PL242491B1

PL242491B1 - Lifting rotor blade stepped spar with variable twist angle

Info

Publication number: PL242491B1
Application number: PL430434A
Authority: PL
Inventors: Mirosław Wendeker; Ksenia Siadkowska; Zbigniew Czyż; Krzysztof Skiba
Original assignee: Lubelska Polt
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2023-02-27
Also published as: PL430434A1

Abstract

Dźwigar stopniowany łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia posiadający elementy z materiału z pamięcią kształtu charakteryzuje się tym, że na swojej długości posiada fragmenty (1a) o większym polu przekroju poprzecznego, pomiędzy którymi znajdują się fragmenty (1b) o mniejszym polu przekroju poprzecznego, przy czym na elementach o mniejszym polu przekroju poprzecznego (1b) osadzone są elementy z materiału z pamięcią kształtu (2a, 2b, 2c) wywołujące moment skręcający. Każdy element z materiału z pamięcią kształtu (2a, 2b, 2c) podłączony jest do osobnego źródła ciepła.The stepped spar of the main rotor blade with a variable twist angle, having elements made of shape memory material, is characterized by the fact that along its length it has fragments (1a) with a larger cross-sectional area, between which there are fragments (1b) with a smaller cross-sectional area, while whereby elements with a smaller cross-sectional area (1b) are fitted with elements made of shape memory material (2a, 2b, 2c) causing a torsion moment. Each element of shape memory material (2a, 2b, 2c) is connected to a separate heat source.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest dźwigar stopniowany łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia, zwłaszcza do wirników nośnych śmigłowca.The subject of the invention is a stepped spar of a main rotor blade with a variable twist angle, in particular for helicopter main rotors.

Dotychczas znane są łopaty wykonane z metalowych dźwigarów pokryte kompozytem, łopaty drewniane, łopaty metalowe lub łopaty kompozytowe. Ponadto dostępne łopaty występują w postaci prostokątnej lub zwężanej. Mogą być również skręcone liniowo, podwójnie-liniowo lub nieliniowo. Istnieją różne sposoby zwiększania osiągów aerodynamicznych wiropłatów, mające na celu modyfikację łopat ich wirników.So far, blades made of metal girders covered with a composite, wooden blades, metal blades or composite blades are known. In addition, available blades are rectangular or tapered. They can also be twisted linear, double-linear or non-linear. There are various ways to increase the aerodynamic performance of rotorcraft by modifying their rotor blades.

