ЛОПАСТЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВОЗДУШНОГО ВИНТА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PROPELLER AERODYNAMIC MODEL VANE AND METHOD OF ITS FABRICATION

изобретение относится к конструкции лопастей, в частности аэродинамических моделей воздушных винтов для испытаний в аэродинамических трубах.
При создании перспективных образцов воздушных винтов, в частности несущих винтов вертолетов, возникает несколько сложных проблем. Одна из них заключается в том, что каждый новый воздушный винт приходится испытывать на действующем летательном аппарате, который часто не может обеспечить условия обдува винта набегающим воздушным потоком со скоростью, превышающей скорость, которую можно достичь в реальных условиях. Другая проблема заключается в том, что все новейшие воздушные винты изготавливаются по отработанной серийной технологии, предполагающей длительный, иногда многолетний процесс изготовления крупногабаритной оснастки. При этом на лопастях, выполненных по серийной технологии, нельзя изменять геометрию профиля и управлять массовыми и центровочными характеристиками в широком диапазоне. Очередная проблема заключается в том, что новые воздушные винты реальных размеров выполняются с коэффициентом запаса, равным или большим 2, так как коэффициент запаса больше 2 приводит к резкому увеличению веса лопастей и требует большей мощности для их вращения. Все эти проблемы приводят к тому, что создание новейших образцов воздушных винтов превращается в длительный и трудозатратный процесс.
Ускорить технологию создания и испытания новейших конструкций воздушных винтов можно путем перехода на конструкцию уменьшенной модели воздушного винта и применить способ относительно быстрого изготовления малых серий лопастей воздушных винтов для испытания в аэродинамических трубах. Сегодня уровень техники изготовления лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов имеет тенденцию к максимальному внедрению полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих реализовать совершенную аэродинамику, любую геометрическую форму и более продолжительный ресурс работы, чем у цельнодеревянных или металлических лопастей. Лопасти из ПКМ становятся аэродинамически совершенными, более легкими, надежными, позволяют экономить мощность аэродинамической установки, изготавливаются модели новейших воздушных винтов в пять-десять раз быстрее, чем реальные лопасти. Аэродинамическая модель воздушного винта, оснащенная подобными лопастями, становится более безопасной в процессе проведения эксперимента, так как изготавливается с повышенным коэффициентом запаса прочности.
Так как аналогов лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов диаметром от 2000 до 5000 мм нет, то сравнение проводилось с аналогами натурных лопастей вертолетов.
Известна конструкция лопасти вертолета (патент US №5,346,367 от 13.09.1994, МПК B63H 1/26; B63H 6/06; B63H 7/02; F01D 5/13), включающая лонжерон из ПКМ, хвостовой и центральный отсек из сотопласта, обшивки из ПКМ, балансировочный груз. Лопасть вертолета (патент US №4,935,277 от 19.06.1990, МПК B32B 3/26; B64C 11/06) включает в себя лонжерон из ПКМ, хвостовой и центральный отсек из пенопласта, обшивки из ПКМ, продольные стрингеры из ПКМ, балансировочный груз, противоабразивную накладку. Известна также лопасть вертолета (патент US №5,041,182 от 20.08.1991, МПК B29C 65/02), включающая в себя лонжерон, заполненный легким материалом, хвостовую секцию, содержащую обшивки из ПКМ и заполнитель из пенопласта, балансировочный груз.
Недостатками этих конструкций являются невозможность управлять весовыми характеристиками при изготовлении лопасти, искусственно вводить лопасть во флаттер, изменять профиль лопасти и геометрию лопасти в плане.
Лопасть вертолета (патент US №3,967,996 от 06.07.1976, МПК B29C 17/00; B29C 27/00; B64C 27/04) включает в себя лонжерон из ПКМ, обшивки из ПКМ, балансировочный груз, противоабразивную накладку, хвостовой заполнитель из сотопласта.
