ЛОПАСТЬ ВОЗДУШНОГО ВИНТА С УПРАВЛЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ПРОФИЛЯ
PROPELLER BLADE WITH CONTROLLED GEOMETRY OF PROFILE

Изобретение относится к области изготовления лопасти воздушного винта с управляемой геометрией профиля, в частности, в авиации для управления геометрией аэродинамических профилей лопастей вертолетов с целью выбора оптимальной формы лопасти воздушного винта в зоне задней кромки для уменьшения шумов и вибраций обшивки при одновременном улучшении режима и линии полета.
Известна конструкция лопасти воздушного винта с упругоподвижным закрылком лопасти (публикация: DE 10334267 А1), у которой в жесткие обшивки профиля вмонтированы или непосредственно под жесткими обшивками или на жестких обшивках закреплены пьезоэлектрические приводы. В результате управляющего воздействия на один из двух пьезоэлектрических приводов на самой верхней или самой нижней обшивке профиля, обеспечивается смещение соответствующей одной обшивки относительно другой обшивки, т.е. укорочение или удлинение верхней обшивки по сравнению с нижней. Вследствие укорочения одной обшивки относительно другой происходит отклонение вверх или вниз жестко закрепленного на обшивках закрылка лопасти воздушного винта.
Недостатком известного устройства является малый рабочий диапазон управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.
Известна конструкция лопасти воздушного винта для вертолета (публикация: Kovalovs A,, Barkanov Е., Ruchevskis S., Wesolowski М. Modeling and design of a full-scale: rotor blade with embedded piezocomposite actuators // Mechanics of Composite Materials, 2017, Vol. 53, No. 2, pp. 179-192), в которой пластинчатые пьезоэлектрические приводы (пьезоактюаторы) встроены в верхнюю и/или нижнюю обшивки закрылка лопасти, и вследствие укорочения одной обшивки относительно другой происходит отклонение вверх или вниз закрылка лопасти воздушного винта.
Недостатком известного устройства является малый рабочий диапазон управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является лопасть воздушного винта винтокрылого летательного аппарата [см. Патент RU №2412866 от 27.02.2011 г.], в которой пьезоактюатор изменяет форму закрылка. Лопасть воздушного винта содержит аэродинамический профиль, имеющий носок, основу с сердцевиной и охватывающими сердцевину верхней и нижней обшивками. Зона задней кромки профиля с задней кромкой снабжена обратимо искривляемым изгибным приводом, который первым краем крепится в краевой зоне основы, обращенной к задней кромке, а вторым краем свободно выступает из основы и ее краевой зоны к задней кромке. Второй край образует часть зоны задней кромки лопасти и подвижный закрылок лопасти, который при искривлении изгибного привода способен деформироваться с обеспечением дугообразного отклонения закрылка лопасти. Данная конструкция лопасти принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - аэродинамический профиль, имеющий переднюю часть и подвижный закрылок, соединенные между собой крепежным устройством; подвижный закрылок состоит из несущего элемента, верхней и нижней обшивки, защитного гибкого упругого покрытия, образующего внешний контур профиля закрылка лопасти; пьезоэлектрический актюатор, содержащий пьезоэлемент и электроды.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является малый рабочий диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение рабочего диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной лопасти воздушного винта с управляемой геометрией профиля, содержащей аэродинамический профиль, имеющий переднюю часть и подвижный закрылок, соединенные между собой крепежным устройством, подвижный закрылок состоит из несущего элемента, верхней и нижней обшивки, защитного гибкого упругого покрытия, образующего внешний контур профиля закрылка лопасти, пьезоэлектрический актюатор, содержащий пьзоэлемент и электроды, согласно изобретению, крепежное устройство включает пьезоэлектрический актюатор и несущую цилиндрическую ось, при этом пьезоэлектрический актюатор выполнен в форме полого цилиндра с возможностью поворота в результате пьезоэффекта наружной поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности, к внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора прикреплена поверхность несущей цилиндрической оси, концы оси неподвижно закреплены на передней части профиля лопасти, а на наружной цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора закреплен несущий элемент закрылка, между несущим элементом закрылка и передней частью профиля лопасти выполнен зазор, обеспечивающий беспрепятственный поворот несущего элемента закрылка относительно передней части профиля лопасти.
В частности, один из электродов пьезоэлектрического актюатора расположен между несущей цилиндрической осью и внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического актюатора, а другой - между внешней поверхностью цилиндрического пьезоэлектрического актюатора и несущим элементом закрылка.
В частности, несущая цилиндрическая ось крепежного устройства выполнена из электропроводного материала и исполняет функцию электрода.
В частности, лопасть имеет дополнительные пьезоэлектрические актюаторы, расположенные на боковой поверхности несущего элемента и/или на верхней и/или нижней обшивках закрылка лопасти.
В частности, участки обшивок закрылка лопасти в окрестности мест размещения пьезоэлектрических актюаторов выполнены с увеличенной податливостью на растяжение-сжатие.
В частности, внутреннее свободное пространство внутри обшивки закрылка заполнено легким податливым упругим материалом.
В частности, пьезоэлектрический актюатор может представлять собой пьезоэлектрический шаговый двигатель с корпусом в виде полого цилиндра с функцией пошагового поворота наружной цилиндрической поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический актюатор является частью крепежного устройства для присоединения подвижного закрылка к передней части лопасти, и имеет форму полого цилиндра, выполненного с возможностью поворота в результате пьезоэффекта наружной поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности; крепежное устройство содержит несущую цилиндрическую ось, поверхность которой прикреплена к внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора, а концы оси неподвижно закреплены на передней части профиля лопасти; несущий элемент закрылка закреплен на наружной цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора; между несущим элементом и передней частью профиля лопасти выполнен зазор, обеспечивающий беспрепятственный поворот несущего элемента закрылка относительно передней части профиля лопасти; один из электродов пьезоэлектрического актюатора расположен между несущей цилиндрической осью и внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического актюатора, а другой - между внешней поверхностью цилиндрического пьезоэлектрического актюатора и несущим элементом закрылка; несущая цилиндрическая ось крепежного устройства выполнена из электропроводного материала с исполнением функции электрода; наличие дополнительных пьезоэлектрических актюаторов, расположенных на боковой поверхности несущего элемента и/или на верхней и/или нижней обшивках закрылка лопасти; участки обшивок закрылка лопасти в окрестности мест размещения пьезоэлектрических актюаторов выполнены с увеличенной податливостью на растяжение-сжатие; внутреннее свободное пространство внутри обшивки закрылка заполнено легким податливым упругим материалом; пьезоэлектрический актюатор представляет собой пьезоэлектрический шаговый двигатель с корпусом в виде полого цилиндра с функцией пошагового поворота наружной цилиндрической поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности.
Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют реализовывать относительно большие управляемые повороты наружной цилиндрической поверхности пьезоэлектрического цилиндрического актюатора относительно своей внутренней цилиндрической поверхности и благодаря этому достигается заявленный технический результат: увеличение рабочего диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.
На чертеже схематически изображен профиль лопасти воздушного винта с управляемой геометрией профиля, где пунктирной линией показан возможный управляемый поворот закрылка лопасти.
Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля содержит аэродинамический профиль, имеющий переднюю часть 1 и подвижный закрылок, соединенные между собой крепежным устройством. Подвижный закрылок состоит из верхней 2 и нижней 3 обшивок, защитного гибкого упругого покрытия, образующего внешний контур профиля закрылка лопасти. Крепежное устройство включает пьезоэлектрический актюатор 4, содержащий пьзоэлемент и электроды, и несущую цилиндрическую ось 5. Пьезоэлектрический актюатор 4 имеет форму полого цилиндра, выполненного с возможностью поворота в результате пьезоэффекта наружной поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности. К внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора 4 прикреплена поверхность несущей цилиндрической оси 5 крепежного устройства, а концы оси 5 неподвижно закреплены на передней части 1 профиля лопасти. На наружной цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора 4 закреплен несущий элемент 6. Между несущим элементом 6 и передней частью 1 профиля лопасти выполнен зазор, обеспечивающий беспрепятственный поворот несущего элемента 6 закрылка относительно передней части 1 профиля лопасти.
Один из электродов пьезоэлектрического актюатора 4 может быть расположен между несущей цилиндрической осью 5 и внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлектрического актюатора 4, а другой - между наружной поверхностью цилиндрического пьезоэлектрического актюатора 4 и несущим элементом 6 закрылка.
Несущая цилиндрическая ось 5 крепежного устройства может быть выполнена из электропроводного материала и исполнять функцию электрода.
Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор 4, в частности, с пьезоэлектрическим элементом с радиальной поляризацией может быть изготовлен гомогенным или гетерогенным (композитным), например, из однонаправленных стержневых пьезоэлементов (волокон) в эпоксидной матрице (связующем).
Дополнительные один или более пьезоэлектрические элементы с функцией актюаторов изгибного типа могут быть прикреплены к боковой поверхности несущего элемента 6 и/или к верхней 2 и/или нижней 3 обшивкам для увеличения рабочего диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти (на чертеже не показано).
Локальные участки верхней 2 и/или нижней 3 обшивок закрылка лопасти в окрестности места (сечения) размещения пьезоэлектрического элемента 2 крепежного устройства и/или дополнительных пьезоэлектрических элементов с функцией актюаторов изгибного типа могут быть выполнены с увеличенной податливостью на растяжение-сжатие, в частности, гофрированными в плоскости профиля закрылка лопасти для увеличения рабочего диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти (на чертеже не показано).
Внутреннее свободное пространство внутри обшивки 2, 3 закрылка лопасти может быть заполнено легким податливым упругим материалом (заполнителем), в частности, пенопластом.
Пьезоэлектрические элементы могут быть заменены на магнитострикционные элементы, в частности, из материала феррит.
Пьезоэлектрический актюатор 4 может представлять собой пьезоэлектрический шаговый двигатель с корпусом в виде полого цилиндра с функцией пошагового поворота наружной цилиндрической поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности.
Устройство работает следующим образом.
Электрическое напряжение на электродах цилиндрического пьезоэлектрического актюатора 4 приводит (в частности, в силу обратного пьезоэффекта для сдвиговых деформаций) к его закручиванию в виде поворота наружной цилиндрической поверхности актюатора 4 относительно внутренней цилиндрической поверхности (закрепленной на несущей оси 5 и неподвижной относительно передней части лопасти 1). В результате чего, поворачивается вокруг оси 5 несущий элемент 6 закрылка, закрепленный на наружной цилиндрической поверхности пьезоэлектрического актюатора 4 и, как следствие, поворачивается (в направлении, обусловленном знаком электрического напряжения на электродах) присоединенный к ней закрылок лопасти с верхней 2 и нижней 3 легко деформируемыми обшивками.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования деформирования закрылка лопасти на основе решения связанных краевых задач электроупругости механики композитных систем.
Результаты численного моделирования показали, что наличие в крепежном устройстве пьезоэлектрического актюатора, в частности, пьезоэлектрического шагового двигателя с корпусом в виде полого цилиндра с функцией пошагового поворота наружной цилиндрической поверхности относительно внутренней цилиндрической поверхности привело к контролируемому посредством управляющего напряжения на электродах повороту места закрепления несущего элемента (консольного типа) и всего закрылка в целом относительно передней части лопасти, что свидетельствует об увеличении рабочего диапазона управляемых смещений и углов поворота закрылка лопасти.