АНТИКОРРОЗИЙНАЯ ЗАКОНЦОВКА ОБТЕКАЕМОГО ТЕЛА

Изобретение полезной модели «Антикоррозийная законцовка обтекаемого тела», относится к области строительных конструкций преимущественно аэрогидродинамических: крыло, лопасть тягового винта, вертолетная лопасть, лопасть гребного винта.
Новейшие исследования в области аэрогидродинамики крыла и винта показали неизвестные ранее влияния концевой поверхности, называемой упрощенно законцовкой, на основные характеристики крыла, винта. Прикрепленный именно к законцовке вихрь, содержащий около половины всей энергии потока взаимодействующего с крылом, коренным образом влияет не только на характеристики подъемной силы и сопротивление, но и на управляемость всего летательного аппарата. Так, нестабильное, срывное обтекание законцовки приводит к нестабильному, срывному обтеканию элерона, расположенного в зоне законцовки. Происходит потеря поперечной управляемости, особенно на больших углах атаки при непредвиденных порывах ветра, что подтвердили авиакатастрофы последних лет. Поэтому, вместо применяемого ранее примитивного концевого обтекателя, конструкторы стали применять новые концевые поверхности. Они имеют сложные конструктивные формы и уже существенно улучшают характеристики крыла, обеспечивая безотрывность обтекания элеронов. К таким законцовкам, например, относятся законцовки типа вертикальные шайбы (законцовка Уиткомба), перьевые и S-образные законцовки.
Однако, эти конструкции концевых поверхностей интенсивно работают в условиях знакопеременных нагрузок и требования к их надежности приводят к необходимости использования новых конструкционных материалов. Накопленный опыт в применении металлических и пластмассовых конструкций показал недостаточную сопротивляемость знакопеременным нагрузкам. Это
приводит к появлению микротрещин от усталостных напряжений и сравнительной недолговечности регламентной эксплуатации. Кроме того, наличие микротрещин приводит к прогрессирующему коррозийному разрушению. С целью исключения этих нежелательных явлений при сохранении высокой прочности и долговечности в качестве силового конструкционного материала полезной модели используется пенистый материал типа пенистого стекла либо пенополиуретана с переменной плотностью. Сравнительный анализ прочностных и эксплуатационных характеристик показал целесообразность такого применения (Фиг.5).
2
2
3
2
2
Известно «Фотохромное стекло» (патент №278981, кл. 32b, 4/06 от 21.08.1970 г.) характеризующееся высокими значениями термостойкости, химической стойкости и механической прочности. Варят стекло в слабовосстановительной атмосфере при температуре 1400-1450°С в обычных газовых печах, поскольку оно менее, чем известное, чувствительно к колебаниям окислительного потенциала. Материал по данному патенту является аналогом материала используемого в заявляемой полезной модели. Прототипом материала используемого в заявляемой полезной модели является «Коррозийное стекло» (патент №249577, кл. 32b, 13/00 от 05 08 1969 г.). Для изготовления стекла используют песок, известняк, доломит, цирконовый концентрат, колчедановые огарки, соду. Температура варки стекол 1440-1460°С с выдержкой при максимальной температуре 1,0-1,5 час. Из стекла можно изготавливать детали методом дутья или вытягивания. Коррозионостойкое стекло для стекловолокна, включающее: SiO, CaO, MgO, FеО, ZrO, NaO.
3
3
3
3
Однако, удельный вес такого стекла слишком велик для использования его в качестве конструкционного материала для полезной модели. Так, при удельном весе алюминия 2,7 г/см, удельный вес «коррозийного стекла» 2,55 г/см. Пенистый материал типа пенистое «коррозийное стекло» имеет удельный вес около 0,7 г/см при свободном вспенивании и при специальном повышение плотности в отдельных зонах имеет удельный вес 1,2÷1,5 г/см, который соответствует и пенополиуретану. Поэтому, в заявленной полезной
3
модели используется пенистый материал с указанными характеристиками по удельному весу, а именно γ=1,2÷1,5 г/см.
Другой отличительной особенностью полезной модели, кроме использования в ее конструкции пенистого материала, является специальный стыковочный узел крепления, которым снабжена конструкция полезной модели.