Лопасть вертолета (патент US №4,316,701, от 23.02.1982, МПК B64C 27/46) содержит лонжерон из ПКМ, обшивки из ПКМ, балансировочный груз, абразивную накладку, хвостовой заполнитель из сотопласта.
Недостатками этих лопастей являются невозможность управлять весовыми характеристиками при изготовлении лопасти, искусственно вводить лопасть во флаттер, изменять профиль лопасти и геометрию лопасти в плане, для определения прочности комлевой части каждой лопасти сложно изготовить «образцы свидетели».
Известна лопасть (патент РФ №2230004 от 10.06 2004, МПК B64C 27/46), выполненная из ПКМ в виде полого лонжерона из ПКМ, с носовым грузом, хвостовой секцией и законцовкой. Недостаток лопасти - невозможно искусственно вводить лопасть во флаттер, изменять профиль лопасти и геометрию лопасти в плане.
Наиболее близкой к разработанной лопасти аэродинамической модели является лопасть (патент FR №2776263 от 30.04.1997, МПК B29C 70/48, B29D 31/100; B64C 27/473; B29C 70/04), включающая в себя лонжерон из ПКМ, хвостовую секцию из пенопласта, обшивки из ПКМ, верхнюю полку из ПКМ, балансировочный груз, носовую противоабразивную оковку.
Недостатками данной лопасти являются невозможность искусственно вводить лопасть во флаттер, изменять профиль лопасти и геометрию лопасти в плане.
Известен способ изготовления лопасти, приведенный в патенте №1827982, от 20.05.1995, МПК B64F 5/00; B64C 11/26, заключающийся в создании профиля лопасти путем послойной укладки одним препрегом всего объема профиля лопасти.
Недостатками данного способа являются использование раскроя каждого слоя препрега для заполнения всего объема профиля лопасти, что не позволяет изменять центр тяжести лопасти и может привести к пятикратному утяжелению готового изделия, повышению центробежной силы и поломке винтового прибора в условиях эксперимента.
Способ изготовления лопасти, приведенный в патенте №2043953, от 20.09.1995, МПК B64F 5/00; B64C 27/46, заключающийся в использовании эластичных мешков и металлических пластин для образования средней стенки между передней и задней камерами лонжерона лопасти, образованного из слоистого полимерного композиционного материала в виде внутренних и наружных пакетов.
Недостатками данного способа являются использование эластичных мешков, создающих при помощи сжатого воздуха избыточное давление, металлических пресс-форм и оправок для формирования наружных и внутренних пакетов лонжерона, что приводит к длительному подготовительному этапу, связанному с изготовлением технологической оснастки сложной конструкции, настройке режимов давления, вакуумирования и выдержки пакетов, созданию системы подачи сжатого воздуха в эластичные мешки и, как следствие, к удорожанию процесса изготовления лопастей малой серии.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ изготовления лопасти, описанный в патенте US №5,041,182, 20.08.1991, МПК B29C 65/02, заключающийся в использовании одной пресс-формы, в полость которой сначала устанавливаются технологические обшивки с технологическим вкладышем хвостовой секции, использующиеся при формовании геометрии лонжерона. Затем технологические обшивки и технологический вкладыш хвостовой секции удаляются из матриц пресс-формы, а на их место в пресс-форму закладываются отформованный лонжерон, отформованные обшивки хвостовой секции и профилированный вкладыш хвостовой секции. На лонжерон, обшивки и вкладыш наносится клей и вся конструкция склеивается в замкнутой пресс-форме.
Недостатками данного метода являются использование технологического вкладыша, выполненного в виде аналогичного по геометрии заполнителя хвостовой секции, а также технологических обшивок, компенсирующих толщину реальных обшивок при размещении на них технологического вкладыша в процессе формования лонжерона, что увеличивает количество элементов технологической оснастки, повышает ее сложность и приводит к удорожанию процесса изготовления лопастей малой серии.
Задачами изобретения являются - сокращение сроков и стоимости изготовления лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов и повышение их прочностных характеристик.
Технический результат заключается в возможности изменения положения центра тяжести, длины хорды, координат профиля лопасти, в увеличении коэффициента запаса прочности и регулировании положения оси жесткости.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления лопасти, заключающимся в изготовлении обшивок из полимерного материала, носовой накладки, лонжерона, заполнителя хвостовой секции, законцовки, концевой нервюры, носового наплыва с последующей склейкой всех элементов в единую конструкцию в замкнутой форме и нанесении на внешнюю поверхность полимерного покрытия, при этом обшивки изготавливают многослойными сложной формы с усилениями в районе установки лонжерона путем увеличения количества слоев, при этом при создании полимерного композиционного материала вес связующего не превышает веса стеклоткани, а лонжерон изготавливается из материалов, пригодных для фрезерования, после чего к задней стенке лонжерона устанавливается накладка, кроме того, в заполнителе хвостовой секции делают отверстия заданного диаметра, количества и месторасположения, затем поверхность лопасти покрывают специальным полимерным покрытием заданной толщины, после чего на внешнюю поверхность лопасти наносят разметку контрольных сечений в виде линий, расположенных на определенном расстоянии от центра вращения, а для визуализации конуса вращения законцовку окрашивают или устанавливают световое обозначение.
Технический результат достигается также тем, что на задней кромке устанавливают грузы, провоцирующие флаттер.
Технический результат достигается также тем, что изменяют положение центра тяжести лопасти путем изменения веса противофлаттерного груза, для чего устанавливают на передней кромке лопасти дополнительные профильные носовые вкладыши и дополнительные противофлаттерные грузы и наносят дополнительное полимерное покрытие.
Технический результат достигается также тем, что переднюю и заднюю кромки лопасти обрезают, на задней кромке устанавливают дополнительные вкладыши, а на переднюю наносят дополнительное полимерное покрытие.
Технический результат достигается также тем, что изменяют координаты профиля лопасти в любом сечении путем изменения толщины полимерного покрытия до 5% толщины профиля.
лоп
лоп
лоп
Технический результат достигается также тем, что в лопасти модели воздушного винта, содержащей обшивки, лонжерон, носовую секцию с накладкой и противофлаттерным грузом, хвостовую секцию с законцовкой и хвостовой нервюрой и заполнитель, обшивки имеют усиления толщиной от 0,02 до 0,06 В, где В - средняя хорда лопасти, шириной от 0,3 до 0,5 В, длиной, равной длине лопасти в районе установки лонжерона, содержащего накладку на задней стенке и состоящего из двух типов материалов, имеющих соотношение плотностей легкого материала к тяжелому в пределах 1÷8, а противофлаттерные грузы представляют собой стержни различного диаметра длины и плотности, при этом заполнитель хвостовой секции из вспененного полимерного материала содержит отверстия заданного диаметра, количества и месторасположения, причем задняя кромка лопасти в месте установки лонжерона имеет утолщение с крепежными отверстиями, полимерное покрытие лопасти имеет заданную толщину и вес, а конец лопасти имеет световое или цветовое обозначение.
Фиг.1. Общий вид лопасти аэродинамической модели воздушного винта.
Фиг.2. Общий вид технологической оснастки и основных элементов аэродинамической модели лопасти воздушного винта.
Фиг.3. Конструкция лопасти аэродинамической модели воздушного винта.
Фиг.4. Схема изменения профиля лопасти аэродинамической модели воздушного винта.
Лопасть аэродинамической модели воздушного винта (ЛАМВВ) 1 предназначена для установки на специальной втулке винтового прибора 2 в рабочей части аэродинамической трубы и приводится во вращение электрическим двигателем (фиг.1).
