CN1329555A - 直升机的单桨叶旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直升机的单桨叶旋翼,该旋翼设计成,垂直于旋翼轴的、桨叶升力的分量借助于惯性力来补偿,该惯性力通过自调整旋翼的质量中心相对于它的旋转轴的位置来得到,它提供了借助于桨叶的锥角来决定旋翼的质量中心的位置。

Description

直升机的单桨叶旋翼

本发明涉及单桨叶旋翼，该旋翼设计来用作直升机和其它旋翼飞行器中的主旋翼。该旋翼在悬停和转换飞行期间支撑着直升机，并且借助于它的控制，可以实现这种飞行器的典型机动飞行。

为此，直升机常常配置有垂直轴的旋翼，这些旋翼设置有两个或者更多个相同的桨叶，这些桨叶借助于铰接或者类似装置连接到中央的推进器桨毂中，而桨毂本身固定到垂直主轴的上端上，而该垂直主轴由用来传递旋转运动的、连接到一个或者多个发动机中的系统来驱动。

当以合适速度保持旋转时，桨叶支撑直升机，因为空气相对于空气动力成型的桨叶的相对速度产生了向上的升力。而且，这些桨叶受到了重力作用，并且由于旋转，因此也受到了离心力的作用。所有这些力和相对于把桨叶连接到旋翼桨毂和主轴上(旋翼飞行器的重力施加到该桨毂和主轴上)的力矩的平衡确定了桨叶相对于垂直于旋转轴的平面的几何位置向上有一个在正常情况下非常小的锥角。总体升力借助于飞行员通过收集控制杆来调整，该收集控制杆借助于杆、杠杆和旋转机构作用在桨距上，而桨距用合适的桨距突角补偿来连接，该突角补偿设置在每个桨叶的毂上，该毂以旋转的方式连接到旋翼桨毂上，而旋转轴实际上平行于它自己的纵向轴。

相对于收集器所确定的平均值，控制机构允许飞行员用驾驶杆的控制杆来改变每个桨叶的桨距，从而在直径方向与旋转轴相对的位置处形成对称于这个平均值的桨距差值，从而导致旋翼倾斜，因此使直升机沿着倾斜的相应方向进行运动。

旋翼常常根据多种方案来制造，为了保证能正确操作，所有的解决方案需要桨叶的整体和质量布置相同，并且形状和空气动力作用尽可能相同，同时旋翼头部处的连接和控制它们桨距的运动链对于所有的旋翼桨叶而言一定得具有相同的性能。因此，为了保持合格的性能，这些旋翼需要对桨叶的轴向对准和平衡进行频繁的维护工作，这些工作包括复杂的过程和方法及使用特殊设备。

在这种多桨叶旋翼中，在旋翼的桨叶之间被分隔成升力表面。就同一直径和螺旋桨叶片充填系数而言，在多桨叶旋翼中，每个桨叶具有更短的平均弦长，对于给定的旋翼尖端而言，该弦长导致速度乘以弦长的积与空气动力粘性(雷诺数)之间的比值更小。对于给定的升力而言，由于这个较小值导致了桨叶阻力系数增加，因此容易减少桨叶的数量。

而且，一定得强调的是，每个升高桨叶的旋转产生了尾流，该尾流可以干扰下面的桨叶，尤其在悬停或者低速飞行期间干扰了下面的桨叶，因此对它的性能产生了负作用。在给定的条件下，盘形区域内的一个桨叶的通道和下面的通道之间的时间间隔随着旋翼的数目而增加，因此减少了空气的扰动，而旋翼在该空气中进行工作。

根据上面的观点，一有可能，就采用减少桨叶的数目，与具有较多数目的桨叶的相同旋翼相比，产生了较好的空气动力。而且，桨叶数目的减少可以减少零件和运动零件的数目，从而导致双桨叶旋翼简单，而用垂直于旋转轴的水平铰接把悬挂的桨毂连接到主轴上。

用单桨叶旋翼进行实验，在该实验中，桨叶用平衡块来平衡，但是在各种工作条件下，在作用在这些旋翼上的力和力矩之间很难实现满意的平衡，这使得这些方案不能得到应用和推广。

本发明的主要目的是借助于直升机的主旋翼系统来克服公知的多桨叶直升机和单桨叶直升机中所发现的缺点，该主旋翼系统包括具有中央桨毂的单桨叶、平衡块和平衡装置，该系统具有较高的灵活性和适合性，并且结构简单、使用安全及工作有效。

本发明的第二目的是提供一种具有工作机构的单桨叶旋翼系统，在该系统中，当单桨叶的锥角改变时，作用在它的零件上的力和力矩的平衡借助于这些零件所处的相互位置来实现。控制旋翼平衡的机构可以是公知的运动系统或者其它的电机械或者液压装置。总之，单桨叶升力的水平分量借助于离心惯性力的、相等的、相反的不平衡来平衡，而该离心惯性力借助于使旋翼的质量中心相对于它的旋转轴进行运动来得到。

本发明的第三目的是提供一种具有控制机构的旋翼系统，该旋翼系统不需要桨叶轴向对准配置来确保正确工作。

最后，本发明的另一目的是提供一种机构，在工作期间，该机构在单桨叶旋翼的元件之间可以产生和保持稳定平衡，但不局限于这些。

这些目的和其它目的在下面的描述中可以看出是显而易见的，并且借助于本发明可以全部实现，直升机的单桨叶旋翼系统和其它类型的使用升高旋翼的飞行器包括：

一直升机桨叶，它的桨毂具有一偏心铰接、缓冲或等效装置，轴几乎是平行的，但是与旋翼的旋转轴偏心，该桨叶通过间距铰接与中心桨毂连接，因此它被钢性地固定在桨毂上，在其纵轴和旋翼的旋转轴所确定的平面及旋转平面上。

一平衡块，其由各种元件组成并与具有铰接的中心桨毂连接，其适当地与摩擦装置固定在运转轴的平面上，设摩擦装置的轴垂直于平衡块的纵轴。

机械系统，其与桨毂的主轴连接，并允许后者与桨叶一起向上倾斜，假定一适当的锥角，并允许桨叶-桨毂-平衡块装置绕着位于主轴上端的铰接振荡，可使旋翼在桨叶间距的周期控制作用下、在所有方向稳固地倾斜。

操作装置，其由公知的运动机构或电机械或液压制动器组成，其用于按照桨叶的锥角、相对于主轴的旋转轴确定物块的旋翼中心，由于提升，通过相对于平衡块的桨毂的运动，使部件与具有主轴的桨毂连接，因此保持空气动力和惯性力使旋翼处于平衡状态。

参照附图，通过下面描述的三个不同实施例，使本发明的另外特征和优点变得更加显而易见，这些附图用来起图解作用而不是起限制作用的，其中：

图1是根据第一实施例的、垂直于旋翼的旋转轴和桨叶的纵向轴的、单桨叶旋翼和用来保持平衡的装置的示意性侧视图；

图2以三向投影的分解图示出了同一实施例；

图3和4与图1相同，而旋翼桨叶以给定锥角进行倾斜；

图5是根据第二实施例的、垂直于旋翼的旋转轴和桨叶的纵向轴的、单桨叶旋翼和用来保持平衡的装置的示意性侧视图；

图6是根据第三实施例的、垂直于旋翼的旋转轴和桨叶的纵向轴的、单桨叶旋翼和用来保持平衡的装置的示意性侧视图。

上面这些图示出了：旋翼的桨毂1连接到桨叶8的支承14上，并且由一对垂直的板1a和1b组成，而这对板对称于主轴7。桨叶8借助于公知的桨距铰而连接到支承14中，因此桨叶可以绕着它的纵向轴A-A进行旋转，从而通过公知的接头和装置改变它的几何桨距，这些与通常用在直升机旋翼中的非常相似，而这些接头和装置应用到由杆10所控制的、桨叶的桨距突角9补偿中。

桨叶8还安装有实际公知的铰接，这些铰接沿垂直方向也有轴B-B并且相对于主轴的轴Y-Y具有偏心位置，该偏心位置允许它在垂直于旋转轴Y-Y的平面上呈角度位置，所述的铰接配置有减振器或者类似的公知装置。

形成桨毂1的两个板1a和1b在同一轴R-R中具有两个孔1c，圆柱体2以旋转方式结合在这些孔内，所述圆柱体的中心是空的，并且借助于一对相对的铰接7a也以旋转的方式结合到主轴7的顶部上，该铰接合适地设置有摩擦装置，并且具有垂直于上述主轴的轴X-X。

圆柱体2的两个相对侧以旋转方式还安装有两个旋转的、共轴的缸3，这些缸具有与其它轴R-R和X-X偏心的轴T-T。这些缸3安装在一对相对的共轴的偏心孔2b内，而偏心孔设置在上述的中空体2中，该中空体的特征在于，另一对相对的共轴的孔2a安装上述的铰接7a中。

这些缸3本身通过旋转偏心销4连接到平衡块的毂11的两对相同的杆5上，该平衡块包括设置在臂12的端部上的毂11，而臂12在另一端上具有成型块13。

毂11借助于共轴的铰接6以旋转的方式铰接到旋转桨毂1中，而该铰接6具有合适的摩擦装置，该摩擦装置垂直于平衡块的纵向轴；销6的中心与平衡块13的重心的交点决定了方向C-C。

更加具体地说，铰接6安装在两个相对的共轴的孔内，这些孔沿着平行于轴X-X的轴W-W(但该轴低于轴X-X)而设置在桨毂1的板1a和1b上。在没有升力的情况下桨叶旋转时(图1)，它几乎沿着与平衡块相同的水平面进行旋转，而平衡块的轴借助于延伸轴A-A来形成。

当飞行员用收集控制增加旋转桨叶的几何间距时，该升力以锥角β使桨叶向上倾斜，因此，该升力使作用在桨叶上的其它力和力矩得到平衡(图3)。在实现这个运动时，桨叶8拖动它所连接的桨毂1，该桨毂1绕着圆柱体2的轴R-R以相应的角度β进行旋转。

还相对于平衡块产生旋转，这可以保持它的纵向轴垂直于旋翼的旋转轴Y’-Y’。由于这种相对运动，使得借助于旋转偏心销4连接到平衡块的杆5上的缸3和以旋转方式连接到桨毂1上的圆柱体2相互绕着进行旋转，从而沿着方向C-C确定了桨毂1相对于旋转轴Y-Y的新位置，从而通过了X-X，该新位置不同于相对于旋转轴的旋翼的质量中心位置。由于升力垂直于桨叶，因此桨叶的锥角包括升力的水平分量，该水平分量指向旋转中心。该水平力包括作用在桨叶和平衡块上的惯性力。借助于使用公知的计算方法合适地给销4、铰接6和轴R-R、X-X、T-T的相对位置定尺寸及考虑到旋翼的桨叶、平衡块和其它零件及相互接头的质量和相对重心的位置，可以在锥角值的正常范围内建立足够接近的、稳定的平衡，该平衡在锥角变化时保持不变，实际上该平衡与旋翼的旋转速度无关，因为作用在旋翼上的这些力-无论是由于升力或者惯性所引起的-全部与旋转速度的平方成正比。

由飞行员作用在驾驶杆上所引起的桨距变化或者由水平飞行期间包围在桨叶上的空气流的非对称性所确定的桨距引起平衡块的旋转平面倾斜，其结果是，引起整个旋翼绕着轴X-X进行倾斜，如图4所示一样，因此可以使直升机运动并且控制它。

图5示出了本发明的第二个实施例，但不是最后一个，在该实施例中，旋翼的质量中心相对于旋转轴Y’-Y’的、沿着方向C-C方向的、为了平衡升力的水平分量的移动借助于电动机械致动器15作用在销16和17之间来实现，而销16和17分别连接到旋翼的桨毂1和圆柱体2中，而圆柱体2本身以旋转的方式与桨毂进行连接，控制箱18根据位置20和21所假定的相对距离的公知伸缩式探测装置19的电信号所探测、所输送的值来电动控制桨毂，相对于相对距离，探测器19在桨叶8的锥角变化时相应地铰接到平衡块的毂11和旋翼的桨毂1上。

