CN207523916U - 一种用于无人直升机的空心桨叶 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于无人直升机的空心桨叶，涉及航空器技术领域，为民用经济型产品。其中包括背靠背焊接在一起的管状前弹性支撑梁和管状后弹性支撑梁，空心桨叶的外部包有碳纤维编织层，管状前弹性支撑梁的一端焊接有桨叶连接金属件，用于整体桨叶的承载支撑。本实用新型涉及的无人直升机桨叶，利用碳纤维缠绕‑编织技术形成无内添加蜂窝轻量化材料的结构，形成了简单的生产工艺，整体轻量化，具备弹性扰度抵抗能力，可降低成本，使用安全可靠。并且按照空气动力学要求设有合理的升力外形，以及降噪声的整体外形，是一种无人直升机可靠的载荷承担桨片。

Description

一种用于无人直升机的空心桨叶

技术领域

本实用新型涉及属于航空器设计技术领域，同属于新型复合材料制造工艺技术领域，特别涉及一种用于无人直升机的空心桨叶及其制造方法。

背景技术

无人直升机的主要承载构件为桨叶，要求：1）良好的气动外形，维持更好的旋翼特性；2）可靠性与维护性良好，应减少零部件数量和提高紧固可靠性；3）安全性与长使用寿命；4）低成本。由此适应无人直升机的市场低价格与性能的竞争要求。

由于既有直升机的桨叶结构非常复杂，生产技术难度很大。如图1所示，一般设置中心部的支撑梁1，多为空心金属管材，采取铝合金板材弯曲成型后焊接（留有焊缝11）。在支撑梁1的前部还设置了配重115，以平衡桨叶高速旋转时的转动惯量。为了在冬季消除桨叶上的浮冰，在桨叶耐磨条116的内部添加了加温垫118。在支撑梁1的后部添加了蜂窝芯114，以减轻桨叶的自重，维持需要的升力外形。为了增加桨叶的表面强度，设置了多层玻璃纤维复合材料层，会在桨叶尾部调整片119结构上使用碳纤维复合材料。有些特殊的技术要求需要设置桨叶状况测试层，即应力传感器设置层，对桨叶的强度与刚度无任何影响。最外层是漆层113，维持桨叶的防水与耐磨的特征。显而易见，这样的桨叶设计必然会增加制造成本与低的成品率。

在公开专利申请CN103359285A中，描述了如何增加直升机桨叶升力的调整装置，在桨叶尾部和迎风面增设可动调整片装置，这样的设计无疑增加了直升机桨叶的制造难度，还带来了控制杆件的合理设计难度。因此不可作为无人直升机桨叶设计结构。

在公开专利申请CN1341534A中描述了先有制造工业技术使用“蛤壳”式加工装置，以及“湿”法树脂浸蘸增强材料工艺，使用气压增加碳纤维复合材料的表面压力，在成型过程中形成好的形状控制。这样的生产工艺技术必然带来生产效率极低，成品率也相对低的结果。显然这样的生产工艺技术过于复杂，在无人直升机的桨叶生产中不可用。

在公开专利申请CN105358429A中描述了变截面形状的桨叶设计，对于固定翼飞行器来说这种设计可以适当调整推力的使用范围，提高推进力。但对于直升机桨叶就没有必要这样设计。无人直升机桨叶可以设计成简单的空气动力升力形状，简化制造难度。

综上所述，无人直升机桨叶归结的核心技术问题有：1）简化结构设计；2）简化生产工艺；3）轻量化；满足强度与刚度、耐疲劳性能；4）最终降低成本。否则会形成推广无人机技术的障碍。

实用新型内容

本实用新型目的是：为解决上述无人直升机桨叶的核心技术问题，本实用新型提供一种用于无人直升机的空心桨叶及其制造方法。

本实用新型的技术方案是：

一种用于无人直升机的空心桨叶，所述空心桨叶包括背靠背焊接在一起的管状前弹性支撑梁和管状后弹性支撑梁，空心桨叶的外部包有碳纤维编织层，管状前弹性支撑梁的一端焊接有桨叶连接金属件，用于整体桨叶的承载支撑。

