Способ и форма для создания аэродинамического элемента, содержащего бороздки - RU2731219C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу изготовления аэродинамического элемента, такого как панель крыла летательного аппарата (ЛА) или лопатка газотурбинного двигателя, который содержит набор ребер и канавок, ориентированных параллельно воздушному потоку.

Более конкретно, в изобретении раскрыт способ создания ребер/канавок за одно целое с остальной частью аэродинамического элемента.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

С целью улучшения аэродинамических характеристик ЛА было предложено добавить бороздки и/или канавки, например, на внешней поверхности крыльев.

Эти бороздки/канавки, которые часто называют просто "бороздками" (“риблетами”), ориентированы параллельно направлению воздушного потока и расположены на наружной поверхности крыла.

Высота и ширина бороздок обычно, но не в ограничительном смысле, составляют величину порядка 10-50 микрон, при этом они продолжаются продольно по большей части аэродинамического элемента.

Они ограничивают трение текучей среды на поверхности аэродинамического элемента, тем самым снижая возникающее лобовое сопротивление. Это может повышать аэродинамические характеристики.

Согласно первой технологии производства бороздки образуют на пленке, которую затем помещают на внешней поверхности аэродинамического элемента, в частности путем приклеивания.

При использовании такой технологии производства легко изготовить бороздки на гибкой пластине, которую сравнительно нетрудно наложить на аэродинамический элемент.

Однако данная технология производства подразумевает множество этапов процесса изготовления, а также увеличивает конечную массу аэродинамического элемента, в частности вследствие наличия средства фиксации, такого как слои клея.

Другой способ изготовления бороздок заключается в образовании бороздок в теле аэродинамического элемента.

Аэродинамический элемент обычно изготавливают путем формования, в частности формования композитного материала, а значит, бороздки могут быть образованы в ходе этой операции формования.

В документе US-A-2013/0062004 описан один пример способа формования элемента с бороздками в виде единого целого.

Согласно этому способу одна стенка формы содержит ребра и/или канавки, комплементарные тем, что образуют бороздки. Полимер, приходящий в соприкосновение с указанной стенкой, в этом случае содержит формы рельефа, создающие бороздки.

Чтобы способствовать извлечению из формы, на все поверхности формы наносят вещество, которое обычно известно под названием "гелькоут", в том числе на поверхность, снабженную ребрами и/или канавками, комплементарными бороздкам, которые требуется получить.

Этот слой вещества, как правило, неоднороден, что может повлиять на конечную форму бороздок.

Кроме того, аэродинамический элемент может иметь неплоскую форму, так что его перемещение относительно формы в процессе извлечения из формы не всегда локально направлено по нормали к поверхности, содержащей бороздки.

Таким образом, в процессе извлечения из формы к бороздкам прикладываются сдвиговые силы, способные вызвать повреждения гребней ребер, образующих бороздки, тем самым снижая эффективность бороздок.

Таким образом, операция по извлечению из формы требует приложения больших усилий для отделения аэродинамического элемента от формы, в частности вследствие сил трения между аэродинамическим элементом и формой.

Задача изобретения заключается в раскрытии способа изготовления аэродинамического элемента, содержащего бороздки, выполненные за одно целое с этим элементом, позволяющего быть уверенными в том, что бороздки не повреждаются в процессе извлечения из формы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В изобретении раскрыт способ изготовления аэродинамического элемента, в частности для ЛА, содержащего внешнюю поверхность, а также множество параллельных ребер и/или канавок, образованных на упомянутой внешней поверхности, при этом способ состоит из создания упомянутого элемента и его ребер и/или канавок одновременно путем использования формы, отличающийся тем, что способ содержит этап, на котором осуществляется подача пленки, выполненной из поддающегося деформированию материала, которая содержит ребра и/или канавки, комплементарные ребрам и/или канавкам в упомянутом элементе, этап, на котором пленка располагается на стенке формы, этап, на котором элемент формуется, этап, на котором элемент отделяется от формы одновременно с упомянутой пленкой, а также этап, на котором пленка отделяется от элемента.

Использование пленки, которая может отделяться от формы, защищает ребра и канавки, образующие бороздки (риблеты), когда изготавливаемый элемент извлекается из формы, при этом обдирка элемента после извлечения из формы является способом, который предохраняет бороздки от повреждений. Использование пленки также способствует извлечению из формы, поскольку поверхность формы является гладкой и соприкасается с другой гладкой поверхностью пленки. Трение весьма мало по сравнению трением на предшествующем уровне техники, где грубая поверхность формы сопрягается с комплементарной грубой поверхностью аэродинамического элемента.

Предпочтительно этап, на котором пленка отделяется от элемента, состоит из удаления пленки с элемента путем отслаивания.

Предпочтительно отслаивание осуществляется параллельно главному направлению ребер/канавок.

Предпочтительно отслаивание осуществляется перпендикулярно главному направлению ребер/канавок.

В изобретении также раскрыта форма для реализации способа по изобретению, чтобы получить элемент, содержащий внешнюю поверхность, а также множество параллельных ребер и/или канавок, образованных на упомянутой внешней поверхности, отличающаяся тем, что одна из стенок формы, связанная с внешней поверхностью элемента, покрыта пленкой, содержащей внешнюю поверхность, которая будет образовывать упомянутую внешнюю поверхность элемента, при этом упомянутая внешняя поверхность пленки имеет набор канавок и ребер, комплементарных ребрам/канавкам элемента.

Предпочтительно форма содержит средство соединения пленки с упомянутой стенкой формы, так что пленка может удерживаться на месте в процессе выполнения этапа, на котором элемент формуется, и которое позволяет отделить пленку от формы, когда элемент извлечен из формы.

Предпочтительно пленка продолжается за края упомянутой стенки формы.

Предпочтительно периферийные части пленки зажаты, по меньшей мере, между двумя элементами, образующими форму, для удерживания пленки на месте на стенке формы.

Предпочтительно пленка выполнена из полиуретана, термопласта (PEEK, PEKK, PET или полиамида), силикона, эпоксидной смолы, металлического листа или красочного покрытия.

Предпочтительно пленка содержит поверхность, соприкасающуюся с упомянутой стенкой формы, при этом упомянутая поверхность и упомянутая стенка являются гладкими.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, которое можно будет легче понять, воспользовавшись ссылками на прилагаемые чертежи, где:

- фигура 1 - схематичный вид в перспективе крыла ЛА, содержащего бороздки, выполненные согласно изобретению,

- фигура 2 - представленная в увеличенном масштабе деталь одного примера варианта осуществления бороздок;

- фигура 3 - сечение формы, содержащей пленку для использования в способе по изобретению;

- фигуры 4A и 4B - виды отформованного элемента с пленкой и без пленки после операции по извлечению из формы;

- фигура 5 - операция обдирки вдоль направления, перпендикулярного бороздкам;

- фигура 6 - операция обдирки вдоль направления, параллельного бороздкам.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фигуре 1 представлен аэродинамический элемент 10, который в данном случае состоит из сегмента крыла ЛА.

Этот элемент 10 содержит внешнюю поверхность 12, в данном случае верхнюю поверхность, на которой воздушный поток циркулирует продольно.

Аэродинамическая эффективность элемента 10 повышается благодаря образованию бороздок 16 на внешней поверхности 12 элемента 10.

Как можно подробнее видеть на фигуре 2, бороздки 16 состоят из последовательности ребер 18 и канавок 20, ориентированных в продольном направлении, другими словами, параллельно направлению циркуляции воздушного потока 14 на внешней поверхности 12.

В данном случае высота "h" и ширина "s" ребер 18 и канавок 20 очень малы, другими словами, составляют величину порядка 10-50 микрон. Следует понимать, что изобретение не ограничено этими размерами бороздок, которые, таким образом, могут быть больше или меньше этих значений.

В данном случае бороздки 16 имеют треугольное сечение. Следует понимать, что изобретение не ограничено данной формой бороздки, при этом, например, но не в ограничительном смысле, они могут быть трапецеидальными или представлять собой пазы с вертикальными краями.

Продольная длина бороздок определяется как функция длины внешней поверхности 12, на которой образованы бороздки.

Нижеследующее описание относится к способу инжекционного формования полимера в форме 22 для создания элемента 10. В данном случае также следует понимать, что изобретение не ограничено таким способом создания элемент 10. Следовательно, элемент 10 также может быть получен любым другим способом, в котором используется форма 22, например штамповкой.

Данная форма 22, показанная на фигуре 3, определяет границы объема 24, соответствующего элементу 10, который требуется получить.

Форма 22 содержит стенку 26, которая будет использована для создания бороздок 16. Таким образом, стенка 26 расположена на поверхности 12 получаемого элемента 10, которая содержит искомые бороздки 16.

Предпочтительно эта стенка 26 формы 22 покрывается гибкой пленкой 28, имеющей гладкую поверхность 30, которая будет соприкасаться со стенкой 26, и внешнюю поверхность 32, содержащую ребра 36 и канавки 38 (показаны на фигурах 5 и 6), из которых будут получены ребра 18 и канавки 20 элемента 10.

Таким образом, когда форма 22 оснащена гибкой пленкой 28, она имеет поверхность, рельеф которой соответствует внешней поверхности 32 пленки 28, которая будет использована для создания бороздок 16. Ребра 36 и канавки 38 пленки 28, таким образом, комплементарны ребрам 18 и канавкам 20 элемента 10.

Согласно варианту осуществления, показанному на фигуре 3, размеры гибкой пленки 28 идентичны размерам стенки 26 формы 22. Следует понимать, что изобретение не ограничено данным вариантом осуществления и что гибкая пленка 28 может продолжаться за края стенки 26.

После этого пленка 28 может удерживаться на месте в форме 22 в процессе операции по изготовлению элемента 10. Например, форма 22 содержит несколько компонентов 34, между которыми периферийные части пленки 28, выступающие от стенки 26, могут зажиматься.

Форма 22, кроме того, сконструирована так, что пленка 28 может легко отделяться от компонентов 34 формы 22 после проведения операции инжектирования.

Чтобы сохранить бороздки 16 элемента 10 при извлечении элемента 10 из формы, пленка 28 остается закрепленной на элементе 10, другими словами, элемент 10 и пленка 28 извлекаются из формы 22 одновременно, как показано на фигуре 4A.

Стенка 26 формы 22 является гладкой, как и поверхность 30 пленки, которая соприкасается с этой стенкой 26. Таким образом, когда элемент 10 отделяется от формы 22, на внешней поверхности 12, содержащей бороздки 16, трение отсутствует, а значит, риск повреждения бороздок 16 в ходе этой операции мал.

Пленка 28 после этого отделяется от элемента 10, как показано на фигурах 4B, 5 и 6.

Пленка 28 выполнена из гибкого материала, например из такого материала как полиуретан, термопласт (PEEK, PEKK, PET или полиамид), силикон или эпоксидная смола, так что ее можно отделить от элемента 10.

Согласно одному варианту осуществления пленка 28 представляет собой тонкую металлическую пленку 28. Например, толщина пленки 28 составляет 50 мкм, при этом следует понимать, что эта толщина пленки не учитывает высоту бороздок.

Согласно другому варианту пленка представляет собой композитный элемент, в состав которого входят несколько материалов, в том числе металлическая верхняя часть (metal tips) и полимерная нижняя часть (polymer heel). Один пример изготовления такой пленки 28 приведен, например, в документе US 8,678,316, где описана пленка, выполненная из композитного материала, содержащего бороздки.

Материал, из которого пленка 28 изготавливается, подбирается так, чтобы выдерживать температуры и давления, возникающие в процессе формования, но также с учетом того, чтобы он легко отделялся от элемента 10. Помимо этого, отделение осуществляется путем отслаивания пленки 28, другими словами, она поступательно отделяется от внешней поверхности 12, так что такое отделение может происходить без повреждения бороздок, в особенности краев ребер 18.

Согласно варианту осуществления, показанному на фигуре 5, отслаивание осуществляется вдоль направления, перпендикулярного главному направлению ребер 18 и канавок 20, образующих бороздки 16, другими словами, вдоль в целом поперечного направления.

Согласно другому варианту осуществления, показанному на фигуре 6, отслаивание осуществляется вдоль главного направления ребер 18 и канавок 20, образующих бороздки 16, другими словами, вдоль в целом продольного направления.

Благодаря отслаиванию пленки 28 для отделения элемента 10 не происходит смещения всей пленки 28 параллельно верхней поверхности 12 элемента 10. Таким образом, к ребрам 18 бороздок 16 не прикладывается никакое поперечное или продольное воздействие, что снижает риск разрушения бороздок.

Способ создания элемента 10, имеющего бороздки 16, непосредственно «встроенные» в этот элемент, другими словами, так чтобы бороздки 16 создавались одновременно с элементом 10, включает в себя следующую последовательность этапов:

- предоставление формы 22, в которой внутренний объем 24 обеспечит получение элемента 10;

- предоставление пленки 28, одна поверхность 32 которой содержит ребра 36 и/или канавки 38, комплементарные ребрам 18 и/или канавкам 20 бороздок 16, которые требуется получить;

- размещение пленки 28 на стенке формы 22, частично разграничивающей внутренний объем 24 формы; оставшийся объем после этого комплементарен получаемому элементу 10, имеющему бороздки 16;

- проведение операции формования элемента 10, например, путем инжектирования и последующего спекания полимера;

- извлечение одновременно элемента 10 и пленки 28 из формы, другими словами, элемент 10 и пленка 28 остаются прикрепленными друг к другу, как показано на фигуре 4A;

- отделение пленки 28 от элемента 10 для обнажения бороздок 16.

Пленка 28 создается с использованием любого способа, способного образовать канавки 38 и ребра 36, комплементарные бороздкам 16, которые требуется получить. Например, путем формования из исходной формы или путем травления пленки.

Реферат

Изобретение относится к способу изготовления аэродинамического элемента, такого как панель крыла летательного аппарата или лопатка газотурбинного двигателя, который содержит набор ребер и канавок, ориентированных параллельно воздушному потоку. Способ включает подачу пленки, выполненной из поддающегося деформированию материала, которая содержит ребра и/или канавки, комплементарные ребрам и/или канавкам аэродинамического элемента, расположение пленки на стенке формы, формирование аэродинамического элемента, отделение аэродинамического элемента от формы одновременно с пленкой и отделение пленки от аэродинамического элемента. Изобретение обеспечивает исключение повреждения бороздок в процессе извлечения аэродинамического элемента из формы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула