Лопасть винта из композитного материала /варианты/ и способ ее изготовления /варианты/

Изобретение относится к воздушным винтам, гребным винтам и лопастям винтов ветродвигателей. Лопасть с плоским или цилиндрическим местом крепления к ступице винта имеет закладные металлические детали для болтов крепления в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки. Поверхность лопасти образована тканевым композитным материалом и/или композитным материалом, содержащим рубленое армирующее волокно. Способ изготовления лопасти заключается в том, что сначала в пресс-форму вставляются закладные втулки, затем на поверхность пресс-формы наносится поверхностный слой лопасти, состоящий из армирующей ткани или рубленого армирующего волокна и синтетической смолы, а затем вокруг закладных втулок огибаются жгуты армирующего волокна, пропитанного синтетической смолой, и укладываются в пресс-форму. Достигается снижение веса лопасти при сохранении эксплуатационных характеристик. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к воздушным винтам, гребным винтам и лопастям винтов ветродвигателей.

Известен пропеллер, содержащий лопасти, которые для повышения кпд винта до угла атаки 45 градусов являются воздушной турбиной, а после 45 градусов - воздушным винтом, см. пат. №2351504. Лопасти таких винтов часто изготавливаются из композитного материала в виде ткани из армирующих волокон, пропитанных самоотверждающейся полимерной смолой. Если для крепления лопасти необходимы отверстия, то они сверлятся после изготовления лопасти. Однако такое изготовление лопастей не является оптимальным с точки зрения восприятия действующих на лопасть аэродинамических усилий и местных усилий в месте крепления комля лопасти. Это приводит к повышенному весу лопасти и всего винта.

Задача и технический результат изобретения - снижение массы лопасти путем более оптимального распределения армирующего материала в материале лопасти.

ВАРИАНТ 1. Для этого лопасть с плоским местом крепления к ступице винта имеет закладные металлические детали для болтов в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки, а поверхность лопасти образована тканевым композитным материалом и/или композитным материалом, содержащим рубленое армирующее волокно.

Втулки могут состоять из двух втулок, входящих одна в другую, причем длина втулки по внутреннему диаметру больше, чем по наружному диаметру, см. фиг.1. Такие втулки могут применяться при изготовлении лопасти из двух заготовок. А указанное условие необходимо для того, чтобы волокна армирующего материала, попавшие на торцы втулок, не мешали стыковке двух заготовок в нужный размер.

Для установки втулок, особенно состоящих из двух частей, точно в нужное место пресс-формы, на ней имеются цилиндрические выступы или имеются отверстия, в которые вставляются центрирующие болты, которыми втулки временно крепятся к пресс-форме.

Оптимальным креплением лопасти к ступице является крепление с помощью 4 или 5 болтов, расположенных так: один болт расположен на продольной оси лопасти или два болта расположены поперек продольной оси лопасти ближе к центру винта, а три болта расположены так же, но дальше от центра винта, причет средний болт расположен на продольной оси лопасти (даже если эта продольная ось дугообразная), см. фиг.3, 4, 6..

Армирующий материал расположен в теле лопасти так: по наибольшей толщине лопасти по двум ее поверхностям (нагнетающей и всасывающей) идут жгуты армирующих нитей, и менее прочные жгуты идут по переднему и заднему краю лопасти (относительно направления движения).

Для лучшего восприятия крутящего момента привода передний и задний жгуты могут быть соединены зигзагообразно расположенным между ними жгутом (образуя в теле лопасти ферменную конструкцию), см. фиг.3, 6.

Причем относительно центра винта «О» лопасти и зигзагообразные жгуты в них расположены по-разному для активного винта (пропеллера) и для винта ветродвигателя, см. фиг.3, 6, где стрелкой показано направление вращения.

При 4-болтовом креплении 2 жгута с болта, находящегося ближнего к центру винта, огибают средний болт, находящийся дальше от центра винта, а при 5-болтовом креплении 4 жгута, идущие от двух болтов, расположенных ближе к центру винта, перекрещиваясь, огибают средний болт, находящийся дальше от центра винта, и в любом из этих случаев по два жгута огибают два крайних болта из трех, находящихся дальше от центра винта. Причем при 4-болтовом и 5-болтовом креплении желательно проложить еще один продольный жгут от среднего из трех болтов, расположенных дальше от центра винта.

Однако для легких винтов возможно и 3-болтовое крепление и даже 2-болтовое.

ВАРИАНТ 2. Лопасть, крепящаяся к ступице по цилиндрической поверхности, имеет закладные металлические детали для болтов в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки, а поверхность лопасти образована тканевым композитным материалом и/или композитным материалом, содержащим рубленое армирующее волокно.

Втулки в данном варианте монолитные, то есть представляют из себя трубу или катушку (официальное название формы в виде трубы с двумя ребордами по краям).

Чтобы втулки не смещались при изготовлении лопасти, в пресс-формах имеются цилиндрические выступы со сквозным отверстием, на выступы надевается втулка и временно прижимается сквозным болтом с конической головкой, см. фиг.2.

Армирующий материал расположен в теле лопасти так: по двум ее поверхностям идут жгуты армирующих нитей от каждой из втулок, причем один или два жгута идут по переднему и заднему краю лопасти, а остальные жгуты сходятся на этих двух поверхностях в сечении, соответствующем наибольшей толщине лопасти, см. фиг.5.

ВАРИАНТ 3. Для большей прочности лопасть имеет по линии наибольшей ширины профиля лонжерон квадратного сечения. Квадратное сечение выбрано потому, что лопасть винта в отличие от похожего самолетного крыла имеет крутку (изменение угла атаки профиля в зависимости от радиуса винта). Поэтому направление наибольших аэродинамических нагрузок, усреднено находящееся на 70-80% радиуса винта, не совпадает с положением профиля лопасти в ее комлевой части (вблизи ступицы), где указанные нагрузки дают наибольший ломающий крутящий момент.

Причем лонжерон имеет такую же крутку, как лопасть.

СПОСОБ 1. Способ изготовления данной лопасти состоит в том, что сначала в пресс-форму вставляются закладные втулки, затем на поверхность пресс-формы наносится поверхностный слой лопасти, состоящий из армирующей ткани или рубленого армирующего волокна и синтетической смолы, а затем вокруг закладных втулок огибаются жгуты армирующего волокна, пропитанного синтетической смолой, и укладываются в пресс-форму.

При изготовлении лопасти с цилиндрическим креплением к ступице желательна обмотка комля лопасти армирующими волокнами или тканью по образующей линии цилиндра.

СПОСОБ 2. Способ изготовления лопасти с квадратным лонжероном состоит в том, что сначала изготавливается пенопластовая заготовка, повторяющая его внутреннюю полость, затем заготовка обертывается армирующей тканью, пропитанной синтетической смолой, затем две стороны лонжерона, контактирующие с поверхностью лопасти, покрываются слоем шпаклевки на основе той же синтетической смолы, после чего лонжерон вставляется в готовую лопасть или вставляется между двумя половинами лопасти перед их склейкой.

Если лонжерон вставляется в готовую лопасть, то перед нанесением шпаклевки поверхности лонжерона дают затвердеть до частичной готовности.

На фиг.1 показана втулка 1, состоящая в свою очередь из двух втулок, входящих одна в другую. На фиг.2 показана монолитная втулка 1, закрепленная в пресс-форме 2 с помощью болта 3 с конической головкой (для ее удержания в ней имеется 6-гранное глухое отверстие) и с помощью гайки 4.

На фиг.3-6 показаны лопасти 5, в которые заформованы втулки 1, вокруг которых уложены жгуты 6 армирующего волокна. Причем для частичной компенсации аэродинамических и центробежных усилий продольная ось лопасти не проходит через центр винта «О».

На фиг.3 показано 4-болтовое крепление лопасти к плоскому посадочному месту ступицы, на фиг.4, 6 показано 5-болтовое крепление, причем на фиг.4 показано крепление пропеллера, а на фиг.6 показано крепление лопасти ветродвигателя (разница в положении продольной оси лопасти относительно центра винта «О»).

