ЛОПАСТЬ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК B64C27/473 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к конструкции, конструктивным материалам и технологии изготовления лопастей воздушных винтов летательных аппаратов.

Известна конструкция вертолетной лопасти из композиционного материала с полым лонжероном, изготавливаемым способом механизированной перекрестной намотки армирующих слоев волокон композиционного материала на вращающуюся оправку (см. патент США N 3713753, НКИ 416/226, МКИ B 64 C 11/26, публ. 1973). Формообразование слоистой конструкции и полимеризация связующего происходит в пресс-форме. Для обеспечения необходимых прочностных и жесткостных параметров угол армирования может изменяться: основные слои армирующих волокон, расположенные по всей длине лонжерона, намотаны под углом 15 градусов относительно оси лонжерона, а в комлевой части выполнены дополнительные слои, намотанные под углами 45 градусов и 30 градусов.

Недостатком указанной схемы армирования является то, что дополнительные слои, намотанные под углами 45 градусов и 30 градусов, расположены с внутренней стороны стенки лонжерона, ступенчато укорачиваясь в направлении комля, и прижаты основными слоями сверху. Такое несимметричное в вертикальном направлении расположение слоев приводит к появлению больших сдвиговых напряжений на поверхности раздела слоев и отслоению дополнительных слоев при изгибе лопасти.

Из характера действующих на лопасть по ее длине в полете и на земле нагрузок следует, что прочность и жесткость по длине лопасти должна быть различной, что в свою очередь предъявляет требования к выбору схем армирования лонжерона лопасти, выполненной из композиционных материалов.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение ресурса и надежности лопасти за счет изменения схемы армирования лонжерона с учетом распределения прочностных и жесткостных нагрузок по длине лопасти и исключения стыкового соединения лонжерона со стреловидной концевой частью.

Указанная задача решена благодаря тому, что в лопасти несущего винта вертолета, содержащей пустотелый лонжерон, абразивостойкий профиль и концевой обтекатель, образующие аэродинамический профиль лопасти, стенка лонжерона выполнена из волокон композиционного материала, расположенных по всей длине в виде перекрестно-армированных основных слоев и укороченных слоев, расположенных в зоне местного увеличения жесткости и прочности, при этом лонжерон имеет комлевую часть со стыковочными отверстиями и хвостовую часть, - лонжерон имеет чередующиеся по толщине стенки относительно продольной оси дополнительно основные слои с расположением волокон пол углом 4-50 градусов, упомянутые основные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5-15 градусов, а упомянутые укороченные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5-15 градусов.

Для обеспечения дополнительной жесткости на изгиб комлевого участка лопасти - укороченные слои армирующих волокон расположены на относительном радиусе от до т.е. охватывают не только комлевый, но и средний участок лопасти, что соответствует распределению нагрузок на лопасть. Эти слои ступенчато укорачиваются к периферии сечения и в направлении комля.

Для повышения надежности конструкции за счет исключения развития трещин в плоскости слоя волокна, расположенные под углом 40-50 градусов, могут быть выполнены комбинированными: на 30-50% своего объема выполнены из материала с модуля сдвига при кручении в 3-4 раза выше, чем модуль сдвига при кручении материала остального объема волокна. Такой эффект может быть получен, если волокна, расположенные под углом 40-50 градусов, выполнены на 30-50% объема из стекловолокна, а на 70-50% - из углеволокна.

Для обеспечения прочности комлевого участка лопасть снабжена пластинами из раскроенного тканого композиционного материала, модуль упругости на растяжение в 1,5-2,0 раза выше, чем модуль упругости материала перекрестно-армированных слоев, при этом пластины расположены в зоне стыковочных отверстий комлевой части лонжерона на относительном радиусе от до по верхней и нижней стенкам между основными и укороченными перекрестно-армированными слоями.

Лонжерон имеет стреловидную концевую часть, образованную продолжением чередующихся перекрестно-армированных слоев так, что на относительном радиусе от до угол расположения волокон в чередующихся слоях плавно изменяется от 5-15 градусов до 40-50 градусов. Это упрощает технологию изготовления и повышает надежность лопасти за счет исключения стыка при выполнении лопасти со стреловидной концевой частью.

При этом при изготовлении лопасти несущего винта вертолета, имеющей стреловидную законцовку, включающем изготовление лонжерона из слоя композиционного материала путем перекрестной намотки на оправку под углом к продольной оси однонаправленных волокон, формообразование лонжерона в пресс-форме, удаление оправки, присоединение абразивостойкого профиля и концевого обтекателя, а также хвостовой части, - волокна композиционного материала наматывают на оправку, имеющую плоский вспомогательный участок и трапециевидный хвостовой участок, который предназначен для формирования стреловидной законцовки, при чередовании одних основных слоев с перекрестной намоткой под углом 5-15 градусов, других основных слоев волокон с перекрестной намоткой под углом 40-50 градусов и укороченных слоев волокон под углом 5-15 градусов между упомянутыми основными слоями в комлевой части лонжерона с образованием между контуром трапециевидного хвостового участка оправки и слоями намотки зазоров, затем в пресс-форме устраняют зазоры между слоями намотки, удаляют оправку, обрезают плоскую вспомогательную часть, а образующуюся прорезь в носке концевого участка закрывают профильной вставкой и абразивостойким профилем.

Такое выполнение лопасти исключает возникновение напряжений межслоевого сдвига между слоями с различными жесткостями и позволяет создать на основе такой схемы армирования конструкцию лонжерона с оптимальной формой поперечного сечения и с оптимальным распределением массы и жесткости на изгиб и кручение по радиусу лопасти. В конечном счете это позволяет повысить ресурс и надежность лопасти и вертолета в целом.

На фиг. 1 изображен общий вид лопасти несущего винта;
на фиг. 2 - продольное сечение стенки лонжерона;
на фиг. 3 - поперечное сечение лонжерона в зоне расположения стыковочных отверстий;
на фиг. 4 - поперечное сечение лонжерона в комлевой част;
на фиг. 5 - поперечное сечение основного участка лонжерона;
на фиг. 6 - часть оправки с трапециевидным участком;
на фиг. 7 - общий вид трапециевидной части намотанной заготовки лонжерона;
на фиг. 8 - поперечное сечение трапециевидной части оправки с заготовкой;
на фиг. 9 - место М фиг. 8;
на фиг. 10 - справка с заготовкой в пресс-форме после опрессовки;
на фиг. 11 - концевая часть лонжерона с профильной вставкой.

Лопасть несущего винта вертолета содержит лонжерон 1 и хвостовую часть 2, образующие аэродинамический профиль, стреловидную законцовку 3 и концевой обтекатель 4. Лонжерон 1 имеет в комлевой части стыковочные отверстия 5, а по носку его расположен абразивостойкий профиль 6 (фиг. 1).

Полый лонжерон 1 выполнен из композиционных материалов, и его стенка включает перекрестно-армированнные слои из расположенных под углом к продольной оси однонаправленных волокон: по всей его длине по периметру поперечного сечения расположены чередующиеся по толщине его стенки основные слои 7 с расположением волокон под углом 5-15 градусов и дополнительные основные слои 8 с углом расположения волокон под углом 40-50 градусов к продольной оси (фиг. 2, 3, 4, 5).

Укороченные слои 9 выполнены с углом расположения волокон 5-15 градусов и равномерно уложены между чередующимися основными слоями 7 и 8 в зоне местного увеличения жесткости, в частности в комлевой части лонжерона.

Такое чередование основных 7, 8 и укороченных слоев 9 по периметру стенки лонжерона 1 и по длине лопасти обеспечивает восприятие нагрузок, при котором не происходит межслоевой сдвиг и отслаивание материала. Чередующиеся основные слои 7, 8 позволяют распределить укороченные слои 9 в нужном по радиусу лопасти участку лонжерона, надежно удержать их и включить в восприятие изгибных нагрузок.

Для усиления комлевого участка лопасти в соответствии с распределением нагрузок в полете и на стоянке расчетным путем определена схема армирования комлевого участка лонжерона 1. Дополнительные укороченные слои 9, расположенные на относительном радиусе от до равномерно между основными слоями 7 и 8, обеспечивают требуемое увеличение жесткости на изгиб (фиг. 2, 3, 4, 5).

Выполнение волокон в слоях 8 с углом расположения 40-50 градусов комбинированными: на 30-50% своего объема из материала с модулем сдвига при кручении в 3-4 раза выше, чем у материала остальных 70-30% объема волокна, в частности, соответственно, из стекловолокна и углеволокна, обеспечивают наилучшие массово-жесткостные характеристики лонжеронов лопастей данной конструкции.

В зоне расположения стыковочных отверстий 5 на относительном радиусе от до по верхней и нижней стенкам лонжерона равномерно между основными 7, 8 и укороченными 9 перекрестно-армированными слоями уложены раскроенные пластины 10 из тканого композиционного материала (фиг. 2, 3), модуль упругости которого на растяжение в 1,5-2,0 раза выше, чем у материала перекрестно армированных слоев. В качестве такого материала может быть использована, например, кордножгутовая стеклоткань Т25 (ВМ)-78 с модулем упругости Е=4600 кг/мм, при модуле упругости Е=2600 кг/мм намотанного под углом 30 градусов стеклопластика.

С целью равномерного включения в изгиб укороченных слоев 9 и раскроенных пластин 10 они ступенчато укорачиваются к периферии сечения лонжерона 1 в направлении комля (фиг. 2).

Лонжерон 1 имеет концевой участок 11 под стреловидную законцовку 3, расположенный на относительном радиусе от до и образованный продолжением чередующихся основных слоев 7, 8 с углами 5-15 градусов и 40-50 градусов (фиг. 5), причем угол расположения волокон в чередующихся слоях 7 плавно изменяется от 5-15 градусов до 40-50 градусов (не показано), что обусловлено технологией автоматической намотки лонжерона.

Для изготовления такой лопасти несущего винта со стреловидной законцовкой используют специальную оправку 12, которая имеет съемный трапециевидный в плане концевой участок 13 (фиг. 6, 7, 8). Комлевый и концевой технологические участки оправки, служащие для обеспечения возврата ленты при намотке, не показаны. Намотку волокон на основную длину оправки осуществляют с чередованием слоев 7, 8 с перекрестной намоткой под углами 5-15 градусов и 40-50 градусов к продольной оси. Трапециевидный участок 13 оправки 12 имеет в сечении форму концевого участка 11 лонжерона 1 под стреловидную законцовку 3 с примыкающей к нему со стороны носовой части (по линии обреза) плоской вспомогательной частью 14. При намотке волокон на трапециевидный участок 13 оправки 12 в слоях с углом 5-15 градусов угол намотки плавно изменяют до 40-50 градусов к концу оправки 12. Между намотанной заготовкой 15 и трапециевидным участком 13 оправки 12 образуются зазоры "Т" (фиг. 8, 9), которые выбираются при прижатии слоем намотки к оправке 12 в пресс-форме 16 (фиг. 10), которая соответствует наружному контру лонжерона 1.

После опрессовки заготовки 15 и полимеризации композиционного материала в пресс-форме 16 оправку 12 извлекают, а плоскую вспомогательную часть трапециевидного участка намотки заготовки 15 обрезают (по линии обреза) (фиг. 6, 7, 8). Образующуюся в носке концевого участка 11 лонжерона 1 прорезь закрывают профильной вставкой 17, устанавливаемой с помощью крепежных элементов 18 и приклеивают абразивостойкий профиль 6 по носку лопасти и хвостовую часть 2 лопасти к задней стенке лонжерона 1 (фиг. 11).

Изобретение относится к области авиации. Лопасть содержит пустотелый лонжерон, абразивостойкий профиль и концевой обтекатель, образующие аэродинамический профиль лопасти. Стенка лонжерона выполнена из волокон композиционного материала, расположенных по всей длине в виде перекрестно-армированных основных слоев и укороченных слоев, расположенных в зоне местного увеличения жесткости и прочности. Лонжерон имеет комлевую часть со стыковочными отверстиями и хвостовую часть. Лонжерон имеет чередующиеся по толщине стенки относительно продольной оси дополнительно основные слои с расположением волокон под углом 40 - 50 град. Упомянутые основные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5 - 15 град. а упомянутые укороченные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5 - 15 град. При изготовлении волокна композиционного материала наматывают на оправку, имеющую плоский вспомогательный участок и трапециевидный хвостовой участок, который предназначен для формирования стреловидной законцовки. Изобретение направлено на упрощение технологии изготовления и повышение надежности при эксплуатации. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Лопасть несущего винта вертолета, содержащая пустотелый лонжерон, абразивостойкий профиль и концевой обтекатель, образующие аэродинамический профиль лопасти, стенка лонжерона выполнена из волокон композиционного материала, расположенных по всей длине в виде перекрестно-армированных основных слоев и укороченных слоев, расположенных в зоне местного увеличения жесткости и прочности, при этом лонжерон имеет комлевую часть со стыковочными отверстиями и хвостовую часть, отличающаяся тем, что лонжерон имеет чередующиеся по толщине стенки относительно продольной оси дополнительно основные слои с расположением волокон под углом 40 - 50 град., упомянутые основные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5 - 15 град. , а упомянутые укороченные слои выполнены с расположением армирующих волокон под углом 5 - 15 град. 2. Лопасть по п. 1, отличающаяся тем, что укороченные слои армирующих волокон расположены на относительном радиусе от до
3. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что волокна, расположенные под углом 40 - 50 град., выполнены на 30 - 50% объема из стекловолокна, а на 50 - 70% из углеволокна. 4. Лопасть по п.3, отличающаяся тем, что снабжена пластинами из раскроенного тканого композиционного материала, модуль упругости которого на растяжение в 1,5 - 2,0 раза выше чем модуль упругости материала перекрестно-армированных слоев, при этом пластины расположены в зоне стыковочных отверстий комлевой части лонжерона на относительном радиусе от до по верхней и нижней стенкам между основными и укороченными перекрестно-армированными слоями. 5. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что лонжерон имеет стреловидную концевую часть, образованную продолжением чередующихся перекрестно-армированных слоев так, что на относительном радиусе от до угол расположения волокон в чередующихся слоях плавно изменяется от 5 - 15 до 40 - 50 град. 6. Способ изготовления лопасти несущего винта вертолета, имеющей стреловидную законцовку, включающий изготовление лонжерона из слоев композиционного материала путем перекрестной намотки на оправку под углом к продольной оси однонаправленных волокон, формообразование лонжерона в пресс-форме, удаление оправки, присоединение абразивостойкого профиля и концевого обтекателя, а также хвостовой части, отличающийся тем, что волокна композиционного материала наматывают на оправку, имеющую плоский вспомогательный участок и трапециевидный хвостовой участок, который предназначен для формирования стреловидной законцовки, при чередовании одних основных слоев с перекрестной намоткой под углом 5 - 15 град., других основных слоев волокон с перекрестной намоткой под углом 40 - 50 град. и укороченных слоев волокон под углом 5 - 15 град. между упомянутыми основными слоями в комлевой части лонжерона с образованием между контуром трапециевидного хвостового участка оправки и слоями намотки зазоров, затем в пресс-форме устраняют зазоры между слоями намотки, удаляют оправку, обрезают плоскую вспомогательную часть, а образующуюся прорезь в носке концевого участка закрывают профильной вставкой и абразивостойким профилем.