Лопасть воздушного винта для винтокрылого летательного аппарата
Группа изобретений относится к авиации. Лопасть (20) воздушного винта содержит аэродинамический профиль, имеющий носок (21), основу (20а) с сердцевиной (22) и охватывающими сердцевину (22) верхней и нижней обшивками (30). Зона (23) задней кромки профиля с задней кромкой (40) снабжена обратимо искривляемым изгибным приводом (26), который первым краем крепится в краевой зоне основы (20а), обращенной к задней кромке (40), а вторым краем свободно выступает из основы (20а) и ее краевой зоны к задней кромке (40). Второй край образует часть зоны (23) задней кромки лопасти и подвижный закрылок (24) лопасти, который при искривлении изгибного привода (26) способен деформироваться с обеспечением дугообразного отклонения закрылка лопасти. Винтокрылый летательный аппарат характеризуется использованием лопасти. Группа изобретений направлена на упрощение конструкции при обеспечении плавной деформации. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лопасти воздушного винта с подвижным закрылком лопасти прежде всего для винтокрылого летательного аппарата, например вертолета, а также к винтокрылому летательному аппарату с такой лопастью воздушного винта.
Уровень техники
На лопастях воздушного, прежде всего несущего, винта винтокрылого летательного аппарата во время работы образуются воздушные вихри. Они создают шум и вибрации, ощутимые в кабине вертолета и снижающие комфорт для пассажиров. Кроме того, такие вибрации отрицательно сказываются на сроке службы машины и сокращают интервалы технического обслуживания, так как они могут стать причиной усталости материалов деталей конструкции и прогрессирующего относительного движения деталей, сопровождающегося их износом.
Асимметричные условия обтекания и сложные аэромеханические и аэроупругие явления, столкновение лопасти воздушного винта с воздушными вихрями, создаваемыми движущейся спереди лопастью, и обусловленные этим силы, действующие на лопасть воздушного винта, являются причиной этих шумов и вибраций. Чтобы насколько возможно учесть режимы полета и изменения угла атаки, используются лопасти воздушного винта, позволяющие изменять форму лопасти в зоне задней кромки. Путем целенаправленного выбора формы лопасти воздушного винта в зоне задней кромки можно уменьшить шумы и вибрации при одновременном улучшении режима и линии полета.
Из уровня техники известны закрылки лопасти воздушного винта на задней кромке лопасти, подвижно закрепленные посредством шарнира на корпусе профиля лопасти. Из публикации DE 10116479 А1 известна такая лопасть воздушного винта, причем закрылком лопасти можно управлять с помощью пьезоэлектрического привода (актюатора), расположенного в направлении хорды профиля на расстоянии от закрылка в передней зоне корпуса профиля лопасти воздушного винта. Пьезоэлектрический привод создает перестановочное усилие и посредством полосковых или стержневых тяговых элементов передает их на закрылок лопасти воздушного винта.
У лопастей воздушного винта такого типа уже после сравнительно короткого периода эксплуатации эффективность закрылка лопасти ослабевает. Поэтому в публикации DE 10334267 А1 предлагается лопасть воздушного винта с упругоподвижным закрылком лопасти, у которой в жесткие обшивки крыльевого профиля вмонтированы или непосредственно под жесткими обшивками или на жестких обшивках закреплены пьезоэлектрические приводы, поэтому можно по выбору воздействовать на один из двух пьезоэлектрических приводов на самой верхней или самой нижней обшивке крыльевого профиля, обеспечивая тем самым смещение соответствующей одной обшивки относительно другой обшивки, т.е. укорочение или удлинение верхней обшивки по сравнению с нижней. Вследствие укорочения одной обшивки относительно другой происходит отклонение вверх или вниз жестко закрепленного на обшивках закрылка лопасти воздушного винта.
В публикации JP 8-216-997 раскрывается конструкция лопасти воздушного винта для вертолета, у которой обшивка в зоне задней кромки лопасти может растягиваться или сжиматься посредством пьезоэлектрического элемента по меньшей мере в направлении хорды профиля.
Аналогичное устройство раскрыто в публикации DE 10304530 А1, причем пьезоэлектрические приводы встроены в профиль, для которого закрылок не предусмотрен, или альтернативно предусмотрены только в закрылке. При использовании пьезоэлектрических приводов они служат для деформирования закрылка профиля.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышеизложенного в основу изобретения была положена задача снабдить лопасть воздушного винта закрылком, который был бы простым в механическом и кинематическом отношении, обладал благоприятными аэродинамическими свойствами и обеспечивал плавную деформацию в направлении хорды профиля и в направлении размаха.
Эту задачу решает лопасть воздушного винта, охарактеризованная в пункте 1 формулы изобретения. Винтокрылый летательный аппарат, использующий такую лопасть воздушного винта, описан в пункте 32 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
В основу изобретения положена идея приводить в действие закрылок лопасти воздушного винта или воздействовать на него, т.е. создавать отклонение закрылка посредством обратимо искривляемого привода, предпочтительно пьезоэлектрического привода (актюатора), являющегося составной частью изгибного привода. Этот изгибный привод, сам являющийся важной составной частью закрылка лопасти воздушного винта, обратимо деформирует закрылок для создания его отклонения. Изгибный привод имеет предпочтительно плоскую форму, причем он может быть образован одним или несколькими пластинчатыми и/или полосковыми элементами. "Плоский" означает, что изгибный привод в одном пространственном измерении, предпочтительно в направлении, по существу перпендикулярном поверхности профиля, имеет малую толщину по сравнению с другими пространственными измерениями. Изгибные приводы ориентированы предпочтительно таким образом, чтобы их основные поверхности располагались по существу вдоль поверхностей профиля лопасти воздушного винта. Основные поверхности изгибного привода могут располагаться на переменном или постоянном расстоянии от внешней стороны профиля. Важно, чтобы изгибный привод мог подвергаться определенной деформации или определенному изгибу.
Поскольку в основе профиля лопасти воздушного винта предусмотрена по меньшей мере одна зона крепления изгибного привода или изгибный привод закреплен на первом конце основы профиля, с одной стороны, не требуются дополнительные механические элементы крепления закрылка, например шарниры. С другой стороны, деформация зоны закрылка, как и приведение в действие или в движение закрылка могут осуществляться посредством одного и того же изгибного привода, поэтому в механическом отношении конструкция сравнительно проста. Кроме того, поскольку изгибный привод интегрирован в структуру профиля, обеспечено его надежное крепление. Вследствие того что посредством изгибного привода деформируется весь закрылок лопасти воздушного винта, в некоторых случаях включая слой наполнителя, расположенный между обшивкой и изгибным приводом, не образуется резких переходов, а скорее во всех состояниях отклонения закрылка возникает равномерный, непрерывный контур, который может изменяться как в направлении хорды профиля, так и в направлении размаха или только в одном из обоих направлений, если активизируются различные зоны изгибного привода.
В зоне изгибного привода, как правило, отсутствует обычная обшивка, например, из волокнистого композиционного материала, который обладает очень большой жесткостью и придает профилю стабильность. Здесь имеется упругое при изгибе или резиноэластичное защитное покрытие, на изгибный привод нанесен первый резиноэластичный или упругий при изгибе наполнитель, или изгибный привод расположен свободно, чтобы обеспечивать хорошую гибкость или деформируемость закрылка лопасти воздушного винта. Также возможны комбинации защитного покрытия и наполнителя. В альтернативном варианте зона гибкого закрылка лопасти воздушного винта снабжена придающей жесткость обычной обшивкой, состоящей, как правило, из волокнистого композиционного материала, по меньшей мере не полностью или не на обычную толщину, чтобы обеспечить ее гибкость. По меньшей мере локальное утонение, образующее так называемый виртуальный шарнир, должно в этом случае присутствовать в обшивке, или обшивка должна быть в целом значительно тоньше, чем обычно, чтобы она могла легко деформироваться при приложении усилий изгибным приводом. Деформируемый участок может быть также образован локальной, мягкой на изгиб прокладкой в обшивке или встроенным элементом из мягкого на изгиб материала.
Отклонение закрылка при этом происходит по дуге, т.е. по равномерно искривленной траектории без изломов и нарушений. Это позволяет практически полностью избежать неблагоприятных завихрений и сопровождающего их повышенного сопротивления, что имеет место при прерывистом контуре поверхности и наличии углов или изломов в контуре, результатом чего становятся равномерный, без вибраций режим работы и равномерное обтекание контура. Следовательно, лопасть воздушного винта при отклонении закрылка приобретает улучшенные аэродинамические свойства.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения изгибный привод включает в себя пьезоэлектрический привод, причем он представляет собой, например, пьезоэлемент типа d33, пьезоэлемент типа d31 или другой элемент, активизируемый и изменяющий форму при подаче электрического тока, например элемент из пьезополимеров или пьезокерамики в формах, отличных от пакета. Возможен, например, пластинчатый изгибный привод из сплава с эффектом запоминания формы. Кроме того, предпочтительно, чтобы изгибный привод содержал волокнистый композиционный материал или композиционный материал, имеющий, например, слоистую структуру с пластинчатым материалом подложки и пьезоэлектрическим изгибным приводом. Особенно предпочтителен трехслойный изгибный привод с несущим слоем из волокнистого композиционного материала и нанесенными на него с обеих сторон пьезоэлементами, чем создается сэндвичевая структура. В качестве несущего слоя может использоваться, в частности, полимерный материал, армированный стекловолокном, при необходимости, с анизотропными или изотропными свойствами, например с матрицей из термореактивной смолы (например, эпоксидной смолы) или из термопластичной смолы. Важно, чтобы несущий слой был также обратимо искривляемым, т.е. следовал отклонению, создаваемому активизированным изгибным приводом. Несущим слоем может быть, например, пружинящий или предварительно напряженный элемент, создающий усилие возврата изгибного привода в нейтральное положение, когда изгибный привод не активизирован или когда при активизации изгибного привода необходимо преодолевать усилие его предварительного напряжения.
Путем установки нескольких пьезоэлектрических приводов, например, в виде полоски на материале подложки в направлении размаха или в направлении хорды профиля или же в комбинации направления размаха и направления хорды профиля можно получить свободный от изломов и зазоров контур профиля, включая зону задней кромки, к которой примыкает закрылок лопасти воздушного винта, и включая сам закрылок лопасти как в деформированном, так и в недеформированном состоянии, и расширить возможности активизации и изменения формы закрылка лопасти, поскольку его можно обратимо изгибать в определенной зависимости от активизации изгибного привода.
При этом, например, пьезоэлектрические приводы и/или материал подложки могут иметь изменяющуюся по площади толщину или соответствующие нагрузкам или создаваемому усилию свойства активизации или изменения формы, что обеспечивает дополнительную гибкость в отношении возможностей активизации и деформирования закрылка лопасти воздушного винта. В частности, конструкция изгибного привода, например, из пьезоэлектрического привода и материала подложки, может быть такой, которая позволяла бы, например, оптимизировать максимальное отклонение закрылка или аэродинамическую эффективность закрылка или профиля лопасти воздушного винта. Такую оптимизацию можно усилить за счет того, что слоям изгибного привода или образующим его элементам, в частности пьезоэлектрическому приводу и материалу подложки, целенаправленно придают определенную ориентацию с учетом свойств материала, если их свойства как анизотропных материалов зависят от направления.
Предпочтительно на изгибный привод наносится гибкий наполнитель, внешняя сторона которого в этой зоне профиля лопасти воздушного винта образует внешний контур. Гибкий наполнитель может полностью или только частично покрывать изгибный привод. Гибкий или резиноэластичный наполнитель может согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения образовывать гибкое защитное покрытие. Альтернативно дополнительное гибкое, упругое при изгибе защитное покрытие может в качестве защитной оболочки охватывать гибкий наполнитель, чтобы гибкий наполнитель располагался между изгибным приводом и защитным покрытием. Защитным покрытием в данном случае может быть, например, гибкая пленка, нанесенный позднее способом вулканизации материал, лакокрасочное покрытие или тому подобное. Как наполнитель, так и защитное покрытие могут быть предусмотрены на одной или на обеих сторонах изгибного привода или несущего слоя. Использование наполнителя обеспечивает особенно плавный переход между профилем лопасти воздушного винта и закрылком лопасти в отношении контура, так как наполнителю можно придавать произвольный контур. В частности, наполнитель может достигать основы профиля или его обшивки и/или располагаться ниже, т.е. между сердцевиной и обшивкой, и в поперечном сечении охватывать основу профиля в ее краевой зоне, например, в виде вилки или цанги. Основа профиля может под острым углом на произвольно выбираемую длину сходиться в материале наполнителя.
В альтернативном варианте изгибный привод без дополнительного наполнителя образует закрылок, причем в этом случае только место крепления изгибного привода расположено у зоны задней кромки профиля или в ней. При этом в зоне закрылка лопасти воздушного винта не предусмотрены дополнительные гибкие слои за исключением упругого при изгибе защитного покрытия, непосредственно примыкающего к изгибному приводу, или защитного покрытия на наполнителе изгибного привода.
В качестве гибкого наполнителя предпочтительно использовать вспененный материал, эластомер или силикон как однородный, гибкий материал, следующий изменению формы изгибного привода и таким образом обеспечивающий отклонение закрылка и изменение формы закрылка, соответствующее отклонению и изменению формы изгибного привода. Альтернативно в качестве наполнителя может служить материал несущей конструкции, т.е. неоднородный материал или структура. Такие, например, ребристые, элементы жесткости располагаются предпочтительно в направлении хорды профиля в поперечном сечении профиля лопасти воздушного винта.
Для образования сопряжения между основой профиля и закрылком лопасти воздушного винта предпочтительно предусмотрено крепежное устройство для крепления закрылка лопасти съемным образом, т.е. таким образом, чтобы закрылок можно было снимать, например, для замены, технического обслуживания или контроля. Такое сопряжение, или стыковочный узел, состоит как из механической части, обеспечивающей сохранение механических свойств исходной лопасти воздушного винта, если лопасть и закрылок лопасти разъединяются, а затем снова соединяются, так и электрической части с электрическими контактами, которые благодаря взаимной подгонке двух деталей конструкции позволяют без проблем восстанавливать, например, электрическое соединение через внутреннюю сердцевину профиля. Поскольку при установленном закрылке сопряжение не имеет непосредственной связи с окружающей средой, оно, как и изгибный привод, во время работы защищено от влияния внешних факторов, например загрязнений. Вместо того чтобы предусматривать сопряжение с возможностью снятия изгибного привода с основы профиля, изгибный привод можно также крепить на профиле неразъемным соединением.
Крепежное устройство может иметь соединяемую с краевой зоной основы профиля лопасти структуру замыкающего профиля, имеющую гнездо для ввода изгибного привода. Альтернативно можно, например, насаживать вильчатую присоединительную часть изгибного привода на крепежный выступ. Структуру присоединения к профилю соединяют с сердцевиной профиля или основой профиля, например, путем вклеивания, наклеивания, навинчивания, приклепывания или непосредственной заделки в слои сердцевины профиля или основы профиля. Крепежное устройство или, в частности, крепежный выступ или гнездо предпочтительно располагаются в направлении задней кромки профиля.
Например, оно может быть образовано по существу U-образным профилем, открытым к задней кромке лопасти и заделанным в основу профиля лопасти. U-образный профиль предпочтительно выполнен из сравнительно прочного материала, например волокнистого композиционного материала. Структура присоединения изгибного привода образуется, например, двумя дополнительными выпуклыми к задней кромке лопасти и открытыми к носку профиля лопасти по существу U-образными профильными элементами, причем между двумя дополнительными профильными элементами располагается структура присоединения к профилю изгибного привода в виде продольного паза. Профильные элементы можно соединять с жесткими обшивками профиля. Между двумя U-образными выпуклыми к задней кромке профилями присоединительной структуры можно устанавливать изгибный привод и закреплять его с геометрическим и/или силовым замыканием. Эта структура обеспечивает передачу усилий среза между верхней и нижней обшивками и, следовательно, сохранение крутильной жесткости лопасти воздушного винта. Одновременно это сопряжение является изгибным сопряжением, способным передавать механические нагрузки между изгибным приводом и профилем лопасти воздушного винта. Электрические соединения и другие контакты для управления изгибным приводом и при необходимости его датчиками могут располагаться, например, внутри продольного паза.
В альтернативном варианте устройство для крепления образовано U-образным профилем, выпуклым к задней кромке лопасти и открытой стороной обращенным к носку профиля лопасти. Структура присоединения к профилю изгибного привода, представляющая собой проходящий в направлении задней кромки профиля открытый канал, сформирована во втором профиле, также выпуклом к задней кромке лопасти. Второй по существу U-образный профиль внешней стороной перекрывает первый профиль. Эта направляющая деталь или структура присоединения к профилю изгибного привода может быть выполнена в виде шлицевого отверстия, в которое вставляют или вводят изгибный привод и закрепляют его с геометрическим и/или силовым замыканием. Альтернативно структура может быть выполнена в виде выступа, охватываемого снаружи изгибным приводом и обеспечивающего электрические соединения. В этом случае между верхней и нижней обшивками предусматривают работающее на сдвиг сопряжение, передающее усилия среза.
