CN101203423A - 用于热防冰装置的可受应力且导电/电阻的复合加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直升飞机转子叶片。在一个实施例中，带有一主体(105)的转子叶片(100)和在主体(105)中布置并构成为向主体提供热量的加热垫(301)。加热垫(301)包括第一(505)多个纤维(400)和与第一多个纤维电气连接的第二(510)多个纤维(400)。第一多个纤维限定相对于垂直于主体的纵向方向的第一方向小于大约+45°的正角度。第二多个纤维限定相对于第一方向大于大约－45°的负角度。

Description

用于热防冰装置的可受应力且导电/电阻的复合加热器
优先权信息
本申请要求在2005年5月27日申请的临时申请第60/684,984号的优先权，并将其全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于承受高应力结构的防冰和除冰的装置，特别是涉及一种用于直升飞机转子叶片的除冰和防止冰形成的装置。
背景技术
在飞行和/或停留在地面上时，飞机可能遇到引起在飞机的螺旋桨或其它表面包括机翼、水平尾翼、方向舵、副翼、发动机进气口、螺旋推进器，机身等上形成冰的气候条件。如果不除冰，冰的积聚可以增加飞机的额外重量并且改变螺旋桨的形状从而导致不希望的和/或危险的飞行条件。一般飞机的飞行很容易受到形成冰的有害后果的影响，因为即使在例如机翼、尾部、螺旋推进器等结构件上形成少量的冰，也可以极大地改变飞行特性。
包括电阻加热元件的防冰和解冰装置一般用来防止在直升飞机的转子叶片上形成冰并且可以去除冰。电阻加热元件一般包括线元件或任意的含碳的垫材料。因为线元件的制作需要劳动集中、昂贵、操作者的灵敏并且易于短路和产生电气故障，所以一般使用任意的含碳的垫材料。这些电阻加热元件一般沿着机翼的翼展布置，并且具有用于电流的回路以便于将电流从机翼的外侧传向内侧。此回路与一电源相连接，并且使用一反馈控制机构调整流过电阻加热元件的电流。
虽然任意的含碳的垫材料具有均衡热量分配、柔韧性和制造简单，但是此材料不能承受高应力。所以它在高应力环境下的使用是很重要的。例如，倾转旋翼飞机可以象直升飞机一样具有独特的起飞和降落机动性，但是具有象涡轮螺旋桨飞机固定机翼的飞行的速度和高度。Bell V22飞机和Bell AugustaBA609飞机便是倾转旋翼飞机的例子。这些通用飞机使用的转子叶片比传统直升飞机的要厚。因此，由叶片运动(flapping)导致的应力要比传统直升飞机的要高。在这样的高应力环境中，任意的含碳的垫材料可能损耗地比较快。
飞机具有25,000英尺飞行能力，远远高于例如传统直升飞机的飞行能力，倾转旋翼飞机必须保证在结冰条件和极端气候，从北极地区到沙漠的飞行。
发明内容
本发明的实施例包括直升飞机的带有一主体的转子叶片，在主体中的向主体提供热量的加热垫，加热垫包括第一多个纤维和与第一多个纤维电气连接的第二多个纤维。第一多个纤维限定相对于第一方向小于大约+45°的正角度，其中第一方向垂直于主体的纵向方向。第二多个纤维限定相对于第一方向大于大约-45°的负角度。
在本发明的另一个实施例中，具有一个向直升飞机的转子叶片提供热量的加热装置，该加热装置包括位于转子叶片中的加热垫。加热垫包括第一多个纤维和与第一多个纤维电气连接的第二多个纤维。第一多个纤维限定相对于第一方向小于大约+45°的正角度，其中第一方向垂直于转子叶片的纵向方向。第二多个纤维限定相对于第一方向大于大约-45°的负角度。
在本发明的另一个实施例中，设置有直升飞机的带有一主体的转子叶片，位于主体中并向主体提供热量的加热垫。加热垫包括由位于第一方向的导电纤维束组成的织物和位于第二方向的导电纤维束。第一方向限定相对于垂直于主体的纵向方向小于大约+45°的正角度。第二多个纤维限定相对于垂直于主体的纵向方向的方向大于大约-45°的负角度。
