Гибридный композитный торсион для бесшарнирного несущего винта вертолета (варианты)

Гибридный композитный торсион для бесшарнирного несущего винта вертолета (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к области авиации. Торсион разделен по длине на восемь участков: участок крепления к втулке, первый комлевый трапециевидный участок, второй комлевый трапециевидный участок, комлевый переходной участок, скручиваемый участок, имеющий крестообразное поперечное сечение, периферийный переходной участок, периферийный трапециевидный участок и участок соединения с жесткой трубой и лопастью. Скручиваемый участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, равнопропорциональной композиции слоев однонаправленных стекловолокна и графита, а также слоев однонаправленного графита. На втором комлевом трапециевидном участке между указанными слоями вложены слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину. На первом комлевом трапециевидном участке между слоями вложены слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину. На периферийном трапециевидном участке между слоями вложены слои диагонально направленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину. Торцы вкладных слоев равномерно распределены в слоистой структуру, благодаря чему расслаивающие нагрузки в торсионе распределены в области наращивания слоев равномерно. Изобретение направлено на улучшение технологических и эксплуатационных характеристик. 2 с. и 23 з. п.ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к бесшарнирным несущим винтам вертолетов и, в частности, к гибридному композитному торсиону для бесшарнирного несущего винта вертолета.

Уровень техники Несущие винты вертолетов подвержены различным эксплуатационным нагрузкам: аэродинамическим, инерционным и центробежным. Втулка несущего винта вертолета должна обладать достаточной прочностью, позволяющей выдерживать такие нагрузки, и в то же время должна быть достаточно податливой, чтобы для разгрузки от механических напряжений обеспечить свободу определенного независимого движения каждой лопасти несущего винта. Для удовлетворения этих противоречивых требований предшествующие несущие винты изготавливались из высокопрочных металлов и снабжались шарнирами, обеспечивающими независимое движение каждой лопасти несущего винта. Такие предшествующие несущие винты характеризуются сложной конструкцией, низким уровнем технологичности обслуживания и высокой стоимостью эксплуатации.

Несмотря на то, что использование эластомерных шарниров в конструкциях вертолетных несущих винтов позволило повысить их эксплуатационные характеристики и надежность, а также снизить их стоимость, основные усилия конструкторов с недавних пор сосредоточены на "бесшарнирных" несущих винтах. В конструкцию бесшарнирных несущих винтов входят эластичные силовые элементы, например, торсионы, предназначенные для передачи и/или восприятия изгибных нагрузок (действующих в плоскостях тяги и вращения), осевых нагрузок (центробежных) и крутильных нагрузок (закручивающих лопасть относительно ее продольной оси при изменении шага). Каждый торсион крепится непосредственно к втулке бесшарнирного несущего винта, тем самым образуя конструкцию, обходящуюся без традиционных (горизонтального, вертикального и осевого) или эластомерных шарниров между втулкой и лопастями. При разработке торсиона бесшарнирного несущего винта приходится учитывать несколько противоречивых требований к конструкции.

Во-первых, узлы крепления торсиона должны быть прочными, чтобы передавать нагрузки с лопасти на втулку. Торсион должен частично выполнять роль горизонтального шарнира, обеспечивая свободу махового движения лопасти под действием изгибающих нагрузок. Вместе с тем, участок торсиона, работающий на изгиб, должен быть способен к высокоамплитудным изгибным деформациям, возникающим на высокоманевренных режимах работы несущего винта, а также воспринимать центробежные нагрузки от лопасти. В-третьих, торсион должен иметь скручиваемый участок, обладающий пониженной крутильной жесткостью и предназначенный для облегчения поворота лопасти при управлении общим и циклическим шагом несущего винта, т.е. обеспечивающий свободу упругих крутильных деформаций при изменении шага лопасти. При этом скручиваемый участок торсиона должен выдерживать высокие крутильные напряжения, возникающие при управлении общим и циклическим шагом, обладать прочностью, достаточной для восприятия центробежных нагрузок и предотвращения потери устойчивости при кручении под действием нагрузок в плоскости вращения.

