композиционная лопасть воздушного винта

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИОННАЯ ЛОПАСТЬ ВОЗДУШНОГО ВИНТА, содержащая перо, комель с наружной резьбой, с внутренней металлической гильзой с конической наружной поверхностью и армирующими элементами, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности комля и уменьшения веса путем использования гильзы переменной жесткости, в ней комель снабжен композиционным разрезным конусом, а гильза выполнена с внутренним резьбовым буртиком и внешним фланцем, сопрягающимся вместе с конической поверхностью с разрезным конусом посредством слоев стеклоткани с углом наружной поверхности конуса не меньше угла наклона рабочего профиля резьбы комля на 2 8^o, а армировка выполнена в виде сегментных элементов из композиционного материала с угловым армированием, равномерным разнесением стыков в окружном направлении и расположением их в зоне резьбы комля между слоями стеклоткани с уменьшением их количества в сечениях комля в направлении наиболее нагруженного близлежащего к перу витка резьбы, при этом слои стеклоткани за пределами сегментных элементов выполнены с чередованием со слоями стекложгутов окружной намотки, причем на комель нанесено полимерное антифреттинговое покрытие.

2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что часть слоев стеклоткани подкреплены слоями углеродного наполнителя с одинаковым углом армирования, а сегментные элементы выполнены двойными и размещены между спаренными слоями стеклоткани и углеленты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к конструкции лопастей винтов из композиционных материалов с наполнителями из стекло-, угле-, боро- и оргволокна, скрепленных полимерными связующими.

Винты служат для преобразования крутящего момента двигателя в тягу, необходимую для полета летательного аппарата или создания отрицательной тяги, необходимой для торможения ЛА при пробеге после его посадки.

Известна конструкция крепления лопасти воздушного винта, содержащая стакан в виде ласточкина хвоста, установленного в рукавах втулки, а также узел предварительного натяга в виде подпружиненного клина.

Однако эта конструкция не обеспечивает достаточно надежного крепления лопасти во вращающем стакане, установленном во втулке винта, и снижение веса лопасти.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является композиционная лопасть винта, содержащая перо, комель с наружной резьбой, с внутренней металлической гильзой с коническим участком и армирующими элементами.

Такая лопасть имеет следующие недостатки:

недостаточная прочность комля лопасти из-за наличия скачков напряжений в месте сопряжения металлической гильзы с композиционным материалом;

большой вес лопасти из-за нерациональной по форме и массе металлической гильзы с буртом;

недостаточная динамическая выносливость лопасти, так как отсутствуют армирующие продольные слои углеродного наполнителя с общим армированием вдоль оси комля лопасти, чеpедующиеся со слоями стеклоткани;

недостаточная стойкость комля лопасти на фреттинг-коррозию из-за отсутствия защитного антифреттингового покрытия;

меньшая выносливость комля лопасти из-за возможного повреждения слоев армирующего наполнителя при выполнении конического рабочего профиля резьбы.

Цель изобретения повышение прочности комля и уменьшение веса путем использования гильзы переменной жесткости и усиления комля.

Цель достигается тем, что в лопасти комель снабжен композиционным разрезным конусом, а гильза выполнена с внутренним резьбовым буртиком и внешним фланцем, сопрягающимся вместе с конической поверхностью с разрезным конусом посредством слоев стеклоткани с углом наружной поверхности конуса не меньше угла наклона рабочего профиля резьбы комля на 2 8^о, а армировка выполнена в виде сегментных элементов из композиционного материала с угловым армированием, равномерным разнесением стыков в окружном направлении и расположением их в зоне резьбы комля между слоями стеклоткани с уменьшением их количества в сечениях комля в направлении наиболее нагруженного близлежащего к перу витка резьбы, при этом слои стеклоткани за пределами сегментных элементов выполнены с чередованием со слоями стекложгутов окружной намотки, причем на комель нанесено полимерное антифретинговое покрытие.

Кроме того, цель достигается тем, что часть слоев стеклоткани подкреплена слоями углеродного наполнителя с одинаковым углом армирования, а сегментные элементы выполнены двойными и размещены между спаренными слоями стеклоткани и углеленты.