Способ изготовления лопасти 1 (фиг.2) заключается в предварительном формовании из эпоксидного стеклопластика двух обшивок 3 и 4 в открытых матрицах пресс-формы 5; предварительном формовании в закрытой пресс-форме 6 нескольких секций носовой накладки 7; в механической обработке на станке с ЧПУ лонжерона 8, заполнителя хвостовой секции 9, законцовки 10, концевой нервюры 11, носового наплыва 12. Затем в замкнутой пресс-форме 5, располагая между определенными участками обшивок, вклеивают на клеевой массе носовой противофлаттерный груз 13 в виде металлических стержней разной длины и диаметра, носовой наплыв 12, лонжерон 8, заполнитель хвостовой секции 9. После этого устанавливают носовую накладку 7, законцовку 10, корневую нервюру 11, наносят внешнее покрытие 14 контролируемой толщины, законцовку окрашивают контрастным цветом, наносится контрольная разметка и сверлятся отверстия под втулки наконечника 15, вклеивают балансировочные грузы 16 (сечение Д-Д, фиг.3) и грузы, провоцирующие флаттер, 17 (сечение В-В, фиг.3). Готовое перо лопасти собирают с наконечником и проводят балансировку на определение центра тяжести каждой лопасти и одинакового статического момента всего комплекта лопастей аэродинамической модели воздушного винта.
В предлагаемой лопасти имеется возможность изменения веса противофлаттерного груза, изменения веса грузов, провоцирующих флаттер, веса слоя внешнего покрытия поверхности, а также возможность изменения длины хорды и координат профиля в любом сечении.
С помощью предложенного способа изготавливают основные элементы ЛАМВВ (фиг.2, 3) верхнюю 3 и нижнюю обшивки 4, профильную накладку передней кромки 7, лонжерон 8, основной носовой наплыв 12, дополнительный носовой наплыв 18, заполнитель дополнительного носового наплыва 19, заполнитель хвостовой секции 9, противофлаттерные грузы 13, дополнительные противофлаттерные грузы 20, законцовка 10, корневая нервюра 11, слой внешнего покрытия 14, вкладыш задней кромки 21. Методом фрезерования и сверления на станках с числовым программным управлением изготавливают пресс-формы 5 и 6 из модельных пластиков, лонжерон 8 из древесных материалов или других материалов, пригодных для фрезерования и имеющих соотношение плотностей легкого материала к тяжелому в пределах 1÷8, заполнители 9, 12, 19 из легких материалов и контрольные шаблоны.
лоп
лоп
лоп
Для обеспечения в лопасти четырехкратного запаса прочности применяют высокопрочный эпоксидный стеклопластик в виде двух многослойных обшивок сложной формы, состоящих из переменного количества слоев. Слои обшивки вырезаются из стеклянной ткани, пропитанной связующим, например эпоксидной смолой. Пропитка ведется таким образом, чтобы вес связующего не превышал веса используемой стеклоткани. Укладкой ткани обеспечивается усиление толщины обшивок в диапазоне от 0,02 до 0,06 В, где В - средняя хорда лопасти, ширина зоны усиления - от 0,3 до 0,5 В. При этом длина зоны усиления, расположенная на расстоянии от 10 до 50% по хорде профиля (на верхней и нижней обшивке), равна длине лопасти в районе установки лонжерона. Количество слоев в зоне носовой части, расположенной на расстоянии от 10 до 40% по хорде относится к количеству слоев в зоне хвостовой части, расположенной на расстоянии от 40 до 90% по хорде, и к количеству слоев ткани в зоне задней кромки в диапазоне от 10:2:3 до 15:2:3.
В зоне носовой части внешние слои обшивки укладываются со ступенькой, равной толщине клеевого слоя и толщине профильной накладки передней кромки.
Для повышения запаса прочности лопасти переднюю кромку усиливают профильной накладкой, которая закрывает на клеевом соединении стык верхней и нижней обшивок.
Схема раскроя и направление основы ткани каждого слоя обшивки и профильной накладки передней кромки определяется в зависимости от веса лопасти и скорости ее вращения. Слои ткани с направлением основы вдоль лопасти (0°) чередуются со слоями, где основа располагается под углом ±45°.