Основное достоинство торсиона заключается в том, что он отделяет нагрузки, связанные с маховым движением лопасти, от крутильных нагрузок, позволяя тем самым увеличить амплитуду взмаха при уменьшении разноса шарниров втулки. Летные характеристики и возможности вертолета в значительной мере определяются конструкцией его несущего винта, в частности, расстоянием между осью втулки несущего винта и осью конструкции, эквивалентной горизонтальному шарниру (в безразмерном представлении это расстояние берется отнесенным к радиусу несущего винта), или разносом шарниров втулки. При увеличении разноса шарниров (чем дальше "шарнир" расположен от оси втулки, чем больше разнос шарниров) нагрузки от лопастей передаются через втулку несущего винта на корпус вертолета более эффективно, т.е. увеличивается управляемость и маневренность вертолета. Однако вместе с увеличением разноса шарниров повышается чувствительность вертолета к вибрации и атмосферной турбулентности, а также ухудшается продольная устойчивость вертолета. Поэтому величина разноса шарниров выбирается как компромисс между маневренностью вертолета и его устойчивостью на высоких скоростях. Создание втулки бесшарнирного несущего винта, которая обладает достаточной гибкостью, обеспечивающей малый эффективный разнос шарниров, будучи в то же время достаточной прочной для восприятия высоких центробежных нагрузок (порядка 35 тонн), является сложной проблемой.

Разработка композитных торсионов для бесшарнирных несущих винтов является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед конструкторами вертолетов. Конструкция композитного торсиона должна работать в пределах ограничений по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний, соответствующим критическим условиям нагружения, т.е. должна выдерживать нагрузки, действующие в плоскостях тяги и вращения винта, скручивающие и центробежные нагрузки, рассчитываемые с учетом таких ограничений, как жесткость втулки по крутящему моменту, предельный момент вибронагрузки в плоскости вращения винта и угол шага лопасти. В число критических режимов нагрузки несущего винта входят его раскрутка и останов, сопровождающиеся высокоамплитудными знакопеременными низкочастотными нагрузками в плоскостях тяги и вращения винта, а также некоторые случаи прямого полета, которые могут сопровождаться высокочастотными высокоамплитудными знакопеременными нагрузками, например, порождающими маховые и крутильные циклические деформации с частотой один цикл за один оборот несущего винта.

Обычно для передачи на втулку несущего винта центробежных нагрузок от лопасти торсион должен иметь некоторое минимальное поперечное сечение. С другой стороны, толщина конкретного композиционного материала (материалов), из которого изготовлен торсион, должна быть как можно меньше, чтобы не была предельно допустимая деформация сдвига при скручивании. Для восприятия нагрузок, действующих в плоскостях тяги и вращения несущего винта, необходимо дополнительное усиление торсиона материалом, который должен работать на изгиб. Однако при этом возрастает жесткость торсиона, что эквивалентно увеличению эффективного разноса шарниров. Для несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости жесткость торсиона на изгиб в плоскости вращения выбирается исходя из необходимости приведения частоты колебательного движения лопастей в плоскости вращения несущего винта к значению 0,7 цикла за оборот винта. Если торсион обладает излишней податливостью на изгиб в плоскости вращения винта, то бесшарнирный несущий винт более восприимчив в аэромеханической и прочностной неустойчивости. Если же торсион имеет слишком большую жесткость на изгиб в плоскости вращения, то из-за резонансных явлений на частоте колебаний, равной одному циклу за оборот винта, возрастают нагрузки в плоскости вращения. Жесткость на кручение скручиваемого участка торсиона, с целью обеспечения минимальной потребной мощности рулевых приводов несущего винта, должна быть минимальной. Однако при этом жесткость на кручение скручиваемого участка торсиона должна быть достаточно высокой для предотвращения потери устойчивости при нагружении лопасти в плоскости вращения.

Конструкторы вертолетов стремятся учесть все рассмотренные выше требования к конструкции при разработке оптимальной конструкции торсиона для бесшарнирного несущего винта, но существует еще аспект производственной технологичности. Конструкция торсиона должна быть относительно несложной с производственной точки зрения. В конструкции торсиона следует избегать неудобных поперечных сочленений и резких изменений поперечного сечения. На существующем уровне техники торсионы изготавливаются с верхними и/или нижними ребрами жесткости, придающими конструкции требуемую прочность. Однако процесс изготовления таких торсионов с одним или несколькими ребрами жесткости является довольно сложным. Существующие торсионы со скручиваемым участком прямоугольного сечения, воспринимающие центробежные нагрузки и не подверженные потере устойчивости при кручении, обычно являются слишком жесткими, чтобы обеспечивать поворот лопасти в заданном диапазоне углов шага лопасти.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является торсион для бесшарнирного несущего винта вертолета, состоящий из нескольких участков, описан в документе WO-A-9427866 (далее по тексту - документ '866). Описанный в документе '866 торсион делится по длине на шесть участков: участок крепления к втулке, первый трапециевидный участок, второй трапециевидный участок, скручиваемый участок, периферийный трапециевидный переходный участок, а также участок соединения с жесткой трубой и лопастью, и изготовлен из слоев однонаправленного стекловолокна (с ориентацией волокон 0^o), имеющих полную длину, т.е. проходящих от комлевого до периферийного конца торсиона, слоев однонаправленного стекловолокна (с ориентацией волокон 0^o), имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита (с ориентацией волокон 45^o).