На фиг. 1 показан винт с предлагаемыми лопастями; на фиг.2 разрез по комлю лопасти; на фиг.3 конус в разрезе; на фиг.4 сегментная вставка с угловым армированием; на фиг.5 узел I на фиг.2; на фиг.6 двойные по числу слоев сегментные элементы в рабочем положении; на фиг.7 узел II на фиг.2; на фиг.8 крепление лопасти во втулке.

Композиционная лопасть воздушного винта содержит перо 1, комель 2 с наружной резьбой 3, с внутренней металлической гильзой 4 с конической наружной поверхностью и армирующими элементами 5.

Комель 2 снабжен композиционным разрезным конусом 6, а гильза выполнена с внутренним резьбовым буртиком 7 и внешним фланцем 8, сопрягающимся вместе с конической поверхностью 9 с разрезным конусом 6 посредством слоев 10 стеклоткани с углом наружной поверхности конуса не меньше угла наклона рабочего профиля резьбы 3 комля на 2-8^о, а армировка выполнена в виде сегметных элементов 5 из композиционного материала с угловым армированием, равномерным разнесением стыков в окружном направлении и расположением их в зоне резьбы 3 комля 2 между слоями 10 стеклоткани с уменьшением их количества в сечениях комля в направлении наиболее нагруженного близлежащего к перу 1 витка резьбы 3, при этом слои 10 стеклоткани за пределами сегментных элементов 5 выполнены с чередованием со слоями стекложгутов 11 окружной намотки, причем на комель 2 нанесено полимерное антифреттинговое покрытие 12.

Часть слоев 10 стеклоткани подкреплена слоями углеродного наполнителя 13 с одинаковым углом армирования, а сегментные элементы 5 выполнены двойными и размещены между спаренными слоями стеклоткани 10 и углеленты.

Позициями обозначены хомуты 14 стаканов 15, установленные на шариках 16, втулка 17 воздушного винта 18, а также сердечник 19 из пенопласта.

Сборка лопасти производится следующим образом.

Вначале в механическом цехе изготавливают металлическую гильзу 4, в другом цехе формуют конус 6 (фиг.3) из стеклорубленки или стеклоровинга, в третьем цехе вырезают по шаблонам или на специальной раскроечной машине сегментные элементы 5 из стеклоткани с расчетными радиусами R₁ и R₂ и углом обеспечивающим их смыкание при сборке лопасти (фиг.2 и 6). Разные радиусы обеспечивают разную ширину сегментов, т.е. смещение их по длине к перу лопасти.

Расположение армирующих нитей показано на фиг.4 для одного элемента, для двух они могут дополнительно армироваться между собой (фиг.6). Аналогично вырезают или раскраивают слои 10 стеклоткани с армированием вдоль оси комля 2, часть из которых может чередоваться со слоями углеродного наполнителя 13, обладающими большей выносливостью на циклическую усталость и меньшим удельным весом.

Предварительно используя внутренний резьбовой буртик 7, устанавливают металлическую гильзу 4 внутри пресс-формы и вспенивают сердечник 19 лопасти. На сердечник лопасти выкладывают несколько слоев 10 стеклоткани, на которых конической внутренней поверхностью 9 располагают разрезной конус 6, затем слои стеклоткани с армированием вдоль оси комля 2, которые, сопрягаясь, чередуются с сегментными элементами 5 с угловым армированием, устанавливаемыми с равномерным смещением стыков для обеспечения равнопрочности армирования.

Сегментные элементы 5 располагают по мере нарастания слоев стеклоткани со смещением по длине (фиг.2) к перу лопасти, что обеспечивает их уменьшающееся число к первому витку рабочего профиля резьбы, а после установки каждого сегментного элемента производится поперечная подмотка однорядными слоями из стекложгутов 11 (фиг.7).

В зоне первого винта располагают минимальное число армирующих элементов 5, которые, опираясь на конус 6, обеспечивают расположение слоев 10 параллельно образующей рабочего профиля резьбы, что вместе с поперечно расположенными однорядными слоями из стекложгутов обеспечивает наибольшую плотность композиционного материала, наибольшие физико-механические качества (фиг.2 и 7).

