CN101264796A - 以旋翼桨叶为例的翼型变形 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别是用于旋翼飞机的空气动力翼型(12)，包括：沿翼型纵深方向(T)为剪切柔性的翼型主体(14)、包封住翼型主体(14)的构造成受拉刚性和受压刚性的上蒙皮和下蒙皮(16、18)、构造在旋翼桨叶翼型(12)的翼型后缘区域中的无轴承和无铰链的后部翼型变形区域(22)，以及至少一个布置在翼型主体(14)中的促动器(32、32’)。通过促动器(32、32’)可启动翼型主体(14)的弯曲运动，并且后部翼型变形区域(22)可以通过由翼型主体(14)的弯曲运动所引起的上蒙皮和下蒙皮(16、18)的屈曲而变形形成与上述弯曲运动反向的襟翼偏转。

Description

以旋翼桨叶为例的翼型变形
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1所述的特别是用于旋翼飞机的空气动力翼型，它具有无轴承和无铰链构造的后部翼型变形区域。
背景技术
众所周知，在旋翼飞机中即使是在定常飞行状态时旋翼桨叶上的来流条件也在不断地变化。这些变化是由旋翼飞机的前飞速度和旋翼的旋转速度的叠加造成的。
这种叠加主要导致两个极端的来流状况，即在向前运行和向后运行的桨叶上。在前飞的桨叶上，旋转分量和平移分量正叠加，并且导致在桨叶尖上有强烈的超音速特征的来流。在这种情况中为了避免有强烈的超音速激波，具有少许弯拱的尽可能薄的翼型是人们所希望的。在向后运行的桨叶上，是从旋转分量中减去前飞速度的平移分量。这导致局部来流速度的剧烈降低，直至从下面到桨叶区域内部翼型的来流。再结合那里桨叶的大调整角，较小的来流速度导致气流强烈地分离。这种分离对旋翼桨叶的控制杆载荷造成不利影响。在这个区域中，厚的翼型或者在前端区域中具有大的弯拱的翼型是有利的。
在本发明中建议一种其几何形状可变化的翼型。这种翼型考虑到这些极端的流动区域，并且它针对各种存在情况适配地进行调节。
总之在旋翼上由于回转强烈变化的空气动力特性导致旋翼桨叶以比转动频率高出多倍的频率进行振动。
另一有缺陷的空气动力效应是在进场飞行时，飞行器有一定的下降角度。在这种情况中会出现桨叶旋涡和桨叶的相互作用。这种相互作用会导致脉冲式的噪音现象。通过旋翼桨叶下降气流在合适的方位位置上如此地变化，或者桨叶的空间位置如此地变化，即不出现所述的旋涡和桨叶的相互作用时，这种现象才会得到缓和。通过短时地改变上升力达到桨叶和伴流的这种相对的距离变化。
原则上讲改变上升力有两种途径：
1.直接方法：如同固定翼飞机的机翼那样通过改变襟翼的偏转来改变上升力()，或者
2.间接方法：襟翼偏转通过改变力矩系数产生扭矩。通过该扭矩借助感应的扭曲变形来调节扭转柔性的(torsionsweich)桨叶的迎角(
Figure A20081008616300053
)。这个效应在文献中也叫做伺服效应。
目前这第二种方法使用得更多，因为在伺服驱动装置提供使用功率的情况下它显示出更好效果。
DE 101 16 479 A1公开了一种利用伺服效应且具有活动支承的襟翼的旋翼桨叶。所述襟翼借助滚动轴承活动地固定在旋翼桨叶上。通过压电促动器对襟翼进行控制。该压电促动器沿翼型纵深方向看有相距地设置在旋翼桨叶的前部区域中。这个压电促动器产生调节力，并且通过牵引部件将调节力传递到旋翼桨叶襟翼上。
具有分立的襟翼轴承的旋翼桨叶在实际使用中由于高的频率和由于周围环境的灰尘、脏物和水要经受大的磨损。其结果是减少使用寿命，并且需要增加维护。
因此DE 103 34 267 A1建议了一种旋翼桨叶，它具有无轴承和无铰链构造的旋翼桨叶襟翼。在这种已公开的旋翼桨叶中，将压电促动器固定在翼型的刚硬蒙皮中，或者直接固定在刚硬的蒙皮下或者刚硬的蒙皮上，这样，可有选择地操作位于翼型的上蒙皮或者下蒙皮上的两个压电促动器之一，并且因此导致相应的蒙皮相对于另一蒙皮的移动，这样引起上蒙皮相对于下蒙皮变短或者是延长。由于蒙皮相对于另一蒙皮的相对缩短，设置在该蒙皮上的刚硬的旋翼桨叶襟翼发生偏转，并且向上或者向下运动。
上述类型的已公开的旋翼桨叶有如下缺点，即用向上偏转的襟翼产生上升力，这种做法相对于中立的或者向下偏转的翼型来说导致阻力增加。
发明内容
本发明的任务是提供一种特别是用于旋翼飞机的空气动力翼型。它具有无轴承和无铰链的襟翼。这种襟翼机械和运动上都简单，并且具有有利的空气动力特性，它使得沿翼弦方向和跨距方向的连续过渡的变形成为可能。
这个任务通过权利要求1的特征得以完成。
从属权利要求是本发明的有利改进方案。
根据本发明，旋翼桨叶包括起空气动力作用的旋翼桨叶翼型，这种旋翼桨叶翼型具有沿翼型纵深方向(T)为剪切柔性的(schubweich)翼型主体、包封住翼型主体的构造成受拉刚性的(zugsteif)上蒙皮和下蒙皮、构造在旋翼桨叶翼型的翼型后缘区域中的无轴承和无铰链的后部翼型变形区域，以及至少一个布置在翼型主体中的促动器。通过促动器可启动翼型主体的弯曲运动，由此后部翼型变形区域可以通过由翼型主体的弯曲运动所引起的上蒙皮和下蒙皮的屈曲而变形形成与上述弯曲运动反向的襟翼偏转。在后部翼型变形区域也可很好地弯曲，并且其中翼型主体变形。由于翼型主体被构造成剪切柔性的，并且上蒙皮和下蒙皮被构造成受拉刚性的，所以从启动的弯曲运动中产生了纯粹的弯曲变形，也就是说上蒙皮和下蒙皮仅进行弯曲变形。由上述弯曲变形产生上蒙皮和下蒙皮的屈曲，也就是在翼型主体由于弯曲运动而发生偏转的区域的范围内的第一屈曲和在后部翼型变形区域的范围内的第二屈曲。这个呈反向偏转形式的第二屈曲引起后部翼型变形区域的偏转。这样，例如翼型主体的向下的弯曲变形引起后部翼型变形区域向上偏转，或者翼型主体的向上弯曲变形引起后部翼型变形区域的向下偏转。以有利的方式提供了一种空气动力有利的翼型，与具有分立的襟翼和必然存在翼型轮廓的不连续性的襟翼式翼型相比，这种翼型由于其调整的S状变形使得在襟翼偏转时阻力更小。
附加地还有其它的优点，即由于部件的几何形状简单和单个部件的数量少，所以根据本发明的旋翼桨叶翼型具有简单和均质的结构。此外整个变形运动相对于分立的襟翼运动来讲大大地简化了，因为不再存在有磨损部件了。
根据本发明的实施方式将翼型主体基本上构造为空心体，也就是说，翼型主体在它的内腔中具有沿跨距方向和翼型纵深方向延伸的空腔。通过这一措施保证了翼型主体所要求的剪切柔性。也可以采用具有剪切柔性的泡沫材料构造。
优选在可变形的翼型区域中设置多个隔板。这些隔板和上蒙皮和下蒙皮固定连接。通过设置一些隔板可以有利的方式影响或者调节在翼型主体弯曲运动之后所产生的翼型轮廓。
为了保证沿翼型主体的翼型纵深方向具有足够的剪切柔性，优选这些隔板和上蒙皮和下蒙皮弯曲柔性(biegweich)地或者类铰接地连接。
也可以设想将这些隔板构造成剪切柔性的，或者将整个可变形的截面填充剪切柔性的泡沫材料。
根据本发明的特别有利的实施方式，后部翼型变形区域和翼型主体的与该后部翼型变形区域邻接的沿翼型纵深方向(T)设置在后部翼型变形区域前面的中间翼型区域构造成剪切柔性的。该翼型主体的余下的前部翼型区域可以构造为刚硬的翼型区域。
然后优选促动器仅和中间翼型区域处于功能连接。这样就可以简单的方式使得从后部翼型变形区域沿翼型纵深方向T看相距地设置促动器成为可能。这在重量分布和动力特性方面证明是特别有利的。
根据本发明的一种实施方式将促动器构造为弯曲促动器。
其中优选将这种弯曲促动器设置在上蒙皮和/或下蒙皮上。其中，弯曲促动器可以借助于材料结合和/或形状配合和/或力结合的连接方式安装到上蒙皮和/或下蒙皮上。
根据本发明的一种实施方式，也可将弯曲促动器设置在中间，并且通过隔板将力传递到蒙皮上。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成分立的促动器。促动器通过优选缩短两个隔板之间的对角线产生变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成安装在隔板中的至少一个隔板上的弯曲促动器。通过隔板的弯曲变形使翼型变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成分立的促动器。这些促动器通过缩短顶面和/或底面上的铰接点在后部翼型变形区域中产生变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造为分立的促动器。这些促动器通过缩短在半个隔板上的铰接点对翼皮施加力矩，该力矩使中间或者后部翼型区域产生变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成分立的促动器。这些促动器通过扭矩和将扭曲变形传递到隔板上，使上翼皮和下翼皮变形，并且因此使中间或者后部翼型区域变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成分立的促动器。这些促动器通过经连杆将力传递到隔板上，使得中间翼型区域产生变形。
