ЛОПАСТЬ РУЛЕВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к конструкции лопастей рулевого винта вертолета из слоистых композиционных материалов.
Повышение надежности при эксплуатации лопасти рулевого винта вертолета позволяет обеспечить безопасность полетов и увеличить срок службы изделия. Достижение данного результата возможно, в том числе, при получении необходимых упруго-массовых характеристик, сохранении аэродинамических характеристик в неизменном виде при низких температурах, обеспечении балансировки, защите от накопления статических зарядов, которые могут внести сбой в работу вертолета. Указанные параметры могут быть получены при использовании различных конструктивных решений.
Известна конструкция лопасти (Европейский патент №2222553, 01.09.2010 г.), содержащая С-образный лонжерон из стекловолокна, переходящий в комлевой части лопасти в замкнутый контур, цельную обшивку по всей хорде из эпоксидного композиционного материала, охватывающую лонжерон и по задней части состыкованную посредством вкладыша, многослойный контур из эпоксидного композиционного материала во внутренней поверхности лонжерона, пенопластовый сердечник между лонжероном и вкладышем, узлы крепления лопасти к втулке несущего винта, расположенные в комлевой части лонжерона.
Указанная конструкция лопасти не содержит таких важных элементов как центровочный груз и противоэрозионная оковка, без которых невозможно получить необходимую балансировку лопасти для предотвращения, с одной стороны, критических частот изгибно-крутильных колебаний типа «флаттер», а с другой, - обеспечения «аэродинамической целостности» профиля лопасти в эксплуатации. Также сборка элементов конструкции представляет собой многошаговую процедуру, усложняющую процесс. Таким образом, данная конструкция не позволяет получить необходимые упруго-массовые характеристики и требуемый уровень надежности при эксплуатации.
Известна конструкция лопасти рулевого винта (Европейский патент №2256034, 14.12.2011 г.), содержащая пенопластовый сердечник, размещенныйпо хорде лопасти по всему ее размаху, пакеты полос толщиной приблизительно 0,3 мм, формирующие многослойную оболочку с переменной толщиной по поперечному сечению контура профиля лопасти, выполняющую функцию лонжерона, обшивку поверх оболочки, формирующую аэродинамический профиль лопасти, выполненную из многонаправленной ткани, противоэрозийную оковку, под которой размещен центровочный груз.
Недостатками указанной конструкции лопасти является многошаговая процедура сборки элементов конструкции с возможным применением термопластичных связующих в процессе сметки пакетов при их выкладке, что повышает трудоемкость процесса сборки конструкции перед ее полимеризацией в пресс-форме. Кроме того, проблемным является обеспечение контроля количественного содержания связующего в волокнах ткани в поперечных сечениях профиля лопасти по размаху из-за концентрации инъекционных каналов подачи связующего только в носовой части профиля, что, в свою очередь, может привести к местному непроклею композиционных материалов, а учитывая сложную динамику поведения лопасти - расслоению композиционных пакетов и возможному разрушению лопасти. Как известно, этот аспект при изготовлении лопасти является основополагающим наравне с параметрами времени и температуры полимеризации, при оценке качества изготовления лопасти и ее поведения под действием высоких циклических нагрузок в эксплуатации. В итоге, указанная конструкция также не обеспечивает необходимой надежности изделия при эксплуатации.
Известна конструкция лопасти несущего винта (патент РФ №2541574, 20.02.2015 г.), принятая за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащая пенопластовый сердечник, размещенный на большей части хорды по всей длине лопасти, многослойную оболочку носовой части пенопластового сердечника, многослойную обшивку с разнонаправленным положением волокон в слоях, элемент, усиливающий заднюю кромку лопасти, противоэрозийную оковку носка лопасти и центровочный груз, многослойную оболочку в комлевой части лопасти, имеющую увеличенную внутрь толщину пакета и армированную вкладышами, размещенными между слоями указанной оболочки, при этом многослойная обшивка выполнена цельным полотном, охватывающим большую часть поверхности лопасти, имеет переменную толщину в поперечном сечении профиля лопасти с утонением к его задней кромке.
Данная конструкция является трудоемкой в части изготовленияпенопластового сердечника. Также указанная конструкция не обеспечивает такого важного параметра как давление, создаваемое при формовании композитной оболочки лопасти на слои препрега (композиционного материала), что не позволяет обеспечить равномерное клеевое соединение между слоями лопасти по всей площади конструкции и получить качественно изготовленное изделие. В конструкции на участках лопасти, где нет центровочного груза, используется установка имитационных вкладышей из материала, однотипного с материалом пенопластового сердечника, что не обеспечивает поперечную центровку лопасти. Таким образом, не обеспечивается требуемый статический момент, что не позволяет обеспечить необходимый уровень надежности изделия при эксплуатации.
К тому же, указанные конструкции лопастей не предусматривают наличие элементов, обеспечивающих защиту от накопления электростатических зарядов, которые могут внести сбой в работу не только лопасти винта, но и навигационного оборудования вертолета.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности лопасти рулевого винта вертолета при эксплуатации за счет получения стабильных упруго-массовых характеристик лопасти, сохранения аэродинамических характеристик во всем интервале рабочих температур, обеспечения балансировки и защиты от накопления статических зарядов.
Технический результат достигается использованием лопасти рулевого винта вертолета, содержащей пенополиуретановый сердечник, размещенный на большей части хорды по всей длине лопасти, многослойную обшивку с разнонаправленным положением волокон в слоях, противоэрозийную защиту носка лопасти, под которой размещены центровочный груз, противообледенительная система, система молниезащиты и балансировочный узел, при этом многослойная оболочка в комлевой части лопасти имеет увеличенную внутрь толщину пакета переменного сечения из однотипного с обшивкой материала, многослойная обшивка выполнена цельным полотном, охватывающим большую часть поверхности лопасти, имеет переменную толщину в поперечном сечении профиля лопасти с утонением к его задней кромке с усиливающим элементом этой кромки.
Противообледенительная система предназначена для защиты носовой части лопасти от налипания льда. Ее наличие обеспечивает поддержание аэродинамических характеристик лопасти в неизменном виде в условиях обледенения, что позволяет сохранить устойчивость и управляемость вертолета и повышает надежность при эксплуатации. Противообледенительная система состоит из нагревателя, выполненного в виде полос из нержавеющей стали, вклеенных между слоями стеклоткани.
Как известно, применение композиционных материалов требует специальных мер по защите от статического электричества, которое может внести сбой в работу вертолета в целом из-за наведения электромагнитных помех. Система молниезащиты предназначена для снятия статического электричества с лопастей, как составной части вертолета. Ее наличие обеспечивает надежную работу лопасти и всего оборудования вертолета. Данная система представляет собой провод молниезащиты, соединяющийся в концевой части лопасти с ее металлическими деталями.
Балансировочный узел обеспечивает окончательное регулирование (балансировку) продольного центра тяжести лопасти, что позволяет обеспечить изготовление всех лопастей с единым статическим моментом и, в конечном итоге, получить принцип полной (поштучной) взаимозаменяемости лопасти, что является преимуществом при эксплуатации лопастей. При этом центр тяжести каждой лопасти винта находится на одном радиусе вращения. Таким образом, обеспечивается получение требуемых упруго-массовых характеристик и повышение надежности при эксплуатации. Балансировочный узел состоит из кронштейна, грузов и болта.
Наличие пенополиуретанового сердечника на большей части хорды по всей длине лопасти, многослойной обшивки с разнонаправленным положением волокон в слоях, противоэрозийной защиты носка лопасти, под которой размещены центровочный груз, противообледенительная система, система молниезащиты и балансировочный узел, выполнение многослойной оболочки в комлевой части лопасти с увеличенной внутрь толщиной пакета переменного сечения из однотипного с обшивкой материала, выполнение многослойной обшивки в виде цельного полотна, охватывающего большую часть поверхности лопасти и имеющего переменную толщину в поперечном сечении профиля лопасти с утонением к его задней кромке с усиливающим элементом этой кромки позволяет обеспечить получение необходимой прочности, жесткости, статического момента, что обеспечивает получение стабильных упруго-массовых характеристик лопасти, повышение качества изготовления лопасти и, в итоге, способствует повышению надежности изделия при эксплуатации.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - общий вид лопасти в изометрии; на фиг.2 - типовое поперечное сечение лопасти на участке с центровочным грузом; на фиг.3 - поперечное сечение комлевой части лопасти с установленными вкладышами и узлом крепления (сечение по А-А фиг. 1); на фиг.4 - балансировочный узел лопасти (выносной элемент Б фиг. 2); на фиг. 5 - эпюры коэффициентов концентрации напряжений в контуре отверстия во вкладыше; на фиг. 6 - профиль типового сечения лопасти в соответствии с фиг. 2 в частично разобранном виде; на фиг. 7 - схема опрессовки и полимеризации лопасти в пресс-форме; на фиг. 8 - схема заполнения оболочки лопасти пенополиуретаном.
