CN101111429B - 为桨叶系统提供挠性的组件 - Google Patents
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Abstract
一种为旋转桨叶系统的桨叶提供挠性的组件，该组件包括：具有上曲面(37)的上支撑板(22)；具有下曲面(37)的下支撑板(24)；以及安置于所述上支撑板和所述下支撑板之间的轭(120)。至少上、下轭表面(37)中的一个具有安置和固定于其上的缓冲材料层(56)。缓冲材料层(56)沿着且遵循着轭表面(37)的大体轮廓延伸，缓冲材料层(56)直接接触所述上支撑板(22，24)。另一个实施例是一种为旋转桨叶系统的桨叶提供挠性的组件，其包括：具有上曲面(37)的上支撑板(22)；具有下曲面(37)的下支撑板(24)；以及安置于所述支撑板之间且直接与支撑板(其中曲面(37)中的一个是不形成圆周的一部分的非圆形弧)接触的轭(120)。
Description
本PCT申请基于且依赖于2005年1月24日提交的第11/040,173号美国非临时专利申请的优先权，在此引入其整个内容作为参考。
技术领域
本发明涉及对交通工具的旋翼的改进。更特别地，本发明涉及用于航空器旋翼桨叶的摆动的改进。
背景技术
在飞行中，当直升机得到风速(air speed)时，旋翼桨叶的旋转速度增加了增加的风速以及在前进旋翼桨叶上的提升力。这样使得前进的旋翼桨叶向上摆动。当旋翼桨叶的旋转速度减小时，空气提升力在退却的旋翼桨叶上减小，使得退却的旋翼桨叶向下摆动。每个旋翼桨叶的摆动可由轭容纳，该轭连接在旋翼桨毂和旋翼桨叶之间，该旋翼桨毂与直升机的旋翼连接。
主旋翼系统在授予Yao等人的美国专利No.4650401、授予Covington等人的美国专利No.5358381、授予Hamilton等人的5820344和授予Sims等人的美国专利No.6708921中描述的现有技术中是公知的。
Yao等人披露了一种直升机旋翼系统中的改进的柔性部件。柔性部件由单丝缠绕充满树脂的材料制成，该材料包括纤维矩阵，并且形成在平带中，该平带通过旋翼系统的旋转桨毂布置并且从平带一体地延伸以形成过渡部件，然后形成具有X形横截面的十字形柔性部件。
Covington等人披露了一种连接直升机旋翼桨叶和直升机旋翼桨毂的轭。每个轭包括用于每个旋翼桨叶的臂，每个臂包括摆动挠性和桨叶水平悬转挠性。摆动挠性容纳来自垂直于旋翼桨叶的旋转(“摆动”运动)平面的旋翼桨叶运动的绝大部分弯曲，桨叶水平悬转挠性容纳了来自旋翼桨叶的旋转(“领先-滞后“运动)平面中的旋翼桨叶运动的绝大部分弯曲。
Hamilton等人披露了一种直升机旋翼系统，其包括被构造为挠性的带，其具有简单的几何结构。挠性带用于连接旋翼桨毂组件和旋翼桨叶，并且由玻璃纤维形成。挠性带的主负载承受纤维沿着与挠性带的顺翼展方向相同的方向延伸，以便承受作用在挠性带上的离心力。
Sims等人披露了一种复合摆动挠性，其中负载承受带定位在该挠性的上、下表面上，并且次要负载承受轴线外的层定位在该挠性的中平面处。
发明内容
本发明的一方面涉及一种为旋转桨叶系统的桨叶提供挠性的组件，其包括具有上曲面的上支撑板；具有下曲面的下支撑板；以及安置于所述上支撑板和所述下支撑板之间的轭(yoke)，所述轭具有上轭表面和下轭表面，所述上、下轭表面中的一个轭表面具有安置和固定在所述一个轭表面上的缓冲材料层，所述缓冲材料层沿着且遵循着所述一个轭表面的大体轮廓延伸，所述缓冲材料层直接接触所述上支撑板的上曲面和所述下支撑板的下曲面中的一个。
本发明的另一个方面涉及一种为旋转桨叶系统的桨叶提供挠性的组件，其包括：具有上曲面的上支撑板；具有下曲面的下支撑板；轭，其位于所述上支撑板和所述下支撑板之间且直接与所述上支撑板和所述下支撑板接触，其中所述上曲面和所述下曲面中的一个是没有形成圆的圆周的一部分的非圆形弧。
根据下面结合附图(附图是公开内容的一部分，以举例的方式说明发明原理)进行的详细描述，本发明的其它方面、特征和优点会更容易理解。
附图说明
附图便于对本发明的不同实施例的理解。在这样的图中：
图1是透视图，说明了根据本发明的直升机主旋翼系统；
图2是图1的分解视图；
图3是沿图1中的线3-3得到的侧剖视图；
图4是图3的放大视图，附加说明了轭支撑板表面的椭圆结构的实例；
