ЛОНЖЕРОН ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к конструктивному исполнению лонжерона лопасти несущего винта из композиционных материалов.
Из уровня техники известна конструкция лонжерона лопасти несущего винта вертолета, включающая плетеную преформу, ось которой совпадает с осью лонжерона, пропитанную полимерным связующим, обладающая такими физико-механическими характеристиками, как значительное сопротивление расслаиванию, повышенное сопротивление повреждениям, улучшенное сопротивление удару, высокие усталостные показатели, значительная прочность вблизи отверстий и крепежных элементов. Кроме того, использование плетеных преформ позволяет упростить проблему соединений в сборных конструкциях, так как прочность традиционных соединений значительно уступает прочности самой конструкции (К.И. Донецкий, Д.И. Коган, А.В. Хрульков. Использование технологий плетения при производстве элементов конструкций из ПКМ, http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=253).
К недостаткам прототипа следует отнести его недостаточную эксплуатационную стойкость, обусловленную тем, что расположение волокон в его волокнистых структурах отклоняется от направления действия механических нагрузок. Это приводит к появлению трансверсальных и сдвиговых напряжений, приводящих к возможному нарушению адгезионного контакта между волокнами и матрицей (связующим). Важно, чтобы эти напряжения не превышали уровень адгезионного контакта (при сдвиге или отрыве), что может инициировать локальное разрушение и привести к снижению механических свойств композита.
Наиболее близким к заявленной полезной модели - прототипом - является лонжерон лопасти несущего винта, выполненный с аэродинамическим контуром, переменной толщиной и круткой по длине, включающий многослойную плетеную преформу, ось которой совпадает с осью лонжерона, пропитанную полимерным связующим, и содержащий комлевой, средний и концевой участки, выполненные с разными углами плетения преформы (патент РФ №2565152 С2, опубл. 20.10.2015).
Конструкция в соответствии с прототипом сложна в изготовлении, требует сложных расчетов, лонжерон состоит из нескольких частей, что не обеспечивает достаточно высокой эксплуатационной стойкости винта ввиду не оптимального восприятия лонжероном нагрузки, включая сдвиговые, при кручении или разрыве.
Задачей полезной модели является создание конструкции лонжерона лопасти несущего винта, оптимально воспринимающей нагрузки, включая сдвиговые, при кручении или разрыве.
Технический результат - повышение эксплуатационной стойкости лонжерона лопасти несущего винта.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в лонжероне лопасти несущего винта, выполненном с аэродинамическим контуром, переменной толщиной и круткой по длине, включающем многослойную плетеную преформу, ось которой совпадает с осью лонжерона, пропитанную полимерным связующим, и содержащем комлевой, средний и концевой участки, выполненные с разными углами плетения преформы, преформа включает три слоя, один из которых составляет с осью лонжерона угол 0°, а два других на каждом из участков составляют с осью лонжерона углы согласно следующему: на комлевом - ±8°…15°, на среднем - ±15°…25°, на концевом - ±25°…35°; кроме того преформа включает дополнительные слои, составляющие с осью лонжерона угол 0° и/или преформа включает дополнительные слои, составляющие с осью лонжерона углы согласно следующему: на комлевом - ±8°…15°, на среднем - ±15°…25°, на концевом - ±25°…35°; помимо этого комлевой участок включает дополнительные слои, составляющие с осью лонжерона угол ±40°…48° и/или комлевой участок включает дополнительные слои, составляющие с осью лонжерона угол 0°; оптимально выполнять слои преформы переплетенными между собой.
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- на Фиг. 1 - общий вид лонжерона в плане;
- на Фиг. 2 - комлевой участок лонжерона;
- на Фиг. 3 - средний участок лонжерона;
- на Фиг. 4 - концевой участок лонжерона;
- на Фиг. 5 - график зависимости стойкости лонжерона на сдвиг, кручение и разрыв от угла наклона плетения к оси лонжерона;
- на Фиг. 6 - усиленный комлевой участок лонжерона.
1
Согласно полезной модели, лонжерон лопасти несущего винта состоит, как и прототип или аналог, из преформы, пропитанной полимерным связующим и включает комлевой участок 1, средний участок 2 и концевой участок 3 (Фиг. 1). Преформа включает три слоя, один из которых выполнен с углом α=0° наклона плетения к оси лонжерона на всем его протяжении, а два других слоя - с переменными углами плетения к оси лонжерона (один - с положительным значением углов, другой - с отрицательным значением углов) так, что:
2
- на комлевом участке 1 лонжерона (Фиг. 2) α=±8°…15°;
3
- на среднем участке 2 лонжерона (Фиг. 3) α=±15°…25°;
4
- на концевом участке 3 лонжерона (Фиг. 4) α=±25°…35°.
2
3
4
с
к
р
и
Заданные значения углов получены экспериментально согласно данным, представленным в виде графиков на Фиг. 5. Согласно означенному графику при заданных α, α и α стойкость на сдвиг σ кручение σ и разрыв σ лонжерона максимальна, соответственно максимальна и интегральная стойкость σ лонжерона (на 10-15% выше, чем у прототипа).
Кроме того (в зависимости от конкретных параметров нагружения винта) возможно включение в преформу дополнительных слоев, аналогичных вышеуказанным, для повышения стойкости лонжерона до требуемого уровня.
1
1
Наиболее нагруженную часть лонжерона - комлевой участок 1 - целесообразно усилить дополнительными слоями 4 (Фиг. 6), составляющими с осью лонжерона углы соответственно α=±40°…48° и/или α=0°. Как показал эксперимент, такое решение позволяет выровнять стойкость лонжерона по длине.
ип
Плетение многослойной преформы лонжерона с вышеуказанными углами плетения и переплетение слоев между собой (реализуется, например, объемным (3D) плетением) повышает интегральное значение стойкости σ лонжерона лопасти несущего винта еще на 3-7% (см. данные Таблицы).
Таким образом, заявленная структура армирующего волокнистого наполнителя - преформы - определяет оптимальную степень реализации механических свойств волокон в готовом композите и обеспечивает восприятие центробежных нагрузок за счет продольного армирования 0°, а также нагрузок на изгиб и кручение за счет комбинации углов армирования в точно заданных участках, где это необходимо.
Лонжерон лопасти несущего винта работает следующим образом.
2
3
4
с
к
р
и
Являясь частью несущего винта (например, вертолета), лонжерон испытывает комплексные нагрузки, основу которых составляют нагрузки на разрыв и кручение. Собственно работа лонжерона заключается в сопротивлении указанным нагрузкам. Как видно из приведенной Таблицы, лучшим образом со своей работой лонжерон справляется при α=±8°…15°; α=±15°…25; α=±25°…35°, когда значения стойкости на сдвиг σ, на кручение σ, разрыв σ и интегральная стойкость σ лонжерона максимальны.
Таким образом, заявленная конструкция лонжерона лопасти несущего винта обеспечивает оптимальное восприятие нагрузки, включая такие напряжения, как сдвиговые, при кручении или разрыве, следствием чего является существенное повышение эксплуатационной стойкости лонжерона лопасти несущего винта.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание конструкции лонжерона лопасти несущего винта, оптимально воспринимающей нагрузки, включая сдвиговые, при кручении или разрыве - решена, а заявленный технический результат - повышение эксплуатационной стойкости лонжерона лопасти несущего винта - достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении в отношении заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области авиационной техники, а именно к конструкционному исполнению лонжерона лопасти несущего винта из композиционных материалов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.