优选的，所述管状前弹性支撑梁和管状后弹性支撑梁分别包括上桨面、下桨面和接触面，二者在接触面背靠背焊接，对应上桨面、下桨面分别过渡相切连接。

优选的，所述桨叶连接金属件端部留有与管状前弹性支撑梁镶嵌突出管状前支撑梁内衬部分和与管状前支撑梁焊接面。

一种用于无人直升机的空心桨叶的制造方法，包括步骤：

S1、采用氩弧焊工艺，将管状前弹性支撑梁和管状后弹性支撑梁接触面背靠背焊接在一起，然后端部与桨叶连接金属件焊接在一起；

S2、采用张力控制的编织生产工艺，在空心桨叶表面交叉45°编织碳纤维形成三层致密的碳纤维编织层；

S3、编织完成的空心桨叶坯料放入金属模具中，金属模具经螺栓压紧后放入烘箱中，在低于350°C的温度下直接成型；

S4、烘箱中成型的空心桨叶再放置在6–12 MPa保温压力罐中，成型温度为：275-350°C，保温时间30分钟。

优选的，所述管状前弹性支撑梁与管状后弹性支撑梁的制造采用Conform连续挤压机直接按照设计形状挤压成型。

优选的，所述的采用张力控制的编织生产工艺，要求维持12%的混纺碳纤维丝的破断张力进行编织，维持外三层碳纤维编织层的致密度。

优选的，所述碳纤维编织层所使用的混纺碳纤维丝是56-65%T300碳纤维原丝，其余均为碳纤维丝直径相近的聚砜和聚醚醚酮纤维。

优选的，所述金属模具的内表面设有均匀分布的微孔，各微孔接通一条总管，在放入编织完成的桨叶坯料后，上下模具螺栓压紧密封，并抽成真空状态，维持1*10^-2Pa负压。

本实用新型的优点是：

本实用新型所提供的用于无人直升机的空心桨叶及其制造方法，结构和生产工艺简单，满足强度与刚度、耐疲劳性能的前提下实现产品轻量化，最终降低成本，由此，便可以以较低的成本生产出无人直升机使用的空心桨叶，满足其功能解决上述关键核心技术问题，有利于无人机技术的推广。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1：现有直升机桨叶结构示意；

图2：本实用新型无人直升机桨叶截面结构示意；

图3：本实用新型无人直升机桨叶主结构组装示意；

图4：管状前弹性支撑梁2的截面；

图5：管状后弹性支撑梁21的截面；

图6：桨叶连接金属件结构示意；

图7：碳纤维编织层的编织示意；

图8：编织完成的桨叶坯料放入金属模具成型示意。

图中：1—支撑梁；11—支撑梁焊缝；111—桨叶状况测试层；112—玻璃纤维复合材料层；113—漆层；114—蜂窝芯；115—配重；116—防磨条；117—前缘护罩；118—加温垫；119—调整片；

2—管状前弹性支撑梁；21—管状后弹性支撑梁；211—上桨面迎风面；212—上桨面大弧形面；213—下桨面升力面；214—与管状后弹性支撑梁接触面；215—桨叶尾部连接线；

22—碳纤维编织层；221—经纬编织碳纤维；222—交叉45°编织碳纤维；23—桨叶连接金属件；231—桨叶固定螺孔；232—桨叶连接件外露部分；233—管状前支撑梁内衬部分；234—与管状前支撑梁焊接面；24—管状前支撑梁与管状后支撑梁连接焊缝；25—桨叶连接金属件与管状前支撑梁连接焊缝；3—编织完成的桨叶坯料；

4—下摸具；5—上摸具。

具体实施方式

具体实施方式本质上是示范性的，并且不是旨在限制本公开实用新型专利申请，以及本公开实施例的使用。所提供的具体装置、技术和应用的说明仅作为示例。本文中所描述示例的修改对于在本领域的普通技术人员将是显而易见的，并且在不背离本公开的精神和范围的情况下，本文中定义的一般原则可以应用于其他示例和应用。此外，前述技术领域、背景技术、实用新型内容或下列具体实施方式中提出的任何明示或暗示理论不存在约束性。本公开应与权利要求书的范围一致，且不限于本文中所描述和示出的示例。

本公开的实施例可以根据功能和或逻辑块组件和各种处理步骤在此进行描述。应理解的是，这样的块组件可以通过被配置执行指定功能的任意数量的硬件、软件和或固件组件来实现。为了简洁起见，与系统的空气动力学、流体动力学、结构、控制表面、制造和其他功能方面以及系统的独立操作组件有关的常规技术和组件可能未在此详细描述。另外，在本领域中的技术人员将理解，本公开的实施例可以结合各种结构体一起实行，并且本文所描述的实施例仅仅是本公开的示例性实施例。

