RU2277497C1

RU2277497C1 - Helicopter-convertiplane

Info

Publication number: RU2277497C1
Application number: RU2004135401/11A
Authority: RU
Inventors: Виктор Борисович Лебедев (RU); Виктор Борисович Лебедев
Original assignee: Виктор Борисович Лебедев
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-10
Also published as: RU2004135401A

Abstract

FIELD: convertiplanes with main rotors.

SUBSTANCE: proposed helicopter-convertiplane is provided with main rotor driven from power plant which forms single unit including engine, reduction gear and fan. Fan operates in two modes: at reduced number of revolutions and at nominal revolutions. Arranged in tail fuselage is swivel hub-nozzle with inner T-shaped passage; this hub-nozzle is communicated with air duct of fan. In helicopter mode of flight, fan feeds air to side port at definite position of hub-nozzle for forming counter-thrust relative to torque of main rotor. During high-speed horizontal flight, air from fan escapes from rear port of tail fuselage through hub-nozzle, thus forming horizontal thrust.

EFFECT: increased speed of horizontal flight; simplified construction; enhanced reliability of horizontal thrust system.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике и может использоваться при создании летательных аппаратов типа конвертоплан на базе подъемно-несущей системы вертолета.The invention relates to aircraft and can be used to create aircraft type tiltrotor based on the lifting and supporting system of the helicopter.

Известны летательные аппараты - конвертопланы, сочетающие в себе качества вертолета и самолета, что позволяет им совершать вертикальный взлет и посадку, а горизонтальный полет с повышенной, по сравнению с вертолетом, крейсерской скоростью. Конвертопланы этого типа, например КА-22, содержат основные конструктивные узлы вертолета - силовую установку с редуктором и несущие винты /НВ/. Кроме того, эти летательные аппараты /ЛА/ снабжаются плоскостями крыла и тянущими винтами, имеющими привод от основных или специальных двигателей. Взлет и посадку конвертоплан с НВ производит как вертолет, используя подъемную силу несущих винтов, приводимых во вращение основной силовой установкой. В горизонтальном полете НВ работают в режиме авторотации, а горизонтальная тяга создается тянущими винтами, при этом плоскость крыла конвертоплана частично разгружает НВ, что дает возможность увеличить скорость горизонтального полета. Однако скорость полета этого конвертоплана все же недостаточна и не превышает 400 км/ч, так как на больших скоростях НВ создает значительное сопротивление встречному потоку воздуха. Кроме того, конструкция существующих конвертопланов достаточно сложна из-за наличия большого числа промежуточных звеньев механической трансмиссии, передающих крутящий момент к тянущим винтам. Весь подъемно-несуще-тяговый комплекс имеет повышенные массо-габаритные показатели /в сравнении с вертолетом и самолетом/. За прототип изобретения принята конструкция одновинтового вертолета традиционной схемы, например МИ-8. В этом ЛА подъемная сила и поступательное движение создаются несущим винтом, а парирование реактивного момента от вращения НВ осуществляется хвостовым винтом, установленным в конце хвостовой балки. Однако данный вертолет имеет тот же основной недостаток, которой присущ всем ЛА с несущим винтом - значительное вредное сопротивление НВ в крейсерском режиме полета.Known aircraft - convertiplanes, combining the qualities of a helicopter and an airplane, which allows them to perform vertical take-off and landing, and horizontal flight with increased, compared with the helicopter, cruising speed. Turntop planes of this type, for example KA-22, contain the main structural components of the helicopter - a power plant with a gearbox and rotors / HB /. In addition, these aircraft / LA / are equipped with wing planes and pulling screws, driven by main or special engines. A take-off and landing tiltrotor with HB produces as a helicopter, using the lifting force of the rotors, driven into rotation by the main power plant. In horizontal flight, HB operate in autorotation mode, and horizontal thrust is created by pulling screws, while the wing plane of the tiltrotor partially unloads HB, which makes it possible to increase the speed of horizontal flight. However, the flight speed of this tiltrotor is still insufficient and does not exceed 400 km / h, since at high speeds the HB creates significant resistance to the oncoming air flow. In addition, the design of existing convertiplanes is quite complicated due to the presence of a large number of intermediate links of a mechanical transmission that transmit torque to the pulling screws. The entire lifting-bearing-and-towing complex has increased mass-dimensional indicators / in comparison with a helicopter and an airplane /. The prototype of the invention adopted the design of a single-rotor helicopter of the traditional scheme, for example MI-8. In this aircraft, the lifting force and translational motion are created by the rotor, and the reactive moment from the rotation of the HB is fenced off by the tail rotor installed at the end of the tail boom. However, this helicopter has the same main drawback, which is inherent in all aircraft with a rotor - a significant harmful resistance to HB in cruising flight mode.

