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 и может быть использовано, 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 изгибных деформаций 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 изгибных деформаций закрылка лопасти.
Известна конструкция лопасти воздушного винта для вертолета [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.
Недостатком известного устройства является малый рабочий диапазон управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля [Патент RU №2697168. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В, опубл.: 12.08.2019 Бюл. №23, заявка №2018140318 от 14.11.2018 г.], аэродинамический профиль которой имеет соединенные между собой переднюю часть и подвижной закрылок. Подвижной закрылок включает несущие упругие верхнюю и нижнюю обшивки, расположенный между ними упругий элемент, защитное гибкое упругое покрытие, образующее внешний контур профиля закрылка лопасти, пьезоэлектрические элементы, расположенные на одной или обеих поверхностях упругого элемента и соединенные с верхней и нижней обшивками. Упругий элемент выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти, протяженным вдоль серединной линии профиля лопасти и предварительно напряженным продольными осевыми растягивающими усилиями в поперечных сечениях, уравновешивающими сжимающие усилия в сечениях верхней и нижней обшивок закрылка лопасти, при этом пьезоэлектрические элементы расположены между поверхностями упругого элемента и внутренними поверхностями верхней и/или нижней обшивок закрылка лопасти и прикреплены к ним. Данная конструкция лопасти принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - аэродинамический профиль, имеющий соединенные между собой переднюю часть и подвижной закрылок, включающий несущие упругие верхнюю и нижнюю обшивки, расположенный между ними упругий элемент, защитное гибкое упругое покрытие, образующее внешний контур профиля закрылка лопасти; пьезоэлектрические элементы, расположенные на одной (верхней или нижней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругого элемента и/или на верхней и нижней обшивках; упругий элемент выполнен протяженным вдоль серединной линии профиля лопасти и предварительно напряженным продольными осевыми усилиями в его поперечных сечениях, уравновешивающими соответствующие (противоположные по знаку и равные по величине) усилия в сечениях верхней и нижней обшивок закрылка лопасти; упругий элемент выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является малый рабочий диапазон управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение рабочего диапазона управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной лопасти воздушного винта с управляемой геометрией профиля, содержащей аэродинамический профиль, имеющий соединенные между собой переднюю часть и подвижной закрылок, включающий несущие упругие верхнюю и нижнюю обшивки, расположенный между ними упругий элемент, защитное гибкое упругое покрытие, образующее внешний контур профиля закрылка лопасти, пьезоэлектрические элементы, расположенные на одной или обеих поверхностях упругого элемента и/или на верхней и нижней обшивках, упругий элемент выполнен протяженным вдоль серединной линии профиля лопасти и предварительно напряженным продольными осевыми усилиями в его поперечных сечениях, уравновешивающими соответствующие усилия в сечениях верхней и нижней обшивок закрылка лопасти, упругий элемент выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти, согласно изобретению каждый пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пьезоэлектрического актюатора осевых деформаций, присоединенного к поверхности упругого элемента или к верхней или нижней обшивке, при этом направление рабочих осевых деформаций пьезоэлектрического актюатора направлено вдоль присоединенного к нему упругого элемента или верхней или нижней обшивки закрылка в плоскости профиля лопасти, предварительно напряженный упругий элемент находится в состоянии растяжения или сжатия, при этом малая жесткость на изгиб упругого элемента обеспечивает реализацию контролируемых устойчивых изгибных форм упругого элемента в случае его предварительного сжатия в плоскости профиля лопасти,
В частности, пьезоэлектрические актюаторы расположены вблизи или в местах закреплений концов упругого элемента с возможностью контролируемого изменения условия закрепления концов упругого элемента и/или в местах закреплений верхней и/или нижней обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти с возможностью контролируемого изменения условия закрепления обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - каждый пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пьезоэлектрического актюатора осевых деформаций, присоединенного к поверхности упругого элемента или к верхней или нижней обшивке, при этом направление рабочих осевых деформаций пьезоэлектрического актюатора направлено вдоль присоединенного к нему упругого элемента или верхней или нижней обшивки закрылка в плоскости профиля лопасти; предварительно напряженный упругий элемент находится в состоянии растяжения или сжатия, при этом малая жесткость на изгиб упругого элемента обеспечивает реализацию контролируемых устойчивых изгибных форм упругого элемента в случае его предварительного сжатия в плоскости профиля лопасти; пьезоэлектрические актюаторы расположены вблизи или в местах закреплений концов упругого элемента с возможностью контролируемого изменения условия закрепления концов упругого элемента и/или в местах закреплений верхней и/или нижней обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти с возможностью контролируемого изменения условия закрепления обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют обеспечить при приложении управляющего электрического напряжения на электроды пьезоэлектрического элемента (пьезоэлектрического актюатора) появление эффекта возникновения результирующих изгибающих моментов, действующих в составных поперечных сечениях закрылка лопасти в плоскости профиля лопасти, в силу возникновения эксцентриситета у системы сил, действующих в элементах составного сечения и самоуравновешенных до момента приложения управляющего электрического напряжения, или в результате изменения условий закрепления упругого элемента и/или верхней и/или нижней обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти. В результате происходит контролируемый переход к новой равновесной форме обшивок закрылка лопасти и, как следствие, увеличивается рабочий диапазон управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти.
Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.
На фиг. 1 схематически изображена лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля с двумя парами пьезоэлектрических элементов на верхней и нижней поверхностях упругого элемента, при этом одна пара пьезоэлектрических элементов расположена в месте закрепления левого конца упругого элемента с целью контролируемого изменения условия закрепления левого конца упругого элемента на передней части лопасти, где пунктирной линией показана форма закрылка лопасти с измененной геометрией профиля при действии управляющего электрического напряжения на электроды пьезоэлементов. На фиг. 1 упругий элемент расположен вдоль серединной линии профиля лопасти и закреплен одним концом на передней части лопасти, а другим - на задней кромке обшивки закрылка.
На фиг. 2 схематически изображена лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля с тремя пьезоэлектрическими элементами на верхней обшивке закрылка для случая, когда упругий элемент совмещен с нижней обшивкой закрылка.
Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля (фиг. 1-2) содержит аэродинамический профиль, имеющий соединенные между собой переднюю часть 1 и подвижной закрылок. Подвижной закрылок включает несущие упругие верхнюю 2 и нижнюю 3 обшивки, расположенный между ними упругий элемент 4, защитное гибкое упругое покрытие, образующее внешний контур профиля закрылка лопасти, пьезоэлектрические элементы 5, 6, расположенные на одной (верхней или нижней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругого элемента 4 и/или на верхней 2 и нижней 3 обшивках.
Упругий элемент 4 выполнен протяженным вдоль серединной линии профиля лопасти и предварительно напряженным продольными осевыми усилиями в его поперечных сечениях, уравновешивающими соответствующие (противоположные по знаку и равные по величине) усилия в сечениях верхней 2 и нижней 3 обшивок закрылка лопасти, упругий элемент 4 выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти.
Каждый пьезоэлектрический элемент 5, 6 выполнен в виде пьезоэлектрического актюатора осевых перемещений, в частности, в виде конструкции [см. Yang Kuang, Meiling Zhu Evaluation and validation of equivalent properties of macro fbre composites for piezoelectric transducer modeling II Composites Part B, 2019. - pp. 189-197]. Каждый пьезоэлектрический элемент 5, 6 (пьезоэлектрический актюатор) присоединен к поверхности упругого элемента 4 или к верхней 2 или нижней 3 обшивке, при этом направление рабочих осевых перемещений пьезоэлектрического элемента 5, 6 направлено вдоль присоединенного к нему упругого элемента 4 или верхней 2 или нижней 3 обшивки закрылка в плоскости профиля лопасти.
Предварительно напряженный упругий элемент 4 находится в состоянии растяжения или сжатия, при этом малая жесткость на изгиб упругого элемента 4 обеспечивает реализацию контролируемых устойчивых изгибных форм упругого элемента 4 в случае его предварительного сжатия в плоскости профиля лопасти. Упругий элемент 4 может быть выполнен в виде тонкого пластинчатого, сетчатого или стержневого элементов или гибкой нити и может быть расположен вдоль серединной линии профиля лопасти или вблизи верхней 2 или нижней 3 обшивок с закреплением одного конца упругого элемента 4 вблизи или на передней части лопасти 1, а другого конца упругого элемента 4 - вблизи или на задней кромке верхней 2 и/или нижней 3 обшивки закрылка лопасти.
Закрепление одного конца упругого элемента 4 вблизи или на передней части лопасти 1 может быть выполнено с возможностью его беспрепятственных перемещений в поперечных к продольной оси упругого элемента 4 направлениях.
Пьезоэлектрические элементы 5, 6 могут быть расположены вблизи или в местах закреплений концов упругого элемента 4 с возможностью контролируемого изменения условия закрепления концов упругого элемента 4 (см. фиг. 1) и/или в местах закреплений верхней 2 и/или нижней 3 обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти 1 с возможностью контролируемого изменения условия закрепления обшивок 2, 3 закрылка лопасти на передней части лопасти 1.
Упругий элемент может быть совмещен с верхней 2 или нижней 3 (см. фиг. 2) обшивками закрылка лопасти. Свободное пространство между верхней 2 и нижней 3 обшивками закрылка лопасти может быть заполнено легким податливым упругим материалом.
Устройство работает следующим образом.
На этапе создания закрылка лопасти воздушного винта в его элементах: упругом элементе 4, верхней 2 и нижней 3 обшивках реализуется конструктивно задаваемое самоуравновешанное начальное напряженное состояние, в котором начальное внутреннее продольное (вдоль серединной линии профиля лопасти) растягивающее или сжимающее усилие F в поперечном сечении упругого элемента 4 уравновешивается противоположными ему по знаку соответствующими начальными продольными сжимающими или растягивающими усилиями в поперечных сечениях верхней 2 и нижней 3 обшивках закрылка лопасти.
упр
упр
Для создания управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти при его эксплуатации необходимо воздействовать управляющим электрическим напряжением U на электроды пьезоэлектрических элементов 5, 6, в результате чего происходит их деформирование (растяжение или сжатие вдоль серединной линии профиля лопасти) и, как следствие, происходит деформирование (искривление или дополнительное искривление) присоединенных к пьезоэлектрическим элементам 5, 6, упругого элемента 4 и/или поверхностей обшивки 2, 3 закрылка лопасти. В результате имеем изменение в расположении упругого элемента 4 относительно поверхностей обшивки 2, 3, в частности имеем смещение или контролируемый «эксцентриситет» точек продольной оси δ(z) упругого элемента 4 относительно серединной поверхности обшивки 2, 3 закрылка лопасти в составных поперечных сечениях типа «верхняя обшивка 2/упругий элемент 4/нижняя обшивка 3», где координатная ось z направлена вдоль серединной линии профиля лопасти. Появление эксцентриситета δ(z) у системы сил, действующих в элементах составного сечения и самоуравновешенных до момента приложения управляющего электрического напряжения, обуславливает эффект возникновения результирующих изгибающих моментов M(z), действующих в составных поперечных сечениях закрылка лопасти в плоскости профиля лопасти, в силу возникающего при этом «внецентренного растяжения/сжатия» закрылка лопасти. Величина возникающего результирующего изгибающего момента M(z)≈Fδ(z) в составном сечении с координатой z закрылка лопасти зависит от величины заданного предварительного сжатия или растяжения F упругого элемента 4 и от управляемой (электрическим напряжением U на электродах пьезоэлектрических элементах 5, 6) функции эксцентриситетов δ(z) продольной оси упругого элемента 4 в составных сечениях закрылка лопасти.
В случае, когда пьезоэлектрические элементы 5, 6 расположены вблизи или в местах закреплений концов упругого элемента 4, с возможностью контролируемого изменения условия закрепления концов упругого элемента 4 (см. фиг. 1) и/или в местах закреплений верхней 2 и/или нижней 3 обшивок закрылка лопасти на передней части лопасти 1 с возможностью контролируемого изменения условия закрепления обшивок 2, 3 закрылка лопасти на передней части лопасти 1, тогда при воздействии на электроды пьезоэлектрических элементов 5, 6, управляющего электрического напряжения происходит их деформирование, в результате чего происходит контролируемое изменение условия закрепления, в частности, в диапазоне от типа «заделка» до «подвижный шарнир» и, как следствие, контролируемый переход к новой равновесной форме обшивок 2, 3 закрылка лопасти.
Свободное пространство между верхней 2 и нижней 3 обшивками может быть заполнено легким податливым упругим материалом (заполнителем), в частности, пенопластом.
Достигаемый технический результат подтвержден результатами численного моделирования деформирования закрылка лопасти на основе решения задач «сопротивления материалов» для профилированных с переменным поперечным сечением составных стержней, образующих самоуравновешанную систему напряженных элементов, состоящую из предварительно продольно растянутого стержневого упругого элемента между двух сжимаемых им верхней и нижней пластинчатых обшивок закрылка лопасти.
упр
упр
упр
Начальный профиль лопасти определялся величиной предварительного начального натяжения упругого элемента и соответствующим ему начальным взаимоуравновешенным взаимным расположением продольно растянутого упругого элемента и сжатых им верхней и нижней обшивок закрылка лопасти с учетом особенностей их геометрии, упругих свойств и мест расположения (закрепления) между ними пьезоэлементов в начальном «неактивированном» состоянии, т.е. при управляющем электрическом напряжении на электродах U≠0. Активация пьезоэлектрического элемента управляющим электрическом напряжением на электродах U≠0 приводила к смещению точек продольной оси упругого элемента по направлению (в зависимости от знака U) к верхней или нижней обшивке закрылка лопасти, что обуславливало изменение равновесной геометрической формы закрылка лопасти.
Результаты численного моделирования показали, что при воздействии управляющим электрическим напряжением на электроды пьезоэлектрических элементов - пьезоэлектрических актюаторов с конструкцией вида [см. Yang Kuang, Meiling Zhu Evaluation and validation of equivalent properties of macro fbre composites for piezoelectric transducer modeling II Composites Part B, 2019. - pp. 189-197], установленных, в частности, на верхней и нижней обшивках закрылка лопасти для случая предварительно растянутого упругого элемента имеем значительные изгибные деформации закрылка лопасти в плоскости профиля лопасти; при этом «коэффициент усиления» для преобразования управляющих деформаций пьезоэлектрических элементов в изгибное деформирование закрылка лопасти в плоскости профиля лопасти пропорционален величине (которая ограничивается лишь прочностными характеристиками элементов закрылка лопасти) предварительного растяжения упругого элемента закрылка лопасти, что обуславливает увеличение рабочего диапазона управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти.