СПОСОБ ПРИКЛЕЙКИ ХВОСТОВЫХ ОТСЕКОВ К ЛОНЖЕРОНУ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА Российский патент 1998 года по МПК B64C27/46 B64C11/06 B64F5/00 

Изобретение относится к вертолетостроению, а именно к способам изготовления несущих винтов вертолетов.

Большинство лопастей несущего винта вертолета содержат (фиг. 1) лонжерон 1 закрытого сечения из алюминиевого сплава и хвостовых отсеков 2 с тонкой алюминиевой (толщиной 0,3 мм) обшивкой 3 и сотовым заполнителем 4, которые приклеиваются передними кромками 5 к лонжерону.

В качестве прототипа будем рассматривать способ сборки лопастей вертолетов Ми-8, Ми-8МТ, Ми-17, Ми-14, Ми-24, имеющих указанную конструкцию. В эксплуатации на этих лопастях наблюдается значительное количество случаев появления трещин в обшивке хвостовых отсеков в районе передней кромки 5 в зоне склейки с лонжероном. Указанные трещины связаны с особенностями нагружения в полете и технологии сборки (склейки) хвостовых отсеков с лонжероном. (кн. "Вертолет МИ-8" Устройство и техническое обслуживание" В.А.Данилов изд. М. Транспорт, 1988 г. с. 134 - 137)
В полете лонжерон лопасти загружен большими растягивающими силами N (в комлевой части лопасти Ми-8 28 тс) и переменным изгибом в плоскостях тяги и вращения, вызывающим дополнительные переменные напряжения растяжения в зоне задней стенки лонжерона. Растяжение через клеевой шов (зона 5 на фиг. 1) передается на хвостовой отсек, причем в обшивке отсеков вблизи задней кромки лонжерона на боковых кромках (точки A на фиг. 1) имеет место значительная концентрация напряжений сдвига). Эти напряжения, возникающие в полете вследствие растяжения и изгиба лонжерона, возрастают из-за наличия в указанной зоне технологических напряжений растяжения.

Рассмотрим механизм появления указанных технологических напряжений растяжения. Хвостовые отсеки склеиваются с лонжероном в специальном стапеле, схема которого представлена на фиг. 2. Стапель включает прямолинейное основание 6, боковые прижимные колодки 7 и хвостовые прижимные колодки 8. Лонжерон лопасти 1, устанавливается носком на прямолинейное основание 6, на лонжерон устанавливаются хвостовые отсеки 2 и поджимаются колодками 7 и 8. Для проведения склейки отсека и лонжерона между ними прокладывается клеевая пленка и производится нагрев клеевого слоя колодками 7 в течение 2 ч. Как показали измерения, задняя стенка лонжерона под колодками 7 имеет температуру t_задн = 150^oC, а носок лонжерона - t_передн = 15^oC. Вследствие этого в процессе склейки в прямолинейном лонжероне возникает разность напряжений между носком и задней стенкой
.

Задняя кромка сжата, передняя растянута с напряжениями Δσ_темп/2 . Здесь α = 25•10^-6 1/^°C - коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава, E = 0,72• 10⁶ кгс/см² - его модуль упругости. В хвостовых отсеках в процессе склейки этих напряжений нет. После остывания лонжерона в нем выравниваются температуры и снимаются напряжения, его длина сокращается на величину, соответствующую остыванию среднего слоя от температуры t_ср = 132^oC. Обшивка отсека остывает от t_ост = 150^oC и в нем появляются напряжения растяжения, соответствующие разности температур t_отс - t_ср
.

Эти технологические напряжения в полете добавляются к напряжениям растяжения 500 - 600 кгс/см² от центробежной силы в лопасти и способствуют появлению трещин в обшивке хвостовых отсеков (точки A на фиг. 1).

Решаемая задача: ликвидировать трещины в хвостовых отсеках лопасти путем устранения вредных технологических напряжений растяжения в передней части обшивки хвостовых отсеков, приклеиваемой к лонжерону, и создания в ней, наоборот, благоприятных напряжений сжатия.

Предлагается приклейку хвостовых отсеков производить к задней стенке лонжерона, имеющей предварительные напряжения растяжения, например, за счет изгиба лонжерона в плоскости хорд, для чего основание 6 стапеля выполнить криволинейным (фиг. 3). В остальном конструкция стапеля может быть сохранена прежней.

В этом случае к напряжениям в лонжероне добавляются изгибные напряжения
σ_изг = M_изг/W_изг = EI/RW_изг = Eh/R ,
где
R - радиус изгиба основания стенда;
h - расстояние от задней кромки лонжерона до его нейтральной оси изгиба 4 (на лопасти Ми-8 h = 11,2 см).

После снятия лопасти со стапеля и ее распрямления напряжения от изгиба лонжерона σ_изг обратятся в ноль, волокна металла задней части лонжерона сократят свою длину до исходной, но одновременно сократят свою длину и приклеенные к лонжерону волокна металла обшивки и в ней появятся сжимающие напряжения, равные σ_изг , которые вычтутся из технологических растягивающих напряжений растяжения и напряжений от центробежных сил в лопасти в полете.

