ЛОПАСТЬ ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНЫ

Предлагаемое техническое решение относится к области аэродинамики, а именно к конструкциям лопастей рабочих колес вентиляторов, ветродвигателей либо несущих винтов вертолетов.
Общеизвестно использование в конструкциях лопастей (лопаток) динамических машин различного назначения элементов, воспринимающих нагрузки на лопасть и повышающие ее прочность. Одним из таких элементов конструкции являются силовые вставки - лонжероны, располагающиеся между обшивками лопасти по ее длине (перпендикулярно профилю лопасти и ее хорде) и представляющие собой в большинстве случаев пустотелую балку. Для повышения прочностных свойств лонжеронов и их долговечности были предложены различные конструктивные дополнения лонжеронов, например, оболочка из стеклопластика SU 163896, 1964, МВЗ; использование дополнительных стяжных профилей для лонжерона прямоугольного сечения SU 1828000, 1995 и RU 2469208, 2012 МКБ «Радуга». Подобные конструкции при повышенных прочностных свойствах обладают сложностью в изготовлении, а также приводят к повышению массы всей конструкции.
Также, для упрощения изготовления лопастей динамических машин, в первую очередь лопастей ветроэнергетических установок было предложено использовать лонжероны, включающие подвижные элементы, например: US 7153090, 2006, General Electric (один из элементов конструкции лонжерона подвергается деформации сдвига при сборке, ближайший аналог); US 7179059, 2007, SSP Technology (составной лонжерон с механической регулировкой размера); и US 7980826, Vestas Wind Systems (составной лонжерон с механической регулировкой размера, в том числе с демпфированием). Использование предложенных конструктивных элементов позволяет «настраивать» габариты лонжерона при сборке лопасти, упрощает расположение обшивок друг относительно друга, после сборки лопасти подвижная конструкция фиксируется обшивками и выполняет функцию силового элемента. Очевидно, что предложенные силовые элементы имеют сами по себе сложную конструкцию и могут, также, привести к увеличению массы изготовленной лопасти. В свою очередь, предлагаемое техническое решение позволит преодолеть перечисленные выше недостатки и предложить конструкцию лопасти, характеризующуюся высокой продольной жесткостью при отсутствии сложных в изготовлении конструктивных элементов.
3
Предложена лопасть лопаточной машины, состоящая из обшивок и, по меньшей мере, одного лонжерона с изменяемыми габаритами, зафиксированного между обшивками. В отличие от аналога упомянутый лонжерон выполнен из упруго-пластичного материала с однородной структурой и зафиксирован между обшивками в сжатом деформированном состоянии с использованием адгезионных свойств своей поверхности. Лонжерон изготовлен из пенополимера плотностью 10…50 кг/м, например, вспененного полиэтилена или полиуретана, и снабжен расположенной на поверхности армирующей оболочкой, выбранной из перечня, включающего, по меньшей мере, оплетку нитями, намотку лент, бесшовную трубку-чулок. В качестве лонжерона используют полую осесимметричную заготовку, по преимуществу постоянного сечения, ширина (диаметр) которой превышает наибольшее значение высоты внутреннего профиля лопасти. Для обеспечения адгезионных свойств поверхности упомянутого лонжерона используют клеевой материал, пропитывающий армирующую оболочку, расположенную на его поверхности. Лонжерон может быть снабжен средствами подачи газа под давлением и заглушкой, а также, в случае использования для изготовления заготовки лонжерона газопроницаемого материала, по меньшей мере, одной сообщающейся со средствами подачи газа под давлением камерой из газонепроницаемого эластичного материала, расположенной внутри полости заготовки лонжерона и/или снаружи заготовки, под армирующей оболочкой.
Конструкция предложенной лопасти, а также процесс ее изготовления пояснен на чертежах:
фиг. 1 - обмотка заготовки лонжерона армирующей оболочкой с пропиткой клеем;
фиг. 2, 3 - размещение заготовки лонжерона между обшивками;
фиг. 4 - лопасть в сборе;
фиг. 5 - лопасть с лонжероном в сборе и поперечные сечения по длине лопасти;
фиг. 6, 7 - заготовка лонжерона в виде тела вращения постоянного и переменного сечения, соответственно;
фиг. 8 - заготовка лонжерона с жестким каркасом (оправкой);
фиг. 9 - заготовка лонжерона из вспененного газонепроницаемого материала;
фиг. 10, 11 - заготовка лонжерона с камерой внутри и снаружи вспененного материала, соответственно;
фиг. 12, 13, 14 - армирующий материал в виде намотки лент, бесшовной трубки (чулка), оплетки нитями соответственно.
