CN101553399B - 推进器叶片保持器 - Google Patents

Abstract

一种推进器叶片组件和组装方法。根据本发明的一种实施方式，提供了一种推进器叶片组件，包括带有多个凹部(15)的浆毂(1)和多个复合构造的推进器叶片(3)，所述叶片一端固紧在设置于所述浆毂凹部内的各金属根部构件(41)上的保持凹腔内。至少每个叶片(3)的内翼侧端部具有非圆形截面，该截面在叶片(3)的相对两侧包括两个纤维束(31、32)，并且它们彼此隔开中部区域(33)。根部构件(41)的保持凹腔具有非圆形截面并且从内翼侧端部相对较大的截面向靠近根部构件表面的外翼侧端部逐渐减小为相对较小的截面。所述两个纤维束(31、32)在该凹腔(40)内相对于彼此向外张开并各自分开成至少两个层。所述组件进一步包括非圆形截面的插件构件(37)，其位于每个凹腔(40)中，处于两个纤维束(31、32)之间的中部区域中；和插置在每个束(31、32)的每个层之间的渐缩非圆形楔形构件(55)，以便每个叶片(3)的内翼侧端部在插件构件(37)的相对两侧向外扩张，填充该凹腔(40)并提供机械保持作用，防止所述叶片(3)向着外翼侧方向脱离。

Description

推进器叶片保持器

技术领域

本发明涉及将复合推进器叶片内翼侧端部保持在浆毂中的布置和方法。

本发明更特别但并不排他地涉及用于复合构造的飞行器推进器叶片的安装布置。

背景技术

飞行器推进器包括以其内翼侧端安装到浆毂的两片或多片叶片，浆毂与引擎轴固定。具有可变俯仰角的推进器布置成使其俯仰角可以在使用中调节，或者可以在其处于地面上的时候进行调节。在这种推进器中，它们的叶片的内翼侧或根部端具有圆形截面，以便它们可以夹紧(在地面调节俯仰角的情况下)或保持在浆毂的圆形滚动元件轴承中(在可变俯仰角推进器的情况下)，以允许改变叶片俯仰角。可变俯仰角飞行器推进器通过改变叶片俯仰角来调节推进器从驱动引擎的动力学吸收能力，并且一些可变俯仰角飞行器推进器还可以“羽化(feahter)”成产生很小或不产生推力和较小的阻力，或者产生反向推力在地面上使用，并且从开始出现动力飞行以来就一直在使用。推进器叶片用多种材料制造，但是全部可变俯仰角叶片根部都具有金属根部端，用来与保持轴承衔接。如果叶片翼型为金属，则金属叶片根部与叶片翼型整体形成，或者如果叶片翼型为非金属，则固定到叶片翼型。圆形截面的金属根部端还可以提供圆形动力学密封特征件，从而在叶片俯仰角变化时，将润滑流体保持在浆毂内。

随着叶片进入叶片根部，传统复合飞行器推进器叶片以及可变俯仰角推进器的实心金属叶片的截面从空气动力学翼型形状逐渐变为圆形或近似圆形截面。这称之为叶片过渡区域，并且由于结构方面的原因，也是必要的。这样会出现增大叶片内翼侧端部空气动力学阻力的影响，通过模制或其他方式在该结构周围连接非结构性减阻装置(fairing)，有时可以缓解这种局面。

正如产生和抵消推进器的推力载荷一样，推进器叶片因旋转而承受巨大的离心力。它们还暴露于由引擎扭矩波动产生和与以偏离旋转轴线的角度进入推进器旋转平面的气流相关的空气动力学效应即已知的“1P”载荷产生的高频振动载荷中，尤其是在引擎为直接驱动的往复式活塞引擎的时候。叶片必须在地面和飞行过程中所经历的较大环境温度范围内承受这些载荷。推进器叶片在操作过程中从推进器脱离是危险和潜在灾难性的事故，因此推进器叶片和浆毂归类为飞行器上的“关键部件”。因此，在以除用于金属根部的金属之外的材料制造推进器叶片翼型时，彼此之间的固定成为需要在严酷环境中工作的关键设计特征。较之金属叶片来说，复合叶片使得重量显著减轻，并且将复合叶片安全地固定到金属根部构件的许多不同方式也是已知的。

