ЛОПАСТЬ ВИНТА-РОТОРА ДЛЯ АВТОЖИРОВ

Устройство полезной модели относится к авиационной технике, а именно к автожиростроению, конкретно к винтам-роторам для автожиров. Основой несущей поверхности движителя для автожиров служит воздушный винт-ротор, свободно вращающийся вокруг вертикальной оси под действием встречного набегающего потока воздуха. Основным элементом несущего винта-ротора является лопасть.
Устройство может быть также использовано для применения в ветроэлектрогенераторах, ветряных мельницах, в ветроэнергетических кадастровых системах и других ветроэнергетических агрегатах различного назначения в интересах народного хозяйства.
В настоящее время в автожирах преимущественно применяется три типа конструктивно-силовых лопастей несущих винтов:
- композитная лопасть;
- композитная лопасть с экструдированным лонжероном;
- экструдированная лопасть из алюминиевого сплава (например, сплав АДЗЗ). Технология изготовления композитных лопастей и композитных лопастей с экструдированным лонжероном является очень трудоемким и длительным технологическим процессом: требуется специальная оснастка, измерительная аппаратура и станки для механической обработки, а также балансировка лопастей по хорде, сборка и балансировка несущего винта по радиусу лопастей. От точности установки последних, зависит плавность работы несущего винта, в противном случае будут возникать повышенные нежелательные вибрации (флаттер).
Перечисленное является основным недостатком применения указанных лопастей винта-ротора для автожиров. Кроме того такие лопасти являются достаточно дорогостоящими из-за сложности технологического процесса их изготовления.
Известно применение экструдированных из алюминиевых сплавов лопастей, основными производителями которых являются:
- от производителя лопасти Ксавье Аверсо - Averso Xavier - Франция: .averso.info
- от производителя лопасти НТС (МТО-03. MTO-Sport. Calidus) AUTO-GYRO GMBH - Германия: , из технических бюллетеней (прямая ссылка) 12fed9af2169/2010_04_Kundeninformation_Rotorsystem.pdf.
и электронного журнала №2/2007 «Sapa АВ» (Швеция) - завода изготовителя этой лопасти
- AIRBET (GIRABET) - Испания: http://www.airbet.net
А так же из частных сообщений (Экструдированные лопасти для автожиров - короткий обзор) с сайта Ассоциации Экспериментальной Авиации
1267551056
Ксавье Аверсо является истинным «метром» французского автожиростроения, и стоит у его истоков, лопастями занимается уже более двадцати лет. Ротор состоит из экструдированного профиля с двумя круглыми отверстиями. В отверстия вклеиваются стальные (нержавеющие) балансировочные прутки длиной 1,5-2 метра (зависит от длины ротора). Во всех конструкциях прутки вставляются таким образом, чтобы оставалось около 50 мм от края лопасти, куда нарезанной резьбе вкручивается балансировочный винт.
Центр тяжести после вклеивания балансировочных прутков лежит в пределах 26% хорды. Точная балансировка по длине производится балансировочными винтами.
В комле на профиль накладываются две профилированные накладки одинаковой массы и внутрь вкладывается стальной усилитель из трубы квадратного профиля.
Четыре оси крепления лежат на оси центра тяжести. Концы лопасти закрыты алюминиевыми съемными накладками.
Угол атаки составляет 1,45-2 градуса, угол конусности лежит в пределах 2-3 градусов и зависит от массы автожира, длины и веса лопасти, полетных оборотов.
Жан-Пьер Долеак и Ксавье начинал создание своих лопастей с композитов, но приблизительно в одно время с Ксавье решил перейти от композитных лопастей к алюминиевым.
Конструкция ротора:
Ротор состоит из экструдированного профиля с двумя круглыми и одним квадратным отверстием. В круглые отверстия вклеиваются стальные (нержавеющие) Балансировочные прутки длиной 1,5-2,4 метра (зависит от длины ротора). Центр тяжести после вклеивания балансировочных прутков лежит в пределах 25% хорды. В комле на профиль накладываются специальной формы экструдированная накладка и внутрь вкладывается стальной усилитель из трубы квадратного профиля. Пять отверстий крепления лежат на оси центра тяжести.