Задача изобретения - повысить скорость горизонтального полета конвертоплана вертолетной схемы /с несущим винтом/ с типовой силовой установкой, а также упростить конструкцию системы горизонтальной тяги и повысить ее надежность.The objective of the invention is to increase the horizontal flight speed of a tiltrotor helicopter circuit / with a rotor / with a typical power plant, as well as to simplify the design of the horizontal thrust system and increase its reliability.

Указанная задача решается тем, что вертолет-конвертоплан снабжается винтом переменного диаметра по заявке №2003124905/11/026412/, но с механизмом выдвижения-втягивания и фиксации лопастей применительно к НВ с приводом от силовой установки, которая объединяется в единый блок: двигатель-редуктор-компрессор /вентилятор/, а парирование реактивного момента осуществляется за счет противоположной реакции истекающего из поворотного сопла воздушного потока, причем горизонтальный полет производится также с помощью реактивной тяги, создаваемой тем же воздушным потоком, истекающим из сопла при уменьшенном диаметре НВ, работающего в режиме авторотации, с использованием подъемной силы крыла.This problem is solved by the fact that the tiltrotor helicopter is equipped with a variable-diameter screw according to application No. 2003124905/11/026412 /, but with a mechanism for extending, retracting and fixing the blades as applied to the NV with a drive from a power unit, which is combined into a single unit: a gear motor -compressor / fan /, and the reactive moment is parried due to the opposite reaction of the air flow flowing out of the rotary nozzle, and the horizontal flight is also carried out using the jet thrust created in zdushnym stream flowing from the nozzle with a reduced diameter DI working in autorotation, using wing lift.

На фиг.1 изображен опорный узел несущего винта с механизмом изменения его диаметра. Подвижная по длине радиуса вращения лопасть НВ содержит лонжерон 1, упор 2 и штангу 3, причем шток упора неподвижен и выполняет роль ограничителя. Штанги и лонжероны соответствующих им лопастей через систему шарниров крепятся к втулке 4 винта, которая жестко связана с приводным валом 5. На нижней поверхности втулки выполнены выступы-зубья 6. Под втулкой, с возможностью свободного вращения на приводном валу, помещается барабан 7. На верхней поверхности барабана имеются пазы, куда могут входить зубья-выступы втулки винта. Выступы и пазы на поверхностях втулки и барабана образуют кулачковую муфту. Барабан жестко соединен с упорной втулкой 9, а та, в свою очередь, сопряжена с упорным подшипником 10, в корпус которого входит рычаг 13, связанный со штоком цилиндра 14 гидропривода. В трубопровод гидропривода включен электромагнитный клапан 15. Нижний фланец корпуса упорного подшипника нагружен пружиной 11 и через втулку 9 передает усилие на барабан, прижимая его к втулке винта. Приводной вал вращается внутри неподвижного корпуса 12, который в верхней части заканчивается тарелкой тормозного диска 8. На корпусе приводного вала под тормозным диском монтируется автомат перекоса 16. К барабану крепятся концы тянущих тросов 17, другие концы которых связаны с комлями подвижных лопастей через амортизаторы 18. На фиг.2 изображены узлы подъемно-тяговой системы и их расположение в вертолете-конвертоплане. Валы 20 газотурбинных двигателей сообщаются с редуктором 21, ведомые валы которого соединяются с приводным валом НВ и валом вентилятора 23. Вентилятор располагается за редуктором, а забор воздуха в него осуществляется через верхние окна 22. Нагнетательная часть вентилятора сообщена с воздухопроводам 24, в конце которого помещается поворотное сопло 25. Один из вариантов конструкции поворотного сопла показан на схеме, где сопло выполняется в виде втулки с внутренним Т-образным каналом. Уплотнения устанавливаются в местах сопряжения втулки со стенками окон входа-выхода воздуха. Верхняя и нижняя поверхности втулки опираются на оси. Поворот втулки-сопла осуществляет соединение воздухопровода либо с боковым окном хвостовой части, либо с ее задним окном.Figure 1 shows the support node of the rotor with a mechanism for changing its diameter. Moving along the length of the radius of rotation of the blade HB contains the spar 1, emphasis 2 and the rod 3, moreover, the emphasis rod is stationary and acts as a limiter. The rods and spars of their respective blades are attached to the hub 4 of the screw through a hinge system, which is rigidly connected to the drive shaft 5. On the bottom surface of the sleeve there are protrusions-teeth 6. Under the sleeve, with the possibility of free rotation on the drive shaft, is placed drum 7. On the top there are grooves on the surface of the drum where the teeth of the screw hub can enter. The protrusions and grooves on the surfaces of the sleeve and drum form a cam clutch. The drum is rigidly connected to the thrust sleeve 9, and that, in turn, is interfaced with a thrust bearing 10, the housing of which includes a lever 13 connected to the rod of the cylinder 14 of the hydraulic actuator. A solenoid valve 15 is included in the hydraulic pipe. The lower flange of the thrust bearing housing is loaded with a spring 11 and transfers force to the drum through the sleeve 9, pressing it against the screw sleeve. The drive shaft rotates inside the stationary housing 12, which at the top ends with a brake disc plate 8. A swash plate 16 is mounted on the drive shaft housing under the brake disk 16. The ends of the pulling cables 17 are attached to the drum, the other ends of which are connected to the knives of the moving blades through shock absorbers 18. Figure 2 shows the nodes of the lifting and traction system and their location in the helicopter convertiplane. The shafts 20 of the gas turbine engines communicate with the gearbox 21, the driven shafts of which are connected to the HB drive shaft and the fan shaft 23. The fan is located behind the gearbox, and air is drawn into it through the upper windows 22. The blower part is connected to the air ducts 24, at the end of which rotary nozzle 25. One embodiment of the rotary nozzle is shown in the diagram, where the nozzle is made in the form of a sleeve with an internal T-shaped channel. Seals are installed at the interface between the sleeve and the walls of the air inlet-outlet windows. The upper and lower surfaces of the sleeve rest on an axis. The rotation of the sleeve-nozzle connects the air duct either to the side window of the tail section or to its rear window.

Перед взлетом ЛА узлы и детали подъемно-несуще-тяговой системы приводятся в следующее состояние:Before takeoff, the components and components of the lifting-supporting-traction system are brought into the following state:

1. Клапан 15 в системе гидропривода открыт, поэтому давление жидкости в системе отсутствует и барабан усилием пружины прижат к втулке винта, при этом выступы-зубья на поверхности втулки входят в пазы на поверхности барабана, т.е. кулачковая муфта сообщена, а следовательно, втулка с барабаном могут вращаться только совместно.1. The valve 15 in the hydraulic actuator system is open, therefore, there is no fluid pressure in the system and the drum is pressed by the spring force against the screw hub, while the tooth protrusions on the surface of the hub enter grooves on the surface of the drum, i.e. the cam clutch is communicated, and therefore, the sleeve with the drum can only rotate together.

