JP2016165998A - ヘリコプターのテールロータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メインロータの動力消費を低減する。【解決手段】ヘリコプターのテールブームに取り付けられ得るテールロータ装置２であって、流路軸Ａの方向にわたる流路深さＴを有する空気流路２００を形成する被覆部材２０を含み、前記流路軸は、長さ軸Ｌ及び内周側流路直径２０２に直交しており、複数の回転翼２１０を有するテールロータ２１が前記空気流路内に回転可能に設置され得て、前記被覆部材が、逆の長さ方向に、その流路深さが前方から後方へ先細りとなっており、その目的は、操作の間の前進飛行特性を改良すること、及び、メインロータの動力消費を低減すること、である。このことは、選択された可変の流路深さが、常時、前記内周側流路直径の１／４よりも小さく、前記長さ軸の方向における前記被覆部材の可変の前記流路深さと、前記被覆部材の前記内周側流路直径との間の比率が、２０．５％と１４％との間の値となっていることによって、達成される。【選択図】図４ｂ

Description

本発明は、回転翼航空機、特にヘリコプターのテールブームに取り付けられ得るテールロータ装置であって、流路軸の方向にわたる流路深さを有する空気流路を形成する被覆部材を含み、前記流路軸は、長さ軸及び内周側流路直径に直交しており、複数の回転翼を有するテールロータが空気流路内に回転可能に設置され得て、被覆部材が、当該被覆部材の長さ方向の進行部分におけるその流路深さをテールブームから離れる方向で先細りとなるように設計されている、テールロータ装置を示す。

商業的に入手可能なヘリコプターは、メインロータに加えて、テールブームに配置されるテールロータ装置を有し、テールロータ装置は、被覆部材によって露出され且つ覆われており、メインロータによって生成されたトルクに逆らうべく、横方向の水力の生成のために用いられている。

以下で説明されるのは、被覆されているさまざまのテールロータ装置であり、長期にわたり既に知られている種々の形態である。テールロータ装置の被覆部材は、小型及び中型のヘリコプターの重量クラスにおいて、現在、一般的であり、これは、騒音及び振動が低減され得て、テールロータ装置の一部としてのテールロータに流入する改良された流れが確保され得ることだけでなく、テールロータはもちろん、人も被覆部材によって一層良好に保護され得るからである。

さらに、被覆部材を有するテールロータ装置は、通常、より良好な推力動力比（thrust-power ratio）を示す。これは、翼先端損失が最小化され得て、テールロータから下流への拡散作用によって噴射減衰（jet contraction）が抑制されることにより、テールロータにおける動力が減少することによるものと考えられる。他方で、改良された比率は、流路内側での加速された流れによって生成される追加された推力を生じさせる。結果的に、同じ動力消費で被覆部材の無いテールロータを使用した場合に比べて大きい推力が、被覆部材を有するテールロータによって得られる。

ＥＰ０５０８０２５から公知のヘリコプターは、ホバリング操作及び異なる飛行速度での急旋回操作のために最適化されている。テールロータを覆う被覆部材を有するテールロータ装置は、テールブームに配置されている。被覆部材は、テールロータが設置される空気流路を形成する。テールロータの回転軸の方向における被覆部材の流路深さＴは、被覆部材の壁がテールロータの回転軸の方向で完全にテールロータを覆うように、設計されている。この流路深さＴは、一定の値をとり、テールロータの深さよりも設計上で大きく、回転翼が空気流路の内側に完全に位置するようになっている。ＥＰ０５０８０２５では、５０ｃと６０ｃｍとの間の流路深さが選択されている。ドライブトレインは、テールロータまでテールブームを通して導入されており、これによりテールロータが駆動可能となる。ＥＰ０５０８０２５の図１から明らかなように、選択されたテールロータ直径は、流路深さＴよりも、１２０ｃｍと１３５ｃｍとの間で、明確に大きくなっている。従来技術から知られるように、３０％よりも大きくなる、テールロータ直径Ｄと流路深さＴとの比率（Ｄ／Ｔ）が、通常、選択されており、良好な推力動力比が、達成され得る。