Technologie aktywnego sterowania łopaty (Active Control Rotor Blade) oraz aktywnego skręcania łopaty (Active Twist Rotor Blade) opisywane są głównie w publikacjach naukowych. Z publikacji M. Miller, J. Narkiewicz, W. Kania, T. Czechyra, „The Application of Helicopter Rotor Blade Active Control Systems for Noise and Vibration Reduction and Performance Improvement”, no. 184, s. 164-180 znane są rozwiązania konstrukcyjne „inteligentnych” wirników (Smart Rotor) poprzez zastosowanie w aktywnym sterowaniu łopat elementów piezoelektrycznych. Elementy te instalowane są wewnątrz konstrukcji łopaty jako piezo-siłowniki lub piezo-kompozyty. Istnieje możliwość sterowania kątem wychylenia dodatkowej klapki (na krawędzi spływu lub końcówce łopaty) lub odkształcania fragmentu łopaty w celu jej skręcenia. Aktywne sterowanie łopaty może dotyczyć jej fragmentu lub całej jej długości. W pracy J.J. Epps, I. Chopra, „In-flight tracking of helicopter rotor blades using shape memory alloy actuators”, Smart Mater. Struct., vol. 10, no. 1,2001, opisano koncepcję zastosowania drutów SMA jako elementów wzmacniających strukturę nośną łopaty śmigłowca. W pracy Lachenal, S. Daynes, and P. M. Weaver, „Review of morphing concepts and materials for wind turbine blade applications”, Wind Energy, vol. 16, pp. 283-307, 2013 zwrócono uwagę na dotychczas prowadzone badania i konsekwencje zastosowania materiałów inteligentnych, a mianowicie zmniejszenie oporu aerodynamicznego łopat, ograniczenie hałasu i wibracji, ale także możliwość pojawienia się turbulencji. Wskazano na możliwość zmniejszenia obciążeń skrętnych łopat śmigłowca z siłownikami piezoelektrycznymi o 10%. Ważny jest brak ruchomych elementów i uproszczenie konstrukcji.Active Control Rotor Blade and Active Twist Rotor Blade technologies are mainly described in scientific publications. From the publication of M. Miller, J. Narkiewicz, W. Kania, T. Czechyra, "The Application of Helicopter Rotor Blade Active Control Systems for Noise and Vibration Reduction and Performance Improvement", no. 184, pp. 164-180, there are known construction solutions for "intelligent" rotors (Smart Rotor) through the use of piezoelectric elements in the active control of the blades. These elements are installed inside the blade structure as piezo-actuators or piezo-composites. It is possible to control the angle of inclination of the additional flap (at the trailing edge or blade tip) or to deform a fragment of the blade in order to twist it. Active control of the blade can apply to its fragment or its entire length. In the work of J.J. Epps, I. Chopra, "In-flight tracking of helicopter rotor blades using shape memory alloy actuators", Smart Mater. Struct., vol. 10, no. 1.2001, the concept of using SMA wires as elements reinforcing the load-bearing structure of a helicopter blade was described. In Lachenal, S. Daynes, and P. M. Weaver, "Review of morphing concepts and materials for wind turbine blade applications", Wind Energy, vol. 16, pp. 283-307, 2013, attention was paid to the research conducted so far and the consequences of the use of intelligent materials, namely the reduction of the aerodynamic drag of the blades, the reduction of noise and vibration, but also the possibility of turbulence. The possibility of reducing torsional loads on helicopter blades with piezoelectric actuators by 10% was indicated. The lack of moving parts and the simplification of the structure are important.

Z opisu zgłoszenia patentowego nr US 2017036752 (A1) znana jest aktywna łopata śmigła ze stopem z pamięcią kształtu. Przykładowa łopata zawiera korpus śmigła, płytę sprzężoną z korpusem śmigła, człon przenoszący moment obrotowy i siłownik ze stopu z pamięcią kształtu (SMA). Siłownik SMA ma dalszy koniec i bliższy koniec. Dalszy koniec siłownika SMA jest przymocowany do elementu przenoszącego moment obrotowy. Bliższy koniec siłownika SMA jest połączony z korpusem śmigła. Siłownik SMA jest skonfigurowany do przykładania momentu obrotowego do bliższego końca członu przenoszącego moment obrotowy w konsekwencji generowanego ciepła do siłownika SMA. Siłownik SMA jest owinięty spiralą podgrzewającą, na skutek której doznaje odkształcenia.Patent application US 2017036752 (A1) discloses an active propeller blade with a shape memory alloy. The exemplary blade includes a propeller body, a plate coupled to the propeller body, a torque transmitting member, and a shape memory alloy (SMA) actuator. The SMA actuator has a far end and a proximal end. The distal end of the SMA actuator is attached to the torque transmitting element. The proximal end of the SMA actuator is connected to the propeller body. The SMA is configured to apply torque to the proximal end of the torque transmitting member as a consequence of the heat generated to the SMA. The SMA actuator is wrapped with a heating coil, which causes it to deform.