2. Валы турбин двигателей сообщены с редуктором, а вал вентилятора сообщен с редуктором через понижающую ступень.2. The shafts of the turbines of the engines are in communication with the gearbox, and the fan shaft is communicated with the gearbox through the lowering stage.

3. Положение втулки-сопла обеспечивает совмещение полости канала с воздухопроводом и боковым окном хвостовой части. В таком положении узлов производится раскрутка НВ с выводом его на необходимое число оборотов, причем, если подвижные лопасти НВ находятся во втянутом состоянии, то тогда управляющим импульсом прикрывается клапан перепуска жидкости в системе гидропривода барабана. В результате в системе создается давление, достаточное для сжатия пружины, перемещения барабана вниз по валу и вывода его из зацепления кулачков кулачковой муфты, но недостаточное для прижатия барабана к поверхности тормозного диска. В таком положении барабана на приводном валу подвижные лопасти центробежными силами перемещаются от оси вращения к переферии, увлекая за собой тянущие тросы и разматывая их с барабана при его свободном вращении вокруг вала. Перемещение лопастей ограничивается упорами, которые соприкасаются с резиновыми буферами, установленными на внешних концах штанг. Взлет вертолета-конвертоплана производится при максимальном диаметре НВ, а парирование вращательного момента, действующего на фюзеляж, осуществляется силой, возникающей в результате истечения в противоположную сторону воздушной струи из бокового окна В /фиг.2/ хвостовой части фюзеляжа. В этом режиме полета ЛА на привод вентилятора отбирается до 15% мощности силовой установки, а регулирование величины парирующей тяги может производиться путем дросселирования входящего воздушного потока при изменении сечения впускных окон. Часть входящего потока воздуха используется для охлаждения масла редуктора.3. The position of the sleeve-nozzle provides a combination of the cavity of the channel with the air duct and the side window of the tail. In this position of the nodes, the HB is unwound with its output to the required number of revolutions, moreover, if the movable blades of the HB are in the retracted state, then the liquid bypass valve in the drum hydraulic drive system is closed with a control pulse. As a result, a sufficient pressure is created in the system to compress the spring, move the drum down the shaft and remove it from the cam cams of the cam clutch, but not enough to press the drum against the surface of the brake disc. In this position of the drum on the drive shaft, the movable blades move by centrifugal forces from the axis of rotation to the periphery, dragging the pulling cables along and unwinding them from the drum when it rotates freely around the shaft. The movement of the blades is limited by stops that are in contact with the rubber buffers mounted on the outer ends of the rods. The take-off helicopter take-off is carried out at the maximum diameter of the HB, and the torque acting on the fuselage is parried out by the force arising from the outflow of the air stream from the side window B / Fig. 2/ of the rear of the fuselage. In this flight mode, the aircraft takes up to 15% of the power of the power plant to the fan drive, and the control of the value of the soaring thrust can be done by throttling the incoming air flow when changing the cross section of the inlet windows. Part of the incoming air flow is used to cool the gearbox oil.

Для перехода к скоростному горизонтальному полету выполняют следующее:To switch to high-speed horizontal flight, do the following:

1. Bce ступени редуктора, через которые осуществляется привод НВ, разобщаются с силовой установкой, а вал привода вентилятора на прямую сообщается с валами турбин двигателей.1. All the gear stages, through which the HB drive is carried out, are disconnected from the power plant, and the fan drive shaft communicates directly with the turbine shafts of the engines.

2. Втулка-сопло сообщает воздухопровод с задним окном А /фиг.2/ хвостовой части фюзеляжа.2. The nozzle sleeve communicates the air duct with the rear window A / Fig. 2/ of the rear of the fuselage.

