустическая волна, проникающая в область, проницаемую для газа, направляется в пространство, которое простирается радиально относительно оси вращения до противоположной внутренней стороны кольцевого канала винта или основной конструкции, соответственно. Ввиду того, что кольцевой канал винта проходит по окружности относительно оси вращения, также получается, что полая конструкция аналогичным образом проходит по окружности. Это конструктивное исполнение является непрерывным, без добавления дополнительных элементов жесткости и/или элементов с полым пространством, которые будут описаны ниже. Следовательно, полая конструкция, образованная кольцевым каналом винта, самостоятельно обеспечивает в целом конструктивное выполнение с полостью. Другими словами, полое пространство, образованное полой конструкцией, непрерывно распространяется в окружном направлении. Оно может быть реализовано в полой конструкции локального действия, например, со ссылкой на вышеупомянутые и еще подлежащие описанию элементы жесткости и/или элементы полого пространства. Однако это относится к конкретному варианту осуществления изобретения. Даже при рассмотрении других конструктивных элементов, которыми дополнен кольцевой канал винта, характеристики поглощения акустических волн, проникающих через область, проницаемую для газа, определяются самим кольцевым каналом винта.

Предпочтительно, чтобы область, проницаемая для газа, была образована не только в виде участков в направлении по окружности. Точнее она образована по всей окружности таким образом, чтобы функционировать совместно с полой конструкцией по всей окружности в окружном направлении. Это уже является результатом вращения одних только лопастей винта, которые, в соответствии с их движением, изначально не проявляют какого-либо локального звукового излучения и/или максимумов вихрей на кончике лопасти винта. При взаимодействии с другими конструктивными элементами роторной системы, и/или в связи с расположением, и/или углом атаки лопастей винта эти максимумы могут, однако, действительно, возникать локально, так что обеспечение одной или нескольких областей, проницаемых для газа в местах, может быть достаточным.

Что касается способа действия аэродинамического экрана кольцевого канала, вихри на концах лопастей винта ударяются о область, проницаемую для газа, расположенную в плоскости винта на окружной поверхности, обращенной к лопастям винта, когда винт находится в рабочем состоянии. Вихри на кончиках лопастей винта могут проникать через область, проницаемую для газа, и, по меньшей мере, частично поглощаются в ней, в частности, рассеиваются. Те вихри на кончиках лопастей винта, которые не проникают в полую конструкцию, по меньшей мере рассеиваются. Помимо акустических эффектов, по меньшей мере частичное уменьшение углов наклона лопасти винта, вызванное, например, рассеиванием, может также оказывать влияние на аэродинамическое сопротивление и, таким образом, может увеличить суммарную тяги.

Однако акустические волны аналогичным образом также проникают через область, проницаемую для газа, в полую конструкцию, при этом полая конструкция поглощает акустические волны, по меньшей мере, одной частоты, по меньшей мере частично, и, таким образом, действует как акустический экран. В принципе, в этом контексте термины поглощение и затухание акустических волн могут использоваться как синонимы. Таким образом, рассеивание, например, представляет собой конкретную форму поглощения или гашения путем преобразования энергии. Частоты, которые проявляются при определенной угловой скорости вращения винта, являются постоянными. Однако амплитуда соответствующей частоты может изменяться в зависимости от текущих настроек роторной системы, например, в зависимости от угла атаки лопастей винта. Следовательно, полая конструкция может, например, обеспечить возможность, по меньшей мере, частичного поглощения частоты или частот, которые считаются особенно беспокоящими, даже если они не обязательно вызывают высокий уровень шума. Обеспечение по меньшей мере частичного свойства поглощения полой конструкции может быть реализовано геометрически, или комбинировано, или даже дополнительно с помощью подходящего выбора материалов.

Благодаря расположению комбинированных аэродинамического и аэроакустического экранов в плоскости винта становится возможным выполнение по всей окружности кольцевого канала непрерывно.

Таким образом, вышеупомянутая роторная система обеспечивает уменьшение аэродинамических эффектов вихрей на концах лопастей винта в области, проницаемой для газа, по меньшей мере частичного поглощения и, следовательно, гашения проникающих акустических волн за счет сочетания проницаемой для газа области с полой конструкцией, а также положительного влияния на эффективность создания тяги. Поскольку модификация внешнего контура кольцевого канала винта не требуется, сохраняется даже аэродинамический эффект кольцевого канала винта для создания тяги. Однако, в зависимости от частоты, подлежащей гашению, кольцевой канал винта также может корректироваться с учетом аэродинамического эффекта.

Однако могут быть приняты альтернативные или дополнительные меры, которые касаются пространства внутри полой конструкции, как будет описано ниже в отношении дополнительных элементов и/или материалов конструкций.