この比率は、後側領域に配置される主要部（mass）の応力中心距離を可能な限り小さくするために、非常に大きいテールロータ直径Ｄを選択しないということに基づいており、ヘリコプターの重心を差し支えない範囲に制限することが可能となる。小さいテールロータ直径Ｄで必要な推力及び良好な効率を達成するために、流路深さＴは、ほとんどの場合、より一層増加され、追加的なステータが一部に組み込まれ、これにより、流れの角運動量からより大きい推力を得ることができる。

しかしながら、一層拡大された流路深さＴ、及び関連してより大きくなる流路壁の表面又は被覆部材全体の表面を考慮すると、これらの改良手法は、前進飛行時のヘリコプターの増加された形状抵抗を生成することになる。ステータの形状も、被覆されたテールロータの結果的な騒音レベルを増加させ、ステータの使用は、効率の向上のためには有利となる一方で、飛行時の快適性を犠牲にする。

騒音レベルを一層低下させるのと同時に推力の効率を増加させるために、ＵＳ４５０６８４９は、ヘリコプターの長さ方向において狭くなる形態を有する閉鎖したリング形状の被覆部材を提案している。ヘリコプターの長さ軸及び垂直軸と直交に整列される流路軸の方向において、このリングは、回転翼から下流又は回転翼の平面の下流に配置され、回転翼の平面はリング内に配置されておらず、後者から上流に位置するため、リングは被覆部材を表出していない。実際上、流路の形態は、何ら言及されていない。このかなり珍しい提案は、可能な範囲で最も大きい流路深さを有する被覆部材の使用、及び、内周側流路直径内で流路壁によって覆われるテールロータを配置するという前述した方策に相反する。そのような狭いリングを使用したときのテールロータ直径Ｄと流路深さＴとの間の比率（Ｄ／Ｔ）は、ＵＳ４５０６８４９によれば約１２．５％である。被覆部材としてそのようなリングを使用することは、噴射減衰を抑制でき、これにより向上された効率を得ることができる。しかしながら、利点は、全ての想像可能な飛行条件で得ることはできず、このタイプの被覆部材は、商業的成功をおそらく享受していない。

７０年代半ばに、ヘリコプターの非常に小型のテールロータ装置のための他の形態が、「D.R. Clark“Aerodynamic Design Rationale for the Fan-in-Fin on the S-67 Helicopter”American Helicopter Society 31^ST Annual National Forum, Washington, D.C ., May 13-15, 1975」によって開示された。ここに示されているのは、非常に小さいテールロータ直径を有するテールロータであり、これは、半径方向に非対称の形態を有する被覆部材によって覆われており、被覆部材の幅は、後方に向けた逆の長さ軸方向Ｌで、すなわち長さ軸方向Ｌでテールブームの側部から被覆部材の端部に、先細りとなっている。最大の流路深さは、実験上、テールロータ直径の半分の値に測定された。

好適な空気抵抗を達成するために、被覆部材の外側形状に伴う入口半径及び出口半径が、最適化されていた。外側から見て凹状に湾曲された、下流に配置される先細りの被覆部材は、重量の点で節約することが可能となり、このことは利点として認められる。しかしながら、ノズルのようなテールロータ装置は、全ての飛行操作において利便性を失うため、乗り出された開発の方針は、さらに追及されていない。被覆部材の形状によって提供される、起こり得る潜在性は、明らかに認められず、被覆部材又はテールロータ装置のための他の形態への探求は、その後も継続されていた。これら形態は、真っ先に、可能な範囲で最も大きい流路深さ及び対称形状のジャケットハウジングを有する被覆部材を示す。その結果、これらの形状は、他の方向にすすみ、望ましい利点を達成することが不可能であった。

