Лопасть для летательного аппарата, выполненного с возможностью висения, и способ удаления льда с указанной лопасти - RU2784218C1

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Эта патентная заявка испрашивает приоритет европейской патентной заявки №18202975,1 поданной 26.10.2018 г., полное раскрытие которой включено сюда посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к лопасти для летательного аппарата, выполненного с возможностью висения, в частности, конвертоплана или вертолета.

Настоящее изобретение также относится к способу удаления льда с лопасти для летательного аппарата, выполненного с возможностью висения, в частности, конвертоплана или вертолета.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что образование льда на крыле и/или поверхностях управления лопастей вертолета может ухудшать аэродинамические характеристики вертолетов и некоторых случаях особенно затруднять управление ими.

В общем лед образуется на лопастях вертолетов, когда последние находятся в полете или неподвижны на земле с вращающимися лопастями.

Конкретнее, лед имеет тенденцию к образованию на передних краях лопастей, когда последние находятся при температурах, близких к нулю градусов по Цельсию или ниже.

Для того, чтобы уменьшать риски, возникающие в результате образования льда на передних кромках лопастей, известно использование противообледенительных систем на вертолетах.

Пример противообледенительных систем для участка законцовки лопасти летательного аппарата известен из US 5,686,003.

Более подробно, противообледенительная система, показанная в US 5,686,003, в своей основе содержит на передней кромке вышеупомянутого участка законцовки лопасти:

- слой материала с памятью формы:

- полимерный слой, нанесенный на переднюю кромку лопасти; и

- теплогенерирующий слой, расположенный между слоем материала с памятью формы и полимерным слоем.

Слой материала с памятью формы образует участок внешней поверхности лопасти.

Материал с памятью формы способен изменять свою форму и создавать силу посредством мартенситного фазового перехода при подвергании воздействию источника энергии, такого как, например, тепло.

В случае обнаружения льда теплогенерирующий слой активируется и материал с памятью формы расширяется так, чтобы прикладывать силу к льду и разрушать этот лед на внешней поверхности лопасти.

Тепло, необходимое для термической активации слоя с памятью формы, подается слоем, содержащим электрические сопротивления, или скрытой теплотой плавления, производимой переходом жидкой фазы в твердую.

В отрасли осознают необходимость уменьшения риска повреждения атмосферными явлениями или частицами в воздухе слоя материала с памятью формы, тем самым делающего противообледенительную систему непригодной и рискованной для безопасности полетов вертолета.

Этот риск увеличивается из-за того, что лопасти имеют тангенциальные скорости, близкие к скорости звука, на их соответственных свободных концах. Эти особенно высокие тангенциальные скорости могут ускорять вышеупомянутые частицы, делая столкновение со слоем с памятью формы еще более сильным.

Этот риск особенно высок, когда вертолет висит на низкой высоте или находится на земле с работающим винтом, так как вращение лопастей имеет тенденцию вовлекать остатки и пыль во вращение.

WO-A-98/24690 раскрывает трехмерную активную композиционную мембрану, образованную из двух слоев полимера и арматурной проволочной сетки между ними, приводимую в действие для принятия выбранных разных трехмерных образов (форм) внешней проволочной сеткой из сплава с памятью формы или другими типами механических приводов, к которым она прикреплена. Конкретнее, композиционная мембрана содержит два упругих внешних слоя и арматурный элемент, продолжающийся между ними. Края арматурного элемента прикреплены через один из внешних слоев к краям внешней приводящей в действие сетки из сплава с памятью формы, которая имеет площадь, аналогичную площади указанного арматурного элемента, и меньше, чем площадь указанных внешних слоев. Приводящая в действие сетка приводится в сжатие или растяжение под действием прямого нагрева, тем самым вызывая нормальное отклонение арматурного элемента и, таким образом, указанных внешних слоев.

US-A-5,558,304 раскрывает устройство удаления льда с внешней оболочки, которое содержит элемент, состоящий из металла с памятью формы, который подвергается переходу из более слабой низкотемпературной формы (мартенсит) в более прочную высокотемпературную форму (аустенит), когда элемент нагревается до его температуры перехода. Изменение формы используется для отклонения внешней оболочки, чтобы тем самым сбрасывать лед, накопившийся на ней.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в производстве лопасти для летательного аппарата, выполненного с возможностью висения, согласно пункту 1 формулы изобретения.

