Лопасть ветрового колеса из композиционных материалов и способ ее изготовления Советский патент 1993 года по МПК B64C27/46 

Изобретение относится к ветряным двигательным установкам и может быть использовано при изготовлении лопастей и лонжеронов лопастей несущих и рулевых винтов вертолетов, вентиляторов и других полых изделий из слоистых композиционных материалов.

Цель изобретения - повышение прочности и долговечности, снижение массы, а также уменьшение цикла и трудоемкости изготовления лопасти.

На фиг. 1 показана лопасть; общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фг.1; на фиг.З - способ нанесения на оправку первой зоны методом намотки; на фиг. 4 - способ формования лонжерона; на фиг.5 - способ формования оболочки комлевой части.

Здесь закладной элемент со стыковочным фланцем 1 заделан в лонжерон 2. На лонжерон нанесён заполнитель 3. который покрывает наружная оболочки 4, опирающаяся на планки 5.

Лопасть ветрового колеса состоит из силового элемента в виде коробчатого лонжерона 2, на одном конце которого вмотан металлический закладной элемент со стыковочным фланцем 1. Лонжерон имеет в сечении неправильный многоугольник с уменьшающимся периметром по мере удаления от оси вращения лопасти. С целью достижения равнонапряженности и уменьшения веса необходимо, чтобы толщина стенки лонжерона уменьшалась с увеличением радиуса. Для достижения этого эффекта лонжерон содержит слои различной длины расположенные по зонам так, что их количество, по мере увеличения радиуса лопасти. Уменьшается, а утолщения,образую- щиеся в зонах реверса витков, удалены. Кроме того, угол укладки стекловолокон в каждом слое уменьшается от начала витка до его конца, так как с уменьшением угла укладки уменьшается и толщина слоя,

На поверхности лонжерона размещен заполнитель в виде пенопласта, вспененного в замкнутой форме рабочая поверхность которого соответствует внутреннему контуру наружной оболочки 4, а также планки 5, обеспечивающие жесткую опору боковым стенкам наружной оболочки 4. Наружная оболочка состоит, по крайней мере, из двух спирально-винтовых слоев стеклопластика на основе пропитанной связующим стекло- ленты витки которой уложены встык и ориентированы под углом к продольной оси лопасти, причем витки последующего слоя смещены на половину ширины ленты и ориентированы под тем же углом, но в обратную сторону.

Сущность способа поясняется чертежом, где на фиг. 3 показан способ нанесения на оправку первой зоны 6 методом намотки и место отрезки утолщения 7. На

фиг,4 показан способ формования всего лонжерона намоткой зон 8, 9, 10 и способ заделки закладного элемента 1 прижимными кольцевыми слоями 11. На фиг.5 показан способ формования оболочки комлевой части 12, примотанной кольцевыми слоями 13 и слоями основной оболочки 14 и 15.

Лопасть ветрового колеса изготавливается следующим образом.

На оправку устанавливается закладной элемент со стыковочным фланце и закрепляется от проворота. Оправка устанавливается на намоточный станок с числовым программным управлением. Поверх оправки и закладного элемента наносится первая зона пластика из стеклянных, пропитанных связующим волокон, сформированных в ленту методом спиральной намотки по кривым равного отклонения. При этом управляющая программа намоточным станком

рассчитывается так, чтобы угол намотки по

мере удаления от стыковочного фланца (от

начала намотки) непрерывно уменьшался.

Это вызвано тем, чтобы для обеспечения

равнонапряженности лонжерона, при уменьшении площади поперечного сечения, толщина стенки должна уменьшаться. Толщина наматываемого спирального слоя в любом рассматриваемом сечении рассчитывается по формуле:

COSOa COS (А

д.

а

где Па, Оа - наружный периметр и угол намотки наибольшего сечения;

П|, оц - наружный периметр и угол намотки 1-го сечения;

да -толщина слоя в наибольшем сечении.

Из формулы следует, что с уменьшением угла намотки уменьшается толщина слоя в рассматриваемом сечении, а с уменьшением наружного периметра увеличивается толщина слоя в рассматриваемом сечении. Но поскольку уменьшение толщины слоя за счет уменьшения угла намотки не может компенсировать увеличение толщины слоя за счет разности периметров, то наметать лонжерон в одну зону, т.е. сбоями одинаковой длины не представляется чмажным. Поэтому наиболее оптимальная толшина стенки лонжерона может быть получена зональной намоткой.

После намотки первой зоны обрезается и удаляется утолщение, образовавшееся в результате реверса витков. Далее производится намотка второй зоны, которая ложится поверх первой и покрывает новый участок оправки. Аналогично производится обрезание и удаление утолщенного конца зоны. Таким же образом производится намотка всех последующих зон. Зона реверса витков (утолщение) последней зоны укладывается на технологической части оправки. Затем производится прижатие намотанных слоев всех зон к шейке закладного элемента (к участку, прилегающему к стыковочному фланцу) с помощью кольцевых слоев этим же волокном, предварительно сделав кольцевой рез на всех слоях, находящегодя на технологической части оправки.- Это обеспечивается натяжением стекловолокон на лентопротяжном механизме намотанного станка. Далее наносится разделительный и викелевочный слои и производится отверждение связующего в печи. После этого производится удаление оправки, приклейка на наружную боковую поверхность лонжерона планок, на которые затем опирается наружная оболочка, укладка его в форму, заполнение свободного объ- ема формы необходимой навеской предварительно подготовленной зернистости полуфабриката пенопласта и вспенива- ние последнего в печи по требуемому режиму. Далее изделие извлекается из формы, зачищается (при необходимости) облой и устанавливается на намоточный станок. Комлевая часть наружной оболочки формируется методом нанесения предварительно пропитанной и раскроенной стеклоткани, при этом крайние срезы приматываются несколькими слоями стекловолокна. Затем формируется наружная оболочка методом намотки из предварительно пропитанной стеклоленты. Намотка производится с шагом равным ширине ленты, т.е. витки примыкают друг к другу встык и ориентированы под углом к продольной оси. Последующий слой укладывается со смещением на половину ширины ленты для того, чтобы стыки витков не совпадали. При этом витки наклонены к продольной оси под тем же углом, но в обратную сторону. Намотка производится до достижения требуемой толщины наружной оболочки. Далее изделие помещается в форму, внутренний контур которой имеет точный аэродинамический профиль лопасти и помещается, в печь, где происходит отверждение связующего. Затем изделие извлекается из формы и производится нанесение лекарственного покрытия.

Формула изобретиения

1. Лопасть ветрового колеса из ком по зиционных материалов, содержащая коробчатый лонжерон переменного поперечного сечения, закладной элемент со стыковоч5 ным фланцем, заполнитель из легкого материала пористой структуры между лонжеронами и наружной оболочкой с декоративным покрытием, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности и

0 долговечности, снижения массы, а также уменьшения циклов и трудоемкости изготовления, лонжерон выполнен из спиральных слоев стеклопластика с переменной

5 толщиной стенки, уменьшающейся с увеличением радиуса лопасти.

2. Лопасть по п.1,отличающаяся

тем, что в качестве заполнителя используют

пенопласт с наружной поверхностью, по0 вторяющей внутреннюю форму наружной

оболочки.

3. Лопасть по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что наружная оболочка выполнена по крайней мере в виде двух спирально-винто- 5 вых слоев пропитанной связующим стекло- ленты.

4. Способ изготовления лопасти ветрового колеса из композиционных материалов, включающий изготовление лонжерона

0 со стыковочными проушинами, размещение заполнителя из легкого материала, нанесение на поверхность лонжеронов и заполнителянаружной оболочки, термоотверждение и нанесение декоратив5 ного покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и долговечности, снижения массы, а также уменьшения цикла и трудоемкости изготовления, лопасти, лонжерон изготавливают с пере0 менной толщиной стенки методом намотки спиральных слоев по линиям равного отклонения запольным способом, причем по мере удаления от оси вращения лопасти, длину каждой последующей зоны увеличивают, а

5. угол намотки в каждом слое уменьшают, при этом образующиеся утолщения в местах реверса витков перед намоткой последующего слоя обрезают и удаляют.

5. Способ по п.4, отличающийся 0 тем, что заполнитель размещают путем за- сыпки сухого полуфабриката пенопласта и вспенивания его в замкнутой форме с рабочей пов рхностью, соответствующей внутренней поверхности наружной оболочки. 5 6. Способ по п.,4. отличающийся тем, что наружную оболочку наносят методом спиральной намотки, по крайней мере двух слоев пропитанной связующим стекло- ленты, причем витки первого слоя располагают встык и ориентируют под углом к

продольной оси, а витки второго слоя сдви- ленты и наклоняют под тем же углом, но в гают на половину ширины наматываемой обратную сторону.

Изобретение относится к ветряным дви- гательным установкам и может быть исполь- зовано при изготовлении лопастей и лонжеронов лопастей несущих и рулевых винтов вертолетов, вентиляторов и других изделий из слоистых композиционных материалов. Целью изобретения является повышение прочности и долговечности, снижение массы, уменьшение цикла и трудоемкости изготовления лопасти. Лопасть имеет коробчатый лонжерон 2 переменного поперечного сечения с уменьшающейся толщиной стенки, наружную оболочку 4, состоящую из по крайней мере двух спиральных слоев стеклопластика и пористого заполнителя 3 с интегральным слоем, определяющего заданный аэродинамический профиль лопасти. Формование лонжерона производится методом намотки волокон по линиям равного отклонения зональным способом, $ формование наружной оболочки- методом спиральной намотки стеклоленты на оправку, полученную вспениванием пенопласта в замкнутой форме, рабочая по- верхность которой соответствует внутренней форме наружной оболочки. 2 с., 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

/-Л л06ер#1//77о

Фиг. 2