CN104210656A - 一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶 - Google Patents

Abstract

一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶，属于直升机部件设计技术，涉及一种结构紧凑、满足强度要求的智能旋翼桨叶。其特征在于：驱动框的定位基于前缘大梁带束数不变的原则，利用翼型基准线作为前缘定位平面的法线；驱动系统在复合材料桨叶中的接口采用前缘大梁捆绑、中部大梁拉拽以及端部顶块这三种方式的任意组合；襟翼轴使用与蒙皮相连的短切限位块包裹。本发明在不破坏翼型气动面的前提下，提出了一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶的设计方案，该方案的桨叶构造合理、工艺方案行之有效，最大限度保证了接口的强度，确保在各种旋翼试验工况下驱动系统都能安全稳定工作。

Description

一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶

技术领域

本发明属于直升机部件设计技术，具体涉及一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶。

背景技术

后缘襟翼型智能旋翼的工作原理是利用后缘襟翼独立运动所产生的气动力来抵消桨叶的振动载荷，其研究基础是研制一副后缘襟翼型智能旋翼桨叶。所谓“后缘襟翼”是指在布置在桨叶后缘的独立升力面，可以作定轴偏转运动，这一点类似于固定翼飞机的舵面；“智能”是指利用安装在桨叶内部的作动器，在自适应程序的控制下，驱动后缘襟翼作特定的运动，从而产生高阶气动力来抵消桨叶的振动。这种智能旋翼桨叶与一般桨叶相比，其内部安装了作动机构，并在桨叶后缘布置内嵌式襟翼，工作时由作动机构驱动襟翼运动，以下将这种类型的桨叶统称为ACF(Active Control Flap)旋翼桨叶。

上世纪末，德国DLR和法国ONERA为欧直公司的ATR项目(Advanced Technology Rotor)研制了ACF(Active BladeConcept)旋翼桨叶。美国马里兰大学的Chopra在Bell-412直升机桨叶的基础上，研制了带后缘襟翼主动控制的智能旋翼桨叶；国内方面，南京航空航天大学、哈尔滨工业大学的研究人员对ACF旋翼桨叶的减振原理以及襟翼驱动装置的原理设计，并设计制造了简单的2m直径模型ACF旋翼，用于该项技术的原理性试验研究。

欧美等国家的ACF旋翼桨叶设计对材料技术和工艺水平过于依赖，我国在这方面差距较大，因此无法实现国外的设计方案；国内对ACF桨叶研究的侧重点在于驱动装置的原理性设计以及襟翼的功能研究，对驱动系统在桨叶中的集成设计尚无完整有效的方案。十一五期间制作的ACF桨叶，局部设计尚不合理，只能用于初步的原理性试验。

发明内容

本发明的目的：针对具有典型工程特征ACF桨叶，提出一种新型后缘襟翼型智能旋翼桨叶，详细阐述了驱动系统安装框的设计及其与复合材料桨叶的接口，以及复合材料襟翼的高频偏转功能的实现方法。解决了以下技术难题：

(1)直升机桨叶外形为带负扭转的曲面，且桨叶内部空间有限，驱动框和后缘襟翼的外形、定位设计必须与桨叶协调一致，否则容易与桨叶本体产生干涉或不匹配，导致襟翼驱动系统无法与桨叶集成；

(2)金属部件与复合材料构件连接不能使用螺栓，常用的粘接方法，强度有限，难以承受桨叶旋转产生的强大离心力；

(3)襟翼通过金属轴带动，实现襟翼的高频偏转振动，需确保襟翼轴与襟翼主体不发生脱离。

本发明的技术方案：本发明中的ACF旋翼桨叶，在靠近桨尖的展向位置集成襟翼驱动系统，在不破坏桨叶气动外形的前提下，综合考虑驱动系统自身功能实现及其与桨叶内部结构的兼容性。如图1所示，作动器、传感器、襟翼等零部件都安装在一个主体部分为矩形的金属驱动框内，桨叶上翼面设置盖板，便于驱动系统的拆装。

一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：

(1)后缘襟翼型智能旋翼桨叶包括桨叶本体、驱动框、作动器、后缘襟翼；

(2)驱动框包含在桨叶蒙皮以内，其上下表面与上下翼型面平行，前缘端面粘贴在桨叶大梁端面；驱动框前缘壁两端开凹槽，使用大梁带在凹槽位置将驱动框前缘壁缠绕在桨叶前缘大梁上；驱动框靠近桨根一侧壁上开孔，桨叶中部大梁穿过该孔后缠绕在内侧的螺栓上；驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置由玻璃纤维织物布和碳纤维织物布构成的堵块。

(3)襟翼由蒙皮、金属轴组件、短切纤维块以及泡沫填充构成，通过单独模具成型。

所述驱动框安装段的桨叶前缘大梁为D型梁13，其截面积不小于C型大梁12的截面积；D型梁后端面14与驱动框所处桨叶段中间翼型面的基准线15相垂直。

所述驱动框前缘壁上的凹槽宽度为大梁带宽度的1～3倍，深度为大梁带厚度的2～4倍；驱动框靠近桨根一侧壁上开孔7，孔的形状为带倒角的长条状，孔的截面积与桨叶中部大梁带截面积相当。

所述桨叶中部大梁穿过驱动框靠近桨根一侧壁上的开孔，通过缠绕或粘贴方式与驱动框相连。

所述驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置树脂基复合材料构成的堵块，堵块与上下桨叶蒙皮粘接。

所述襟翼轴使用短切纤维块包裹，短切纤维外表面与襟翼蒙皮粘接。

所述后缘襟翼型智能旋翼桨叶的上翼面蒙皮部分开有口盖。

本发明关键点是：

(1)基于桨叶前缘大梁带束数不变原则，变化大梁的截面形状，以翼型基准线作为驱动框前缘定位平面的法线。驱动框外形采用桨叶蒙皮切割法设计；

(2)驱动系统在复合材料桨叶中的接口采用前缘大梁捆绑、中部大梁拉拽以及端部顶块这三种方式的组合，最大限度确保接口强度；

(3)使用短纤维块包裹襟翼轴，将轴上的力矩传递襟翼蒙皮，从而实现了金属轴带动襟翼的高频偏转功能。

本发明的有益效果：

本发明设计了一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶，具体的技术效果体现在以下几个方面：

(1)本发明实现了金属驱动框在桨叶外形约束下的设计，使驱动框既能满足各部件安装要求，又便于在桨叶中布置。

(2)无需引入新的复合材料桨叶生产工艺，使用一般的工艺方法，操作较为简单。

(3)提出一种金属材质驱动系统在复合材料桨叶内的接口设计，结构受力更加合理，强度充裕，最大限度地保证了驱动系统的稳定运行。

(4)提出一种金属襟翼轴带动襟翼作高频运动功能的实现手段，使襟翼结构稳固，重量代价极小。

附图说明

图1后缘襟翼型智能旋翼桨叶示意图

图1中：1桨叶，2后缘襟翼，3作动器

图2驱动框示意图

图2中：5驱动框上表面，6前缘壁凹槽，7条状通孔，8螺栓孔

图3-1驱动框定位示意图

图3-2驱动框A-A剖视图

图3-3驱动框B-B剖视图

图3-1,3-2,3-3中：9旋翼旋转中心，10弦向定位，11展向定位，12C型大梁，13D型大梁，14D型梁后端面，15翼型基准线，16驱动框前缘壁

图4-1襟翼构造示意图

图4-2襟翼构造C-C剖视图

图4-1,4-2中：17短切纤维块，18襟翼轴，19填充泡沫，20后缘填充纤维，21蒙皮

图5-1驱动框与桨叶连接示意图

图5-2驱动框与桨叶连接D-D线剖视图

图5-3驱动框与桨叶连接E-E线剖视图

图5-1,5-2,5-3中：22桨叶前缘大梁，23捆绑大梁带，24驱动框，25桨叶中部大梁，26堵块

具体实施方式

一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：

(1)后缘襟翼型智能旋翼桨叶包括桨叶本体、驱动框、作动器、后缘襟翼，各部分采用捆绑、粘结以及螺栓紧固等方式连接；

(2)驱动框包含在桨叶蒙皮以内，其上下表面与上下翼型面平行，前缘端面粘贴在桨叶大梁端面；驱动框前缘壁两端开凹槽，使用大梁带在凹槽位置将驱动框前缘壁缠绕在桨叶前缘大梁上；驱动框靠近桨根一侧壁上开孔，桨叶中部大梁穿过该孔后缠绕在内侧的螺栓上；驱动框靠近桨尖一侧壁的外侧布置由玻璃纤维织物布和碳纤维织物布构成的堵块。

(3)襟翼由蒙皮、金属轴组件、短切纤维块以及泡沫填充构成，通过单独模具成型。

所述驱动框安装段的桨叶前缘大梁为D型梁13，其截面积不小于C型大梁12的截面积；D型梁后端面14与驱动框所处桨叶段中间翼型面的基准线15相垂直。

所述驱动框前缘壁上的凹槽宽度为大梁带宽度的1～3倍，深度为大梁带厚度的2～4倍；驱动框靠近桨根一侧壁上开孔7，孔的形状为带倒角的长条状，孔的截面积与桨叶中部大梁带截面积相当。

所述驱动框的前缘壁使用大梁带同桨叶大梁捆绑；

所述桨叶中部大梁穿过驱动框靠近桨根一侧壁上的开孔，通过缠绕或粘贴方式与驱动框相连。

所述驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置树脂基复合材料构成的堵块，堵块与上下桨叶蒙皮粘接。

所述襟翼轴使用短切纤维块包裹，短纤维外表面与襟翼蒙皮粘接。

所述后缘襟翼型智能旋翼桨叶的上翼面蒙皮部分开有口盖。

采用CATIA数模设计并结合桨叶生产的工艺操作给出方案的具体实施步骤：

(1)利用CATIA软件截取驱动框安装段中间剖面B-B，并测量该剖面的桨叶大梁截面积。

(2)按照大梁截面积不变的原则，将驱动框安装段内桨叶大梁的后端面过渡为平面，作出安装段中间剖面翼型的基准线15，令后缘端面14垂直与该基准线。

(3)以步骤(2)中所述后缘端面14的法平面作为参考平面P，在参考平面内作出驱动框主体的轮廓线8。

(4)沿参考平面P的法向拉伸驱动框轮廓线8生成实体，拉伸的高度应超出上下翼面。令桨叶下翼面向上平移，平移的距离为蒙皮厚度；令上翼面向下平移，平移的距离为蒙皮厚度与盖板厚度之后。使用平移后的曲面切割驱动框拉伸实体，保留翼型面以内部分。

(5)如图5-1，5-2，5-3所示，在驱动框的前缘壁上开凹槽，凹槽宽度为玻璃大梁带宽度的1～3倍，深度为玻璃大梁带厚度的2～4倍。使用单向玻璃大梁带23绕过凹槽，将驱动框与桨叶大梁捆绑在一起。

(6)如图5-1，5-2，5-3所示，在驱动框靠近桨根一侧的壁上开孔，孔的形状为带倒角的长条状，孔面积与桨叶中部大梁的截面积相当。桨叶中部大梁25穿过孔后缠绕在驱动框内壁的螺栓上。

(7)如图5-1，5-2，5-3所示，在驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置堵块26，堵块由玻璃纤维织物布和碳纤维织物布包裹泡沫填充构成。

(8)如图4-1，4-2所示，后缘襟翼在模压时使用短切纤维17包裹襟翼轴18，短切纤维与襟翼蒙皮21贴合。

Claims (7)

1.一种后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：

(1)后缘襟翼型智能旋翼桨叶包括桨叶本体、作动器、驱动框、盖板和后缘襟翼；

(2)驱动框包含在桨叶蒙皮以内，其上下表面与上下翼型面平行，前缘端面粘贴在桨叶大梁端面；驱动框前缘壁两端开凹槽，使用大梁带在凹槽位置将驱动框前缘壁缠绕在桨叶前缘大梁上；驱动框靠近桨根一侧壁上开孔，桨叶中部大梁穿过该孔后缠绕在内侧的螺栓上；驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置由玻璃纤维织物布和碳纤维织物布构成的堵块；

(3)后缘襟翼由蒙皮、大梁、金属轴组件、短切纤维块以及泡沫填充构成，通过单独模具成型；其中短切纤维块包裹襟翼轴，并与蒙皮内表面粘接，从而使襟翼轴能够带动襟翼作高频偏转。

2.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：所述驱动框安装段的桨叶前缘大梁为D型梁，其截面积不小于C型大梁截的截面积；D型梁后端面与驱动框所处桨叶段中间翼型面的基准线相垂直，驱动框前缘端面紧贴D型梁后端面。

3.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：驱动框前缘壁上的凹槽宽度为玻璃大梁带宽度的1～3倍，深度为玻璃大梁带厚度的2～4倍，大梁带绕过凹槽将驱动框同桨叶大梁捆绑。

4.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶的集成设计方法，其特征在于：驱动框靠近桨根一侧壁上的开孔，孔的形状为带倒角的长条状，孔的截面积与桨叶中部大梁带截面积相当，桨叶中部大梁穿过该孔，通过缠绕或粘贴方式与驱动框相连。

5.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：驱动框靠近桨尖一侧壁的外端布置树脂基复合材料构成的堵块，堵块与上下桨叶蒙皮粘接。

6.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：襟翼轴使用短切纤维块包裹，短纤维块外表面与襟翼蒙皮粘接。

7.根据权利要求1所述的后缘襟翼型智能旋翼桨叶，其特征在于：所述后缘襟翼型智能旋翼桨叶的上翼面蒙皮处开有口盖。