Угол атаки составляет также 1,5-2 градуса, угол конусности лежит в пределах 2-3 градусов и зависит от массы автожира, длины и веса лопасти, полезных оборотов. Лопасти НТС (МТО - 03, МТО - Sport, Calidus), Германия
Конструкция ротора:
Ротор повторяет конструкцию Долеака с двумя круглыми отверстиями, соединенных между собой специальным каналом. В круглые отверстия вклеиваются стальные (нержавеющие) балансировочные прутки длиной 1,5 метра.
Центр тяжести после вклеивания балансировочных прутков лежит в пределах 25% хорды. В комле на профиль накладываются специальной формы экструдированная накладка. Девять отверстий (в силу того, что нет усилительного элемента и из за условия не смятия алюминиевой кромки) лежат на оси центра тяжести. Концы лопасти закрыты пластиковыми съемными накладками. Угол атаки составляет около 1,6 градуса, угол конусности в пределах 2 градусов.
Лопасти Магни (состоянием на 1996 год из слов Аверсо) - это лопасти композитные с экструдированным носиком.
Центр тяжести лопасти (считая от первого отверстия фиксации) 185 см (44% длины) Лопасть изготовлена с композитным лонжероном шириной 9 см у комля и сужающимся до 4 см у конца лопасти.
В носике установлен свинцовый груз весом 3800 грамм по всей длине, кроме 30 первых сантиметров от комля. Лопасть имеет центровку 27% у комля и 24% у конца лопасти.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности признаков по достигаемому техническому результату предлагаемой полезной модели, принятой за прототип, является устройство лопасти Жан-Пьера Долеака. Лопасть состоит из экструдированного профиля с двумя круглыми и одним квадратным отверстием, в который вкладывается стальной усилитель из трубы квадратного профиля. Устройство указанной лопасти решает в основном задачи в условиях применения по обеспечению аэродинамических и физико-механических характеристик лопасти. Однако основным недостатком указанного устройства лопасти является то, что квадратный профиль трубы не обеспечивает прочности и жесткости, а также центробежную силу и изгибающие моменты в условиях полета, что ведет к снижению летно-технических характеристик автожира.
Указанные недостатки аналогов композитных лопастей, композитных лопастей с экструдированным лонжероном и лопастей-прототипа диктуют необходимость создания новых лопастей для винта-ротора, применяемого в автожирах.
Задачей создания предлагаемой полезной модели, обеспечивающей устранение указанных недостатков отмеченных в прототипах и аналогах, а также повышение функциональной надежности и расширения арсенала технических средств в области основного несущего элемента винта-ротора для автожиров, которым является лопасть.
Указанная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство полезной модели выполнено таким образом, что внутренний объем лопасти ротора для обеспечения большего запаса кинетической энергии содержит технологические отверстия, обеспечивающие возможность изменения центровок по хорде путем заполнения их металлом, имеющим больший удельный вес для обеспечения от 24 до 26% расстояния от начала профиля лопасти.
Предлагаемая конструкция лопасти обеспечивает требуемое положение центра тяжести и центра давления профиля лопасти в винте-роторе. Если масса противофлаторного груза будет не достаточна, то хвостовая часть лопасти перетягивает и ее нос задирается к верху. В этом случае центр тяжести сечения профиля буден находится на расстоянии ближе к 27% длины хорды от носа. Это приводит к появлению нежелательного крутящего момента расположенного вдоль лопасти и вызывает появление дебалансирующей дестабилизирующей силы приводящей к эффекту флаттера, что ограничивает эксплуатационные характеристики и срок службы винта-ротора.
Добавив противофлаттерный груз ближе к носику сечения профиля можно сместить центр тяжести ближе к центру давления набегающего потока воздуха, т.е. к 25% расстояния от начала профиля лопасти. Размещение массы с большим удельным весом ближе к передней кромке профиля лопасти ротора обеспечивает смещение центра тяжести профиля к центру давления, что исключает появление нежелательного крутящего момента расположенного вдоль лопасти.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где на фиг.1 показано устройство лопасти для винта-ротора автожира: 1, 2, 3 - технологические отверстия, 4 - стенки профиля, 5, 6 и 7 - внутренние усиливающие перемычки, 8 - отверстия для крепления крепежными болтами лопасти к хаббору.
Технологические отверстия 1, 2 позволяют размещать в них центровочные грузы и получить возможность смещения центра массы по хорде к лобику профиля, а резьбовые пробки, которыми глушат эти отверстия и не дают возможности вылететь этому грузу при работающем роторе. Технологические отверстия 1 и 2 заполненные более тяжелым металлом обеспечивает балансировку и утяжеление конца лопасти для запаса большей кинетической энергии, что в режиме полета в нисходящем потоке дольше удерживает ротор на рабочих оборотах в отсутствии потока воздуха, проходящего через ротор и поддерживающего обороты авторотации, что существенно влияет на безопасность в летных условиях.
Технологические отверстия различной геометрической формы и диаметра, их взаимное расположение, форма перемычек 5 и 6, и связи между технологическими отверстиями 1, 2, 3 и перемычками 5 и 6, а также то, что технологические отверстия 1 и 2 заполняют металлом, имеющим больший удельный вес, чем алюминиевый сплав, позволяют получить белее выгодную переднюю центровку по хорде.
В предлагаемом устройстве полезной модели технологические отверстия 3 выполнены таким образом, что повторяют внешний профиль лопасти, обеспечивая при этом равнотолщинность внешних стенок 4, а также внутренних усиливающих перемычек 5 и 6 обеспечивающих дополнительно увеличение прочностных характеристик конструкции профиля.
В предлагаемой полезной модели конструкции профиля лопасти равнотолщинность внешних стенок 4, а также внутренних усиливающих перемычек 5 и 6 позволяет усовершенствовать крепление лопасти к хаббару, путем увеличения количества отверстий 8 под крепежные болты. Отверстия 8 под крепежные болты расположены в плоскости лопасти в шахматном порядке с двух сторон относительно усиливающей перемычки 6, увеличивая прочность соединения лопасти к хаббору не только на изгиб но и на кручение.
Технологические отверстия различной геометрической формы и диаметра, заполнение их металлом, имеющего больший удельный вес, их взаимное расположение, форма перемычек, и связей между технологическими отверстиями и перемычками позволяют получить более выгодную переднюю центровку по хорде, а также прочность и выносливость, увеличение ресурса, что отодвигает границу флаттера в сторону более высоких скоростей, это положительно сказывается на повышении летно-технических характеристик. Перечисленное является основным элементами новизны предлагаемой полезной модели, которое обеспечивает выполнение поставленной задачи - повышение функциональной надежности, расширение, арсенала технических средств, применяемых лопастей для винтов-роторов в автожирах.
Толщина стенок и перегородок в носовой части ротора специально увеличена, что обусловлено необходимостью увеличения жесткости конструкции на кручение и изгиб, а также в месте крепления лопасти к хаббару. Это позволяет обеспечить более прочное соединение лопасти и хаббора за счет увеличения количества отверстий, под крепежные болты, меньшего диаметра и расположить их в шахматном порядке в плоскости лопасти.
В патентной и научно-технической литературе не известны технические решения аналогично заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенной полезной модели условию патентоспособности - «новизна».
Предлагаемая полезная модель - устройство лопасти основного несущего элемента винта-ротора для автожиров устраняет недостатки аналогичных устройств и прототипа. Предложенное техническое решение неизвестно из доступных источников информации и уровня техники для специалистов автожиростроения, а именно лопастей винта-ротора. Это позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию -«изобретательский уровень».
Предлагаемая полезная модель изготавливается из отечественных материалов на оборудовании: экструдере и технологической оснастке, разработанных для изготовления предлагаемой полезной модели, использование которой в условиях применения позволяет достичь технического эффекта указанного в задаче полезной модели, что удовлетворяет условию патентоспособности - «промышленный уровень и применимость».
Заявленное устройство полезной модели экономично и технологично в изготовлении, обладает высококачественными потребительскими свойствами, обеспечивая высокое аэродинамическое качество и физико-механические характеристики автожиров, показывает их высокую надежность в летных условиях. Таким образом, решается задача предлагаемой полезной моделью по расширению арсенала технических средств устройства лопасти - основного несущего элемента винта-ротора для автожиров.