RU217024U1 - Силовая установка вертолета соосной схемы - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области вертолетостроения и может применяться в конструкции силовой установки скоростных и беспилотных вертолетов соосной схемы. Силовая установка вертолета соосной схемы, содержащая двигатели, снабженные газогенераторными блоками (1), свободную турбину, теплообменники (12, 13). Газогенераторные блоки (1) двигателей соединены с эжектором первой ступени (2), переходящим в закрепленный на фюзеляже кольцевой торообразный ресивер (3), по бокам от которого находятся перепускные клапаны (4). Над ресивером располагается кольцевой регулятор (5) воздуховода свободной турбины (6), при этом свободная турбина (6) содержит вентилятор (15), имеющий общий вал с верхним несущим винтом (17). Регулируемое сопло эжектора второй ступени (7) переходит к регулируемому реактивному соплу (8) и газодинамическим рулям поворота (22) в хвостовой части фюзеляжа. В центральной части фюзеляжа закреплены электрогенератор (9), гидронасос (10) и коробка приводов (11). В силовой установке применена биротативная свободная турбина (6), кроме того, вал нижнего несущего винта (18) и вал верхнего несущего винта (17) являются общим с валом биротативной свободной турбины (6). Для уравнивания скоростей вращения элементов которой служит синхронизирующий редуктор (19). Теплообменники (12) маслосистемы двигателя и теплообменники (13) маслосистемы биротативной свободной турбины (6) состоят из двух блоков, связанных с продувными каналами (14). Корпусы кольцевого торообразного ресивера (3) и биротативной свободной турбины (6) закрыты противопожарными кожухами (21). Достигается расширение арсенала технических средств, повышение безопасности полета вертолета на режимах снижения и авторотации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области вертолетостроения и может применяться в конструкции силовой установки скоростных и беспилотных вертолетов соосной схемы.

Известна конструкция силовой установки вертолета Hughes XV-9A (см. веб-страницу http://www.airwar.ru/enc/xplane/xv9.html#camo), включающая двигатели, обеспечивающие подачу рабочих газов из камер сгорания на сопла, установленные на концах лопастей несущего винта; каналы газовой системы, снабженные клапанами-заслонками; а также электрогенератор и прочие агрегаты.

Известен реактивный механизм несущего винта (патент CN105398573, 664027/18; публ. 16.03.2016), в котором предлагается роторный механизм с реактивным приводом, содержащий основной вал ротора с вентиляционным каналом; лопасть ротора, установленную с возможностью вращения на главном валу ротора; струйная система, расположенная на лопасти несущего винта и соединенная с ротором. Система нагнетания воздуха включает в себя две трубки нагнетания воздуха, и две трубки нагнетания воздуха соответственно расположены на первой части ротора и второй части ротора. Вентиляционные каналы соединены, а струйная система выбрасывает газ под высоким давлением для обеспечения вращения крыла несущего винт, следовательно, основной вал крыла несущего винта невосприимчив к реактивному моменту в процессе вращения, конструкция несущего винта упрощается, снижается вес.

Недостатками известного устройства являются потери мощности при подаче рабочих газов на газодинамические рули поворота для компенсации реактивного крутящего момента.

Известна силовая установка вертолета (патент RU 2705545, В64С 29/00, публ. 07.11.2019), в которой применен винтовентиляторный газотурбинный двигатель, содержащий винтовентилятор с двумя ступенями ротора, выполненными с возможностью вращения лопастей в противоположные стороны, и соединенный с ним двумя валами через редуктор газогенератор, содержащий биротативный компрессор и биротативную турбину, которые установлены внутри внутреннего корпуса, с образованием второго контура между внешним и внутренним корпусами. За биротативной турбиной выполнено сопло с регулируемым вектором тяги. Между биротативной турбиной и внутренним соплом винтовентиляторного газотурбинного двигателя может быть выполнена форсажная камера.

Недостатком данного аналога является то, что двигатели размещены вертикально, в связи с чем рабочие газы выбрасываются из свободной турбины вверх, затем перемешиваются с потоком наружного воздуха от несущих винтов, происходит снижение температуры с 400°С до 200°С, работа возможна только кратковременно.

Известна силовая установка вертолета одновинтовой схемы, наиболее близкая к заявляемому техническому решению, (патент RU 2764860, В64С27/06, публ. 21.01.2022), которая содержит двигатели, снабженные газогенераторными блоками, свободную турбину. Газогенераторные блоки двигателей соединены с эжектором первой ступени, переходящим в закрепленный на фюзеляже кольцевой торообразный ресивер, по бокам от которого находятся перепускные клапаны. Над ресивером располагается кольцевое перекрывное устройство воздуховода свободной турбины. Свободная турбина содержит вентилятор, имеющий общий вал с несущим винтом. Регулируемое сопло эжектора второй ступени переходит к реактивному соплу и газодинамическим рулям поворота в хвостовой части фюзеляжа.

Однако, данная силовая установка применяется только в вертолетах одновинтовой схемы.

Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание силовой установки для применения на вертолетах соосной схемы, содержащей технологически оптимальную систему подачи газов.

Техническим результатом является расширение арсенала силовых установок для применения в вертолетах соосной схемы за счет повышения безопасности полета вертолета на режимах снижения и авторотации.

Для достижения технического результата предлагается силовая установка вертолета соосной схемы, содержащая двигатели, снабженные газогенераторными блоками 1, свободную турбину, теплообменники 12, 13, газогенераторные блоки 1 двигателей соединены с эжектором первой ступени 2, переходящим в закрепленный на фюзеляже кольцевой торообразный ресивер 3, по бокам от которого находятся перепускные клапаны 4, над ресивером располагается кольцевой регулятор 5 воздуховода свободной турбины, при этом свободная турбина содержит вентилятор 15, имеющий общий вал с верхним несущим винтом 17, регулируемое сопло эжектора второй ступени 7 переходит к регулируемому реактивному соплу 8 и газодинамическим рулям поворота 22 в хвостовой части фюзеляжа, в центральной части фюзеляжа закреплены электрогенератор 9, гидронасос 10 и коробка приводов 11, отличающаяся тем, что в силовой установке в качестве свободной турбины применена биротативная свободная турбина 6, кроме того вал нижнего несущего винта 18 и вал верхнего несущего винта 17 являются общими с валом биротативной свободной турбины 6, для уравнивания скоростей вращения элементов которой служит синхронизирующий редуктор 19, при этом теплообменники 12 маслосистемы двигателя и теплообменники 13 маслосистемы биротативной свободной турбины 6 состоят из двух блоков, связанных с продувными каналами 14, корпусы кольцевого торообразного ресивера 3 и биротативной свободной турбины 6 закрыты противопожарными кожухами 21.

Кроме того, колонка с коаксиальными валами несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18 и синхронизирующим редуктором 19 совмещена с биротативной свободной турбиной 6.

Предлагаемая полезная модель предназначена для вертолетов соосной схемы, в то время как прототип предназначен для вертолетов одновинтовой схемы, повышение безопасности полета вертолета на режимах снижения и авторотации происходит за счет применения биротативной свободной турбины 6, вал которой является общим с валом верхнего 17 и нижнего 18 несущих винтов.

Устройство силовой установки вертолета соосной схемы поясняется чертежами:

- на фигуре 1 изображен общий вид силовой установки;

- на фигуре 2 изображен вид сверху силовой установки.

Силовая установка может применяться на вертолете соосной схемы, который содержит соосно расположенные жесткие несущие винты верхний 17 и нижний 18 с механизмом изменения угла атаки лопастей.

Вертолет содержит фюзеляж (не показан), над потолком которого расположена предлагаемая силовая установка, которая содержит два двигателя, кольцевой торообразный ресивер 3 с верхним выводом, в который поступают рабочие газы из газогенераторных блоков 1 двигателей, лишенных собственных свободных турбин и связанных с общей биротативной свободной турбиной 6, установленной вертикально так, что вал нижнего несущего винта 18 является общим с валом данной биротативной свободной турбины 6, а вал верхнего несущего винта 17 также является общим с валом биротативной свободной турбины 6, для уравнивания скоростей вращения элементов которой служит синхронизирующий редуктор 19; на горизонтальном выводе газов из кольцевого торообразного ресивера 3 расположено регулируемое реактивное сопло 8 пропульсивной тяги (фиг. 1, 2).

Силовая установка содержит два газогенераторных блока 1 двигателей, соединенных с эжектором первой ступени 2, переходящим в кольцевой торообразный ресивер 3, закрепленный на фюзеляже, по бокам от него находятся перепускные клапаны 4. Над кольцевым торообразным ресивером 3 располагается кольцевой регулятор 5 проходного сечения, ведущий поток воздуха на биротативную свободную турбину 6, включающую в себя вентилятор 15 колеса биротативной свободной турбины 6 и имеющую общий вал с валом нижнего несущего винта 18, либо направляющее этот поток на регулируемое сопло эжектора второй ступени 7, камера смешения 20 которого ведет к регулируемому реактивному соплу 8 и газодинамическим рулям поворота 22.

В центральной части фюзеляжа закреплены электрогенератор 9, гидронасос 10 и коробка приводов 11.

Также по правому и левому бортам вертолета относительно кольцевого торообразного ресивера 3 расположены два теплообменника 12 маслосистемы двигателя и два теплообменника 13 маслосистемы биротативной свободной турбины 6 соответственно, каждый из которых состоит из двух блоков, связанных с продувными каналами 14.

Рядом с газогенераторными блоками 1 находятся стартер-генераторы 16.

Применение кольцевого торообразного ресивера 3 с кольцевым регулятором 5 и регулируемого сопла эжектора второй ступени 7, камера смешения 20 которого переходит к регулируемому реактивному соплу 8, позволяет расширять проходное сечение на входе в биротативную свободную турбину 6, тем самым увеличивая подъемную силу и коэффициент полезного действия (далее - КПД) системы пропульсивной тяги.

Таким образом, колонка с коаксиальными валами несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18 и синхронизирующим редуктором 19 совмещена с биротативной свободной турбиной 6, которая вращает валы верхнего 17 и нижнего 18 несущих винтов во взаимно противоположных направлениях, при этом синхронизирующий редуктор 19 служит для уравнивания скоростей вращения элементов биротативной свободной турбины 6.

Верхний вывод кольцевого торообразного ресивера 3 снабжен кольцевым регулятором 5 проходного сечения на входе в биротативную свободную турбину 6, обеспечивающим его полное открытие до максимально задросселированного к моменту расширения проходного сечения реактивного сопла.

Каждый ввод рабочих газов от двигателя в кольцевой торообразный ресивер 3 выполнен в виде газовоздушного эжектора первой ступени 2 для обеспечения подачи наружного воздуха, предназначенного для охлаждения теплообменника 12 маслосистемы данного двигателя.

Система пропульсивной тяги также выполнена в виде регулируемого сопла эжектора второй ступени 7, присоединяющего воздух из подкапотного пространства вертолета для охлаждения теплообменника 13 маслосистемы биротативной свободной турбины 6, затем проходящего через камеру смешения 20 и далее выбрасывающего через регулируемое реактивное сопло 8, а также через газодинамические рули поворота 22, в атмосферу всю массу рабочего тела для создания реактивной пропульсивной тяги. Корпусы кольцевого торообразного ресивера 3 и биротативной свободной турбины 6 закрыты противопожарными кожухами 21. Пространство между упомянутыми противопожарными кожухами 21 и корпусами продувается воздухом, отсасываемым эжекторами первой ступени 2 и второй ступени 7 по продувным каналам 14. Выхлопные газы после биротативной свободной турбины 6 охлаждаются воздухом, нагнетаемым вентилятором 15, встроенным в конструкцию биротативной свободной турбины 6.

Эжектор первой ступени 2 охлаждает присоединенным наружным воздухом масляные теплообменники 12 двигателей и обеспечивает подачу рабочих газов в кольцевой торообразный ресивер 3, а эжектор второй ступени 7 и обеспечивает их вывод из кольцевого торообразного ресивера 3 в регулируемое реактивное сопло 8 и на газодинамические рули поворота 22.

Геометрические параметры, такие как высота лопаток направляющего аппарата, высота рабочих лопаток, ширина лопаток направляющего аппарата, ширина рабочих лопаток, средний диаметр ступени биротативной свободной турбины 6 выбирают в соответствии с заданными параметрами несущей системы, такими как диаметр несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18, угол атаки плоскости вращения, диапазон изменения частоты вращения и угла атаки лопастей при переходе с взлетного режима на горизонтальный с увеличением скорости полета.

Силовая установка вертолета соосной схемы в обычном режиме работает следующим образом.

Соосно установленные несущие винты верхний 17 и нижний 18 создают подъемную силу при взлете вертолета с помощью рабочих газов, которые плавно перенаправляют на пропульсивную реактивную тягу после набора необходимой высоты, позволяя снизить обороты несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18 до минимальных для поддержания необходимой подъемной силы.

Газогенераторные блоки 1 двигателей подают рабочие газы в общий кольцевой торообразный ресивер 3, из которого они поступают:

- на режиме висения, вертикального полета - на биротативную свободную турбину 6, рассчитанную на суммарную мощность всех двигателей;

- на режиме горизонтального полета - на регулируемое реактивное сопло 8 для создания пропульсивной тяги.

В полете вертолета выход рабочих газов из кольцевого торообразного ресивера 3 на биротативную свободную турбину 6 дросселируется, уменьшая частоту вращения верхнего 17 и нижнего 18 несущих винтов до минимально необходимой для поддержания подъемной силы одновременно с эквивалентным расширением площади проходного сечения регулируемого сопла эжектора второй ступени 7 для увеличения пропульсивной тяги. На режимах висения и вертикального полета дросселируется сопло эжектора второй ступени 7, а площадь проходного сечения на входе в биротативную свободную турбину 6 расширяется, увеличивая подъемную силу по мере увеличения частоты вращения несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18 и угла атаки лопастей.

Во время запуска двигателей на земле кольцевой регулятор 5 поворачивается, а оба выхода газов из кольцевого торообразного ресивера 3 полностью открываются для минимизации сопротивления стартер-генераторам 16 на коробке приводов 11 самих двигателей.

Система пропульсивной тяги выполнена в виде эжектора второй ступени 7. Эжектор второй ступени 7, присоединяя воздух из подкапотного пространства, охлаждает всю газовоздушную смесь, превращая ее в рабочее тело для увеличения пропульсивной тяги.

При всех режимах полета вертолета или на земле через регулируемое реактивное сопло 8 пропускается достаточное количество рабочих газов для работы газодинамических рулей поворота 22 на земле и в воздухе.

В аварийном режиме предлагаемая конструкция повышает безопасность полета вертолета на режиме авторотации в связи с тем, что при отсутствии трансмиссии уменьшается сопротивление при раскрутке несущих винтов верхнего 17 и нижнего 18 от набегающего потока.

Таким образом, достигается технический результат.

В заявляемой силовой установке применяется одна установленная отдельно от двигателей, общая биротативная свободная турбина 6 для двух двигателей, лишенных собственных свободных турбин, в отличие от аналога, в котором каждый двигатель снабжен собственной биротативной турбиной, что в целом направлено на уменьшение количества применяемых узлов и агрегатов.

Предлагаемая конструктивная схема силовой установки существенно снижает материалоемкость при эксплуатации и в период ремонта на изготовление и снижает вес конструкции, а благодаря отсутствию трансмиссии увеличивается надежность летательного аппарата и повышается КПД системы пропульсивной тяги.

Оба двигателя расходуют всю мощность на вертикальный взлет, а затем всю мощность на создание пропульсивной тяги, т.к. при плавном переходе от вертикального движения в горизонтальный полет, вертолет продолжает полет в режиме автожира, который использует для создания подъемной силы свободновращающийся в режиме авторотации несущий винт. Вертолет преобразуется в автожир и обратно простым изменением направления рабочего тела, газовоздушных струй, генерируемых одним турбокомпрессором, с вертикального при взлете, в горизонтальное в полете, используя каждый раз мощность одного и того же двигателя.

Claims (2)

1. Силовая установка вертолета соосной схемы, содержащая двигатели, снабженные газогенераторными блоками (1), свободную турбину, теплообменники (12, 13), газогенераторные блоки (1) двигателей соединены с эжектором первой ступени (2), переходящим в закрепленный на фюзеляже кольцевой торообразный ресивер (3), по бокам от которого находятся перепускные клапаны (4), над ресивером располагается кольцевой регулятор (5) воздуховода свободной турбины (6), при этом свободная турбина (6) содержит вентилятор (15), имеющий общий вал с верхним несущим винтом (17), регулируемое сопло эжектора второй ступени (7) переходит к регулируемому реактивному соплу (8) и газодинамическим рулям поворота (22) в хвостовой части фюзеляжа, в центральной части фюзеляжа закреплены электрогенератор (9), гидронасос (10) и коробка приводов (11), отличающаяся тем, что в силовой установке в качестве свободной турбины применена биротативная свободная турбина (6), кроме того, вал нижнего несущего винта (18) и вал верхнего несущего винта (17) являются общими с валом биротативной свободной турбины (6), для уравнивания скоростей вращения элементов которой служит синхронизирующий редуктор (19), при этом теплообменники (12) маслосистемы двигателя и теплообменники (13) маслосистемы биротативной свободной турбины (6) состоят из двух блоков, связанных с продувными каналами (14), корпусы кольцевого торообразного ресивера (3) и биротативной свободной турбины (6) закрыты противопожарными кожухами (21).

2. Силовая установка вертолета соосной схемы по п. 1, отличающаяся тем, что колонка с коаксиальными валами несущих винтов верхнего (17) и нижнего (18) и синхронизирующим редуктором (19) совмещена с биротативной свободной турбиной (6).

Images