RU2772353C2 - Blade of a cycloidal rotor or a cycloidal propeller with dynamic optimisation of shape and other parameters within a single rotation - Google Patents
Blade of a cycloidal rotor or a cycloidal propeller with dynamic optimisation of shape and other parameters within a single rotation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772353C2 RU2772353C2 RU2020115567A RU2020115567A RU2772353C2 RU 2772353 C2 RU2772353 C2 RU 2772353C2 RU 2020115567 A RU2020115567 A RU 2020115567A RU 2020115567 A RU2020115567 A RU 2020115567A RU 2772353 C2 RU2772353 C2 RU 2772353C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blade
- blade according
- control system
- shape
- structural elements
- Prior art date
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 13
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 10
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 claims 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229920001746 Electroactive polymer Polymers 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 210000000614 Ribs Anatomy 0.000 description 7
- 239000003570 air Substances 0.000 description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 4
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 4
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 210000004279 Orbit Anatomy 0.000 description 2
- 229910000639 Spring steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 2
- 230000001050 lubricating Effects 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000670 limiting Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000007620 mathematical function Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение The field of technology to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к лопастям циклоидных гребных и несущих винтов, а особенно к лопастям циклоидных несущих и гребных винтов, вращающихся по некруговой орбите. The present invention relates to the blades of cycloid propellers and rotors, and especially to the blades of cycloid rotors and propellers rotating in a non-circular orbit.
Обзор известного уровня техники Overview of prior art
Известные на сегодняшний день лопасти циклоидных гребных и несущих винтов, вращающихся по некруговой орбите (например, описанных в патенте US 8,540, 485), имеют фиксированную форму поперечного сечения. Однако в заявке на патент PCT/IL2013/050755 описан тип электромагнитного несущего или гребного винта, в котором лопасти, направляемые системой управления, следуют по собственной независимой траектории, при этом имеют заданную гибкость в поперечном сечении благодаря шарнирам, расположенным по всей длине лопасти; или же гибкость в поперечном сечении достигается благодаря использованию известных и подходящих эластичных материалов, например, эластомеров. Динамическое регулирование формы поперечного сечения лопастей обеспечивает создание виляющей или волнообразной тяги и может найти применение в других целях, например, в управляемом формировании и сбросе вихрей с задней кромки, а также динамической оптимизации формы лопасти для адаптации к различным эксплуатационным режимам на траектории ее движения. В вышеупомянутой заявке на патент лопасти изгибаются посредством векторов силы магнитного поля, воздействующих на магниты, закрепленные на концах лопасти. Таким образом, лопасти изгибаются в поперечном сечении при воздействии на них внешних сил. Данный тип электромагнитного гребного или несущего винта обладает такой способностью. Однако известные циклоидные несущие или гребные винты ее не имеют, в то время как динамическое регулирование формы поперечного сечения лопасти также значительно улучшило бы их характеристики. За исключением вышеупомянутой заявки на патент, в данной области техники не нашлось ничего связанного с циклоидными гребными и несущими винтами, обладающими возможностью динамического регулирования положения точки поворота лопасти. В вышеупомянутой заявке на патент описано регулирование положения виртуальной точки поворота на хорде лопасти, но не описано регулирование относительного положения физической точки поворота, и в данной области техники не нашлось документов, которые описывали бы эту особенность. Динамически изменяемые в плане формы нашли отражение в конструкции самолетных крыльев с изменяемой геометрией, но не в лопастях циклоидных несущих или гребных винтов, хотя в конструкции последних они нужны по целому ряду различных причин: ввиду необходимости изменять размер вихря на задней кромке лопасти и динамически регулировать текущее положение задней кромки каждой лопасти вдоль всей траектории ее вращения, а следовательно, расположение вихря на задней кромке лопасти и сброшенных потоков. Поворотные закрылки давно применяются в конструкциях крыльев самолетов с неизменяемой геометрией крыла и лопастей несущих винтов вертолетов, но не в конструкциях упомянутых лопастей несущих или гребных винтов, где они были бы весьма полезны при создании вихря на задней кромке лопасти, регулировании его размера, управляемом сбрасывании или его минимизации вплоть до полного исчезновения в тех частях траектории лопасти, где он был бы нежелателен, или для создания лопастью виляющей тяги. Предкрылки и прорези передней кромки используются в конструкции самолетных крыльев с неизменяемой геометрией и служат для улучшения подъемной тяги и предотвращения срыва. Почти свободная «включаемая» и «выключаемая» проницаемость к прохождению потока таких лопастей несущих и гребных винтов на большой площади их поверхности, и особенно на задней кромке, нейтрализует воздействие сильных локальных потоков, пересекающих траекторию, и/или влияние разницы динамического давления на противоположных сторонах, когда она нежелательна, и при необходимости используется в частях траектории лопасти при каждом обороте несущего или гребного винта. Однако такая проницаемость к прохождению потока имеет совершенно другую причину, иную структуру и в настоящий момент не описана ни в одном документе из данной области техники. Зная, что гибкая задняя кромка используется на лопасти, например, несущего винта вертолета, и учитывая, что гибкая кромка по одну или разные стороны точки поворота лопастей ориентирована на изгибание в том же или противоположном направлении, оснащение лопастей структурными элементами динамически изменяемой упругости вплоть до жесткости было бы особенно полезно в определенных режимах работы циклоидных несущих или гребных винтов, где аэроупругие или гидроупругие явления соответственно имеют такую же важность, как и для создания подъемной силы при обычных условиях. Однако эти явления в настоящий момент не описаны ни в одном документе из данной области техники. Возможность задавать твердость или гибкость передней и задней кромкам при необходимости смены их ролей для режима обратного воздушного потока и в других случаях остается очень желательной, но в данной области техники не нашлось документов, которые описывали бы эту функцию. Было бы полезно регулировать толщину профиля поперечного сечения лопасти, когда ее передняя и задняя кромки меняются ролями, но в данной области техники не нашлось документов, которые описывали бы эту функцию.The blades of cycloid propellers and main rotors rotating in a non-circular orbit (for example, described in US patent 8,540, 485) known today have a fixed cross-sectional shape. However, patent application PCT/IL2013/050755 describes a type of electromagnetic rotor or propeller in which the blades, guided by the control system, follow their own independent trajectory, while having a given flexibility in cross section due to hinges located along the entire length of the blade; or the flexibility in the cross section is achieved through the use of known and suitable elastic materials, for example elastomers. Dynamic control of the blade cross-sectional shape provides a wobbling or undulating thrust and can be used for other purposes, for example, in the controlled formation and release of vortices from the trailing edge, as well as dynamic optimization of the blade shape to adapt to various operating conditions on the trajectory of its movement. In the aforementioned patent application, the blades are bent by means of magnetic field force vectors acting on magnets attached to the ends of the blade. Thus, the blades bend in cross section when external forces act on them. This type of electromagnetic propeller or main rotor has this capability. However, known cycloid bearing or propellers do not have it, while dynamic control of the shape of the cross section of the blade would also significantly improve their performance. With the exception of the aforementioned patent application, nothing has been found in the art related to cycloid propellers and rotors having the ability to dynamically adjust the position of the pivot point of the blade. The aforementioned patent application describes the regulation of the position of the virtual pivot point on the blade chord, but does not describe the regulation of the relative position of the physical pivot point, and no documents have been found in the art that describe this feature. Dynamically variable shapes are reflected in the design of aircraft wings with variable geometry, but not in the blades of cycloid rotors or propellers, although in the design of the latter they are needed for a number of different reasons: due to the need to change the size of the vortex on the trailing edge of the blade and dynamically adjust the current the position of the trailing edge of each blade along the entire trajectory of its rotation, and, consequently, the location of the vortex on the trailing edge of the blade and the discharged flows. Rotary flaps have long been used in fixed-wing aircraft wing designs and helicopter rotor blades, but not in said rotor or propeller blade designs, where they would be very useful in creating vortex on the trailing edge of the blade, adjusting its size, controlled drop or its minimization up to its complete disappearance in those parts of the blade trajectory where it would be undesirable, or to create a wagging thrust by the blade. Leading edge slats and slots are used in fixed geometry aircraft wings to improve lift and prevent stall. The almost free “on” and “off” flow permeability of such rotor and propeller blades over a large area of their surface, and especially at the trailing edge, neutralizes the effect of strong local flows crossing the trajectory and / or the effect of dynamic pressure differences on opposite sides when it is not desired, and if necessary used in parts of the blade path with each revolution of the main or propeller. However, such permeability to the passage of the flow has a completely different reason, a different structure and is not currently described in any document from the art. Knowing that a flexible trailing edge is used on a blade, for example, of a helicopter main rotor, and taking into account that the flexible edge on one or different sides of the turning point of the blades is oriented towards bending in the same or opposite direction, equipping the blades with structural elements of dynamically changing elasticity up to stiffness would be particularly useful in certain operating modes of cycloid rotors or propellers, where aeroelastic or hydroelastic phenomena are respectively as important as they are for generating lift under normal conditions. However, these phenomena are not currently described in any document from the art. The ability to set the hardness or flexibility of the leading and trailing edges when it is necessary to change their roles for reverse airflow mode and in other cases remains very desirable, but in the art there were no documents that would describe this function. It would be useful to control the thickness of the cross-sectional profile of the blade when its leading and trailing edges are reversed, but no documents have been found in the art that would describe this function.
Цели и преимуществаGoals and Benefits
Первая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать такие лопасти для циклоидных гребных и циклоидных несущих винтов любого типа, которые позволяли бы динамически регулировать свою форму поперечного сечения благодаря встроенному механизму.The first object of the present invention is to provide such blades for cycloid propellers and cycloid rotors of any type, which would allow dynamic adjustment of its cross-sectional shape due to the built-in mechanism.
Другая цель настоящего изобретения заключается в создании таких лопастей для вышеупомянутых гребных и несущих винтов, которые имели бы возможность динамически изменять положение физической точки поворота вдоль своей хорды так, чтобы можно было регулировать относительные размеры вихрей на передней и задней кромках.Another object of the present invention is to provide such blades for the aforementioned propellers and main rotors, which would be able to dynamically change the position of the physical turning point along its chord so that the relative sizes of the vortices at the leading and trailing edges can be adjusted.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать такие лопасти для вышеупомянутых гребных и несущих винтов, которые имели бы возможность динамически изменять свою форму в плане благодаря увеличению или уменьшению выпуска задней кромки, который может быть увеличен различно по обоим концам лопасти в зависимости от текущего аэродинамического или гидродинамического режима на каждом конце соответственно для управления размером, формой и движением по всей длине лопасти, формированием и сбросом вихря на ее задней кромке.Another object of the present invention is to provide such blades for the aforementioned propellers and main rotors, which would be able to dynamically change their planform due to an increase or decrease in the trailing edge extension, which can be increased differently at both ends of the blade depending on the current aerodynamic or hydrodynamic mode at each end, respectively, to control the size, shape and movement along the entire length of the blade, the formation and shedding of a vortex at its trailing edge.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать для вышеупомянутых гребных и несущих винтов такие лопасти, закрылки которых поворачивались бы под действием потоков или привода в обоих направлениях в целях управления вихрем и другими потоками, воздействующими на заднюю кромку лопасти. Another object of the present invention is to provide for the aforementioned propellers and main rotors such blades, the flaps of which would turn under the action of the flows or drive in both directions in order to control the vortex and other flows acting on the trailing edge of the blade.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать для вышеупомянутых гребных и несущих винтов такие лопасти, которые имели бы по крайней мере одну гибкую кромку, жесткость которой можно было бы регулировать динамически и при необходимости различно по всей длине лопасти в реальном времени для улучшения управления гидроупругими или аэроупругими явлениями соответственно.Another object of the present invention is to provide for the aforementioned propellers and main rotors such blades that would have at least one flexible edge, the stiffness of which could be adjusted dynamically and, if necessary, differently along the entire length of the blade in real time to improve control. hydroelastic or aeroelastic phenomena, respectively.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать лопасти, способные изменять толщину и форму профиля поперечного сечения соответственно, когда передняя и задняя кромки меняются ролями в режиме обратного воздушного потока и в других случаях, требующих подобного изменения поперечного сечения лопасти. Another object of the present invention is to provide blades capable of changing the thickness and shape of the cross-sectional profile, respectively, when the leading and trailing edges are reversed in reverse airflow mode and in other cases requiring such a change in the blade cross-section.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы в процессе, когда передняя и задняя кромки лопасти меняются ролями, передняя кромка, бывшая до этого жесткой, стала гибкой, а задняя кромка, бывшая до этого гибкой, стала жесткой. Another object of the present invention is that in a process where the leading and trailing edges of the blade are reversed, the previously rigid leading edge becomes flexible and the trailing edge, previously flexible, becomes rigid.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы с помощью системы управления при необходимости регулировать проницаемость к прохождению потоков на большой части поверхности лопасти, и особенно на ее задней кромке, в нужных точках траектории движения лопасти, чтобы иметь возможность нейтрализовать воздействие сильных локальных потоков, пересекающих траекторию, или влияние разницы динамического давления на противоположных поверхностях лопасти, когда она нежелательна.Another object of the present invention is to use a control system to regulate, if necessary, the permeability to the passage of flows on a large part of the surface of the blade, and especially on its trailing edge, at the desired points in the trajectory of the blade, in order to be able to neutralize the effect of strong local flows crossing trajectory, or the effect of dynamic pressure difference on opposite surfaces of the blade, when it is undesirable.
Краткое описание графических материалов Brief description of graphic materials
На рис. 1 представлен вид лопасти, оснащенной встроенными линейными приводами, которые служат для изменения относительного углового расположения соседних сегментов и, как следствие, динамического регулирования формы поперечного сечения.On fig. 1 shows a view of a blade equipped with built-in linear actuators, which serve to change the relative angular position of adjacent segments and, as a result, dynamically control the cross-sectional shape.
На рис. 2 представлен вид лопасти, оснащенной эластично гибкой пластиной, на которой между разделительными перегородками установлены сегменты из электроактивного полимера, которые изменяют свои размеры при подаче напряжения, что приводит к динамическому изменению формы поперечного сечения лопасти. On fig. 2 shows a view of a blade equipped with an elastically flexible plate, on which segments of an electroactive polymer are installed between the dividing walls, which change their dimensions when voltage is applied, which leads to a dynamic change in the shape of the cross section of the blade.
На рис. 3 представлен вид лопасти на шарнирном основании, оснащенном приводом для динамического перемещения лопасти относительно шарнира и, как следствие, изменения относительного положения точки поворота лопасти. On fig. 3 is a view of a blade on a hinged base equipped with a drive for dynamically moving the blade relative to the hinge and, as a result, changing the relative position of the pivot point of the blade.
На рис. 4 представлен вид сверху лопасти с выдвижным закрылком. On fig. 4 is a top view of a blade with a retractable flap.
На рис. 4а представлен вид сбоку лопасти другой конструкции с выдвижным закрылком. On fig. 4a is a side view of another blade design with a retractable flap.
На рис. 5 представлен вид сбоку лопасти с поворотным закрылком.On fig. 5 is a side view of a rotary flap blade.
На рис. 6 представлен вид сверху лопасти с двумя гибкими кромками с различно регулируемой жесткостью по длине, ориентированными в противоположных направлениях и подходящими для режима, когда задняя и передняя кромки меняются ролями. On fig. 6 is a plan view of a blade with two flexible edges with differently adjustable stiffness along the length, oriented in opposite directions and suitable for a regime where the trailing and leading edges are reversed.
На рис. 7 представлен вид сверху лопасти с двумя регулируемыми закрылками, расположенными на противоположных краях лопасти, которые можно ориентировать в одном направлении в процессе работы. On fig. 7 is a plan view of a blade with two adjustable flaps located at opposite ends of the blade that can be oriented in the same direction during operation.
На рис. 8 представлен вид сбоку лопасти с регулируемой толщиной профиля поперечного сечения. On fig. 8 is a side view of a blade with an adjustable profile thickness.
На рис. 9 представлен частичный вид сбоку лопасти с «включаемой» или «выключаемой» проницаемостью к прохождению потока.On fig. 9 is a partial side view of a blade with "on" or "off" flow permeability.
Описание предпочтительных осуществлений изобретения Description of the preferred embodiments of the invention
В первом осуществлении изобретения (рис. 1) лопасть (1a) представляет собой набор параллельных сегментов (1), соединенных между собой шарнирами (2) или гибкими связями и тем самым образующих поверхность, гибкую в поперечном сечении. In the first implementation of the invention (Fig. 1), the blade (1a) is a set of parallel segments (1) connected to each other by hinges (2) or flexible connections and thus forming a surface that is flexible in cross section.
Возможные конфигурации этой лопасти могут быть выполнены в виде сегментов неравных размеров по длине хорды, когда, например, первый от передней кромки сегмент является самым длинным. Данные сегменты оснащены пластинами, к которым прикреплены миниатюрные (где это возможно) приводы (3), расположенные в зазорах между этими сегментами, например, приводы быстрого срабатывания из электроактивного полимера, пьезоэлектрические приводы со столбиками кристаллов или пьезоэлектрические приводы с увеличенным ходом для лопастей аэродинамического профиля, а для гораздо более медленных лопастей гидродинамического профиля — электромагнитные приводы, приводы из электроактивного полимера или приводы на основе сплавов с памятью формы. Зазоры перекрываются эластичными щитками, занимающими пространство от одного до следующего сегмента. Данный щиток можно сконструировать так, чтобы он эластично и легко прижимался к поверхности следующего сегмента; при этом зазор останется прикрытым, когда соседние сегменты поменяют свое относительное положение. Для контактной поверхности таких сегментов этих аэродинамических профилей, к которой прижимается щиток, можно применить поверхностное покрытие с низким коэффициентом трения и/или использовать воздушную смазку, например, посредством отведения потока окружающего воздуха в область контакта между сегментом и щитком. Поверхность гидродинамического профиля можно обработать специальным образом или нанести на нее покрытие, пригодное для эксплуатации с водной смазкой. Поверхность данного щитка, слегка прижимающегося к сегменту, можно обработать покрытием с похожим составом. Как вариант, можно нанести эластичное покрытие на верхнюю и нижнюю поверхности лопасти, например, выполненное из эластомерных материалов. Другое исполнение первого осуществления изобретения, особенно хорошо подходящее для гребных винтов, показано на рис. 2 и отличается тем, что упругая пластина (5) проходит вдоль всей хорды, а перпендикулярно этой пластине установлены перегородки (6). Такая структура лопасти дает гибкость в поперечном сечении в сочетании с жесткостью по длине, которую обеспечивают перегородки (6). Между указанными перегородками установлены и прикреплены к этим же перегородкам сегменты из электроактивного полимера (7), подключенные к электрической цепи. Поверхности лопасти покрыты эластичным покрытием (8), например, выполненным из эластомера. Еще одна версия первого осуществления изобретения заключается в использовании поворотных приводов на шарнирах между сегментами (1) по аналогии с тем, что описано в четвертом осуществлении изобретения для поворота закрылка задней кромки, но в первом осуществлении изобретения вышеупомянутые поворотные приводы должны использоваться для изменения относительных плоскостей соседних сегментов, а следовательно, и формы лопасти. Еще одна версия первого осуществления изобретения имеет стержни, выполненные из сплавов с памятью формы и соединяющие сегменты (1), причем данные стержни изгибаются по команде системы управления, что приводит к изменению положения относительных плоскостей соседних сегментов, а следовательно, и формы лопасти. При необходимости на поверхность лопасти устанавливают датчики давления/скорости потока, а также передатчики, например, инфракрасные или радиопередатчики, передающие данные с датчиков, а также дающие обратную связь системе управления касательно фактического расположения частей лопасти.Possible configurations of this blade can be made in the form of segments of unequal dimensions along the length of the chord, when, for example, the first segment from the leading edge is the longest. These segments are equipped with plates to which miniature (where possible) actuators (3) are attached, located in the gaps between these segments, for example, fast acting actuators made of electroactive polymer, piezoelectric actuators with crystal columns or piezoelectric actuators with extended stroke for airfoil blades , and for much slower hydrodynamic profile blades, electromagnetic actuators, electroactive polymer actuators, or shape memory alloy actuators. The gaps are covered with elastic flaps that occupy the space from one to the next segment. This shield can be designed so that it is elastic and easily pressed against the surface of the next segment; while the gap will remain covered when adjacent segments change their relative position. The contact surface of such segments of these airfoils against which the shield is pressed can be provided with a low friction surface coating and/or air lubricated, for example by diverting ambient air into the contact area between the segment and the shield. The surface of the hydrodynamic profile can be treated in a special way or coated with a coating suitable for water lubricated service. The surface of this shield, which is slightly pressed against the segment, can be treated with a coating with a similar composition. Alternatively, an elastic coating can be applied to the upper and lower surfaces of the blade, for example made from elastomeric materials. Another embodiment of the first embodiment of the invention, particularly well suited for propellers, is shown in fig. 2 and differs in that the elastic plate (5) runs along the entire chord, and partitions (6) are installed perpendicular to this plate. This structure of the blade gives flexibility in cross section, combined with rigidity along the length provided by the baffles (6). Between said partitions, segments made of electroactive polymer (7) connected to an electric circuit are installed and attached to the same partitions. The surfaces of the blade are covered with an elastic coating (8), for example made of an elastomer. Another version of the first embodiment of the invention is to use rotary actuators on the hinges between the segments (1) similar to what is described in the fourth embodiment of the invention to rotate the trailing edge flap, but in the first embodiment of the invention the above rotary actuators should be used to change the relative planes of adjacent segments, and hence the shape of the blade. Another version of the first implementation of the invention has rods made of shape memory alloys and connecting segments (1), and these rods are bent at the command of the control system, which leads to a change in the position of the relative planes of adjacent segments, and hence the shape of the blade. If necessary, pressure/flow rate sensors are installed on the surface of the blade, as well as transmitters, such as infrared or radio transmitters, transmitting data from the sensors, as well as giving feedback to the control system regarding the actual location of the parts of the blade.
Второе осуществление изобретения предусматривает лопасть либо фиксированной формы поперечного сечения, либо переменной формы (рис. 3), на обоих концах которой закреплены поддерживающие пластины (9), установленные с возможностью скольжения на коротких поворотных направляющих (10). К вышеуказанной поворотной направляющей (12) прикреплены соответствующие концы подходящих приводов (11), а противоположные концы данных приводов прикреплены к кареткам. Роль подходящих приводов быстрого действия могут исполнять, например, приводы из электроактивных полимеров или пьезоэлектрические приводы с увеличенным ходом. Возможно закрепить каретки внутри другой пары кареток, а приводы присоединить к внешней и внутренней кареткам таким же образом, как описано выше для поддерживающих пластин (9) и короткой поворотной направляющей (10). Это необходимо для того, чтобы каретки с приводами двигались ступенчато, тем самым увеличивая ход лопасти относительно точки поворота, потому что приводы, требуемые для аэродинамических профилей с регулировкой относительного положения точки поворота лопасти в реальном времени должны иметь высокую скорость срабатывания, но обычно имеют короткий ход — например, к ним относятся приводы на основе пьезоэлектрического кристалла, которые можно использовать вместе с подходящими известными увеличителями хода. Поступательное движение лопасти относительно точки поворота приведет к перераспределению ее массы вперед или назад по направлению движения. Это явление можно нейтрализовать использованием противовесов аналогично тому, как описано в патенте US 8,540, 485 и/или заявке на патент PCT/IL2013/050755, либо путем использования других известных противовесных механизмов и/или способов демпфирования. The second implementation of the invention provides for a blade of either a fixed cross-sectional shape or a variable shape (Fig. 3), at both ends of which supporting plates (9) are fixed, mounted with the possibility of sliding on short rotary guides (10). The corresponding ends of suitable drives (11) are attached to the above rotary guide (12), and the opposite ends of these drives are attached to the carriages. Suitable fast acting actuators can be, for example, electroactive polymer actuators or extended stroke piezoelectric actuators. It is possible to mount the carriages inside another pair of carriages and connect the drives to the outer and inner carriages in the same way as described above for the support plates (9) and the short rotary guide (10). This is necessary in order for the motorized carriages to move in steps, thereby increasing the travel of the blade relative to the pivot point, because the actuators required for airfoils with real-time adjustment of the relative position of the pivot point of the blade must have a high response speed, but usually have a short stroke. - for example, these include piezoelectric crystal actuators, which can be used in conjunction with suitable known stroke magnifiers. The translational movement of the blade relative to the pivot point will redistribute its mass forward or backward in the direction of motion. This phenomenon can be neutralized by using counterweights in a manner similar to that described in US Pat. No. 8,540, 485 and/or PCT/IL2013/050755, or by using other known counterweight mechanisms and/or damping methods.
Для третьего осуществления первая версия лопасти настоящего изобретения (рис. 4) представляет собой лопасть либо фиксированной формы, либо гибкую лопасть, как описано в первом осуществлении. На подходящих элементах лопасти должны быть смонтированы 2 быстродействующих линейных привода (13), шарнирно присоединенных к шпилькам (14). Слева установлена шпилька (14) на подвижной опоре (15). Данная опора движется вдоль короткой направляющей (16) и создает условия для различающихся движений левой и правой сторон выдвигающейся задней кромки (17), выполненной из очень легкого материала, например, листа из углеродных нанотрубок и тому подобного. Для второй версии этого осуществления изобретения (рис. 4А) ремень (13а) натягивают на вал большего диаметра (14а) и вал (14б). Соединительная тяга (15а) присоединена к данному ремню и к выдвигающейся и втягивающейся задней кромке (17), в то время как противовес (15б) прикреплен к противоположной стороне данного ремня (13а). Рычаг (16а) со шкивами/роликами (16б) закреплен на специальной направляющей задней кромки (17а); эта направляющая может иметь фиксированную или изменяемую форму. Также вал (14а) может быть функционально связан с поворотным приводом (не показан), а не с рычагом со шкивами на направляющей. Могут быть другие различные конструкторские решения для простой задачи выдвижения и втягивания задней кромки, но с учетом всех внесенных изменений они остаются в духе и не выходят за пределы объема настоящего изобретения. Выдвижение или втягивание данной задней кромки приведет к перераспределению ее массы вперед или назад. Это явление можно нейтрализовать использованием противовесных механизмов аналогично тому, как описано в патенте US 8,540, 485 и/или заявке на патент PCT/IL2013/050755, либо путем использования других известных противовесных механизмов и/или способов демпфирования.For the third embodiment, the first version of the blade of the present invention (Fig. 4) is either a fixed shape blade or a flexible blade as described in the first embodiment. On suitable blade elements, 2 quick-acting linear actuators (13) must be mounted, pivotally connected to the studs (14). On the left, a pin (14) is mounted on a movable support (15). This support moves along a short guide (16) and creates conditions for different movements of the left and right sides of the retractable trailing edge (17) made of a very light material, such as carbon nanotube sheet and the like. For the second version of this embodiment of the invention (Fig. 4A), the belt (13a) is pulled over a larger diameter shaft (14a) and a shaft (14b). A tie rod (15a) is attached to this belt and to the retractable and retractable trailing edge (17), while a counterweight (15b) is attached to the opposite side of this belt (13a). The lever (16a) with pulleys/rollers (16b) is fixed on a special trailing edge guide (17a); this guide may have a fixed or variable shape. Also, the shaft (14a) may be operatively connected to a rotary actuator (not shown) rather than to a lever with pulleys on the guide. There may be various other design solutions for the simple task of extending and retracting the trailing edge, but with all the changes made, they remain in the spirit and do not go beyond the scope of the present invention. Extending or retracting this trailing edge will redistribute its mass forward or backward. This phenomenon can be neutralized by using counterbalance mechanisms similar to those described in US 8,540, 485 and/or PCT/IL2013/050755, or by using other known counterbalance mechanisms and/or damping methods.
Четвертое осуществление лопасти в этом изобретении (рис. 5) включает в себя поворотный закрылок (18), шарнирно прикрепленный к корпусу лопасти (19). Вдоль краев закрылка и в соответствующих местах корпуса лопасти должны быть установлены стопоры с демпферами (20), ограничивающими максимальный поворот закрылка в обе стороны. Соосно с шарниром(-ами) установлен быстродействующий поворотный привод (21) с муфтами (22). Благодаря шплинтам (23), закрылок (25) вращается совместно с валом (24) на шарнирах (26). При необходимости на закрылке может быть установлен миниатюрный передатчик, например, инфракрасный, для передачи в систему управления сигнала о фактическом положении закрылка. При необходимости в конструкции поворотного закрылка (18) может быть предусмотрена гибкая задняя кромка, описанная в пятом осуществлении. Также поворотный закрылок в этом осуществлении может поворачиваться не с помощью быстродействующего поворотного привода, а посредством рычага со шкивами (не показаны), прикрепленного к валу (24) и установленного на специальной направляющей закрылка, как это было описано во второй версии третьего осуществления и показано на рис. 4А. Было бы желательно, если бы этот поворотный закрылок был сбалансирован относительно своей оси вращения, особенно для целей применения в более быстрых воздушных винтах. The fourth implementation of the blade in this invention (Fig. 5) includes a rotary flap (18) hinged to the blade body (19). Stops with dampers (20) should be installed along the edges of the flap and in the corresponding places of the blade body, limiting the maximum rotation of the flap in both directions. Coaxial with the hinge(s) is a quick-acting slewing drive (21) with couplings (22). Thanks to cotter pins (23), the flap (25) rotates together with the shaft (24) on hinges (26). If necessary, a miniature transmitter, for example, infrared, can be installed on the flap to transmit a signal to the control system about the actual position of the flap. If necessary, the design of the rotary flap (18) can be provided with a flexible trailing edge, described in the fifth implementation. Also, the rotary flap in this embodiment can be rotated not by means of a quick-acting rotary actuator, but by means of a lever with pulleys (not shown) attached to the shaft (24) and mounted on a special flap guide, as described in the second version of the third embodiment and shown in rice. 4A. It would be desirable if this rotary flap were balanced about its axis of rotation, especially for the purpose of faster propeller applications.
В пятом осуществлении (рис. 6) в конструкции лопасти (1а) предусмотрены гибкие задние кромки (27) с ребрами жесткости (28), протягивающимися от того края, где гибкая задняя кромка прикреплена к корпусу лопасти, до свободного края гибкой задней кромки. Данные ребра жесткости (28) должны быть расположены на определенном расчетами расстоянии друг от друга. Данные ребра должны быть сделаны из упругого материала, например, видов пластика, применяемого в составе пластмассовых пружин, упругих бронзовых сплавов или пружинной стали. Ребра в одной версии этого осуществления изобретения обычно имеют форму тонкостенной трубы, заполненной маслом или другой несжимаемой жидкостью без воздушных пробок, герметично закупоренной с одного конца и закрытой с другого конца поршнем или, если это осуществимо для тонкостенной трубы данного диаметра, гибкой мембраной, выдерживающей высокое давление. Причем данный поршень или мембрана должны управляемо, согласно заранее определенной математической функции или формуле, описывающей величину перемещения во времени, перемещаться приводом, например, пьезоэлектрическим или на основе электроактивных полимеров, более или менее внутрь полости трубки или наружу с частотой, заданной системой управления или по конкретной команде системы управления. Когда поршень или мембрана продвигается внутрь трубки, то создает высокое давление внутри ее полости, вследствие чего возникает растягивающее натяжение в ее стенках и, для определенных видов материалов трубок, например, пластмасс, их значительное радиальное расширение, и, как следствие влияния этих факторов, увеличение жесткости трубки, и наоборот, когда поршень или мембрана перемещаются обратно. При необходимости данный поршень или мембрана может находиться снаружи полости трубок ребер (28), а его/ее выходное высокое давление передаваться в полость трубки через специальную врезку, или внутри полости трубки может быть предусмотрена вставка, например, выполненная из специального электроактивного полимера, изменяющего свой объем при подаче напряжения и, как следствие, изменяющего давление внутри. Также в версии, особенно пригодной для гребных винтов с малым числом оборотов, такое ребро жесткости может представлять собой упругую балку, выполненную из тех же материалов, что были перечислены выше для ребер, с удлиненной формой поперечного сечения, например, эллиптической или овальной, и установленную внутри круглой трубки. Когда данные балки поворачиваются приводами относительно плоскости лопасти, площадь их момента инерции относительно этой плоскости изменится, при необходимости в несколько раз. Другой способ создания ребра жесткости для воздушных винтов с более высоким числом оборотов — использование листовой рессоры, состоящей из стопки двух и более узких пластин определенной расчетами толщины, поверхности соприкосновения которых имеют электропроводные слои или покрытие с тонким слоем электрореологической жидкости между данными пластинами. Поверхности пластин можно намеренно загрубить или нанести на них насечку, чтобы усилить изменение вязкости данной жидкости при возникновении трения между данными пластинами. Подачей напряжения можно регулировать вязкость данной жидкости вплоть до затвердевания, тем самым регулируя жесткость данных миниатюрных (где это уместно) листовых рессор, используемых в качестве ребер жесткости. Этот и другие способы применения таких ребер переменной жесткости подробно описаны применительно к листовым рессорам и витым пружинам в заявках на патенты «Пружины с умной памятью и их сочетания» PCT/IL2015/05021 и «Пружины с динамически изменяемой жесткостью» PCT/IL2016/051195. Регулирование жесткости ребер (28) можно произвести различно по длине лопасти, что повлияет на форму появляющегося вихря и его возможное перемещение по профилю лопасти вдоль данной гибкой кромки. Данную гибкую кромку по длине лопасти можно предусмотреть в более чем одном месте вдоль ее хорды, например, (рис. 6) вдоль противоположных краев лопасти с ориентацией гибких кромок друг напротив друга, определяемую как направление от закрепленного края до свободного подвижного края. Это было бы особенно полезно в случаях, когда требуется эксплуатация в условиях обратного воздушного потока или в других случаях, где при текущем мгновенном положении лопасти на траектории и ее текущем угле наклона смена ролей передней и задней кромок оказывается целесообразной. В этом случае система управления принимает такое решение, и кромка, бывшая до этого задней, становится жесткой, а кромка, бывшая до этого передней, становится соответственно гибкой. Также гибкие кромки, в зависимости от типа рабочего движения, для которого сконструирована лопасть, могут быть установлены в одном направлении (рис. 7) либо по разные стороны от точки поворота лопасти, либо по одну сторону. В обоих случаях потребуется прорезь вдоль всей поверхности лопасти определенного расчетами и достаточного размера для функционирования дополнительной гибкой кромки, не расположенной ни на переднем, ни на заднем краях. In the fifth implementation (Fig. 6), the design of the blade (1a) provides for flexible trailing edges (27) with stiffeners (28) extending from the edge where the flexible trailing edge is attached to the blade body to the free edge of the flexible trailing edge. These stiffeners (28) must be located at a calculated distance from each other. These ribs should be made of a resilient material, such as plastics used in plastic springs, resilient bronze alloys, or spring steel. The fins in one version of this embodiment of the invention are typically in the form of a thin-walled tube filled with oil or other incompressible liquid without air pockets, hermetically sealed at one end and closed at the other end by a piston or, if feasible for a thin-walled tube of a given diameter, a flexible membrane capable of withstanding high pressure. Moreover, this piston or membrane must be controlled, according to a predetermined mathematical function or formula describing the amount of movement in time, to be moved by a drive, for example, a piezoelectric or based on electroactive polymers, more or less inside the tube cavity or out at a frequency specified by the control system or according to specific command of the control system. When the piston or membrane moves inside the tube, it creates a high pressure inside its cavity, as a result of which there is a tensile tension in its walls and, for certain types of tube materials, for example, plastics, their significant radial expansion, and, as a result of the influence of these factors, an increase in stiffness of the tube, and vice versa, when the piston or membrane moves back. If necessary, this piston or membrane can be located outside the cavity of the tubes of the ribs (28), and its output high pressure is transmitted to the cavity of the tube through a special insert, or an insert can be provided inside the cavity of the tube, for example, made of a special electroactive polymer that changes its volume when voltage is applied and, as a result, changing the pressure inside. Also, in a version particularly suited to low RPM propellers, such a stiffening rib may be a resilient beam made of the same materials as listed above for the ribs, with an elongated cross-sectional shape, such as elliptical or oval, and installed inside a round tube. When these beams are rotated by drives relative to the plane of the blade, the area of their moment of inertia relative to this plane will change, if necessary, by several times. Another way to create a stiffener for higher RPM propellers is to use a leaf spring consisting of a stack of two or more narrow plates of specified thickness, the contact surfaces of which are electrically conductive layers or coated with a thin layer of electrorheological fluid between these plates. The surfaces of the plates can be deliberately roughened or scored to enhance the change in viscosity of a given fluid when friction occurs between the plates. Applying voltage can control the viscosity of this fluid until it solidifies, thereby adjusting the stiffness of these miniature (where appropriate) leaf springs used as stiffeners. This and other applications of such variable ribs are described in detail in relation to leaf springs and coil springs in patent applications PCT/IL2015/05021 Smart Memory Springs and PCT/IL2016/051195 Dynamic Springs. The stiffness of the ribs (28) can be adjusted differently along the length of the blade, which will affect the shape of the emerging vortex and its possible movement along the profile of the blade along this flexible edge. This flexible edge along the length of the blade can be provided in more than one place along its chord, for example (Fig. 6) along opposite edges of the blade with the orientation of the flexible edges opposite each other, defined as the direction from the fixed edge to the free moving edge. This would be particularly useful in cases where reverse air flow conditions are required or in other cases where, at the current instantaneous position of the blade on the path and its current angle of inclination, it is advisable to change the roles of the leading and trailing edges. In this case, the control system makes such a decision, and the previously rear edge becomes rigid, and the previously leading edge becomes correspondingly flexible. Also, flexible edges, depending on the type of working movement for which the blade is designed, can be installed in one direction (Fig. 7) either on opposite sides of the blade turning point, or on one side. In both cases, a slot along the entire surface of the blade, determined by calculations and of sufficient size for the operation of an additional flexible edge, located neither on the leading nor on the trailing edges, will be required.
Для шестого осуществления данного изобретения в конструкции лопасти предусматривается динамическое изменение толщины профиля в целях оптимизации поперечного профиля лопасти, а при необходимости и продольного профиля тоже, для различных условий и режимов эксплуатации вдоль всей ее траектории в пределах одного оборота. Оно также пригодится в конструкции лопастей пятого осуществления данного изобретения, где передняя и задняя кромки могут меняться ролями, и соответственно этому должна изменяться форма профиля лопасти. Лопасть, как показано на рис. 8, представляет собой основание фиксированной или изменяемой формы, как описано выше для первого осуществления данного изобретения (29), с гибким покрытием (30), выполненным из подходящего материала с требуемой степенью гибкости, устойчивости, упругости и усталостной прочности. Например, это может быть листовое покрытие из графена, углеродного волокна для применения в авиации, пружинной стали, упругих бронзовых сплавов или углеродного волокна для гребных винтов. Данное листовое покрытие должно быть закреплено на верху или внизу основания (29), и его будет поддерживать некоторое число линейных приводов (31), установленных на основании в определенном расчетами порядке и на определенном расчетами расстоянии друг от друга. Данными линейными приводами могут служить, например, конические спирали из сплавов с памятью формы, способные изменять свою форму от конуса при полном растяжении до плоской спирали в полностью сложенном состоянии, с индивидуальным позиционным контролем через систему управления для каждого такого элемента или заранее определенной группы элементов, например, когда они установлены в ряд на одной плоской структурной балке (33), проходящей вдоль профиля лопасти. В то время как обычно в пределах одного ряда приводов они должны перемещаться на одно и то же расстояние, при необходимости такие приводы из одного ряда или их группу можно заставить двигаться различно по длине лопасти, тем самым позволяя регулировать продольный профиль лопасти. Другой способ применения таких рядов приводов состоит в использовании надувного, пневматически для воздушных винтов или пневматически/гидравлически для гребных винтов, и расширяющегося шланга, закрепленного на основании (29) и прикрепленного к плоской структурной балке (33). Также роль таких линейных приводов для применения в авиации могут выполнять пьезоэлектрические приводы с увеличителями хода гораздо более быстрого срабатывания. Они могут служить для динамического изменения формы данного листового покрытия с каждым оборотом винта. По мере изменения кривой профиля поперечного сечения длина данного листового покрытия также изменяется. Такое изменение длины может быть реализовано путем применения листового покрытия, разделенного на частично перекрывающие друг друга полоски (32) рассчитанной ширины. Так как разница высот между соседними полосками меняется, изменение длины данной кривой обеспечивается посредством изменения величины перекрытия между соседними полосками. Также можно использовать соединение типа «паз — выступ» по длине соседних полосок. Если полоска листового покрытия покрывает более одного ряда опор с приводом, листовое покрытие прикрепляется к одному ряду и снабжается известными средствами для обеспечения его перемещения по другим рядам таких опор, например, с использованием подходящих эластичных направляющих, прикрепленных к листовому покрытию, и роликов или скользящих опор, установленных на опорах с приводом. Также на листовое покрытие может быть установлен щиток, выполненный из эластомера, способный изменять длину (не показан) и прикрывающий края полосок листового покрытия. Есть большое многообразие таких опор с приводом и других приводных устройств, которые можно использовать для изгибания данного листового покрытия. С учетом всех внесенных изменений считается, что они остаются в духе и не выходят за пределы объема настоящего изобретения. Вторая версия шестого осуществления изобретения особенно подходит для лопастей гребных винтов. Она представляет собой накладки из подходящих электроактивных полимеров (не показаны) или других подходящих материалов, способных изменять объем и/или форму определенным расчетами образом и в нужном объеме при подаче напряжения. Данные накладки закреплены на неподвижном или упругом основании (29), возможно, на обеих его поверхностях, и при необходимости оснащены защитным покрытием, состоящим из цельного листа или нескольких полосок, по возможности расположенных внахлест, выполненных, например, из эластомера, и проходящих через их общую поверхность по каждой поверхности лопасти, на которой установлены данные накладки. Для обеих версий шестого осуществления изобретения движение полосок листового покрытия или всего листового покрытия целиком может быть обеспечено с помощью смазки опорной поверхности; а именно водной смазки гребных винтов и воздушной смазки для воздушных винтов. Смазывающей водой или воздушным потоком соответственно может служить накачиваемый или отведенный набегающий поток на лопасти.For the sixth embodiment of this invention, the design of the blade provides for a dynamic change in the thickness of the profile in order to optimize the transverse profile of the blade, and if necessary, the longitudinal profile too, for various conditions and operating modes along its entire trajectory within one revolution. It will also be useful in the design of the blades of the fifth embodiment of the present invention, where the leading and trailing edges can change roles, and the shape of the blade profile must change accordingly. Blade as shown in fig. 8 is a base of fixed or variable shape, as described above for the first embodiment of the present invention (29), with a flexible cover (30) made of a suitable material with the required degree of flexibility, stability, resilience and fatigue resistance. For example, it can be graphene sheeting, carbon fiber for aviation applications, spring steel, resilient bronze alloys, or carbon fiber for propellers. This sheeting must be fixed at the top or bottom of the base (29) and will be supported by a number of linear actuators (31) installed on the base in a calculated order and at a calculated distance from each other. These linear actuators can be, for example, conical spirals made of shape memory alloys, capable of changing their shape from a cone when fully extended to a flat spiral in a fully folded state, with individual position control through a control system for each such element or a predetermined group of elements, for example, when they are mounted in a row on one flat structural beam (33) running along the blade profile. While normally within the same row of drives they must move the same distance, if necessary, such drives from the same row or a group of them can be made to move differently along the length of the blade, thereby allowing adjustment of the longitudinal profile of the blade. Another way to use such rows of drives is to use an inflatable, pneumatic for propellers or pneumatic/hydraulic for propellers, and an expandable hose fixed on a base (29) and attached to a flat structural beam (33). Also, the role of such linear actuators for aviation applications can be performed by piezoelectric actuators with stroke magnifiers of much faster response. They can serve to dynamically change the shape of a given sheeting with each turn of the screw. As the cross-sectional profile curve changes, the length of a given sheeting also changes. Such a change in length can be realized by applying a sheeting divided into partially overlapping strips (32) of calculated width. Since the height difference between adjacent strips varies, changing the length of this curve is provided by changing the amount of overlap between adjacent strips. You can also use a tongue-and-groove connection along the length of adjacent strips. If a strip of sheeting covers more than one row of powered supports, the sheeting is attached to one row and is provided with known means to allow it to move over other rows of such supports, for example using suitable elastic guides attached to the sheeting and rollers or sliding supports. mounted on powered supports. Also, a shield made of elastomer, capable of changing length (not shown) and covering the edges of the sheeting strips, can be installed on the sheeting. There are a wide variety of such powered supports and other powered devices that can be used to bend a given sheeting. Subject to all changes made, it is believed that they remain in the spirit and do not go beyond the scope of the present invention. The second version of the sixth embodiment of the invention is particularly suitable for propeller blades. It is an overlay of suitable electroactive polymers (not shown) or other suitable materials capable of changing volume and/or shape in a calculated manner and in the desired volume when voltage is applied. These pads are fixed on a fixed or resilient base (29), possibly on both of its surfaces, and, if necessary, are equipped with a protective coating consisting of a single sheet or several strips, if possible overlapping, made, for example, of elastomer, and passing through them a common surface for each surface of the blade on which these pads are installed. For both versions of the sixth embodiment of the invention, the movement of the sheeting strips or the entire sheeting can be ensured by lubricating the bearing surface; namely water lubrication for propellers and air lubrication for propellers. The lubricating water or air flow, respectively, can be a pumped or diverted oncoming flow onto the blades.
Для седьмого осуществления настоящего изобретения лопасть должна быть оборудована управляемой «включаемой» или «выключаемой» почти свободной проницаемостью для прохождения потока на большой площади ее поверхности в целях смягчения влияния очень сильных потоков, пересекающих траекторию и встречающихся на некоторых более перспективных траекториях. Эти потоки создают значительные импульсы отрицательной подъемной силы или отрицательной тяги соответственно, но существуют другие определенные обстоятельства, при которых указанная проницаемость, создаваемая по команде системы управления, будет особенно полезна. Обе поверхности лопасти (рис. 9) должны иметь отверстия (34), совпадающие по размеру и расположению и закрытые группами поворотных полосок по типу жалюзи (35), которые могут располагаться по длине лопасти или перпендикулярно ей, что более предпочтительно, так как в этом случае менее вероятно, что они будут препятствовать потокам, проходящим по лопасти. Между данными отверстиями на обеих поверхностях, закрытыми жалюзи, должны располагаться каналы (36) для направления и латерального ограничения потока, проходящего через лопасть между данными отверстиями. Ось поворота (37) полосок данных жалюзи может иметь шестерни или зубчатые секторы (38), миниатюрные там, где это возможно, предпочтительно на обоих концах полосок во избежание их скручивания, причем данные шестерни или зубчатые секторы должны находиться в зацеплении с приводной зубчатой рейкой (39) или зубчатым приводным ремнем. В легковесном авиационном исполнении данные полоски можно закрепить на обоих концах струновидными торсионами вместо оси поворота и прикрепить рядом с краем обычной управляющей тягой, приводимой в движение линейным приводом. Чтобы нейтрализовать любые аэродинамические силы, создаваемые поворотом множества полосок, при необходимости половину из них можно поворачивать одной тягой в одном направлении, а другую половину — другой тягой в другом направлении. Данный привод должен иметь возможность блокировки или независимое запирающее устройство известного типа (не показано) для функциональной связи с данной толкающей или тянущей тягой или зубчатой рейкой (39). При необходимости данные полоски можно обеспечить возможностью поворота потоками в открытое положение путем отсоединения запирания с приводом или указанным независимым замыкающим устройством до возникновения данных потоков, а затем поворота в закрытое положение приводной тягой или вышеуказанными струновидными торсионами с упругостью на поворот, достаточной для этого.For the seventh embodiment of the present invention, the blade must be equipped with a controlled "turn on" or "off" near free permeability to allow flow over a large area of its surface in order to mitigate the effects of very strong flows crossing the path and encountered on some of the more promising paths. These flows create significant impulses of negative lift or negative thrust, respectively, but there are certain other circumstances in which said permeability, commanded by a control system, will be particularly useful. Both surfaces of the blade (Fig. 9) must have holes (34) that match in size and location and are closed by groups of turning strips like louvres (35), which can be located along the length of the blade or perpendicular to it, which is more preferable, since in this In this case, they are less likely to interfere with the flows passing through the blade. Channels (36) should be provided between these openings on both louvered surfaces to guide and laterally restrict the flow passing through the blade between these openings. The axis of rotation (37) of these blinds may have gears or toothed sectors (38), miniaturized where possible, preferably at both ends of the strips to avoid twisting, and these gears or toothed sectors must be engaged with the drive gear rack ( 39) or a timing belt. In a lightweight aircraft design, these strips can be secured at both ends with string-shaped torsion bars instead of a pivot pin, and attached close to the edge with a conventional control rod driven by a linear actuator. In order to neutralize any aerodynamic forces created by turning the plurality of strips, if necessary, half of them can be turned with one rod in one direction, and the other half with another rod in the other direction. This drive must have a locking capability or an independent locking device of known type (not shown) to be functionally connected to this push or pull rod or rack (39). If necessary, these strips can be provided with the possibility of rotation by flows into the open position by disconnecting the lock with the drive or the specified independent locking device before the occurrence of these flows, and then turning into the closed position by the drive rod or the above string-shaped torsion bars with sufficient elasticity for this.
Эскизы и схемы Sketches and schemes
Предоставляются отдельно. Provided separately.