事实上，使用公知的计算方法和结构系统来设计控制箱并给它编程，因此对于借助于探测器装置19所测量的、桨叶的每个锥角值而言，致动器15引起圆柱体2绕着桨毂1进行旋转，因此旋翼的质量中心相对于通过X-X的旋转轴假设为正确位置，从而确保了作用在旋翼上的空气动力和惯性力之间的平衡。

图6示出了本发明的第三实施例，在该实施例中，控制箱1 8所控制的致动器15可以径向移动可动物块22，根据探测器19所测量的锥角，该可动物块在平衡块的杆12上进行滑动，因此改变了旋翼的质量中心相对于该旋翼的旋转轴的位置。

致动器15借助于铰接销16和16a结合到桨毂1的一个板和可动物块22上。

在这种结构形式中，桨毂1的两个板只示出了两个相对的孔23，而这些孔沿着垂直于旋翼的旋转轴Y-Y的相同轴X-X进行设置。这些孔23安装设置在主轴7的顶部上的销7a上。

Claims (7)

1.一种直升机的单桨叶主旋翼，包括：

一个桨叶，按照公知的系统制造，将带摩擦的落后铰链或者靠近桨毂偏心轮的相同功能的设备提供给旋翼的可旋转轴，将垂直轴和桨距铰接或相同功能的设备、同心轴提供给桨叶并连接到桨毂上；

一个平衡块；

一个中心桨毂；

连接桨毂至主轴的机械设备；

调整装置；

其特征是，桨叶升力的组成，标准的旋翼可旋转轴，通过从与旋转轴相关的旋翼重心位置的自身调节产生的惯性力来补偿，并且其重心位置取决于桨叶的锥形夹角。

2.如权利要求1所述的一种直升机的单桨叶旋翼，其特征是，当桨叶的夹角发生变化时，桨叶和平衡块之间的运动关系引起可旋转轴旋翼重心同时移动依靠动力学机械装置或者其他公知的传动装置方式，连接旋翼上的桨毂、平衡块及桨毂连接主轴的部分。

3.如权利要求1所述的一种直升机的单桨叶旋翼，其特征是，当桨叶的夹角发生变化时，桨叶和平衡块之间的运动关系引起可旋转轴旋翼重心同时移动，在考虑到桨翼可旋转轴前提下依靠公知的设备取代平衡块的移动质量。