Известные типовые узлы крепления металлических конструкций показаны на фиг.1 (вверху). Они обладают общим недостатком, затрудняющим их применение в конструкции из пенистого материала. Это - высокая степень концентрации нагрузки в зоне стыковочного крепежа.
2
2
Так, известны виды крепления, которые осуществляется с помощью стыковочных узлов моментного или шарнирного типов. М: изд. Машиностроение, 1975 г. «Конструкция самолетов», стр.157. На фиг.1 (вверху) изображено 5 различных конструкций использующих вышеуказанную стыковочную посадку с материалом требующим допустимых напряжений 120-130 кг/мм, в то время как для силовых пенистых материалов допустимые напряжения составляют 15-20 кг/мм.
Фитинговый тип силовых конструкций показанный на фиг.1 (внизу), принят нами за прототип, т.к. наиболее близок по конструкторскому исполнению. Однако, высокие местные концентрации напряжения присущие срезывающим усилиям в этих соединениях не позволяют применить их в относительно слабых конструкционных материалах типа пеностекло или пенополиуретан.
Исключить высокие концентрации напряжения в месте стыка для пенистого конструкционного материала можно за счет существенного увеличения контактной площади стыковочного узла при передаче нагрузки с одного агрегата на другой. Техническим результатом, достигаемым заявленной полезной моделью, является повышение надежности и долговечности конструкции при снижении ее веса, металлоемкости и стоимости.
з
Согласно полезной модели, заявленный технический результат достигается тем, что антикоррозийная законцовка обтекаемого тела, содержащая силовую конструкцию с узлами крепления, выполнена из пенистого материала, например, пеностекла или пенополиуретана с участками различной плотности, и содержит, не менее одного стыковочного узла, выполненного в виде сопрягаемых поверхностей конусообразной или трапециевидной формы с углом верхних и нижних граней α=2-30°, глубиной стыковки около 1/3 размаха законцовки l, a направление стягивающего усилия крепления направлено перпендикулярно стыковочной плоскости соединяемых узлов.
Полезная модель поясняется следующими фигурами чертежей:
Фиг.1 - типовые стыковочные узлы применяемые для металлических конструкций;
Фиг 2 - полезная модель законцовки крыла типа «вертикальная шайба» для современного околозвукового самолета с одним трапецевидным узлом крепления и пенистым материалом конструкции законцовки. Вид спереди (вверху) и вид сверху (внизу).
Фиг.3 - типовые нагрузки для пространственной формы стыковочного узла традиционного типа (вверху) и полезной модели (внизу).
Фиг.4 - полезная модель законцовки крыла типа «перьевая законцовка» для перспективного самолета с двумя конусными узлами крепления и пенистым материалом конструкции. Вид спереди (вверху) и вид сверху (внизу).
Фиг.5 - результаты оптимизации углов конусности и относительной длины крепежного узла.
На фиг.2 показаны обтекаемое тело 1 и антикоррозийная законцовка 6, которые сочленяются по стыковочной плоскости 2. От плоскости 2 из тела 1
з
выступает наружу стыковочный узел 3, выполненный преимущественно из металла и имеющий трапецевидную форму показанную на проекции вид спереди (вверху) и сверху (сечение А-А). На виде спереди узла 3 показаны сверху и снизу утолщенными линиями 4 сопрягаемые поверхности для узла 3 и законцовки 6, в которой выполнено соответствующее углубление для размещения узла 3. Величина выступа по размаху (длина сопряжения) и углубления 8 составляет около 1/3 размаха законцовки l. Угол 5 при вершине находится в диапазоне α=2-30° относительно показанной пунктиром горизонтальной оси (плоскости). При этом, в конструкции предусмотрены зазоры, например, 9 показанные на виде спереди и сверху. Зазоры обеспечивают необходимый натяг сопрягаемых агрегатов 1 и 6 по сопрягаемым поверхностям 4. Натяг сопрягаемых агрегатов 1 и 6 создает крепежную деталь, например, винт 7, ось которого перпендикулярна плоскости стыка 2. Наружная головка винта 7 и паз под нее заполняют герметиком, который предотвращает смещение (открутку) винта. Герметиком заполняют и наружные зазоры по плоскости стыка 2.
среза
разр.
в.
