Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАСТЬ ВОЗДУШНОГО ВИНТА С УПРАВЛЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ПРОФИЛЯ

Изобретение относится к области изготовления лопасти воздушного винта с управляемой геометрией профиля, 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.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является лопасть воздушного винта винтокрылого летательного аппарата [см. 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. 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; 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.

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 соединенные с верхней и нижней обшивками, согласно изобретению 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.

В частности, для повышения эффективности управления геометрией закрылка направления поляризаций пьезоэлектрических элементов реализованы по нормали к серединной поверхности обшивки закрылка лопасти,

В частности, для повышения эффективности управления геометрией закрылка пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными (пакетными) с чередованием пластинчатых пьезоэлектрических слоев и электродов по нормали к серединной поверхности обшивки закрылка лопасти.

В частности, упругий элемент выполнен в виде тонкого пластинчатого, сетчатого или стержневого элементов или гибкой нити.

В частности, упругий элемент расположен вдоль серединной линии профиля лопасти или вблизи верхней или нижней обшивок закрылка с закреплением одного конца упругого элемента вблизи или на передней части профиля лопасти, а другого конца упругого элемента - вблизи или на задней кромке обшивки закрылка.

В частности, закрепление одного конца упругого элемента вблизи или на передней части лопасти выполнено по типу «подвижный шарнир» с возможностью его (конца упругого элемента) беспрепятственных перемещений в поперечных к продольной оси упругого элемента направлениях.

В частности, упругий элемент совмещен с верхней или нижней обшивками закрылка лопасти.

В частности, свободное пространство внутри обшивки закрылка лопасти заполнено легким податливым упругим материалом,

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - упругий элемент выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти, протяженном 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; пьезоэлектрические элементы расположены между поверхностями упругого элемента и внутренними поверхностями верхней и/или нижней обшивок закрылка лопасти и прикреплены к ним; направления поляризаций пьезоэлектрических элементов ориентированы по нормали к серединной Поверхности обшивки закрылка лопасти; пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными (пакетными) с чередованием пластинчатых пьезоэлектрических слоев и электродов; упругий элемент выполнен в виде тонкого пластинчатого, сетчатого или стержневого элементов или гибкой нити; упругий элемент расположен вдоль серединной линии профиля лопасти или вблизи верхней или нижней обшивок с закреплением одного конца упругого элемента вблизи или на передней части лопасти, а другого конца упругого элемента - вблизи или на задней кромке обшивки; закрепление одного конца упругого элемента вблизи или на передней части лопасти выполнено по типу «подвижный шарнир» с возможностью его (конца упругого элемента) беспрепятственных перемещений в поперечных к продольной оси упругого элемента направлениях; упругий элемент совмещен с верхней или нижней обшивками закрылка лопасти; свободное пространство внутри обшивки закрылка лопасти заполнено легким податливым упругим материалом.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют обеспечить при активации пьезоэлемента управляющим электрическом напряжением на электродах U_упр смещение продольной оси напряженного упругого элемента по направлению (в зависимости от знака U_упр) к верхней или нижней обшивке закрылка лопасти, что обуславливает изменение равновесной геометрической формы закрылка лопасти. В результате 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 одной парой пьезоэлектрических элементов для начального «неактивированного случая» с управляющим электрическим напряжением на электродах U_упр = 0, где пунктирной линией

показана форма закрылка лопасти для рабочего «активированного случая» с управляющим электрическим напряжением на электродах U_упр ≠ 0.

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 четырьмя многослойными (пакетными) пьезоэлектрическими элементами 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 или обеих поверхностях упругого элемента 4 и соединенные с верхней 2 и нижней 3 обшивками. Упругий элемент 4 выполнен с малой жесткостью на изгиб в плоскости профиля лопасти. Упругий элемент 4 выполнен протяженным вдоль серединной линии профиля лопасти и предварительно напряженным продольными осевыми растягивающими усилиями в поперечных сечениях, уравновешивающими сжимающие усилия в сечениях верхней 2 и нижней 3 обшивок закрылка лопасти. Упругий элемент 4 может быть выполнен в виде тонкого пластинчатого, сетчатого или стержневого элементов или гибкой нити. Упругий элемент 4 может быть расположен вдоль серединной линии профиля лопасти или вблизи верхней 2 или нижней 3 обшивок закрылка лопасти с закреплением одного конца упругого элемента 4 вблизи или на передней 1 части лопасти, а другого конца упругого элемента 4 - вблизи или на задней кромке обшивки 2, 3 закрылка лопасти (фиг. 1). Закрепление одного конца упругого элемента 4 вблизи или на передней 1 части лопасти может быть выполнено по типу «подвижный шарнир» с возможностью его (конца упругого элемента 4) беспрепятственных перемещений в поперечных к продольной оси упругого элемента 4 направлениях. Упругий элемент 4 может быть совмещен с верхней 2 или нижней 3 обшивками закрылка лопасти (фиг. 2).