发明内容

本发明的目标是提供一种替代的推进器叶片保持布置和方法。

根据本发明一个方面，提供了一种推进器叶片组件，包括带有多个凹部的浆毂和多个复合构造的推进器叶片，所述叶片一端固紧在安装于所述浆毂凹部内的该金属根部构件上的保持凹腔内，至少每个叶片的内翼侧端部具有非圆形截面，该截面在叶片的相对两侧包括两个纤维束，并且它们彼此隔开中部区域，金属根部构件的保持凹腔具有非圆形截面并且从内翼侧端部相对较大的截面向靠近金属构件表面的外翼侧端部逐渐减小为相对较小的截面，所述两个纤维束在该凹腔内相对于彼此向外张开并各自分开成至少两个层，所述组件进一步包括非圆形截面的插件构件，其位于每个凹腔中，处于两个纤维束之间的中部区域中，和插置在每个束的每个层之间的渐缩非圆形楔形构件，以便每个叶片的内翼侧端部在插件构件的相对两侧向外扩张，填充该凹腔并提供机械保持作用，防止所述叶片向着外翼侧方向脱离。

优选，所述叶片内翼侧端部和所述插件构件的截面为矩形。该楔形构件优选借助固化树脂与所述纤维层结合。

附图说明

现在将通过示例，参照附图说明本发明的飞行器复合推进器叶片组件，其中：

图1是该组件的端视图；

图2是示出叶片内翼侧端部和其在浆毂中的保持部的截面侧视图；

图3是沿着图2中的线III-III切开的截面图；

图4是沿着图2中的线IV-IV切开的截面图；

图5是叶片内翼侧端部的简化截面图。

具体实施方式

首先参照图1至4，该组件包括中央浆毂1，该浆毂围绕其轴线2旋转并支撑4片径向延伸的叶片3。每个叶片的翼型部分由复合材料制成，并且每个叶片内翼侧端部固紧在一般为柱状外轮廓的金属根部构件41内。根部构件41各自安装在浆毂1内的各凹部5内。应该理解，该组件可以具有两个或多个任意数目的叶片。

叶片翼型3用碳纤维和玻璃纤维加强的环氧树脂制成，带有中央聚氨酯泡沫芯部33，这是一种熟知的构造方法。加强纤维与芯部33铺设成适当塑形的层，以预成形所述翼型，并且可以用树脂预浸渍，或者纤维可以是干的，树脂在后续阶段(树脂转移模制，或RTM)注入叶片结构。虽然环氧树脂是用于加强纤维的优选基体，但是也可以使用其他树脂系统。同样，本发明的实施方式并不仅限于碳和玻璃纤维构造，而是可以采用其他纤维类型，而且本发明也不依赖于包含单独的、以泡沫或其他材料制成的芯部。

将纤维/芯部预成形件以及叶片金属根部置于具备所需叶片形状的带有凹腔的模具中，如果是RTM的场合，则向模具施加热量和压力，同时向凹腔内注入树脂，如果是预浸渍纤维的场合，则仅施加热量和压力，从而形成叶片翼型。

叶片3的主要结构特征是一对矩形截面翼梁31和32，每个翼梁主要包括或者仅包括一组若干层连续单向纤维(通常为碳纤维)，纤维轴线取向平行于叶片俯仰变化轴线。翼梁31和32沿着芯部33相对两侧延伸，芯部截面为矩形。翼梁31和32不必具有同样数量的层或厚度。芯部33可以为任何传统构造，诸如泡沫或粘结纤维层的离散复合束。作为两个大约矩形截面的连续单向纤维组，两个翼梁31和32延伸超过翼型叶片3的内翼侧端部34(就是说，沿着叶片与金属叶片根部41的外表面35等高的位置)，每一组包括若干纤维层。

叶片3芯部33终止于叶片过渡区域中截面不变的一部分。该部分可以位于金属根部41外表面35的外翼侧，如图2所示，或者可以位于内翼侧，就是说，金属根部内侧。

模制前，在构造叶片预成形件的过程中，翼梁31和32位于过渡区域内翼侧的两个平行延伸部插入浆毂1中金属叶片根部构件41内侧的塑形凹槽40内。在固定俯仰角推进器的情况下，根部构件41外侧表面可以不是圆形，但是对于陆基可调节且可变俯仰角推进器而言，外侧表面42为圆形(如图4所示)。根部构件41轴线与根部内叶片翼梁的中轴线同轴，并且轮廓适应叶片俯仰角变化以及保持轴承和密封叶片浆毂的装置。叶片根部构件41的外翼侧和内翼侧表面垂直于叶片径向轴线，并且内翼侧表面为叶片俯仰角促动特征件(未示出)提供安装点。

