Изобретение относится к бесшарнирным несущим винтам вертолетов и, в частности, к гибридному композитному торсиону для бесшарнирного несущего винта вертолета.
Уровень техники
Несущие винты вертолетов подвержены различным эксплуатационным нагрузкам: аэродинамическим, инерционным и центробежным. Втулка несущего винта вертолета должна обладать достаточной прочностью, позволяющей выдерживать такие нагрузки, и в то же время должна быть достаточно податливой, чтобы для разгрузки от механических напряжений обеспечить свободу определенного независимого движения каждой лопасти несущего винта. Для удовлетворения этих противоречивых требований предшествующие несущие винты изготавливались из высокопрочных металлов и снабжались шарнирами, обеспечивающими независимое движение каждой лопасти несущего винта. Такие предшествующие несущие винты характеризуются сложной конструкцией, низким уровнем технологичности обслуживания и высокой стоимостью эксплуатации.
Несмотря на то, что использование эластомерных шарниров в конструкциях вертолетных несущих винтов позволило повысить их эксплуатационные характеристики и надежность, а также снизить их стоимость, основные усилия конструкторов с недавних пор сосредоточены на "бесшарнирных" несущих винтах. В конструкцию бесшарнирных несущих винтов входят эластичные силовые элементы, например, торсионы, предназначенные для передачи и/или восприятия изгибных нагрузок (действующих в плоскостях тяги и вращения), осевых нагрузок (центробежных) и крутильных нагрузок (закручивающих лопасть относительно ее продольной оси при изменении шага). Каждый торсион крепится непосредственно к втулке бесшарнирного несущего винта, тем самым образуя конструкцию, обходящуюся без традиционных (горизонтального, вертикального и осевого) или эластомерных шарниров между втулкой и лопастями. При разработке торсиона бесшарнирного несущего винта приходится учитывать несколько противоречивых требований к конструкции.
Во-первых, узлы крепления торсиона должны быть прочными, чтобы передавать нагрузки с лопасти на втулку. Торсион должен частично выполнять роль горизонтального шарнира, обеспечивая свободу махового движения лопасти под действием изгибающих нагрузок. Вместе с тем, участок торсиона, работающий на изгиб, должен быть способен к высокоамплитудным изгибным деформациям, возникающим на высокоманевренных режимах работы несущего винта, а также воспринимать центробежные нагрузки от лопасти. В-третьих, торсион должен иметь скручиваемый участок, обладающий пониженной крутильной жесткостью и предназначенный для облегчения поворота лопасти при управлении общим и циклическим шагом несущего винта, т.е. обеспечивающий свободу упругих крутильных деформаций при изменении шага лопасти. При этом скручиваемый участок торсиона должен выдерживать высокие крутильные напряжения, возникающие при управлении общим и циклическим шагом, обладать прочностью, достаточной для восприятия центробежных нагрузок и предотвращения потери устойчивости при кручении под действием нагрузок в плоскости вращения.
Основное достоинство торсиона заключается в том, что он отделяет нагрузки, связанные с маховым движением лопасти, от крутильных нагрузок, позволяя тем самым увеличить амплитуду взмаха при уменьшении разноса шарниров втулки. Летные характеристики и возможности вертолета в значительной мере определяются конструкцией его несущего винта, в частности, расстоянием между осью втулки несущего винта и осью конструкции, эквивалентной горизонтальному шарниру (в безразмерном представлении это расстояние берется отнесенным к радиусу несущего винта), или разносом шарниров втулки. При увеличении разноса шарниров (чем дальше "шарнир" расположен от оси втулки, чем больше разнос шарниров) нагрузки от лопастей передаются через втулку несущего винта на корпус вертолета более эффективно, т.е. увеличивается управляемость и маневренность вертолета. Однако вместе с увеличением разноса шарниров повышается чувствительность вертолета к вибрации и атмосферной турбулентности, а также ухудшается продольная устойчивость вертолета. Поэтому величина разноса шарниров выбирается как компромисс между маневренностью вертолета и его устойчивостью на высоких скоростях. Создание втулки бесшарнирного несущего винта, которая обладает достаточной гибкостью, обеспечивающей малый эффективный разнос шарниров, будучи в то же время достаточной прочной для восприятия высоких центробежных нагрузок (порядка 35 тонн), является сложной проблемой.
Разработка композитных торсионов для бесшарнирных несущих винтов является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед конструкторами вертолетов. Конструкция композитного торсиона должна работать в пределах ограничений по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний, соответствующим критическим условиям нагружения, т.е. должна выдерживать нагрузки, действующие в плоскостях тяги и вращения винта, скручивающие и центробежные нагрузки, рассчитываемые с учетом таких ограничений, как жесткость втулки по крутящему моменту, предельный момент вибронагрузки в плоскости вращения винта и угол шага лопасти. В число критических режимов нагрузки несущего винта входят его раскрутка и останов, сопровождающиеся высокоамплитудными знакопеременными низкочастотными нагрузками в плоскостях тяги и вращения винта, а также некоторые случаи прямого полета, которые могут сопровождаться высокочастотными высокоамплитудными знакопеременными нагрузками, например, порождающими маховые и крутильные циклические деформации с частотой один цикл за один оборот несущего винта.
Обычно для передачи на втулку несущего винта центробежных нагрузок от лопасти торсион должен иметь некоторое минимальное поперечное сечение. С другой стороны, толщина конкретного композиционного материала (материалов), из которого изготовлен торсион, должна быть как можно меньше, чтобы не была предельно допустимая деформация сдвига при скручивании. Для восприятия нагрузок, действующих в плоскостях тяги и вращения несущего винта, необходимо дополнительное усиление торсиона материалом, который должен работать на изгиб. Однако при этом возрастает жесткость торсиона, что эквивалентно увеличению эффективного разноса шарниров. Для несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости жесткость торсиона на изгиб в плоскости вращения выбирается исходя из необходимости приведения частоты колебательного движения лопастей в плоскости вращения несущего винта к значению 0,7 цикла за оборот винта. Если торсион обладает излишней податливостью на изгиб в плоскости вращения винта, то бесшарнирный несущий винт более восприимчив в аэромеханической и прочностной неустойчивости. Если же торсион имеет слишком большую жесткость на изгиб в плоскости вращения, то из-за резонансных явлений на частоте колебаний, равной одному циклу за оборот винта, возрастают нагрузки в плоскости вращения. Жесткость на кручение скручиваемого участка торсиона, с целью обеспечения минимальной потребной мощности рулевых приводов несущего винта, должна быть минимальной. Однако при этом жесткость на кручение скручиваемого участка торсиона должна быть достаточно высокой для предотвращения потери устойчивости при нагружении лопасти в плоскости вращения.
