CN103209890B - 具有用于质量平衡的配重材料的复合旋翼桨叶 - Google Patents

Abstract

一种飞机用旋翼桨叶，包括具有纤维增强树脂材料的复合部分，该复合部分具有形成至少一部分翼型的外表面。配重部分包括多个配重材料层和多个纤维增强树脂材料层。配重材料配置成与用于制造旋翼桨叶的复合制造过程兼容或者能够整合到其中。配重部分与复合部分相比密度较大，并且设置成产生旋翼桨叶的期望的质量平衡特性。

Description

具有用于质量平衡的配重材料的复合旋翼桨叶

技术领域

本申请涉及旋翼桨叶。具体地，本申请涉及用于复合旋翼桨叶的质量平衡的配重材料，配重材料配置成与复合制造过程相兼容并且整合到复合制造过程中。

背景技术

典型的旋翼桨叶依靠一个或多个用于旋翼桨叶的质量平衡的固体金属配重，固定金属配重战略性地位于旋翼桨叶的结构中。典型地，固体金属配重通过将密致材料，例如铅或者钨进行铸造或者机器加工而制成。旋翼桨叶的几何形状典型地包括多个复杂的轮廓，由此导致金属配重需要花费巨大的工时来制造。例如，由于需要制造新的模具，因此铸造金属配重几何外形的变化需要花费大量的时间。在组装过程中，固体金属配重永久地位于旋翼桨叶中，以在操作过程中产生期望的动力学特性。例如，旋翼桨叶具有朝向叶梢设置的固体金属配重，以提高旋翼飞机在引擎故障时的自动旋转能力。另外，固体金属配重典型地沿着旋翼桨叶的前缘布置，以产生期望的飞行动力学特性。

用于旋翼桨叶质量平衡的固体金属配重还具有很多明显的不足。例如，如果发现旋翼桨叶的质量平衡需要发生改变，那么需要花费大量的时间来重新设计并制造替代的铸造工具，以生产改进的固体金属配重。此外，为了制造具有较大尺寸的旋翼桨叶，固体金属配重必须非常大。例如，可能需要接近100磅的固体金属配重。100磅的固体金属配重非常可能已经超出了工人的承载能力，因此在旋翼桨叶的组装过程中，固体金属配重可能需要机械地吊起到达需要的位置。固定金属配重的另一个不足在于，金属配重在旋翼桨叶中的锁定的设计挑战，其需要确保在旋翼桨叶的运行过程中金属配重不会脱落，如果脱落可能对飞机造成灾难性的损害。

尽管旋翼桨叶的质量平衡已经取得了长足的发展，仍然存在许多不足。

附图说明

被认为是本申请特有的新颖性特征在所附的权利要求中提出。然而，系统本身及其优选的应用方式，以及进一步的目标和优点将在参考下面的详细说明并结合附图而获得最好的理解，其中参考标记数字最左侧的标记数字表示各个参考标记数字出现在其中的附图，其中：

图1为根据本申请的优选实施例的具有旋翼桨叶的旋翼飞机的侧视图；

图2为图1的旋翼桨叶的透视图；

图3为沿着图2的剖面线III-III，旋翼桨叶的一个选取部分的程式化剖面图；

图4为沿着图2的剖面线IV-IV，旋翼桨叶的一个选取部分的程式化剖面图;

图5为纤维铺放机在图2的旋翼桨叶的配重部分铺放配重材料的程式化视图；

图6-10为图4的配重部分中一个选取部分的程式化详细视图；

图11-13为图3的旋翼桨叶的选取部分的程式化详细视图；并且

图14和15为图3的旋翼桨叶的选取部分的详细视图。

尽管本申请的系统和方法易受各种修改和替代形式的影响，其具体的实施方式通过图中的例子被示出并且在这里进行详细的描述。然而应当理解的是，这里对具体实施方式的描述并不是为了将本发明限定到公开的特定实施方式，而恰好相反，本发明的全部修改、等同物、以及替代的方案旨在覆盖落在如所附的权利要求所限定的本申请的精神和范围内。

具体实施方式

本申请的系统和方法的说明性实施方式将在下面进行说明。为了本文的清晰，说明书中并未描述实施例的所有特征。可以意识到的是，在任何实际实施方式的发展中，为了实现开发者的具体目标，将作出多种具体实施决定，例如服从组件相关和商业相关的约束条件，其将从一种实施方式变化到另一种。更多的，可以意识到这种发展效果可能是复杂和耗时的，但是仍然是享有本公开的益处的本领域普通技术人员所必须经历的常规程序。