А
Б
В
Г
А
Б
В
Г
Лопасть лопаточной машины (фиг. 1-4), по преимуществу рабочего колеса вентилятора, состоит из монолитного (несоставного) лонжерона, выполненного из заготовки 1 упруго-пластичного (эластичного) материала с однородной структурой (в дальнейшем позицией 1 обозначаем также лонжерон в целом), на котором расположена армирующая оболочка 2 со слоем адгезионного материала 3, нижней 4 и верхней 5 обшивок (оболочек). Заготовка 1 лонжерона с армирующей оболочкой 2 зафиксирована в сжатом деформированном состоянии (фиг. 5, пример лопасти переменного сечения, D>S, S, S, S, …, где D - диаметр (или ширина) заготовки лонжерона, S, S, S, S, … - высоты внутреннего профиля - расстояния между оболочками в поперечных сечениях) между нижней 4 и верхней 5 обшивками при помощи адгезионных свойств своей поверхности 3. Лонжерон 1 и обшивки 4, 5 работают как единое целое, жесткость лопасти при этом повышается, при сохранении массогабаритных характеристик. При необходимости, в проблемные с точки зрения прочности места конструкции лопасти могут быть установлены два и более лонжерона 1.
3
Заготовку 1 лонжерона (фиг. 6-11) изготавливают из пенополимера плотностью 10…50 кг/м, например, вспененного полиэтилена (энергофлекса и т.п.) или полиуретана. Используют полую осесимметричную заготовку 1, по преимуществу постоянного сечения (на фиг. 7 приведен пример использования дополнительной детали 6, размещаемой на заготовке 1 при изготовлении лонжерона переменного сечения), ширина (диаметр) которой превышает наибольшее значение высоты внутреннего профиля лопасти. Материал заготовки 1 лонжерона при сжатии сохраняет упругие деформации в диапазоне изменения размеров от исходного диаметра до расстояния между оболочками. Армирующая оболочка 2 лонжерона расположена на его поверхности (фиг. 12-14) и может представлять собой намотку лент 12 (стеклоткань и т.п.) армирующего материала (фиг. 12), бесшовную трубку-чулок 13 тканого или нетканого армирующего материала (фиг. 13), оплетку поперечными 14 и/или продольными 15 нитями (фиг. 14) или же их сочетание. Клеевой или иной адгезионный материал наносится на поверхность заготовки 1 лонжерона, например, пропитывает армирующую оболочку, расположенную на его поверхности. Использование упруго-пластичного лонжерона 1 с однородной структурой с композитной армирутоще-клеевой оболочкой обеспечит одинаковые свойства материала в объеме лонжерона 1, что будет способствовать безопасной эксплуатации лопасти при больших перепадах температур, обычно приводящих к нарушениям целостности конструкций из разнородных материалов.
При сборке лопасти заготовку 1 размещают на жестком каркасе (оправке) 7 (фиг. 8) для последующего нанесения армирующей оболочки 2 с клеящем слоем 3 и монтажа лопасти. Также, лонжерон может быть снабжен штуцером 9 для подачи газа (воздуха) под давлением и заглушкой 8 (фиг. 9-11), которые расположены на противоположных концах соответствующей полости. При использовании для производства лонжерона заготовки 1 из газопроницаемого материала, конструкция лонжерона может быть снабжена сообщающейся со штуцером 9 подачи газа под давлением камерой (камерами) 10, 11 из газонепроницаемого эластичного материала (резины и т.п.), расположенной внутри 10 (фиг. 10) полости заготовки 1 и/или снаружи 11 заготовки 1, под армирующей оболочкой 2 (фиг. 11). Все варианты исполнения заготовки 1 лонжерона: составное тело вращения (фиг. 7), тело вращения на жестком каркасе-оправке (фиг. 8), герметичное (газонепроницаемое) (фиг. 9) или газопроницаемое с оболочками внутри (фиг. 10) и снаружи (фиг. 11) улучшают контакт (склеивание) лонжерона 1 с оболочками 4, 5, что в итоге позволяет повысить прочностные свойства лопасти.
3
3
3
При производстве лопасти предложенной конструкции изготавливают нижнюю 4 и верхнюю 5 обшивки. Для подготовки лонжерона 1 заготовку в виде трубы, квадрата или иного профиля, ширина (диаметр) D которой превышает наибольшее значение высоты внутреннего профиля лопасти, надевают на оправку 7 (цилиндрическую и т.п.) (фиг. 8). В качестве заготовки используют, например, трубку марки энергофлекс (18×6, 28×6, 35×6, 89×9 мм), обладающую пористой структурой с закрытыми ячейками, характеризующуюся низкой плотностью 25 кг/м, оптимальной жесткостью. Так как, плотность материала оболочек (стеклопластики, легкие сплавы) находится в пределах от 1000 до 5000 кг/м, применение вспененного полимера с плотностью 10…50 кг/м (1% от плотности материала оболочек), позволяет пренебречь утяжелением лопасти и не учитывать вспененный полимер при балансировке динамической машины в целом. На заготовку 1 наносят армирующую оболочку 2 с клеящим материалом 3, например, обертывают заготовку 1 стеклотканью (типа ткани конструкционного назначения по ГОСТ 19170-2001, термохимобработанные аппретирующим веществом ГВС-9), пропитанной полиэфирной смолой (например, Lerpol Tix 3603/ТС30, Lavesan S.r.l.) с введенным отвердителем (фиг. 1, 12-14).
А
Б
В
Г
Готовый упруго-пластичный лонжерон 1 на оправке 7 с пропитанной клеем армирующей оболочкой (самоклеящимся и застывающим слоем на поверхности) в не полимеризованном состоянии размещают между обшивками 4 и 5 с использованием направляющих. Извлекают оправку 7. Соединяют обшивки 4, 5 в полую конструкцию склеиванием и/или сваркой и т.д. (фиг. 2-5). Упруго-пластичные свойства материала, из которого изготовлен лонжерон обеспечивают его деформацию сжатием до наименьшей высоты внутреннего профиля лопасти S, S, S, S (фиг. 5). Таким образом, изготовленный из упруго-пластичного материала лонжерон 1 деформируется, плотно прижимается к обшивкам 4, 5 и приклеивается к ним по всей длине, деформация лонжерона 1 происходит в соответствии с высотой внутреннего профиля лопасти (фиг. 5), что обеспечивает надежный контакт и соединение материалов. После полимеризации лопасти материал заготовки лонжерона становиться жестким, как и прочие конструкции лопасти. В результате, между обшивками 4, 5 лопасти формируется жесткая неразъемная связь в виде сплошного полого силового элемента переменного сечения.
То есть, предложен силовой лонжерон, компенсирующий изменение высоты профиля лопасти, что обеспечивает ее дополнительные прочностные свойства. При деформации по высоте, лонжерон 1 имеет наибольшую высоту там, где расстояние между оболочками 4, 5 больше и меньшую там, где это расстояние меньше. Соответственно, меняется момент сопротивления лонжерона 1 и лопасти вместе с лонжероном, прочность повышается именно в тех сечениях, где выше нагрузки, это позволяет выполнить лопасть более легкой за счет уменьшения толщины оболочек. Как и было указано выше, лонжерон 1 и обшивки 4, 5 работают как единое целое, жесткость лопасти при этом повышается, при сохранении массогабаритных характеристик. Непрерывное, без пропусков соединение лонжерона с оболочками по всей длине лопасти, также увеличивает прочность конструкции и в итоге позволяет снизить вес. Также, практическое использование лопасти предложенной конструкции позволит вместо заранее отформованных продольных элементов использовать, представленную на рынке номенклатуру пенополимерных трубок или иных профилей, кроме того, позволит уменьшить объемы матричного хозяйства, улучшить качество соединения силовых элементов с обшивками, исключить операции по подготовке деталей перед установкой в конструкцию.
Таким образом, предложена прочная (значительно увеличена продольная жесткость при незначительном увеличении массы) и простая в изготовлении (нет необходимости в использования сложной технологической оснастки и увеличения расхода материалов) лопасть лопаточной динамической машины, преимущественной областью использования которой, не исключающей иных областей применения, будет производство промышленных вентиляторов и ветроэнергетика - лопасти переменного сечения для осевых вентиляторов (ветродвигателей).