Конструкторы вертолетов стремятся учесть все рассмотренные выше требования к конструкции при разработке оптимальной конструкции торсиона для бесшарнирного несущего винта, но существует еще аспект производственной технологичности. Конструкция торсиона должна быть относительно несложной с производственной точки зрения. В конструкции торсиона следует избегать неудобных поперечных сочленений и резких изменений поперечного сечения. На существующем уровне техники торсионы изготавливаются с верхними и/или нижними ребрами жесткости, придающими конструкции требуемую прочность. Однако процесс изготовления таких торсионов с одним или несколькими ребрами жесткости является довольно сложным. Существующие торсионы со скручиваемым участком прямоугольного сечения, воспринимающие центробежные нагрузки и не подверженные потере устойчивости при кручении, обычно являются слишком жесткими, чтобы обеспечивать поворот лопасти в заданном диапазоне углов шага лопасти.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является торсион для бесшарнирного несущего винта вертолета, состоящий из нескольких участков, описан в документе WO-A-9427866 (далее по тексту - документ '866). Описанный в документе '866 торсион делится по длине на шесть участков: участок крепления к втулке, первый трапециевидный участок, второй трапециевидный участок, скручиваемый участок, периферийный трапециевидный переходный участок, а также участок соединения с жесткой трубой и лопастью, и изготовлен из слоев однонаправленного стекловолокна (с ориентацией волокон 0o), имеющих полную длину, т.е. проходящих от комлевого до периферийного конца торсиона, слоев однонаправленного стекловолокна (с ориентацией волокон 0o), имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита (с ориентацией волокон ±45o).
Скручиваемый участок, имеющий прямоугольное поперечное сечение, состоит только из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину. Второй трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, с добавлением слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину. Торцы этих слоев образуют на втором трапециевидном участке фронт распределенных слоев. Первый трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, с добавлением слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, а также слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину, при этом торцы слоев диагонально направленного графита расположены на первом трапециевидном участке. Участок крепления к втулке состоит из примерно равнопропорциональной композиции слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита, чередующихся со слоями однонаправленного стекловолокна.
Периферийный трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, имеющими различную длину. Участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта состоит из примерно равнопропорциональной композиции слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита, проходящих из периферийного трапециевидного участка к периферийному концу торсиона и чередующихся со слоями однонаправленного стекловолокна.
Существует необходимость оптимизации конструкции торсиона для бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости. Улучшенная конструкция торсиона должна соответствовать требованиям к бесшарнирному несущему винту по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний, будучи при этом простой в изготовлении. Поперечное сечение такого торсиона должно быть таким, чтобы максимально упростить его изготовление и обеспечить при этом его наиболее эффективное скручивание.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание гибридного композитного торсиона для вертолетного бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей, простой и недорогой конструкцией.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, конструкция которого удовлетворяет требованиям к бесшарнирному несущему винту с упругим креплением лопастей по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний.
Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, поперечное сечение имеет конфигурацию, позволяющую снизить до минимума вероятность отбраковки торсиона вследствие нарушений технологии его изготовления и обеспечивающую при этом наиболее эффективную работу торсиона на кручение.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, обладающего отличными показателями устойчивости к боевым повреждениям.
Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, в котором участок, работающий на изгиб, принимает участие в закручивании при изменении шага лопасти, что позволяет снизить до минимума степень скручивания торсиона.
Решением этих и других задач настоящего изобретения является предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион для бесшарнирного несущего винта, имеющий скручиваемый участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, второй комлевый трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, первый комлевый трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, участок крепления к втулке, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, имеющими различную длину, периферийный трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и чередующихся с ними слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину, а также участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и чередующихся с ними слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину.
В гибридном композитный торсион отличается тем, что скручиваемый участок также содержит чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного графита, причем эти слои однонаправленного графита придают поперечному сечению скручиваемого участка крестообразную форму. Слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного графита проходят от комлевого конца до периферийного конца гибридного композитного торсиона.
Второй комлевый трапециевидный участок содержит слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита, а также слоями однонаправленного графита, проходящими из скручиваемого участка к комлевому концу торсиона, при этом вкладные слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, проходят к комлевому концу гибридного композитного торсиона.
Первый комлевый трапециевидный участок содержит слои диагонально направленного стекловолокна и слои диагонально направленного графита, имеющие различную длину и вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита, слоями однонаправленного графита, а также вкладными слоями однонаправленных стекловолокна и графита, имеющими различную длину, которые проходят из второго комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона. Вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, проходят к комлевому концу гибридного композитного торсиона.
Участок крепления к втулке содержит слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, слои однонаправленного графита, вкладные слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, которые проходят из второго комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона, а также вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, которые проходят из первого комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона.
Периферийный трапециевидный участок содержит слои диагонально направленного стекловолокна, слои диагонально направленного графита и слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита и слоями однонаправленного графита, которые проходят из скручиваемого участка к периферийному концу торсиона. Вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, а также вкладные слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, проходят к периферийному концу гибридного композитного торсиона.
Участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта содержит слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, слои однонаправленного графита, вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, вкладные слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, которые проходят из периферийного трапециевидного участка к периферийному концу торсиона.