Сердечник лонжерона лопасти изготавливают из склеенных вдоль волокон отдельных реек, например высокопрочной древесины. Затем заготовку лонжерона склеивают с заготовкой вкладыша задней стенки 22, например пенопластового.
После полимеризации клея лонжерон фрезеруется на станке с ЧПУ, и в районе пенопластового вкладыша обклеивают необходимым количеством слоев стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой, образуя стеклопластиковую накладку задней стенки лонжерона 23, смещая положение которой можно регулировать положение оси жесткости.
Для облегчения хвостовой секции 9 применяют заполнители из вспененного материала, например пенопластовые, с необходимым количеством, местом расположения и диаметром сквозных отверстий, в зависимости от заданной жесткости и веса лопасти (фиг.3).
Для обеспечения необходимого положения центра тяжести в профиле, равного 24-25% длины хорды, считая от передней кромки, в носик лопастей аэродинамической модели воздушного винта помещают противофлаттерные грузы 13 (фиг.3), а при удлинении хорды профиля дополнительные противофлаттерные грузы 20 (фиг.4), представляющие собой цилиндрические стержни, выполненные из металлов с различной плотностью, например медных, свинцовых и др. сплавов.
лоп
лоп
Для обеспечения необходимого статического момента в концевую часть лонжерона лопасти устанавливают балансировочные грузы 16, изготовленные в виде цилиндрических стержней с нарезанной внешней резьбой. Балансировочные грузы могут устанавливаться как горизонтально, вдоль оси центра тяжести лопасти, так и вертикально. Для принудительного ввода лопастей во флаттер заднюю кромку лопасти загружают провоцирующими флаттер грузами 17, представляющими собой металлические пластины, например стальные, шириной 0,08÷0,1 В, длиной 0,8÷1 В, различной толщины. Каждая из пластин закрепляется на задней кромке лопасти с помощью болтов, шайб и гаек. В каждой пластине просверлено необходимое количество отверстий под болты. Закрепление пластин может быть как с одной стороны лопасти, так и двух. Благодаря пластинам 17 можно искусственно смещать центр тяжести лопасти на 10÷15% вдоль хорды в сторону задней кромки.
В процессе аэродинамических испытаний профиль лопасти может быть подвергнут модернизации путем наращивания специальным полимерным покрытием 14, имеющим определенную жесткость, толщиной до 5% профиля или удалением этого покрытия до 2% толщины профиля (фиг.4).
В целях модернизации профиля лопасти изменяют положение центра тяжести лопасти путем изменения веса противофлаттерного груза. Для этого устанавливают на передней кромке дополнительный носовой наплыв 18, состоящий из дополнительных профильных носовых вкладышей 19 и дополнительных противофлаттерных грузов 20, либо переднюю и заднюю кромку обрезают на необходимую длину хорды с установкой вкладышей 21 на задней кромке (фиг.4). После этих операций в необходимых местах наносят дополнительное полимерное покрытие.
При исследовании аэродинамических характеристик лопасти в зависимости от геометрической формы передняя или задняя кромка лопасти могут быть изменены путем удаления конструкционного материала, уменьшающего длину хорды на 20%, или добавлением конструкционного материала до 10%, увеличивая длину хорды в любом сечении лопасти (фиг.4).
Таким образом, с помощью предложенного способа изготавливается лопасть аэродинамической модели воздушного винта для исследования аэродинамических характеристик, конструкция которой может быть модернизирована, за счет изменения веса противофлаттерного груза, изменения веса грузов, провоцирующих флаттер, веса слоя внешнего покрытия поверхности, а также изменения длины хорды и координат профиля в любом сечении, а также позволяющая управлять положением центра тяжести и положением оси жесткости. Это позволяет сократить сроки и стоимость изготовления лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов и повысить их прочность.