На фиг.5 показано крепление лопасти с цилиндрическим креплением к ступице винта.

Работает лопасть так: поперечно изгибающие усилия от подъемной силы профиля лопасти воспринимают более толстые продольные жгуты армирующего волокна, проложенные по сечению наибольшей толщины лопасти (по «строительной высоте»), а изгибающий момент привода винта (в том числе - винта ветродвигателя) воспринимают жгуты, уложенные по передней и задней кромкам профиля лопасти совместно с материалом поверхности лопасти и/или совместно с зигзагообразно уложенными жгутами.

1. Лопасть винта из композитного материала, отличающаяся тем, что лопасть с плоским местом крепления к ступице винта имеет закладные металлические детали для болтов в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки, а поверхность лопасти образована тканевым композитным материалом и/или композитным материалом, содержащим рубленое армирующее волокно.

2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что втулка в свою очередь состоит из двух втулок, входящих одна в другую, причем длина втулки по внутреннему диаметру больше, чем по наружному диаметру.

3. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что лопасть крепится к ступице с помощью 4 или 5 болтов, расположенных так: один болт расположен на продольной оси лопасти или два болта расположены поперек продольной оси лопасти ближе к центру винта, а три болта расположены также, но дальше от центра винта, причем средний болт расположен на продольной оси лопасти.

4. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что армирующий материал расположен в теле лопасти так: по наибольшей толщине лопасти по двум ее поверхностям идут жгуты армирующих нитей, и менее прочные жгуты идут по переднему и заднему краю лопасти.

5. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что передний и задний жгуты могут быть соединены зигзагообразно расположенным между ними жгутом.

6. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что при 4-болтовом креплении 2 жгута с болта, находящегося ближнего к центру винта, огибают средний болт, находящийся дальше от центра винта, а при 5-болтовом креплении 4 жгута, идущие от двух болтов, расположенных ближе к центру винта, перекрещиваясь, огибают средний болт, находящийся дальше от центра винта, и в любом из этих случаев по два жгута огибают два крайних болта из трех, находящихся дальше от центра винта.

7. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что при 4-болтовом и 5-болтовом креплении еще один продольный жгут проложен от среднего из трех болтов, расположенных дальше от центра винта.

8. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что втулки монолитные и представляют из себя трубу или катушку.

9. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что армирующий материал расположен в теле лопасти так: по двум ее поверхностям идут жгуты армирующих нитей от каждой из втулок, причем один или два жгута идут по переднему и заднему краю лопасти, а остальные жгуты сходятся на этих двух поверхностях в сечении, соответствующем наибольшей толщине лопасти.

10. Лопасть винта из композитного материала, отличающаяся тем, что лопасть с цилиндрическим местом крепления к ступице винта имеет закладные металлические детали для болтов в виде цилиндрических втулок, от которых идут жгуты волокон армирующего материала, огибающие эти втулки, а поверхность лопасти образована тканевым композитным материалом и/или композитным материалом, содержащим рубленое армирующее волокно.

11. Способ изготовления лопасти по любому из пп.1-10, заключающийся в нанесении в пресс-форму армирующего материала и синтетической смолы, отличающийся тем, что состоит в том, что сначала в пресс-форму вставляются закладные втулки, затем на поверхность пресс-формы наносится поверхностный слой лопасти, состоящий из армирующей ткани или рубленого армирующего волокна и синтетической смолы, а затем вокруг закладных втулок огибаются жгуты армирующего волокна, пропитанного синтетической смолой, и укладываются в пресс-форму.

12. Способ по п.12, отличающийся тем, что на пресс-форме имеются цилиндрические выступы или имеются отверстия, в которые вставляются центрирующие болты, которыми втулки временно крепятся к пресс-форме.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в пресс-формах имеются цилиндрические выступы со сквозными отверстиями, на выступы надеваются втулки и временно прижимаются сквозными болтами с конической головкой.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что при изготовлении лопасти с цилиндрическим креплением к ступице производится обмотка комля лопасти армирующими волокнами или тканью по образующей линии цилиндра.