ЛОПАСТЬ НЕСУЩЕГО ВИНТА ДЛЯ ВИНТОКРЫЛОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ROTORCRAFT ROTOR BLADE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лопасти несущего винта для винтокрылого летательного аппарата с безопорной и бесшарнирной задней деформируемой зоной.
Уровень техники
Как известно, у винтокрылого летательного аппарата условия обтекания несущего винта непрерывно изменяются даже в установившемся режиме полета. Эти изменения являются результатом взаимного наложения скорости прямолинейного горизонтального полета винтокрылого летательного аппарата и угловой скорости вращения несущего винта.
Это наложение ведет к возникновению по существу двух прямо противоположных ситуаций обтекания на опережающей и отстающей лопасти. На опережающей лопасти вращательная составляющая положительно накладывается на поступательную составляющую и создает обтекание с сильно выраженной околозвуковой скоростью на законцовке лопасти. В этом случае желателен как можно более тонкий профиль лопасти с малой кривизной во избежание сильных звуковых ударов или скачков уплотнения. На отстающей лопасти поступательная составляющая скорости прямолинейного горизонтального полета вычитается из вращательной составляющей. Это ведет к сильному снижению местной скорости обтекания вплоть до обратного обтекания профиля во внутренней зоне лопасти. В сочетании с преобладающим здесь высоким углом установки лопасти низкая скорость обтекания становится причиной сильного отрыва потока, повышающего нагрузки на тяги управления несущим винтом. В этой зоне предпочтительным был бы профиль большей толщины или профиль с сильной кривизной в передней зоне.
Предметом изобретения является лопасть несущего винта с аэродинамическим профилем изменяемой геометрии, учитывающим особенности этих экстремальных областей обтекания и адаптирующимся к преобладающим условиям.
В целом аэродинамические условия на несущем винте, сильно изменяющиеся за время одного оборота винта, создают вибрации лопастей винта, многократно превышающие частоту вращения.
Другой отрицательный аэродинамический эффект возникает во время захода на посадку при определенных углах снижения летательного аппарата. При этом лопастные вихри могут взаимодействовать с лопастями, что приведет к возникновению пульсирующего шума. Это явление можно ослабить, деформируя поток от несущего винта в соответствующем азимутальном положении или изменяя пространственное положение лопасти таким образом, чтобы исключить указанное взаимодействие вихря и лопасти. Это изменение относительного расстояния между лопастью и спутной струей достигается путем кратковременного изменения подъемной силы.
В принципе существуют две возможности изменения подъемной силы на несущем винте:
1. Прямое изменение: Подъемная сила изменяется как на крыле самолета путем отклонения закрылка (отклонение закрылка вниз => увеличение подъемной силы) или
2. Косвенное изменение: Отклонение закрылка создает путем изменения коэффициента момента крутящий момент, с помощью которого регулируется угол установки податливой на кручение лопасти за счет индуцированной крутильной деформации (отклонение закрылка вверх => деформация кручения => изменение угла установки => увеличение подъемной силы). Этот явление известно из литературы как сервоэффект.
Вторая возможность в настоящее время используется чаще, так как она представляется более эффективной при имеющихся возможностях сервопривода.
Лопасть несущего винта с подвижным закрылком, использующая сервоэффект, известна из публикации DE 10116479 A1. Закрылок закреплен в подшипниках качения на лопасти несущего винта. Управление закрылком осуществляется посредством пьезопривода, установленного в передней части лопасти несущего винта на некотором расстоянии в направлении хорды профиля. Пьезопривод создает перестановочные усилия и посредством тяг передает их на закрылок лопасти несущего винта.
Лопасти несущего винта с дискретными опорами закрылков при практическом использовании подвержены повышенному износу под действием сильных вибраций, а также пыли, загрязнений и влаги в окружающей среде. Следствием является сокращение срока службы и увеличение объема работ по техническому обслуживанию.