如图2所示，本实用新型提出的一种无人直升机使用碳纤维复合材料空心桨叶，是一种简化设计方案，去除了既有桨叶技术中许多附加垫层和泡沫层，仅以铝合金挤压型材---管状前弹性支撑梁2和管状后弹性支撑梁21作为内衬，焊接上桨叶连接金属件23后便可以在外层编织碳纤维混纺丝，形成空心桨叶坯料。

如图3所示，本实用新型提出的桨叶内部支撑结构是以管状前弹性支撑梁2与管状后弹性支撑梁21背靠背在接触面214接缝处采用氩弧焊接，在经过焊缝检查后将管状前弹性支撑梁2套入管状前支撑梁内衬部分233，在与管状前支撑梁焊接面234与桨叶连接金属件23焊接，形成完整的桨叶内部承载支撑结构。

在此需要进一步说明，管状前弹性支撑梁2与管状后弹性支撑梁21是通过Conform挤压机生产出的铝合金型材，自身没有焊缝，6系列铝合金挤压型材处在T6热处理状态，呈现出刚度与强度满足要求的状态，即使是焊接也仅仅是局部损失材料强度，为60%的原有屈服强度。这完全满足桨叶载荷的约束条件。

附加说明，Conform挤压机是英国线缆公司实用新型的利用摩擦辊和模具连续挤压铝合金型材的生产设备，其特点是产品的几何尺寸与制造公差均由金属模具所决定，因此可以生产出较为精准的几何公差产品。

如图4与图5所示，管状前弹性支撑梁2与管状后弹性支撑梁21背靠背在接触面214接缝处焊接还应维持：上桨面大弧形面212与下桨面升力面213的过渡相切连接，不得影响上桨面迎风面211的几何形状。

如图6所示，在此还要说明桨叶连接金属件23也是选择了6系列铝合金挤压型材处在T6热处理状态，以机加工的手段加工出桨叶固定螺孔231、桨叶连接件外露部分232、管状前支撑梁内衬部分233，以及焊接面234。

如图7所示，碳纤维编织层22采取如图中交叉45°编织碳纤维222，包括经纬编织碳纤维221，桨叶尾部连接线215在内的全部表面积，但必须采取预张力12%的混纺碳纤维丝的破断力拉紧，这样才能将三层混纺碳纤维丝编织致密度维持在所要求的条件下。这里所使用的混纺碳纤维丝是56-65%T300碳纤维原丝，其余均为碳纤维丝直径相近的聚砜和聚醚醚酮（PEEK- polysulfones and polyetheretherketone）纤维。特别说明本实用新型提出的空心桨叶无需使用树脂类粘结剂。这样，管状前支撑梁与管状后支撑梁连接焊缝24与桨叶连接金属件与管状前支撑梁连接焊缝25全部包裹在混纺碳纤维丝编织层内，形成桨叶坯料3。

然后，按照如图8所示的方式，将编织完成的桨叶坯料3平放在金属模具中，使用螺栓固定的方式将下摸具4与上摸具5固定，保持模腔内密封。因在成型金属模具下摸具4与上摸具5，其特征在于模具的内表面设有0.002mm的均布微孔，其间距为20mm见方，连接一条总管，所以在编织完成的桨叶坯料3放入后，上下模具螺栓压紧密封，并抽真空状态，维持1*10-2Pa负压。

随后，将桨叶坯料3与金属模具一起放置在6–12 MPa保温压力罐中，成型温度为：275-350°C，保温时间30分钟。冲压力罐中去除，冷却后将空心桨叶从模具上去下，经稍微修正便可以直接安装在无人直升机上使用。因为经模具和定量编织混纺碳纤维丝的工序，没有多余的树脂类粘结剂，所以空心桨叶产品保持着相同的自重，大可不必进行动平衡调整。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于无人直升机的空心桨叶，其特征在于：所述空心桨叶包括背靠背焊接在一起的管状前弹性支撑梁（2）和管状后弹性支撑梁（21），空心桨叶的外部包有碳纤维编织层（22），管状前弹性支撑梁（2）的一端焊接有桨叶连接金属件（23），用于整体桨叶的承载支撑。

2.根据权利要求1所述的空心桨叶，其特征在于：所述管状前弹性支撑梁（2）和管状后弹性支撑梁（21）分别包括上桨面、下桨面和接触面，二者在接触面背靠背焊接，对应上桨面、下桨面分别过渡相切连接。