Настоящее изобретение также относится к способу удаления льда с лопасти винта летательного аппарата согласно пункту 13 формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания настоящего изобретения предпочтительный вариант выполнения описан ниже в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фигура 1 показывает вид сверху летательного аппарата, в частности, вертолета, содержащего винт с группой лопастей, изготовленных согласно настоящему изобретению;

- Фигура 2 представляет собой вид сверху в сильно увеличенном масштабе лопасти, изготовленной согласно изобретению и включенной в винт на Фигуре 1;

- Фигура 3 представляет собой разрез в сильно увеличенном масштабе по линии III-III на Фигуре 2;

- Фигура 4 показывает в сильно увеличенном масштабе некоторые детали лопасти на Фигурах 2 и 3 в первой рабочей конфигурация с частями, удаленными для ясности; и

- Фигура 5 показывает в сильно увеличенном масштабе детали лопасти на Фигуре 4 во второй рабочей конфигурации с частями, удаленными для ясности.

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на Фигуру 1, ссылочная позиция 1 обозначает летательный аппарат, в частности, летательный аппарат, выполненный с возможностью висения, который в показанном случае представляет собой вертолет.

Вертолет 1 в своей основе содержит фюзеляж 2, несущий винт 3, расположенный на верхней части фюзеляжа 2, и хвостовой винт 5.

Фюзеляж 2 содержит на противоположных концах носовую часть 17 и хвостовую балку 4, поддерживающую хвостовой винт 5.

Несущий винт 3, в свою очередь, содержит:

- втулку 6, вращаемую вокруг оси А; и

- группу лопастей 7, продолжающихся от втулки 6 и шарнирно закрепленных на втулке 6.

Аналогично, хвостовой винт 5, в свою очередь, содержит втулку 8, вращаемую вокруг оси В, поперечной оси А, и группу лопастей 14, продолжающихся от втулки 8 и шарнирно закрепленных на втулке 8.

Со ссылкой на Фигуру 2, каждая лопасть 7 продолжается вдоль соответствующей оси С, поперечной оси А.

Каждая лопасть 7, в свою очередь, содержит:

- основной корпус 11, ограниченный поверхностью 9;

- внешнюю поверхность 12; и

- противообледенительную систему 10 для удаления льда 13, осевшего на поверхности 12.

Каждая лопасть 7 дополнительно содержит, начиная от втулки 6 в направлении, радиальном к оси А и противоположным оси А:

- корневой участок 15, шарнирно закрепленный на втулке 6;

- основной участок 16; и

- концевой участок, образующий конец 18.

Каждая лопасть 7 дополнительно содержит:

- переднюю кромку 40;

- заднюю кромку 41 (видна только на Фигурах 1 и 2);

- верхнюю поверхность 42 и нижнюю поверхность 43, противоположные друг другу и продолжающиеся между передней кромкой 40 и задней кромкой 41.

В частности, в результате вращения лопасти 7 передняя кромка 40 ударяется о воздух раньше задней кромки 41 этой же лопасти 7.

Вертолет 1 также содержит группу систем 10, связанных с соответственными лопастями 7 винта 3.

Ниже в настоящем описании описаны отдельная система 10 и соответствующая отдельная лопасть 7, так как системы 10 и лопасти 7 идентичны друг другу.

Более подробно, противообледенительная система 10, в свою очередь, содержит:

- слой 20 материала с памятью формы, активируемый так, чтобы изменять свою форму согласно температуре; и

- активационный слой 21, который выполнен с возможностью выборочной активации для генерации количества тепла, необходимого для активации слоя 20.

Слой 20 нанесен на поверхность 9 корпуса 11.

Материал, образующий слой 20, принимает первую недеформированную конфигурацию (Фигуры 3 и 4), когда он находится при температуре ниже порогового значения, и принимает вторую деформированную конфигурацию (Фигура 5), когда он находится при температуре выше вышеупомянутого порогового значения.