凹腔40具有新颖形状，关于由翼梁31和32中部形成的平面对称或近似对称。凹腔40外翼侧端部与复合叶片3具有相同截面，呈现出带有圆角的矩形截面。该圆角矩形入口形状适合翼梁31和32以及将要引入根部构件41的叶片复合蒙皮43的其他纤维层。在平面图上观察，凹腔40在整个深度上具有圆角矩形截面。凹腔40的厚度t在不同的深度上保持恒定，但是其宽度w变化，在下部内翼侧端部较之在根部构件41表面35处更大。在靠近根部构件41表面35的上部区域43中，凹腔40具有恒定宽度w。凹腔40的中间部分44形成其长度的主体部分，向外逐渐膨大，使宽度远离轴线增大，形成相对弯曲的凸表面45。凹腔40下部区域46相对较短，并且具有宽度恒定的平直轮廓。在凹腔的该下部区域46以下是扩大的台阶区域47。叶片3内翼侧端部接收在凹腔40内，向下延伸到下部区域46。叶片3内翼侧端部横向扩张，密切地配合在凹腔40内，以便其外表面密切贴靠凹腔内侧表面。

叶片根部凹腔40内的两个叶片翼梁31和32各自分成大约相等的4组纤维层51至54。最外侧翼梁纤维组51铺设在根部凹腔40的外侧弯曲轮廓上。然后，第一矩形平面、楔形纤维预成形件55插置在该组51和相邻纤维组52之间。然后，第二翼梁纤维组52铺设在第一楔形件55上。然后，第二矩形楔形预成形件56插置在第二纤维组52和第三翼梁纤维组53之间。第三楔形件57最后插置在第三和第四纤维组53和54之间。对于两个翼梁31和32重复该过程。纤维楔形件55到57包括干纤维或树脂预浸渍纤维的错开层，不论对叶片3采用何种模制系统。楔形件55至57并非预固结件，而是仅在叶片3模制时固结，以便它们与该复合结构成为一整体。由翼梁31和32以及楔形件55至57产生的形状使得侧部平行的矩形截面空间58形成在两个楔形翼梁之间，在叶片根部轴线上定心。整个芯部上用于复合结构的纤维体积比例近似理想情况。用在每个翼梁上的楔形件数目可以或多活少，但是认为三个楔形件最为有效和经济。

与叶片芯部33具有相同矩形截面和尺寸的实心插件37对中地插置在两个叶片翼梁31和32的空间58内，抵靠芯部的内翼侧端部，并延伸到翼梁的内翼侧端部。根部插件37可以是众多金属或非金属材料其中一种，并且在叶片模制完成后粘结就位。叶片翼梁31和32之间用来容纳插件37的空间58借助与根部插件形状相同的模制工具形成，模制完成后取下该工具。这样能在插件37粘入之前从模制插件空间58内对复合楔形结构进行无损检测。空间58和根部插件37之间的小间隙适合所用的粘结系统，以实现最大的结合强度。根部插件37可以提供推进器叶片上所需的其他特征件，诸如用于内部叶片平衡重物的容纳部和用于俯仰角促动装置的连接件。

如果叶片不具有芯部，则预成形件中部厚度足够的复合材料终止于金属根部外翼侧表面附近，在两个翼梁之间形成空间来接收根部插件。

叶片的保持特性通过适当选择翼梁厚度、楔形件厚度、楔形件高度以及楔形件曲率而实现最大化。理想情况下，楔形件高度与厚度比率H/L以及翼梁厚度与楔形件厚度比率S/L(图5)应该在2或3到1的范围内，其他接近该范围的比例也可以满足要求，并且对于其他设计约束来说可能是必要的。楔形件曲率C应该能切向过渡到叶片翼梁31、32内，并且过渡到楔形件的全部宽度，以使楔形件端部平行于叶片翼梁的平面的时候终止，如图5所示。但是，轮廓变化也是可行的，只要能保持光滑过渡即可。楔形件优选塑形为保持理想纤维体积分数，并且避免翼梁层曲线突变。这样，来自叶片的力(推进力和离心载荷)光滑传递到根部构件，避免了翼梁层出现应力集中区，并且优化复合叶片保持系统的承载强度。

保持布置的最后部件是配合在金属根部构件41内的凹腔40台阶状加大下部47中的复合叶片3内翼侧端部、与外侧直径对称的堵头60。凹腔40的下部47优选在模制和插件结合之后进行机加工。堵头60并不是基本叶片保持系统的必要部件，但是能提供有用的辅助功能。堵头60为圆形，并且通过传统方式固紧在叶片根部金属构件内，固紧方式适合发挥其功能。堵头60外翼侧表面靠近叶片根部插件内翼侧表面固定，这样即使插件从复合根部楔形件脱开，该堵头也能抵靠推进器旋转时产生的任何力而将该插件保持就位。这样提供了插件结合部失效时的防故障特征。堵头60的周边可以用来根据需要容纳密封特征件，以防止任何推进器浆毂润滑剂从内部污染复合叶片。堵头60可以是可拆卸部件，或者可以是叶片组件的永久组成部分，取决于维修需求。

粘结剂结合部高度决定于制造操作者的耐心和严格控制过程参数，并且对于粘结接头尚不存在完全可靠的无损检测方法。本发明布置的一项优势在于，根部构件内叶片的关键保持部并不依赖于粘结剂结合部的整体性。除了由堵头60提供防故障地保持插件37之外，该插件侧部也保持平行，以便操作过程中不会有固有剪切力作用在粘结接头上，如果粘结剂失效的话，该剪切力容易挤出该插件。相反，插件37上的正常离心力倾向于保持其位于复合叶片根部空间58内的位置。同样，叶片保持系统不依赖于模制过程中在复合叶片根部和金属根部构件41内的凹腔40之间形成的粘结结合部。在全部粘结剂失效的情况下，复合叶片3将会安全地保持，并且不会影响关键部件上的应力等级。

传统叶片保持布置以前使用保持楔件，但是在这些传统布置中，复合材料在端部配件处为圆形截面，并且复合楔件为截头中空锥形。本发明的布置能更为简化所用的楔形部件，并使组装更容易进行。此外，可以实现更薄、更符合空气动力学的翼型过渡区域。这样能降低成本并改善性能。

本发明的布置可以避开加厚叶片过渡区域的需求，从而使空气动力学阻力最小，并避开对额外空气动力学减阻装置的需求。叶片载荷机械地传递到金属端部配件，通过避免应力集中而使金属和复合部件上的应力最小化，并由此使得保持系统的强度能力最大化。该制造方法允许对根部构件内侧的复合结构进行彻底的无损检测，以查找模制缺陷，诸如夹渣、空隙和树脂未完全浸润纤维的区域，以确保复合材料特性不打折扣。此外，将复合叶片保持在金属根部构件并不取决于复合材料与金属之间的粘结部。随着载荷增大，叶片载荷产生楔紧动作，将复合叶片3更为牢固的压紧在金属根部构件41中。具体来说，金属插件37和复合叶片3之间的结合部因楔紧动作而处于压缩载荷场中，并且不会产生力来剪切结合部或挤出插件。根部插件本身产生的离心力倾向于将其保持就位，即使结合部失效。此外，叶片根部堵头60从物理上防止插件37的位移超过最小量。通过确保复合纤维体积分数在整个叶片根部楔形件中保持在要求范围内，并且保证单向纤维不会发生降低其承载能力的压接或方向突变情况，可以让叶片根部复合材料的强度最大化。将叶片预成形件组装到金属根部构件并安装简单的平坦楔形件的过程较之同等的柱状设计更为简单、迅速且一致性更好。

应该理解，本发明并不限于用在飞行器推进器中，而是可以用来保持其他复合叶片。

Claims (8)

1.一种推进器叶片组件，包括：

带有多个凹部的浆毂；

多个复合构造的推进器叶片，每个推进器叶片具有内翼侧端部；

带保持凹腔的金属根部构件，

其中，推进器叶片的内翼侧端部被固定在金属跟部构件的保持凹腔中，

其中金属根部构件被安装在浆毂的多个凹部中的一个中，

其中，每个推进器叶片的内翼侧端部限定非圆形截面，该截面在推进器叶片的相对两侧包括两个纤维束，并且它们彼此隔开中部区域，

其中，根部构件的保持凹腔限定非圆形截面并且从保持凹腔的内翼侧端部相对较大的截面向保持凹腔的外翼侧端部逐渐减小为相对较小的截面，以及

其中，所述两个纤维束在该保持凹腔内相对于彼此向外张开并各自分开成至少两个层；

限定非圆形截面的插件构件，其位于每个保持凹腔中，处于两个纤维束之间的中部区域中；

和插置在每个纤维束的每个层之间的渐缩非圆形楔形构件，以便每个推进器叶片的内翼侧端部在插件构件的相对两侧向外扩张，填充该保持凹腔并提供机械保持作用，防止所述叶片向着外翼侧方向脱离；以及

配合在各根部构件的保持凹腔内的各推进器叶片内翼侧端的内翼侧的堵头。

2.如权利要求1所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述推进器叶片内翼侧端部和所述插件构件的截面基本上为矩形。

3.如权利要求1所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述楔形构件借助固化树脂与所述纤维束的层结合。

4.如权利要求1所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述保持凹腔的形状基本上关于由包括各纤维束的翼梁组的中心形成的平面对称。

5.如权利要求1所述的推进器叶片组件，进一步包括设置在所述纤维束之间的低密度芯部材料。

6.如权利要求5所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述低密度芯部材料包括聚氨酯泡沫。

7.如权利要求1所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述楔形构件高度与厚度比率(H/L)以及所述纤维束厚度与楔形构件厚度比率(S/L)处于2到1的范围内。

8.如权利要求1所述的推进器叶片组件，其特征在于，所述楔形构件高度与厚度比率(H/L)以及所述纤维束厚度与楔形构件厚度比率(S/L)处于3到1的范围内。

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