本発明の目的は、操作の間、前進飛行特性を改良し、メインロータの動力消費を低減する、ヘリコプターのテールロータ装置を提供することである。

テールロータ装置を使用したとき、被覆部材は、ヘリコプターの全体の推力消費を低減することが可能となり、一方で、他のボディとの干渉に対する回転翼の保護、推力動力比の改善、及びとりわけ騒音の抑制のような被覆部材の公知の積極的な特性を保持する。

この目的は、比較的に非常に大きいテールロータ直径を有するテールロータによって達成され、テールロータ直径は、流路深さよりも少なくとも５倍大きくなっており、その結果としての大きい内周側流路直径を利用する。メインロータから外側を向く方向で被覆部材の進行部分における後部の方向にヘリコプターノーズから進行する、逆の長さ軸方向（前後軸方向）での被覆部材又は流路深さの先細り形状は、ここで、流路深さと内周側流路直径又はテールロータ直径との間での規定された比率で選択される。

翼及びヨーイングの安定性を最善に向上するために、被覆部材の形状は、テールロータと組み合わされて、そのテールロータ直径は少なくとも１０００ｍｍの値をとる。

本発明の主題の好ましい例示的な実施の形態は、添付の図面と協働して、以下に示される。
図１は、従来技術によるテールロータ装置の部分的な断面図である。 図２は、本発明によるテールロータ装置を備えるヘリコプターの側面図である。 図３は、ヘリコプターに固定されたテールロータ装置を有するテールブームの斜視図である。 図４ａは、被覆部材を有するテールロータの入口側からの詳細な側面図である。 図４ｂは、図４ａのＹ−Ｙ線に沿って切断した、テールロータ装置の断面図である。 図５は、テールロータ装置の概略的な断面図である。

一例としてここに示されるヘリコプター０は、テールブーム１がそこからヘリコプター０のテールの方向に延びるキャビンＫを有する。メインロータＨは、図示及び詳細な説明が省略される駆動源によって駆動され、この駆動部は、長さ軸Ｌ（前後軸Ｌ）の方向にテールブーム１に連結したテールロータ装置２も駆動する。長さ軸Ｌは、ヘリコプター０及びテールロータ装置２の長さ軸Ｌを形成している。テールロータ装置２は、テールロータ２１を含み、テールロータ２１は、わずかな径方向距離だけ、被覆部材２０から離れて配置されている。メインロータＨ及びテールロータ２１の駆動源のタイプは、本出願において重要な役割を果たさず、また交換可能であるため、これは、詳細に議論しないものとする。

テールロータ２１は、メインロータＨの回転翼周囲の外側に配置され、操作の間、長さ軸Ｌ及び流路軸方向Ａの垂直軸ｈに直交する、水平推力とも呼ばれる推力作用を生成し、これによりメインロータＨから生じるトルクをオフセットすることができる。テールロータ２１を覆う被覆部材２０は、テールロータ装置２にダクトファンの形態を付与し、被覆部材２０は、本質的に円柱状に形成されたジャケットハウジング２０となっている。

図３におけるテールロータ装置２の詳細な斜視図から明らかなように、エレベータ２３が長さ方向で被覆部材２０から上流に配置され、テールブーム１に向いている。明確化の理由で、垂直スタビライザーについては、図中に示さないようにしている。

被覆部材２０は、内周側ジャケット壁部２０１を有し、この内周側ジャケット壁部２０１は、流路軸Ａを有する空気流路２００を覆っている。空気流路２００は、垂直軸ｈに直交し、長さ軸Ｌに向けて延びている。操作中に空気流路２００を通過する空気の方向が、破線の矢印によって示されている。テールロータ２１は、空気流路２００の内側に設置され、そのため流路軸Ａの方向で被覆部材２０によって覆われている。

テールロータ２１は、複数の回転翼２１０を有し、空気流路２００内で二つの支持柱２２によって強固に保持され、内周側ジャケット壁部２０１から離れている。回転翼２１０は、わずかに捻じれており、ピッチング調整装置によって操作の間、可変に位置決めされ得るようになっている。テールロータ２１は、流路軸Ａに平行、よって流路軸Ａと同一とされる回転軸２１１を有する。テールロータ２１は、軸受２１２を有し、軸受２１２には、保持ホイールが締結される。回転翼２１０は、保持ホイールと一体に回転するために、この保持ホイールに設置されている。ピッチ調整用のテールロータギア及び制御部は、ここでは詳細に説明しないが、当業者であれば、これらの領域の方策を知見できる。テールロータギア及びピッチ調整制御部は、回転翼２１０を制御可能に回転及び調整するために用いられる。軸受２１２、また回転翼２１０は、ドライブトレイン１０によって回転軸２１１周りに駆動され、ドライブトレイン１０は、逆の長さ方向Ｌで、駆動源からテールロータ装置２へテールブーム１を通過している。

被覆部材２０又は内周側ジャケット壁部２０１は、設計において略トロイド形状又は環トロイド形状であり、被覆部材２０は、長さ軸Ｌの方向での長さＵを有し、テールブーム１に取り付けられ且つ形成されている。内周側ジャケット壁部２０１は、設計上、部分的に湾曲されている。

側面図で本質的に認められるのは、開口を有する環体であり、そこにテールロータ２１は配置されている。この開口は、空気流路２００を表出させ、これにより、垂直軸ｈ及び長さ軸Ｌに直交する方向に、よって流路軸Ａの方向に、空気の通過が可能となる。図４ａによる側面図は、被覆部材２０の入口側を示している。テールロータ２１の操作の間、空気は、空気流路２００を通して、この入口に吸い込まれる。入口における内周側ジャケット壁部２０１の湾曲部が、側面図に示されている。操作の間、空気は、内周側ジャケット壁部２０１の周りでテールロータ２１に吸い込まれ、空気流路２００へと搬送される。

内周側流路直径２０２は、設計上、テールロータ直径Ｄよりも、距離ａだけ大きい。距離ａ或いは翼隙間ａは、空気流路２００における圧力損失を最小化又は空気渦を最小化するために、テールロータ直径Ｄの０．５％より小さい値をとるべきである。

回転翼２１０は、ここでテールロータ２１又は保持ホイールに配置されている。２つの支持柱２２はテールロータ２１を保持し、回転翼２１０が固定回転翼面Ｅに保持されている。各回転翼２１０の表面は、回転翼面Ｅにおいて、空気流路２００の全体流路面の一部を覆っている。十分なテールロータ推力を生成するために、回転翼２１０によって覆われる表面と、空気流路２００の全体の流路面との間の比率としての面密度が、２５％と３５％との間の値をとるべきことを、実験が証明している。

図４ｂによる断面において、流路深さが、Ｔで示されており、図４ｂにおける空気流れは、上から下へ、入口側から出口側へ、流れる。操作の間、テールロータ装置２によって空気流路２００を通る空気流れが、種々の破線の矢印によって、示されている。

流路深さＴは、流路軸Ａ又は回転軸２１１に向けた方向、したがって垂直軸ｈ及び長さ軸Ｌに直交する方向に延びている。流路深さＴは、流路軸Ａの方向における内周側ジャケット壁部２０１の長さによって、決定されており、ここで、長さ軸Ｌの方向、より正確にはキャビンＫから離れる方向に向けた逆の長さ軸方向Ｌにおける被覆部材の長さＵの進行において変化する。流路深さＴは、テールブーム１から離れる方向に向く被覆部材２０の側の方向に、大きい方の第１の流路深さＴ１から小さい方の第２の流路深さＴ２まで先細りとなっている。

