композиционная лопасть воздушного винта и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. Композиционная лопасть воздушного винта, содержащая армированный лонжерон с комлем, многослойную армированную обшивку с вкладышами сердечника лопасти, кромок и концевого пакета и заполнитель из пенопласта, отличающаяся тем, что вкладыши кромок выполнены из пакетов ткани и ограничены слоями обшивки лопасти, разделенными в зоне кромок на внутренние слои, расположенные между вкладышами серчечника и вкладышами кромок лопасти, и внешние слои, которые снабжены упругими кромочными эластомерными компенсационными валиками, контактирующими с вкладышами кромок, а вкладыш концевого пакета сопряжен с торцевыми элементами лопасти и охвачен слоями армированной обшивки лопасти.

2. Способ изготовления композиционной лопасти воздушного винта, заключающийся в предварительном изготовлении заготовки лопасти путем последовательного формирования в пресс-формах лонжерона передних и задних вкладышей сердечника и кромок лопасти и концевого пакета, помещении заготовки лопасти между верхним и нижним пакетами обшивки лопасти, смыкании пресс-формы, полимеризации, установки вспомогательных элементов и проведения отделочных работ, отличающийся тем, что в пресс-форме лопасти формуют на технологической связи отдельно вкладыши кромок, а также концевого пакета из стеклоткани в пресс-форме лопасти, после чего на заготовку лопасти с вкладышем концевого пакета укладывают со стороны рабочей поверхности и горбушки большую часть слоев обшивки, в пресс-форму лопасти также укладывают несколько завершающих внешних слоев обшивки, на которые помещают вкладыши передней и задней кромок и эластомерные компенсационные валики, образующие дополнительные жертвенные кромки, а затем сопрягают с заготовкой лопасти и перед смыканием пресс-формы накрывают несколькими слоями стеклоткани.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к воздушным винтам изменяемого шага, используемым на летательных аппаратах, судах на воздушной подушке, аэросанях и т.д. и способам их изготовления, с различными стекло-, угле-, боронаполнителями и полимерным связующим.

Известна конструкция лопасти, винта, содержащая армирование под углом 0-90^о лонжерон с комлем, обшивку, вкладыши кромок и заполнитель из материала с пониженным удельным весом, типа пенопласта [1]

Недостаток указанного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает повышение прочности лопасти при изготовлении высокоответственных изделий сложной аэродинамической формы и достаточно сложно при изготовлении.

Известен способ изготовления лопастей воздушного винта летательного аппарата из композиционных материалов, основанный на послойной намотке слоев композиционного наполнителя с пропиткой под давлением, с последующей полимеризацией [2]

Недостаток указанного способа изготовления лопастей воздушного винта состоит в том, что он не обеспечивает повышение надежности лопасти в технологичности изготовления.

Известно наиболее близкое по технической сущности устройство и способ изготовления композиционных лопастей, заключающийся в формировании в пресс-формах лонжеронов, пера лопасти и вкладышей лопасти, кромок лопасти и послойной выкладки слоев армирующего наполнителя с образованием пакетов обшивки с последующей пропиткой связующим и полимеризацией [3]

Недостатки указанного устройства и способа изготовления:

недостаточная прочность лопасти, в частности по передним и задним кромкам при взаимно ортогональном нагружении;

недостаточная прочность лопасти при отсутствии вкладыша концевого пакета и упругих компенсационных валиков кромок;

недостаточная технологичность лопастей при известном упрочнении кромок лопасти (при уложении по кромкам жгутов);

недостаточная ремонтопригодность лопасти.

Цель изобретения повышение прочности, надежности лопасти и технологичности сборки путем использования жертвенных кромок.

Указанная цель достигается тем, что вкладыши кромок выполнены из пакетов ткани и ограничены слоями обшивки лопасти, разделенными в зоне кромок на внутренние слои, расположенные между вкладышами сердечника и вкладышами кромок лопасти, и внешние слои, которые снабжены упругими кромочными эластомерными компенсационными валиками, контактирующими с вкладышами кромок. Вкладыш концевого пакета сопряжен с торцовыми элементами лопасти и охвачен слоями армированной обшивки лопасти. В пресс-форме лопасти формуют на технологической связи отдельно вкладыши кромок, а также концевого пакета из стеклоткани в пресс-форме лопасти. На заготовку лопасти с вкладышем концевого пакета укладывают со стороны рабочей поверхности и горбушки большую часть слоев обшивки. В пресс-форму лопасти также укладывают несколько завершающих внешних слоев обшивки, на которые помещают вкладыши передней и задней кромок и эластомерные компенсационные валики, образующие дополнительные жертвенные кромки, затем сопрягают с заготовкой лопасти и перед смыканием пресс-формы накрывают несколькими слоями стеклоткани.

Сопоставительный анализ с прототипом позволил выявить отличия в конструкции и способе изготовления композиционных лопастей воздушного винта.

В результате этого заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области, т.е. в области авиационной техники, в частности в устройствах и в способах изготовления лопастей воздушного винта из композиционных материалов, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе изготовления лопастей и признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан воздушный винт с композиционными лопастями; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 элементы лопасти, аксонометрия; на фиг. 4 вкладыши кромок с вкладышем концевого пакета; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 пакет обшивки с угловым армированием; на фиг. 7 отформованная лопасть.

Композиционная лопасть 1 воздушного винта содержит армированный лонжерон 2 с комлем 3, многослойную армированную обшивку 4 с вкладышами 5 сердечника 6 лопасти, кромок 7 и концевого пакета 8 и заполнитель 9 из пенопласта. Вкладыши 10 кромок 7 выполнены из пакетов 11, ткани и ограничены слоями 12 обшивки 4 лопасти 1, разделенными в зоне кромок 7 на внутренние слои 13, расположенные между вкладышами 5 сердечника 6 и вкладышами 10 кромок 7 лопасти, и внешние слои 14, которые снабжены упругими кромочными эластомерными компенсационными валиками 15, контактирующими с вкладышами 10 кромок. Вкладыш концевого пакета 8 сопряжен с торцовыми элементами лопасти и охвачен слоями армированной обшивки 4 лопасти.

Способ изготовления композиционной лопасти 1 воздушного винта заключается в предварительном изготовлении заготовки лопасти путем последовательного формования в пресс-формах лонжеронов 2, передних и задних вкладышей 5 сердечника 6 и кромок 7 лопасти и концевого пакета 8, помещении заготовки лопасти между верхним и нижним пакетами 11 обшивки 4 лопасти, смыкании пресс-формы 16, полимеризации, установки вспомогательных элементов и проведении отделочных работ. В пресс-форме формуют на технологической связи отдельно вкладыши 10 кромок 7, а также концевого пакета 8 из стеклоткани в пресс-форме лопасти. После этого на заготовку лопасти с вкладышем концевого пакета 8 укладывают со стороны рабочей поверхности и горбушки большую часть слоев 13 обшивки 4. В пресс-форму лопасти также укладывают несколько завершающих внешних слоев 14 обшивки, на которые помещают вкладыши 10 передней и задней кромок 7 и эластомерные компенсационные валики 15, образующие дополнительные жертвенные кромки, а затем сопрягают с заготовкой лопасти и перед смыканием пресс-формы 16 накрывают несколькими слоями 14 стеклоткани. Пресс-форма имеет уплотнение 17.

Сборку лопасти производят следующим образом.

В пресс-форме 16 предварительно формуют на технологической связи из стеклоткани вкладыши 10 передних, задних кромок 7 лопастей и вкладыш концевого пакета 8. В пресс-форме сердечника лопасти, не показанной на чертежах, вспенивают вкладыши 5 лопасти, получают заготовку лопасти. Укладывают на заготовку лопасти со стороны рабочей поверхности и горбушки большую часть слоев обшивки 4, например шесть слоев стеклоткани, с использованием технологической связи, например сетки ажур пропитанной связующим. В пресс-форму 16 лопасти укладывают предварительно собранный пакет внешних слоев 14, например двух, обшивки 4 лопасти, помещают заготовку лопасти в пресс-форму 16 с вкладышами 10 передних и задних кромок 7, с эластомерными компенсационными валиками 15 кромок 7, накрывают, например, двумя слоями внешних слоев 14 стеклоткани, смыкают пресс-форму, пропитывают под давлением связующим, полимеризуют, проводят отделочные операции, устанавливают дополнительно элементы лопасти.

Использование при формовании эластомерных компенсационных валиков позволяет исключит перепрессовки и недопрессовки наполнителя по рабочим кромкам лопасти, что существенно увеличивает их прочность и точность геометрических размеров.

Применение вкладышей 10 передних и задних кромок на технологической связи из стеклоткани после пропитки лопасти связующим и полимеризации позволяет получить монолитные прочные кромки 7 лопасти. Кроме того, износ кромок, забоины и др. повреждения не влияют на уменьшение прочности, т.к. забоины или износ на величину вкладыша 10 кромок 7, не раскрывает оболочку 4, т.е. не снижает прочность лопасти.

Кромки 7 лопасти более ремонтопригодны, даже в полевых условиях. Прочность лопасти и ее долговечность возрастают при использовании вкладышей 8 концевого пакета, выполненного из стеклоткани.

Стеклотканевые вкладыши 10 кромок 7 лопасти 1 более просты в изготовлении и технологичны по сравнению со жгутами, имеющими определенную толщину и угол закручивания (армирования) нитей, а также пастообразным стеклоровингом, который укладывается по кромкам из пистолета со спецнасадкой на специально подготовленную поверхность кромок.

Работа лопасти происходит следующим образом.

На лопасть в полете действует центробежная сила, поперечные аэродинамические нагрузки, момент от инерционных и аэродинамических сил, скручивающий лопасть. В лопасти 1 и в лонжероне 2, главным образом от центробежной силы, в задней кромке возникают растягивающие напряжения, а в передней сжимающие.

Растягивающие и сжимающие напряжения возникают в кромках лопасти от поперечных аэродинамических сил, изгибающих лопасть, т.к. нейтральная ось сечения не проходит через кромки как обшивки лопасти, так и оболочки лонжерона. Поперечные силы приводят к появлению в сечениях, в том числе и на кромках лопастей касательных напряжений, действие которых усугубляется их концентрацией в острых углах сечения тонкостенной обшивки лопасти, состоящей из нескольких слоев стеклоткани, обычно 6-9.

Касательные напряжения создаются в обшивке лопасти, лонжероне и концентрируются во входящих углах сечения при воздействии на лопасть скручивающегося момента.

Все поперечные нагрузки и крутящий момент имеют динамическую составляющую, влияющую на выносливость и ресурс всей лопасти в целом. Стеклотканевые вкладыши 10 кромок, соприкасающиеся в пенопластовыми вкладышами 5 сердечника лопасти через шесть слоев обшивки 4, а внешние два слоя 14 обшивки лопасти охватывают вкладыши 10 лопасти вместе с упругими кромочными эластомерными компенсационными валиками 15 кромок, которые скреплены с армированным лонжероном 2, армированной ^oобшивкой лопасти после полимеризации, становятся одним монолитом.

Все сказанное относится к концевым сечениЯм лопасти с вкладышем 8 из слоев стеклоткани, уложенной с определенным углом.

Жесткость кромок и концевых сечений лопасти на растяжение и воспринимаемая ими нагрузка регулируется изменением угла ^o наклона армирующей составляющей обшивки лопасти по отношению к комлю лопасти.

Изготовление лопасти может производиться из следующих материалов: армирующий наполнитель ткани Т-25(ВМ)-78 ТУ6-11-380-76, связующее ВС2561С ТУ-685-25-278-80, материал с пониженным удельным весом пенопласт ПУ-107, инструкция ВИАМ ПИ 1.2.219-82, эластомерный компенсационный валик клей ВК-50 ТУК1-595-24-201-85.

Внедрение изобретения дает следующие преимущества:

большую прочность лопасти по передним и задним кромкам и концевым сечениям;

большую прочность лопасти при наличии вкладыша концевого пакета и вкладышей 10 кромок 7 (допустимо жертвенное повреждение);

большую технологичность лопасти при изготовлении за счет вкладышей 10 кромок 7 из стеклоткани с эластомерными компенсационными валиками по стыкам обшивки лопасти;

большую ремонтопригодность и живучесть лопасти и винта в целом.