3. Управляющим импульсом полностью закрывают перепускной клапан 15, создавая тем самым рабочее давление жидкости в системе гидропривода барабана. В результате шток гидроцилиндра 14 воздействует через рычаг 13 и упорный подшипник 12 на упорную втулку 9, которая перемещает барабан 7, прижимая его к поверхности тормозного диска 8. На заторможенный барабан наматываются тянущие тросы 17, так как они продолжают вращение вместе с втулкой и лопастями НВ, причем, наматываясь, тросы подтягивают соответствующие лопасти к оси вращения до контакта комлей лопастей с подвижными элементами включателей 19 электроцепи перепускного клапана. При этом управляющий импульс открывает клапан и давление жидкости в системе гидропривода быстро падает. Падение давления в гидросистеме вызывает перемещение барабана усилием пружины к поверхности втулки НВ и соединение кулачковой муфты, т.е. фиксацию барабана по отношению к втулке, а следовательно, фиксацию лопастей на минимальном удалении от оси вращения. Несущий винт приведен к минимальному диаметру. В этом режиме полета вентилятор вращается с номинальным числом оборотов и потребляет всю мощность силовой установки, а горизонтальная тяга создается потоком воздуха, истекающего из втулки-сопла хвостовой части фюзеляжа. При этом НВ вращается в режиме авторотации с уменьшенным диаметром, а плоскость крыла частично или полностью /в зависимости от площади крыла/ разгружает НВ, что позволяет значительно снизить вредное сопротивление и увеличить скорость горизонтального полета. Для перехода от скоростного горизонтального полета к элементам вертолетного полета снижают скорость, а затем приводят узлы и детали подъемно-несуще-тяговой системы в со стояние, аналогичное режиму вертикального взлета.3. By the control pulse, the bypass valve 15 is completely closed, thereby creating a working fluid pressure in the drum hydraulic drive system. As a result, the rod of the hydraulic cylinder 14 acts through the lever 13 and the thrust bearing 12 on the thrust sleeve 9, which moves the drum 7, pressing it against the surface of the brake disk 8. The pulling cables 17 are wound on the braked drum, as they continue to rotate together with the sleeve and the blades HB and, winding up, the cables pull the corresponding blades to the axis of rotation until the butt of the blades contact the movable elements of the bypass valve circuit breakers 19. In this case, the control pulse opens the valve and the fluid pressure in the hydraulic drive system drops rapidly. The pressure drop in the hydraulic system causes the drum to be moved by the spring force to the surface of the HB sleeve and the cam clutch is connected, i.e. fixing the drum in relation to the sleeve, and therefore, fixing the blades at a minimum distance from the axis of rotation. The main rotor is reduced to the minimum diameter. In this flight mode, the fan rotates at a nominal speed and consumes the entire power of the power plant, and horizontal thrust is created by the flow of air flowing from the nozzle sleeve of the fuselage tail. In this case, the HB rotates in autorotation mode with a reduced diameter, and the wing plane partially or completely / depending on the wing area / unloads the HB, which can significantly reduce harmful resistance and increase the speed of horizontal flight. To switch from high-speed horizontal flight to helicopter flight elements, speed is reduced, and then the nodes and parts of the lifting-bearing-traction system are brought into a state similar to the vertical take-off mode.