Перечень фигур чертежей
Сущность настоящего изобретения, присущие ему особенности и достоинства раскрываются более глубоко в нижеследующем подробном описании его вариантов, сопровождаемом приложенными чертежами, а именно:
Фиг. 1 - вид в аксонометрической проекции типовой втулки бесшарнирного несущего винта вертолета;
Фиг. 2 - вид в аксонометрической проекции предложенного в изобретении гибридного композитного торсиона;
Фиг. 3 - поперечное сечение скручиваемого участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 3-3 на фиг. 2;
Фиг. 4 - поперечное сечение комлевого переходного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 4 - 4 на фиг. 2;
Фиг. 5 - поперечное сечение периферийной части второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 5 - 5 на фиг. 2:
Фиг. 6 - поперечное сечение комлевой части второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 6-6 на фиг. 2;
Фиг. 7 - продольное сечение гибридного композитного торсиона, взятое по линии 7-7 на фиг. 2;
Фиг. 8 - поперечное сечение первого комлевого трапециевидного участка второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 8 - 8 на фиг. 2;
Фиг. 9 - продольное сечение гибридного композитного торсиона, взятое по линии 9 - 9 на фиг. 2;
Фиг. 10 - местное сечение слоистой структуры, иллюстрирующее схему укладки вкладных слоев согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 11 - местное сечение второго комлевого трапециевидного участка, представленного в сечении на фиг. 7, демонстрирующее один типовой фронт распределенных вкладных слоев в предложенном гибридном композитном торсионе;
Фиг. 12A - вид в аксонометрической проекции другого варианта предложенного гибридного композитного торсиона, имеющего боковые накладки, установленные по передней и задней кромкам;
Фиг. 12B - поперечное сечение периферийной части второго комлевого трапециевидного участка второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 12B-12B на фиг. 12A.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Описание изобретения поясняется фигурами чертежей, на которых однотипные или аналогичные конструктивные элементы обозначены одними и теми же номерами позиций. На фиг. 1 и 2 представлен предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 для вертолетного бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости. На фиг. 1 показана типовая конструкция втулки 100 бесшарнирного несущего винта. В конструкцию втулки 100 бесшарнирного несущего винта входит трубчатый вал 102 главного редуктора, передающий крутящий момент от двигателя на лопасти бесшарнирного несущего винта (не показаны), поводок 104 автомата перекоса и сам автомат перекоса 106. Кроме того, втулка 100 бесшарнирного несущего винта содержит верхнюю и нижнюю пластины 108, 110, образующие проушины. Каждый гибридный торсион 10 крепится к втулке 100 бесшарнирного несущего винта посредством болтов через проушины верхней и нижней пластин 108, 110.
Каждый предложенный в изобретении гибридный композитный торсион 10 заключен в жесткую трубу 112, которая своим периферийным концом механически соединена с соответствующей лопастью несущего винта (комлем этой лопасти) и гибридным торсионом 10 (периферийным концом торсиона). Жесткая труба 112 является элементом, передающим на лопасть усилия от агрегатов управления общим и/или циклическим шагом, при этом изменение шага лопасти обеспечивается за счет закручивания соответствующего гибридного торсиона 10. С комлевым концом жесткой трубы 112 механически сочленена тяга 114 управления шагом лопасти, а в передаче на лопасти усилий от агрегатов управления шагом лопастей участвуют поводок 104 автомата перекоса, автомат перекоса 106, тяги 114 управления шагом и жесткие трубы 112 соответствующих лопастей.
Более подробно предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 показан на фиг. 2. Торсион по длине делится на 8 участков: участок 12 крепления к втулке, первый комлевый трапециевидный участок 14, второй комлевый трапециевидный участок 16, комлевый переходный участок 18, скручиваемый участок 20. периферийный переходный участок 22, периферийный трапециевидный участок 24, а также участок 26 соединения с лопастью несущего винта и жесткой трубой. Скручиваемый участок 20 имеет крестообразное поперечное сечение, характерное наличием верхних и нижних выступающих наружу ребер жесткости 30, назначение которых более подробно раскрывается ниже. Первый и второй комлевые трапециевидные участки 14, 16 вместе составляют трапециевидный гибкий участок 32 гибридного торсиона 10, функции которого более подробно раскрываются ниже. На участке 12 крепления к втулке выполнены отверстия 34 для крепления торсиона 10 к втулке 100 бесшарнирного несущего винта (в частности, к верхней и нижней пластинам 108, 110 втулки). На участке 26 соединения с лопастью и жесткой трубой выполнены отверстия 36 для крепления торсиона 10 к соответствующим жесткой трубе 112 и лопасти (на чертеже не показана).
Предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 имеет конструкцию, оптимизированную так, чтобы удовлетворять заранее определенным ограничениям конкретного бесшарнирного несущего винта по изгибным деформациям, касательным напряжениям, потере устойчивости, частоте колебаний (например, по жесткости втулки, первой частоте колебаний в плоскости вращения, углам взмаха лопастей, углам поворота лопастей относительно продольной оси). Рассматриваемый в данном описании вариант гибридного торсиона 10 был разработан для конкретного бесшарнирного несущего винта с постоянной момента на втулке не более 5,423 кДж/градус (4000 фут'фунт/градус), первой частотой колебаний в плоскости вращения не более 0,710 циклов за оборот, максимальным углом взмаха ±5,3o, диапазоном изменения шага винта ±18,75o.
Конструкция гибридных композитных торсионов 10 бесшарнирного несущего винта обеспечивает восприятие ими нагрузок в плоскостях тяги и вращения, крутильных и центробежных нагрузок от соответствующих лопастей несущего винта. Кроме того, гибридные торсионы 10 способны выдерживать высокие изгибные деформации, возникающие на маневренных режимах полета, а также сильное закручивание при изменении циклического и/или общего шага винта. Каждый участок гибридного торсиона 10 конструктивно оформлен так, чтобы выполнять конкретную основную функцию, кроме того, каждый участок связан со смежными участками как механически, так и через дублирование их функций.
Участок 12 крепления к втулке по своей конфигурации предназначен для соединения гибридного композитного торсиона 10 с втулкой 100 бесшарнирного несущего винта. Основная функция участка 12 крепления к втулке состоит в передаче моментов с торсиона на втулку 100 несущего винта. Изгибающие моменты, действующие в плоскости вращения, а также центробежные силы воспринимаются болтовыми соединениями участка 12 крепления к втулке. Изгибающие моменты, действующие в плоскости тяги, вызывают: (а) моментное дифференциальное нагружение болтовых соединений, в результате чего в верхней и нижней пластинах 108, 110 возникают усилия растяжения и сжатия; (b) напряжения изгиба в верхней и нижней пластинах 108, 110. Трапециевидный гибкий участок 32, включающий в себя первый и второй комлевые трапециевидные участки 14, 16, конструктивно оформлен так, чтобы при этом было достигнуто заданное для втулки 100 бесшарнирного несущего винта значение разноса шарниров. Трапециевидный гибкий участок 32, в частности - входящий в него второй комлевый трапециевидный участок 16, конструктивно оформлен так, чтобы частично работать на кручение при изменении шага винта. Конфигурация трапециевидного гибкого участка 32 также в некоторой степени влияет на настройку первой частоты колебаний лопасти в плоскости вращения (в рассматриваемом варианте изобретения эта частота составляет около 0,71 цикла за оборот).
Комлевый переходный участок 18 служит для плавного сопряжения скручиваемого участка 20 с крестообразным сечением и второго комлевого трапециевидного участка 16 с прямоугольным поперечным сечением. Конфигурация скручиваемого участка 20 такова, что он в основном обеспечивает поворот лопасти вокруг своей продольной оси при изменении шага, т.е. испытывает при этом наибольшее закручивание, а также влияет на настройку первой частоты колебаний лопасти в плоскости вращения. Периферийный переходный участок 22 служит для плавного сопряжения скручиваемого участка 20 с крестообразным сечением и периферийного трапециевидного участка 24 с прямоугольным поперечным сечением. Участок 26 соединения с лопастью и жесткой трубой предназначен для соединения гибридного композитного торсиона 10 с соответствующими жесткой трубой 112 и лопастью несущего винта. Участок 26 соединения с лопастью и жесткой трубой воспринимает центробежные силы от лопасти.
Помимо скручиваемого участка 20, поворот лопасти при изменении ее шага обеспечивает второй комлевый трапециевидный участок 16, входящий в состав трапециевидного гибкого участка 32. За счет увеличения количества участков гибридного композитного торсиона 10, участвующих в его упругом скручивании, достигается относительно низкая степень закручивания скручиваемого участка 20 гибридного торсиона 10, что дает возможность оптимизировать его конструкцию, сделать его достаточно толстым для предотвращения потери устойчивости при закручивании, обеспечив при этом приемлемый уровень напряжений от кручения. Первый комлевый трапециевидный участок 14 имеет конфигурацию, жесткую на кручение и податливую на изгиб. Второй комлевый трапециевидный участок 16 имеет конфигурацию, более податливую на кручение и, вместе с тем, работающую при изгибе. Конфигурация поперечных сечений гибридного торсиона 10 позволяет снизить вероятность его отбраковки вследствие нарушений технологии изготовления и, вместе с тем, максимально повышает эффективность работы торсиона на кручение.
Предложенный в изобретении гибридный композитный торсион 10 состоит из комбинации слоев композитов (предварительно пропитанных композитов или армированных реактопластов) с заданными характеристиками, которые для получения гибридного торсиона 10 с рассматриваемыми в данном описании свойствами укладываются заранее определенным способом, более подробно описываемым ниже. Поскольку гибридный торсион 10 предназначается главным образом для бесшарнирных несущих винтов вертолетов военного назначения, основным требованием, выдвигаемым авторами изобретения к его конструкции, является живучесть при боевых повреждениях. Это требование предопределяет необходимость применения композитных слоев, обладающих хорошими характеристиками устойчивости к боевым повреждениям, например, высокой ударной вязкостью, приемлемым характером разрушения или потери несущей способности. Примером такого композиционного материала, обладающего хорошими характеристиками устойчивости к боевым повреждениям, является стекловолокно. Кроме того, стекловолокно имеет хорошие показатели предела упругости. Вместе с тем стекловолокно имеет низкое отношение жесткости к весу. В отличие от стекловолокна графит, который обладает низкой высокой ударной вязкостью, неблагоприятным характером разрушения или потери несущей способности, т. е. плохими показателями живучести при боевых повреждениях, имеет хорошую предельную прочность, высокое сопротивление сдвигу и высокое отношение жесткости к весу.
Гибридный композитный торсион 10 в рассматриваемом варианте был изготовлен с применением слоев ударопрочного стекловолокна на эпоксидной матрице и слоев ударопрочного графита на эпоксидной матрице. В частности было использовано стекловолокно марки S2 и графит марки IМ7. В гибридном торсионе 10 графит и стекловолокно применены как в виде слоев с однонаправленными волокнами, т. е. волокнами, ориентированными параллельно продольной оси лопасти, так и в виде слоев с диагональной ориентацией волокон, т. е. когда волокна направлены под углом ±45o к продольной оси лопасти. Слои однонаправленного и диагонально направленных стекловолокна и графита укладываются так, чтобы получить описанные выше участки гибридного торсиона 10. Способ такой укладки подробно описывается ниже. Несмотря на то, что для изготовления гибридного торсиона 10 в описываемом ниже варианте используются слои стекловолокна и графита указанных выше марок, для специалиста должно быть очевидно, что гибридный торсион 10 может быть изготовлен из стекловолокна и/или графита других марок.
Скручиваемый участок 20 является наиболее протяженным по длине участком гибридного композитного торсиона 10 и имеет крестообразное поперечное сечение, что показано более подробно на фиг. 3. Слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита (смотри фиг. 7, 9), которые проходят от комлевого конца к периферийному концу гибридного композитного торсиона 10, т.е. от участка 12 крепления к втулке до участка 26 соединения с лопастью и жесткой трубой, укладывают так, чтобы получить 9 различных зон, составляющих скручиваемый участок 20, а именно: базовую зону 40, верхнюю и нижнюю внутренние зоны 41, 42, верхнюю и нижнюю внешние зоны 43, 44, а также верхнюю и нижнюю, левую и правую боковые зоны 45, 46, 47, 48. Слои 58 однонаправленного графита, образующие скручиваемый участок 20, не только проходят от комлевого до периферийного конца гибридного торсиона 10, но и имеют постоянную ширину по всей длине гибридного торсиона 10.
Базовая зона 40 имеет прямоугольное поперечное сечение и состоит из слоев 56 однонаправленного стекловолокна. Верхняя и нижняя внутренние зоны 41, 42 состоят из равнопропорциональной (50% на 50%) комбинации слоев 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита. В предпочтительном варианте изобретения слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита укладывают, чередуя их друг с другом, т.е. следующим образом: слой 56 стекловолокна, на него - слой 58 графита, затем - снова слой 56 стекловолокна и т.д. Применение равнопропорциональной комбинации стекловолокна и графита в верхней и нижней внутренних зонах 41, 42 несколько сглаживает несовместимость по коэффициенту теплового расширения базовой зоны 40, состоящей из стекловолокна, а также верхней и нижней внешних зон 43, 44. Канты 41E, 42Е верхней и нижней внутренних зон 41, 42 выполнены в виде параболических галтелей. Верхняя и нижняя, левая и правая боковые зоны 45, 46, 47, 48 прилегают впритык к параболическим галтельным кантам 41E, 42Е слоев 56, 58 стекловолокна и графита, составляющих, соответственно, верхнюю и нижнюю внутренние зоны 41, 42. Боковые зоны составлены из слоев 56 однонаправленного стекловолокна.
Верхняя и нижняя внешние зоны 43, 44 составлены из слоев 58 однонаправленного графита. Канты 43Е, 44Е верхней и нижней внешних зон 43, 44 выполнены в виде параболических галтелей, уменьшающих концентрацию касательных напряжений КТ при плоскостном сдвиге. Верхняя и нижняя внешние зоны 43, 44 из однонаправленного графита конструктивно оформлены как выступающие ребра жесткости 30 скручиваемого участка 20, представленного на фиг. 2.