在说明书中，如在附图中描绘的，参考标记用于标示各种组件之间的空间关系以及组件的各种方位的空间指向。然而，如本领域技术人员在完整地阅读了本申请之后能够认识到的，这里描述的装置，元件，设备，等等可以设置成任何期望的指向。由此，诸如“内侧”，“外侧”，“上方”，“下方”，“上部”，“下部”或者其它类似的用于描述各种组件之间的空间关系或者用于描述这些组件的方位的空间指向的术语的使用应当理解为描述组件之间的相对关系或这些组件的方位的空间指向，因为这里描述的装置可以指向任何期望的方向。

参照图1，旋翼飞机101包括机身103和起落架105。旋翼系统107配置成接收循环和集中控制输入，由此使得飞机101能够做出受控动作。例如，集中控制输入集中地改变每个旋翼桨叶201的俯仰。相反，循环控制输入根据旋转位置选择性地改变单个旋翼桨叶的俯仰。例如，随着旋翼桨叶201旋转，循环控制输入能够提高旋翼飞机101一侧的提升力，同时减小旋翼飞机101另一侧的提升力，由此产生提升力差。以这种方式，循环控制输入能够用于控制飞机101的俯仰和翻滚，还能够产生各种倾转移动。应该意识到旋翼桨叶201可以用于多种飞机，包括倾斜旋翼飞机，四倾转旋翼飞机，飞机，以及旋翼机，仅举几例。

参照图2，进一步详细示出旋翼桨叶201。配重部分203被示意性地示出邻近前缘205和末端211。应该意识到一个或多个配重部分203可以设置在旋翼桨叶201的多个位置。例如，配重部分203可以设置成邻近末端211和根部209的中间跨接位置。此外，配重部分203可以是沿着前缘203从接近末端211的位置延伸到接近根部209的位置的连续部分，配重部分203具有根据惯性需要而变化的密度等级。配重部分203与复合部分217相比具有更高的密度，以使得旋翼桨叶201的重心朝向配重部分203的位置而偏斜。

现在参照图3和4，其为旋翼桨叶201的剖面图。前缘205限定出旋翼桨叶201向前的轮廓。上部蒙皮213和下部蒙皮215限定出旋翼桨叶的上部和下部轮廓。上部蒙皮213和下部蒙皮215优选地包括纤维增强，复合树脂材料，例如碳纤维增强环氧树脂材料。后缘207表示上部蒙皮213和下部蒙皮215接合到一起的后缘部分。应该意识到旋翼桨叶201可以具有多种机翼形状，包括铰接件，例如移动襟翼，以及类似的部件。

旋翼桨叶201包括复合部分217和配重部分203。复合部分217优选地包括纤维/树脂复合材料，例如玻璃纤维/环氧树脂材料，但是也可以采用其它形式的纤维/树脂复合材料。旋翼桨叶201可以包括内部结构部件，例如除了复合部分217之外，还包括翼梁和肋条。此外，蜂窝芯可以在旋翼桨叶201的复合部分217内部的特定区域里用作轻量的刚性元件。再进一步，复合部分217可以包括中空部分或者闭孔泡沫材料以尽可能使旋翼桨叶201的特定部分保持轻量且具有刚性。在复合部分217的制造过程中，纤维铺放机221（在图5中示出）优选地用于铺放未处理的玻璃钢/环氧树脂预浸渍窄带，也被称为“预浸渍料坯”。可替代地，可以采用人工以预定的样式铺放预浸渍窄带，也被称为“人工铺放”，其为一种人工方法。预浸渍带可以在多个方向上铺设。预浸渍带可以是单向样式的，其纤维还有编织样式具有相同的方向，使得纤维编织到一起形成一个多方向的样式。

配重部分203包括配重材料219，其包括实质上为配重部分203增加重量的密致材料。配重材料219配置成与复合制造过程相容并且整合到其中。例如，纤维铺设机221（在图5中示出）优选地用于铺设复合部分217和配重部分215。在优选的实施例中，配重材料219包括密致金属，例如铅，但是其它密致金属，例如钨也是可用的。如图4所示，在优选的实施例中，配重材料219包括薄的铅带。如图11所示，配重部分203还包括多个纤维/树脂复合材料层223，例如纤维玻璃/环氧树脂材料，使得配重材料219夹在两个纤维/树脂复合材料层223之间。如图12所示，在一个替代的实施例中，粘结层225应用在每个标准材料层219和纤维/树脂复合材料层223之间。在优选的实施例中，密致材料的薄带与纤维/树脂复合材料223的厚度一样。例如，如果每个纤维/树脂复合材料层223的厚度为0.015英寸，那么密致材料薄带的厚度优选地为0.015英寸。