在本发明的一个实施例中，设置有可以承受高应力的包括主体的结构；并且在主体中设置加热垫以向主体提供热量。加热垫包括第一多个纤维和与第一多个纤维电气连接的第二多个纤维。第一多个纤维相对于垂直于主体纵向的第一方向限定小于大约+45°的正角度。第二多个纤维相对于第一方向限定大于大约-45°的负角度。
附图说明
本发明的实施例将在下面结合附图以示例形式进行描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中
图1表示的是根据本发明的实施例的直升飞机的转子叶片的示意图。
图2表示的是根据本发明的实施例的直升飞机的安装到旋筒桅风力推进器部件上的几个基本相同的转子叶片的俯视图。
图3表示的是根据本发明的实施例的转子叶片的AA截面图。
图4表示的是根据本发明的实施例的加热装置。
图5表示的是使用在图4的加热装置中的加热垫的俯视图。
图6a-c表示的是在叶片运动过程中图5所示加热垫的变形。
图7a-b表示用于制造图5所示的加热垫的单向纤维薄片。
图7c表示的是根据本发明的实施例中的用图7a-b所示的单向纤维薄片制成的双层带。
图8表示的是根据本发明的一个实施例的双层带。
图9表示的是根据本发明的一个实施例的纤维束。
图10表示的是根据本发明的一个实施例的纤维束组成的织物。和
图11表示的是根据本发明的一个实施例的转子叶片的截面图。
具体实施方式
附图1是根据本发明的一个实施例的直升飞机(未示出)的转子叶片100的示意图。转子叶片100包括具有吸力表面110和与吸力表面110相对的压力表面115的主体105。转子叶片100还包括机翼前缘120、机翼后缘125和机内、机外端130，135。机翼前缘120和机翼后缘125限定主体105的纵向轮廓并且在机内端130和机外端135之间延伸。在XZ平面中观察，转子叶片100的主体105具有渐缩的轮廓，沿着机翼100的纵向方向从机内端130延伸到机外端135。在实施例中，机内端130大约有10-15英寸厚。在转子叶片100的中间部分，其厚度为约5-6英寸。
正如背景技术所公知，当转子叶片100穿过空气，空气流流过吸力表面110的上面和压力表面115的下面。转子叶片100设计为使得空气流流向平稳并且符合运动的转子叶片100的轮廓。当转子叶片100调整到适当的角度并且运动得足够快，气流支撑转子叶片100的重量并且提供向上的力，该力可以提供足够的提升力以维持直升飞机的飞行。
机内端130包括一个连接装置140，用来将转子叶片100的主体105安装到直升飞机的旋筒桅风力推进器(rotor mast)205上(见图2)。特别地，连接装置140包括基本上平行的第一和第二臂145a，145b，并且每一个臂上都具有圆柱形的开口150a，150b。
图2表示的是根据本发明的一个实施例给出的几个基本上同样的转子叶片100、101、102和103安装到直升飞机的旋筒桅风力推进器组件200上的俯视图。为了防止赘述，这里的讨论将集中在转子叶片100的连接，因为其它转子叶片101、102和103与旋筒桅风力推进器组件200的连接基本上是相同的。
旋筒桅风力推进器组件200包括旋筒桅风力推进器205、旋转毂盘210和多个机翼接收部分215a-d。旋转毂盘210可滑动地安装在旋筒桅风力推进器205上并且在其外周上包括多个机翼接收部分215a-d。如图2所示，转子叶片100的基本上平行的臂145a，145b与机翼接收部分215a接合。转子叶片100通过插入圆柱形开口150a，150b的轴220a固定到旋筒桅风力推进器组件200。
在该实施例中，旋筒桅风力推进器组件200设计为接收四个基本上相同的转子叶片。转子叶片的配置可以应用在倾转旋翼飞机例如Bell V22飞机和Bell AugustaBA609上，但是并不局限于此。在其它几个实施例中，旋筒桅风力推进器组件200设置为可以接收更多的或更少的转子叶片。
转子叶片100由可以经受高应力环境的材料制成。这样的高应力环境一般在叶片运动的过程中获得。叶片运动通常指在转子叶片100的旋转过程中主体105的机外端135的上下运动。机外端135的上下运动使得吸力表面110和压力表面115交替处于拉伸和压缩状态下。叶片运动可以在直升飞机的多种操作模式下获得，例如高速模式、高速操纵或启动。
