PL233225B1

PL233225B1 - Construction of a mechanism for prerotation of a helicopter rotor and method for putting the helicopter rotor in the state of initial rotation using the fly-wheel mechanism, preferably for throw-off capsules

Info

Publication number: PL233225B1
Application number: PL420831A
Authority: PL
Inventors: Rami Faraj; Zbigniew Wołejsza
Original assignee: Adaptronica Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Adaptronica Spólka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia; Inst Podstawowych Problemow Techniki Polskiej Akademii Nauk; Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2019-09-30
Also published as: PL420831A1

Abstract

Konstrukcja mechanizmu do pre-rotacji wirnika nośnego charakteryzuje się tym, że na wale (2) wirnika nośnego (1) ułożyskowane jest koło zamachowe (5) przy pomocy łożyska (6), a wał (2) osadzony jest w łożyskach (3 i 4), umieszczonych jednocześnie w elementach konstrukcyjnych obiektu latającego, do wału (2) przymocowana jest na stałe, przy użyciu elementu mocującego (8), sprężyna (7) skrętna, której drugi koniec jest swobodny i przytrzymywany przez dźwignię (9) znajdującą się na kole zamachowym (5).The design of the mechanism for pre-rotation of the main rotor is characterized by the fact that the flywheel (5) is mounted on the shaft (2) of the main rotor (1) with a bearing (6), and the shaft (2) is mounted in bearings (3 and 4). ), placed simultaneously in the structural elements of the flying object, a torsion spring (7) is permanently attached to the shaft (2) using a fastening element (8), the other end of which is free and held by a lever (9) located on the wheel swing (5).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja mechanizmu do pre-rotacji wirnika nośnego oraz sposób wprawiania wirnika nośnego w stan wstępnej rotacji z zastosowaniem mechanizmu z kołem zamachowym, zwłaszcza do kapsuł zrzutowych. Cechą charakterystyczną wynalazku jest jego prostota w stosunku do obecnie stosowanych metod wstępnego rozkręcania wirników nośnych. Proponowane rozwiązanie jest głównie dedykowane napędzeniu wirników nośnych lekkich obiektów opadających swobodnie, takich jak np. kapsuły zrzutowe. Wynalazek ma zapewnić wstępne rozkręcenie wirnika nośnego obiektu opadającego swobodnie w taki sposób, aby kadłub obiektu nie był wprawiany w ruch obrotowy. Po rozkręceniu, wirnik obraca się samodzielnie już bez dodatkowego napędu podczas opadania obiektu, poruszany opływającym go powietrzem. Proponowany sposób wprawiania wirnika nośnego w stan wstępnej rotacji wyróżnia się tym, że wirnik nośny wprawiany jest w ruch obrotowy przy użyciu elementu sprężystego połączonego na stałe z wirnikiem nośnym oraz połączonego rozłączalnie z łożyskowanym na wale wirnika kołem zamachowym. Rozłączenie połączenia pomiędzy elementem sprężystym, a kołem zamachowym powoduje wprawienie w ruch obrotowy wirnika nośnego i jednocześnie koła zamachowego w kierunkach przeciwnych. Koło zamachowe stanowi więc element przenoszący reakcję powstałą po zwolnieniu elementu sprężystego.The subject of the invention is the structure of the main rotor pre-rotation mechanism and a method for putting the main rotor into a pre-rotation state using a flywheel mechanism, especially for drop capsules. A characteristic feature of the invention is its simplicity in relation to the currently used methods of pre-disassembly of the main rotors. The proposed solution is mainly dedicated to driving the load-bearing rotors of light free-falling objects, such as e.g. drop capsules. The aim of the invention is to ensure that the rotor of a free-falling object is initially unscrewed in such a way that the object's frame is not made to rotate. After unscrewing, the rotor rotates on its own, without any additional drive, when the object falls, it is moved by the flowing air. The proposed method of setting the main rotor into a pre-rotation state is distinguished by the fact that the main rotor is set in rotation by means of an elastic element permanently connected to the main rotor and detachably connected to the flywheel bearing on the rotor shaft. Disconnection of the connection between the elastic element and the flywheel causes the rotational movement of the main rotor and the flywheel in opposite directions. The flywheel is thus an element that transmits the reaction resulting from the release of the elastic element.

W ogólnie znanych rozwiązaniach konstrukcyjnych napędzanie wirnika nośnego np. w śmigłowcach, związane jest z powstawaniem momentu reakcyjnego, który w powietrzu powoduje obrót kadłuba statku powietrznego w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów wirnika. Pojawia się więc konieczność wytworzenia momentu w kierunku przeciwnym, co w przypadku śmigłowców realizowane jest głównie przy użyciu śmigła ogonowego. Alternatywnie, równoważenie wypadkowego momentu reakcyjnego jest uzyskiwane poprzez użycie współosiowych przeciwbieżnych wirników nośnych (np. śmigłowce Kamov, Raider) lub przeciwbieżnych wirników nośnych w układzie tandem (np. śmigłowiec Boeing CH-47 Chinook, Kaman K-MAX). Problem powstawania momentu reakcyjnego od wirnika nośnego, przenoszonego na strukturę kadłuba obiektu latającego można uniknąć poprzez zastosowanie wirnika swobodnego, tzn. nienapędzanego przez silnik w trakcie jego normalnej pracy. Typowym przykładem statku powietrznego z wirnikiem swobodnie obracającym się jest wiatrakowiec, którego wirnik nie posiada stałego połączenia z napędem, a tym samym pośrednio ze strukturą jego kadłuba. W celu rozkręcenia wirnika nośnego wiatrakowca, z silnika głównego przenoszony jest napęd przy pomocy przekładni ze sprzęgłem i następnie, gdy wirnik uzyska odpowiednią prędkość obrotową sprzęgło jest rozłączane zapewniając dalej swobodną pracę tego wirnika. Wirnik napędzany jest wówczas przez opływające go powietrze w wyniku poruszania się wiatrakowca, w którym siła ciągnąca lub pchająca wiatrakowiec wytwarzana jest oddzielne przez śmigło napędzane silnikiem. Prędkość postępowa wiatrakowca powoduje napędzenie swobodnego wirnika nośnego przez przepływ powietrza i po uzyskaniu przez wiatrakowiec, a tym samym i wirnik odpowiedniej prędkości oraz po zmianie kąta ustawienia wirnika zapewniającej wzrost generowanej przez niego siły nośnej, następuje oderwanie wiatrakowca od pasa startowego. Warto dodać, że w przypadku rozkręcenia wirnika nośnego do bardzo dużej prędkości możliwy jest praktycznie pionowy start wiatrakowca, po zmianie kąta nastawienia łopat bez rozbiegu na pasie startowym. Swobodnie obracający się wirnik generuje siłę nośną, a powstający moment reakcyjny nie jest przenoszony na strukturę wiatrakowca umożliwiając jego lot i sterowanie nim.In generally known design solutions, the driving of the main rotor, e.g. in helicopters, is associated with the formation of a reaction torque, which in the air causes the rotation of the aircraft fuselage in the direction opposite to the direction of rotation of the rotor. Therefore, there is a need to create a torque in the opposite direction, which in the case of helicopters is mainly done with the use of a tail rotor. Alternatively, the balancing of the resultant reaction torque is achieved by using coaxial counter-rotating helicopters (e.g. Kamov, Raider helicopters) or tandem counter-rotating main rotors (e.g. Boeing CH-47 Chinook, Kaman K-MAX helicopters). The problem of the development of the reaction torque from the rotor, transferred to the hull structure of the flying object, can be avoided by using a free rotor, i.e. not driven by the engine during its normal operation. A typical example of an aircraft with a freely rotating rotor is a gyroplane, the rotor of which does not have a permanent connection with the drive, and thus indirectly with its fuselage structure. In order to disassemble the main rotor of the gyroplane, the main engine is driven by a gearbox with a clutch, and then, when the rotor obtains the appropriate rotational speed, the clutch is disengaged, ensuring further free operation of this rotor. The rotor is then driven by the flowing air as a result of the movement of the gyroplane, in which the pulling or pushing force of the gyroplane is generated separately by the propeller driven by the engine. The forward speed of the gyrocopter drives the free main rotor by the air flow and after the gyroplane, and thus the rotor, obtains the appropriate speed and after changing the rotor angle ensuring an increase in the lift generated by it, the gyrocopter tears away from the runway. It is worth noting that in the case of spinning the main rotor to a very high speed, it is possible to practically take off the gyrocopter vertically, after changing the blade setting angle without taking a run down the runway. The freely rotating rotor generates the lift force, and the resulting reaction torque is not transferred to the structure of the gyroplane, enabling its flight and control.

W bazach patentowych znajdują się opisy wynalazków stanowiących alternatywę dla obecnie stosowanych układów i sposobów wprawiania swobodnego wirnika nośnego w stan wstępnej rotacji. Istnieją opisy układów bezpośredniego, odizolowanego od struktury obiektu, napędu wirnika swobodnego np. w zgłoszeniu patentowym EP0321721 A2 zostało opisane rozwiązanie dedykowane wspomaganiu lądowania ciężkich kapsuł, które zostało oparte na rozkładanym wirniku nośnym napędzanym przez silniki znajdujące się na końcach łopat. W patencie US5842665 A łopaty wirnika nośnego pojazdu podobnego do śmigłowca wyposażone są w silniki napędowe, z tą odmianą, że są to silniki rakietowe. Także w opisie CN104960664A silniczki odrzutowe umieszczone są na końcach łopat wirnika nośnego, a dodatkowo układ rozkręcania wirnika nośnego, do pionowego startu ciężkiego wiatrakowca przenosi napęd z silnika głównego poprzez kilka przekładni połączonych sprzęgłami z wirnikiem nośnym oraz kołem zamachowym. Dla wynalazku przedstawionego w zgłoszeniu P409600 pre-rotacja wirnika nośnego lądownika do bezpiecznych zrzutów z powietrza jest realizowana przy użyciu przekładni połączonej z akumulatorem. Patent US3042347 A opisuje katapultowane siedzenie wyposażone w wirnik nośny, którego pre-rotacja jest osiągana przy użyciu turbiny zasilanej z generatora gazu.The patent databases contain descriptions of inventions which are an alternative to the currently used systems and methods for setting the free rotor into a pre-rotation state. There are descriptions of direct, free rotor drive systems isolated from the structure of the object, e.g. patent application EP0321721 A2 describes a solution dedicated to assisting the landing of heavy capsules, which was based on a folding rotor driven by motors located at the tips of the blades. In patent US5842665 A, the blades of a helicopter-like vehicle rotor are provided with propulsion motors, with the variation that they are rocket motors. Also in the description CN104960664A, the jet engines are placed at the ends of the main rotor blades, and in addition, the main rotor disassembly system for vertical take-off of a heavy gyroplane transfers the drive from the main engine through several gears connected with clutches with the main rotor and flywheel. For the invention presented in the application P409600, the pre-rotation of the main rotor of the safe air discharges lander is performed using a gear connected to the battery. Patent US3042347 A describes a catapult seat equipped with a main rotor, the pre-rotation of which is achieved using a turbine powered by a gas generator.

PL 233 225 B1PL 233 225 B1

W patencie US2672306 A przedstawiono wyciągarkę, stanowiącą układ oparty na kole zamachowym, służącą ułatwieniu startu samolotów. Koło zamachowe zostało wykorzystane także przy opracowaniu wyrzutni zdalnie sterowanego samolotu opisanej w patencie US4678143 A, gdzie rozkręcenie koła zamachowego odbywa się przy użyciu silnika elektrycznego. Patent US20110266809 A1 stanowi opis urządzenia wytwarzającego energię elektryczną poprzez mechanizm kołowrotkowy połączony z wirnikiem nośnym wiatrakowca. W powyższym wynalazku koło zamachowe ze sprzęgłem stosowane jest do regulacji obrotów wirnika i przenoszonego momentu. Opis patentowy US6962223 B2 przedstawia pojazd napędzany przez koło zamachowe, którego energia pochodzi z silnika elektrycznego. Opis patentowy US4411171 A przedstawia napęd pojazdu spalinowego, który wyposażony jest w koło zamachowe znajdujące się pomiędzy silnikiem, a wałem napędowym. Napęd wyposażony jest dodatkowo w generator elektryczny, który połączony jest przez przekładnię planetarną z kołem zamachowym. Rozłączalne sprzęgła warunkują źródło dostarczanego napędu kierowanego na wał napędowy.Patent US2672306 A discloses a winch which is a flywheel-based system to facilitate take-off of airplanes. The flywheel was also used in the development of the remote-controlled aircraft launcher described in the patent US4678143 A, where the flywheel is unscrewed using an electric motor. The patent US20110266809 A1 describes a device generating electricity through a reel mechanism connected to the main rotor of the gyroplane. In the above invention, a clutch flywheel is used to control the rotor speed and transmission torque. Patent description US6962223 B2 describes a flywheel powered vehicle whose energy comes from an electric motor. Patent description US4411171 A shows a drive for an internal combustion vehicle, which is equipped with a flywheel between the engine and the drive shaft. The drive is additionally equipped with an electric generator, which is connected via a planetary gear to the flywheel. Detachable couplings condition the source of the supplied drive to the propeller shaft.

Konstrukcja oraz sposób działania opisanych wyżej rozwiązań jest odmienny od przedstawionego w niniejszym opisie patentowym ze względu na nietypowe zastosowanie w kapsułach zrzutowych, któremu dedykowany jest proponowany wynalazek.The design and operation of the solutions described above are different from those presented in this patent specification due to the unusual application in drop capsules to which the proposed invention is dedicated.