Образующие структуру присоединения к профилю профильные элементы могут быть непосредственно или косвенно, например посредством отрезков других профильных или соединительных элементов, связаны с верхней или нижней обшивкой. Кроме того, они могут быть выполнены как единое целое или состоять из нескольких частей.
Различные элементы крепежного устройства, если оно состоит из нескольких частей (например, первого U-образного профиля и/или элемента крепления в сердцевине профиля лопасти), могут соединяться друг с другом с геометрическим и/или силовым замыканием. Для повышения жесткости сопряжения предпочтительно, чтобы профили по меньшей мере частично были дополнительно заполнены повышающим жесткость вторым наполнителем. Предпочтительно изгибный привод или структура присоединения к профилю закреплены в этой зоне с повышенной жесткостью. Жесткость этого второго наполнителя должна быть выше жесткости сердцевины профиля. Во избежание слишком больших различий в жесткости материалов второй наполнитель может быть снабжен впадинами или углублениями, чтобы обеспечить постепенный переход от второго наполнителя к сердцевине профиля и/или обшивке.
Другая альтернативная присоединительная структура предусматривает U-образный профиль, выпуклый к задней кромке профиля лопасти и имеющий продолжение к задней кромке. На внешней стороне этого продолжения можно крепить изгибный привод.
U-образный профиль может быть выполнен симметричным или асимметричным во всех конфигурациях. В первом U-образном канале могут быть при необходимости предусмотрены асимметричные или симметричные элементы крепления изгибного привода.
Краткое описание чертежей
Ниже сущность изобретения поясняется на примерах его осуществления, поясняемых прилагаемыми чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - вид в разрезе лопасти воздушного винта согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 - вид в разрезе лопасти воздушного винта согласно другому варианту осуществления изобретения;
на фиг.3 - вид в разрезе увеличенного фрагмента изгибного привода предлагаемой в изобретении лопасти воздушного винта;
на фиг.4 - альтернативный вариант исполнения привода, показанного на фиг.3;
на фиг.5 - другой альтернативный вариант исполнения привода, показанного на фиг.3;
на фиг.6 - увеличенный вид зоны задней кромки профиля предлагаемой в изобретении лопасти воздушного винта, снабженной устройством механического и электрического соединения;
на фиг.7 - альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.8 - другой альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.9 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.10 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.11 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.12 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.13 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.14 - еще один альтернативный вариант устройства механического и электрического соединения, показанного на фиг.6;
на фиг.15 - вид в разрезе зоны задней кромки предлагаемой в изобретении лопасти воздушного винта, в которой использован однородный материал наполнителя;
на фиг.16 - то же, что на фиг.15, но с использованием неоднородного материала наполнителя;
на фиг.17 - пример перехода между основой профиля и зоной задней кромки.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показаны два варианта исполнения предлагаемой в изобретении лопасти 20 воздушного винта. Лопасть 20 имеет основу 20а профиля с сердцевиной 22 профиля, а также носок 21 профиля и зону 23 задней кромки с задней кромкой 40. Сердцевина 22 профиля расположена между носком 21 профиля и зоной 23 задней кромки. Кроме того, лопасть 20 воздушного винта имеет закрылок 24, примыкающий к зоне 23 задней кромки профиля. Показанные на фиг.1 и 2 поперечные сечения лопасти 20 - это сечения, перпендикулярные направлению размаха и направленные по хорде профиля лопасти 20.
В варианте исполнения, показанном на фиг.1, закрылок 24 лопасти воздушного винта образован пластинчатым или полосковым изгибным приводом (многоморфным изгибателем), на конце которого, обращенном к носку 21 профиля, имеется крепежное устройство 28, посредством которого он заделан в зоне 50 крепления в сердцевину 22 профиля или в основу 20а профиля и закреплен в нем. На фиг.1 изгибный привод 26, образующий закрылок 24 лопасти воздушного винта, показан в двух различных положениях отклонения. Изгибный привод 26 имеет с обеих сторон гибкое или эластичное защитное покрытие 33. Защитное покрытие 33 может быть также предусмотрено на одной стороне. Сердцевина 22 профиля лопасти 20 покрыта весьма жесткой и придающей устойчивость верхней и нижней обшивкой 30. Таким образом, изгибный привод 26 образует в зоне 23 задней кромки профиля лопасти удлинение сердцевины 22 профиля или основы 20а профиля. Основа 20а профиля и закрылок 24 лопасти воздушного винта с его изгибным приводом 26 вместе образуют профиль лопасти воздушного винта.
В отличие от профиля лопасти 20, показанного на фиг.1, профиль лопасти 20, показанный на фиг.2, имеет не только устройство 28 для заделки изгибного привода 26 в сердцевину 22 профиля или в зону крепления 50 основы 20а профиля, но между защитными покрытиями 33 в зоне закрылка 24 лопасти воздушного винта и изгибным приводом 26 внесен упругий при изгибе первый наполнитель 32. Таким образом, от воздействия внешних факторов защищено не только крепежное устройство 28 в основе 20а профиля, но и весь изгибный привод 26. Кроме того, это позволяет выполнить переход между основой 20а профиля или его краевой зоной и закрылком 24 лопасти равномерным и без мешающих кромок или уступов. Благодаря упругости первого наполнителя 32 и защитного покрытия 33 по меньшей мере в зоне 23 задней кромки лопасти 20 воздушного винта можно обеспечить отклонение зоны 23 задней кромки лопасти 20 по типу закрылка, причем закрылок 24 лопасти воздушного винта сам по себе обратимо деформируется по дугообразной траектории.
Особенно для сравнительно тонких профилей лопасти воздушного винта такое исполнение предпочтительно, поскольку благодаря относительно тонкому слою из упругого первого наполнителя 32 передача изменения движения и формы изгибного привода 26 для изменения внешнего контура профиля не ограничена. Тем самым гарантируется нужное изменение формы зоны 23 задней кромки лопасти 20 воздушного винта по типу закрылка, т.е. по меньшей мере аналогично изменению формы при использовании жестких закрылков лопасти. А ненадежные участки (изломы и т.д.) при отклонении закрылка между основой 20а профиля и закрылком 24 лопасти исключаются.
На фиг.3-5 крупным планом показаны фрагменты изгибного привода 26 в различных вариантах исполнения. Как правило, изгибный привод 26 образован элементами, которые при активизации или воздействии на них, например, путем приложения электрического напряжения или иным способом, например магнитострикционным, определенно изменяют свою форму. Например, изгибный привод 26 может содержать пьезокерамический материал, в частности пьезопакеты типа d33 или d31 или пьезополимеры, которые при приложения напряжения определенно и предсказуемо, т.е. в зависимости от величины активизирующего параметра, растягиваются или сжимаются по меньшей мере в одном пространственном направлении. На фиг.3-5 показаны различные схемы изгибного привода 26, который наряду с пьезокерамикой содержит также несущий слой 36 из волокнистого композиционного материала или композита (например, из полимерного материала, армированного стекловолокном). Изгибные приводы 26 выполнены по существу полосковыми или пластинчатыми и, в частности, в одном пространственном направлении (в направлении поперечного сечения, показанного на фиг.3-5) тонкими по сравнению с локальной толщиной профиля в зоне задней кромки профиля.
На схеме, представленной на фиг.3, дополнительно для оптимизации и согласования распределения изгиба или аэродинамической эффективности закрылка 24 лопасти воздушного винта выбрана соответствующая толщина слоя (толщина пакета) пьезоэлектрического элемента 34, нанесенного с обеих сторон на несущий слой 36 из волокнистого композиционного материала (например, армированного стекловолокном полимерного материала). В частности, несущий слой 36 имеет постоянную толщину, тогда как толщина пьезоэлектрических элементов 34 линейно уменьшается в направлении хорды профиля. Пьезоэлектрическим элементом может быть, например, также пьезопакет соответствующей формы, полученной способом обработки резанием.
На фиг.4 показан обратный случай, когда пьезоэлементы 34 имеют постоянную толщину, а толщина несущего слоя 36 из полимерного материала, армированного стекловолокном, является переменной.
Наконец, на фиг.5 показана комбинация, у которой как пьезоэлектрические элементы 34, так и несущий слой 36 из армированного стекловолокном полимерного материала имеют переменную величину.
В схеме закрылка 24 лопасти воздушного винта можно располагать несколько пьезоэлементов с одинаковыми или различными пьезоэлектрическими свойствами как в направлении размаха, так и в направлении хорды профиля рядом друг с другом или один за другим, например в шахматном порядке или с регулярным или нерегулярным распределением. При этом несколько отдельных пьезопакетов можно объединять в сегменты, которые в свою очередь наносятся на сегменты материала несущего слоя. Форму, размеры и расположение как сегментов несущего слоя, так и пьезоэлементов можно выбирать произвольно. Контакт таких сегментов пьезоэлементов может обеспечиваться, например, путем приложения электрического напряжения через силовую шину в направлении размаха и установления контакта между пьезоэлементами в направлении хорды профиля. При этом можно предусмотреть несколько изолированных друг от друга электрических проводов в направлении размаха, что обеспечит избыточность приводов, проводного монтажа и усилителей. Одновременно на сегменты можно воздействовать в направлении размаха независимо друг от друга, благодаря чему достигаются контуры с плавными переходами в направлении размаха и в направлении хорды профиля при отклонении закрылка. В частности, в направлении размаха можно при работе предусмотреть зону с неотклоненным закрылком и зону с отклоненным закрылком, причем между этими зонами будет располагаться равномерная постоянная зона перехода.
На фиг.6-14 показаны различные возможности реализации соединения, т.е. многократно разъемных и восстанавливаемых без существенной новой регулировки соединений между сердцевиной 22 профиля или основой 20а профиля и закрылком 24 лопасти воздушного винта. При этом важно, чтобы через соединения могли передаваться усилия среза между верхней и нижней обшивкой 30, т.е. была возможной крутка лопасти. Для этого необходимо предусмотреть жесткое на срез и изгиб сопряжение, чтобы усилия, воспринимаемые в основе 20а профиля, выполненной как конструкция, работающая на кручение, передавались также в зоне 50 крепления закрылка 24 лопасти воздушного винта.
Особенно предпочтительно такое исполнение сопряжения, чтобы закрылок 24 лопасти мог полностью отделяться от основы 20а профиля. Для этого механическое сопряжение может предусматривать переход с геометрическим или силовым замыканием между разъемными деталями конструкции или комбинацию того и другого, например, путем соединения винтами, болтами, заклепками или использования соединения в шпунт и гребень.