图5类似于图4，但是示出了组件的另一个实施例，其轭上没有缓冲材料；
图6是类似于图4的放大视图，但是说明了根据本发明的另一个实施例，说明了缓冲材料是在支撑板上而不是如图4中说明的在轭上；
图7是根据本发明的另一个实施例的使用了根据本发明实施例的弯曲轭支撑板的旋翼系统的透视图；
图8是沿图7中的线8-8的侧视横截面图；
图9是根据本发明的另一个实施例的使用了根据本发明实施例的弯曲轭支撑板的旋翼系统的顶部视图；
图10沿图9中的线10-10的侧剖视图；
图11是图10的放大视图；
图12是根据本发明的另一个实施例的使用了根据本发明实施例的弯曲轭支撑板的旋翼系统的顶部视图；
图13是沿图12中的线13-13的侧剖视图；以及
图14是图13的放大视图。
具体实施方式
图1说明了包含了根据提交的申请的挠性组件的直升机主旋翼系统10。主旋翼系统包括设置在主旋翼轴16上的毂(hub)14和多个与毂14连接且从其延伸的主旋翼桨叶18。
在本领域中主旋翼系统是公知的，如已分别在Yao等人的美国专利4650401、Covington等人的美国专利5358381、Hamliton等人的美国专利5820344以及Sims等人的美国专利6708921中公开，在此引入这些美国专利的全部内容作为参考。
在飞行过程中，当直升机增大空气速度时，增大的空气速度和在前行旋翼桨叶18上的提升力会引起前行旋翼桨叶18上摆(flap up)，而在后行旋翼桨叶18上的减小的提升力会引起后行旋翼桨叶18下摆。每一个桨叶18的摆动通过结合在毂14和每一个桨叶18之间的挠性轭20来提供。轭20在弦的方向上相对硬，但是在摆动方向上具有挠性。为了控制每一个桨叶18的摆动，连接在毂14和每一个桨叶18之间的轭通过弯曲的上轭支撑板22和弯曲的下轭支撑板24支撑。
图1-4说明了主旋翼系统的一个实施例以及毂14、轭20和桨叶18的结构的一个实施例。应理解的是，可以使用各种实施例，且在本申请中得到说明的图1-4中的实施例和其它实施例仅仅是提供了本发明实施例中的少数的举例实施例。
如图1和2所示，图1和2中的轭20是构造有两个环26的细长轭20，一个环26对应于一个桨叶18。每个环26形成一对从轭20的中间部分29延伸的臂27。所示的轭20a被构造成与相对的两个桨叶18一起使用，以及和安置在第一上轭20a下方的第二下轭20b一起使用。第二下轭20b与旋翼组件10的其余两个桨叶18中的每个连接。轭20可以用不同材料制成，包括复合材料，例如玻璃纤维。
公知的是，主旋翼轴16与毂14相连且使毂14旋转。毂包括一对用于每个桨叶18的支撑板22和24。上支撑板22和上轭20a被设置在顶部支架28上，用于上轭20a的下支撑板24和用于下轭20b的上支撑板22被设置在中间支架30上，用于下轭20b的下支撑板24被设置在底部支架32上。如前所述，每一个上支撑板22和每一个下支撑板24被如下面解释的那样地弯曲。上轭20a被夹在支架28和30之间，同时下轭被夹在支架30和32之间。轭20a和20b、支架28、30和32通过合适的固定机构(包括例如紧固件34这样的机构)被固定在一起，以使支架28、30和32夹紧和支撑轭20。支架28、30和32以及支撑板22和24可以由不同的材料制成，包括金属。从附图中可明显看出，一旦完成组装，对于每一个轭20的每一个臂27都有上支撑板22和下支撑板24。
为了避免冗余，由于每一个桨叶18和毂14之间的连接以及轭20的各自使用对于每一个桨叶18和毂14之间的连接是大体相同的，在此的讨论仅仅集中在一个桨叶18和毂14之间的连接以及轭20的单个环26的使用。
从图3和4中能更好地看到，上、下支撑板22和24被弯曲以向各自的轭20和各自的桨叶18提供所需的摆动特性。因此，如图3和4中的虚线所示，桨叶18可以上摆和下摆，且邻接上、下板。举例说明，每一个上、下支撑板22和24被弯曲以形成非圆形弧，该非圆形弧没有形成圆的圆周的一部分。然而，其它的实施例中还包括被弯曲成圆弧的支撑板22和24。同样，虽然举例说明了每一个上、下支撑板22和24具有大体相同的弯曲部分，应理解，上、下板22和24可以有不同于另一个的弯曲部分，且其它实施例还可进一步仅仅包括弯曲的板22和24中的一个。