При расположении в недеформированной конфигурации (Фигуры 3 и 4) слой 20 принимает такую же форму, что и поверхность 9 корпуса 11, и в связи с этим не оказывает по существу никакого воздействия на лед 13.

С другой стороны, при расположении в деформированной конфигурации (Фигура 5) слой 20 принимает волнообразную конфигурацию, образованную чередующейся группой выступов 22 и впадин 23. Выступы 22 расположены на расстоянии от поверхности 9 и выступают по направлению к поверхности 12. Выступы 22 оказывают воздействие на лед 13, вызывая его фрагментацию, как показано на Фигуре 5. Впадины 23 прилегают к поверхности 9.

Слой 21 встроен в корпус 11 в положении, смежном со слоем 20, так, что тепло, которое он генерирует, повышает температуру слоя 20 и активирует его.

В показанном случае слой 21 образован электрическими сопротивлениями (показанными схематически только на Фигурах 3-5), питаемыми электрическим генератором, расположенным на втулке 6 или на неподвижной части вертолета 1.

Противообледенительная система 10 содержит покрывающий слой 25, который образует участок 26 поверхности 12 лопасти 7, на котором оседает лед 13.

Слой 25 уложен поверх слоя 20 на противоположной стороне корпуса 11, выполнен с возможностью выборочного перемещения под воздействием слоя 20 так, чтобы оказывать механическое воздействие на лед 13 и удалять его с лопасти 7 (Фигура 5), и выполнен с возможностью защиты слоя 20 от внешних агентов.

Более подробно, слой 25 выполнен с возможностью перемещения между:

- первым положением (Фигура 5), принимаемым, когда слой 20 активирован и находится в деформированной конфигурации; и

- вторым положением (Фигура 4), принимаемым, когда слой 20 деактивирован и находится в недеформированной конфигурации.

Слой 25 по существу прилегает к слою 20 на всем его протяжении во втором положении, показанном на Фигуре 4.

И наоборот, слой 25 прилегает к выступам 22 и в связи с этим расположен на расстоянии от поверхности 9 корпуса 11 в первом положении, показанном на Фигуре 5.

Предпочтительно, слой 25 упруго перемещается между вышеупомянутой первой и второй конфигурациями.

Слой 25 изготовлен из материала, наделяющего его по меньшей мере следующими характеристиками:

- достаточная жесткость, чтобы выдерживать столкновения с внешними агентами, например, песком или пылью с тангенциальной скоростью лопастей 7, и с особой ссылкой на режим полета вертолета 1 на малой высоте близко к земле; и

- достаточная гибкость, чтобы упруго перемещаться между вышеупомянутыми первым и вторым положениями вслед за перемещениями слоя 20 между соответственными недеформированной и деформированной конфигурациями.

Конкретнее, слой 25 изготовлен из сверхпластичного материала.

Материал слоя 25 имеет максимальную упругую деформацию 0,5%. Другими словами, деформация этого материала составляет 0,5% в отношении исходной длины при достижении предела текучести.

В частности, это значение максимальной упругой деформации, равное 0,5%, поддерживается в пределах температурного диапазона между 40°С и 70°С.

Кроме того, материал слоя 25 способен поддерживать эту максимальную упругую деформацию, равную 0,5%, после заранее определенного числа циклов усталостного нагружения, в частности, по меньшей мере миллиона циклов.

Слой 25 изготовлен из сверхпластичного материала.

Особые примеры этого сверхпластичного материала представляют собой титановые сплавы, другие металлические материалы или неметаллические материалы, которые проявляют вышеупомянутые характеристики.

В варианте выполнения, показанном на Фигуре 3, слои 20, 21 и 25 расположены на передней кромке 40.

Слои 20, 21 и 25 также расположены на участках верхней поверхности 42 и нижней поверхности 43 лопасти 7, смежных с передней кромкой 40 и сходящихся на передней кромке 40.

Со ссылкой на Фигуру 2, слой 25 расположен поверх конца 18 и основного участка 16 лопасти 7.

С другой стороны, слой 25 не нанесен поверх корневого участка 15.