Скручиваемый участок, имеющий прямоугольное поперечное сечение, состоит только из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину. Второй трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, с добавлением слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину. Торцы этих слоев образуют на втором трапециевидном участке фронт распределенных слоев. Первый трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, с добавлением слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, а также слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину, при этом торцы слоев диагонально направленного графита расположены на первом трапециевидном участке. Участок крепления к втулке состоит из примерно равнопропорциональной композиции слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита, чередующихся со слоями однонаправленного стекловолокна.

Периферийный трапециевидный участок состоит из слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, имеющими различную длину. Участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта состоит из примерно равнопропорциональной композиции слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих полную длину, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и слоев диагонально направленного графита, проходящих из периферийного трапециевидного участка к периферийному концу торсиона и чередующихся со слоями однонаправленного стекловолокна.

Существует необходимость оптимизации конструкции торсиона для бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости. Улучшенная конструкция торсиона должна соответствовать требованиям к бесшарнирному несущему винту по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний, будучи при этом простой в изготовлении. Поперечное сечение такого торсиона должно быть таким, чтобы максимально упростить его изготовление и обеспечить при этом его наиболее эффективное скручивание.

Сущность изобретения Задачей изобретения является создание гибридного композитного торсиона для вертолетного бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей, простой и недорогой конструкцией.

Другая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, конструкция которого удовлетворяет требованиям к бесшарнирному несущему винту с упругим креплением лопастей по деформациям изгиба, касательным напряжениям, потере устойчивости и частоте колебаний.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, поперечное сечение имеет конфигурацию, позволяющую снизить до минимума вероятность отбраковки торсиона вследствие нарушений технологии его изготовления и обеспечивающую при этом наиболее эффективную работу торсиона на кручение.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, обладающего отличными показателями устойчивости к боевым повреждениям.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании гибридного композитного торсиона, в котором участок, работающий на изгиб, принимает участие в закручивании при изменении шага лопасти, что позволяет снизить до минимума степень скручивания торсиона.

Решением этих и других задач настоящего изобретения является предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион для бесшарнирного несущего винта, имеющий скручиваемый участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, второй комлевый трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, первый комлевый трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, участок крепления к втулке, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, чередующихся со слоями диагонально направленного графита, имеющими различную длину, периферийный трапециевидный участок, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и чередующихся с ними слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину, а также участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта, состоящий из слоев однонаправленного стекловолокна, слоев однонаправленного стекловолокна, имеющих различную длину, и чередующихся с ними слоев диагонально направленного графита, имеющих различную длину.

В гибридном композитный торсион отличается тем, что скручиваемый участок также содержит чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного графита, причем эти слои однонаправленного графита придают поперечному сечению скручиваемого участка крестообразную форму. Слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, а также слои однонаправленного графита проходят от комлевого конца до периферийного конца гибридного композитного торсиона.

Второй комлевый трапециевидный участок содержит слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита, а также слоями однонаправленного графита, проходящими из скручиваемого участка к комлевому концу торсиона, при этом вкладные слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, проходят к комлевому концу гибридного композитного торсиона.

Первый комлевый трапециевидный участок содержит слои диагонально направленного стекловолокна и слои диагонально направленного графита, имеющие различную длину и вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита, слоями однонаправленного графита, а также вкладными слоями однонаправленных стекловолокна и графита, имеющими различную длину, которые проходят из второго комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона. Вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, проходят к комлевому концу гибридного композитного торсиона.

Участок крепления к втулке содержит слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, слои однонаправленного графита, вкладные слои однонаправленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, которые проходят из второго комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона, а также вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, имеющие различную длину, которые проходят из первого комлевого трапециевидного участка к комлевому концу торсиона.

Периферийный трапециевидный участок содержит слои диагонально направленного стекловолокна, слои диагонально направленного графита и слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, вложенные между слоями однонаправленного стекловолокна, чередующимися друг с другом слоями однонаправленных стекловолокна и графита и слоями однонаправленного графита, которые проходят из скручиваемого участка к периферийному концу торсиона. Вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, а также вкладные слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, проходят к периферийному концу гибридного композитного торсиона.

Участок соединения с жесткой трубой и лопастью несущего винта содержит слои однонаправленного стекловолокна, чередующиеся друг с другом слои однонаправленных стекловолокна и графита, слои однонаправленного графита, вкладные слои диагонально направленных стекловолокна и графита, вкладные слои однонаправленного стекловолокна, имеющие различную длину, которые проходят из периферийного трапециевидного участка к периферийному концу торсиона.

Перечень фигур чертежей Сущность настоящего изобретения, присущие ему особенности и достоинства раскрываются более глубоко в нижеследующем подробном описании его вариантов, сопровождаемом приложенными чертежами, а именно: Фиг. 1 - вид в аксонометрической проекции типовой втулки бесшарнирного несущего винта вертолета; Фиг. 2 - вид в аксонометрической проекции предложенного в изобретении гибридного композитного торсиона; Фиг. 3 - поперечное сечение скручиваемого участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 3-3 на фиг. 2; Фиг. 4 - поперечное сечение комлевого переходного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 4 - 4 на фиг. 2; Фиг. 5 - поперечное сечение периферийной части второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 5 - 5 на фиг. 2: Фиг. 6 - поперечное сечение комлевой части второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 6-6 на фиг. 2; Фиг. 7 - продольное сечение гибридного композитного торсиона, взятое по линии 7-7 на фиг. 2; Фиг. 8 - поперечное сечение первого комлевого трапециевидного участка второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 8 - 8 на фиг. 2; Фиг. 9 - продольное сечение гибридного композитного торсиона, взятое по линии 9 - 9 на фиг. 2; Фиг. 10 - местное сечение слоистой структуры, иллюстрирующее схему укладки вкладных слоев согласно предшествующему уровню техники; Фиг. 11 - местное сечение второго комлевого трапециевидного участка, представленного в сечении на фиг. 7, демонстрирующее один типовой фронт распределенных вкладных слоев в предложенном гибридном композитном торсионе; Фиг. 12A - вид в аксонометрической проекции другого варианта предложенного гибридного композитного торсиона, имеющего боковые накладки, установленные по передней и задней кромкам; Фиг. 12B - поперечное сечение периферийной части второго комлевого трапециевидного участка второго комлевого трапециевидного участка гибридного композитного торсиона, взятое по линии 12B-12B на фиг. 12A.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Описание изобретения поясняется фигурами чертежей, на которых однотипные или аналогичные конструктивные элементы обозначены одними и теми же номерами позиций. На фиг. 1 и 2 представлен предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 для вертолетного бесшарнирного несущего винта с упругим креплением лопастей в одной плоскости. На фиг. 1 показана типовая конструкция втулки 100 бесшарнирного несущего винта. В конструкцию втулки 100 бесшарнирного несущего винта входит трубчатый вал 102 главного редуктора, передающий крутящий момент от двигателя на лопасти бесшарнирного несущего винта (не показаны), поводок 104 автомата перекоса и сам автомат перекоса 106. Кроме того, втулка 100 бесшарнирного несущего винта содержит верхнюю и нижнюю пластины 108, 110, образующие проушины. Каждый гибридный торсион 10 крепится к втулке 100 бесшарнирного несущего винта посредством болтов через проушины верхней и нижней пластин 108, 110.

Каждый предложенный в изобретении гибридный композитный торсион 10 заключен в жесткую трубу 112, которая своим периферийным концом механически соединена с соответствующей лопастью несущего винта (комлем этой лопасти) и гибридным торсионом 10 (периферийным концом торсиона). Жесткая труба 112 является элементом, передающим на лопасть усилия от агрегатов управления общим и/или циклическим шагом, при этом изменение шага лопасти обеспечивается за счет закручивания соответствующего гибридного торсиона 10. С комлевым концом жесткой трубы 112 механически сочленена тяга 114 управления шагом лопасти, а в передаче на лопасти усилий от агрегатов управления шагом лопастей участвуют поводок 104 автомата перекоса, автомат перекоса 106, тяги 114 управления шагом и жесткие трубы 112 соответствующих лопастей.

Более подробно предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 показан на фиг. 2. Торсион по длине делится на 8 участков: участок 12 крепления к втулке, первый комлевый трапециевидный участок 14, второй комлевый трапециевидный участок 16, комлевый переходный участок 18, скручиваемый участок 20. периферийный переходный участок 22, периферийный трапециевидный участок 24, а также участок 26 соединения с лопастью несущего винта и жесткой трубой. Скручиваемый участок 20 имеет крестообразное поперечное сечение, характерное наличием верхних и нижних выступающих наружу ребер жесткости 30, назначение которых более подробно раскрывается ниже. Первый и второй комлевые трапециевидные участки 14, 16 вместе составляют трапециевидный гибкий участок 32 гибридного торсиона 10, функции которого более подробно раскрываются ниже. На участке 12 крепления к втулке выполнены отверстия 34 для крепления торсиона 10 к втулке 100 бесшарнирного несущего винта (в частности, к верхней и нижней пластинам 108, 110 втулки). На участке 26 соединения с лопастью и жесткой трубой выполнены отверстия 36 для крепления торсиона 10 к соответствующим жесткой трубе 112 и лопасти (на чертеже не показана).

Предложенный в настоящем изобретении гибридный композитный торсион 10 имеет конструкцию, оптимизированную так, чтобы удовлетворять заранее определенным ограничениям конкретного бесшарнирного несущего винта по изгибным деформациям, касательным напряжениям, потере устойчивости, частоте колебаний (например, по жесткости втулки, первой частоте колебаний в плоскости вращения, углам взмаха лопастей, углам поворота лопастей относительно продольной оси). Рассматриваемый в данном описании вариант гибридного торсиона 10 был разработан для конкретного бесшарнирного несущего винта с постоянной момента на втулке не более 5,423 кДж/градус (4000 фут'фунт/градус), первой частотой колебаний в плоскости вращения не более 0,710 циклов за оборот, максимальным углом взмаха 5,3^o, диапазоном изменения шага винта 18,75^o.

Конструкция гибридных композитных торсионов 10 бесшарнирного несущего винта обеспечивает восприятие ими нагрузок в плоскостях тяги и вращения, крутильных и центробежных нагрузок от соответствующих лопастей несущего винта. Кроме того, гибридные торсионы 10 способны выдерживать высокие изгибные деформации, возникающие на маневренных режимах полета, а также сильное закручивание при изменении циклического и/или общего шага винта. Каждый участок гибридного торсиона 10 конструктивно оформлен так, чтобы выполнять конкретную основную функцию, кроме того, каждый участок связан со смежными участками как механически, так и через дублирование их функций.

Участок 12 крепления к втулке по своей конфигурации предназначен для соединения гибридного композитного торсиона 10 с втулкой 100 бесшарнирного несущего винта. Основная функция участка 12 крепления к втулке состоит в передаче моментов с торсиона на втулку 100 несущего винта. Изгибающие моменты, действующие в плоскости вращения, а также центробежные силы воспринимаются болтовыми соединениями участка 12 крепления к втулке. Изгибающие моменты, действующие в плоскости тяги, вызывают: (а) моментное дифференциальное нагружение болтовых соединений, в результате чего в верхней и нижней пластинах 108, 110 возникают усилия растяжения и сжатия; (b) напряжения изгиба в верхней и нижней пластинах 108, 110. Трапециевидный гибкий участок 32, включающий в себя первый и второй комлевые трапециевидные участки 14, 16, конструктивно оформлен так, чтобы при этом было достигнуто заданное для втулки 100 бесшарнирного несущего винта значение разноса шарниров. Трапециевидный гибкий участок 32, в частности - входящий в него второй комлевый трапециевидный участок 16, конструктивно оформлен так, чтобы частично работать на кручение при изменении шага винта. Конфигурация трапециевидного гибкого участка 32 также в некоторой степени влияет на настройку первой частоты колебаний лопасти в плоскости вращения (в рассматриваемом варианте изобретения эта частота составляет около 0,71 цикла за оборот).

Комлевый переходный участок 18 служит для плавного сопряжения скручиваемого участка 20 с крестообразным сечением и второго комлевого трапециевидного участка 16 с прямоугольным поперечным сечением. Конфигурация скручиваемого участка 20 такова, что он в основном обеспечивает поворот лопасти вокруг своей продольной оси при изменении шага, т.е. испытывает при этом наибольшее закручивание, а также влияет на настройку первой частоты колебаний лопасти в плоскости вращения. Периферийный переходный участок 22 служит для плавного сопряжения скручиваемого участка 20 с крестообразным сечением и периферийного трапециевидного участка 24 с прямоугольным поперечным сечением. Участок 26 соединения с лопастью и жесткой трубой предназначен для соединения гибридного композитного торсиона 10 с соответствующими жесткой трубой 112 и лопастью несущего винта. Участок 26 соединения с лопастью и жесткой трубой воспринимает центробежные силы от лопасти.

Помимо скручиваемого участка 20, поворот лопасти при изменении ее шага обеспечивает второй комлевый трапециевидный участок 16, входящий в состав трапециевидного гибкого участка 32. За счет увеличения количества участков гибридного композитного торсиона 10, участвующих в его упругом скручивании, достигается относительно низкая степень закручивания скручиваемого участка 20 гибридного торсиона 10, что дает возможность оптимизировать его конструкцию, сделать его достаточно толстым для предотвращения потери устойчивости при закручивании, обеспечив при этом приемлемый уровень напряжений от кручения. Первый комлевый трапециевидный участок 14 имеет конфигурацию, жесткую на кручение и податливую на изгиб. Второй комлевый трапециевидный участок 16 имеет конфигурацию, более податливую на кручение и, вместе с тем, работающую при изгибе. Конфигурация поперечных сечений гибридного торсиона 10 позволяет снизить вероятность его отбраковки вследствие нарушений технологии изготовления и, вместе с тем, максимально повышает эффективность работы торсиона на кручение.

Предложенный в изобретении гибридный композитный торсион 10 состоит из комбинации слоев композитов (предварительно пропитанных композитов или армированных реактопластов) с заданными характеристиками, которые для получения гибридного торсиона 10 с рассматриваемыми в данном описании свойствами укладываются заранее определенным способом, более подробно описываемым ниже. Поскольку гибридный торсион 10 предназначается главным образом для бесшарнирных несущих винтов вертолетов военного назначения, основным требованием, выдвигаемым авторами изобретения к его конструкции, является живучесть при боевых повреждениях. Это требование предопределяет необходимость применения композитных слоев, обладающих хорошими характеристиками устойчивости к боевым повреждениям, например, высокой ударной вязкостью, приемлемым характером разрушения или потери несущей способности. Примером такого композиционного материала, обладающего хорошими характеристиками устойчивости к боевым повреждениям, является стекловолокно. Кроме того, стекловолокно имеет хорошие показатели предела упругости. Вместе с тем стекловолокно имеет низкое отношение жесткости к весу. В отличие от стекловолокна графит, который обладает низкой высокой ударной вязкостью, неблагоприятным характером разрушения или потери несущей способности, т. е. плохими показателями живучести при боевых повреждениях, имеет хорошую предельную прочность, высокое сопротивление сдвигу и высокое отношение жесткости к весу.

Гибридный композитный торсион 10 в рассматриваемом варианте был изготовлен с применением слоев ударопрочного стекловолокна на эпоксидной матрице и слоев ударопрочного графита на эпоксидной матрице. В частности было использовано стекловолокно марки S2 и графит марки IМ7. В гибридном торсионе 10 графит и стекловолокно применены как в виде слоев с однонаправленными волокнами, т. е. волокнами, ориентированными параллельно продольной оси лопасти, так и в виде слоев с диагональной ориентацией волокон, т. е. когда волокна направлены под углом 45^o к продольной оси лопасти. Слои однонаправленного и диагонально направленных стекловолокна и графита укладываются так, чтобы получить описанные выше участки гибридного торсиона 10. Способ такой укладки подробно описывается ниже. Несмотря на то, что для изготовления гибридного торсиона 10 в описываемом ниже варианте используются слои стекловолокна и графита указанных выше марок, для специалиста должно быть очевидно, что гибридный торсион 10 может быть изготовлен из стекловолокна и/или графита других марок.