Примеры повышения жесткости и примеры расположения, например, электрического соединения также приведены на указанных фигурах. Например, на фиг.6 показано устройство, в котором пространство между изгибным приводом 26 и гибким защитным покрытием 33 в зоне закрылка 24 лопасти воздушного винта заполнено первым упругим при изгибе наполнителем 32. В сердцевину 22 профиля лопасти по меньшей мере на отдельных его участках заделан первый U-образный профиль 38, открытый к задней кромке 40 профиля лопасти. Образованная профильными элементами 42 крепежная структура для изгибного привода 26 представляет собой двойной U-образный канал, причем U-образные профили крепежной структуры расположены таким образом, чтобы каждый U-образный профиль охватывал полку первого U-образного профиля 38. Изгибный привод 26 введен между U-образными профилями 38 крепежной структуры и имеет в этой зоне также электрический разъем 44 с сопряженными контактами. Ответный элемент к электрическому соединению с подключенным через сердцевину 22 профиля проводным монтажом может быть предусмотрен внутри профиля 38 или на нем. При этом U-образные профили 38, 42 крепежной структуры предпочтительно рассчитаны таким образом, чтобы их полки, обращенные к верхней или нижней жесткой обшивке 30 основы профиля, располагались близко к обшивке 30, что улучшает передачу усилий среза между верхней и нижней обшивками 30. Кроме того, расположение предпочтительно выбирают так, чтобы как часть U-образного профиля 38, так и часть профилей 42 крепежной структуры была заделана в сердцевину 22 профиля лопасти, тогда как другая часть выступала бы в наполнитель 32. Это позволяет, даже если структура выполнена как лопасть 20 воздушного винта, закрылок 24 которой может отделяться от сердцевины 22 профиля лопасти, определять механическое и электрическое соединение таким образом, чтобы и при многократной разборке и сборке не происходило смещений деталей конструкции относительно друг друга и, следовательно, соединение легко восстанавливалось.
Альтернативный вариант зоны 50 крепления показан на фиг.7 для случая, когда изгибный привод 26 без охватывающего его первого наполнителя 32 образует закрылок 24 лопасти воздушного винта. Изгибный привод 26 показан на фиг.7 в двух положениях отклонения. В отличие от варианта исполнения, показанного на фиг.6, профиль 38 заделан в сердцевину 22 профиля лопасти или в зону задней кромки основы 20а профиля лопасти таким образом, чтобы задняя кромка 40 профиля лопасти принимала выпуклую форму. Образованная профилями 42 крепежная структура, которая также по существу имеет форму U-образного канала, охватывает снаружи U-образный профиль 38, имеющий выпуклость в том же направлении. Электрические контакты и соединения в виде электрического разъема 44 могут быть и в этом случае предусмотрены как на крепежной структуре, так и на профиле 38, поэтому при отделении образованной профилем 42 крепежной структуры от профиля 38 и последующей повторной сборке сопряжение определено. Для механического усиления сопряжения могут быть предусмотрены дополнительные элементы с геометрическим или силовым замыканием. Профильный элемент 42 имеет дальше в направлении задней кромки 40 профиля лопасти воздушного винта каналообразное гнездо 52, в которое вводится изгибный привод 26. В этом случае крепежное устройство 28 полностью заделано в сердцевину 22 профиля лопасти или в задний край основы 20а профиля лопасти. Только изгибный привод 26 как закрылок 24 лопасти воздушного винта одним краем выступает из основы 20а профиля лопасти в направлении задней кромки 40.
На фиг.8 такое же устройство, что и на фиг.7, показано для случая, когда выступающая из основы 20а профиля лопасти часть изгибного привода 26 на всю длину заделана в первый упругий наполнитель 32. Внешний контур первого наполнителя 32 образует внешний контур закрылка 24 лопасти воздушного винта и внешний контур лопасти в этой зоне. Структура крепления к основному телу профиля, включая электрическое и механическое сопряжение, здесь та же, что и на фиг.7.
Структуры крепления, показанные на фиг.9 и 10, отличаются от структур крепления, показанных на фиг.7 и 8, тем, что изгибный привод 26 не вставлен в каналообразное гнездо 52, а имеет развилку на конце, охватывающую снаружи крепежный выступ 54. Через крепежный выступ 54 проведены только провода для электрического разъема 44. Как и на фиг.8, в варианте, показанном на фиг.10, изгибный привод покрыт первым наполнителем 32, перекрывающим также крепежное устройство 50 или его крепежный выступ 54 и разъем 44.
Структура крепления, показанная на фиг.11 и 12, по существу соответствует структуре крепления, показанной на фиг.7 и 8. Однако для повышения жесткости U-образный профиль 38 заполнен вторым наполнителем 56, имеющим бóльшую жесткость, чем материал сердцевины 22 профиля лопасти. В варианте исполнения, показанном на фиг.12, второй наполнитель 56 имеет впадины в направлении задней кромки, чем обеспечивается постепенный переход от второго наполнителя 56 к сердцевине 22 профиля лопасти и к верхней и нижней обшивкам 30.
В свою очередь изгибный привод 26 можно с геометрическим и/или силовым замыканием крепить к образованной профилями 42 структуре крепления.
На фиг.13 и 14 показаны другие варианты исполнения зоны 50 крепления. Если в структурах крепления, показанных на фиг.6-10, используются по существу симметричные профильные элементы 38, 42 по существу для симметричных профилей лопасти воздушного винта и/или симметричных профилей закрылка и симметричных отклонений закрылка, полки которых 42 доходят до обшивки 30 в зоне сердцевины 22 профиля лопасти, то в структурах крепления, показанных на фиг.13 и 14, используется только один образованный профилем 38 асимметричный канал, имеющий асимметрично расположенный крепежный выступ 58. На одной стороне этого выступа с геометрическим и/или силовым замыканием закреплен изгибный привод 26. Такая конструкция особенно пригодна для асимметричных профилей лопасти воздушного винта и/или асимметричных профилей закрылка и отклонений закрылка. Такая структура сопряжения также способна передавать усилия среза между верхней и нижней обшивками 30 и обеспечивать жесткое на изгиб соединение. Крепление изгибного привода 26 к выступу 58 может осуществляться, например, путем наклеивания, приклепывания, припаивания, болтового соединения и тому подобного.
В вариантах исполнения, в которых изгибный привод 26 заделан в первый упругий наполнитель 32 или покрыт им, этот первый наполнитель 32 может быть, как показано на фиг.15, выполнен в виде однородного первого наполнителя 32, например в виде вспененного материала, эластомера или силикона. Первый наполнитель 32 заполняет зону между верхней и нижней сторонами изгибного привода 26 и упругим при изгибе или гибким внешним защитным покрытием 33, которое в этом месте образует внешний контур закрылка и профиля лопасти воздушного винта. Первый наполнитель 32 и защитное покрытие 33 следуют обратимому изгибанию изгибного привода 26, результатом чего является дугообразное постоянное отклонение закрылка лопасти воздушного винта.