Кривизну 1/R можно сделать переменной по длине лопасти: поскольку согласно опыту эксплуатации в концевой части лопасти трещины не появляются, кривизну к концу лопасти можно уменьшить. Если например, на лопасти Ми-8 обеспечивать σ_изг = 3,5 кгс/мм² ,
,
что на длине L = 10 м дает стрелу прогиба
Δ = (L/2)²/ 2R = 5,0²/ 2•230 = 0,0545 м = 55 м .

Таким образом, предлагается способ приклейки хвостовых отсеков лопасти несущего винта к лонжерону отличающийся тем, что приклейка хвостовых отсеков производится к задней части лонжерона, имеющей предварительные напряжения растяжения, например, за счет изгиба лонжерона в плоскости хорд в стапеле, основание которого выполнено криволинейным в направлении, обеспечивающим растяжение задней стенки лонжерона; причем радиус кривизны определен по формуле
R = Eh / σ_изг ,
где
h - удаление задней кромки лонжерона от нейтральной оси изгиба в плоскости хорд;
σ_изг - желаемая величина технологических напряжений сжатия в передней части обшивки хвостовых отсеков.

На фиг. 1 - схема конструкции лопасти; на фиг. 2 - схема стапеля, реализующего способ - прототип приклейки хвостовых отсеков к лопасти; на фиг. 3 - схема стапеля реализующего предлагаемый способ приклейки хвостовых отсеков.

1 - лонжерон лопасти; 2 - хвостовой отсек; 3 - пластина на задней кромке лопасти; 4 - сотовый блок хвостового отсека; 5 - передняя часть обшивки хвостового отсека с клеевым швом; 6 - основание стапеля; 7 - боковые колодки, снабженные нагревательными элементами; 8 - хвостовые колодки.

Оценка эффективности выполним на примере лопасти вертолетов Ми-8.

Влияние уменьшения постоянной части растягивающих напряжений в передней кромке обшивки лопасти можно оценить по формуле Хея:
σ_w2 = σ_w1 + K(σ_раст1 - σ_раст2) , ,
где
σ_w1 - предел усталости при растягивающих напряжениях σ_растi (i = 1, 2).

K - коэффициент, равный по данным ЦАГИ 0,2 для алюминиевых сплавов.

По данным летных измерений действующие эквивалентные напряжения в рассматриваемой зоне составляют около 3 кгс/мм² и, поскольку в эксплуатации имеют место трещины, величина σ_w1 < 3 кгс/мм² . Пусть за счет рассматриваемого предложения растягивающие напряжения в передней части обшивки хвостового отсека уменьшатся на величину (σ_раст1 - σ_раст2) = 3,5 кгс/мм² . Тогда предел усталости σ_w2 = σ_w1 + 0,2•3,5 = 3 + 0,7 = 3,7 кгс/мм² и долговечность рассматриваемой зоны возрастает не менее, чем в (3,7/3)⁶ = 3,5 раза.

Кроме указанного эффекта от сжимающих напряжений в передней части отсека, имеет место еще один положительный эффект от появления благоприятных напряжений сдвига в обшивке хвостового отека при распрямлении лонжерона после приклейки к нему хвостовых отсеков.

Использование: изобретение относится к вертолетостроению, а именно к способам изготовления лопастей несущих винтов вертолетов. Сущность изобретения: способ приклейки хвостовых отсеков лопасти несущего винта заключается в том, что хвостовые отсеки приклеивают к задней стенке лонжерона, имеющей предварительные напряжения растяжения, например за счет изгиба лонжерона в плоскости хорд в стапеле, основание которого выполнено криволинейным в направлении, обеспечивающем растяжение в задней стенке лонжерона, причем радиус кривизны определен по формуле R = Eh/σ_изг, где Е - модуль упругости материала лонжерона, h - расстояние от задней кромки лонжерона до его нейтральной оси при изгибе в плоскости наибольшей жесткости, σ_изг- желаемая величина дополнительных напряжений сжатия в передней части обшивки хвостовых отсеков. 3 ил.

Способ приклейки хвостовых отсеков к лонжерону лопасти несущего винта, основанный на введении клеевой пленки между лонжероном, установленным своим носком в основание стапеля, хвостовыми отсеками, расположенными на лонжероне и поджимаемыми колодками, и последующем нагреве клеевого слоя колодками, отличающийся тем, что хвостовые отсеки приклеивают к задней стенке лонжерона, имеющей предварительные напряжения растяжения, например, за счет изгиба лонжерона в плоскости хорд в стапеле, основание которого выполнено криволинейным в направлении, обеспечивающем растяжение в задней стенке лонжерона, причем радиус кривизны определен по формуле
P = ε•h/σ_изг.,
где ε - модуль упругости материала лонжерона;
h - расстояние от задней кромки лонжерона до его нейтральной оси при изгибе в плоскости наибольшей жесткости;
σ_изг. - желаемая величина дополнительных напряжений сжатия в передней части обшивки хвостовых отсеков.