Действие Action
При эксплуатации лопасть в первом осуществлении изобретения (рис. 1) изменит форму в соответствии с режимом эксплуатации, выбранным системой управления. Изменение формы произойдет при помощи приводов (3), которые расположены в зазорах между сегментами (1). Они изменяют относительное расстояние между своими точками крепления на соседних сегментах (1) по командам системы управления, тем самым изменяя относительное угловое позиционирование сегментов и, как следствие, форму лопасти. При помощи привода, контролируемого системой управления, лопасть выполняет изгибание, подобное, например, вилянию рыбьего хвоста, преимущественно конечными сегментами, совершая волнообразное движение, или постоянно образует криволинейные профили для создания оптимальной подъемной силы/тяги, наиболее подходящих для условий работы в текущий момент. Другая версия этого осуществления изобретения, показанная на рис. 2, работает следующим образом. Система управления скоординированно активирует сегменты из электроактивного полимера (7), которые расширяются и сжимаются, надавливая на перегородки (6) и тем самым заставляя упругую пластину (5) изгибаться, что приводит к изгибанию всей лопасти по команде системы управления. При необходимости непосредственно на лопасти могут быть установлены датчики давления/скорости потока, которые обеспечивают систему управления полной информацией о текущем состоянии потоков, попадающих на лопасть. Датчики должны передавать данные на приемное(-ые) устройство(-а), расположенное(-ые) в ином месте конструкции гребного/воздушного винта, возможно, вместе с сигналами, например, инфракрасными, что позволяет определять точное расположение элементов лопасти и отправлять эти данные в систему управления. During operation, the blade in the first implementation of the invention (Fig. 1) will change shape in accordance with the operating mode selected by the control system. The change in shape will occur with the help of drives (3), which are located in the gaps between the segments (1). They change the relative distance between their attachment points on adjacent segments (1) according to the commands of the control system, thereby changing the relative angular positioning of the segments and, as a result, the shape of the blade. By means of a drive controlled by a control system, the blade performs a wagging like a fishtail, predominantly in the end segments, making an undulating motion, or constantly forms curved profiles to create the optimal lift/thrust force most suitable for the working conditions at the current moment. Another version of this embodiment of the invention, shown in Fig. 2 works as follows. The control system activates the electroactive polymer segments (7) in a coordinated manner, which expand and contract, pressing on the baffles (6) and thereby causing the elastic plate (5) to bend, which leads to the bending of the entire blade at the command of the control system. If necessary, pressure/flow velocity sensors can be installed directly on the blades, which provide the control system with complete information about the current state of the flows falling on the blade. The sensors must transmit data to a receiving device(s) located elsewhere in the propeller/propeller structure, possibly together with signals such as infrared, which allow the exact location of the blade elements to be determined and sent. data to the control system.
При работе лопасти из второго осуществления изобретения (рис. 3) по команде системы управления приводы должны изменять расстояние между своими точками крепления на короткой поворотной направляющей (10) и каретке лопасти, тем самым перемещая каретку вместе с лопастью, установленной на ней, относительно данной точки поворота (12), что приведет к изменению относительных размеров вихрей на передней и задней кромках. Если для ступенчатого движения используется больше одной каретки, то приводы совершают соответствующее движение между установленными одна на другую каретками. Как описано для первого осуществления, при необходимости данные о давлении/скорости потока на поверхности лопасти и информация о ее расположении должны быть переданы в систему управления.During operation of the blade from the second embodiment of the invention (Fig. 3), at the command of the control system, the drives must change the distance between their attachment points on the short rotary guide (10) and the blade carriage, thereby moving the carriage together with the blade mounted on it, relative to this point rotation (12), which will lead to a change in the relative sizes of the vortices on the leading and trailing edges. If more than one carriage is used for stepped movement, then the drives perform the corresponding movement between the carriages mounted one on top of the other. As described for the first implementation, if necessary, data on the pressure/flow rate on the surface of the blade and information about its location must be transmitted to the control system.
В третьем осуществлении (рис. 4) приводы (13) срабатывают по команде системы управления, тем самым перемещая шпильки (14), закрепленные на подвижной опоре (15), что приводит к перемещению задней кромки (17) внутрь или наружу относительно заднего края лопасти. Приводы (13) могут срабатывать различно, тем самым обеспечивая различное положение шпилек (14). Вследствие этого правый и левый углы задней кромки будут располагаться на разном расстоянии от заднего края лопасти. В альтернативном варианте конструктивного исполнения (рис. 4а) предусмотрен радиальный рычаг (16а) с роликами, перемещающимися по направляющей (17а) задней кромки, который вращается сам и поворачивает вал 14а, который приводит в движение ремень (13а) и прикрепленную к нему соединительную тягу (15а), которая, в свою очередь, задвигает или выдвигает заднюю кромку (17), в то время как противовес (15б) перемещается в противоположном направлении относительно задней кромки (17). Выдвижение задней кромки можно использовать для сбрасывания при необходимости вихря с задней кромки лопасти, возникающего вдоль ее заднего края, или для управления размером вихря на задней кромке или потока, сходящего с задней кромки. Также информация о положении выпуска задней кромки и данные от любого датчика давления/скорости потока на нем может быть передана в систему управления, как описано выше. In the third implementation (Fig. 4), the drives (13) are triggered by the command of the control system, thereby moving the pins (14) fixed on the movable support (15), which leads to the movement of the trailing edge (17) in or out relative to the trailing edge of the blade . The actuators (13) can operate in different ways, thereby providing different positions for the pins (14). As a result, the right and left corners of the trailing edge will be located at different distances from the trailing edge of the blade. An alternative design (fig. 4a) provides a radial arm (16a) with rollers moving along the guide (17a) of the trailing edge, which rotates itself and turns the shaft 14a, which drives the belt (13a) and the connecting rod attached to it (15a), which, in turn, pushes or pushes the trailing edge (17) while the counterweight (15b) moves in the opposite direction relative to the trailing edge (17). Trailing edge extension can be used to shed trailing edge vortex along the trailing edge, if necessary, or to control the size of trailing edge vortex or trailing edge flow. Also, trailing edge outlet position information and data from any pressure/flow rate sensor thereon may be transmitted to the control system as described above.
В четвертом осуществлении (рис. 5) настоящего изобретения лопасти, когда система управления разъединяет муфту сцепления (22), поворотный закрылок переходит на свободный ход, и поток прижимает его к какой-либо стороне лопасти, сбрасывая вихрь с задней кромки лопасти или позволяя сильным нежелательным потокам, появляющимся на определенных точках изгиба траектории, отклоняться в нисходящий поток, не создавая отрицательную подъемную силу и другие неблагоприятные последствия. Затем по команде системы управления привод (21) и муфта сцепления (22) входят в сцепление, в результате чего закрылок выравнивается относительно лопасти или устанавливается на какой-либо другой угол, задаваемый системой управления. Силовое управление поворотом закрылка можно использовать для приведения его в движение, подобное виляющей тяге, или для управления возникновением вихря на задней кромке лопасти. In the fourth embodiment (fig. 5) of the present invention of the blade, when the control system disengages the clutch (22), the rotary flap goes into free play and the flow presses it against either side of the blade, throwing off the vortex from the trailing edge of the blade or allowing strong undesirable flows that appear at certain bending points of the trajectory, deviate into a downward flow without creating negative lift and other adverse consequences. Then, at the command of the control system, the drive (21) and the clutch (22) engage, as a result of which the flap is aligned with the blade or set to some other angle specified by the control system. The force control of the flap rotation can be used to drive it like a yaw rod or to control the occurrence of a vortex on the trailing edge of the blade.
В пятом осуществлении настоящего изобретения (рис. 6) конструкция лопасти предусматривает гибкие задние кромки (27), жесткость ребер (28) которых динамически регулируется в режиме реального времени. Это нужно для управления и оптимизации мгновенной геометрии кривизны, сформированной гибкими кромками, в целях оптимизации влияния создаваемых вихрей и, как следствие, увеличения до максимума коэффициента полезного действия лопасти при работе в режимах с различными параметрами, а именно числом оборотов, скоростью и направлением набегающего потока, геометрией проходимой части траектории лопасти и текущим углом атаки (если применимо) в совокупности с мгновенной текущей общей формой поперечного сечения лопасти. Данное динамическое изменение жесткости можно применить различно по длине лопасти и тем самым точно контролировать создание вихря, его форму и движение по длине лопасти, а также создаваемую подъемную силу или тягу. Так как в конструкции лопасти этого осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрена не одна гибкая кромка, выбор системой управления правильного момента сбрасывания вихря с передней по ходу гибкой кромки должен учитывать влияние на работу гибкой кромки, расположенной за ней. In the fifth embodiment of the present invention (Fig. 6), the design of the blade provides flexible trailing edges (27), the rigidity of the ribs (28) of which is dynamically adjusted in real time. This is necessary to control and optimize the instantaneous geometry of the curvature formed by the flexible edges in order to optimize the effect of the created vortices and, as a result, to maximize the efficiency of the blade when operating in modes with different parameters, namely the number of revolutions, speed and direction of the oncoming flow , the blade trajectory geometry and the current angle of attack (if applicable) in conjunction with the instantaneous current overall blade cross-sectional shape. This dynamic change in stiffness can be applied differently along the length of the blade and thereby precisely control the creation of the vortex, its shape and movement along the length of the blade, as well as the generated lift or thrust. Since the design of the blade of this embodiment of the present invention may include more than one flexible edge, the selection by the control system of the correct moment to shed the vortex from the leading along the flexible edge must take into account the effect on the operation of the flexible edge located behind it.
Работа лопасти в шестом осуществлении настоящего изобретения достаточно подробно описана в разделе Описание и не будет повторяться здесь, но приведена в справочных целях, как если бы была изложена полностью. The operation of the blade in the sixth embodiment of the present invention is described in sufficient detail in the Description section and will not be repeated here, but is given for reference purposes as if it were set forth in full.
Работа лопасти в седьмом осуществлении настоящего изобретения происходит следующим образом. По команде от системы управления запирающее устройство (не показано), блокирующее движение зубчатой рейки (39) или обычной тяги, присоединенной к поворотным полоскам (35), или линейный привод (не показан), присоединенный к данной тяге, отсоединяется, вследствие чего полоски (35) поворачиваются потоками в заранее определенном направлении на ту сторону лопасти, где ожидается высокое динамическое давление. Как следствие, то же будет происходить и на противоположной поверхности лопасти у соответствующего отверстия, когда динамическое давление через канал достигнет поворотных полосок. В итоге поток проходит сквозь лопасть по каналу, соединяющему открытые отверстия. По следующей команде системы управления, которая может быть инициирована при изменении динамического давления или прохождении лопасти в другую часть ее траектории, привод перемещает данную зубчатую рейку (39) или обычную тягу, возвращая данные полоски в исходное положение, и либо привод, либо запирающее устройство препятствует любому перемещению полосок до следующей команды системы управления. Для версии седьмого осуществления настоящего изобретения с поворотными полосками (35), удерживаемыми торсионами, роль системы управления может быть сведена до управления только запирающим устройством, чтобы предотвратить открывание отверстий, когда оно нежелательно или в той части поверхности лопасти, где это на данный момент нежелательно, тогда как полоски поворачиваются под действием динамического давления потока, тем самым открывая отверстия. Затем торсионы возвращают полоски в исходное положение, закрывая отверстия, когда динамическое давление падает до определенного расчетами уровня. Другой вариант состоит в повороте данных полосок в какую-либо сторону приводом по команде системы управления, не полагаясь на действие потоков на планки. Это сделало бы возможным опережающее открытие и закрытие данных отверстий в качестве заблаговременной подготовки к началу изменения потока и/или динамического давления. The operation of the blade in the seventh embodiment of the present invention is as follows. On command from the control system, the locking device (not shown), blocking the movement of the rack (39) or conventional rod attached to the rotary strips (35), or the linear drive (not shown) attached to this rod, is disconnected, as a result of which the strips ( 35) are flowing in a predetermined direction to the side of the blade where high dynamic pressure is expected. As a consequence, the same will happen on the opposite surface of the blade at the corresponding hole, when the dynamic pressure through the channel reaches the turning strips. As a result, the flow passes through the blade along the channel connecting the open holes. On the next command of the control system, which may be initiated by a change in dynamic pressure or the passage of the blade to another part of its trajectory, the actuator moves this rack (39) or conventional thrust, returning these strips to their original position, and either the actuator or the locking device prevents any movement of the strips until the next command of the control system. For the version of the seventh embodiment of the present invention with the turning strips (35) held by the torsion bars, the role of the control system can be reduced to controlling only the locking device in order to prevent the holes from opening when it is not desired or in that part of the blade surface where it is currently not desired, while the strips are rotated by the dynamic pressure of the flow, thereby opening the holes. The torsion bars then return the strips to their original position, closing the holes when the dynamic pressure drops to a calculated level. Another option is to turn these strips in any direction by the drive at the command of the control system, without relying on the action of the flows on the strips. This would make it possible to pre-open and close these holes in advance of the onset of a change in flow and/or dynamic pressure.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/IL2017/051209 WO2019087175A1 (en) | 2017-11-06 | 2017-11-06 | Rotor or propeller blade with dynamically optimizable within each revolution shape and other properties |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020115567A3 RU2020115567A3 (en) | 2021-12-08 |
| RU2020115567A RU2020115567A (en) | 2021-12-08 |
| RU2772353C2 true RU2772353C2 (en) | 2022-05-19 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130406C1 (en) * | 1992-06-01 | 1999-05-20 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Blade of main rotor with adjustable diameter and method of enhancing efficiency in imparting forward motion to flying vehicle |
| RU2284278C2 (en) * | 1999-05-19 | 2006-09-27 | Роллс-Ройс Аб | Propeller with detachable blades (versions) |
| US20080240923A1 (en) * | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Laurent Bonnet | Rotor blade for a wind turbine having a variable dimension |
| US7802968B2 (en) * | 2005-07-29 | 2010-09-28 | General Electric Company | Methods and apparatus for reducing load in a rotor blade |
| US8540485B2 (en) * | 2008-03-04 | 2013-09-24 | Philip Bogrash | Cycloidal rotor with non-circular blade orbit |
| US9086054B2 (en) * | 2009-09-09 | 2015-07-21 | Vestas Wind Systems, A/S | Wind turbine rotor blade |
| US20160273517A1 (en) * | 2013-10-24 | 2016-09-22 | Alstom Renewable Technologies | Wind turbine blade |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130406C1 (en) * | 1992-06-01 | 1999-05-20 | Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн | Blade of main rotor with adjustable diameter and method of enhancing efficiency in imparting forward motion to flying vehicle |
| RU2284278C2 (en) * | 1999-05-19 | 2006-09-27 | Роллс-Ройс Аб | Propeller with detachable blades (versions) |
| US7802968B2 (en) * | 2005-07-29 | 2010-09-28 | General Electric Company | Methods and apparatus for reducing load in a rotor blade |
| US20080240923A1 (en) * | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Laurent Bonnet | Rotor blade for a wind turbine having a variable dimension |
| US8540485B2 (en) * | 2008-03-04 | 2013-09-24 | Philip Bogrash | Cycloidal rotor with non-circular blade orbit |
| US9086054B2 (en) * | 2009-09-09 | 2015-07-21 | Vestas Wind Systems, A/S | Wind turbine rotor blade |
| US20160273517A1 (en) * | 2013-10-24 | 2016-09-22 | Alstom Renewable Technologies | Wind turbine blade |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11396360B2 (en) | Rotor or propeller blade with dynamically variable within each revolution fluid dynamic properties | |
| AU2012219353B2 (en) | Turbomachinery having self-articulating blades, shutter valve, partial-admission shutters, and/or variable-pitch inlet nozzles | |
| EP2350452B1 (en) | Wind turbine blade with device for changing the aerodynamic surface or shape | |
| US8851840B2 (en) | Control system in wind turbine blades | |
| MX2010005030A (en) | Active control surfaces for wind turbine blades. | |
| US9139286B2 (en) | Hinge assembly for rotatably mounting a control surface on an aircraft | |
| AU2016278099B2 (en) | Aircraft wing system | |
| RU2520850C2 (en) | Controllability improvement system for aircraft | |
| US11198507B2 (en) | Cycloidal rotor or propeller with performance and flows optimization | |
| CN111315653A (en) | Rotor or propeller blades with dynamic optimization of shape and other properties per revolution | |
| AU2016278098B2 (en) | Aircraft wing system | |
| EP2949920B1 (en) | Turbine for harnessing wave energy | |
| RU2772353C2 (en) | Blade of a cycloidal rotor or a cycloidal propeller with dynamic optimisation of shape and other parameters within a single rotation | |
| JP2008501883A (en) | Wind turbine power control by changing the wind-zone coefficient and size | |
| CN107010203A (en) | Aircraft wing with flow spoiler | |
| CN109110106B (en) | Actuator assembly for deploying an aircraft leading edge flap and seal for an aircraft leading edge flap | |
| KR101187780B1 (en) | Vertical axis wind turbines with variable blades | |
| CN115325889B (en) | Leaf surface rotating grid rudder control system | |
| CN112128141A (en) | Volute tongue structure, wall-mounted unit and air conditioner | |
| CN116654248A (en) | Trailing edge closing device for aircraft wing, aircraft wing and aircraft wing drag reduction method | |
| KR20220072241A (en) | Morphing flpa module of variable camber |