Пьезоэлектрические элементы 5, 6 могут быть расположены между поверхностями упругого элемента 4 и внутренними поверхностями верхней 2 и/или нижней 3 обшивок закрылка лопасти и прикреплены к ним. Направления поляризаций пьезоэлектрических элементов 5, 6 могут быть ориентированы по нормали к серединной поверхности обшивки закрылка лопасти.

Пьезоэлектрические элементу 5, 6 могут быть выполнены многослойными (пакетными) с чередованием пластинчатых пьезоэлектрических слоев и электродов с целью повышения мощности устройства.

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 усилие F в поперечном сечении упругого элемента 4 уравновешивается противоположными ему по знаку соответствующими начальными продольными сжимающими усилиями в поперечных сечениях верхней 2 и нижней 3 обшивках закрылка лопасти.

Для создания управляемых изгибных деформаций закрылка лопасти при его эксплуатации необходимо воздействовать управляющим электрическим напряжением U_упр на электроды пьезоэлектрических элементов 5, 6, в результате чего происходит их деформирование (растяжение или сжатие в поперечных направлениях к серединной линии профиля лопасти), обуславливающее искривление (или дополнительное искривление) и смещения точек продольной оси δ(z) упругого элемента 4 по нормали к серединной поверхности обшивки 2, 3 закрылка лопасти (к серединной линии профиля лопасти) в составных поперечных сечениях типа «верхняя обшивка 2/упругий элемент 4/нижняя рбщивка 3» и/или «верхняя обшивка 2/пьезоэлемент 5/упругий элемент 4/нижняя обшивка» 3 и/или «верхняя обшивка 2/упругий элемент 4/пьезоэлемент 5/нижняя обшивка 3» и/или «верхняя обшивка 2/пьезоэлемент 5/упругий элемент 4/пьезоэлемент 6/нижняя обшивка 3», где координатная ось z направлена вдоль серединной линии профиля лопасти.

Для случая, когда пьезоэлектрические элементы 5, 6 в составном сечении «верхняя обшивка 2/пьезоэлемент 5 /упругий элемент 4/пьезоэлемент 6/нижняя обшивка 3» расположены по разные стороны от упругого элемента 4, тогда управляющие электрические поля на этих пьезоэлектрических элементах 5, 6 должны вызывать у них осевые поперечные (относительно продольной оси z) деформации различных знаков, т.е. «сжатие/растяжение» или «растяжение/сжатие» элементов 5, 6. Появление смещений δ(z) - функции прогибов или «эксцентриситета» у точек продольной оси (с координатой z) упругого элемента 4 относительно своего начального самоуравновещанного положения (и относительно верхней 2 и нижней 3 обшивок закрылка лопасти) обуславливает возникновение результирующих изгибающих моментов M(z), действующих в составных поперечных сечениях закрылка лоцасти 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_упр на электродах пьезоэлектрических элементах 5, 6) функции эксцентриситетов 5(z) продольной оси упругого элемента 4 в составных сечениях закрылка лопасти.

Свободное пространство между верхней 2 и нижней 3 обшивками может быть заполнено легким податливым упругим материалом (заполнителем), в частности, пенопластом.

Пьезоэлектрические элементы 5, 6 могут быть заменены на магнитострикционные элементы, в частности, из материала феррит.

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.

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_упр = 0. Активация пьезоэлемента управляющим электрическом напряжением на электродах U_упр ≠ 0 приводила к смещению точек продольной оси упругого элемента по направлению (в зависимости от знака U_упр) к верхней или нижней обшивке закрылка лопасти, что обуславливало изменение равновесной геометрической формы закрылка лопасти.

Результаты численного моделирования показали, что даже незначительные деформации пьезоэлемецта (на одной стороне упругого элемента) или двух пьезоэлементов (на верхней и нижней сторонах упругого элемента), обусловленные действием управляющего электрического напряжения U_упр на электродах, способны преобразовываться (по механизму внецентренного растяжения-сжатия закрылка лопасти вдоль серединной линии профиля лопасти) в значительные изгибные деформации закрылка лопасти в плоскости профиля лопасти; при этом «коэффициент усиления» преобразования управляющих деформаций пьезоэлементов 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.