Скручиваемый участок 20, конструкция которого рассмотрена выше, имеет очень малую жесткость на кручение. Вместе с тем скручиваемый участок 20 имеет очень высокую жесткость на изгиб в плоскости тяги, достигнутую благодаря тому, что слои 58 однонаправленного графита расположены на максимальном расстоянии C от нейтральной линии торсиона (смотри фиг. 7, где нейтральная линия торсиона обозначена линией NA - NA). Высокая сопротивляемость графитных слоев 58 плоскостному сдвигу позволяет увеличить толщину скручиваемого участка 20 (по сравнению с тем, как если бы скручиваемый участок состоял только из слоев стекловолокна). Зоны 41, 42, 43, 44, составленные из слоев 58 однонаправленного графита имеют ширину, меньшую, чем у базовой зоны 40. Это сделано для того, чтобы предельно уменьшить жесткость скручиваемого участка 20 на изгиб в плоскости вращения. Более высокий (по сравнению со стекловолокном) модуль упругости графита и схема укладки графитных слоев 58 позволяют сделать жесткость скручиваемого участка 20 на изгиб в плоскости тяги большей, чем жесткость на изгиб в плоскости вращения. При малой жесткости на изгиб в плоскости вращения частота собственных колебаний лопасти в плоскости вращения несущего винта не превышает 0,710 цикла за оборот. В свою очередь высокая жесткость на изгиб в плоскости тяги предотвращает потерю устойчивости от нагрузок на лопасть, связанных с эффектом воздушной подушки вблизи земли.
Благодаря более высокому (по сравнению со слоями из стекловолокна) модулю упругости графитных слоев скручиваемый участок 20 под действием центробежной силы CF вытягивается очень незначительно. Зауженные графитные слои 58 представляют собой хорошее решение проблемы деформаций как слоев 56 стекловолокна, так и слоев 58 графита, поскольку графитные слои 58 располагаются в областях, менее подверженных деформациям изгиба в плоскости вращения винта. Скручиваемый участок 20 содержит слои стекловолокна в количестве, достаточном для выполнения требований к конструкции, касающихся живучести при боевых повреждениях.
Комлевый переходный участок 18 обеспечивает сопряжение крестообразного поперечного сечения скручиваемого участка 20 с прямоугольным поперечным сечением второго комлевого трапециевидного участка 16. Как показано на фиг. 4, слои однонаправленного стекловолокна, проходящие к комлевому концу гибридного торсиона 10, укладывают так, чтобы получить верхнюю и нижнюю, левую и правую переходные зоны 51, 52, 53, 54, являющиеся смежными с соответствующими верхней и нижней внешними зонами 43, 44, и тем самым придать поперечному сечению комлевого переходного участка 18 прямоугольную форму. Слои стекловолокна, образующие переходные зоны 51, 52, 53, 54, прилегают встык к параболическим галтельным кантам 43Е, 44Е верхней и нижней внешних зон 43, 44, соответственно. Такую же конфигурацию имеет периферийный переходный участок 22 гибридного композитного торсиона 10.
В гибридном композитном торсионе 10 второй комлевый трапециевидный участок 16 выполняет две функции. Трапециевидный участок 16 характеризуется тем, что образующие его слои однонаправленных стекловолокна и графита имеют переменную по длине толщину и ширину. Трапециевидный участок 16 обладает сравнительно малой жесткостью на кручение. Это сделано для того, чтобы трапециевидный участок 16 "брал на себя" часть крутильных деформаций, разгружая тем самым скручиваемый участок 20. Этот трапециевидный участок обладает повышенной жесткостью на изгиб в плоскостях тяги и вращения, за счет чего в конструкции гибридного торсиона 10 достигаются заданные значения эффективного разноса шарниров, а также первой частоты собственных колебаний в плоскости вращения.
На втором комлевом трапециевидном участке 16 слои 60, 62 однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, уложены между слоями стекловолокна и графита, проходящими из комлевого переходного участка 18 до комлевого конца торсиона, что в общих чертах показано на фиг. 7. По мере удаления от области сопряжения комлевого переходного участка 18 и второго комлевого трапециевидного участка 16 к комлевому концу торсиона, в слоистую конструкцию добавлены незауженные однонаправленные слои, т.е. эти слои вставлены между слоями комлевого переходного участка 18, проходящими к комлевому концу торсиона, начиная от наружной поверхности торсиона и далее - до нейтральной линии торсиона при изгибе в плоскости тяги (линия NA - NA на фиг. 7). Вкладные слои 60, 62 проходят к комлевому концу гибридного композитного торсиона 10.
Вкладные незауженные однонаправленные слои состоят из трех продольных полос. Правая и левая боковые полосы - это слои однонаправленного стекловолокна, тогда как центральная полоса - это чередующиеся друг с другом слои однонаправленного стекловолокна и однонаправленного графита. Эффект введения вкладных слоев однонаправленных материалов графически проиллюстрирован на фиг. 5 и 6, причем на фиг. 5 представлено поперечное сечение второго комлевого трапециевидного участка 16 в области его сопряжения с комлевым переходным участком 18 (это сечение удалено от комлевого конца торсиона на 0,1157 длины гибридного композитного торсиона 10 в описываемом варианте), а на фиг. 6 представлено поперечное сечение второго комлевого трапециевидного участка 16 в области его сопряжения с первым комлевым трапециевидным участком 14 (это сечение удалено от комлевого конца торсиона на 0,0921 длины гибридного композитного торсиона 10 в описываемом варианте).
Как видно на фиг. 5, незауженные слои однонаправленных стекловолокна и графита, укладываемые между имеющимися слоями второго комлевого трапециевидного участка 16 у наружной поверхности торсиона, увеличивают толщину как верхней, так и нижней внешних зон, а также верхней и нижней, левой и правой переходных зон (эти зоны на фиг. 5 обозначены номерами 43-1, 44-1, 51- 1, 52-1, 53-1, 54-1, соответственно). Поскольку боковые полосы вкладных слоев целиком состоят из однонаправленного стекловолокна, состав верхней и нижней, левой и правой переходных зон 51-1, 52-1, 53- 1, 54-1 остается неизменным, т.е. - 100% стекловолокна.
Однако состав верхней и нижней внешних зон 43-1, 44-1 изменен, так как центральные полосы вкладных слоев содержат чередующиеся слои стекловолокна и графита. Верхняя и нижняя внешние зоны 43, 44 на комлевом переходном участке 18 на 100% состоят из однонаправленного графита. В отличие от комлевого переходного участка 18, в периферийной части второго комлевого трапециевидного участка 16, в результате укладки вкладных слоев 60, 62 состав верхней и нижней внешних зон 43-1, 44-1 описывается неравенством A > B, где A - процентное содержание однонаправленного графита, а B - процентное содержание однонаправленного стекловолокна. Для рассматриваемого варианта гибридного композитного торсиона 21 в точке сечения, удаленной от комля торсиона на 0,1157 его длины, значение A равно 69%, а значение В равно 31%.
Как показано на фиг. 6, незауженные слои однонаправленных стекловолокна и графита, укладываемые между слоями второго комлевого трапециевидного участка 16 у нейтральной линии изгиба NA - NA торсиона, увеличивают толщину как верхней, так и нижней внутренних зон, а также верхней и нижней, левой и правой боковых зон (эти зоны на фиг. 6 обозначены номерами 41-1, 42-1, 45-1, 46-1, 47-1, 48-1, соответственно). Поскольку боковые полосы вкладных слоев целиком состоят из однонаправленного стекловолокна, состав верхней и нижней, левой и правой боковых зон 45-1, 46-1, 47-1, 48-1 остается неизменным, т.е. - 100% стекловолокна.
Однако состав верхней и нижней внутренних зон 41-1, 42-1 изменен, так как центральные полосы вкладных слоев содержат чередующиеся слои стекловолокна и графита. Верхняя и нижняя внутренние зоны 41, 42 на комлевом переходном участке 18 состоят на 50% из однонаправленного стекловолокна и на 50% из однонаправленного графита. В отличие от комлевого переходного участка 18, в комлевой части второго комлевого трапециевидного участка 16, в результате вкладки слоев 60, 62 состав верхней и нижней внутренних зон 41-1, 42-1 описывается неравенством C < D, где C - процентное содержание однонаправленного графита, a D - процентное содержание однонаправленного стекловолокна. Для рассматриваемого варианта гибридного композитного торсиона 21 в точке сечения, удаленной от комля торсиона на 0,0921 его длины, значение С равно 43%, а значение D равно 57%.
В дополнение к укладке вкладных слоев 60, 62 из однонаправленных стекловолокна и графита, на внешние поверхности второго комлевого трапециевидного участка 16, т.е. верхнюю и нижнюю внешние зоны 43-1, 44-1, а также верхнюю и нижнюю, левую и правую переходные зоны 51-1, 52-1, 53-1, 54-1 укладываются незауженные слои 63 однонаправленного стекловолокна. Наложенные слои 63 однонаправленного стекловолокна образуют верхнюю и нижнюю поверхностные зоны 70, 71 (смотри фиг. 6), проходящие к комлевому концу гибридного композитного торсиона 10 и накрывающие снаружи верхнюю и нижнюю внешние зоны 43-1, 44-1, а также верхнюю и нижнюю, левую и правую переходные зоны 51-1, 52-1, 53-1, 54-1. Путем образования поверхностных зон 70, 71 поперечному сечению придаются оптимальные параметры, при этом слои однонаправленных стекловолокна и графита имеют одинаковую расчетную усталостную прочность.
Первый комлевый трапециевидный участок 14 имеет конфигурацию, придающую ему как жесткость на кручение, так и податливость на изгиб. Кроме того, трапециевидный участок 14 обеспечивает переход от слоев однонаправленных стекловолокна и графита, составляющих второй комлевый трапециевидный участок 16, к слоистой конструкции участка 12 крепления к втулке, рассматриваемой ниже.
Как показано в общих чертах на фиг. 7, незауженные слои 64, 66 различной длины диагонально направленных стекловолокна и графита равномерно укладываются между слоями однонаправленных стекловолокна и графита, проходящими из второго комлевого трапециевидного участка 16 к комлевому концу торсиона. Укладка диагонально направленных вкладных слоев 64, 66 начинается у наружной поверхности торсиона и продолжается в направлении нейтральной линии NA - NA торсиона так, что диагонально направленные слои 64, 66 распределены равномерно. Такое распределение слоев 64 диагонально направленного стекловолокна обеспечивает постепенный тепловой переход между несовместимыми по коэффициенту теплового расширения слоями однонаправленного стекловолокна и слоями 66 диагонально направленного графита. Вкладные диагонально направленные слои 64, 66 доходят до комлевого конца гибридного композитного торсиона 10.
Схема распределения слоев 64, 66 диагонально направленных стекловолокна и графита представлена на фиг. 7 и содержит три переходных сегмента: S1, S2 и S3. В первом переходном сегменте S1 слои 64 диагонально направленного стекловолокна уложены между слоями, распределяясь при этом равномерно. Во втором переходном сегменте S2 между слоями равномерно по толщине торсиона уложены как слои 64 диагонально направленного стекловолокна, так и слои 66 диагонально направленного графита. Как показано на фиг. 7, первый и второй наборы слоев 66 диагонально направленного графита равномерно уложены между слоями в отдельных частях третьего переходного сегмента S3. Для рассматриваемого варианта гибридного композитного торсиона 10 длина первого переходного сегмента S1 составляет примерно 25 мм, длина второго переходного сегмента S2 составляет примерно 25 мм, а длина третьего переходного сегмента S3 составляет примерно 150 мм (из них 50 мм приходится на первый набор слоев 66 диагонально направленного графита, и 100 мм приходится на второй набор слоев 66 диагонально направленного графита).
При укладке вкладных слоев 64, 66 диагонально направленных стекловолокна и графита увеличивается толщина и изменяется состав базовой зоны, верхней и нижней внутренних зон, верхней и нижней внешних зон, верхней, нижней, правой и левой боковых зон, а также верхней, нижней, правой и левой переходных зон (эти зоны на фиг. 8 обозначены номерами 40-2, 41-2, 42-2, 43-2, 44-2, 45-2, 46- 2, 47-2, 48-2, 51-2, 52-2, 53-3, 54-2, соответственно). В частности, что касается состава верхней и нижней внешних зон 43-2 и 44-2, то он описывается неравенством E>F>G>H, где E - процентное содержание однонаправленного графита, F - процентное содержание диагонально направленного графита, G - процентное содержание однонаправленного стекловолокна, H - процентное содержание диагонально направленного стекловолокна. Состав верхней и нижней внутренних зон 41-2 и 42-2 описывается неравенством I>J>K>L, где I - процентное содержание однонаправленного стекловолокна, J - процентное содержание однонаправленного графита, K - процентное содержание диагонально направленного графита, L - процентное содержание диагонально направленного стекловолокна. Наконец, состав базовой зоны 40-2 описывается неравенством M>N>O>P, где М - процентное содержание однонаправленного стекловолокна, N - процентное содержание диагонально направленного графита, O - процентное содержание диагонально направленного стекловолокна, P - процентное содержание однонаправленного графита. Для рассматриваемого варианта гибридного композитного торсиона 10 (в точке сечения, удаленной от комля торсиона на 0,0611 его длины) вышеупомянутые члены неравенств принимают следующие значения: E=40%, F=30%, G= 19%, H=11%, I=35%, J=28%, K=27%, L=10%, М-47%, N=23%, O=17% и P=13%.