在叶片运动过程中施加在转子叶片100的主体105上的应力方向朝向主体105的纵向方向并且在图1中用“S”标明。在高应力环境下，例如倾转旋翼飞机可以达到的环境下，要求机翼材料可以承受的应力值为大约6000到80001μinch/inch strain。这些数值表明机翼材料设置成每英寸结构可以延伸到8000micro-inch而不断裂。这些应力数值比典型由传统直升飞机所能达到的值要高，这是因为倾转旋翼机翼更重并且旋转地更快。一般来说，倾转旋翼机翼上的气流比传统直升飞机上的要快200英里。如此高速的气流增加了施加在转子叶片100的主体105上的负载。因此，倾转旋翼飞机的机翼一般说来做得较硬以用来承受这样的负载。典型地，倾转旋翼飞机的应力值大约是传统直升飞机所能达到的应力值的4倍。
转子叶片100可以是利用现有技术中的制造工艺制成的复合结构。在一个实施例中用到的制造转子叶片100的材料可以包括，例如环氧树脂和玻璃纤维。从现有技术知道，玻璃纤维织物放置在模具中并浸入树脂。然后对树脂进行聚合以形成复合结构。
图3表示的是根据本发明的一个实施例的转子叶片100的AA截面图(图1所示的中间部分)。图3表示的是吸力表面110、压力表面115、机翼前缘120和机翼后缘125。转子叶片100的机翼前缘120以一定的形状例如抛物线形状向机翼后缘125弯曲。在本发明的一个实施例中，吸力表面110和压力表面115之间的最大距离(在图3中标明为“D”)大约为6英寸。
转子叶片100具有防冰和解冰能力，该能力通过一个放置在主体105中的加热装置300实现。加热装置300具有一包围机翼前缘120和部分吸力和压力表面110，115的连续复合加热垫301的形式。特别地，加热装置300基本上覆盖吸力表面110的第一区域305和压力表面115的第二区域310。第一和第二区域305和310代表被吸力和压力表面110和115覆盖的总表面积的大约四分之一。这样的表面覆盖量可以提供足够的防冰和解冰能力。试验表明在转子叶片100的部分305，310容易形成冰。从本发明其它的实施例中可以看出将加热垫301做的更大或更小是显而易见的。另外，第一区域305覆盖的表面积可以与第二区域310覆盖的表面积不同。
加热装置300包括连接到通过导线330，335安装在直升飞机(未示出)中的电源325上的第一和第二末端315，320。为了保证导线330，335和加热装置300的第一和第二末端315，320之间良好的电气连接，可以采用金属网340，345。如图4所示，金属网340，345设置成沿着第一和第二末端315，320折叠以包围导线330，335并且覆盖加热垫301的两表面350a，350b。从表示加热装置300的透视图的图4中可以看到这样的设置。
根据本发明的一个实施例，加热垫301设置为在第一和第二区域305，310上以大约12-30W/inch2的表面能量密度进行散热。
图4详细表示出了复合加热垫301、导线330，335和金属网340，345的布置。加热垫301包括设置为可以允许应力在一个方向并且传递电源325提供的电流的多个特定方向的纤维织物400。在一个实施例中，纤维织物400由碳制成并且加热垫301可以承受的应力值为大约6000到8000μinch/inch strain。在另外一个实施例中，纤维织物400可以包括硼或铝。金属网340，345包围导线330，335并且覆盖加热垫301的两表面350a，350b以保证供给例如导线330的电流I可以通过加热垫301然后回到导线335。加热垫301作为一个电阻基片进行散热。
加热垫301可以包括多层纤维织物(图4未示出)，将在下面进行详细说明。每一层纤维织物包括多个单独纤维或多个纤维束。纤维织物层互相层叠以形成加热垫301。加热垫301可以以下面方式一体形成在转子叶片100中：加热垫301可以放置在事先制成的环氧/玻璃纤维基片上，然后覆盖玻璃纤维并随后浸入树脂。对树脂进行聚合以形成最终的复合结构。
如图5所示的加热装置300的BB方向的俯视图，加热垫301包括方向为正方向(图5中用“+”表示)的基本上平行的纤维织物400的第一多个纤维505和方向为负方向(图5中用“-”表示)的基本上平行的纤维织物400的第二多个纤维510。正负方向是相对于基本垂直于应力方向S的方向(图5中用“PP”表示)限定的。第一多个纤维505的每一纤维400限定了与应力方向S垂直的方向的正角度α1。相反地，第二基本平行的多个纤维510的每一纤维400限定了与应力方向S垂直的负角度α2。在本发明的一个实施例中，正角度α1的绝对值和负角度α2的绝对值基本相同。第一和第二多个导电纤维505，510的方向相对于与应力方向S垂直的方向的角度小于大约+/-45°(即α1＜+45°和-45°＜α2)。在本发明的另一个实施例中，第一和第二多个纤维505，510的方向相对于与应力方向S垂直的方向的范围在大约+/-2°至+/-25°(即+2°＜α1＜+25°和-25°＜α2＜-2°)。在图4所示的加热垫301中，方向为正的纤维的数量与方向为负的纤维的数量基本相同。但是，可以理解，加热垫301可以包括的方向为正的纤维的数量比方向为负的纤维的数量要多，或者反之亦然。
如图5所示，与相对于应力方向S垂直的方向的角度小于大约+/-45°的纤维织物400的方向提供了包括多个导电纤维织物400构成的梯形600。这样设置纤维使得在叶片运动过程中可以显著增加加热垫301对应力S的抵抗。
图6a表示在加热垫301中形成的梯形600。在图6a中，施加在转子叶片100上的应力基本为0。如图4所示，梯形600位于转子叶片100的吸力表面110上。梯形600由第一、第二、第三和第四纤维605a-d限定。在第一、第二、第三和第四纤维605a-d上均涂敷导电元件，例如镍或者镍镉，并且在位置610a-d互相电气连接。在图6a中纤维织物400相对于应力方向S垂直的方向限定的角度由α1和α2表示。梯形600承受的应力S是cosα1和cosα2的函数。
加热垫301的纤维织物400的厚度和纤维织物400之间的距离可以根据要求的能量密度和施加在转子叶片100上的应力S而改变。在一个实施例中，纤维的直径可以在大约5μm至大约8μm范围之内。纤维605b-605d和605a-605c之间的间隔距离可以从纤维直径、到大约50-100纤维直径、到1000-12000纤维直径变化。在一个实施例中，测量610b-610d之间的距离，梯形600可以从大约1/64英寸到大约1/16英寸。
在承受应力S时，梯形600设置为剪刀式张开和闭合。特别地，当转子叶片100的吸力表面110处于压缩状态时，梯形600沿应力方向S收缩并且沿应力方向S垂直的方向扩张，如图6b所示。相反地，当转子叶片100的吸力表面110处于拉伸状态时，梯形600沿应力方向S扩张并且沿应力方向S垂直的方向收缩，如图6c所示。通过这样设置纤维，即使使用了碳，纤维织物400也可以承受接近10,000μinch/inch的高应力值。在图6b-c中，纤维605b-605d和605a-605c承载的是弯曲，而不是拉伸。
关于加热垫301的制作将参考附图7-10进行描述。
在如图7a-c所示的第一实施方式中，加热垫301至少由两张单向的碳纤维薄片705，710组成。每一张碳纤维薄片705，710包括排列有多个基本上平行的纤维织物400的树脂基片715a，715b。在图7a中，碳纤维织物400设置在树脂基片715a上方，在图7b中，碳纤维织物400设置在树脂基片715b下方。在每一张薄片705，710中，多个纤维织物400位于同一平面上。每一张薄片705，710对应一层，在这一层中纤维织物400相对于应力方向S垂直的方向的角度为α1，α2(θ＝α1+α2)。每一张单向的纤维薄片705，710或层上涂敷金属元件，并且薄片705，710叠层在一起形成如图7c所示的双层带715。金属元件可以包括镍或者镍镉，并且可以通过气相沉积进行沉积(例如，PVD工艺)。金属元件涂敷的厚度可以从大约纤维直径的1/2变化到大约纤维直径的1/5。
加热垫301也可以由单向的薄片800的连续层构成，如图8所示。图8示出的是双层带的结构。薄片800包括基片805a和多个基本上平行的纤维织物400，并且在位置810处折叠以形成双层带815。双层带815位于转子叶片100内，并且纤维织物400如前面所述的交替限定相对于应力方向S垂直的方向在+/-45°之间的正负角度。
在如图9所示的第二实施方式中，加热垫301可以包括纤维束900，并且以与第一实施方式相似的方式装配加热垫301。即，单向的碳纤维薄片包括基本上平行的纤维束900，碳纤维薄片以如图7a-c所示的相似方式叠层在一起以形成双层带。在图7a-c中，用纤维束900代替纤维织物400。包括基本上平行的纤维束900的每一张单向的碳纤维薄片上涂敷金属元件，例如镍或者镍镉并且构成一层。每一束900包括50-12000纤维。基本上平行的纤维束900相对于应力方向S垂直的方向形成在+/-45°之间的正负角度。
可选地，可以以如图8所示的第二实施例的方式利用包括纤维束900的单向薄片的连续层形成加热垫301。
根据要求的能量密度，加热垫301中的层数可以变化。在本发明的一个实施例中，加热垫301的厚度由纤维织物400和大约1/1000英寸到大约60/1000英寸的金属涂覆层构成。
在如图10所示的第三实施方式中，加热垫301可以包括碳纤维1010组成的机织束的织物1000。在织物1000中的束状物1010相对于应力方向S垂直的方向取向以形成在大约+/-45°之间的正负角度。每一束1010可以包括大约50-12000的纤维织物400并且涂敷有金属涂敷层1015。如前面所述，金属涂敷层1015可以包括镍或者镍镉，并且可以通过气相沉积进行沉积(例如PVD工艺)。
如图10所示的织物1000对应于单层织物，其中每一束状物1010在相邻的束状物的上方和下方穿过。可选地，织物1000可以包括纤维束1010，在纤维束中每一束状物在一个相邻束状物的上方穿过并且在四个相邻束状物的下方穿过。后一种结构可以提供一种更宽松的织物从而具有更好的延展性。
包括多层织物1000或带715的加热垫301可以封装在转子叶片100中的树脂基体中。树脂基体可以是85/82树脂系统，该树脂系统对应于现有技术中的固化环氧系统。在本发明的其它实施例中可以采用其它传统的树脂系统。
图11表示封装树脂基体后的加热垫301的截面图。加热垫301包括多个涂敷导电纤维元件1105。每一个涂敷导电纤维元件1105可以包括纤维束或单独的纤维。多个涂敷导电纤维元件1105夹在玻璃纤维层1110a-1110b之间。
在这里公开的概念同样可以应用于除了在附图中示出的结构以外的其它结构是可以理解的。例如，上面公开的加热装置可以应用到飞机或者其它汽车的在高应力环境下使用的部件中。
在下面讨论的本发明的几个实施例的制造和使用中，本发明提供了许多可应用的发明理念，这些理念可以应用到特定的领域的更宽范围内。在这里讨论的特定实施例仅仅是示例性的给出本发明的制造和使用方法，并不局限于本发明的范围。例如，可以使用不同的材料组装加热垫。
前述实施例用来解释说明本发明的结构和功能原理，并不是用来进行限制。相反地，本发明旨在包括所有在附加的权利要求的精神和范围内的变型、更改和替代形式。

Claims (22)

1.一种直升飞机转子叶片，包括：
主体；和
设置在所述主体中并构造为向所述主体提供热量的加热垫，所述加热垫包括第一多个纤维和与所述第一多个纤维电气连接的第二多个纤维；
其中所述第一多个纤维相对于垂直于所述主体纵向方向的第一方向限定小于大约+45°的正角度；以及
其中所述第二多个纤维相对于所述第一方向限定大于大约-45°的负角度。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述加热垫构造为沿所述纵向方向承受10,000μinch/inch的应力值。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述加热垫沿着所述主体的前缘设置。
4.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一多个纤维和所述第二多个纤维限定多个梯形。
5.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述正角度介于大约+5°和+20°之间，所述负角度介于大约-20°和-5°之间。
6.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述加热垫构造为以大约12至大约30W/inch2的能量密度范围进行散热。
7.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一多个纤维包括单独的纤维束。
8.根据权利要求7所述的转子叶片，其中所述纤维束包括50-12,000根纤维。
9.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一和所述第二多个纤维涂覆有金属。
10.根据权利要求9所述的转子叶片，其中所述金属包括镍或者镍镉。
11.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一和所述第二多个纤维包括碳、硼或者铝。
12.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一和第二多个纤维设置用于形成织物。
13.根据权利要求12所述的转子叶片，其中所述织物包括其中每一束在相邻束的上方和下方穿过的多个纤维束。
14.根据权利要求12所述的转子叶片，其中所述织物包括其中每一束在相邻的一束上方穿过并且在相邻的四束下方穿过的多个纤维束。
15.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一多个和所述第二多个纤维具有基本上相同的纤维数量。
16.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述加热垫包括单向纤维带的连续层。
17.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述第一多个纤维中的纤维基本上互相平行。
18.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述加热垫封装在环氧纤维玻璃基体中。
19.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述转子叶片为倾斜转子叶片。
20.一种用于向直升飞机的转子叶片提供热量的加热装置，所述加热装置包括设置在所述转子叶片中的加热垫，所述加热垫包括：
第一多个纤维和与所述第一多个纤维电气连接的第二多个纤维；
其中所述第一多个纤维相对于垂直于所述转子叶片纵向方向的第一方向限定小于大约+45°的正角度；以及
其中所述第二多个纤维相对于所述第一方向限定大于大约-45°的负角度。
21.一种直升飞机转子叶片，包括：
主体；和
设置在所述主体中并构造为向所述主体提供热量的加热垫，所述加热垫包括由沿第一方向定向的导电纤维束形成的织物和沿第二方向定向的导电纤维束；
其中所述第一方向相对于垂直于所述主体纵向方向的方向限定小于大约+45°的正角度；以及
其中所述第二多个纤维相对于垂直于所述主体的纵向方向的方向限定大于大约-45°的负角度。
22.一种承受高应力的结构，包括：
主体；和
设置在所述主体中并构造为向所述主体提供热量的加热垫，所述加热垫包括第一多个纤维和与所述第一多个纤维电气连接的第二多个纤维；
其中所述第一多个纤维相对于垂直于所述主体纵向方向的第一方向限定小于大约+45°的正角度；以及
其中所述第二多个纤维相对于所述第一方向限定大于大约-45°的负角度。
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