Композиционный конус (фиг.3) с углом наружной поверхности конуса не меньше угла рабочего профиля резьбы комля на 2-8^о обеспечивает необходимую толщину композиционного материала, его однородность позволяет снизить вес лопасти, а угол наружной поверхности конуса обеспечивает отсутствие перерезанных слоев стеклоткани, даже при наличии уменьшения плотности слоев стеклоткани при ее укладке по сердечнику 19 и его гильзы с конической наружной поверхностью и внешним фланцем.

Уменьшение плотности композиционного материала объясняется увеличением периметра конической поверхности на которую укладываются слои, раскроенные на ламели в зоне конической поверхности гильзы 4. Армирующие элементы 5 несколько выравнивают плотность, повышают несущую способность комля 2 на кручение за счет углового армирования.

Плотность материала комля уменьшается от первого витка к фланцу 8. Наличие композиционного разрезного конуса 6 из стеклоровинга компенсирует резкое уменьшение плотности комля.

Если величина внешнего угла конуса 6 равна рабочему углу резьбы, то дополнительными треугольниками вставками можно компенсировать уменьшение плотности комля 2, поддерживать расположение слоев параллельно образующей конуса, что сложно и трудоемко. Если величина внешнего угла конуса 6 больше угла рабочего профиля резьбы комля на 2-8^о, то меньшее значение угла конуса для меньшего обжатия резьбовой части при формировании лопасти, а большее для большего обжатия.

После формирования лопасти в пресс-форме достаточно на заготовке комля выполнить механическим путем резьбу 3 и нанесении на нее и цилиндрическую часть комля антифреттинговое покрытие 12 (фиг.5).

При сборке лопасти по второму варианту слои углеродного наполнителя 13 (фиг.7) с общим армированием вдоль оси комля со слоями из стеклоткани, сопрягаясь, чередуются с двойными по числу слоев сегментными элементами 5 (фиг. 6) с угловым армированием между слоями. Величина углового армирования определяется расчетным путем для обеспечения достаточной жесткости на кручение и изгиб. Сегментные элементы выбираются двойными, так как сопрягаются с двойными слоями оболочки, вырезаются из стеклоткани, так как на порядок дешевле углеродной ленты и обеспечивает необходимую прочность при большей технологичности при вырезке (фиг.7).

Работа лопасти винта происходит следующим образом.

При вращении воздушного винта 18 силы от пера лопасти передаются на комель 2 лопасти, через полимерное антифреттинговое покрытие 12 на стакан 15. Стакан с резьбой 3 воспринимает центробежную силу, а крутящий момент и изгиб воспринимаются лепестками стакана 15, далее через шарики 16 усилия передаются на рукав втулки 17.

Первый виток конической резьбы 3 воспринимает 60-70% центробежной силы от лопасти и является в данной конструкции более прочным, а остальные витки менее нагружены, считая от пера лопасти. Поэтому выполненные комля с убывающими физико-механическими свойствами от первого витка, считая от пера лопасти, является допустимым и технологически целесообразным.

Металлической гильзой 4 переменной жесткости за счет конической наружной поверхности 9, а также внешним фланцем, сопрягающимся с композиционным разрезным конусом, скрепленным со слоями 10 с продольным армированием, в сочетании с угловым армированием сегментными элементами 5 обеспечивают повышение прочности комля в соответствии с условиями нагружения.

Центрирование комля 2 лопасти происходит по лепесткам стакана 15 и его нижнему буртику, сопрягающемуся с внутренним радиальным пояском гильзы 4.

Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества:

большая прочность комля лопасти из-за отсутствия скачков напряжений в месте сопряжения металлической гильзы с композиционным материалом;

меньший вес лопасти из-за рациональной по форме и массе металлической гильзы и усиления лопасти более легким углеволокном;

большая динамическая выносливость лопасти, обеспечивающаяся продольным армированием углеродным наполнителем, чередующимся со слоями стеклоткани;

большая стойкость комля лопасти на фреттинг-коррозию;

большая выносливость комля, так как отсутствует возможность повреждения слоев армирующего наполнителя, образующего рабочий профиль конической резьбы при механической обработке комля.