В зависимости от назначения конвертоплана, например для скоростных /свыше 500 км/ч/ грузопассажирских перевозок, он может снабжаться плоскостью крыла с размахом и площадью, позволяющей полностью воспринимать вес всего ЛА при горизонтальном полете. В этом случае целесообразнее применять на конвертоплане НВ с только одной - подвижной по длине радиуса парой лопастей. Целесообразность этого заключается в том, что фиксированная пара лопастей при значительном размахе и площади крыла работает мало эффективно, в то же время НВ с одной парой лопастей не только упрощает конструкцию, но и позволяет использовать технические решения, связанные с уборкой несущего винта во внутрь фюзеляжа. По сравнению с существующими вертолетами использование заявленного вертолета-конвертоплана, например, для нужд армии позволит: 1. При десантных операциях в более короткий срок и на более дальнее расстояние перебросить десантную группу в любой район со сложным рельефом местности и произвести посадку с высадкой л/с. 2. При боевых операциях более результативно уклоняться от штурмовой авиации противника и обстрела наземных средств, а также активно противодействовать им. 3. Наличие дополнительной плоскости крыла, горизонтальной тяги, независящей от состояния несущего винта, а также отсутствие хвостового винта, значительно повышает живучесть ЛА и позволяет ему продолжить полет или совершить безопасную посадку при повреждении несущего винта или силовой установки.Depending on the purpose of the tiltrotor, for example, for high-speed / over 500 km / h / passenger-and-freight transportation, it can be equipped with a wing plane with a wingspan and area that allows it to fully absorb the weight of the entire aircraft during horizontal flight. In this case, it is more expedient to use an HB with only one, a pair of blades that are movable along the radius of the radius. The advisability of this lies in the fact that a fixed pair of blades with a significant scope and wing area does not work very efficiently, at the same time, an HB with one pair of blades not only simplifies the design, but also allows the use of technical solutions related to the cleaning of the rotor inside the fuselage. Compared with existing helicopters, the use of the declared convertiplane helicopter, for example, for the needs of the army will allow: 1. For landing operations in a shorter time and for a longer distance, transfer the landing group to any area with a difficult terrain and land with a landing l / s . 2. During combat operations, it is more effective to evade enemy assault aircraft and shell ground facilities, as well as actively oppose them. 3. The presence of an additional wing plane, horizontal thrust independent of the state of the rotor, as well as the absence of a tail rotor, significantly increases the survivability of the aircraft and allows it to continue flying or make a safe landing in case of damage to the rotor or power plant.

Claims

1. A tiltrotor helicopter comprising a fuselage, a wing plane, a power unit with a gearbox, a rotor rotor with a pair of blades movable along the radius of rotation, a rotor hub, a drum, pull ropes and a brake disc, characterized in that the end surfaces of the rotor hub and the drums are provided with protrusions and grooves forming a cam clutch, the sleeve is rigidly connected to the drive shaft, and the drum is loaded with a spring force pressing it to the screw sleeve through the thrust sleeve, which is rigidly connected to the drum and the thrust support a nickel connected by means of a lever to the hydraulic cylinder rod, in the pressure pipe of which a three-position controlled bypass valve is installed, a brake disk plate is placed under the drum, which is rigidly connected to the drive shaft housing, which is installed when the bypass valve is fully open and presses the drum by spring force to the screw sleeve by cam clutch, with partial cover of the valve due to the movement of the cylinder rod, lever and through the thrust bearing of the drum sleeve - disengaging said cam clutch for free rotation of the drum on the drive shaft, and when the valve is completely closed, pressing the drum against the surface of the brake disc plate.

2. A tiltrotor helicopter according to claim 1, characterized in that it is equipped with an axial fan mounted next to the gearbox and operating in two modes - with a reduced speed when the fan shaft is connected to the reduction gear stage for pumping air into the air duct only for reactive parry the moment acting on the fuselage in a helicopter flight mode, and with a nominal speed when connecting the fan shaft directly to the shaft of the power plant to pump air into the air duct and create horizontally th thrust in high-speed flight mode.

3. A tiltrotor helicopter according to claim 2, characterized in that it is provided with a rotary sleeve-nozzle with an internal T-shaped channel mounted in the end part of the fuselage, and in the fuselage body there are side and rear windows, and the nozzle sleeve in helicopter mode the flight is informed by the air duct with the side window of the fuselage, and in the high-speed horizontal flight mode, the sleeve-nozzle communicates the air duct with the rear window of the fuselage, which ensures the outflow of air from the nozzle and the creation of side or horizontal thrust.