Z opisu patentowego nr US 6220550 (B1) znane jest urządzenie służące do odkształcania i poruszania powierzchniami aerodynamicznymi lub hydrodynamicznymi, w tym powierzchniami łopat wirników. Elementy zginane są i blokowane w jednym z co najmniej trzech stabilnych położeń, w którym urządzenie, a zatem powierzchnie aerodynamiczne lub hydrodynamiczne, są utrzymywane przez siłę wytworzoną przez sprężyste odkształcenie zginanych członów. Ponieważ elementy zginane są zawsze elastycznie odkształcane, urządzenie zatrzaskuje się pomiędzy dyskretnymi, stabilnymi pozycjami i jest mocno trzymane w każdym z nich. W innym przykładzie wykonania można zastosować więcej elementów zginających w celu zapewnienia dodatkowych stabilnych pozycji. W jednym zastosowaniu, urządzenie aktywne jest wykorzystywane jako tylna zakładka krawędziowa dla łopaty wirnika śmigłowca lub śmigła ogonowego do tłumienia drgań. Urządzenie może być uruchamiane ręcznie lub elektrycznie za pomocą drutów ze stopu z pamięcią kształtu, aby zapiąć elementy giętkie w ich różnych stabilnych położeniach.US 6,220,550 (B1) describes a device for deforming and moving aerodynamic or hydrodynamic surfaces, including rotor blade surfaces. The elements are bent and locked in one of at least three stable positions, in which the device, and thus the aerodynamic or hydrodynamic surfaces, are held by the force generated by the elastic deformation of the bent members. Since bending elements are always elastically deformed, the device snaps between discreet, stable positions and is firmly held in each of them. In another embodiment, more bending elements may be used to provide additional stable positions. In one application, the active device is used as a trailing lip tab for a helicopter rotor blade or tail rotor for vibration damping. The device can be operated manually or electrically using shape memory alloy wires to fasten the flex members in their various stable positions.

Z opisu patentowego nr US 6135713 (A) znana jest aktywnie sterowana łopata wirnika śmigłowca zawierająca klapę z krawędzią spływu, uruchamianą przez szybko działający siłownik. Lekki, wytrzymały, szybko działający siłownik odpowiedni do stosowania jako siłownik klapowy składa się z pary siłowników kolumnowych wykonanych z inteligentnego materiału, takiego jak piezoelektryczny, magnetostrykcyjny, ze stopu z pamięcią kształtu lub innego materiału, który wykazuje zmianę kształtu pod wpływem bodźca zewnętrznego. Każdy z siłowników kolumn składa się z wielu piezoelektrycznych elementów ceramicznych połączonych ze sobą w pojedyncze kolumny. Napięcie różnicowe przyłożone do kolumn powoduje wydłużenie różnicowe siłowników kolumny, co powoduje, że rura siłownika obraca się wokół osi prostopadle do czubków siłowników kolumny. Ruch rury siłownika jest sprzężony przez połączenie z klapą łopaty wirnika. Przeguby sferyczne są rozmieszczone pomiędzy siłownikami kolumny a rurą siłownika, aby zapobiec przenoszeniu znacznych obciążeń zginających na siłowniki kolumny, a dla każdego z siłowników kolumny przewidziane jest również podparcie środkowe w celu ograniczenia wielkości przyspieszeń wywołanych obciążeniami zginającymi, co w przeciwnym razie prowadziłoby do zniszczenia na skutek rozciągania ceramicznych elementów siłownika.US Patent No. 6,135,713 (A) discloses an actively steerable helicopter rotor blade comprising a trailing edge flap actuated by a high-speed actuator. A lightweight, robust, fast-acting actuator suitable for use as a flap actuator consists of a pair of column actuators made of a smart material, such as piezoelectric, magnetostrictive, shape memory alloy, or other material that exhibits a change in shape when exposed to an external stimulus. Each of the column actuators consists of multiple piezoelectric ceramic elements connected together into single columns. The differential voltage applied to the columns causes differential extension of the column cylinders, which causes the cylinder tube to rotate around an axis perpendicular to the tips of the column cylinders. The movement of the actuator tube is coupled by the connection to the rotor blade flap. Spherical joints are positioned between the column cylinders and the cylinder tube to prevent significant bending loads being transferred to the column cylinders, and a center support is also provided for each column cylinder to limit the amount of acceleration due to bending loads, which would otherwise lead to failure due to bending loads stretching of the ceramic elements of the actuator.

Z opisu patentowego nr PL 208709 (B1) znana jest łopata turbiny wiatrowej oraz sposób montażu laminowanego profilu łopaty, których istota polega na tym, że belka ma co najmniej jedną pierwszą część i co najmniej jedną drugą część. Pierwsza część ma co najmniej jedną część korpusu połączoną z co najmniej jedną powierzchnią montażową i z co najmniej jedną ścianką wsporczą. Części są dopasowane za pomocą środków dopasowywania wysokości i połączone ze sobą powierzchniami montażowymi, a laminowane profile są zamontowane dookoła belki i przyklejone do odpowiednich ścianek wsporczych.From the patent description No. PL 208709 (B1) a wind turbine blade and a method of assembling a laminated blade profile are known, the essence of which is that the beam has at least one first part and at least one second part. The first part has at least one body part connected to at least one mounting surface and to at least one support wall. The parts are matched by means of height adjustment and connected to each other by mounting surfaces, and laminated profiles are mounted around the beam and glued to the respective support walls.

Istotą dźwigara stopniowanego łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia posiadającego elementy z materiału z pamięcią kształtu jest to, że na swojej długości posiada fragmenty o większym polu przekroju poprzecznego, pomiędzy którymi znajdują się fragmenty o mniejszym polu przekroju poprzecznego. Na elementach o mniejszym polu przekroju poprzecznego osadzone są elementy z materiału z pamięcią kształtu wywołujące moment skręcający. Możliwe jest podłączanie osobnego źródła ciepła do każdego elementu z materiału z pamięcią kształtu.The essence of the stepped spar of the main rotor blade with a variable angle of twisting, having elements made of shape memory material, is that along its length it has fragments with a larger cross-sectional area, between which there are fragments with a smaller cross-sectional area. On elements with a smaller cross-sectional area, elements made of a shape memory material are embedded, causing a torsion moment. It is possible to connect a separate heat source to each element made of shape memory material.

Korzystnym skutkiem dźwigara stopniowanego łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia według wynalazku jest to, że umożliwia ona sterowanie każdej sekcji oddzielnie (niezależnie). Taka łopata jest uniwersalna pod względem dostosowania kształtu (kąta skręcenia) do fazy lotu (zawis, lot z prędkością przelotową itp.), co wpływa bezpośrednio na zwiększenie operacyjności wiropłata wykorzystującego proponowane rozwiązanie. Dźwigar stopniowany łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia zwłaszcza do wirników nośnych śmigłowca umożliwia optymalizację ilorazu współczynnika siły nośnej do współczynnika siły oporu celem maksymalizacji doskonałości aerodynamicznej. Optymalizacja cech aerodynamicznych pozwala zredukować obciążenia generowane cyklicznie przez wirnik, w zależności od fazy lotu. Szczególnie istotny wpływ będzie to miało na efekt oderwania strug powietrza od powierzchni łopaty w lotach postępowych. Obniżenie amplitud obciążeń zmiennych znacząco podnosi wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji, a tym samym obniża masę zespołów współpracujących, takich jak popychacze, pierścienie stałe i obrotowe tarczy sterującej. Zastosowanie odpowiednio zaprogramowanych metastruktur materiałów z pamięcią kształtu zmniejszy zapotrzebowanie na moc, dzięki czemu zwiększy się zasięg statku powietrznego i/lub wydłuży czas zawisu.The advantageous effect of the variable angle main rotor blade stepped spar according to the invention is that it allows each section to be controlled separately (independently). Such a blade is universal in terms of adjusting the shape (twist angle) to the flight phase (hovering, flight at cruising speed, etc.), which directly increases the operability of the rotorcraft using the proposed solution. The stepped spar of the main rotor blade with variable twist angle, especially for helicopter main rotors, enables optimization of the ratio of lift to drag coefficient to maximize aerodynamic excellence. Optimization of aerodynamic features allows to reduce the loads generated cyclically by the rotor, depending on the phase of flight. This will have a particularly significant impact on the effect of detachment of air streams from the blade surface in progressive flights. Reducing the amplitudes of variable loads significantly increases the fatigue strength of the structure, and thus reduces the weight of cooperating assemblies, such as pushers, fixed and rotating rings of the swash plate. The use of properly programmed metastructures of shape memory materials will reduce the power demand, thus increasing the range of the aircraft and/or extending the hovering time.

