CN115675853A - 一种具有双掠式外形的桨叶结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双掠式外形的桨叶结构，包括双掠式前缘大梁、阶梯厚度式可剪裁蒙皮、回型抗扭梁、U型梁、调频配重盒组件以及后缘条；所述双掠式前缘大梁沿桨叶展向铺设在前缘位置，随桨叶外形成双掠式，设置在桨叶根部；所述阶梯厚度式可剪裁蒙皮位于最外侧，双掠式前缘大梁、回型抗扭梁、U型梁和后缘条依次填充在内部，形成一个整体，并沿桨叶弦向分布将桨叶内部分成4个闭室；所述调频配重盒组件设置在桨叶前掠段顶端，内有多个配重空腔。该桨叶结构能够有效满足双掠式外形桨叶高强度、高扭转刚度的要求，且易制造、结构紧凑、传力路径合理、动力学特性稳定。
Description
技术领域
本发明属于飞行器桨叶领域，特别涉及一种具有双掠式外形的桨叶结构。
背景技术
桨叶是直升机旋翼系统的核心动部件，为直升机提供升力和推进力，同时也是直升机最主要的噪声来源之一。近年来，无人直升机在军事领域得到极大地发展和应用，为了在侦察巡视、反潜等任务中提高隐秘性，这就对无人直升机的降噪能力提出了较高要求。
为降低旋翼噪声，出现了具有双掠式外形的复合材料桨叶，该外形的桨叶既能满足无人直升机日益严格的噪声限制性标准，同时又能改善无人直升机的飞行性能，提高飞行速度。
通常当桨叶某一段前缘相对于轴线的角度为正即朝着旋翼旋转方向向前偏伸时称为“前”掠，反之称为“后”掠，故双掠式桨叶又可称为前后掠桨叶。前掠段之后紧跟一个后掠段能够避免桨叶的前缘平行于前一个桨叶在桨叶的整个翼展上产生的涡流，同时厚度随着翼弦的变短而减少会减少“厚度”噪声，后掠修型桨尖还能有效提升旋翼气动性能。
如图1所示，常规桨叶采用平直的矩形外形，桨叶各剖面距前缘1/4弦长处的点的连线称为1/4弦线，常规桨叶的1/4弦长接近于一根直线，变距轴线通常与1/4弦线重合，而桨叶剖面翼型的气动中心通常位于1/4弦线附近，在结构设计时，一般只需把桨叶有效重心设计于1/4弦线前侧或其附近，即可有效避免桨叶颤振等气弹稳定性问题。采用双掠式外形的桨叶虽然在气动及降噪上性能优异，但是其特殊的外形特点却对结构设计提出了巨大挑战，采用这种外形的桨叶1/4弦线不再是一条直线，而是一条先向前缘弯曲后向后缘弯曲的曲线，桨叶变距轴线与1/4弦线不可能设计成基本重叠的，前掠段和后掠段的桨叶气动中心离变距轴线距离较远，气动载荷会对变距轴线产生较大的扭矩载荷，驱使桨叶产生较大的扭转变形，因此该外形桨叶的气动中心、结构重心及相对于变距轴弹性中心的位置很难同时达到满意的结果，这将对旋翼的整体动力学性能产生较大影响。此外，桨根前掠段的相反根梢比及后掠段修型大大加大了桨叶的扭转力矩，这需要较小剖面的根段能够承受更大的扭矩，这对桨叶根部的结构强度设计提出了更大挑战。
在现有的桨叶设计技术中，桨叶设计主要针对螺旋桨飞行器和直升机的常规桨叶，并未对新型的无人直升机双掠式外形复合材料桨叶有专门的设计。对于双掠式外形复合材料桨叶，通过复合材料剪裁设计，调整桨叶内部结构质量分布，以调节桨叶的气动中心、结构重心及相对于变距轴弹性中心的位置，减少旋翼操控力；同时调整桨叶内部结构刚度分布，以调整桨叶的固有频率，确保旋翼在整个工作转速范围内无动力学稳定性问题。
因此对于双掠式外形复合材料桨叶设计的关键点就在于如何通过桨叶内部结构设计和复合材料的剪裁设计及质量分布设计来调整桨叶整体刚度分布和质量分布，保证旋翼桨叶具有足够的强度、扭转刚度和动力学稳定性裕度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够有效满足双掠式外形桨叶高强度、高扭转刚度的要求，且易制造、结构紧凑、传力路径合理、动力学特性稳定的双掠式外形桨叶结构。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种具有双掠式外形的桨叶结构，包括双掠式前缘大梁、阶梯厚度式可剪裁蒙皮、回型抗扭梁、U型梁、调频配重盒组件以及后缘条；
所述双掠式前缘大梁沿桨叶展向铺设在前缘位置，随桨叶外形成双掠式，设置在桨叶根部；
所述阶梯厚度式可剪裁蒙皮位于最外侧，双掠式前缘大梁、回型抗扭梁、U型梁和后缘条依次填充在内部，形成一个整体，并沿桨叶弦向分布将桨叶内部分成4个闭室；所述调频配重盒组件设置在桨叶前掠段顶端，内有多个配重空腔。
其中，所述双掠式前缘大梁由0°高强度玻璃纤维制成；双掠式前缘大梁分成前后两部分，分别缠绕在前缘金属衬套和后缘金属衬套上，离心力通过金属衬套传递到前缘大梁上。
进一步地，前缘金属衬套和后缘金属衬套各设有前缘预成型填块和后缘预成型填块，用来引导大梁带走向并填充大梁带与衬套之间的空隙。
具体地，所述阶梯厚度式可剪裁蒙皮厚度由桨根向桨尖呈阶梯式递减，铺层角度以±45°为主。
具体地，所述回型抗扭梁展向延伸到调频配重盒组件端面，U型梁展向延伸到桨尖。
具体地，所述调频配重盒组件由调频配重盒、配重盒盖及调频配重块组成，配重盒内部有多个空腔填充调频配重块，配重盒盖外形与蒙皮外形相合。
具体地，所述后缘条沿桨叶后缘边铺设在上下蒙皮之间，截面呈三角形，由桨根延伸至桨尖。
进一步地，所述双掠式前缘大梁、回型抗扭梁和U型梁之间，还填充有PMI泡沫填芯。
有益效果：
本发明具有双掠式外形的桨叶结构，能够有效满足双掠式外形桨叶高强度、高扭转刚度的要求，且易制造、结构紧凑、传力路径合理、动力学特性稳定。实现双掠式外形复合材料桨叶强度、扭转刚度和动力学稳定性要求，减少旋翼操控力，确保旋翼在整个工作转速范围内无动力学稳定性问题。该复合材料桨叶结构简单，易于优化；各组件连接紧密，传力顺畅；工艺性高，制作方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是现有技术中常规桨叶与双掠式外形桨叶的结构示意图。
图2是本发明双掠式外形桨叶的整体结构示意图。
图3是本发明双掠式外形桨叶的根部区域各组件连接示意图。
图4是本发明双掠式外形桨叶前缘大梁和后缘条示意图。
图5是本发明双掠式外形桨叶中前后缘金属衬套和前后缘预成型填块示意图。
图6是本发明双掠式外形桨叶的翼型段剖面示意图。
图7是无加强梁桨叶的翼型段剖面示意图。
图8是双U型梁桨叶的翼型段剖面示意图。
图9是本发明双掠式外形桨叶的剖面扭转刚度对比图。
其中，各附图标记分别代表：1、双掠式前缘大梁；2、阶梯厚度式可剪裁蒙皮；3、回型抗扭梁；4、U型梁；5、调频配重盒组件；6、后缘条；7、PMI泡沫填芯；8、前缘金属衬套；9、前缘预成型填块；10、后缘金属衬套；11、后缘预成型填块。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2至图6所示，本发明双掠式外形桨叶主要包括双掠式前缘大梁1、阶梯厚度式可剪裁蒙皮2、回型抗扭梁3、U型梁4、调频配重盒组件5、后缘条6、PMI泡沫填芯7、前缘金属衬套8、前缘预成型填块9、后缘金属衬套10和后缘预成型填块11。
双掠式前缘大梁1随桨叶外形成双掠式，采用0°高强度玻璃纤维预浸带沿着桨叶展向铺设而成，在桨根处分别缠绕在根部前缘金属衬套8、后缘金属衬套10上，离心力通过金属衬套传递到前缘大梁上。铺设前缘大梁时可根据强度及动力学要求进行剪裁设计，通过调整前缘大梁剖面形状和面积以调节桨叶剖面刚度和强度。
阶梯厚度式可剪裁蒙皮2整体采用1层中温固化环氧玻璃布预浸料和5层中温固化环氧碳纤维预浸料铺设而成，铺层角度均为±45°。根据动力学要求局部采用单向碳纤维预浸料进行挥舞及扭转刚度调节，桨叶根部采用碳纤维预浸料进行加强，铺层厚度沿展向阶梯递减。
回型抗扭梁3和U型梁4分别采用4层碳纤维预浸料铺设而成，回型抗扭梁3和U型梁4沿桨叶弦向分布将桨叶内部分成4个闭室，回型抗扭梁3展向延伸到调频配重盒组件5端面，U型梁4展向延伸到桨尖，可根据桨叶扭转刚度要求调整回型抗扭梁3和U型梁4的分布位置及剖面积。
调频配重盒组件5由调频配重盒、配重盒盖及调频配重块组成。配重盒由短切玻璃纤维预浸料预成型而成，内部有多个空腔可根据需要填充调频配重块。配重盒盖由碳纤维预浸布预成型而成，其外形与蒙皮外形相合。调频配重块由铅、钢和钨等多种材料制成，重量有多个规格方便调频时按需选用。
后缘条6采用碳纤维单向布沿桨叶后缘铺放在上下蒙皮之间，其截面形状为三角形，截面积由摆振固有频率调频确定，既能提高桨叶后缘强度又能调节桨叶摆振频率。
PMI泡沫填芯7起到内部填充的作用，填充在双掠式前缘大梁1、回型抗扭梁3和U型梁4之间，同时也为桨叶提供少量的扭转刚度，具有一定的刚度和较高的抗压强度。
前缘金属衬套8和后缘金属衬套10各设有前缘预成型填块9和后缘预成型填块11，用来引导大梁带走向并填充大梁带与衬套之间的空隙，提高了桨叶根部整体性能。
进一步的为了说明本发明内部结构形式的优势，分别对传统设计方案的无加强梁(图7)、双U型梁(图8)及本发明结构进行剖面特性计算对比。
桨叶剖面特性计算流程如下：
1)将桨叶三维CATIA模型导入Hypermesh软件中；
2)沿桨叶展向选取计算截面，对各桨叶截面用壳单元shell63进行网格划分；
3)将LsDyna模式导出的截面单元的组成节点编号和对应的节点坐标保存为txt文本，作为输入文件；
4)Matlab编程求取每个单元的质心、张力中心偏置、面积、对与Y轴惯性矩、对于Z轴惯性矩；
5)求取同种材料组件的质心、张力中心偏置、面积、对与Y轴惯性矩、对于Z轴惯性矩；
6)已知材料弹性模量、剪切模量、密度，求取桨叶各个剖面的剖面特性：线密度、质心偏置、张力中心偏置、拉伸刚度、挥舞刚度、摆振刚度、挥舞惯量、摆振惯量、扭转刚度。
本发明中，沿展向取20个桨叶剖面，分别对所取剖面进行特性计算，得到各剖面特性参数沿桨叶展向分布变化。
以扭转刚度参数为例将传统设计方案的无加强梁、双U型梁与本发明结构进行直观的对比如图9所示，由图9可以看出，本发明采用的回型抗扭梁加U型梁组合形式的各剖面扭转刚度比传统设计要大30％～50％以上。
本发明提供了一种具有双掠式外形的桨叶结构的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，包括双掠式前缘大梁(1)、阶梯厚度式可剪裁蒙皮(2)、回型抗扭梁(3)、U型梁(4)、调频配重盒组件(5)以及后缘条(6)；
所述双掠式前缘大梁(1)沿桨叶展向铺设在前缘位置，随桨叶外形成双掠式，设置在桨叶根部；
所述阶梯厚度式可剪裁蒙皮(2)位于最外侧，双掠式前缘大梁(1)、回型抗扭梁(3)、U型梁(4)和后缘条(6)依次填充在内部，形成一个整体，并沿桨叶弦向分布将桨叶内部分成4个闭室；所述调频配重盒组件(5)设置在桨叶前掠段顶端，内有多个配重空腔。
2.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述双掠式前缘大梁(1)由0°高强度玻璃纤维制成；双掠式前缘大梁(1)分成前后两部分，分别缠绕在前缘金属衬套(8)和后缘金属衬套(10)上，离心力通过金属衬套传递到前缘大梁上。
3.根据权利要求2所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，前缘金属衬套(8)和后缘金属衬套(10)各设有前缘预成型填块(9)和后缘预成型填块(11)，用来引导大梁带走向并填充大梁带与衬套之间的空隙。
4.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述阶梯厚度式可剪裁蒙皮(2)厚度由桨根向桨尖呈阶梯式递减，铺层角度以±45°为主。
5.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述回型抗扭梁(3)展向延伸到调频配重盒组件(5)端面，U型梁展向延伸到桨尖。
6.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述调频配重盒组件(5)由调频配重盒、配重盒盖及调频配重块组成，配重盒内部有多个空腔填充调频配重块，配重盒盖外形与蒙皮外形相合。
7.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述后缘条(6)沿桨叶后缘边铺设在上下蒙皮之间，截面呈三角形，由桨根延伸至桨尖。
8.根据权利要求1所述的具有双掠式外形的桨叶结构，其特征在于，所述双掠式前缘大梁(1)、回型抗扭梁(3)和U型梁(4)之间，还填充有PMI泡沫填芯(7)。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0481661A1 (en) * | 1990-10-13 | 1992-04-22 | Westland Helicopters Limited | Helicopter rotor blades |
| KR20050080536A (ko) * | 2004-02-10 | 2005-08-17 | 정성남 | 저진동 복합보 및 그 복합보가 구비된 블레이드 구조 |
| CN112343966A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-09 | 昌河飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种复合材料桨叶的平衡配重结构 |
| CN113353256A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-07 | 中国人民解放军总参谋部第六十研究所 | 一种变转速刚性旋翼桨叶 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0481661A1 (en) * | 1990-10-13 | 1992-04-22 | Westland Helicopters Limited | Helicopter rotor blades |
| KR20050080536A (ko) * | 2004-02-10 | 2005-08-17 | 정성남 | 저진동 복합보 및 그 복합보가 구비된 블레이드 구조 |
| CN112343966A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-09 | 昌河飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种复合材料桨叶的平衡配重结构 |
| CN113353256A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-07 | 中国人民解放军总参谋部第六十研究所 | 一种变转速刚性旋翼桨叶 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 夏双满: "双掠结构旋翼桨叶动力学特性研究", 《航空工程进展》, 26 April 2022 (2022-04-26), pages 34 * |
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