Лопасть 1 имеет комлевую часть 2 с узлами 3, 4 крепления лопасти к втулке, аэродинамически профилированную часть (перо лопасти) 5 и противоэрозийную оковку 6, также пенопластовый сердечник 7, размещенный на большей части хорды по всей длине лопасти, выполненный, например, из пенополиуретана. Многослойная обшивка 8 лопасти 1 выполнена в виде цельного полотна, охватывающего большую часть ее поверхности с формированием аэродинамического профиля. Слои обшивки 8 выполнены с разнонаправленным положением волокон, преимущественно под углом ±45° к продольной оси лопасти 1, имеют разную ширину, образуя переменную (ступенчатую) толщину полотна, в результате чего обшивка 8 в поперечном сечении профиля лопасти 1 выполнена с утонением к ее задней кромке 9. Такое формирование обшивки 8 позволяет увеличивать ее толщину в направлении носовой части и этим варьировать, при необходимости, не только положением центра тяжести профиля лопасти 1, но и местной прочностью от действия распределенных аэродинамических нагрузок по поверхности профиля. Для упрочнения обшивки 8, повышения ее стойкости один из внешних слоев может быть изготовлен из волокон, имеющих высокую механическую прочность, например, волокон углепластика.
Для усиления задней кромки 9 обшивка 8 по всей длине лопасти 1 состыкована с элементом 10, выполненным из материала, однотипным с материалом обшивки, который имеет V-образное поперечное сечение, оканчивающееся стрингером 11 с возможностью крепления к нему металлической пластины в качестве триммера (условно не показан). При этом края обшивки 8 располагаются сверху, внахлест, с кромками элемента 10 (см. фиг. 6).
Многослойная оболочка 12 обеспечивает прочность силового остова лопасти 1 для восприятия переменных напряжений, действующих в полете от изгибно-крутильных колебаний лопасти 1 и инерционных нагрузок.
Для обеспечения местной прочности, как показано на фиг. 3, многослойная оболочка 12 в зоне размещения узлов 3, 4 крепления лопасти имеет увеличенную внутрь толщину пакета обшивки 8 переменного сечения из однотипного с обшивкой материала, а также армирована вкладышем 13, выполненным из пакета слоев стеклоткани. Слои вкладыша 13 выполнены с разнонаправленным положением слоев.
Увеличение внутрь толщины пакета переменного сечения из однотипного с обшивкой материала позволяет выдерживать большие переменные напряжения, изгибающие моменты, тем самым увеличить усталостную прочность лопасти, обеспечить получение необходимых упруго-массовых характеристик лопасти, повысить качество изготовления лопасти и, в итоге, повысить надежность при эксплуатации.
Основной задачей конструктивно-технологического решения узла крепления лопасти является максимальное снижение концентрации напряжений в композитном материале. И многослойная конструкция вкладыша 13 в сочетании с металлическими втулками 14, 15, установленными на клеевой прослойке 16 как показано на фиг. 3, позволяют снизить в композиционном материале концентрацию напряжений:
- от окружной нагрузки более чем в 4 раза;
- от радиальной нагрузки в 2-3 раза.
rd
В подтверждение этого вывода на фиг. 5 приведены эпюры коэффициентов концентрации окружных напряжений  в и радиальных напряжений K на контуре отверстия в ортотропной пластине (аналога вкладыша) под действием нагрузки Р при наличии втулки - область «а» и без нее - область «в», полученные экспериментально (см. «Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении» под ред. А.Г. Братухина и др. М., 2003, стр. 338, 339, 342).
Выполнение узлов 3, 4 в виде отверстий разного диаметра, разнесенных по продольной оси лопасти 1 так, что отверстие 3 меньшего диаметра расположено ближе к торцу комля 2, позволяет оптимизировать концентрацию напряжений в контуре вкладыша 13 за счет перераспределения нагрузок по узлам 3, 4 исформировать профиль в комле 2, адекватный профилю пера лопасти 1, что в совокупности улучшает прочностные, технологические и аэродинамические характеристики лопасти 1.
Между обшивкой 8 и оболочкой 12 в носовой части лопасти 1 установлен центровочный груз 17 в виде профилированных металлических секций. А на участках лопасти 1, где нет центровочного груза 17, полость в носовой части по длине лопасти 1 между оболочкой 12 и обшивкой 8 заполнена имитационными вкладышами (условно не показаны) из материала, однотипного с материалом оболочки лопасти 1.
В носовой части лопасти 1 под оковками устанавливается противообледенительная система лопасти 18, предназначенная для защиты носовой части лопасти от налипания льда и состоящая из нагревателя и проводов. Нагреватель (см фиг. 2) выполнен в виде полос из нержавеющей стали, вклеенных между слоями стеклоткани. Наличие противообледенительной системы, в итоге, обеспечивает поддержание аэродинамических характеристик лопасти в неизменном виде при воздействии низких температур, что позволяет сохранить устойчивость и управляемость вертолета.
Между нагревателем противообледенительной системы 18 и обшивкой 8 располагается провод молниезащиты 19, соединяющийся в концевой части лопасти 1 с ее металлическими деталями и предназначенный для снятия статического электричества с лопастей.
В концевой части лопасти 1 находится балансировочный узел 20 (см. фиг. 4 - выносной элемент Б фиг. 1), предназначенный для регулировки статического момента лопасти 1 относительно оси вращения винта. Балансировочный узел 20 состоит из кронштейна 21, грузов 22 и болта 23. Регулировка статического момента обеспечивается изменением количества и массы груза 22.
Заявляемая конструкция лопасти винта получается при использовании способа изготовления лопасти из композиционных материалов, состоящего из следующих операций:
1) Раскрой препрегов (полуфабрикат пропитанной стеклоткани Т-25 связующим 5-211Б) на заготовки в соответствии с картой раскроя и заданной ориентацией волоконного наполнителя.
2) Комплектация пакетов из раскроенных заготовок (конструкция оболочки состоит из трех пакетов).
3) Выкладка пакетов технологических сборочных единиц на оправки.
4) Вакуумирование пакетов и их предварительная опрессовка в автоклаве на оправке при температуре 50-60°С для обеспечения склеивания листов в пакете.
5) Сборка оболочки лопасти винта вертолета из предварительно собранных отпрессованных пакетов в пресс-форме, установкой заранее изготовленных центровочных грузов 17, противообледенительной системы 18, провода молниезащиты 19, балансировочного узел 20.
Подготовленные пакеты укладывают в пресс-форму на оправке-вкладыше из силиконового каучука (термосиликоновой резины). Данный материал работает при температуре от -50°С до +220°С и при нагревании имеет прогнозируемое линейное расширение необходимое для создания давления внутри оболочки.
6) Обеспечение температурного режима.
Формование оболочки лопасти происходит при ступенчатом повышении температуры со скоростью 1-2°С в минуту до 65°С и выдержкой при этой температуре в течение 30 минут, последующим повышением температуры до 150°С с выдержкой в течение 4-х часов. В процессе нагревания термосиликоновый вкладыш (см. фиг. 7), расширяется и создает необходимое давление на формуемый материал.
7) Охлаждение пресс-формы до температуры окружающей среды.
8) Укладка готовой оболочки в специальное приспособление, заполнение внутренней полости заполняется пенополиуретаном методом заливки под давлением при свободном вспенивании (см. фиг. 8).
9) Механическая обработка, покраска лопасти.
10) Балансировка лопасти при помощи балансировочного узла см. (фиг. 4).
10) Приемо-сдаточные испытания.
Оболочка лопасти рулевого винта формируется за один технологический цикл, при котором все конструктивные единицы, в частности противообледенительная система, провода молниезащиты, балансировочный узел, укладываются в пресс форму на оправке из термосиликоновой резины, которая при нагревании расширяется и создает необходимое давление для прессования слоев. В дальнейшем, после полимеризации оболочки и охлаждения, указанная оправка из термосиликоновой резины сжимается и легко удаляется из внутренней полости, в которую потом заливается пенополиуретан.
Ступенчатое повышение температуры и временная выдержка необходимы для обеспечения режимов термостатирования конкретной эпоксидной матрицы.Температура 65°С - это желатинизация смолы, при которой происходит ее размягчение и при небольшом давлении со стороны оправки - разглаживание уже эластичных слоев наполнителя (стеклоткани). Температура 150°С и время выдержи, равное 4 часам - режимы отверждения, при котором молекулы смолы полимеризуются. Указанные режимы назначаются по справочникам.
Технология сборки лопасти рулевого винта вертолета представляет собой одногошаговую процедуру сборки элементов конструкции лопасти методом «мокрой» выкладки слоев оболочки и последующим «горячим» прессованием в пресс-форме с использованием вкладыша из термосиликоновой резины, что существенно снижает трудоемкость процесса сборки, количество применяемой оснастки, повышает стабильность упругомассовых характеристик лопасти и качества изготовления лопасти.
Заявляемая конструкция лопасти рулевого винта вертолета из композиционных материалов позволяет упростить технологию ее изготовления, снизить трудоемкость и затраты за счет отказа от сложной формообразующей оснастки оборудования для обслуживания такой оснастки и операций контроля герметичности оснастки. Также заявляемая конструкция лопасти обеспечивает получение качественного изделия, обладающего высокой надежностью при эксплуатации.