様々な複数の数値によって実証されるように、飛行特性における実際的な効果が、可能な限り大きい内周側流路径２０２を有する被覆部材及び対応する大型のテールロータ直径Ｄを選択することによって、および、ここで流路深さＴ１，Ｔ２と内周側流路直径２０２との間の特定の比率を有するように先細り部分を設計することによって、驚くほど達成されている。

内周側流路直径２０２又はテールロータ２１に合わせて作られるテールロータ２１のテールロータ直径Ｄは、逆の長さ軸方向Ｌにおける被覆部材２０の変化する流路深さＴと、被覆部材２０の内周側流路直径２０２との間の比率が、２０．５％と１４％との間となるように、選択される。したがって、選択される内周側流路直径２０２は、より大きくなる流路深さＴ１より、少なくとも５倍だけ大きくなければならない。

横方向推力の生成比率が高いものとして与えられない場合であっても、一定の可能な限り大きい流路深さＴを有する被覆部材２０ではない先細りのジャケットハウジング２０の試験は、そのような先細り部分が有利であることを実証している。安定性の理由のために、小さい方の流路深さＴ２は、あまり縮小されるべきでなく、比率は、１４％と等しいか１４％より大きくなっている。

横方向における十分な推力を生成するための最善の結果は、１２０８ｍｍの内周側流路直径２０２を有する被覆部材２０を備えたテールロータ装置２を備えることによって達成されており、選択されたテールロータ直径Ｄは、１２００ｍｍと等しい値であった。試験で実証されているように、選択されたテールロータ直径Ｄ、したがって内周側流路直径２０２は、少なくとも１０００ｍｍであり、これにより十分に大きいテールロータ表面が、好適な翼及びヨーイング安定性に寄与することができる。

２４５ｍｍの第１の流路深さＴ１と１７５ｍｍの第２流路深さＴ２との間で流路深さＴが変化したことで、流路深さＴは、テールブーム１の側から後方に向けて進む、逆の長さ軸方向Ｌ、したがってテールブーム１から離れる方向に、先細りとなって、これにより、１４．４８％から２０．２８％の流路深さＴと内周側流路直径２０２との比率を得ることができる。Ｔ２は、常に、Ｔ１／２より大きくなるように選択される。長さ軸Ｌの方向における被覆部材２０可変となる流路深さＴと、被覆部材２０の内周側流路直径２０２との間の選択された比率は、２５％と１０％との間となり、良好な結果を導いた。

テールロータ装置２の説明された形態の利点は、一方で、好適な翼及びヨーイング安定性が大型のテールロータ直径によって生成され得ることであり、他方で、前進飛行の間に、メインロータＨはより少ない動力を引き出せばよいことであり、なぜならば、テールロータ装置２の形状抵抗が、公知の深い空気流路又はより小型のテールロータ装置に比較して、より小さくなるからである。

１０％と１２％との間における、テールロータ直径ＤとメインロータＨの直径との間の比率の選択は、テールロータ２１によって最適な推力生成を達成することを可能とする。Ｄと、１０．８４％のメインロータＨの直径との間の比率の選択は、特に好ましいものであった。

図５は、被覆部材２０と内部のテールロータ２１を通した概略的な断面図を再度示している。内周側ジャケット壁部２０１は、空気流路２００を完全に覆っており、内周側ジャケット壁部２０１の進行部分は、変化する断面と湾曲部を有している。図５の上側での入口２０３，２０３’の領域では、内周側ジャケット壁部２０１が、対向する出口２０５におけるそれほど湾曲していない範囲へ湾曲している。大きい方の流路深さＴ１の高い位置での入口２０３における湾曲部も、小さい方の流路深さＴ２の高い位置での入口２０３’における湾曲部に対して、異なって構成されている。

ローターから下流側で流路軸Ａの方向において出口２０５の正面の領域では、拡散部分２０４，２０４’が、内周側ジャケット壁部２０１の円筒状流路形状に連結している。これは、流路軸Ａに向けてわずかに傾き、出口に、望ましい方向の空気流れを提供する。つまり、出口の前に、空気流れは、略直進状、むしろ鋭角の出口２０５，２０５’のそばを通る。拡散部分２０４，２０４’の長さは、大きい方の流路深さＴ１と小さい方の流路深さＴ２の側において、設計上、異なるが、出口２０５，２０５’の両方は、同じ角部分を有する。

０ ヘリコプター
Ｋ キャビン
Ｈ メインロータ
Ｌ 長さ軸
ｈ 垂直軸
１ テールブーム
１０ ドライブトレイン
２ テールロータ装置
２０ 被覆部材／ジャケットハウジング
２００ 空気流路
２０１ 内周側ジャケット壁部
２０２ 内周側流路直径（長さ軸の高さでの／回転軸に直交する）
Ｔ 流路深さ
Ｔ１、Ｔ２ 長さ軸における流路深さの先細り
Ｕ 被覆部材の長さ
Ａ 流路軸
２０３ 入口
２０４ 拡散部分
２０５ 出口
２１ テールロータ（回転機構／回転翼支持部）
２１０ 回転翼
Ｅ 回転翼面
Ｄ テールロータ直径（Ｄ＜２０２）
２１１ 回転軸（流路に同軸に保持）
２１２ 軸受
ａ 距離／翼先端
２２ 支持柱
２３ エレベータ

Claims (7)

1. 回転翼航空機、特にヘリコプター（０）のテールブーム（１）に取り付けられ得るテールロータ装置（２）であって、
   流路軸（Ａ）の方向にわたる流路深さ（Ｔ）を有する空気流路（２００）を形成する被覆部材（２０）を含み、前記流路軸（Ａ）は、長さ軸（Ｌ）及び内周側流路直径（２０２）に直交しており、複数の回転翼（２１０）を有するテールロータ（２１）が前記空気流路（２００）内に回転可能に設置され得て、前記被覆部材（２０）が、当該被覆部材（２０）の長さ方向の進行部分におけるその前記流路深さ（Ｔ）を前記テールブーム（１）から離れる方向で先細りとなるように設計されており、
   選択された可変の前記流路深さ（Ｔ）が、常時、前記内周側流路直径（２０２）の１／４よりも小さく、
   前記長さ軸（Ｌ）の方向における前記被覆部材の可変の前記流路深さ（Ｔ）と、前記被覆部材（２０）の前記内周側流路直径（２０２）との間の比率（Ｔ１／２０２，Ｔ２／２０２）が、２５％と１０％との間の値となっている、ことを特徴とするテールロータ装置（２）。
2. 前記被覆部材（２０）の選択された前記内周側流路直径（２０２）は、１０００ｍｍ、特に１２００ｍｍよりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のテールロータ装置（２）。
3. 選択された第１の前記流路深さ（Ｔ１）は、２５０ｍｍよりも小さく、第２の前記流路深さ（Ｔ２）は、１３５ｍｍよりも大きい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテールロータ装置（２）。
4. 選択された第２の前記流路深さ（Ｔ２）は、第１の前記流路深さの半分（Ｔ１／２）よりも大きい、ことを特徴とする請求項３に記載のテールロータ装置（２）。
5. 前記回転翼（２１０）によって覆われる表面と、前記空気流路（２００）の流路面全体との間の比率としての面密度が、２５％と３５％との間の値となっている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のテールロータ装置（２）。
6. 前記回転翼の先端と内周側ジャケット壁部（２０１）との間の翼隙間（ａ）が、前記テールロータ直径（Ｄ）の０．５％よりも小さい値となっている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のテールロータ装置（２）。
7. １０％と１２％との間で、前記テールロータ直径（Ｄ）とメインロータ（Ｈ）の直径との間の比率が、選択されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のテールロータ装置（２）。