Istotą wynalazku jest mechanizm rozkręcania wirnika nośnego poprzez sprężynę skrętną wstępnie napiętą (posiadającą energię potencjalną), przy czym sprężyna ta jednym końcem połączona jest z wirnikiem, a drugim końcem połączona jest z kołem zamachowym, zaś wirnik i koło zamachowe mocowane są do tego samego wału. Wirnik nośny mocowany jest do wału na stałe i obraca się wspólnie z wałem, zaś koło zamachowe mocowane jest do wału poprzez łożysko jednokierunkowe. Układ wirnik, wał i koło zamachowe łożyskowane są w kadłubie obiektu latającego w taki sposób, że momenty reakcyjne nie są przenoszone z tego układu na kadłub, dlatego w momencie rozkręcania wirnika oraz podczas jego swobodnej pracy kadłub obiektu latającego nie obraca się. Wprawienie wirnika nośnego w ruch obrotowy realizowane jest poprzez zwolnienie jednego końca sprężyny i w efekcie rozkręcenie w kierunkach przeciwnych wirnika i koła zamachowego, przenoszącego reakcję powstałą podczas uwolnienia energii potencjalnej zakumulowanej w napiętej wstępnie sprężynie.The essence of the invention is the mechanism for unscrewing the main rotor by means of a pre-tensioned torsion spring (having potential energy), whereby the spring is connected to the rotor at one end and the other end is connected to the flywheel, while the rotor and flywheel are attached to the same shaft. The main rotor is permanently attached to the shaft and rotates together with the shaft, and the flywheel is attached to the shaft by a one-way bearing. The rotor, shaft and flywheel system are mounted in the fuselage of the flying object in such a way that the reaction moments are not transferred from this system to the fuselage, therefore when the rotor is unscrewed and during its free operation, the hull of the flying object does not rotate. The main rotor is made to rotate by releasing one end of the spring and, as a result, unscrewing the rotor and the flywheel in opposite directions, transmitting the reaction resulting from the release of potential energy accumulated in the pre-tensioned spring.

Na Fig. 1 przedstawiono konstrukcję mechanizmu do pre-rotacji wirnika nośnego. Sposób wprawiania wirnika nośnego w stan wstępnej rotacji z zastosowaniem mechanizmu z kołem zamachowym, zwłaszcza do kapsuł zrzutowych, został opisany na przykładzie rysunku.Fig. 1 shows the structure of the main rotor pre-rotation mechanism. The method of setting the main rotor into a pre-rotation state using a flywheel mechanism, especially for drop capsules, is described in the example of the drawing.

Zgodnie z wynalazkiem, konstrukcja mechanizmu do pre-rotacji wirnika nośnego oparta jest na wale (2) połączonym na stałe z wirnikiem nośnym (1). Wał (2) wirnika nośnego (1) jest osadzony na łożyskach (3) i (4), umieszczonych jednocześnie w elementach konstrukcyjnych obiektu latającego, przy czym łożysko (4) jest jednokierunkowe. Na wale (2) ułożyskowane jest koło zamachowe (5) przy pomocy łożyska (6) jednokierunkowego, przy czym kierunek przenoszenia momentu przez łożysko (6) jest przeciwny do kierunku przenoszenia momentu przez łożysko (4). Na wale (2) wirnika nośnego (1) jest umieszczona sprężyna skrętna (7) zamocowana z jednego końca na stałe do wału (2) przy użyciu elementu mocującego (8). Drugi koniec sprężyny skrętnej (7) jest swobodny, przy czym dźwignia (9) znajdująca się na kole zamachowym (5) umożliwia zablokowanie końca swobodnego sprężyny skrętnej (7) względem koła zamachowego (5).According to the invention, the structure of the main rotor pre-rotation mechanism is based on a shaft (2) permanently connected to the main rotor (1). The shaft (2) of the main rotor (1) is mounted on bearings (3) and (4), placed simultaneously in the structural elements of the flying object, the bearing (4) being unidirectional. The flywheel (5) is mounted on the shaft (2) by means of a one-way bearing (6), and the direction of torque transmission by the bearing (6) is opposite to the direction of torque transmission by the bearing (4). On the shaft (2) of the rotor (1) there is a torsion spring (7) fixed at one end to the shaft (2) by means of a fastening element (8). The other end of the torsion spring (7) is free, with the lever (9) located on the flywheel (5) allowing the free end of the torsion spring (7) to be locked against the flywheel (5).

Przedmiotem wynalazku jest także sposób wprawiania wirnika nośnego w stan wstępnej rotacji z zastosowaniem mechanizmu z kołem zamachowym, zwłaszcza do kapsuł zrzutowych, który oparty jest na następującym ciągu czynności:The invention also relates to a method for setting the main rotor into a pre-rotation state using a flywheel mechanism, especially for drop capsules, which is based on the following sequence of actions:

• Naciągnięcie sprężyny skrętnej (7) oraz ustawienie względnej pozycji wirnika nośnego (1) i koła zamachowego (5) umożliwiającej zahaczenie swobodnego końca sprężyny skrętnej (7) o dźwignię (9).• Tension the Torsion Spring (7) and set the relative positions of the main rotor (1) and handwheel (5) to engage the free end of the Torsion Spring (7) on the lever (9).

• Zablokowanie ruchu obrotowego wirnika nośnego (1) i koła zamachowego (5).• Blocking the rotation of the rotor (1) and the handwheel (5).

• Połączenie swobodnego końca sprężyny skrętnej (7) z kołem zamachowym (5) przy użyciu dźwigni (9).• Connect the free end of the torsion spring (7) to the flywheel (5) using the lever (9).

• Odblokowanie ruchu obrotowego wirnika nośnego (1) i koła zamachowego (5) oraz uwolnienie końca swobodnego sprężyny skrętnej (7) połączonego z kołem zamachowym (5), poprzez obrót dźwigni (9).• Unblocking the rotation of the helicopter (1) and the flywheel (5) and freeing the free end of the torsion spring (7) connected to the flywheel (5) by turning the lever (9).

Efektem wykonania powyższych czynności jest rozkręcenie wirnika nośnego (1) oraz koła zamachowego (5) w kierunkach przeciwnych. Energia związana z obrotem koła zamachowego (5) pozornie jest energią straconą, jednak realizacja powyższego sposobu zapewnia wprawienie wirnika nośnego w ruch obrotowy przy braku obrotu kadłuba obiektu wyposażonego w rozkręcany wirnik, a rozkręcone, wirujące koło zamachowe stanowi element ustateczniający obiekt.As a result of the above actions, the rotor (1) and the flywheel (5) are unscrewed in opposite directions. The energy related to the rotation of the flywheel (5) is apparently wasted energy, but the implementation of the above method ensures that the rotor is set in rotation without the hull of the object equipped with the rotor unscrewed, and the spinning, rotating flywheel is an element stabilizing the object.

Claims

Patent claims

1. Construction of the rotor pre-rotation mechanism, characterized in that the flywheel (5) is mounted on the shaft (2) of the main rotor (1) with a bearing (6), and the shaft (2) is mounted in bearings (3). ) and (4), placed simultaneously in structural elements of the flying object, a torsion spring (7) is permanently attached to the shaft (2) by means of a fastening element (8), the other end of which is free and held by a lever (9) on the handwheel (5).

2. The design of the main rotor pre-rotation mechanism according to claim 3. The apparatus of claim 1, wherein the bearing (4) is unidirectional.

3. The design of the rotor pre-rotation mechanism according to Claim 3. The apparatus of claim 1, characterized in that the bearing (6) is unidirectional.

4. Method for setting the helical rotor into a pre-rotation state using a flywheel mechanism, characterized in that the torsion spring (7) is stretched and the rotor (1) and the flywheel (5) are brought to a relative position allowing the free end to be hooked the torsion spring (7) against the lever (9), then the rotational movement of the main rotor (1) and the flywheel (5) is blocked, then the free end of the torsion spring (7) is connected to the flywheel (5), and finally it is unlocked rotational movement of the rotor (1) and flywheel (5) and the free end of the torsion spring (7) previously connected to the flywheel (5) is released.

5. A method for placing the helicopter rotor in a pre-rotation condition using a flywheel mechanism according to Claim 1, A method as claimed in claim 4, characterized in that the torsion spring (7) is connected to the flywheel (5) by means of a lever (9).

6. A method for placing the helicopter rotor in a pre-rotation condition using a flywheel mechanism as defined in Claim 4. A method as claimed in claim 4, characterized in that the locking of the rotational movement of the rotor (1) is achieved by the pressure of the torsion spring (7) in the direction blocked by the bearing (4).

A method for setting the helicopter to a pre-rotation condition using a flywheel mechanism according to Claim 1. The method of claim 4, characterized in that the locking of the rotation of the flywheel (5) is achieved by the pressure of the torsion spring (7) in the direction blocked by the bearing (6).

8. A method for placing the helicopter rotor in a pre-rotation condition using a flywheel mechanism as defined in Claim 4. A method as claimed in claim 4, characterized in that the unlocking of the rotation of the rotor (1) and the flywheel (5) is achieved with the release of the torsion spring (7).