В одном варианте осуществления изобретения окружная поверхность полой конструкции, которая противоположна области, проницаемой для газа, на стороне, не обращенной к лопастям винта, отстоит таким образом, что область, проницаемая для газа, образует, по меньшей мере, местах четвертьволновой резонатор для, по меньшей мере, одной частоты с противоположной окружной поверхностью.

Окружная поверхность полой конструкции, обращенная к области, проницаемой для газа, на стороне, не обращенной к лопастям винта, также может упоминаться в качестве наружной окружной внутренней поверхности. В отличие от этого, внутренняя сторона окружной поверхности, обращенная к наружной окружной внутренней поверхности и имеющая область, проницаемую для газа, была бы внутренней окружной внутренней поверхностью. За счет разнесения наружной и внутренней окружных внутренних поверхностей в соответствии с четвертьволновым резонатором в полой конструкции может быть сформирована стоячая волна или кратные четверти длины волны (гармоника) соответствующей длины волны, или частоты, или комбинации мод. В сочетании с областью, проницаемой для газа, которая в этом случае представляет собой акустическое сопротивление, акустическая энергия, по меньшей мере, частично преобразуется в тепловую энергию для соответствующих частот, что представляет собой поглощение. Расстояние может быть постоянным в окружном направлении или может также изменяться, по меньшей мере, на участках в окружном направлении, чтобы быть настроенным локально на разные частоты. Такая настройка может быть альтернативно или дополнительно также предусмотрена перпендикулярно направлению вращения, т.е. относительно оси вращения в осевом направлении. Это обеспечивает преимущества, если в осевом направлении могут возникать различные максимумы определенных частот, что может быть результатом различных углов атаки лопастей винта, которые будут описаны ниже. Расстояние между наружной и внутренней окружными поверхностями может быть образовано соответствующим расположением материала кольцевого канала или также соответствующим контуром материала. Контуры материала могут, например, иметь изменения поперечного сечения материала, так что наружная и внутренняя окружные внутренние поверхности могут иметь локально различные расстояния, несмотря на то что материал расположен параллельно друг другу.

Альтернативно или дополнительно, полая конструкция образует, по меньшей мере, в областях, резонатор Гельмгольца, по меньшей мере, на одной частоте.

Резонатор Гельмгольца особенно подходит для поглощения или затухания более низких частот. Поскольку средние и более высокие частоты затухают только в ограниченной степени, полая конструкция может включать в себя компоновку дополнительных концепций резонатора, таких как компоновка, по меньшей мере, в областях четвертьволнового резонатора.

В дополнение к геометрической конструкции в виде четвертьволнового резонатора, резонатора Гельмгольца или их комбинации или других концепций резонаторов, свойства акустического гашения также могут поддерживаться конкретным выбором материалов и/или элементов поверхности. Например, конструктивные особенности резонатора Гельмгольца могут быть использованы для ослабления более низких частот, а конструктивные особенности четвертьволнового резонатора могут быть использованы для ослабления средних и/или более высоких частот.

Согласно варианту осуществления изобретения, кольцевая полая конструкция может быть выполнена так, чтобы быть проницаемой для жидкости в окружном направлении, по меньшей мере, в областях, которые выровнены параллельно силе тяжести в окружном направлении.

Жидкости, такие как атмосферные осадки или очищающая вода, могут проникать в полую конструкцию через область, проницаемую для газа, или также через другие отверстия в кольцевом канале винта. Они также могут снова стекать в зависимости от положения соответствующих отверстий. Например, во время очистки вода может поступать через места полой конструкции, которая имеет область, проницаемую для газа, которая ориентирована в пространстве таким образом, что вода стекает в направлении силы тяжести через область, проницаемую для газа. Однако не все области кольцевой полой конструкции обеспечивают такую возможность дренажа. В этом отношении области, которые ориентированы параллельно силе тяжести в окружном направлении и, таким образом, не имеют никакого дренажа даже через область, проницаемую для газа в этой секции, должны, в частности, быть спроектированы так, чтобы быть проницаемыми для жидкости. Проницаемость для жидкости в этом случае обеспечена не дренажем, имеющим выход наружу, а касается перемещения жидкости в полой конструкции, так что проникающие жидкости могут быть перемещены в полой конструкции, по меньшей мере, до участка, который обеспечивает дренаж. Поскольку роторная система, согласно изобретению, может быть сформирована непосредственно с помощью основной конструкции, таким образом, можно простым образом реализовать внутреннее перемещение жидкости с помощью полой конструкции.