В качестве альтернативы для первого наполнителя 32 можно использовать также неоднородный материал или структуру, как показано на фиг.16. Эта структура представляет собой, например, своего рода несущую конструкцию, например, из расположенных в направлении хорды профиля ребристых элементов жесткости, которая также имеет достаточную упругость и гибкость, чтобы следовать движению изгибного привода 26. При этом для первого наполнителя 32, как и для защитного покрытия 33, можно использовать произвольную зависимость от направления материала наполнителя или защитного покрытия.
В рассмотренных выше вариантах исполнения, представленных на фиг.1-16, переход между закрылком 24 лопасти воздушного винта и сердцевиной 22 профиля или основой 20а профиля и первым наполнителем 32 всегда является резким, прямолинейным переходом. Однако такой переход, разумеется, может быть и постепенным. Как показано на фиг.17, возможно, например, чтобы основа 20а профиля с зоной 50 крепления сужалась к задней кромке 40. А предусмотренный на верхней и нижней сторонах изгибного привода первый наполнитель 32 выходит в этом варианте исполнения за пределы зоны 50 крепления и проходит до основы 20а профиля или его верхней и нижней обшивок 30. Измеренная в направлении хорды профиля длина перехода L, на которую первый наполнитель 32 выходит за пределы основы 20а профиля, может быть определена в зависимости от заранее определенного профиля лопасти воздушного винта, а также требуемых геометрических параметров профиля закрылка 24 лопасти в нейтральном и отклоненном положении. Далее, из фиг.17 видно, что локальная толщина слоя DS первого наполнителя 32, начиная от задней кромки 40, в направлении зоны 50 крепления сначала увеличивается, а затем снова уменьшается в направлении носка 21 профиля лопасти.
Изобретение не ограничивается приведенными выше примерами исполнения. В рамках объема охраны предлагаемая в изобретении лопасть воздушного винта может принимать также и формы, отличные от конкретно описанных выше вариантов исполнения. Так, например, возможно, чтобы часть профиля лопасти воздушного винта, содержащая изгибный привод 26 и закрылок 24 лопасти, включая ту часть основы 20а профиля, которая имеет зону 50 крепления, была выполнена как отдельный закрылочный модуль, закрепленный съемным образом на остальной части основы 20а профиля.
1. Лопасть (20) воздушного винта, прежде всего для винтокрылого летательного аппарата, содержащая аэродинамически эффективный профиль лопасти, имеющий носок (21) профиля, основу (20а) профиля с сердцевиной (22) профиля и охватывающими сердцевину (22) верхней и нижней обшивками (30), а также зону (23) задней кромки профиля с задней кромкой (40), и снабженная обратимо искривляемым изгибным приводом (26), который первым краем крепится в краевой зоне основы (20а) профиля, обращенной к задней кромке (40), а вторым краем свободно выступает из основы (20а) профиля и ее краевой зоны к задней кромке (40) и этим выступающим вторым краем образует часть зоны (23) задней кромки профиля лопасти и подвижный закрылок (24) лопасти, который при искривлении изгибного привода (26) способен деформироваться с обеспечением дугообразного отклонения закрылка лопасти.
2. Лопасть (20) воздушного винта по п.1, отличающаяся тем, что изгибный привод (26) представляет собой плоский и/или пластинчатый, и/или полосковый изгибный привод (26).
3. Лопасть (20) воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что пластинчатый изгибный привод (26) содержит пластинчатый элемент из сплава с эффектом запоминания формы.
4. Лопасть (20) воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что пластинчатый изгибный привод (26) представляет собой пластинчатый пьезоэлектрический изгибный привод (34).
5. Лопасть (20) воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что пластинчатый или полосковый изгибный привод (26) расположен по меньшей мере на одном обратимо искривляемом пластинчатом несущем слое (36).
6. Лопасть (20) воздушного винта по п.4, отличающаяся тем, что пьезоэлектрический изгибный привод (34) и/или несущий слой (36) имеют переменную толщину.
7. Лопасть (20) воздушного винта по п.5, отличающаяся тем, что обратимо искривляемый несущий слой (36) выполнен из волокнистого композиционного материала, прежде всего из полимерного материала, армированного стекловолокном.
8. Лопасть (20) воздушного винта по п.5, отличающаяся тем, что на обеих сторонах несущего слоя (36) расположено по одному пластинчатому изгибному приводу (26).
9. Лопасть (20) воздушного винта по п.5, отличающаяся тем, что изгибный привод (26) расположен на одной стороне несущего слоя (36).
10. Лопасть (20) воздушного винта по п.5, отличающаяся тем, что несущий слой (36) выполнен в качестве возвратного устройства для пластинчатого изгибного привода (26).
11. Лопасть (20) воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере второй край пластинчатого изгибного привода (26), образующий подвижный закрылок (24) лопасти воздушного винта, покрыт гибким, упругим при изгибе первым наполнителем (32), который в этой зоне профиля лопасти образует его внешний контур.
12. Лопасть (20) воздушного винта по п.11, отличающаяся тем, что гибкий, упругий при изгибе первый наполнитель (32) проходит до основы (20а) профиля или заходит на ее обшивку (30) или под нее.
13. Лопасть (20) воздушного винта по п.11, отличающаяся тем, что гибкий, упругий при изгибе первый наполнитель (32) представляет собой однородный гибкий, упругий при изгибе наполнитель (32), прежде всего эластомер, в частности силиконовый или вспененный материал.
14. Лопасть (20) воздушного винта по п.11 или 12, отличающаяся тем, что гибкий, упругий при изгибе первый наполнитель (32) представляет собой неоднородный гибкий, упругий при изгибе наполнитель (32), в частности материал с элементами жесткости в виде ребер или несущей конструкции или каркаса.
15. Лопасть (20) воздушного винта по п.11, отличающаяся тем, что гибкий, упругий при изгибе первый наполнитель (32) имеет гибкое, упругое при изгибе защитное покрытие (33), которое по меньшей мере в зоне закрылка (24) лопасти образует внешний контур профиля лопасти.
16. Лопасть (20) воздушного винта по п.15, отличающаяся тем, что гибкое, упругое при изгибе защитное покрытие (33) является неотъемлемой составной частью гибкого, упругого при изгибе первого наполнителя (32).
17. Лопасть (20) воздушного винта по п.15, отличающаяся тем, что гибкое, упругое при изгибе защитное покрытие (33) представляет собой отдельное защитное покрытие, нанесенное на гибкий, упругий при изгибе первый наполнитель (32).
18. Лопасть (20) воздушного винта по п.12, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя обшивки (30) доходят до первого края пластинчатого изгибного привода (26) и поддерживают изгибный привод (26), а второй край изгибного привода (26) свободно выступает из промежутка между верхней и нижней обшивками (30).
19. Лопасть (20) воздушного винта по п.12, отличающаяся тем, что обшивка (30) доходит до пластинчатого изгибного привода (26) и на этом участке имеет меньшую толщину, чем в зонах обшивки (30), охватывающих основу (20а) профиля с ее сердцевиной (22), позволяющую обшивке (30) на этом участке деформироваться вместе с изгибным приводом (26) с обеспечением дугообразного отклонения закрылка лопасти воздушного винта.
20. Лопасть (20) воздушного винта по п.12, отличающаяся тем, что обшивка (30) доходит до пластинчатого изгибного привода (26) и в зоне первого края изгибного привода имеет ослабленное по изгибной жесткости место, образующее виртуальный шарнир закрылка лопасти, позволяющий зоне (23) задней кромки профиля деформироваться вслед за изгибом изгибного привода (26) с обеспечением отклонения закрылка лопасти воздушного винта.
21. Лопасть (20) воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что у краевой зоны основы (20а) профиля, сопряженной с пластинчатым изгибным приводом (26), или в ней предусмотрено крепежное устройство (28, 50), к которому на профиле лопасти съемным образом крепится изгибный привод (26) или зона (23) задней кромки профиля, содержащая закрылок (24) лопасти с изгибным приводом (26).
22. Лопасть (20) воздушного винта по п.21, отличающаяся тем, что крепежное устройство (28) имеет соединяемую с краевой зоной основы (20а) профиля лопасти структуру замыкающего профиля, имеющую гнездо (52; 54) для ввода первого края изгибного привода (26).
23. Лопасть (20) воздушного винта по п.21, отличающаяся тем, что крепежное устройство (28, 50) имеет соединяемую с краевой зоной основы (20а) профиля лопасти структуру замыкающего профиля, имеющую крепежный выступ (54, 58) для крепления первого края пластинчатого изгибного привода (26).
24. Лопасть (20) воздушного винта по п.23, отличающаяся тем, что первый край пластинчатого изгибного привода (26) имеет присоединительную часть, насаживаемую на крепежный выступ (54).
25. Лопасть (20) воздушного винта по п.23, отличающаяся тем, что первый край пластинчатого изгибного привода (26) выполнен в виде полоски, устанавливается своей поверхностью на крепежный выступ (58) и фиксируется на нем.
26. Лопасть (20) воздушного винта по п.22, отличающаяся тем, что структура замыкающего профиля имеет первый по существу U-образный профиль (38), открытая сторона которого обращена к носку (21) профиля лопасти и полка которого непосредственно или посредством дополнительных элементов соединяется с верхней и нижней обшивками (30).
27. Лопасть (20) воздушного винта по п.26, отличающаяся тем, что первый U-образный профиль (38) со своей стороны, обращенной к задней кромке (40), имеет зону, образующую гнездо (52) или крепежный выступ (58).
28. Лопасть (20) воздушного винта по п.26, отличающаяся тем, что на первом U-образном профиле (38) закреплен по меньшей мере один профильный элемент (42), который охватывает U-образный профиль (38) и своей первой зоной (43) непосредственно или посредством дополнительных элементов соединяется с верхней и/или нижней обшивкой (30), а обращенной к задней кромке (40) второй зоной образует гнездо (52) или крепежный выступ (54, 58).
29. Лопасть (20) воздушного винта по п.26, отличающаяся тем, что первый U-образный профиль (38) со своей стороны, обращенной к задней кромке (40), имеет выступающую в направлении носка (21) и сердцевины (22) профиля лопасти петлеобразную зону, образующую открытую к задней кромке (40) впадину, представляющую собой гнездо (52), причем петлеобразная зона профиля со стороны сердцевины (22) профиля лопасти охвачена вторым по существу U-образным профилем, открытая сторона которого обращена к задней кромке (40).
30. Лопасть (20) воздушного винта по п.26, отличающаяся тем, что первый U-образный профиль (38) по меньшей мере частично заполнен вторым наполнителем (56), имеющим большую жесткость, чем материал сердцевины (22) профиля лопасти.
31. Лопасть (20) воздушного винта по п.21, отличающаяся тем, что крепежное устройство (28) имеет интерфейс и/или контакты, прежде всего электрический интерфейс и/или электрические контакты (44) для электропитания пластинчатого изгибного привода или управления им.
32. Винтокрылый летательный аппарат, прежде всего вертолет, имеющий по меньшей мере один воздушный винт, по меньшей мере с одной лопастью (20) по одному из предыдущих пунктов.