如图3和4中所示，上、下板22和24的弯曲部分是椭圆形的，以形成椭圆表面37。也就是说，每一个上、下板的形状形成弧形或椭圆的一部分。作为参考，图4说明了对应于图4所示的上、下板32和34的弯曲部分的椭圆38。椭圆弯曲部分提供了对桨叶18的摆动的加强控制。虽然根据需要的桨叶18的摆动特性，可以采用不同的弯曲部分，例如，一个实施例中使用了对应于半径为8、16的椭圆表面的椭圆表面，其短轴40约为8英寸、长轴42约为16英寸。当然，上、下板的定位以及它们各自相对于轴线(毂14和轴16绕该轴线旋转)的位置可以根据所需要的摆动特性变化。可以基于所需要的摆动特性选择从旋转轴线44到形成上、下支撑板22和24的弯曲部分的椭圆的切线的距离46。在一个实例中给出的距离46约为5.102英寸。
由于桨叶18相对于上和/或下支撑板22和24的重复摆动可能会导致损害轭20，因此可在轭20上设置缓冲层48。虽然图1-4说明了上轭表面52和下轭表面54上都有缓冲层48，应理解，可以仅在上、下轭表面52和54中的一个上有缓冲材料。同样，如图5所示，可以完全不使用缓冲材料，并且轭120能够在无缓冲材料的情况下接触上、下接触板。另外，图5与图4中的组件大体上相同。
此外，如图6所示，缓冲材料层48可放置在上、下支撑板22和24上。除了缓冲材料被放置在支撑板22和24上而不是如图1-4所示那样放置在轭20上之外，图6说明了大体上与旋翼组件10相同的旋翼组件210。同样，虽然图6说明了上、下支撑板22和24上都有缓冲材料，但是仅在上支撑板22或仅在下支撑板24上有缓冲材料48，而不是如示出的那样在用于每个桨叶18的上、下支撑板22和24上都有缓冲材料。
缓冲材料可以是包括弹性材料、橡胶和例如聚氨脂(urethane)的聚合物在内的任何合适的缓冲材料。根据需要的缓冲材料48的缓冲耐久性，选择缓冲材料48的密度。此外，材料48还包括增强件56(例如嵌在缓冲材料48中的布)以改善耐久性。在一个实例中设置有嵌入或以其它方式附着在例如橡胶的缓冲材料48上的例如聚四氟乙烯布的氟烃聚合物织物以增加耐久性。还可进一步在缓冲材料48的外部表面上设置保护层58以增加耐久性。例如，保护层可以喷洒在缓冲层48上。用于施加在缓冲材料上作为保护层58的材料的实例是例如聚四氟乙烯的氟烃聚合物。此外，无论是缓冲层48施加在轭20的一个或两个面上，还是施加在支撑板22和24的一个面或两个面上，都可以进行对缓冲层48的增强。同样，缓冲材料48的厚度可为所需要的以获得需要的缓冲特性。例如，在一个实施例中，缓冲材料在轭20的每个面上的厚度可以是0.100英寸，其中轭的厚度例如可以是0.380英寸。
此外，可以在每个桨叶18的支撑板22和24中的一个或两个的外表面上设置保护层60，以增加板22和24的耐久性以及任何缓冲材料48的寿命。例如，保护层60可以喷洒在一个或两个支撑板22和24上。施加在支撑板上用作保护层60的材料的一个实例是例如聚四氟乙烯的氟烃聚合物。此外，无论是缓冲层48施加在轭20的一个或两个面上，还是施加在支撑板22和24的一个面或两个面上，都可以进行对支撑板22和24的增强。在如图5所示那样没有使用缓冲材料的情况下，保护层60也可用在板22和24上。
在此公开的结构的益处是通过向轭设置梁形(beamwise)支撑和使用细轭以减小其压力，能够在不增加挠性长度的情况下增加旋翼的摆动。这就允许挠性型旋翼毂能够适应更硬的外挂架装置和重心范围所要求的增大摆动。在用外部部件(例如轭支撑板22和24的弯曲部分)反作用的同时，这种结构通过使轭变得更细而减少了因给定量的摆动带来的剪切压力。现有的主旋翼摆动(弯曲型毂)典型地限制约为正负5度。然而，通过利用在此公开的原理，摆动的范围能增加超过前面的水平，例如增加至约为正负8-10度的摆动。
前面描述的原理同样适用于不同的旋翼系统和结构，例如，图7和8说明了本发明的另一个实施例，其中弯曲支撑板被设置在具有三个桨叶318的旋翼系统310上。虽然设置了三个桨叶而不是前面图1-4的四个桨叶，但是旋翼系统310在应用上大体相同，其中上、下支撑板322和324、轭320以及缓冲材料348的功能大体上与前面分别对板22和24、轭20以及缓冲材料48的描述相同。此外，图8说明了具有上轭层333和下轭层335(在这两层间可选地放置有缓冲材料337)的两件式轭。缓冲材料337可大体上与缓冲材料48相同。两件式轭同样可适用于此处的所有实施例。
作为另一个实例，图9-11说明了本发明的另一个实施例，其中弯曲支撑板设置于具有四个桨叶418(但是其支撑和结构不同于图1-4中说明的桨叶18)的旋翼系统410。虽然四个桨叶的配置不同于前面图1-4的实施例中的配置，但是旋翼系统410在应用上大体相同，其中上、下支撑板422和424、轭420以及缓冲材料448的功能分别大体上与前面分别对板22和24、轭20以及缓冲材料48的描述相同。此外，图9-11说明了围住上、下板422和424、保护它们不受碎片和外部微粒作用以及用于保存从轭420和支撑板422和424之间出来的碎片和外部微粒的保护罩444。保护罩444可以由例如橡胶或挠性体的材料制成，同样地可适用于在此的各种实施例中。
作为另一个实例，图12-14说明了本发明的又一个实施例，其中弯曲支撑板设置于具有四个桨叶518(但是其支撑和配置不同于图1-4中说明的桨叶18)的旋翼系统510。虽然四个桨叶的配置不同于前面图1-4的实施例中的配置，但是旋翼系统510在应用上大体相同，其中上、下支撑板522和524、轭520以及缓冲材料548的功能大体上分别与前面对板22和24、轭20以及缓冲材料48的描述相同。
前述实施例被用来说明本发明的结构和功能性原理，但是不希望起到限制性作用。相反地，本发明希望将所有的改进，选择以及替换都包括在所附权利要求的精神和范围内。
Claims (22)
1.一种向旋转桨叶系统的桨叶提供挠性的组件，包括：
具有上曲面的上支撑板；
具有下曲面的下支撑板；以及
安置于所述上支撑板和所述下支撑板之间并且与所述上支撑板和所述下支撑板直接接触的轭，该轭包括基本上沿着相同方向延伸的上部部件和单独的下部部件，该上部部件接触所述上支撑板，该下部部件接触所述下支撑板；以及
第一缓冲材料，其安置在轭的所述上部部件和轭的所述下部部件之间。
2.根据权利要求1所述的组件，进一步包括第二缓冲材料，其安置在所述上部部件和所述上支撑板的所述上曲面之间，或者在所述下部部件和所述下支撑板的所述下曲表面之间，或者在两个之间都有。
3.如权利要求2所述的组件，其中所述第二缓冲材料沿着并遵循着所述轭的所述上部部件的大体轮廓延伸，所述第二缓冲材料直接接触所述上支撑板的所述上曲面。
4.如权利要求2所述的组件，进一步包括：
其中所述第二缓冲材料沿着并遵循着所述轭的所述下部的大体轮廓延伸，所述第二缓冲材料直接接触所述下支撑板的所述下曲面。
5.如权利要求1所述的组件，其中所述上曲面和所述下曲面中的一个是非圆形弧，该非圆形弧没有形成圆的圆周的一部分。
6.如权利要求1所述的组件，其中所述上曲面和所述下曲面中的每一个是非圆形弧，该非圆形弧没有形成圆的圆周的一部分。
7.如权利要求1所述的组件，其中所述上曲面的形状为椭圆的一部分。
8.如权利要求1所述的组件，其中所述上曲面和所述下曲面中的每一个的形状为椭圆的一部分。
9.如权利要求1所述的组件，其中所述轭由复合材料制成。
10.如权利要求2所述的组件，其中所述第一或第二缓冲材料或者两者由橡胶制成。
11.如权利要求2所述的组件，其中所述第一或第二缓冲材料或者两者由弹性材料制成。
12.如权利要求2所述的组件，其中所述第一或第二缓冲材料或者两者由聚合物制成。
13.如权利要求12所述的组件，其中所述聚合物为聚氨脂。
14.如权利要求2所述的组件，其中所述第二缓冲材料包括第一保护层。
15.如权利要求14所述的组件，其中所述第一保护层是织物层。
16.如权利要求15所述的组件，其中所述织物层由氟烃聚合物制成。
17.如权利要求2所述的组件，其中所述上、下支撑板中的一个包括用于直接接触所述第二缓冲材料的第三缓冲层。
18.如权利要求2所述的组件，其中所述上、下支撑板中的一个包括用于直接接触所述第二缓冲材料的保护层。
19.如权利要求14所述的组件，其中所述上、下支撑板中的一个包括用于直接接触所述第二缓冲材料的第二保护层。
20.如权利要求18所述的组件，其中所述保护层由氟烃聚合物制成。
21.如权利要求1所述的组件，其中所述轭沿其长度具有恒定厚度。
22.如权利要求1所述的组件，进一步包括：围住所述上、下支撑板和所述轭的保护罩。
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