旋翼桨叶201的质量平衡可以通过改变配重部分203的尺寸，位置和密度而容易地改变。例如，如果旋翼桨叶201的测试确定配重部分203需要再增加3英镑的重量，那么配重部分203可以通过重新编排铺放程序使得配重部分203的尺寸增加从而增加3英镑的重量。可选地，配重部分203可以简单地使用密度更大的材料219进行铺放，以使得配重部分的重量增加3英镑。此外，配重部分203能够通过增加用在配重部分203中的配重材料219的数量而变得更重。这些改变都是可以快速并且准确地做出的。此外，旋翼桨叶201良好的质量平衡现在可以通过对配重部分203的铺放结构做出很小的改变而实现。

现在参照图6-10，示出配重材料219的替代实施例。图6描绘了一种具体的结构，其中配重材料219包括薄的铅带，每个带以45度角布置。应该意识到，薄的铅带可以以任意角度布置。

图7和8描绘了一个实施例，其中配重材料219和纤维/树脂复合材料223编织到一起以形成配重编织物227。描绘出的配重编织物227的配重材料219的带的宽度比纤维/树脂复合材料223的宽；然而，应该意识到，还可以使用宽度可以变化的带。例如，图8描绘了一个实施例，编织物227的配重材料带219的宽度接近于纤维/树脂复合材料带223的宽度。当多个配重编织层227用于形成配重部分203时，纯的纤维/树脂复合材料层223并不是必须的。换句话说，在该实施例中，配重部分203包括直接铺放在彼此之上的多个配重编织层227。在该实施例中，相邻的配重编织层227形成了位于彼此之上的每个纤维/树脂复合材料带223是上的纤维交联结构。在该实施例中，每个编织物227中的纤维/树脂复合材料223作用于提供结构连续性，同时还作用于固定配重材料带219。应该意识到，粘结层225可以用在每个配重编织层227之间。图13描绘了直接铺放在彼此之上的配重编织层227。可选地，粘结层可以用在每个配重编织层227之间。

图9描绘了配重材料219可选择地采用纤维束229的形式取代实际的配重带。每个纤维束229构造为多个密致材料纤维状带束，例如铅。虽然图9描绘了每个纤维束229轴向地沿着旋翼桨叶201的长度布置，应该意识到每个纤维束229可以以任意的角度布置。

图10描绘了配重部分203内部的一个层，其包括用以形成单个混合层231的配重材料219和纤维/树脂复合材料223的多个交互带。换句话说，如图10所示，每个单独的混合层231包括配重材料带219和纤维/树脂复合材料带223。在该实施例中，混合层231直接铺放在彼此之上以形成配重部分203。虽然图10描绘了轴向地沿着旋翼桨叶201的长度布置的配重材料带219和纤维/树脂复合材料带223，应该意识到配重材料带219和纤维/树脂复合材料带223可以以45度角布置。当带219和223以某一角度布置以形成混合层231时，相邻的层231优选地以相对的角度布置，以形成位于彼此之上的纤维/树脂复合材料带223之间的纤维交联结构。在该实施例中，纤维/树脂复合材料223作用于提供结构的连续性，同时固定配重材料219。应该意识到，粘结层225可以用在每个混合层231之间。

在替代的实施例中，配重材料219可以是密致金属粉末，例如铅粉末，与纤维/树脂复合材料混合在一起。例如，铅粉末可以与树脂混合，或者它们自身可以被吹制到纤维上。在另一个替代的实施例中，配重材料219可以通过浸渍或涂抹过程而涂覆有密致金属。

现在参照图14和15，示出配重部分203和复合部分217之间的分界区域。图14示出一个实施例，其中配重部分203和复合部分217彼此邻接。图15示出一个实施例，其中配重部分203和复合部分217彼此邻接。图16示出一个实施例，其中配重部分203和复合部分217至少部分地指接在一起。例如，如图15所示，配重材料219延伸进入复合部分217中。配重部分203和复合部分217指接在一起使得每个配重材料层219之间更好地紧固在一起。

应该意识到除了旋翼桨叶之外，还可以在多个复合元件上设置根据本申请的系统的配重部分。例如，在任何需要密致部分或特定重心的复合部件上都可以使用与这里公开的关于旋翼桨叶201的制造过程相类似的制造过程。