Работает антикоррозийная законцовка следующим образом. При введении агрегата 6 (корпус законцовки) в агрегат 1, в узел 3, по конусообразным плоскостям 4 (подобно конической посадке Морзе), наступает момент, когда посадочные сопрягаемые поверхности 4 плотно соприкасаются друг с другом и дальнейшее продвижение уже не возможно. Фиксация этого установочного положения производится с помощью стяжного винта 7, который обеспечивает и необходимый эксплуатационный натяг сопрягаемых деталей по всей поверхности контакта 4. Таким образом, крепежный винт работает на растяжение, а не на срез - как в металлических конструкциях, это повышает его возможные напряжения с σ на σ (σ). Величина поверхности контакта 4 определяет величину контактных напряжений от изгибающих и крутящих моментов, а также и перерезывающей силы. Выбирая расчетную площадь контактных зон 4 и расчетную (на смятие) плотность пенистого материала в зоне контакта 4, определяют допустимые нагрузки на пенистую конструкцию
2
2
2
2
2
2
2
2
2
законцовки обтекаемого тела 1 и на стыковочный узел 3. На фиг.3 показано сравнение воспринимаемых нагрузок типовой металлической конструкции с высокими напряжениями в узлах крепления (вверху) и конструкции из пенистого материала по предмету полезной модели. Видна разница контактных площадей: четырех проушин металлической конструкции и двух (верхней и нижней) контактных площадей стыковочного узла полезной модели. В качестве примера рассмотрим сравнение при одинаковой геометрии конструкций, изгибающей силе и крутящем моменте для металлической конструкции и для конструкции полезной модели - контактные площади передающие нагрузку и соотношение контактных напряжений. Металлическая конструкция: 4 болта из 30 ХГСА (130 кг/мм). Диаметр - 15 мм, ширина проушины - 15 мм. Контактная площадь - 2700 мм. По предмету полезной модели: 2*l*b=2*160 мм * 85 мм = 27200 мм. Соотношение: 27200 мм/2700 мм = 10 раз. Из соотношения видно, что полезная модель обеспечивает десятикратное снижение контактных напряжений по сравнению с металлическими узлами крепления и болтами из хромансиля, т.е 130 кг/мм/10=13 кг/мм. Применяемые сегодня пенистые материалы допускают контактные напряжения 15-20 кг/мм. Следовательно, полезная модель обеспечивает работоспособность конструкции. В качестве примера использования конических поверхностей для узла стыковки основной конструкции с законцовкой на фиг.4 показана такая конструкция полезной модели с двумя разнесенными узлами крепления применительно к современной законцовке крыла перьевого типа. Ее прочностные характеристики близки к характеристикам законцовки с трапецевидным узлом крепления и показывают возможность дальнейшей разгрузки силовой конструкции законцовки за счет снижения крутящего момента доведя ее контактные напряжения до 6-7 кг/мм.
В результате экспериментальных исследований и математического моделирования нагрузок на конструкцию заявленную согласно полезной модели, определены оптимальные размеры сопрягаемых конструкций - основной металлической 1 и полезной модели выполненной из пенистого
материала 6. Определены оптимальные углы конусности, как для конусных сочлинений, так и для трапецевидных (наклон верхней и нижней плоскостей α).
в.
в
в.
2
2
Результаты испытаний приведены на Фиг.5, из которых видно, что при сравнении конструкции законцовки из металла (σ≈50 кг/мм) и из пенистого материала (σ=5÷15) при равных нагрузках и геометрии, относительный вес конструкции из пенистого материала составляет 0,6 от 1,0 при σ≈50 кг/мм для металлических конструкций.
з
Минимальный вес законцовки из пенистого материала при различных величинах (длинах) стыковочного узла соответствует длине выноса около 1/3 длины законцовки l (в середине).
Минимальный вес пенистой законцовки при различных углах верхней и нижней стыковочной плоскости соответствует углам 2-30°, как для конических, так и для трапецивидных форм стыковочных узлов.
Таким образом, заявленная полезная модель решает проблему коррозийной прочности за счет использования практически не коррозируемого пеностекла в конструкции полезной модели. При этом, достигнуто почти на 40% снижение веса конструкции и снижение ее металлоемкости.