Однако реализация полой конструкции, которая, по меньшей мере, частично проницаема для жидкости, также позволяет расширить пространство резонатора, которое может эффективно использоваться, в окружном направлении. Для этой цели можно предположить, что проницаемость для жидкости в этом случае также вызывает проницаемость для газа. Даже если полость резонатора не образуется в смысле формирования стоячих волн, по меньшей мере отдельные частоты могут быть затухающими, например, за счет рассеивания.

Предпочтительно, чтобы полая конструкция содержала по меньшей мере одно дренажное отверстие.

Жидкость, проникшая в полую конструкцию, может быть выборочно слита или удалена через дренажное отверстие. Таким образом, местоположение дренажа может быть выбрано в подходящем месте и/или время дренажа может быть установлено заранее, если дренажное отверстие может выборочно открываться и закрываться. Дренажное отверстие может быть образовано областью, проницаемой для газа. Однако в некоторых случаях этого может быть недостаточно, поскольку, например, проницаемая для газа область хвостового винта вертолета может не образовывать нижнюю точку полой конструкции, когда она находится в неподвижном состоянии. Соответственно, область, проницаемая для газа, в этом случае может просто действовать как перелив или водосброс, но не может самостоятельно отводить жидкости из полой конструкции, которые расположены ниже области, проницаемой для газа. Соответственно, наличие отдельного дренажного отверстия может быть предпочтительным.

В частности, лопасти винта имеют угол атаки, который может изменяться относительно оси, которая является радиальной относительно оси вращения, и область, проницаемая для газа, распространяется в осевом направлении относительно оси вращения, по меньшей мере, на область, которая охватывает положения лопастей винта, что может быть обеспечено с помощью углов атаки.

В зависимости от выполняемых маневров полета изменяется угол атаки лопастей винта. Это также изменяет положение области, в которой образуются вихри на кончике лопасти винта. Чтобы охватить все положения зон вихрей на концах лопастей винта, связанные с углами атаки, область, проницаемая для газа, распространяется, по меньшей мере, на участки, в частности, в окружном направлении по всей проходящей по окружности поверхности, и в осевом направлении, по меньшей мере, на область, которую все положения лопастей винта могут охватывать в соответствии с углами атаки лопастей винта. В ином случае, т.е. при осевом расширении области, проницаемой для газа, которая не охватывается всеми регулируемыми положениями лопастей винта, аэродинамический эффект области, проницаемой для газа, отсутствует для всех положений лопастей винта или углов атаки лопастей винта, или, по меньшей мере, существенно ограничен.

Поскольку распространение вихрей на концах лопастей винта в радиальном направлении относительно оси вращения винта не ограничено областью, ограниченной концом лопасти винта, т.е. вихри на концах лопастей винта могут распространяться рассеивающим образом не только в радиальном, но и в осевом направлении, вихри на концах лопастей винта могут распространяться в осевом направлении, область, проницаемая для газа в осевом направлении, может, в частности, быть выполнена так, чтобы быть больше, чем площадь перекрытия положений лопасть винта. Предпочтительно, чтобы область, проницаемая для газа, начиная от плоскости винта в осевом направлении наружу, была больше, по меньшей мере, с одной стороны, а более конкретно, с обеих сторон, чем площадь перекрытия положений лопастей винта, которая относится к этому участку, в соответствии с углами атаки лопастей винта.

В одном варианте осуществления изобретения доля пористости области, проницаемой для газа, составляет от 5% до 90%.

Область, проницаемая для газа, в основном определяется как область, которая имеет преобладающую газопроницаемость по сравнению с другими областями кольцевого канала винта. Термин "преимущественно" не обязательно относится к газопроницаемости более 50%, но к свойству материала, который может быть идентифицирован как газопроницаемый. Таким образом, область ограничена самыми внешними газопроницаемыми отверстиями, такими как поры, за которыми кольцевой канал винта переходит в область газонепроницаемого материала.

Таким образом, если область, проницаемая для газа, образована порами, доля объема пустот, т.е. объема всех пор в этой области, к общему объему этой области составляет от 5% до 90%. При меньшей доле объема пустот вихри на кончиках лопастей винта преимущественно отражаются и больше не попадают в полую конструкцию. Таким образом, аэродинамический экран больше не работает эффективно. Аналогичным образом, акустическая ширина полосы четвертьволнового резонатора ухудшается, и в то же время происходит сдвиг волны при действии экрана от четвертьволнового резонатора в направлении резонатора Гельмгольца для очень низких частот, которые не имеют отношения к диапазону звуковых частот.При доле более 90% объема пор поглощающая или глушащая способность может быть значительно снижена, если вихри на кончике лопасти винта и/или акустические волны, проникающие через поры, могут снова выходить без значительного затухания.

Согласно варианту осуществления изобретения, пористость изменяется, начиная от плоскости винта в осевом направлении по отношению к оси вращения. В частности, пористость увеличивается, начиная от плоскости винта по направлению, по меньшей мере, к одной стороне в направлении наружу.

Изменяя пористость в осевом направлении, можно локально регулировать акустический импеданс и, следовательно, акустические характеристики аэродинамического и аэроакустического экранов. Это может быть особенно выгодно для лопастей несущего винта с регулируемыми углами атаки, поскольку амплитуды частоты изменяются при изменении углов атаки. Предпочтительно, большая пористость, т.е. больший объем пустот, должна быть обеспечена во внешних областях проницаемой для газа области, которые имеют отношение к эффекту при больших углах атаки лопастей винта. Изменение пористости может быть выражено как пористость на единицу площади.

В качестве альтернативы или дополнения, пористость изменяется в окружном направлении по круговой траектории области, проницаемой для газа.

Пористость, изменяемая в окружном направлении, позволяет регулировать импеданс и, следовательно, акустическое поведение по окружности. Следовательно, взаимодействие звукового излучения с различными конструктивными элементами по окружности может быть принято во внимание, даже при возможном рассмотрении регулируемых углов атаки лопастей винта.

Благодаря сочетанию пористости, изменяемой как в осевом направлении, так и в окружном направлении, акустические свойства могут быть оптимизированы как конструктивно, так и эксплуатационно.

В одном варианте осуществления изобретения область, проницаемая для газа, образована микроперфорацией, перфорированной металлической пластиной и/или проволочной сеткой.

Микроперфорация профиля кольцевого канала винта или его участка способна придать газопроницаемость области, проницаемой для газа, без необходимости пробивания конструкции. Кроме того, распределение микроперфорации может быть выполнено точно по мере необходимости. Отдельная вставка перфорированной пластины и/или проволочной сетки позволяет свободно регулировать акустические характеристики путем замены соответствующей вставки. Кроме того, в таком случае можно использовать преимущества различных свойств материала независимо от материала фактического кольцевого канала винта.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения полая конструкция имеет элементы жесткости и/или полые конструктивные элементы, которые по своему расположению и/или конструкции обладают звукопоглощающим эффектом или способствуют звукопоглощению.

Элементы жесткости, которые используются специально для стабилизации, или также другие элементы полой конструкции, которые служат, например, в качестве ребра или трубчатой направляющей, могут, таким образом, также использоваться для улучшения звукопоглощающих или/и звукопоглощающих свойств роторной системы. Это также позволяет отказаться от дополнительных компонентов и конструкций, предназначенных исключительно для поглощения звука.

Позиционирование может выполняться в окружном направлении в зависимости от частоты, подлежащей, по меньшей мере, частичному поглощению, например, из-за собственных частот объема газа, заключенного внутри общей конструкции или внутри акустически разделенных подпространств. В качестве альтернативы или дополнения позиционирование в окружном направлении может также выполняться как функция локального взаимодействия акустических излучений с соответствующими конструктивными элементами. Посредством позиционирования, таким образом, можно влиять на глубину и/или объем полой конструкции посредством элементов жесткости и/или полых конструктивных элементов, чтобы конкретно увеличить, по меньшей мере, частичное поглощение, по меньшей мере, одной частоты. Соответственно, это также делает возможным изменения в целом акустически эффективной полой конструкции, такой как та, которая может быть образована конструкцией, которая является непрерывной в окружном направлении без элементов жесткости и/или полых конструктивных элементов, в локально акустически эффективную полую конструкцию.

Напротив, конструкция элементов жесткости и/или полых конструктивных элементов относится к внешнему виду изделий из бетона, такому как контур или толщина материала, используемый материал и/или различные свойства поверхности, например, которые могут быть реализованы с помощью покрытий или текстурирования поверхности.

В частности, полая конструкция может поглощать, по существу, проникающие акустические волны в широкополосном диапазоне частот.

Широкополосное исполнение в значительной степени связана с эффектом конструкции в виде аэроакустического экрана, который дополнительно реализуется с помощью переменной глубины полой конструкции, т.е. расстояниями в радиальном направлении относительно оси вращения. Кроме того, соответствующий выбор перфорации области, проницаемой для газа, может увеличить пропускную способность за счет абсолютного поглощения экрана.

В одном варианте осуществления изобретения полая конструкция, по меньшей мере, частично поглощает, по существу, проникающие акустические волны в диапазоне частот от 30 Гц до 1500 Гц.

В этом диапазоне частот встречаются именно те частоты, которые также воспринимаются как особенно беспокоящие. В частности, однако, этот диапазон частот также включает частоты с максимумами амплитуды, которые обычно хорошо различимы. Соответственно, общий уровень громкости может быть снижен, если будет сделан подходящий выбор.

Согласно варианту осуществления изобретения роторная система содержит, по меньшей мере, одну опорную стойку, расположенную на стороне впуска воздуха роторной системы

Опорные стойки, которые иногда также называют статором, служат для подвешивания втулки винта. Они обычно расположены на стороне выпуска воздуха роторной системы, при этом воздуховод, который шире в осевом направлении относительно оси вращения и образован кольцевым каналом винта, компенсирует шумоизлучение, что обусловлено таким конструктивным выполнением. Однако, если, по меньшей мере, одна опорная стойка для подвешивания втулки винта теперь расположена со стороны воздухозаборника, шумоизлучение в ином случае вызываемое воздействием воздуха, ускоряемого винтом, на опорную стойку, уменьшается. Другими словами, устраняется дополнительный источник звуков на стороне выпуска воздуха, так что осевая ширина воздуховода может быть уменьшена. Сторона забора воздуха понимается как сторона, от которой воздух всасывается при большинстве маневров полета. Аналогичным образом, сторона выпуска воздуха - это сторона, от которой воздух выпускается при большинстве маневров полета.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна опорная стойка расположена эксцентрично или смещена от центра относительно оси вращения.

Эксцентричное расположение обеспечивает пониженное шумоизлучение из-за смещенного во времени взаимодействия между турбулентным следом в профиле скорости набегающего потока, вызванного эффектом экранирования опорной стойки и передней кромки лопастей вращающегося винта при обычной работе, т.е. для компенсации крутящего момента винта. В случае отрицательных углов атаки лопастей винта из-за маневров летательного аппарата одновременное взаимодействие также отсутствует. В этом отношении, однако, подразумевается взаимодействие между вихрями, создаваемыми вращающимися лопастями винта, и опорными стойками, которые отвечают за генерацию звука.

Признаки, полезность и преимущества изобретения также описаны ниже со ссылкой на чертежи, приведенных в качестве вариантов осуществления изобретения. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематическое изображение летательного аппарата, имеющего роторную систему в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 2 - изометрическая проекция роторной системы, изображенной на фиг. 1;

Фиг. 3 - изометрическая проекция роторной системы, изображенной на фиг. 1 и 2, в поперечном сечении, при этом плоскость сечения параллельна оси или вращению;

Фиг. 4 - изображение роторной системы в соответствии с фиг. 3 в поперечном сечении с направлением на плоскость сечения и представлением диапазона положения лопастей винта;

Фиг. 5 - изображение роторной системы, согласно фиг. 1 и 2, в поперечном сечении, при этом плоскость сечения перпендикулярна оси вращения.

На фиг. 1 изображен летательный аппарат 1, в данном случае вертолет, имеющий роторную систему 10, которая в показанном варианте осуществления используется в качестве системы рулевого винта вертолета. Роторная система 10 содержит винт 20, имеющий лопасти 21 винта, расположенные вокруг втулки 23 винта, поддерживаемой предпочтительно множеством опорных стоек 22, и кольцевой канал 30 винта. Опорные стойки 22 расположены на стороне 41 забора воздуха (фиг. 2), чтобы избежать другого источника звука на стороне 42 выпуска воздуха (фиг. 2). Кроме того, предусмотрено эксцентричное расположение опорных стоек 22 относительно оси вращения R, что также оказывает положительный акустический эффект. Сторона 41 забора воздуха и сторона 42 выпуска воздуха являются соответственно сторонами, на которых воздух всасывается и выпускается для преобладающей части маневров полета. Другими словами, воздух может также выпускаться со стороны 41 воздухозаборника, если угол атаки лопастей 21 винта соответственно отрицательный, хотя это следует предполагать только в нескольких случаях во время полета, такие случаи незначительны для определения стороны 41 воздухозаборника. Это в равной степени относится и к стороне выпуска воздуха на другой стороне конструкции.

Согласно фиг. 2, кольцевой канал 30 винта окружает винт 20 в окружном направлении относительно оси вращения R и ограничивает воздушный канал 40 винта 20, проходящий в осевом направлении оси вращения R. В результате вращения лопастей 21 винта вокруг оси вращения R воздух подается со стороны 41 забора воздуха к стороне 42 выпуска воздуха, которую также можно назвать стороной тяги. Направление воздушного потока также показано на фиг. 2 стрелками, хотя это также может быть изменено в зависимости от установки лопастей винта. Как можно далее видеть на фиг. 4, в плоскости RA винта, образованной лопастями 21 винта, перпендикулярными оси вращения R, окружная поверхность 32 кольцевого канала 30 винта, обращенная к винту 20, имеет область 32а, проницаемую для газа, которая пересекается плоскостью RA винта и проходит в осевом направлении к обеим сторонам плоскости RA винта относительно оси вращения R. Область, проницаемая для газа 32а, образована лопастями 21 винта.

На фиг. 3 более подробно изображено поперечное сечение роторной системы 10, изображенной в соответствии с фиг. 1 и 2, плоскость сечения параллельна оси вращения R. В этом примерном варианте осуществления изобретения область, проницаемая для газа 32а, образована перфорированной металлической пластиной с микроперфорациями, которая вставлена и закреплена в кольцевом канале 30 винта. Пористость, создаваемая микроперфорациями, составляет, например, 50% и является непрерывной в окружном направлении, а также в осевом направлении относительно оси вращения R. Однако пористость может также изменяться в окружном направлении, а также в осевом направлении относительно оси вращения R и/или быть меньше или больше 50%. Выбор пористости или ее распределения может быть результатом соответствующей цели оптимизации в отношении аэроакустических или аэродинамических эффектов во взаимодействии с соответствующим конструктивным исполнением.

Область, проницаемая для газа 32а, покрывает радиальный выступ кончика лопасти 21 винта, так что вихри кончика лопасти винта, образующиеся в зазоре между концами лопасти винта и областью, проницаемой для газа 32а, могут вводиться через область, проницаемую для газа 32а, в полую конструкцию 31, образованную кольцевым каналом 30 винта для рассеивания или иным образом гашения, так что достигается аэродинамический эффект. В этом отношении аэродинамический эффект относится, с одной стороны, к акустическому эффекту за счет устранения или перемещения акустических источников, связанных с вихрями на концах лопастей винта, в полую конструкцию 31. С другой стороны, эффективность роторной системы 10 повышается за счет уменьшения лобового сопротивления, вызванного ослаблением и/или смещением вихрей на концах лопастей винта. Кроме того, область, проницаемая для газа 32а, в сочетании с объемом, образованным полой конструкцией 31, реализует аэроакустическую функцию, в которой также достигается чисто акустический эффект для акустических волн, вводимых в полую конструкцию 31 через область, проницаемую для газа 32а, которые также генерируются, например, компонентами кроме кончиков лопастей винта во время работы винта 20, по меньшей мере, частичным поглощением по меньшей мере одной частоты.

Для этой цели в показанном варианте осуществления изобретения внутренняя поверхность обращена к винту 20, окружная поверхность 33 не обращена в сторону винта 20, т.е. наружная окружная внутренняя поверхность 33а, расположена на расстоянии от внутренней поверхности, не обращенной в сторону винта 20, окружная поверхность 32 обращена к винту 20, т.е. к внутренней окружной поверхности 32b, таким образом, что образуется четвертьволновой резонатор, по меньшей мере, для одной частоты.

Соответственно, комбинированный аэродинамический и аэроакустический экран формируется путем позиционирования и определения размеров области, проницаемой для газа 32а, во взаимодействии с объемом полой конструкции 31.

На фиг. 4 изображена роторная система 10, в соответствии с фиг. 3, в поперечном сечении с направлением обзора к плоскости сечения, чтобы проиллюстрировать диапазон регулируемых положений углов атаки лопастей 21 винта и перекрытие концов лопастей винта в этом диапазоне положений угла установки лопасти по площади, проницаемой для газа 32а. Для этой цели на фиг. 4 изображены максимально достижимые угловые положения лопастей 21 винта при вращении вокруг радиальной оси X относительно оси вращения R для угла наклона лопастей винта. Начиная от плоскости RA винта, которая совпадает с радиальной осью X, область, проницаемая для газа 32а, простирается в обе стороны в осевом направлении относительно оси вращения R, область, проницаемая для газа 32а, охватывает положения максимального угла наклона кончиков лопастей винта. В изображенном примерном варианте осуществления изобретения область, проницаемая для газа 32а, также увеличена относительно максимальных положений кончиков лопастей винта, чтобы иметь возможность также вводить рассеянные вихри кончиков лопастей винта в полую конструкцию.

С помощью фиг. 5 охарактеризована роторная система 10, в соответствии с фиг. 1 и 2, в поперечном сечении, в качестве примера изобретения она изображена в плоскости сечения, перпендикулярной оси вращения R. Здесь кольцевой канал 30 винта образует полую конструкцию 31 с различными расстояниями между внешней и внутренней окружными поверхностями в окружном направлении. Соответственно, в пределах определенных участков отличающиеся четвертьволновые резонаторы сформированы так, что локально различные частоты могут быть, по меньшей мере, частично поглощены, что снижает суммарное шумовое воздействие и обеспечивает экрану широкополосный акустический эффект. В частности, различные пространства могут быть предусмотрены таким образом, чтобы предпочтительно ослаблять тональные компоненты, соответствующие частоте вращения винта и/или частотам, которые иначе воспринимаются как особенно раздражающие.

Кроме того, полая конструкция 31 имеет различные элементы 34 жесткости и полые конструктивные элементы 35. Элементы 34 жесткости служат здесь, например, в качестве упоров и, с точки зрения их размеров и расположения, также влияют на гашения акустических волн, поступающих в полую конструкцию и/или распространяющихся в ней, соответственно. Аналогичным образом, дополнительно представленные полые конструктивные элементы 35 могут образовывать камеры в полой конструкции 31, например, для того, чтобы в каждом случае формировать локально различные объемы резонатора и тем самым влиять на затухание частот. Тем не менее, способность гашения колебаний здесь в значительной степени определяется первичной структурой кольцевого канала 30 винта.

Ссылаясь на фиг. 5, кольцевой канал 30 винта дополнительно имеет дренажное отверстие 36, через которое может быть слита жидкость, попавшая в полую конструкцию 31. Дренажное отверстие 36 расположено в нижней области кольцевого канала 30 винта относительно направления силы тяжести, в этой области жидкость собирается под действием силы тяжести. Для этой цели полая конструкция 31 предпочтительно является частично проницаемой для жидкости по окружности, т.е. выполнена в виде непрерывного окружного канала для жидкости. Даже если элементы 34 жесткости и/или полые конструктивные элементы 35 расположены в полой конструкции 31, они должны быть либо по меньшей мере частично проницаемыми для жидкости, либо располагаться в положениях, которые позволяют выпускать или сливать жидкость каким-либо другим способом. Последнее может быть проиллюстрировано полыми конструктивными элементами 35, изображенными на фиг. 5. При условии, что эти полые конструктивные элементы не предназначены для того, чтобы быть проницаемыми для жидкости, они расположены, по меньшей мере, в положениях, в которых жидкость, присутствующая в верхней камере, образованной полыми конструктивными элементами 35, может быть выпущена через область, проницаемую для газа 32а, не показанную на иллюстрации. Таким образом, область, проницаемая для газа 32а, в этом случае также была бы проницаемой для жидкости.

Изобретение не ограничивается описанным вариантом осуществления. В частности, некоторые особенности возможных случаев осуществления изобретения или дополнительных случаев осуществления в принципе также применимы к другим вариантам осуществления изобретения, при условии, что это разумно и допустимо. Например, даже если втулка 23 винта поддерживается двумя опорными стойками 22, может быть предусмотрена только одна опорная стойка. Аналогичным образом, можно использовать более двух опорных стоек. В частности, однако, использование роторной системы 10 также не ограничивается системой рулевого винта вертолета, но может также использоваться для других летательных аппаратов, таких как беспилотные летательные аппараты или воздушные кабины.

Перечень цифровых позиций, обозначающих конструктивные элементы на чертежах

1 летательный аппарат

10 роторная система

20 винт

21 лопасть винта

22 стойка

23 втулка винта

30 кольцевой канал

31 полая конструкция

32 окружная поверхность (обращенная к винту) 32а область, проницаемая для газа

32b внутренняя окружная поверхность

33 окружная поверхность (не обращенная к винту) 33а наружная окружная поверхность

34 элемент жесткости

35 полый конструктивный элемент

36 дренажное отверстие

40 воздуховод

41 сторона забора воздуха

42 сторона выпуска воздуха R ось вращения

RA плоскость винта

X радиальная ось (положение угла наклона лопасти винта)

Изобретение относится к роторной системе (10) для летательного аппарата (1), содержащей винт (20), выполненный с возможностью приведения его в движение и имеющий множество лопастей (21), расположенных вокруг оси вращения (R) винта (20), по существу радиально. Причем плоскость, перпендикулярная оси вращения (R), которая проходит через лопасти (21) винта в радиальном направлении, образует плоскость (RA) винта. Устройство также включает кольцевой канал (30) винта, который окружает винт (20) по окружности относительно оси вращения (R) и который ограничивает воздушный канал (40) винта (20), проходящий в осевом направлении оси вращения (R). При этом кольцевой канал (30) винта образует полую конструкцию (31), проходящий по окружности относительно оси вращения (R), а полая конструкция (31) имеет на своей окружной поверхности (32), обращенной к винту (20) в радиальном направлении, по меньшей мере на своем участке область, проницаемую для газа (32а). Плоскость винта (RA) пересекает область (32а), проницаемую для газа. Полая конструкция (31) выполнена таким образом, что акустические волны по меньшей мере одной частоты, проникающие через область, проницаемую для газа (32а), в полую конструкцию (31), по меньшей мере частично поглощаются полой конструкцией (31). 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Роторная система (10) для летательного аппарата (1), содержащая:

винт (20), выполненный с возможностью приведения его в движение и имеющий множество лопастей (21) винта, расположенных вокруг оси вращения (R) винта (20) по существу в радиальном направлении, причем плоскость, перпендикулярная оси вращения (R), которая проходит через лопасти (21) винта в радиальном направлении, образует плоскость винта (RA), а также

кольцевой канал (30) винта, который окружает винт (20) по окружности относительно оси вращения (R) и который ограничивает воздуховод (40) винта (20), проходящий в осевом направлении оси вращения (R),

отличающаяся тем, что кольцевой канал (30) винта образует полую конструкцию (31), проходящую по окружности относительно оси вращения (R), при этом полая конструкция (31) имеет на своей окружной поверхности (32), обращенной к винту (20) в радиальном направлении, по меньшей мере на своем участке область, проницаемую для газа (32а), на котором плоскость (RA) ротора пересекает область (32а), проницаемую для газа,

при этом полая конструкция (31) выполнена таким образом, что акустические волны по меньшей мере одной частоты, проникающие через область, проницаемую для газа (32а), в полую конструкцию (31), по меньшей мере частично поглощаются полой конструкцией (31), причем кольцевой канал (30) содержит основную конструкцию, образованную полой конструкцией (31) во взаимодействии с областью (32а), проницаемой для газа и образованной по меньшей мере в ее части, при этом основная конструкция образует аэродинамический экран, а также аэроакустический экран.

2. Роторная система (10) по п. 1, отличающаяся тем, что окружная поверхность (33) полой конструкции (31), находящаяся напротив области, проницаемой для газа (32а), на стороне, не обращенной к лопастям (21) винта, размещена на расстоянии таким образом, что область, проницаемая для газа (32а), образует по меньшей мере на участке четвертьволновый резонатор с находящейся напротив окружной поверхностью (33) для по меньшей мере одной частоты.

3. Роторная система (10) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что полая конструкция (31) образует по меньшей мере на участке резонатор Гельмгольца в отношении по меньшей мере одной частоты.

4. Роторная система (10) по одному из пп 1-3, отличающаяся тем, что кольцевая полая конструкция (31) выполнена проницаемой для жидкости в окружном направлении по меньшей мере в местах, которые выровнены параллельно действию силы тяжести в окружном направлении.

5. Роторная система (10) по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что полая конструкция (31) содержит по меньшей мере одно дренажное отверстие (36).

6. Роторная система (10) по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что лопасти (21) винта имеют угол атаки, который может изменяться относительно оси (X), которая является радиальной относительно оси вращения (R), а область, проницаемая для газа (32а), распространяется в осевом направлении относительно оси вращения (R) по меньшей мере на участке, который охватывает положения лопастей винта, что может быть обеспечено с помощью углов атаки.

7. Роторная система (10) по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что доля пористости области, проницаемой для газа (32а), составляет от 5 до 90%.

8. Роторная система (10) по п. 7, отличающаяся тем, что пористость изменяется, начиная от плоскости винта (RA) в осевом направлении относительно оси вращения (R), особенно увеличивается, начиная от плоскости винта (RA) по меньшей мере в одну сторону в направлении наружу.

9. Роторная система (10) по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что пористость изменяется в окружном направлении области, проницаемой для газа (32а).

10. Роторная система (10) по одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что область, проницаемая для газа (32а), образована микроперфорацией, перфорированной металлической пластиной и/или проволочной сеткой.

11. Роторная система (10) по одному из пп. 1-10, отличающаяся тем, что полая конструкция (31) имеет элементы жесткости (34) и/или полые конструктивные элементы (35), которые по своему положению и/или конструкции обладают звукопоглощающим эффектом или способствуют звукопоглощению.

12. Роторная система (10) по одному из пп. 1-11, отличающаяся тем, что полая конструкция (31) поглощает по существу проникающие акустические волны в широкополосном диапазоне частот.

13. Роторная система (10) по одному из пп. 1-12, отличающаяся тем, что полая конструкция (31) по меньшей мере частично поглощает по существу проникающие акустические волны в диапазоне частот от 30 до 1500 Гц.

14. Роторная система (10) по одному из пп. 1-13, отличающаяся тем, что роторная система (10) содержит по меньшей мере одну опорную стойку (22), расположенную на стороне (41) забора воздуха роторной системы (10).

15. Роторная система (10) по п. 14, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна опорная стойка (22) смещена от центра относительно оси вращения (R).