Однако, поскольку боковые полосы базовой зоны 40-2 не содержат слоев 62 однонаправленного графита, реальное процентное содержание однонаправленного графита в центральной полосе (отмеченного штриховыми линиями на фиг. 8), превышает значение Р. В желательном варианте изобретения центральная полоса базовой зоны содержит 19% однонаправленного графита (против 13% во всей базовой зоне).
На скручиваемом участке 20 слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита, проходящие до комлевого конца торсиона, в совокупности с добавленными к ним на комлевом переходном участке 18 слоями однонаправленного стекловолокна, проходящими до комлевого конца торсиона, с уложенными между ними и над ними на втором комлевом трапециевидном участке 16 слоями 60, 62, 63 однонаправленных стекловолокна и графита, проходящими до комлевого концу торсиона, а также с уложенными между ними на первом комлевом трапециевидном участке 14 слоями 64, 66 диагонально направленных стекловолокна и графита, проходящими до комлевого конца торсиона, составляют оптимальную слоистую конструкцию участка 12 крепления к втулке, способствующую надежному болтовому соединению участка 12 торсиона с втулкой 100 бесшарнирного несущего винта. Слоистая конструкция участка 12 крепления к втулке представляет собой равнопропорциональную комбинацию однонаправленных слоев и диагонально направленных слоев стекловолокна и графита. Такая слоистая конструкция обладает высокой жесткостью на кручение, хорошей прочностью на изгиб и превосходной контактной прочностью узлов крепления.
Периферийный трапециевидный участок 24 по своей конструкции аналогичен первому комлевому трапециевидному участку 14. Периферийный трапециевидный участок 24 обеспечивает плавное сопряжение между слоями однонаправленных стекловолокна и графита, проходящими от периферийного переходного участка 22 до периферийного конца торсиона, и рассматриваемой ниже слоистой конструкцией участка 26 соединения с жесткой трубой и лопастью.
Как показано на фиг. 9, незауженные слои 74, 76 диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, а также слои 78 однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, равномерным образом уложены между слоями однонаправленных стекловолокна и графита, проходящими от периферийного переходного участка 22 до периферийного конца торсиона. Укладка диагонально направленных вкладных слоев 74, 76 и однонаправленных слоев 78 начинается у наружной поверхности торсиона и продолжается в направлении нейтральной линии NA-NA торсиона так, что диагонально направленные слои 74, 76 и однонаправленные слои 78 распределены равномерно. Такое чередующееся распределение слоев 74, 76 диагонально направленных стекловолокна и графита, а также слоев 78 однонаправленного стекловолокна обеспечивает постепенный тепловой переход между несовместимыми по коэффициенту теплового расширения слоями однонаправленного стекловолокна и слоями 76 диагонально направленного графита. Вкладные диагонально направленные слои 74, 76 и однонаправленные слои 78 доходят до периферийного конца гибридного композитного торсиона 10.
Схема распределения вкладных слоев 74,76 диагонально направленных стекловолокна и графита, а также слоев 78 однонаправленного стекловолокна представлена на фиг. 9 и содержит четыре переходных сегмента: S4, S5, S6 и S7. В четвертом переходном сегменте S4 слои 74 диагонально направленного стекловолокна уложены между слоями равномерно по толщине торсиона. В пятом переходном сегменте S5 между слоями равномерно по толщине торсиона уложены как слои 74 диагонально направленного стекловолокна, так и слои 76 диагонально направленного графита. В шестом переходном сегменте S6 слои 76 диагонально направленного графита уложены между слоями равномерно по толщине торсиона. И наконец, в седьмом переходном сегменте S7 слои 76 диагонально направленного графита и слои 78 однонаправленного стекловолокна уложены между слоями равномерно по толщине торсиона. Слои 78 однонаправленного стекловолокна вводят в конструкцию для получения заданной конфигурации участка 26 соединения с жесткой трубой и лопастью, описание которой приведено в следующем абзаце.
На скручиваемом участке 20 слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита, проходящие к периферийному концу торсиона, в совокупности с добавленными к ним на периферийном переходном участке 22 слоями однонаправленного стекловолокна, проходящими до периферийного конца торсиона, с вкладными их на периферийном трапециевидном участке 24 слоями 74, 76 диагонально направленных стекловолокна и графита, слоями 78 однонаправленного стекловолокна, проходящими к периферийному концу торсиона, составляют оптимальную слоистую конструкцию участка 12 крепления к втулке, способствующую надежному болтовому соединению участка 12 торсиона с втулкой 100 бесшарнирного несущего винта. Слоистая конструкция участка 26 соединения с жесткой трубой и лопастью представляет собой равнопропорциональную комбинацию однонаправленных слоев и диагонально направленных слоев стекловолокна и графита. Такая слоистая конструкция отличается высокой жесткостью на кручение, хорошей прочностью на изгиб и превосходной контактной прочностью узлов крепления.
Как было указано в предыдущих абзацах, слои 64, 66 диагонально направленных стекловолокна и графита, вложенные между слоями на первом комлевом трапециевидном участке 14, слои 60, 62 однонаправленных стекловолокна и графита, вложенные между слоями на втором комлевом трапециевидном участке 16, а также слои 74, 76 диагонально направленных стекловолокна и графита и слои 78 однонаправленного стекловолокна, вложенные между слоями на периферийном трапециевидном участке 24, имеют различную длину. Торцы этих вкладных слоев, обозначенных на фиг. 7, 9 номерами 64Е, 66Е, 60Е, 62Е, 74Е, 76Е, 78Е, соответственно, расклинивая смежные слои, образуют фронты вкладных слоев (обозначенные номерами 80-88 и соответствующими штриховыми линиями на фиг. 7, 9) на первом комлевом трапециевидном участке 14, втором комлевом трапециевидном участке 16 и периферийном трапециевидном участке 24, соответственно. С предложенной в настоящем изобретении уникальной схемой укладки слоев гибридного композитного торсиона 10 достигается распределение концентрированных расслаивающих нагрузок в точках расклинения смежных слоев, характерных для обычных конфигураций, по линиям фронтов 80 - 88, образованным торцами 64Е, 66Е, 60Е, 62Е, 74Е, 76Е, 78Е вкладных слоев. Фиг. 10 иллюстрирует обычный фронт вкладных слоев на трапециевидном участке, а на фиг. 11 в увеличенном виде показан фронт распределенных вкладных слоев, образованный торцами 60Е, 62Е вкладных слоев, уложенных на втором комлевом трапециевидном участке 16 предложенного гибридного композитного торсиона 10.
Как показано на фиг. 10, отдельные композитные слои P укладываются по обычной технологии от срединной линии слоистой конструкции к ее внешнему контуру. При этом некоторые отобранные слои P обрезаны и уложены так, чтобы своими торцами PE расклинивать смежные слои, как показано на фиг. 10. Точка PS, находящаяся в наиболее напряженном состоянии под действием сложных касательных напряжений сдвига (касательных напряжений от усилий, действующих в направлении хорд, и касательных напряжений, обусловленных расклинением смежных слоев), обусловленном расположением обрезанных торцов РЕ уложенных слоев композита, располагается вблизи самых внутренних торцов РЕ слоев. Наибольшие нормальные напряжения, возникающие как следствие обычной схемы укладки слоев с их расклинением вкладными слоями, наблюдаются в самом внутреннем слое Р. Эффект сложения напряжений при обычной технологии укладки слоев и расположение обрезанных торцов РЕ усиливает напряжения растяжения, вследствие чего эффективное расслаивающее усилие KL приложено к единственной точке, что показано на фиг. 10. Действие сосредоточенного усилия KL направлено на разделение отдельных слоев P в области наращивания слоев.
В отличие от слоистой конструкции, собранной обычным способом, в гибридном композитном торсионе 10, предложенном в настоящем изобретении, вкладные слои, добавляемые на втором комлевом трапециевидном участке 16, первом комлевом трапециевидном участке 14 и периферийном трапециевидном участке 24, укладываются в направлении от внешнего контура гибридного торсиона 10 к срединной линии (нейтральной линии NA - NA торсиона). При этом торцы смежных вкладных слоев образуют фронты вкладных слоев 80 - 88, описанные выше и изображенные на фиг. 7, 9.
Как показано на фиг. 11, торцы 60Е, 62Е слоев однонаправленных стекловолокна и графита, вложенные между слоями на втором комлевом трапециевидном участке 16, образуют фронт 80 распределенных вкладных слоев. При этом вкладной слой 60 однонаправленного стекловолокна перекрывает своим торцом 60Е торец 62Е смежного слоя 62 однонаправленного графита. Точка наибольшей изгибной деформации при такой укладке вкладных слоев 60, 62 и распределенной конфигурации фронта 80 вкладных слоев, образованного торцами 60Е, 62Е, как это предложено в изобретении, обозначена на фиг. 11 номером 95 и расположена вблизи внешнего контура второго комлевого трапециевидного участка 16. Благодаря этому расслаивающая нагрузка не концентрируется в одной точке, а равномерно распределяется по слоям 60, 62 однонаправленных стекловолокна и графита, вложенным между слоями на втором комлевом трапециевидном участке 16. Такая распределенная расслаивающая нагрузка обозначена на фиг. 11 стрелками 97, причем для упрощения чертежа показаны лишь три таких стрелки.
В результате этого на втором комлевом трапециевидном участке 16, в области наращивания слоев, осуществляемого в соответствии с настоящим изобретением путем расклинения слоев торцами 60Е, 62Е вкладных слоев, ослабления конструкции не происходит. Результатом такого наращивания слоев является усиление второго комлевого трапециевидного участка 16. Аналогичный эффект наблюдается в области других фронтов 81 - 84, 85 - 88 распределенных вкладных слоев, описанных выше и относящихся, соответственно, к первому комлевому трапециевидному участку 14 и периферийному трапециевидному участку 24 гибридного композитного торсиона 10.
Гибридный композитный торсион 10' в альтернативном варианте настоящего изобретения представлен для примера на фиг. 12А, 12В. Гибридный торсион 10' имеет слоистую конструкцию, эквивалентную рассмотренной выше конструкции гибридного композитного торсиона 10, т.е. композицию слоев однонаправленного и диагонально направленных стекловолокна и графита. Гибридный торсион 10' отличается тем, что в его конструкцию входят боковые накладки 90 U-образного профиля, устанавливаемые на определенные участки передней и задней кромок гибридного торсиона 10'. В предпочтительном варианте боковые накладки 90 изготавливают из стекловолокна, ориентированного под углом ±45o.
Как показано на фиг. 12A, боковые накладки 90 начинаются от комлевой и периферийной границ скручиваемого участка 20 и проходят в направлении комлевого и периферийного концов торсиона, соответственно, оканчиваясь в тех точках, где деформации уже относительно невелики, т.е. на первом комлевом трапециевидном участке 14 и периферийном трапециевидном участке 24, соответственно. Боковые накладки 90 предназначены для предотвращения расщепления слоев, характерного, как правило, для участков слоистых конструкций с изменяющейся шириной.
Объект настоящего изобретения может быть подвергнут различного рода видоизменениям, соответствующим раскрытому выше замыслу изобретения. Поэтому следует принять во внимание возможность осуществления настоящего изобретения в другом варианте, отличном от рассмотренных выше конкретных вариантов и не расширяющем совокупности существенных признаков, раскрытых в приложенной формуле изобретения.
Изобретение относится к области авиации. Торсион разделен по длине на восемь участков: участок крепления к втулке, первый комлевый трапециевидный участок, второй комлевый трапециевидный участок, комлевый переходной участок, скручиваемый участок, имеющий крестообразное поперечное сечение, периферийный переходной участок, периферийный трапециевидный участок и участок соединения с жесткой трубой и лопастью. Скручиваемый участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, равнопропорциональной композиции слоев однонаправленных стекловолокна и графита, а также слоев однонаправленного графита. На втором комлевом трапециевидном участке между указанными слоями вложены слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину. На первом комлевом трапециевидном участке между слоями вложены слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину. На периферийном трапециевидном участке между слоями вложены слои диагонально направленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину. Торцы вкладных слоев равномерно распределены в слоистой структуру, благодаря чему расслаивающие нагрузки в торсионе распределены в области наращивания слоев равномерно. Изобретение направлено на улучшение технологических и эксплуатационных характеристик. 2 с. и 23 з. п.ф-лы, 13 ил.
| WO, 94/27866 A, 08.12.94 | |||
| RU, 2033943 C1, 30.04.95. |
