ЛОПАСТЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
BLADE OF AERODYNAMIC MODEL OF PROPELLER

Изобретение относится к конструкции лопастей, в частности аэродинамических моделей воздушных винтов, предназначенных для испытаний в аэродинамических трубах.
При испытании в аэродинамических трубах перспективных образцов аэродинамических моделей воздушных винтов, в частности несущих винтов вертолетов, возникает несколько сложных проблем. Одна из проблем связана с поддержанием (в процессе аэродинамических испытаний) требуемой геометрической формы на лопастях, имеющих расширяющуюся концевую часть небольшого веса и относительную небольшую толщину профиля в этой части. Легкий вес такой концевой части обеспечивает небольшую величину центробежной силы, не способной привести к разрушению всей лопасти. Как правило, для обеспечения легкого веса подобных концевых частей на аэродинамических моделях лопастей их выполняют из тонких обшивок, узких лонжеронов, а в качестве заполнителя внутреннего пространства используют особо легкие, вспененные или сотовые материалы. При этом конструкции таких концевых частей обладают небольшой прочностью на смятие или изгиб. В этой связи существует опасность, что при определенной скорости воздушного потока концевая часть пера лопасти начнет сильно деформироваться (колебаться, изгибаться). Также существует опасность, что при возникновении определенной подъемной силы на концевой части лопасти проявятся силы, способные деформировать и корневую часть лопасти. При значительных деформациях концевая и корневая части лопасти могут очень быстро разрушиться. Вследствие совместного разрушения отдельные части аэродинамической модели лопасти могут попасть в воздушный канал аэродинамической трубы и привести к поломке элементов вентиляторной установки. Поэтому для надежного и безопасного проведения испытаний необходимо во всех частях лопасти обеспечить необходимый запас прочности, что соответствует требованиям к объектам аэродинамического эксперимента.
Эти проблемы приводят к тому, что процесс создания лопастей превращается в длительную процедуру, связанную с поиском надежной и прочной конструкции пера лопасти с тонкими профилями в концевой части, способными длительно работать в условиях сложного воздушного обтекания без нарушения геометрических параметров. Сегодня чтобы реализовать изготовление всех запланированных вариантов конструкции следует использовать высокопрочные полимерные композиционные материалы (ПКМ), позволяющие обеспечить постоянство геометрических и динамических характеристик, а также особые сочетания конструкционных элементов.
Сравнение представленной конструкции аэродинамической модели лопасти проводилось с различными аналогами лопастей.
Известна конструкция, такая как лопасть вертолета (патент US №6,976,829 В2 от 20.12.2005, МПК F01D 5/18), включающая лонжерон из ПКМ, концевой отсек из сотопласта, обшивки из ПКМ, носовую накладку из ПКМ.
Недостатками данной конструкции являются: повышенный вес в районе концевой зоны (части), за счет использования сотопластов, имеющих более высокий удельный вес, чем вспененные материалы, и носовой накладки из ПКМ, обеспечивающей жесткость концевой части лопасти.
Известна лопасть рулевого винта вертолета (патент RU 2230003, опубл. 10.06.2004, МПК В64С 11/26, В64С 27/46), включающая лонжерон из ПКМ, хвостовую часть из сотопласта, обшивки из ПКМ, крышки законцовок из металлических материалов, обеспечивающих жесткость концевой зоны лопасти.
Недостатками данной конструкции являются: повышенный вес концевой зоны лопасти и, следовательно, увеличенные центробежные силы, действующие на нее.
Известна лопасть вертолета (патент US №4,231,739 от 22.07.1980, МПК В34С 27/46), включающая в себя лонжерон из ПКМ, хвостовой и центральный отсек из легкого материала, обшивки из ПКМ, продольные стрингеры из ПКМ, балансировочный груз.
Недостатками данной конструкции являются: повышенный вес в районе концевой зоны лопасти за счет использования лонжерона большой ширины и, следовательно, увеличенные центробежные силы, действующие на нее.
Известна лопасть вертолета (патент US №4,316,701 от 23.02.1982, МПК В64С 27/46), включающая в себя лонжерон, набор хвостовых секций, состоящих из обшивок, выполненных из ПКМ и заполнителя из сотопласта, балансировочный груз, концевые нервюры.
Недостатками данной конструкций являются: повышенный вес в районе концевой зоны, за счет использования сотопласта в хвостовой секции, лонжерона большой ширины, балансировочного груза, расположенного на задней стенке лонжерона.
Наиболее близкой к разработанной лопасти аэродинамической модели является лопасть аэродинамической модели воздушного винта (патент RU 2444716 C1 от 10.2012, МПК G01M 9/08), содержащая верхнюю и нижнюю обшивки, лонжерон, вкладыши, балансировочные, противофлаттерные грузы и носовые накладки.
Недостатками данной лопасти являются: недостаточно жесткие комлевая и концевая зоны лопасти, что приводит к сильным изгибающим деформациям в процессе вращения лопасти и обдува ее потоком воздуха с разных сторон и, как следствие, к несоответствию режимов обтекания лопасти при испытаниях в АДТ и в натуре.
Задача изобретения состоит в увеличении точности измерений и повышении безопасности при аэродинамических испытаниях.
Технический результат заключается в повышении жесткости корневой и концевой частей лопасти.
Технический результат достигается тем, что лопасть аэродинамической модели воздушного винта, содержащая верхнюю и нижнюю обшивки, лонжерон, вкладыши, балансировочные и противофлаттерные грузы и носовые накладки, в концевой части содержит одну или несколько нервюр, прикрепленных к задней стенке лонжерона, а корневая часть - прикрепленный к задней стенке лонжерона силовой элемент, включающий силовую лапку и силовую нервюру коробчатой формы с закрепленной между ними частью вкладыша хвостовой части лопасти.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта силовой элемент выполнен монолитным Г-образной формы, охватывающим часть хвостового вкладыша лопасти.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта монолитный силовой элемент выполнен из полимерного композиционного материала.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта нервюра в концевой части, состоящая из обшивки и вкладыша, содержит верхнюю и нижнюю поверхность, соответствующую профилю концевой части лопасти.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта вкладыш нервюры концевой части лопасти из вспененного полимерного материала является монолитным.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта крепление нервюры концевой части лопасти к задней стенке лонжерона представляет собой не менее двух лапок, отформованных как единое целое с нервюрой.
Технический результат достигается также тем, что в лопасти аэродинамической модели воздушного винта вкладыш концевой нервюры состоит из нескольких слоев вспененного полимерного материала и легкого древесного шпона, обклеенного сверху и снизу тонким слоем углеродного или стеклянного волокна, предварительно пропитанного полимерной смолой.
Кроме того, технический результат достигается тем, что лопасть содержит контейнер для балансировочных и противофлаттерных грузов в виде гранул.
Фиг. 1 - Общий вид лопасти.
Фиг. 2 - Общий вид нервюры концевой части лопасти.
Фиг. 3 - Общий вид корневого элемента усиления.
Фиг. 4 - Схема работы концевой части лопасти.
Фиг. 5 - Схема образования угла крутки и прогиба в концевой части лопасти с пористым заполнителем.
Фиг. 6 - Схема образования угла крутки и прогиба в концевой части лопасти при установке нервюры.
Лопасть 1 аэродинамической модели воздушного винта состоит из корневой части 2, регулярной части 3 и концевой части 4 (Фиг. 1). Продольным силовым элементом лопасти является лонжерон 5, расположенный одновременно в корневой, регулярной и концевой частях лопасти. Для обеспечения необходимого профиля лопасти используются носовой вкладыш 6, вкладыш 7 хвостовой секции и вкладыш 8 концевой части, изготовленные из легкого вспененного полимерного материала. В концевой части 4 расположена одна или несколько нервюр 9, выполненных из полимерного композиционного материала в виде пространственно сложных сборочных единиц. К вкладышу 7 хвостовой секции в районе корневой части приклеен силовой элемент 10 из полимерного композиционного материала, повышающий жесткость корневой секции. В передней части концевой зоны имеется контейнер 11 для свободного размещения в нем балансировочных и противофлаттерных грузов в виде свободно засыпаемых гранул (частиц), например свинца или вольфрама, для компенсации веса нервюр 9. Противофлаттерные цилиндрические грузы 12 вклеиваются в носовую зону регулярной и концевой частей. Внешний контур лопасти образуют верхняя обшивка 13 и нижняя обшивка 14, которые приклеиваются не только к лонжерону, поверхностям носового вкладыша, поверхностям вкладыша хвостовой секции, поверхностям вкладыша концевой части, но по верхней и нижней поверхности нервюр 9 и силовому элементу 10, что увеличивает жесткость лопасти. Обшивки лопасти, расположенные вдоль передней кромки дополнительно закрепляются внешними носовыми накладками 15.
Нервюра 9 (Фиг. 2) изготавливается в виде пространственно сложной сборочной единицы, состоящей из обшивки 16 и вкладыша 17. Обшивка 16 изготавливается из нескольких слоев плетеного материала (например, углеволокна или стекловолокна), пропитанного полимерным связующим, например эпоксидным, которое охватывает вкладыш 17. Вкладыш 17 изготавливается из вспененного полимерного пластика путем придания ему сложной формы, имеющей верхнюю и нижнюю поверхность, соответствующую профилю концевой части лопасти. Профиль поверхности вкладыша изготавливают с занижением на величину толщины обшивок 13, 14 пера лопасти и обшивки нервюры 16. Для более прочного соединения нервюры 9 с лонжероном 5 боковые стенки нервюры имеют лапки 18, отформованные как единое целое с обшивкой 16.
Вкладыш 17 может быть изготовлен как сборная конструкция, состоящая из нескольких склеенных между собой элементов 19, выполненных из вспененного материала, которые располагают между пластинами из легкого тонкого древесного шпона 20. Древесный шпон 20 для усиления обклеен сверху и снизу тонкими слоями углеродного или стеклянного волокна 21, пропитанного полимерной смолой.
Силовой элемент 10 (Фиг. 3) отформован из полимерных композиционных материалов типа стеклопластика или углепластика в виде монолитной профилированной скобы, имеющей плоскую силовую лапку 22 и силовую нервюру 23 коробчатой формы. Силовая лапка 22 прикрепляется к задней стенке лонжерона 5. Между силовой лапкой 22, силовой нервюрой 23 и силовым элементом 10 закрепляется вкладыш хвостовой секции 7.
Лопасть аэродинамической модели воздушного винта работает следующим образом.
к
В результате вращения и под воздействием набегающего воздушного потока 24 на переднюю кромку лопасти создается подъемная сила 25 (Фиг. 4). В свою очередь, подъемная сила является причиной возникновения в верхней и нижней обшивке лопасти касательных напряжений 26. Касательные напряжения в работающей лопасти направлены примерно под углом 45° к оси лопасти «z» 27 лопасти и являются причиной изгибающих M(z) и крутящих моментов M(z) в каждом сечении лопасти. Большие величины изгибающих и крутящих моментов могут привести к прогибу «y» и углу крутки «φ» профиля. Связанные математической зависимостью прогибы и углы крутки профиля описываются формулами (Г.И. Житомирский. Конструкция самолетов: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1991 г., стр. 380):
;
);
где EJ(z) - жесткость на изгиб,
к
GJ(z) - жесткость на кручение,
z - ось лопасти.
Из формул видно, что величины прогибов и углы крутки профилей обратно пропорциональны жесткостям на изгиб и кручение.
1
1
2
2
Так как в регулярной части лопасти касательные напряжения, крутящие моменты и моменты изгиба компенсируются профилями, имеющими относительную толщину, большую по сравнению с относительной толщиной в концевой части пера лопасти, а следовательно, и большие жесткости, то в регулярной части лопасти прогибы и углы крутки меньшие, чем прогибы и углы крутки в концевой части. В свою очередь, в концевой части лопасти прогиб «y» и угол крутки «φ» могут иметь большие значения, так как жесткостные характеристики концевой части меньше, чем жесткостные характеристики регулярной части лопасти, особенно, если в качестве заполнителя хвостовой секции будет использоваться вкладыш хвостовой секции 7 из легкого пористого материала (Фиг. 5). С целью уменьшения вредного влияния больших величин прогиба и крутки на профиль лопасти в хвостовую секцию концевой части лопасти устанавливают дополнительные жесткие элементы, типа описанных выше конструкций нервюр 9. Установленные нервюры 9, расположенные вдоль касательных напряжений, повышают жесткость хвостовой секции, уменьшают нежелательный прогиб «y» и угол крутки «φ», тем самым обеспечивают лучшие аэродинамические характеристики профиля лопасти (Фиг. 6), предохраняют перо лопасти от разрушения и повышают ее надежность.
В корневой части лопасти также возникают касательные напряжения, но уже по причине изгиба лонжерона и обшивок, воспринимающих подъемную силу, создаваемую регулярной и расширенной концевой частью лопасти. Поэтому силовой элемент 10, установленный на задней стенке лонжерона 5 с помощью силовой лапки 22 и силовой нервюры 23 снижает вредное влияние касательных напряжений в обшивках путем повышения жесткости клеевого соединения обшивок 13 и 14, вкладыша 7 с силовым элементом 10 в хвостовой секции корневой части лопасти.
Таким образом, установка нервюр в концевой части лопасти увеличивает жесткость конкретного сечения аэродинамической поверхности, что приводит к уменьшению деформации поверхности за счет уменьшения величины прогибов и углов крутки профилей.