RU176027U1

RU176027U1 - HELICOPTER WITH COLLECTIVE BACKGROUND SCREWS

Info

Publication number: RU176027U1
Application number: RU2017127058U
Authority: RU
Inventors: Николай Серафимович Павленко; Дмитрий Олегович Жданов
Original assignee: Акционерное общество "Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля"
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2017-12-26

Abstract

Полезная модель относится к авиации, в частности к устройству, компоновке и конструкции вертолета с соосными несущими винтами и его системе управления. Вертолет с соосными несущими винтами включает в себя верхний и нижний винты противоположного вращения и систему управления. Верхний жесткий винт выполнен малого диаметра с управлением только общим шагом установки лопастей. Нижний винт большого диаметра выполнен с управлением общим и дифференциальным шагом лопастей. Обороты винтов находятся в соотношении, обеспечивающем одинаковые скорости концевых сечений лопастей верхнего и нижнего винтов. 3 ил.The utility model relates to aviation, in particular to the design, layout and construction of a helicopter with coaxial rotors and its control system. The helicopter with coaxial rotors includes the upper and lower rotors of the opposite rotation and the control system. The upper hard screw is made of small diameter with control only by the general pitch of the blades. The lower screw of large diameter is made with the control of the general and differential pitch of the blades. The revolutions of the screws are in a ratio that ensures the same speed of the end sections of the blades of the upper and lower screws. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к авиации, в частности к устройству, компоновке и конструкции вертолета с соосными несущими винтами и его системе управления.The utility model relates to aviation, in particular to the design, layout and construction of a helicopter with coaxial rotors and its control system.

Известны соосные вертолеты фирмы «Камов», конструкции их несущих винтов и системы управления (стр. 14-18, журнал «Вертолет» №3(18), 2002 г. Казань). Соосная схема вертолета имеет серьезнейший генетический недостаток - схлестывание лопастей, обусловленный близостью расположенных в параллельных плоскостях (друг над другом) и вращающихся в противоположных направлениях несущих соосных винтов.Known coaxial helicopters of the Kamov company, their rotor designs and control systems (p. 14-18, Helicopter magazine No. 3 (18), Kazan, 2002). The coaxial scheme of the helicopter has a serious genetic flaw - the lashing of the blades due to the proximity of the bearing coaxial rotors located in parallel planes (one above the other) and rotating in opposite directions.

Находящиеся в настоящее время в эксплуатации вертолеты соосной схемы имеют шарнирные втулки несущих винтов и лопасти, обладающие достаточно высокой деформативностью. Соударение лопастей нижнего и верхнего вращающихся винтов приводит к неизбежному и мгновенному разрушению всей несущей системы и гибели вертолета.The coaxial-type helicopters currently in operation have articulated hubs for rotors and blades with a sufficiently high deformability. The collision of the blades of the lower and upper rotating screws leads to the inevitable and instantaneous destruction of the entire bearing system and the death of the helicopter.

Попытки разнесения плоскостей нижнего и верхнего винтов на относительно безопасное расстояние значительно ухудшает летно-технические характеристики вертолета: резко повышает его вредное сопротивление и увеличивает и без того высокие нагрузки на элементы конструкции «колонки», что приводит к снижению ресурса.Attempts to spread the planes of the lower and upper propellers to a relatively safe distance significantly worsen the helicopter's flight performance: it sharply increases its harmful resistance and increases the already high loads on the structural elements of the “column”, which leads to a decrease in resource.

Так, для уменьшения риска схлестывания лопастей, вращающихся в разных направлениях верхнего и нижнего несущих винтов, их разносят по высоте на величину, равную 0,2R-радиуса винта (см. Л.С. Вильдгрубе, стр. 26, "ВЕРТОЛЕТЫ расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно-технических данных", - М. Машиностроение, 1977 г.). Для вертолета Ка-26 увеличение габаритного размера по высоте составляет 1,3 м, для Ка-32 - 1,6 м.So, to reduce the risk of overlapping blades rotating in different directions of the upper and lower rotors, they are spaced apart in height by an amount equal to the 0.2R radius of the rotor (see L. S. Wildgrube, p. 26, “HELICOPTERS calculation of integral aerodynamic characteristics and flight technical data ", - M. Mechanical Engineering, 1977). For the Ka-26 helicopter, the overall height increase is 1.3 m, for the Ka-32 - 1.6 m.

Гарантировать исключение схлестывания практически невозможно. Маховое движение лопастей возрастает на маневренных режимах. Его рост в аварийных ситуациях при возникновении различных видов автоколебаний намного превышает все расчетные случаи. В этих ситуациях катастрофические последствия для соосных винтов неизбежны.It is almost impossible to guarantee the exclusion of whipping. The swing motion of the blades increases in maneuvering modes. Its growth in emergency situations when various types of self-oscillations occur, far exceeds all calculated cases. In these situations, catastrophic consequences for coaxial screws are inevitable.

Относительно большой габаритный размер по высоте у вертолетов с соосной несущей системой усложняет их обслуживание при эксплуатации, для них требуются высокие помещения - ангары, что особенно трудно выполнимо при базировании соосных вертолетов на корабле, более того большой размер по высоте приводит к необходимости демонтажа главного редуктора при транспортировке соосного вертолета с последующей сборкой, повторным проведением контрольно-испытательных мероприятий.The relatively large overall height dimension for helicopters with a coaxial bearing system complicates their maintenance during operation, they require high rooms - hangars, which is especially difficult when basing coaxial helicopters on a ship; moreover, a large size in height makes it necessary to dismantle the main gearbox coaxial helicopter transportation with subsequent assembly, re-conducting control and testing activities.

В известных решениях, несущих систем соосных вертолетов элементы управления смонтированы как на внешней поверхности валов редуктора, на которых установлены несущие винты, так и внутри вала несущего винта. Система управления сложная и обвязывает валы несущих винтов настолько плотно, что зачастую, не позволяет разместить отдельные виды оборудования, например радиолокационную антенну, над плоскостью вращения соосного несущего винта, как делают на вертолетах одновинтовой схемы.In the known solutions of the bearing systems of coaxial helicopters, the control elements are mounted both on the outer surface of the gear shafts on which the rotors are mounted, and inside the rotor shaft. The control system is complex and binds the rotor shafts so tightly that it often does not allow placing certain types of equipment, for example, a radar antenna, above the plane of rotation of the coaxial rotor, as is done on single-rotor helicopters.

Недостатки известных систем вертолетных соосных винтов: существующий риск схлестывания лопастей нижнего и верхнего винтов, сложность системы управления, ограничения по размещению оборудования над соосными несущими винтами, большие габариты по высоте, повышенное аэродинамическое сопротивление втулки («колонки») соосного несущего винта.The disadvantages of the known helicopter coaxial rotor systems: there is a risk of overlapping of the lower and upper rotor blades, the complexity of the control system, restrictions on the placement of equipment above the coaxial rotors, large height dimensions, increased aerodynamic drag of the coaxial rotor hub (“column”).

Другим из известных технических решений (прототипом) является вертолетный соосный несущий винт, имеющий разноразмерные верхний и нижний винты (патент РФ №2496681, 27.10.2013). Недостатком данного несущего винта является отсутствие хвостовых секций на лопастях большого винта от комля до середины лопасти, т.е. на радиусе большого винта 0…0,5R лонжерон лопасти «голый». Такая компоновка способствует вихреобразованию на не спрофилированном участке лопасти и повышает вредное сопротивление при работе. Также, предложенная компоновка винта, не решает ряда проблем связанных с «громоздкостью» и сложностью системы управления соосных несущих винтов, а также безопасностью ввиду потенциальной возможности схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов на скоростных и маневренных режимах полета.Another of the known technical solutions (prototype) is a coaxial helicopter rotor having different sized upper and lower screws (RF patent No. 2496681, 10.27.2013). The disadvantage of this rotor is the absence of tail sections on the blades of the large screw from the butt to the middle of the blade, i.e. on the radius of the large screw 0 ... 0.5R the spar of the blade is “bare”. This arrangement contributes to the vortex formation in the non-profiled section of the blade and increases the harmful resistance during operation. Also, the proposed propeller layout does not solve a number of problems related to the “bulkiness” and complexity of the coaxial rotor control system, as well as safety due to the potential overlap of the upper and lower rotor blades in high-speed and maneuverable flight modes.

Задачами настоящей полезной модели являются: повышение уровня безопасности эксплуатации, снижение уровня сложности конструкции втулки несущего винта и системы управления, уменьшение габаритов несущей системы по высоте, а также улучшение аэродинамических характеристик несущей системы.The objectives of this utility model are: increasing the level of operational safety, reducing the complexity of the design of the rotor hub and control system, reducing the dimensions of the bearing system in height, and also improving the aerodynamic characteristics of the bearing system.

Поставленная задача решается благодаря тому, что вертолет с соосным несущим винтом, включает в себя верхний и нижний винты противоположного вращения и систему управления, согласно заявляемой полезной модели, имеет верхний жесткий винт малого диаметра и с управлением только общим шагом установки лопастей, а нижний винт умеренной жесткости большого диаметра с управлением общим и дифференциальным шагом лопастей, причем обороты винтов находятся в соотношении, обеспечивающем одинаковые скорости концевых сечений лопастей верхнего и нижнего винтов.The problem is solved due to the fact that the helicopter with a coaxial rotor, includes the upper and lower rotors of the opposite rotation and the control system, according to the claimed utility model, has an upper hard screw of small diameter and with control only the general pitch of the blades, and the lower screw is moderate stiffness of large diameter with the control of the total and differential pitch of the blades, and the rotations of the screws are in a ratio that provides the same speed of the end sections of the blades of the upper and lower about the screws.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение уровня безопасности эксплуатации, вследствие отсутствия риска соударения лопастей верхнего и нижнего винтов, за счет геометрических аспектов, минимизирующих этот риск. В предлагаемой полезной модели винт малого диаметра выполнен жестким - расстояние от оси вращения до эквивалентного горизонтального шарнира, отнесенное к радиусу винта, составляет более 80%. Винт большого диаметра выполнен умеренной жесткости - расстояние от оси вращения до эквивалентного горизонтального шарнира, отнесенное к радиусу винта, находится в пределах 10÷40%. Упрощение конструкции втулки несущего винта (использование только осевых шарниров) и системы управления достигается за счет исключения управления дифференциальным шагом лопастей верхнего винта. Управление и балансировка вертолета в каналах крена и тангажа осуществляется аналогично одновинтовой схеме, т.е. посредством изменения дифференциального шага лопастей нижнего винта (большего диаметра). Верхний винт имеет только управление общим шагом установки лопастей (подобно самолетным воздушным винтам изменяемого шага «ВИШ»). За счет уменьшения диаметра верхнего винта и повышения его жесткости появилась компоновочная возможность безопасно располагать верхний и нижний винты на меньшем расстоянии друг от друга, что снижает габаритный размер по высоте и улучшает аэродинамические характеристики несущей системы. Представляется рациональным соотношение диаметров нижнего и верхнего винтов в пределах 1:0,4…1:0,8. Соотношение диаметров винтов, сближение плоскостей вращения, жесткостные параметры винтов и пр. определяются расчетам и экспериментально при проектировании.The technical result of the proposed utility model is to increase the level of operational safety, due to the absence of the risk of collision of the blades of the upper and lower screws, due to geometric aspects that minimize this risk. In the proposed utility model, a small-diameter screw is made rigid - the distance from the axis of rotation to the equivalent horizontal hinge, referred to the radius of the screw, is more than 80%. A large diameter screw is made of moderate stiffness - the distance from the axis of rotation to the equivalent horizontal hinge, referred to the radius of the screw, is within 10 ÷ 40%. Simplification of the design of the rotor hub (using only axial joints) and the control system is achieved by eliminating the differential pitch control of the upper rotor blades. The control and balancing of the helicopter in the roll and pitch channels is carried out similarly to a single-rotor scheme, i.e. by changing the differential pitch of the lower propeller blades (larger diameter). The top propeller has only control over the overall pitch of the blades (like airplane propellers of variable pitch “VISH”). By reducing the diameter of the upper screw and increasing its rigidity, a layout opportunity appeared to safely position the upper and lower screws at a shorter distance from each other, which reduces the overall height and improves the aerodynamic characteristics of the carrier system. It seems rational the ratio of the diameters of the lower and upper screws in the range of 1: 0.4 ... 1: 0.8. The ratio of the diameters of the screws, the convergence of the planes of rotation, the stiffness parameters of the screws, etc. are determined by calculations and experimentally in the design.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, гдеThe inventive utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 показан вертолет с соосными винтами;in FIG. 1 shows a helicopter with coaxial propellers;

на фиг. 2. изображена конструкция соосных несущих винтов;in FIG. 2. shows the design of coaxial rotors;

на фиг. 3 показан вертолет с дополнительным толкающим винтом.in FIG. 3 shows a helicopter with an additional thrust propeller.

Вертолет с соосными несущими винтами содержит верхний винт 1 и нижний винт 2 противоположного вращения. Верхний винт 1 - малого диаметра выполнен жестким, управляется только общим шагом установки, лопастей, а нижний винт 2, большего диаметра - умеренно жесткий, управляется общим и дифференциальным шагом.The helicopter with coaxial rotors contains the upper screw 1 and the lower screw 2 of the opposite rotation. The upper screw 1, of small diameter, is made rigid, controlled only by the general step of the installation, of the blades, and the lower screw 2, of larger diameter, is moderately rigid, controlled by the general and differential steps.

Втулка 3 верхнего винта 1 имеет осевые шарниры 4 заделки лопастей 5. Втулка 6 нижнего винта 2 имеет осевые шарниры 7 заделки лопастей 8.The sleeve 3 of the upper screw 1 has axial hinges 4 for sealing the blades 5. The sleeve 6 of the lower screw 2 has axial hinges 7 for sealing the blades 8.

Несимметричные соосные винты содержат механическую часть устройства управления дифференциальным и общим шагом лопастей 8 для нижнего винта 2, а также общим шагом лопастей 5 верхнего винта 1.Asymmetric coaxial screws contain the mechanical part of the device for controlling the differential and common pitch of the blades 8 for the lower screw 2, as well as the common pitch of the blades 5 of the upper screw 1.

Верхним винтом 1 управляют путем изменения общего угла установки лопастей 5. Управляющее воздействие от исполнительного механизма передают на ползун 9, являющийся подвижным в осевом направлении. От ползуна 9 воздействие передается на рычаг 10. К рычагу 10 крепятся поводки 11, которые при изменении положения рычага 10 устанавливают лопасти 5 в осевых шарнирах 4 на равный угол.The upper screw 1 is controlled by changing the overall angle of installation of the blades 5. The control action from the actuator is passed to the slider 9, which is movable in the axial direction. From the slider 9, the action is transmitted to the lever 10. Leads 11 are attached to the lever 10, which, when the position of the lever 10 is changed, install the blades 5 in the axial joints 4 at an equal angle.

Нижним винтом 2 управляют путем изменения общего и дифференциального шага установки лопастей 8.The bottom screw 2 is controlled by changing the total and differential pitch of the installation of the blades 8.

Управляющее воздействие нижнего винта 2 передается от автомата перекоса (не показан) на тяги 12, откуда усилие передается на лопасти 8 посредством качалки 13 и серьги 14.The control action of the lower screw 2 is transmitted from the swash plate (not shown) to the rods 12, from where the force is transmitted to the blades 8 by means of a rocker 13 and an earring 14.

Обороты винтов находятся в соотношении, обеспечивающем одинаковые скорости концевых сечений лопастей верхнего и нижнего винтов. Аэродинамическая компоновка верхнего 1 и нижнего 2 винтов (наборы профилей, форма лопастей в плане, количество лопастей и пр.) определяется из условия необходимости уравновешивания реактивного момента и возможности управления летательным аппаратом с таким несущим винтом на всех расчетных режимах полета. На комбинированном вертолете с пропульсатором помимо несущих винтов имеется толкающий воздушный винт 15.The revolutions of the screws are in a ratio that ensures the same speed of the end sections of the blades of the upper and lower screws. The aerodynamic layout of the upper 1 and lower 2 propellers (sets of profiles, the shape of the blades in the plan, the number of blades, etc.) is determined from the condition of the need to balance the reactive moment and the ability to control an aircraft with such a rotor in all design flight modes. On a combined helicopter with a propulsor, in addition to the main rotors, there is a pushing propeller 15.

Задачи, решаемые настоящей полезной моделью: снижение риска схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов на скоростных и маневренных режимах полета, улучшение аэродинамических характеристик несущей системы в еще большей степени актуальны для перспективных скоростных вертолетов, в том числе с дополнительными пропульсивными движителями, т.к. именно в полете на высоких скоростях проявляется существенная потребность в указанных свойствах несущей системы.The tasks solved by this utility model are: reducing the risk of overlapping upper and lower propeller blades at high-speed and maneuvering flight modes, improving the aerodynamic characteristics of the load-bearing system are even more relevant for promising high-speed helicopters, including with additional propulsive propulsion, because it is in flight at high speeds that there is a significant need for the indicated properties of the carrier system.

Claims

A helicopter with coaxial rotors, including an upper and lower counter-rotating rotor and a control system, characterized in that the upper hard screw is small in diameter with control only by the common pitch of the blades, and the lower screw is large in diameter with control of the common and differential pitch of the blades, the revolutions of the screws are in a ratio that ensures the same speed of the end sections of the blades of the upper and lower screws.