Przedmiot według wynalazku został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:The object according to the invention is explained in more detail in an embodiment in the drawing, in which the individual figures show:

fig. 1 - widok dźwigara stopniowanego łopaty wirnika nośnego z zamontowanymi elementami z materiału z pamięcią kształtu w kształcie sprężyny, fig. 2 - widok dźwigara stopniowanego łopaty wirnika nośnego z widocznym fragmentem o mniejszym polu przekroju poprzecznego, fig. 3 - widok dźwigara stopniowanego łopaty wirnika nośnego z zamontowanymi elementami z materiału z pamięcią kształtu w kształcie rury.Fig. 1 - View of the stepped spar of the main rotor blade with mounted elements made of shape memory material in the shape of a spring, Fig. 2 - View of the stepped spar of the main rotor blade with a visible fragment with a smaller cross-sectional area, Fig. 3 - View of the stepped spar of the rotor blade with mounted elements made of shape memory material in the shape of a tube.

Dźwigar stopniowany łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia w przykładzie wykonania składa się z fragmentów 1a o większym polu przekroju poprzecznego, pomiędzy którymi znajdują się fragmenty 1b o mniejszym polu przekroju poprzecznego. Na elementach o mniejszym polu przekroju poprzecznego 1b osadzone są elementy z materiału z pamięcią kształtu 2a, 2b, 2c wywołujące moment skręcający. Każdy element skręcający 2a, 2b, 2c podłączony jest do osobnego źródła ciepła.The stepped spar of the main rotor blade with a variable twist angle in the embodiment consists of fragments 1a with a larger cross-sectional area, between which there are fragments 1b with a smaller cross-sectional area. On elements with a smaller cross-sectional area 1b, elements made of material with shape memory 2a, 2b, 2c are mounted, causing a torsion moment. Each twisting element 2a, 2b, 2c is connected to a separate heat source.

Zasada działania urządzenia według wynalazku polega na tym, że poprzez zmianę temperatury elementów z materiału z pamięcią kształtu 2a, 2b, 2c następuje ich skręcenie. Elementy z materiału z pamięcią kształtu 2a, 2b, 2c zamocowane są we fragmentach 1 b o mniejszym polu przekroju poprzecznego o osłabionej wytrzymałości na skręcanie i są połączone na sztywno swoimi końcami do ścianek czołowych fragmentów 1a o większym polu przekroju poprzecznego. Poprzez skręcenie elementów z materiału z pamięcią kształtu 2a, 2b, 2c na skutek ich podgrzania następuje skręcenie dźwigara.The principle of operation of the device according to the invention is that by changing the temperature of the elements made of material with shape memory 2a, 2b, 2c, their twisting takes place. The shape memory material elements 2a, 2b, 2c are fixed in the fragments 1b with a smaller cross-sectional area of weakened torsional strength and are rigidly connected with their ends to the end walls of the fragments 1a with a larger cross-sectional area. By twisting the elements made of the shape memory material 2a, 2b, 2c, the girder is twisted as a result of their heating.

Claims

1. A stepped spar of a main rotor blade with a variable twist angle, having elements made of shape memory material, characterized in that along its length it has fragments (1a) with a larger cross-sectional area, between which there are fragments (1b) with a smaller cross-sectional area, elements with a smaller cross-sectional area (1b) are fitted with elements made of shape memory material (2a), (2b), (2c) causing a torsion moment.

2. A girder according to claim 1, characterized in that each element of shape memory material (2a), (2b), (2c) is connected to a separate heat source.