4.如权利要求1或2所述的一种直升机的单桨叶旋翼，包括：

一个包括垂直方向可旋转轴(Y-Y)的主轴(7)；

一个连接主轴(7)并且对桨叶(8)提供支承(14)的桨毂(1)；

一个通过公知的允许在纵向轴(A-A)上旋转的桨距铰接与支承(14)相连接的单桨叶(8)；

一个由异型钢材(13)制造的平衡块，通过桨毂(11)安装在臂(12)的一端，其另一端经常铰接到旋翼的桨毂(1)上；

其特征是，

桨毂(1)可以顾及到垂直于主轴(7)旋转轴(Y-Y)的轴(R-R)摆动；

平衡块(13)毂(11)铰接在旋翼的桨毂(1)上，在其下方的平行于可旋转轴(W-W)的轴(R-R)可进行摇摆、摩擦；

轴(R-R)上桨毂(1)的摩擦，导致桨叶(8)锥角发生变化，不取决于平衡块(13)的旋转平面相应的倾斜，当旋转平面垂直于主轴(7)旋转轴(Y-Y)时；

桨毂(1)在轴(R-R)的摩擦会导致旋翼重心在轴(Y-Y)的位移，导致形成桨叶(8)的升力最终的平衡，使旋翼的可旋转轴(Y-Y)保持正常。

5.如权利要求4所述的一种直升机的单桨叶旋翼，其特征是，所述旋翼包括：

一对相对的对称板(1a、1b)，其具有一对相对的孔(1c)和第二对相对的孔(1d)；

一圆柱体(2)，其具有一深的空洞，主轴(7)的顶部插入到该空洞中，主轴具有一对相对的共轴销(7a)，它合适地安装有摩擦装置，该摩擦装置安装在圆柱体(2)的两个相应偏心孔(2a)内；圆柱体具有另一对相对的共轴偏心孔(2b)，用于安装旋转缸(3)；杆(5)设置在平衡块(13)的毂(11)上，并借助于偏心销(4)的旋转固定到缸(3)中，通过销(6)，杆与板(1a、1b)连接，并安装有摩擦装置且插入孔(1d)中；

它提供了：

板(1a、1b)绕着通过一对相对的孔(1c)的中心的轴(R-R)在圆柱体(2)内、在与主轴(7)的旋转轴(Y-Y)相垂直的位置自由摆动；

圆柱体(2)绕着垂直于主轴(7)的旋转轴(Y-Y)的轴(X-X)、在一对相对的销(7a)内自由旋转；

旋转缸(3)绕着平行于轴(X-X)的轴(T-T)在偏心孔(2b)内自由旋转；

毂(11)安装有摩擦装置，它可以在支持销(6)内绕着轴(W-W)自由旋转，轴(W-W)垂直于主轴(7)且与主轴(7)的交叉点低于销(7a)。

6.如权利要求4所述的一种直升机的单桨叶旋翼，其特征是，所述旋翼包括：

一对相对的对称板(1a、1b)，其具有一对相对的孔(1c)；

一圆柱体(2)，其具有一空洞口用于插入主轴(7)的顶部，主轴具有一对相对的共轴销(7a)，它合适地安装有摩擦装置，该装置安装在圆柱体(2)的两个相应偏心孔(2a)内；

一电动机械制动器(15)，它的铰接销(16、17)分别连接到桨毂(1)的一个板和圆柱体(2)上；

一线性检测装置(19)，它的两端被分别铰接到平衡块的毂(11)和桨毂(1)的一个板上；

一控制箱(18)，它根据伸缩装置(19)的端部(20、21)之间的距离来控制致动器(15)，该距离由伸缩装置(19)本身来探测和输送；

它提供了：

板(1a、1b)，它们绕着通过一对相对的孔(1c)的中线的轴(R-R)在圆柱体(2)内自由摆动，轴(R-R)与主轴(7)的旋转轴垂直；

圆柱体(2)，绕着垂直于主轴(7)的旋转轴(Y-Y)的轴(X-X)在一对相对的销(7a)内自由旋转；

毂(11)，它绕着垂直于主轴(7)的轴在、可将毂铰接到板(1a、1b)上的销内自由旋转，并与制动器(15)的铰接销(16)相叠合。

7.如权利要求1、3、4中任一项所述的直升机的单桨叶旋翼，其特征是，所述旋翼包括：

桨毂(1)，其由下述元件构成：

一对相对的对称板(1a、1b)，其具有一对相对的孔(1c)，并沿着同一轴(X-X)垂直于主轴(7)的旋转轴；

主轴(7)，具有一对相对的共轴销(7a)，它合适地安装有摩擦装置，该装置安装在圆柱体(2)的偏心孔(2a)内；

电动机械制动器(15)，它的铰接销(16、16a)分别连接到桨毂(1)的一个板和可动物块(22)中，该可动物块在平衡块(13)的臂(12)上滑动；

线性检测装置(19)，它的端部(20、21)被分别铰接到平衡块的毂(11)和桨毂(1)的一个板上；

控制箱(18)，它根据端部(20、21)之间的距离来控制制动器(15)，该距离由装置(19)来探测和输送；

它提供了：

毂(11)，其绕轴(X-X)自由旋转；

可动物块(22)，它的移动使物块的旋翼中心相对于旋转轴(Y-Y)产生移动，由此可以平衡桨叶(8)的升力分量，使旋翼的旋转轴(Y-Y)呈垂直状态。

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