Со ссылкой на Фигуры 3-5, слои 20 и 25 нанесены непосредственно на соответственные участки 30 и 31 поверхности 9 корпуса 11.

Участок 30 расположен радиально снаружи в отношении участка 31 относительно оси А вращения втулки 6 и лопастей 7.

Участок 30 продолжается на передней кромке 40 лопасти 7 и в областях верхней поверхности 42 и нижней поверхности 43 лопасти 7, сходящихся друг с другом на передней кромке 40.

Участок 31 продолжается в областях верхней поверхности 42 и нижней поверхности 43 лопасти 7, расположенных на расстоянии от передней кромки 40. Слой 20 не продолжается на участке 31 корпуса 11.

Другими словами, слой 25 нанесен непосредственно на корпус 11 лопасти 7 на участке 31, где слой 20 отсутствует.

В частности, слой 25 нанесен непосредственно на участок 31 корпуса 11 посредством двух клеевых областей 34 и 35, расположенных соответственно на верхней поверхности 42 и на нижней поверхности 43 лопасти 7.

Слой 20 отделен от клеевых областей 34 и 35 соответственными выемками 32 и 33, расположенными на верхней поверхности 42 и на нижней поверхности 43 лопасти 7.

Выемки 32 и 33 имеют протяженность, поперечную оси С лопасти 7.

Выемка 33 может иметь более длинную протяженность, чем выемка 32, если этого требуют конструктивные требования лопасти.

Вертолет 1 также содержит:

- один или более датчиков 50 (схематически показанных только на Фигуре 1), выполненных с возможностью обнаружения наличия льда 13 на лопастях 7; и

- блок 51 управления (он также схематически показан только на Фигуре 1), который функционально соединен с датчиком 50 и слоем 21 противообледенительных систем 10 лопастей 7.

В частности, когда датчик 50 обнаруживает наличие льда 13 на лопастях 7, блок 51 управления управляет прохождением электрического тока внутри сопротивлений слоев 21 соответственных лопастей 7 так, чтобы вызывать перемещение соответственных слоев 20 из соответственных недеформированных конфигураций в соответственные деформированные конфигурации.

Работа вертолета 1 описана ниже, начиная с состояния, в котором слой 20 находится в деактивированной конфигурации, и вследствие этого слой 25 находится во втором положении, показанном на Фигуре 4.

Работа винта 3 вызывает вращение лопастей 7 вокруг оси А и относительно втулки 6.

Во время работы вертолета 1 лед 13 образуется и оседает на поверхностях 12 лопастей 7 при температурных условиях ниже 0°С, как показано на Фигуре 4.

Предпочтительно, лед 13 оседает на участке 26 поверхности 12, в частности, на передних кромках 40 лопастей 7.

Работа вертолета 1 описана ниже со ссылкой на отдельную лопасть 7 и на соответствующую противообледенительную систему 10.

Если датчик 50 обнаруживает наличие льда 13, блок 51 управления запускает активацию слоя 21 противообледенительной системы 10.

Эта активация вызывает циркуляцию электрического тока в сопротивлениях, образующих слой 21, и последующую генерацию тепла в слое 20.

Эта генерация тепла вызывает перемещение слоя 20 в деформированную конфигурацию на Фигуре 5, так как материал слоя 20 изменяет его форму согласно температуре, воздействию которой он подвергается.

Как показано на Фигуре 5, перемещение слоя 20 в деформированную конфигурацию заставляет слой 25 перемещаться в сторону от корпуса 11 лопасти 7 до тех пор, пока он не достигнет первого положения.

За счет своих свойств механической гибкости слой 25 поддерживает контакт с выступами 22 слоя 20 и вследствие этого оказывает механическое воздействие на лед 13.

Это механическое воздействие вызывает фрагментацию льда 13 и отделение льда 13 от лопастей 7.

Как только прекращаются атмосферные условия, при которых образуется лед 13, датчик 50 прекращает обнаружение наличия льда 13. Блок 51 управления деактивирует слой 21 противообледенительной системы 10.

Вследствие этого электрический ток прекращает циркуляцию в слое 21, слой 20 возвращается в недеформированную конфигурацию, а слой 25 возвращается во второе положение на Фигуре 4.

Во время всех вышеупомянутых действий слой 25 защищает особенно деликатный слой 20 от столкновений с атмосферными явлениями, пылью и песком.

Это защитное действие особенно важно:

- на концах 18 лопастей 7, где тангенциальные скорости и, следовательно, интенсивность любого столкновения больше; и/или

- когда вертолет 1 находится в режимах полета с висением на малой высоте или на земле с работающими винтами 3, что тем самым повышает риск того, что твердые остатки на земле будут захватываться и ударяться о лопасти 7.

Из исследования характеристик лопасти 7 и способа, представленного согласно настоящему изобретению, очевидны преимущества, которые могут быть достигнуты с их помощью.

В частности, противообледенительная система 10 каждой лопасти 7 содержит слой 25, лежащий поверх слоя 20 и образующий участок 26, на котором оседает лед 13.

Таким образом, слой 25 защищает слой 20 от столкновений с каким-либо мусором в воздухе и атмосферными явлениями. Таким образом, риск повреждения слоя 20 по существу уменьшается и гарантируется длительный срок службы для противообледенительной системы 10 с очевидными преимуществами, относящимися к безопасности вертолета 1.

Слой 25 изготовлен из сверхпластичного материала, который:

- достаточно жесткий, чтобы выдерживать столкновения с внешними агентами, например, песком или пылью с тангенциальной скоростью лопастей 7, и с особой ссылкой на режим полета вертолета 1 на малой высоте близко к земле или режим, при котором вертолет 1 находится на земле с работающими винтами 3 и 5; и

- достаточно гибкий, чтобы упруго перемещаться между вышеупомянутыми первой и второй конфигурациями вслед за перемещениями слоя 20 между соответственными недеформированной и деформированной конфигурациями.

Поскольку он изготовлен из материала с упругой деформацией вплоть до 0,5%, слой 21 способен упруго перемещаться между первым и вторым положениями вслед за перемещением слоя 21.

Поскольку эти значения максимальной деформации в упругой стадии поддерживаются в переменном температурном диапазоне между -40°С и 70°С и/или в течение некоторого количества циклов усталостного нагружения, превышающего миллион, слой 25 гарантирует защиту слоя 20 в широком диапазоне рабочих температур для вертолета 1 и в течение периода времени того же порядка величины, что и срок эксплуатации вертолета 1.

Слой 25 расположен поверх передней кромки 40, где риск столкновения и повреждения слоя 20 выше. Таким образом, эффективность защитного действия слоя 25 увеличивается.

Наконец, ясно, что могут быть выполнены модификации и изменения относительно лопасти 7 и заявленного способа без отклонения от объема настоящего изобретения.

В частности, и лопасти 7 винта 3, и лопасти 14 хвостового винта 5 могут быть оснащены соответственными противообледенительными системами 10.

Кроме того, летательный аппарат может представлять собой конвертоплан с одним или более винтами, которые поворачиваются из горизонтального положения (режим вертолета) в вертикальное положение (режим самолета).

Реферат

Изобретение относится к лопасти и удалению льда с лопасти для летательного аппарата. Лопасть (7) для винта летательного аппарата, выполненного с возможностью висения, содержит основной корпус (11) с первой внешней поверхностью (9) и противообледенительную систему (10) для удаления льда. Противообледенительная система (10) содержит первый слой (20), образованный материалом с памятью формы, активируемый так, чтобы изменять свою форму согласно величине, связанной с температурой, который расположен на по меньшей мере одной внешней поверхности (9) основного корпуса (11), и второй слой (25), который образует по меньшей мере участок (26) второй внешней поверхности (12) лопасти (7), на котором оседает лед (13). Второй слой (25), уложенный поверх первого слоя (20) на противоположной стороне основного корпуса (11), выполнен с возможностью выборочного перемещения под воздействием первого слоя (20) так, чтобы оказывать механическое воздействие на лед (13) и удалять его с лопасти (7), и выполнен с возможностью защиты первого слоя (20) от внешних агентов. Достигается повышение безопасности летательного аппарата. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула