воздушный винт

Классы МПК:B64C27/48 крепление лопастей к втулке несущего винта 
B64C11/04 установка лопастей 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Пивоваров Вячеслав Иванович
Приоритеты:
подача заявки:
2000-01-05
публикация патента:

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к устройству бесшарнирных несущих и рулевых винтов вертолетов. Воздушный винт с изменяемым шагом лопастей содержит лопасти, соединенные с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов. Каждый из торсионов выполнен на участке между лопастью и валом в виде слоистой балки. Торсион состоит из набора по толщине силовых пластин с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичными прослойками из материала с низким сопротивлением сдвигу. При этом в заделке со стороны лопасти силовые пластины соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью, а в заделке со стороны оси вращения винта силовые пластины соединены между собой жестко или жесткая заделка наружных пластин торсионов отсутствует. Такое выполнение воздушного винта обеспечит возможность широкого изменения изгибных и крутильных жесткостей при их оптимальных соотношениях. 6 з.п.ф-лы, 20 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20

Формула изобретения

1. Воздушный винт с изменяемым шагом лопастей, включающий в себя лопасти, соединенные с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, элементы управления шагом каждой лопасти, отличающийся тем, что каждый из торсионов выполнен на участке между лопастью и валом в виде слоистой балки и состоит из набора по толщине силовых пластин с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичными прослойками из материала с низким сопротивлением сдвигу, а по концам торсиона в заделке со стороны лопасти силовые пластины соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью, а в заделке со стороны оси вращения винта силовые пластины соединены между собой жестко или жесткая заделка наружных пластин торсионов отсутствует.

2. Воздушный винт по п. 1, отличающийся тем, что в зонах перехода от средней части торсионов к их концевым заделкам эластичные прослойки имеют переменные размеры по ширине и длине для различных прослоек.

3. Воздушный винт по п. 1 или 2, отличающийся тем, что торсионы на среднем рабочем участке и в зонах перехода от средней части к их концевым заделкам имеют в силовых пластинах продольные прорези.

4. Воздушный винт по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что силовые пластины торсионов выполнены из анизотропного материала.

5. Воздушный винт по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что лопасти винта выполнены как единое целое с торсионами, при этом материал лопасти является продолжением материала высокопрочных пластин ее торсиона.

6. Воздушный винт по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что группы торсионов или все торсионы одного винта выполнены как одно целое.

7. Воздушный винт по любому из пп. 1-4 или 6, отличающийся тем, что рабочая часть всех торсионов является общей.

Описание изобретения к патенту

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

Изобретение также может быть использовано в других воздушных винтах с изменяемым шагом, в конструкции роторов ветродвигателей и винтовентиляторов, а также в других областях техники, где необходима гибкая связь между двумя твердыми телами, например - в виде упругих элементов шасси различных видов транспорта или в виде упругих муфт.

Известен винт, лопасти которого соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов - патент Франции N 2041747, кл. В 64 С 27/00. В этом винте упругая средняя по длине (рабочая) часть торсиона состоит из продольно расположенных отдельных пучков высокопрочных волокон, соединенных между собой эластичным материалом с низким сопротивлением сдвигу. Недостатком этой конструкции является низкая изгибная жесткость торсиона при поперечном изгибе, то есть при действии перерезывающих сил. Это может привести к выбору неоптимальных соотношений размеров торсиона, к завышенному весу конструкции, в частности - для случая свеса лопасти на стоянке, а также к нарушению передаточных соотношений между отклонениями органов управления и изменениями углов установки лопастей при воздействиях на торсионы перерезывающих сил от поводков лопастей и от самих лопастей.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в разработке конструкции торсиона с возможностью широкого изменения изгибных и крутильных жесткостей при их оптимальных соотношениях, в снижении веса конструкции винта, в улучшении управления лопастями винта.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в воздушном винте, содержащем вал, лопасти, втулку с элементами управления шагом лопастей и упругими на изгиб и кручение торсионами, соединяющими лопасти с корпусом втулки (ступицей) или непосредственно с валом, или соединяющие лопасти между собой и с валом, каждый из торсионов выполнен в виде слоистой балки и на участке между лопастью и валом состоит из набора по толщине силовых пластин из высокопрочного материала, соединенных между собой эластичными прослойками из материала с низким сопротивлением сдвигу, а по концам торсиона, в заделках, все силовые пластины или их часть соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью. Кроме того, предусмотрено, что в зонах перехода от рабочей части торсионов к их концевым заделкам эластичные прослойки имеют переменные размеры по ширине и длине для различных прослоек, а также то, что силовые пластины на рабочем участке и в зонах перехода к заделкам имеют продольные прорези. Предусматривается также то, что силовые пластины выполнены из анизотропного материала. К отличительным особенностям изобретения относится также возможность выполнения групп (пары, тройки и т. д. ) торсионов или всех торсионов одного винта как одно целое, а также возможность отсутствия жесткой заделки наружных пластин всех торсионов одного винта со стороны оси вращения винта, то есть объединение рабочих частей всех торсионов в одну общую рабочую часть. Кроме того, предусмотрено выполнение торсиона за одно целое с лопастью.

На фиг.1 показан воздушный винт с жестким креплением торсиона к корпусу втулки и к лопасти, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - 6 - некоторые из возможных сечений А-А на фиг. 1; на фиг.7 - вариант конструкции воздушного винта в четырехлопастной конфигурации, у которого каждая пара (группа) торсионов выполнена как одно целое, но с отдельными рабочими частями, вид сбоку; на фиг.8 - то же, вид сверху; на фиг. 9 - сечение Б-Б на фиг.7; на фиг.10 - воздушный винт, каждый торсион которого выполнен как одно целое с лопастью, вид сбоку; на фиг.11 - то же, вид сверху; на фиг.12, фиг.13, фиг.14 - сечения В-В, Г-Г, Д-Д на фиг. 10 соответственно; на фиг.15 - воздушный винт в двухлопастной конфигурации, у которого отсутствует жесткая заделка наружных пластин торсионов со стороны оси вращения, два торсиона выполнены как одно целое и рабочая часть двух торсионов является общей, вид сбоку; на фиг.16 - то же, вид сверху; на фиг. 17 - сечение Е-Е на фиг.15; на фиг.18 - воздушный винт в трехлопастной конфигурации, у которого отсутствует жесткая заделка наружных пластин торсионов со стороны оси вращения, три торсиона выполнены как одно целое и рабочая часть трех торсионов является общей, вид сбоку; на фиг.19 - то же, вид сверху; на фиг.20 - сечение Ж-Ж на фиг.18.

Воздушный винт, в частности - несущий винт вертолета, состоит из корпуса 1 втулки, торсионов 2, соединенных с корпусом 1 болтами 3, переходников 4, стыкующих между собой лопасти 5 и торсионы 2 болтами 6 и 7, и поводков 8 управления лопастями, соединенных с торсионами 2 и переходниками 4 также болтами 6.

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

Торсион 2 имеет в рабочей части поперечное сечение, состоящее из набора по толщине силовых пластин 9, выполненных из материала с высокой прочностью, соединенных между собой эластичными прослойками 10 из материала с низким сопротивлением сдвигу. Эластичные прослойки 10 расположены по длине торсиона 2 на его среднем (рабочем) участке L, а в местах стыковки торсиона 2 с корпусом 1 втулки и переходником 4 место эластичных прослоек 10 занимает высокопрочный материал, например, такой же, из которого выполнены силовые пластина 9.

Рабочая часть L торсиона 2 может иметь по длине как постоянное, так и переменное сечение. Также для одного торсиона 2 его силовые пластины 9 и эластичные прослойки 10 могут иметь по длине как постоянное, так и переменное сечение. В частности, на концах торсиона 2, в зонах перехода от рабочей части L к заделкам, специально подобранные изменения по длине торсиона 2 размеров силовых пластин 9 и эластичных прослоек 10 сглаживают характерный для этих мест скачок жесткостей и напряжений.

Для снижения крутильной жесткости торсионов 2 их силовые пластины 9 на рабочем участке L и в зонах перехода к заделкам могут иметь продольные прорези Р. Прорези Р могут также иметь по длине торсиона постоянное или переменное сечение и переменную длину для разных пластин 9 одного торсиона 2. Разные пластины 9 одного торсиона 2 могут иметь и разное количество прорезей Р. Прорези Р могут быть заполнены эластичным материалом, аналогичным материалу прослоек 10 или не заполнены ничем вовсе.

В целях обеспечения наилучшего соотношения изгибных и крутильных жесткостей рабочей части L торсиона 2, а также для повышения технологичности конструкции, силовые пластины 9 торсиона 2 могут быть выполнены из анизотропного композиционного материала.

Для устранения высоконагруженного стыка лопасти 5 через переходник 4 с торсионом 2 и, как следствие, снижения веса конструкции лопасть 5 может быть выполнена как единое целое с торсионом 2. На фиг.10, 11, 12, 13, 14 показан вариант конструкции такого винта. В этом варианте материал лопасти 5 является продолжением материала силовых пластин 9 ее торсиона 2, при этом внутренняя часть торсиона 2, показанная в виде вкладыша 12, может изготавливаться как отдельно с последующим неразъемным соединением с лопастью, так и в едином процессе формования лопасти 5.

Для снижения жесткости торсионов на изгиб в плоскости взмаха лопасти винта жесткая заделка наружных силовых пластин торсиона со стороны вала 11 винта может отсутствовать. В этом случае все торсионы одного винта выполняются как одно целое, и деформации всех торсионов происходят совместно, то есть рабочие части всех торсионов объединяются в одну общую рабочую часть. Такие варианты конструкций винта представлены на фиг.15, 16, 17, 18, 19, 20. В показанных вариантах выполненные как одно целое торсионы 2 крепятся непосредственно к валу винта 11.

Необходимость использования тех или иных вышеперечисленных особенностей конструкции торсианов определяется при проектировании винта в процессе выбора различных параметров его элементов.

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

Так, например, на фиг.1 и фиг.2 показан винт, у которого управление шагом каждой лопасти осуществляется при помощи поводка 8, жестко соединенного с наружном концом торсиона 2.

На фиг.7 и фиг.8 изображен винт с управлением шагом каждой лопасти 5 при помощи кожуха (полой трубы) 13, соединенного с внутренним и наружным концами торсиона 2 при помощи трех шаровых шарниров 14, 15, 16, имеющих возможность движения в необходимых пределах вдоль осей своих опорных пальцев 17, 18, 19. Такая подвеска кожуха 13 исключает работу кожуха на изгиб при изгибно-крутильных деформациях торсиона, и кожух работает только на кручение.

На фиг. 10 и фиг.11 показан винт, у которого каждая лопасть 5 выполнена как единое целое с ее торсионом 2, а кожух 13 управления шагом лопасти соединен с наружным концом (заделкой) торсиона 2 жестко, двумя болтами 20, а с внутренним концом торсиона 2 кожух 13 соединен при помощи шаровой опоры 14, имеющей возможность движения вдоль оси своего опорного пальца 17.

На фиг. 15 и фиг.16 представлен винт, у которого роль кожуха управления выполняет комлевая часть лопасти 5, жестко соединенная с наружным концом торсиона 2 при помощи болтов 21.

На фиг. 18 и фиг.19 показана конструкция винта с установкой кожуха 13 управления шагом лопасти аналогично конструкции на фиг.10 и фиг.11, при этом кожух 13 выполняет еще и роль переходника лопасти, то есть лопасть 5 крепится непосредственно к кожуху 13 болтами 22.

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

Воздушный винт работает следующим образом.

При полете вертолета его несущий винт находится в неравномерном скошенном потоке воздуха, и лопасти 5 винта совершают маховые движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то есть в плоскостях взмаха и вращения. При действии системы управления лопасти 5 винта меняют свои углы установки. Во время работы винта торсионы 2 воспринимают нагрузки от лопастей 5 и передают на лопасти крутящий момент от вала 11 винта.

При маховом движении необходимая подвижность лопастей 5 обеспечивается соответствующим выбором жесткостей торсионов 2 в плоскостях взмаха и вращения.

Возможность изменения углов установки лопастей 5 путем закручивания торсионов 2 через элементы управления достигается тем, что при кручении торсиона 2 силовые пластины 9, соединенные между собой эластичными прослойками 10, имеют возможность сдвига одна относительно другой, так как эластичные прослойки выполнены из материала с низким сопротивлением сдвигу, например - из резины.

Устойчивость силовых пластин 9 при изгибе торсиона в сжатой зоне достигается тем, что эластичные прослойки 10, соединенные с силовыми пластинами по всей поверхности, не дают им выпучиваться (терять устойчивость), и торсион 2 при изгибе работает как одно целое. Потерю устойчивости крайних ветвей торсиона 2 от изгиба при большом количестве продольных прорезей Р в рабочей части предотвращает заполнение прорезей Р эластичным материалом, соединяющим силовые пластины 9 смежных ветвей, или выполнение в разных силовых пластинах 9 одного торсиона 2 разного количества прорезей Р.

При изгибах торсиона 2 благодаря сдвигу силовых пластин 9 за счет эластичных прослоек 10 деформации каждой пластины распределяются на всю ее длину, что снижает напряжения в пластине, повышает усталостную прочность торсиона 2 и ресурс конструкции винта в целом.

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

Класс B64C27/48 крепление лопастей к втулке несущего винта 

вертолетный винт -  патент 2448020 (20.04.2012)
втулка несущего винта вертолета -  патент 2401773 (20.10.2010)
воздушный винт -  патент 2349504 (20.03.2009)
способ реализации режима сверхзвукового обтекания на лопасти воздушного несущего винта и авиационно-космическая система с основанным на этом способе соосным несущим винтом изменяемого диаметра со сверхзвуковым обтеканием лопастей -  патент 2297949 (27.04.2007)
торсион втулки винта вертолета -  патент 2276649 (20.05.2006)
узел крепления лопасти несущего винта вертолета -  патент 2272750 (27.03.2006)
втулка несущего винта -  патент 2235662 (10.09.2004)
втулка винта вертолета (два варианта) -  патент 2233231 (27.07.2004)
лопасть воздушного винта, в частности, лопасть для хвостового винта вертолета -  патент 2190559 (10.10.2002)
воздушный винт -  патент 2122512 (27.11.1998)

Класс B64C11/04 установка лопастей 

Наверх