本申请的系统具有显著的优点，包括：（1）在旋翼桨叶内部设置的配重部分能够容易并且快速地得以改进；（2）用于旋翼桨叶的配重部分由于在配重部分内部以及周围设置有纤维/树脂复合材料而更牢固地被固定；（3）配重部分能够通过配重部分内部的纤维/树脂复合结构而提供周围复合部分的结构连续性；（4）配重部分能够通过自动的或人工的复合铺放技术而被铺放；（5）减少了旋翼桨叶的组成部件数量；（6）在质量平衡过程方法中能够提供良好的调整；以及（7）不需要为传统旋翼桨叶配重提供铸造工具。

上面公开的具体实施例仅仅是示意性的，本申请可以以对享有这里的教导的利益的本领域技术人员来说现已建的不同但是等效的方式进行修改和实施。此外，除了下面在权利要求中描述的，这里示出的结构或设计的细节并不是限制性的。因此显而易见的是上面描述的具体实施例可以被改变和修改并且全部的修改都被认为位于本申请的范围和精神之内。相应地，这里寻求的保护在下面的权利要求中提出。显而易见的是描述和示出的系统具有显著的优点。尽管本申请的系统以有限数量的形式被示出，其并不限于这些形式，而是可修改的具有各种改变和修改而不会脱离本申请的精神。

Claims (19)

1.一种用于飞机的旋翼桨叶，该旋翼桨叶包括：

具有纤维增强树脂材料的复合部分，该复合部分具有形成至少一部分翼型的外表面；

配重部分，其包括：

多个配重材料层；

多个纤维增强树脂材料层；

其中每个配重材料层与至少一个纤维增强树脂材料层相邻；

其中每个配重材料层与相邻的纤维增强树脂材料层之间形成交联结构；

其中配重部分与复合部分相比具有更高的密度。

2.根据权利要求1的旋翼桨叶，其中配重部分设置成邻近旋翼桨叶的前缘部分。

3.根据权利要求1的旋翼桨叶，其中每一配重材料层为薄的金属带。

4.根据权利要求3的旋翼桨叶，其中金属为铅。

5.根据权利要求3的旋翼桨叶，其中金属为钨。

6.根据权利要求1的旋翼桨叶，其中每个配重材料层包括：

多个密致金属带束。

7.根据权利要求1的旋翼桨叶，其中每个配重材料层包括：

多个密致金属带与多个纤维复合材料带编织到一起。

8.根据权利要求7的旋翼桨叶，其中编织到一起的多个密致金属带的宽度比纤维复合材料带的宽度宽。

9.根据权利要求1的旋翼桨叶，配重部分进一步包括：

位于每个配重材料层和每个纤维增强树脂材料层之间的粘结层。

10.根据权利要求1的旋翼桨叶，其中复合部分和配重部分在邻接区域至少部分地楔合到一起。

11.一种复合元件，包括：

具有纤维增强树脂材料的复合部分；

位于复合部分内部的配重部分，配重部分与复合部分相比密度较高，以使得复合元件的重心朝向配重部分的位置偏斜，配重部分包括：

多个复合层；

多个配重层；

其中每个配重层和复合层以交替形式布置；

其中每个配重层与相邻的复合层之间形成交联结构。

12.根据权利要求11的复合元件，每个配重层包括：

包括纤维复合材料与多个密致金属带编织到一起的配重编织物。

13.根据权利要求11的复合元件，每个配重层包括：

包括复合材料与多个密致金属带编织到一起的配重编织物；并且

其中密致金属带束通过与纤维复合材料编织到一起而被固定。

14.根据权利要求11的复合元件，配重部分进一步包括：

与复合层整合到一起的密致金属粉末。

15.一种制造旋翼桨叶的配重部分的方法，包括：

交替铺放配重材料层和纤维/树脂复合材料层；以及

加热以处理该配重部分；

其中每个配重材料层与相邻的纤维/树脂复合材料层之间形成交联结构。

16.根据权利要求15的方法，其中至少部分地通过自动纤维铺放的方法实现交替铺放配重材料层和纤维/树脂复合材料层。

17.根据权利要求15的方法，其中至少部分地通过人工纤维铺放的方法实现交替铺放配重材料层和纤维/树脂复合材料层。

18.根据权利要求15的方法，其中通过人工纤维铺放的方法实现配重材料的铺放，同时通过自动纤维铺放的方法实现纤维/树脂复合材料层的铺放。

19.根据权利要求15的方法，其中配重材料包括薄的密致金属带。