способ изготовления композиционных лопастей воздушного винта

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЛОПАСТЕЙ ВОЗДУШНОГО ВИНТА, заключающийся в формировании в пресс-формах лонжеронов с комлями, обшивок лопасти посредством послойной выкладки слоев композиционного материала, сборке лопасти с последующей пропиткой связующим, полимеризации и проведении отделочных работ, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности комля и технологичности изготовления путем дублирования стеклоткани углелентой, перед формированием лонжерона предварительно пропитывают вспомогательным связующим стеклосетку, которую располагают между стеклотканью и углелентой, и их склеивают с образованием дублированных слоев оболочки лонжерона, раскраивают дублированные слои лонжерона с общим армированием вдоль оси комля, разрезают комлевую зону слоев на ламели с продольными фигурными выборками между ними и одновременно изготавливают конусные разрезные вставки комля и армирующие сегментные элементы, которые чередуют с ламелями, сопряженными с конусными вставками, при этом слои оболочки лонжерона располагают с равномерным чередованием и перекрытием стыков ламелей, а внешние слои комля, являющиеся компенсационными, выкладывают с продольными резами на ламели, причем после укладки каждого дублированного слоя оболочки производят однослойную обмотку стекложгутами, начиная от вершины сегментных элементов, с уменьшающимся усилием натяжения жгутов от комля к концу пера лонжерона, а после полимеризации нарезают резьбу на комле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к способам изготовления лопастей воздушного винта из композиционных материалов с различными наполнителями и полимерными связующими.

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 [1]

Недостаток указанного способа состоит в том, что он не обеспечивает повышение прочности комля лопасти, при простой технологии изготовления.

Известен наиболее близкий по технической сущности и решаемой задаче способ изготовления лопастей воздушного винта летательного аппарата из композиционных материалов, основанный на послойной выкладке слоев композиционного материала с последующим чередованием с коническими вставками, изготовленными ранее, каждый последующий слой которых укладывают с увеличением угла от слоя к слою по образующей конуса, производят механическую обработку и полимеризацию в пресс-форме всей лопасти [2]

Недостатки указанного способа: меньшая динамическая выносливость лопасти из-за отсутствия дублирования слоев стеклоткани углелентой; меньшая прочность лопасти из-за отсутствия вспомогательной стеклосетки, пропитанный связующим (меньшая предварительная прочность); меньшая плотность и физико-механические свойства комля лопасти при раскрое на ламели слоев наполнителя не имеющих продольных фигурных выборок; большая трудоемкость сборки комля лопасти.

Цель изобретения повышение прочности комля лопасти и технологичности изготовления путем дублирования стеклоткани углелентой и улучшения раскроя в зоне комля.

Указанная цель достигается тем, что перед формованием лонжерона предварительно пропитывают вспомогательным связующим стеклосетку, которую располагают между стеклотканью и углелентой, и их склеивают с образованием дублированных слоев оболочки лонжерона. Раскраивают дублированные слои лонжерона с общим армированием вдоль оси комля. Разрезают комлевую зону слоев на ламели с продольными фигурными выборками между ними и одновременно изготавливают конусные разрезные вставки комля и армирующие сегментные элементы, которые чередуют с ламелями, сопряженными с конусными вставками. Слои оболочки лонжерона располагают с равномерным чередованием и перекрытием стыков ламелей. Внешние слои комля, являющиеся компенсационными, выкладывают с продольными резами на ламели. После укладки каждого дублированного слоя оболочки производят однослойную обмотку стекложгутами, начиная от вершины сегментных элементов с уменьшающимся усилием натяжения жгутов от комля к концу пера лонжерона. После полимеризации нарезают резьбу на комле.

Сопоставительный анализ с прототипом позволил выявить отличия в предлагаемом способе изготовления лопастей. В результате этого заявляемое техническое решение соответствует критерию новизны.

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

На фиг.1 показана лопасть, вид сверху; на фиг.2 вид А на фиг.1; на фиг.3 раскрой дублированного слоя лонжерона; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг. 5 вариант раскроя комля с продольными фигурными выборками; на фиг.6 то же, с большим числом ламелей; на фиг.7 раскрой внешних компенсационных слоев в зоне комля продольными резами; на фиг.8 двойная армирующая сегментная вставка (развертка); на фиг.9 разрез В-В на фиг.8; на фиг.10 разрез по комлю до нарезки резьбы; на фиг.11 поперечная обмотка стекложгутами; на фиг.12 формование лопастей в пресс-форме; на фиг.13 комель лопасти после механической обработки и отделочных операций; на фиг.14 винт.

Способ изготовления композиционных лопастей воздушного винта заключается в формовании пресс-формах лонжеронов 1 с комлями 2, обшивок 3 лопастей 4 посредством послойной выкладки слоев композиционного материала, сборке лопасти с последующей пропиткой связующим, полимеризации и проведении отделочных работ. Перед формованием лонжерона 1 предварительно пропитывают вспомогательным связующим стеклосетку 5, которую располагают между стеклотканью 6 и углелентой 7, их склеивают с образованием дублированных слоев оболочки лонжерона, раскраивают дублированные слои лонжерона с общим армированием вдоль оси комля 2. Разрезают комлевую зону слоев 8 на ламели 9 с продольными фигурными выборками между ними и одновременно изготавливают конусные разрезные вставки 10 комля и армирующие сегментные элементы 11, которые чередуются с ламелями 9, сопряженными с конусными вставками. Слои оболочки лонжерона располагают с равномерным чередованием и перекрытием стыков 12 ламелей 9. Внешние слои 13 комля, являющиеся компенсационными, выкладывают с продольными резами на ламели. После укладки каждого дублированного слоя оболочки производят однослойную обмотку стекложгутами 14, начиная от вершины сегментных элементов с уменьшающимся усилием натяжения жгутов от комля 2 к концу пера лонжерона 1. После полимеризации нарезают резьбу 15 на комле. Имеются металлическая гильза 16 с резьбовым буртиком 17, сердечник 18 лопасти из пенопласта, фланец 19 гильзы 16, пресс-форма 20.

Предлагаемый способ изготовления лопастей реализуется следующим образом.

В начале с использованием специального оборудования пропитывают вспомогательным связующим клеем, стеклосетку 5, помещают ее между стеклотканью 6 и углелентой 7 и склеивают между собой, прокатывая горячим роликом. Технологическая связь обеспечивает более удобное обращение с дублированной стеклотканью, в данном случае углелентой, с которой без связи со стеклотканью работать трудно, т.к. она рассыпается, слабый уток, поперечная связь продольных волокон.

Раскраивают дублированные слои 8 лонжерона 1 с общим армированием вдоль оси комля (фиг.3 и 4), что повышает производительность труда, раскроем дублированных, двойных слоев 8 одновременно. Затем разрезают комлевую зону слоев 8 на ламели 9 с продольными фигурными выборками между ними. Число ламелей для верхних и нижних слоев может быть разным, с фигурными выборками, обеспечивающими смыкание стыков 12 без щелей и перекрытий друг друга, а в слоях 8 с равномерным их чередованием в радиальном направлении. Одновременно изготавливают конусную разрезную вставку 10 из стеклорубленки с полимерным связующим.

Раскраивают и сегментные вставки 11 с армированием (фиг.8) из стеклоткани, комплектуют, например, парами на технологической связи стеклосеткой 5 (фиг.9) с угловым армированием между слоями, что определяется расчетом и подтверждается испытаниями на стендах и воздушном винте.

Сборка лопасти производится следующим образом.

Предварительно используя внутренний резьбовой буртик 17, устанавливают металлическую гильзу 16 внутри пресс-формы и вспенивают сердечник 18 лопасти. На сердечнике лопасти и гильзе 16 выкладывают несколько слоев стеклоткани 6, на которых конической внутренней поверхностью располагают разрезной конус 10, затем слои дублированной стеклоткани 8 с армированием вдоль оси комля 2, которые сопpягаются с сегментными элементами 10 с угловым армированием, устанавливаемыми с равномерным смещением стыков по радиусу для обеспечения равнопрочности армирования.

Сегментные элементы 11 располагают по мере наростания слоев стеклоткани со смещением по длине к перу лопасти, что обеспечивает их уменьшающееся число к первому витку рабочего профиля резьбы 15, а кроме того, после установки каждого сегментного элемента производится поперечная подмотка однорядными слоями из стекложгутов 15 с уменьшающимися усилием натяжения жгутов от комля к концу пера лонжерона, что обеспечивает большую плотность лонжерона и его комлевой части при предварительной сборки перед помещением в пресс-форму, ее смыкание и последующей пропиткой связующим. Большие толщины лонжерона, в частности комлевая часть, обматываются с большим натяжением жгутов и при формовании в пресс-форме получают более однородное изделие, т.к. поперечная обмотка позволяет равномерно распределить давления внутри пресс-формы при ее смыкании. В зоне первого витка располагают минимальное число армирующих элементов 11, которые, опираясь на конус 10, обеспечивают расположение слоев 8 параллельно образующей расточего профилю резьбы 15, что вместе с поперечно расположенными однорядными слоями из стекложгутов обеспечивает наибольшую плотность композиционного материала, наилучшие физико-механические качества.

Уменьшение плотности композиционного материала от пера к фланцу 19 гильзы 16 объясняется увеличением периметра конической поверхности на которую укладываются слои 8 оболочки, раскроенные на ламели в зоне конической поверхности гильзы 16. Армирующие элементы 10 несколько выравнивают плотность, повышают несущую способность комля 2 на кручение за счет углового армирования. Плотность материала комля уменьшается от первого витка к фланцу 19. Наличие композиционного разрезного конуса 10 из стелоровинга, компенсирует резкое уменьшение плотности комля.

Если величина внешнего образующей конуса 10 равна рабочему углу резьбы, то дополнительными треугольными вставками можно компенсировать уменьшение плотности комля 2, поддерживая расположение слоев оболочки 8 параллельно образующей конуса, что сложно и трудоемко.

Если величина внешнего образующей конуса 10 больше угла рабочего профиля резьбы комля на 2-8^о, то меньшее значение угла конуса для меньшего обжатия резьбовой части при формовании лопасти, а большее для большего обжатия. После углового армирования комля 2 укладываются компенсационные внешние слои 13 комля с продольными резами на ламели (фиг.7 и 10). Компенсационные слои, как правило, стеклотканевые, т.к. стеклоткань на порядок дешевле углеленты, а циклическая выносливость достаточна. Достигается повышение прочности комля и уменьшение его массы, т.к. удельный вес углеленты меньше.

После формирования лопасти в пресс-форме 20 достаточно на заготовке комля выполнить механическим путем резьбу 15 и нанести на нее и цилиндрическую часть комля антифреттинговое покрытие (фиг.13). Компенсационные внешние слои 13 комля, с продольными резами на ламели 9, не обеспечивают хорошую плотность комля, однако это не страшно, т.к. 80-90% их удаляется механической обработкой (фиг.10, размеры а и б, и фиг.13). Компенсационные слои не силовые, поэтому при повреждении цилиндрической части комля не возникает снижение прочностных качеств лопасти.

Работа лопасти происходит следующим образом. При вращении воздушного винта силы от пера лопасти передаются на комель 2 лопасти через полимерное антифреттинговое покрытие на стакан втулки винта. Первый виток 13 конической резьбы воспринимает 60-70% центробежной силы от лопасти и является в данной конструкции более прочным, а остальные витки менее нагружены, считая от пера лопасти. Поэтому выполнение комля с убывающими физико-механическими свойствами от первого витка, считая от пера лопасти, является допустимым и технологически целесообразным.

Внедрение изобретения дает следующие преимущества:

большую динамическую выносливость лопасти усиленной углелентой;

большую прочность лопасти благодаря предварительной сборки лопасти с использованием стеклосетки, пропитанной связующим, и стекложгутов перед пропиткой основным связующим;

большую плотность комля и физико-механические свойства при раскрое на ламели слоев наполнителя с продольными фигурными выборками;

меньшую трудоемкость сборки комля и всей лопасти.

Изготовление лопастей производилось из следующих материалов:

наполнитель-стеклоткань Т25 (ВМ)-78, ТУ 6-11-380-76;

связующее ВС-2561С ТУ 585-25-278-89;

материал с малым удельным весом ПУ-107 инструкция ВИАМ ПИ.12.219-82;

стеклоровинг (стеклорубленка) ГОСТ 171.39-79;

стеклонить СВМ-К ТУ 6-06-И53-87;

клей для пропитки стеклосетки ФЭК-1;

углелента УСЛ-300-1А ТУ 6-06-31-541-86;

стеклосетка Ажур 15П-76 ТУ 6-19-062-64-87.