Поэтому в публикации DE 10334267 A1 предлагается лопасть несущего винта с безопорным и бесшарнирным закрылком. В известной лопасти несущего винта в жесткой обшивке профиля или непосредственно под жесткой обшивкой и на ней закреплены пьезоприводы, что позволяет по выбору включать один из двух пьезоприводов на верхней или нижней стороне обшивки профиля лопасти и тем самым смещать одну обшивку относительно другой, уменьшая или увеличивая длину верхней обшивки по сравнению с нижней. Вследствие укорочения одной обшивки относительно другой происходит отклонение закрепленного на обшивках жесткого закрылка и его перемещение вверх или вниз.
Известные лопасти несущего винта указанного выше типа имеют тот недостаток, что отклоненный вверх закрылок создает подъемную силу и тем самым повышает сопротивление по сравнению с нейтральным или отклоненным вниз профилем.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача создания лопасти несущего винта для винтокрылого летательного аппарата с бесшарнирным и безопорным закрылком, отличающимся простотой механического и кинематического исполнения, имеющим благоприятные аэродинамические свойства и обеспечивающим плавное деформирование в направлении хорды профиля и размаха.
Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения.
В зависимых пунктах формулы описаны частные предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Согласно изобретению лопасть несущего винта имеет податливый на сдвиг основной корпус, охватывающую основной корпус жесткую на растяжение верхнюю и нижнюю обшивку, расположенную у задней кромки лопасти безопорную и бесшарнирую деформируемую зону и по меньшей мере один привод, расположенный в основном корпусе. Привод способен инициировать движение изгиба основного корпуса, что обеспечивает деформацию задней деформируемой зоны, возникающую вследствие вызываемого изгибом основного корпуса искривления верхней и нижней обшивки и приводящую к отклонению хвостовой части профиля в направлении, противоположном движению изгиба. Точно так же можно инициировать изгиб задней деформируемой зоны, причем деформируется основной корпус. Благодаря податливому на сдвиг исполнению основного корпуса и жесткому на растяжение исполнению верхней и нижней обшивки результатом инициированного движения изгиба становится чистая деформация изгиба, т.е. происходит только изгибное растяжение верхней и нижней обшивки. В результате изгибной деформации возникает искривление верхней и нижней обшивки, а именно первое искривление в зоне отклоненной изгибом части основного корпуса и второе искривление в задней деформируемой зоне. Это второе искривление в форме противоположного отклонения вызывает отклонение задней деформируемой зоны. Так, например, деформация изгиба основного корпуса вниз ведет к отклонению задней деформируемой зоны вверх и, соответственно, деформация изгиба основного корпуса вверх ведет к отклонению задней деформируемой зоны вниз. Этим достигается аэродинамически более выгодный профиль лопасти несущего винта, так как вследствие устанавливающейся S-образной формы деформации по сравнению со снабженными закрылками профилями с дискретными закрылками и неизбежной прерывностью контура профиля при отклоненном закрылке такая лопасть имеет меньшее сопротивление.
Из других преимуществ следует назвать то, что предлагаемая в изобретении лопасть несущего винта благодаря простой геометрической форме деталей и их небольшому числу имеет более простую, однородную конструкцию. Кроме того, вся кинематика деформации значительно упрощена по сравнению с кинематикой дискретного закрылка, поскольку быстроизнашивающиеся детали больше не используются.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения основной корпус выполнен по существу как полое тело, т.е. основной корпус в своем внутреннем пространстве образует полость, проходящую в направлении размаха и хорды профиля. Этим обеспечивается требуемая податливость (мягкость) основного корпуса на сдвиг. Возможно также исполнение с заполнением полого тела податливым на сдвиг пенопластом.
Предпочтительно в деформируемой зоне устанавливаются несколько перегородок, неподвижно соединенных с верхней и нижней обшивкой. Установка перегородок позволяет оптимально влиять на контур профиля, возникающий после изгиба основного корпуса, или регулировать его.
Чтобы обеспечить достаточную податливость на сдвиг в направлении хорды профиля основного корпуса, перегородки в предпочтительном варианте соединены с верхней и нижней обшивками податливо на изгиб или квазишарнирно.
Возможно также податливое (мягкое) на сдвиг исполнение перегородок или заполнение всего деформируемого поперечного сечения податливым на сдвиг пенопластом.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения задняя деформируемая зона лопасти и примыкающая к ней в направлении хорды (Т) профиля и расположенная перед ней средняя зона основного корпуса выполнены податливыми на сдвиг. Остальная передняя зона основного корпуса может выполняться жесткой.
Предпочтительно в этом случае приводы взаимодействуют только со средней зоной. Благодаря этому можно устанавливать приводы на некотором расстоянии от задней деформируемой зоны в направлении хорды (Т) профиля. Это особенно целесообразно с точки зрения распределения веса и динамических характеристик.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения привод выполнен как привод изгиба.
При этом привод изгиба предпочтительно устанавливать на верхней и/или нижней обшивке. Привод или приводы изгиба могут соединяться с верхней и/или нижней обшивкой силами молекулярного сцепления и/или с геометрическим замыканием и/или с силовым замыканием.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения привод изгиба может находиться также в середине и передавать усилия на обшивки через перегородки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и предпочтительно обеспечивает(-ют) деформацию путем укорочения диагонали между двумя перегородками.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения привод, выполненный как привод изгиба, устанавливается по меньшей мере на одной перегородке. Профиль деформируется за счет деформации изгиба перегородки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем укорочения расстояния до точки присоединения на верхней и/или нижней стороне обеспечивает(-ют) деформацию в задней зоне.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем укорочения расстояния до точки присоединения в середине перегородки создает(-ют) момент, воздействующий на обшивку лопасти и вызывающий деформацию в средней или задней зоне.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем кручения и передачи деформации кручения на перегородку деформирует(-ют) нижнюю и верхнюю обшивку лопасти и, следовательно, среднюю или заднюю зону профиля.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем передачи усилия на перегородку посредством рычага обеспечивает(-ют) деформацию средней зоны.
Согласно другому варианту осуществления изобретения привод(-ы) выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем передачи усилия на перегородку посредством рычага обеспечивает(-ют) одновременную деформацию средней и задней зоны.
Предпочтительно верхняя и нижняя обшивки выполнены из композиционных волокнистых материалов. Поскольку в отличие от других концепций ни одну из зон верхней и нижней обшивки не требуется укорачивать, а достаточно только деформировать верхний и нижний контуры профиля путем изгиба верхней и нижней обшивки, в данном случае возможно изготовление верхней и нижней обшивки из известных волокнистых композиционных материалов. Это значит, что можно сохранить обычную конструкцию наружной обшивки.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения верхняя и/или нижняя обшивка имеет переменную толщину в направлении хорды (Т) профиля. Благодаря этому можно регулировать линию изгиба профиля или масштабировать глубину зоны закрылка.
Согласно другому варианту осуществления изобретения верхняя и/или нижняя обшивка имеют изменяющуюся в направлении хорды (Т) профиля структуру слоев. Возможные изменения конструкции слоев касаются различного числа слоев, длины слоев в направлении хорды профиля, ориентации волокон, а также использования различных волокнистых композиционных материалов. Этим также обеспечивается возможность масштабирования линии или линий изгиба.
Допустима также комбинация обеих возможностей, т.е. верхняя и/или нижняя обшивка может иметь различную толщину и различную структуру слоев в направлении хорды профиля.
Основная идея изобретения не ограничивается приведенным выше описанием, а может использоваться, например для реализации принципа триммерного закрылка, позволяющего с малыми затратами энергии деформировать небольшую зону задней кромки, которая в свою очередь посредством аэродинамических сил деформирует более глубокую и эффективную в аэродинамическом отношении зону профиля.
Таким путем можно при соответствующей конструкции обшивки, т.е. соответствующей линии изгиба, энергетически выгодно реализовать описанные выше основные факторы влияния на деформацию. Если выбрать такую линию изгиба, при которой средняя зона становится более искривленной, происходит сильное изменение подъемной силы вследствие непосредственного воздействия на лопасть несущего винта при нейтральном моменте профиля. Если выбрать линию изгиба так, чтобы задняя деформируемая зона отклонялась с большой амплитудой, а средняя зона деформировалась сравнительно мало в противоположном направлении, на передний план выйдет аэродинамическое изменение момента при малом изменении подъемной силы в соответствии с описанным сервоэффектом.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества, особенности и возможности применения настоящего изобретения следуют из приведенного ниже описания в сочетании с представленными на чертежах вариантами исполнения, где показаны:
на фиг.1 - упрощенная схема профиля лопасти несущего винта с закрылком в соответствии с уровнем техники,
на фиг.2 - упрощенный вид в разрезе профиля лопасти несущего винта согласно изобретению,
на фиг.3 - профиль по фиг.2 с отклоненной вверх хвостовой (закрылочной) зоной,
на фиг.4 - профиль по фиг.2 с отклоненной вниз хвостовой зоной,
на фиг.5 - профиль по фиг.2 с измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.6 - профиль по фиг.2 с другим измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.7 - профиль по фиг.2 еще с одним измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.8 - профиль по фиг.2 еще с одним измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.9 - профиль по фиг.2 еще с одним измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.10 - профиль по фиг.2 еще с одним измененным исполнением или расположением привода,
на фиг.11 - профиль по фиг.2 еще с одним измененным исполнением или расположением привода.
Осуществление изобретения
В приведенном ниже описании и на чертежах во избежание повторений одинаковые детали конструкции и компоненты имеют одни и те же условные обозначения, если не требуется или нецелесообразна более подробная дифференциация.
m
На фиг.1 в упрощенном виде приведено более или менее схематичное изображение профиля с общим условным обозначением 10, соответствующего уровню техники (см. DE 10116479 A1) и включающего в себя по существу аэродинамически эффективный профиль 12 лопасти несущего винта с податливым на кручение основным корпусом 14, охватывающей основной корпус 14 верхней и нижней обшивкой 16, 18 и подвижно закрепленным на основном корпусе 14 закрылком. Подъемная сила в данном случае создается отклонением закрылка 20 вверх. Отклонение закрылка 20 вверх и обусловленное им действие усилия F на закрылок 20 вызывают изменение коэффициента момента C. Вследствие податливого на кручение исполнения основного корпуса 14 это ведет к деформации кручения профиля 10, что обусловливает изменение угла установки α и требуемое изменение подъемной силы.
Рассмотренная концепция имеет тот недостаток, что всякое отклонение закрылка 20 от нейтрального положения ведет к повышению сопротивления.
Чтобы избежать этого недостатка, показанная на фиг.2 предлагаемая в изобретении лопасть 10 несущего винта с аэродинамически эффективным профилем 12 имеет основной корпус 14, податливый на сдвиг в направлении хорды лопасти, охватывающую основной корпус 14 жесткую на растяжение и сжатие верхнюю и нижнюю обшивку 16, 18 и образованную в зоне задней кроки профиля безопорную и бесшарнирную заднюю деформируемую зону 22.
В данном случае основной корпус 14 состоит из трех отдельных зон: задней деформируемой зоны 22, граничащей с ней и расположенной впереди нее в направлении хорды Т профиля средней зоны 24 и примыкающей к средней зоне, включающей переднюю кромку передней зоны 26.
В представленном варианте исполнения задняя деформируемая зона 22 и примыкающая к ней средняя зона 24 выполнены податливыми на сдвиг в направлении хорды лопасти, тогда как передняя зона 26 выполнена жесткой.
В своем внутреннем пространстве основной корпус 14 имеет полость 28, проходящую в направлении размаха и хорды Т профиля, в которой вертикально установлено несколько перегородок 30. Для того чтобы обеспечить достаточную податливость лопасти с профилем 12 на сдвиг, перегородки 30 выполнены из податливого на сдвиг материала и упругим соединением соединены с верхней и нижней обшивкой 16, 18.
Помимо этого в полости камеры 28 расположено несколько приводов 32, 32'. Только в качестве примера здесь представлены пара пьезоэлектрических приводов 32 изгиба, установленных на верхней и нижней обшивке 16, 18, и один дискретный привод 32' (показанный пунктирными линиями).
В данном случае приводы 32 и 32' взаимодействуют только со средней зоной 24.
Приводы 32 и 32' могут инициировать движение изгиба упругой средней зоны 24 и, следовательно, отклонение задней деформируемой зоны 22 лопасти несущего винта.
Исключительно для полноты изложения следует указать на то, что создаваемые приводами деформации передаются также и в заднюю деформируемую зону лопасти.
Ситуация с отклоненной вверх задней деформируемой зоной представлена на фиг.3.
Изгиб вниз средней зоны 24 лопасти вызывает первое искривление верхней и нижней обшивки 16, 18. Вследствие жесткого на растяжение исполнения верхней и нижней обшивки 16, 18 отсюда следует второе искривление в противоположном направлении, которое деформирует вверх заднюю деформируемую зону 22. Поэтому хорда профиля 12 лопасти имеет характерный S-образный контур искривления.
В данном случае верхняя и нижняя обшивки 16, 18 выполнены из волокнистого композиционного материала. Для соответствующего масштабирования задней деформируемой зоны 22 верхняя и нижняя обшивки 16, 18 могут иметь переменную толщину в направлении хорды Т профиля и изменяющуюся структуру слоев.
На фиг.4 еще раз представлена ситуация с отклоненной вниз задней деформируемой зоной 22. В соответствии с вышеизложенным здесь происходит изгибная деформация вверх средней зоны 24, результатом чего и в этом случае является двойное искривление верхней и нижней обшивок 16, 18 и отклонение вниз задней деформируемой зоны 22.
Другие варианты осуществления изобретения, в частности касающиеся исполнения и расположения приводов, представлены на фиг.5-11.
В варианте исполнения, показанном на фиг.5, привод(-ы) 32, 32' выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем кручения и передачи деформации кручения на перегородку 30 деформирует(-ют) нижнюю и верхнюю обшивки 16, 18 и, следовательно, среднюю и заднюю 24, 22 зоны лопасти.
Согласно варианту исполнения, показанному на фиг.6, привод 32, 32' изгиба закреплен по меньшей мере на одной перегородке 30. Изгибная деформация перегородки деформирует профиль лопасти.
В варианте исполнения согласно фиг.7 привод(-ы) 32, 32' выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем укорочения расстояния до точки 34 присоединения на отрезке 30' перегородки создает(-ют) момент, воздействующий на обшивку 16, 18, который вызывает деформацию средней или задней зоны 24, 22.
Согласно варианту исполнения, показанному на фиг.8, привод(-ы) 32, 32' выполнен(-ы) дискретным(-и) и путем укорочения расстояния до точки 34 присоединения, расположенной на верхней и/или нижней обшивке 16, 18, деформируют заднюю деформируемую зону 22.
В варианте исполнения, представленном на фиг.9, используется привод 32, 32' изгиба, установленный перпендикулярно перегородке 30 и посредине перегородки по толщине профиля. Вследствие изгибной деформации привода 32, 32' через перегородку 30 передается усилие на верхнюю и нижнюю обшивку 16, 18, ведущее к деформации профиля лопасти.
Согласно варианту исполнения, показанному на фиг.10, привод(-ы) 32, 32' выполнен(-ы) дискретным(-и) и посредством рычага 36 передает(-ют) усилие на перегородку 30, которое вызывает деформацию средней зоны 24.
Согласно варианту исполнения, показанному на фиг.11, привод(-ы) 32, 32' выполнен(-ы) дискретным(-и) и посредством рычага 36 передает(-ют) усилие на перегородку 30, которое вызывает деформацию одновременно средней 24 и задней 22 зон лопасти.