Скручиваемый участок 20 является наиболее протяженным по длине участком гибридного композитного торсиона 10 и имеет крестообразное поперечное сечение, что показано более подробно на фиг. 3. Слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита (смотри фиг. 7, 9), которые проходят от комлевого конца к периферийному концу гибридного композитного торсиона 10, т.е. от участка 12 крепления к втулке до участка 26 соединения с лопастью и жесткой трубой, укладывают так, чтобы получить 9 различных зон, составляющих скручиваемый участок 20, а именно: базовую зону 40, верхнюю и нижнюю внутренние зоны 41, 42, верхнюю и нижнюю внешние зоны 43, 44, а также верхнюю и нижнюю, левую и правую боковые зоны 45, 46, 47, 48. Слои 58 однонаправленного графита, образующие скручиваемый участок 20, не только проходят от комлевого до периферийного конца гибридного торсиона 10, но и имеют постоянную ширину по всей длине гибридного торсиона 10.

Базовая зона 40 имеет прямоугольное поперечное сечение и состоит из слоев 56 однонаправленного стекловолокна. Верхняя и нижняя внутренние зоны 41, 42 состоят из равнопропорциональной (50% на 50%) комбинации слоев 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита. В предпочтительном варианте изобретения слои 56, 58 однонаправленных стекловолокна и графита укладывают, чередуя их друг с другом, т.е. следующим образом: слой 56 стекловолокна, на него - слой 58 графита, затем - снова слой 56 стекловолокна и т.д. Применение равнопропорциональной комбинации стекловолокна и графита в верхней и нижней внутренних зонах 41, 42 несколько сглаживает несовместимость по коэффициенту теплового расширения базовой зоны 40, состоящей из стекловолокна, а также верхней и нижней внешних зон 43, 44. Канты 41E, 42Е верхней и нижней внутренних зон 41, 42 выполнены в виде параболических галтелей. Верхняя и нижняя, левая и правая боковые зоны 45, 46, 47, 48 прилегают впритык к параболическим галтельным кантам 41E, 42Е слоев 56, 58 стекловолокна и графита, составляющих, соответственно, верхнюю и нижнюю внутренние зоны 41, 42. Боковые зоны составлены из слоев 56 однонаправленного стекловолокна.

Верхняя и нижняя внешние зоны 43, 44 составлены из слоев 58 однонаправленного графита. Канты 43Е, 44Е верхней и нижней внешних зон 43, 44 выполнены в виде параболических галтелей, уменьшающих концентрацию касательных напряжений КТ при плоскостном сдвиге. Верхняя и нижняя внешние зоны 43, 44 из однонаправленного графита конструктивно оформлены как выступающие ребра жесткости 30 скручиваемого участка 20, представленного на фиг. 2.

Скручиваемый участок 20, конструкция которого рассмотрена выше, имеет очень малую жесткость на кручение. Вместе с тем скручиваемый участок 20 имеет очень высокую жесткость на изгиб в плоскости тяги, достигнутую благодаря тому, что слои 58 однонаправленного графита расположены на максимальном расстоянии C от нейтральной линии торсиона (смотри фиг. 7, где нейтральная линия торсиона обозначена линией NA - NA). Высокая сопротивляемость графитных слоев 58 плоскостному сдвигу позволяет увеличить толщину скручиваемого участка 20 (по сравнению с тем, как если бы скручиваемый участок состоял только из слоев стекловолокна). Зоны 41, 42, 43, 44, составленные из слоев 58 однонаправленного графита имеют ширину, меньшую, чем у базовой зоны 40. Это сделано для того, чтобы предельно уменьшить жесткость скручиваемого участка 20 на изгиб в плоскости вращения. Более высокий (по сравнению со стекловолокном) модуль упругости графита и схема укладки графитных слоев 58 позволяют сделать жесткость скручиваемого участка 20 на изгиб в плоскости тяги большей, чем жесткость на изгиб в плоскости вращения. При малой жесткости на изгиб в плоскости вращения частота собственных колебаний лопасти в плоскости вращения несущего винта не превышает 0,710 цикла за оборот. В свою очередь высокая жесткость на изгиб в плоскости тяги предотвращает потерю устойчивости от нагрузок на лопасть, связанных с эффектом воздушной подушки вблизи земли.

Благодаря более высокому (по сравнению со слоями из стекловолокна) модулю упругости графитных слоев скручиваемый участок 20 под действием центробежной силы CF вытягивается очень незначительно. Зауженные графитные слои 58 представляют собой хорошее решение проблемы деформаций как слоев 56 стекловолокна, так и слоев 58 графита, поскольку графитные слои 58 располагаются в областях, менее подверженных деформациям изгиба в плоскости вращения