根据本发明的另一实施方式，将促动器构造成分立的促动器。这些促动器通过连杆将力传递到隔板上，使得中间和后部翼型区域同时变形。
优选上蒙皮和下蒙皮由纤维复合材料制成。因为和其它构思相反，没有必要缩短上蒙皮和下蒙皮的区域，而是仅通过上蒙皮和下蒙皮的弯曲使上下翼型轮廓发生变形，所以现在上蒙皮和下蒙皮可以由通用的纤维复合材料构成。也就是说可以保留通常的外皮结构。
根据本发明的一种实施方式，上蒙皮和下蒙皮具有沿翼型纵深方向(T)看变化的厚度。这样做有下述效果，即翼型的弯曲线是可调节的，或者襟翼部位的深度是可标定的。
根据本发明的另一实施方式，上蒙皮和/或下蒙皮具有沿翼型纵深方向(T)看变化的层结构。层结构的变化可能包括不同的层数、沿翼型纵深方向的层长度、纤维方向以及不同的纤维复合材料。也通过此措施提供了一种弯曲线的标定方法。
也可设想将两种措施进行组合，也就是说上蒙皮和/或下蒙皮具有沿翼型纵深(T)看变化的厚度和变化的层结构。
本发明的基本构思并不局限于上述所说明的内容，而是例如也可以被用于实现福勒纳襟翼原理(Prinzip der Flettnerklappe)，也就是说用少的能量就可使小的后缘区域变形。然后该区域通过空气动力使更深的在空气动力上起更大作用的翼型区域变形。
按照这种方式，当蒙皮结构合适时，也就是弯曲线的结构，以能量合适的方式实现上述主要作用。当弯曲线的结构是这样的，即翼型中间区域具有很大的弯拱，由于旋翼桨叶上直接的作用在翼型的中立力矩特性时会出现强烈的上升力变化。当弯曲线的结构是这样的，即后部翼型变形区域以高的振幅偏转的情况下，并且翼型中间区域反向地仅较小地变形，则根据所述的伺服效应，在小的上升力变化时主要是空气动力方面的力矩变化。
从下述说明并结合在附图中所示的实施例给出本发明的其它优点、特征和用途。
附图说明
下面借助在附图中所示的实施例对本发明进行更加详细的说明。
在说明书中、权利要求书中、在说明书摘要和附图中使用的是在附图标记表中所使用的概念和所配属的附图标记。
这些附图是：
图1：现有技术的具有襟翼的旋翼桨叶翼型的简图；
图2：根据本发明的旋翼桨叶翼型的简化剖视图；
图3：图2中的翼型，其中襟翼部位向上偏转；
图4：图2中的翼型，其中襟翼部位向下偏转；
图5：图2中的翼型，具有变化的促动器结构或者布置；
图6：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置；
图7：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置；
图8：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置；
图9：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置；
图10：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置；
图11：图2中的翼型，具有另一种变化的促动器结构或者布置。
附图标记表
10  旋翼桨叶
12  旋翼桨叶翼型
14  翼型主体
16  上蒙皮
18  下蒙皮
20  襟翼
22  后部翼型变形区域
24  中间翼型区域
26  前部翼型区域
28  空腔
30  隔板
30’隔板段
32、32’促动器
34   铰接点
36   连杆
T    翼型纵深方向
Cm   力矩系数
F    力
具体实施方式
在下述说明和附图中，为避免重复只要不求再细分的相同的结构部件和元件用相同的附图标记表示。
图1示出了根据现有技术(请参阅DE 101 16 479 A1)的总体上用附图标记10表示的翼型的简图。它主要包括具有构造成扭转柔性的翼型主体14的起空气动力作用的旋翼桨叶翼型12、包封住翼型主体14的上蒙皮和下蒙皮16、18以及在翼型主体14上可活动地支承着的襟翼20。现在通过襟翼20的向上偏转产生上升力。襟翼20的向上偏转和由此产生的作用到襟翼20上的力F引起力矩系数Cm发生变化。由于翼型主体14的扭转柔性的构造，所以力矩系数的变化导致翼型10发生扭曲变形。这造成迎角α的变化和所希望的上升力变化。
事实证明上述方案是有缺陷的，因为襟翼20每次相对于中立襟翼位置的偏转都会导致阻力的增加。
为了避免这一缺陷，在图2中所示的根据本发明的翼型10包括：具有沿翼型纵深方向为剪切柔性的翼型主体14的起空气动力作用的旋翼桨叶翼型12、包封着翼型主体14的受拉刚性和受压刚性的上蒙皮和下蒙皮16、18和构造在翼型后缘区域中的无轴承和无铰链的后部翼型变形区域22。
现在翼型主体14具有三个分区域，即后部翼型变形区域22、与后部翼型变形区域22邻接的在翼型纵深方向T上看处在后部翼型变形区域22前面的中间翼型区域24，以及与中间翼型区域24紧连着的包括前端区域的前部翼型区域26。
在所示的实施例中，后部翼型变形区域22和与它邻接的中间翼型区域24构造成沿翼型纵深方向为剪切柔性的，而前部翼型区域26则构造成刚硬的。
翼型主体14在它的内腔中具有沿跨距方向和沿翼型纵深方向T延伸的空腔28。多个垂直设置的隔板30安装在该空腔中。为了保证翼型12具有足够的剪切柔性，这些隔板30由一种弯曲柔性的材料构成，并且借助一种弹性的连接机构和上蒙皮和下蒙皮16、18连接。
此外还在该空腔28中设置多个促动器32、32’。此处在图中仅示例地示出一对设置在上蒙皮和下蒙皮16、18上的压电式的弯曲促动器32和一个分立的促动器32’(虚线)作为促动器。
现在这些促动器32和32’只是和中间翼型区域24处于功能连接。
通过这些促动器32和32’可启动弹性构造的中间翼型区域24的弯曲运动，并由此启动后部翼型变形区域22的偏转。
仅为了完整性而需要指出的是，促动器变形也可导入到后部翼型变形区域中。
图3示出了后部翼型变形区域向上偏转的状况。
中间襟翼部位24的向下弯曲运动造成上蒙皮和下蒙皮16、18的第一屈曲。由于上蒙皮和下蒙皮16、18的受拉刚性的构造，所以由此产生反向的第二屈曲，这个第二屈曲使后部翼型变形区域22向上变形。因此已变形的翼型12的翼弦具有特征性的S形偏转轮廓。
现在上蒙皮和下蒙皮16、18由一种纤维复合材料构成。为了对后部翼型变形区域22进行相应的标定，上蒙皮和下蒙皮16、18可分别具有在翼型纵深方向T上看变化的厚度和变化的层结构。
图4再次示出后部翼型变形区域22向下偏转的状况。相应于上面所述，在此中间翼型区域24向上弯曲变形，其结果是又造成上蒙皮和下蒙皮16、18的二次屈曲，并且引起后部翼型变形区域22向下方向的偏转。
图5至图11示出了本发明的，特别是促动器的结构和布置的其它实施方式。
在图5所示的实施例中，促动器32、32’构造成分立的促动器。这些促动器通过扭矩和将扭曲变形传递到隔板30上，使得上蒙皮和下蒙皮16、18发生变形，并且因此中间或者后部翼型区域24、22发生变形。
根据图6所示的实施例，促动器作为弯曲促动器32、32’构造在至少一个隔板30上。通过隔板的弯曲变形使得翼型发生变形。
在图7的实施例中将促动器构造成分立的促动器32、32’。这些促动器通过缩短在隔板段30’上的铰接点34产生作用到蒙皮16、18上的力矩。这个力矩使得中间或者后部翼型区域24、22产生变形。
根据图8中所示的实施例将促动器32、32’构造成分立的促动器。这些促动器通过缩短设置在上蒙皮和下蒙皮16、18上的铰接点34使得在后部翼型变形区域22中产生变形。
在图9所示的实施例中将促动器构造成一种弯曲促动器32、32’。该促动器垂直于隔板30，并且相对于翼型厚度设置在隔板30的中间。通过促动器32、32’的弯曲变形通过隔板30将力传递到上蒙皮和下蒙皮16、18上，这个力促使翼型发生变形。
根据图10所示的实施例将促动器构造为分立的促动器32、32’。这些促动器通过连杆36将力传递到隔板30上，使中间翼型区域24产生变形。
根据图11所示的实施例将促动器构造成分立的促动器32、32’。这些促动器通过连杆36将力传递到隔板30上，使中间翼型区域24和后部翼型区域22同时产生变形。

Claims (23)

1. 特别是用于旋翼飞机的空气动力翼型(12)，包括：
-沿翼型纵深方向(T)构造成剪切柔性的翼型主体(14)，
-包封住翼型主体(14)的构造成受拉刚性和受压刚性的上蒙皮和下蒙皮(16、18)，
-构造在旋翼桨叶翼型(12)的翼型后缘区域中的无轴承和无铰链的后部翼型变形区域(22)，
-至少一个布置在翼型主体(14)中的促动器(32、32’)，通过该促动器可启动翼型主体(14)的弯曲运动，并且后部翼型变形区域(22)可以通过由翼型主体(14)的弯曲运动所引起的、上蒙皮和下蒙皮(16、18)的屈曲而变形形成与上述弯曲运动反向的襟翼偏转。
2. 按照权利要求1所述的空气动力翼型，其特征在于，翼型主体(14)在它的内腔中具有沿跨距方向和翼型纵深方向(T)延伸的空腔(28)。
3. 按照权利要求2所述的空气动力翼型，其特征在于，在空心体(28)中设置有多个隔板(30)，这些隔板和上蒙皮和下蒙皮(16、18)固定连接。
4. 按照权利要求2所述的空气动力翼型，其特征在于，在空心体(28)中安装有由剪切柔性材料制成的剪切柔性的核芯。
5. 按照权利要求3所述的空气动力翼型，其特征在于，这些隔板(30)构造成剪切柔性的。
6. 按照权利要求3所述的空气动力翼型，其特征在于，这些隔板(30)构造为弯曲柔性的。
7. 按照权利要求3所述的空气动力翼型，其特征在于，这些隔板(30)弯曲柔性地或者类铰接地和蒙皮(16、18)连接。
8. 按照前述权利要求中任一项所述的空气动力翼型，其特征在于，后部翼型变形区域(22)和翼型主体(14)的、与该后部翼型变形区域(22)邻接的沿翼型纵深方向(T)布置在后部翼型变形区域(22)前面的中间翼型区域(24)沿翼型纵深方向构造成剪切柔性的。
9. 按照权利要求6所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)和中间翼型区域(24)处于功能连接。
10. 按照权利要求6所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)和后部翼型区域(22)处于功能连接。
11. 按照前述权利要求中任一项所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)构造成弯曲促动器。
12. 按照权利要求11所述的空气动力翼型，其特征在于，弯曲促动器(32、32’)安装到上蒙皮和/或下蒙皮(16、18)上。
13. 按照权利要求11所述的空气动力翼型，其特征在于，弯曲促动器(32、32’)安装到隔板(30)上。
14. 按照权利要求11所述的空气动力翼型，其特征在于，弯曲促动器(30、32’)垂直于隔板30相对于翼型厚度设置在隔板30的中间。
15. 按照权利要求12至14中任一项所述的空气动力翼型，其特征在于，弯曲促动器(32、32’)以材料结合和/或形状配合和/或力结合方式和上蒙皮或下蒙皮(16、18)或者隔板(30)连接。
16. 按照权利要求1至10所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)构造成分立的促动器。
17. 按照权利要求16所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(30、32’)通过铰接点(34)和隔板段(30’)处于功能连接。
18. 按照权利要求16所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)和设置在上蒙皮和/或下蒙皮(16、18)上的铰接点(34)处于功能连接。
19. 按照权利要求16所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(32、32’)通过连杆(36)和设置在中间翼型区域(24)中的隔板(30)处于功能连接。
20. 按照权利要求16所述的空气动力翼型，其特征在于，促动器(3、32’)通过连杆(36)与设置在中间翼型区域(24)和设置在后部翼型区域(22)中的隔板(30)处于功能连接。
21. 按照前述权利要求中任一项所述的空气动力翼型，其特征在于，上蒙皮和下蒙皮(16、18)由纤维复合材料制成。
22. 按照权利要求21所述的空气动力翼型，其特征在于，上蒙皮和/或下蒙皮(16、18)具有沿翼型纵深方向(T)方向看变化的厚度。
23. 按照权利要求21和22所述的空气动力翼型，其特征在于，上蒙皮和/或下蒙皮(16、18)具有在翼型纵深方向(T)上变化的且由不同材料形成的层结构。
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