PL242488B1 - Blade of a lifting rotor with variable twist angle - Google Patents

Abstract

Łopata wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia, posiadająca dźwigar, wypełnienie łopaty, elementy z materiału z pamięcią kształtu charakteryzuje się tym, że wewnątrz łopaty znajduje się dźwigar składający się z belki poziomej (2b) oraz połączonej z nią w jej środkowej części, co najmniej jednej belki pionowej (2a). Z górnym końcem belki pionowej (2a) połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym środkowa część górnej poprzeczki (2c), natomiast z dolnym końcem belki pionowej (2a) połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym w środkowej części dolna poprzeczka (2d). Pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej (2b) a górną poprzeczką (2c) i pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej (2b) oraz dolną poprzeczką (2d) znajdują się elementy z materiału z pamięcią kształtu (1a, 1b, 1c, 1d).The main rotor blade with a variable twist angle, having a spar, blade filling, elements made of shape memory material, is characterized in that inside the blade there is a spar consisting of a horizontal beam (2b) and at least one beam connected to it in its central part. vertical beam (2a). The middle part of the upper crossbar (2c) is connected to the upper end of the vertical beam (2a) with a deformable and tiltable connection, while the lower crossbar (2d) is connected to the lower end of the vertical beam (2a) with a deformable and tiltable connection in the middle. Between the extreme ends of the horizontal beam (2b) and the upper crossbar (2c) and between the extreme ends of the horizontal beam (2b) and the lower crossbar (2d) there are elements made of shape memory material (1a, 1b, 1c, 1d).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

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

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

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

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

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

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

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

Istotą łopaty wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia posiadającej dźwigar, wypełnienie łopaty, elementy z materiału z pamięcią kształtu, według wynalazku jest to, że wewnątrz łopaty znajduje się dźwigar składający się z belki pionowej oraz połączonej z nią w jej środkowej części belki poziomej. Z górnym końcem belki pionowej połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym środkowa część górnej poprzeczki, natomiast z dolnym końcem belki pionowej połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym w środkowej części dolna poprzeczka. Pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej a górną poprzeczką oraz pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej i dolną poprzeczką znajdują się elementy z materiału z pamięci kształtu. Możliwe jest również zastosowanie konstrukcji łopaty wirnika według wynalazku w turbinach wiatrakowych i wodnych. Połączeniem odkształcalno-uchylnym może być przewężenie albo przegub z jednym stopniem swobody.The essence of the main rotor blade with a variable twist angle, having a spar, blade filling, elements made of shape memory material, according to the invention, is that inside the blade there is a spar consisting of a vertical beam and a horizontal beam connected to it in its central part. The middle part of the upper crossbar is connected to the upper end of the vertical beam with a deformable and tiltable connection, while the lower crossbar is connected to the lower end of the vertical beam with a deformable and tiltable connection in the middle. Between the extreme ends of the horizontal beam and the upper crossbar, and between the extreme ends of the horizontal beam and the lower crossbar, there are elements made of shape memory material. It is also possible to use the rotor blade structure according to the invention in wind turbines and water turbines. The deformable-tilt connection can be a narrowing or a joint with one degree of freedom.

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

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

fig. 1 - widok izometryczny dźwigara z płatem nośnym w pozycji wejściowej, fig. 2 - widok izometryczny dźwigara w pozycji wejściowej, fig. 3 - widok izometryczny dźwigara z płatem nośnym w pozycji odkształconej, fig. 4 - widok izometryczny dźwigara w pozycji odkształconej, fig. 5 - przekrój poprzeczny łopaty z dźwigarem, fig. 6 - przekrój poprzeczny dźwigara w pozycji wejściowej, fig. 7 - przekrój poprzeczny dźwigara w pozycji odkształconej.Fig. 1 - isometric view of the girder with the load-carrying panel in the entry position, Fig. 2 - isometric view of the girder in the entry position, Fig. 3 - isometric view of the girder with the load-carrying panel in the deformed position, Fig. 4 - isometric view of the girder in the deformed position, Fig. 5 - cross-section of the blade with the spar, Fig. 6 - cross-section of the spar in the entry position, Fig. 7 - cross-section of the spar in the deformed position.

Łopata wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia w przykładzie wykonania posiada w swoim wnętrzu dźwigar 2 składający się z belki poziomej 2b oraz połączonej z nią w jej środkowej części belką pionową 2a. Z górnym końcem belki pionowej 2a połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym środkowa część górnej poprzeczki 2c, natomiast z dolnym końcem belki pionowej 2a połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym w środkowej części dolna poprzeczka 2d. Pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej 2b a górną poprzeczką 2c i pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej 2b oraz dolną poprzeczką 2d znajdują się elementy z materiału z pamięcią kształtu 1a, 1b, 1 c, 1d w postaci sprężyny wykonanej ze stopu metalicznego niklu i tytanu. Połączenie odkształcalno-uchylne ma postać przewężenia materiału o 50% zmniejszeniu pola przekroju.The blade of the main rotor with a variable twisting angle in the embodiment has a girder 2 inside, consisting of a horizontal beam 2b and a vertical beam 2a connected to it in its central part. The middle part of the upper crossbar 2c is connected to the upper end of the vertical beam 2a with a deformable and tiltable connection, while the lower crossbar 2d is connected to the lower end of the vertical beam 2a with a deformable and tiltable connection in the middle part. Between the extreme ends of the horizontal beam 2b and the upper crossbar 2c, and between the extreme ends of the horizontal beam 2b and the lower crossbar 2d, there are elements made of shape memory material 1a, 1b, 1c, 1d in the form of a spring made of a metallic nickel and titanium alloy. The deformable-tilt connection is in the form of a narrowing of the material with a 50% reduction in the cross-sectional area.

Zasada działania urządzenia według wynalazku polega na tym, że poprzez zmianę temperatury elementów z materiału z pamięcią kształtu 1a, 1b, 1c, 1d dźwigar 2 składający się z belki poziomej 2b,The principle of operation of the device according to the invention is that by changing the temperature of the elements made of material with shape memory 1a, 1b, 1c, 1d, the girder 2 consisting of a horizontal beam 2b,

PL 242488 Β1 belki pionowej 2a, górnej poprzeczki 2c oraz dolnej poprzeczki 2d doznaje skręcenia. Elementy z materiału z pamięcią kształtu 1 a i 1 c poprzez podłączenie ich do zasilania wykazują właściwości sprężyny naciskowej, natomiast elementy z materiału z pamięcią kształtu 1 d i 1 b wykazują właściwości sprężyny naciągowej. Górna poprzeczka 2c zostaje odkształcona względem położenia wyjściowego, będąc od strony elementu z materiału z pamięcią kształtu 1a odpychana od belki poziomej 2b i przyciągana drugim końcem od strony elementu z materiału z pamięcią kształtu 1b. Podczas gdy górna poprzeczka 2c jest odpychana od belki poziomej 2b, to dolna poprzeczka 2d jest przyciągana jednym końcem od strony elementu z materiału z pamięcią kształtu 1d i odpychana drugim końcem od strony elementu z materiału z pamięcią kształtu 1c. Poprzez zastosowanie elementów z materiału z pamięcią kształtu 1a, 1b, 1c, 1d o różnej charakterystyce i właściwościach, a także poprzez zróżnicowanie ich zasilania, następuje skręcenie łopaty na jej długości.EN 242488 Β1 of the vertical beam 2a, the upper crossbar 2c and the lower crossbar 2d undergo twisting. The shape memory material elements 1a and 1c show the properties of a compression spring by connecting them to the power supply, while the shape memory material elements 1d and 1b show the properties of a tension spring. The upper crossbar 2c is deformed from its original position by being pushed away from the horizontal beam 2b on the side of the memory element 1a and attracted by the other end on the side of the memory element 1b. While the upper crossbar 2c is pushed away from the horizontal beam 2b, the lower crossbar 2d is attracted by one end towards the memory material element 1d and repulsed by the other end towards the memory material element 1c. By using elements of the shape memory material 1a, 1b, 1c, 1d with different characteristics and properties, as well as by diversifying their supply, the blade is twisted along its length.

Claims (3)

1. Łopata wirnika nośnego o zmiennym kącie skręcenia, posiadająca dźwigar, wypełnienie łopaty, elementy z materiału z pamięcią kształtu znamienna tym, że wewnątrz łopaty znajduje się dźwigar (2) składający się z belki poziomej (2b) oraz połączonej z nią w jej środkowej części, co najmniej jednej belki pionowej (2a), zaś z górnym końcem belki pionowej (2a) połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym środkowa część górnej poprzeczki (2c), natomiast z dolnym końcem belki pionowej (2a) połączona jest połączeniem odkształcalno-uchylnym w środkowej części dolna poprzeczka (2d), przy czym pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej (2b) a górną poprzeczką (2c) i pomiędzy skrajnymi końcami belki poziomej (2b) oraz dolną poprzeczką (2d) znajdują się elementy z materiału z pamięcią kształtu (1a), (1b), (1c), (1d).1. A main rotor blade with a variable twist angle, having a spar, blade filling, elements made of shape memory material, characterized in that inside the blade there is a spar (2) consisting of a horizontal beam (2b) and a beam connected to it in its central part at least one vertical beam (2a), and the middle part of the upper crossbar (2c) is connected to the upper end of the vertical beam (2a) with a deformable and tiltable connection, while the middle part of the upper crossbar (2a) is connected to the lower end of the vertical beam (2a) with a deformable and tiltable connection in the middle a lower crossbar (2d), where between the extreme ends of the horizontal beam (2b) and the upper crossbar (2c) and between the extreme ends of the horizontal beam (2b) and the lower crossbar (2d) there are elements made of shape memory material (1a), (1b), (1c), (1d). 2. Łopata według zastrz. 1 znamienna tym, że połączeniem odkształcalno-uchylnym jest przewężenie.2. A shovel according to claim 1, characterized in that the deformable-tilt connection is a narrowing. 3. Łopata według zastrz. 1 znamienna tym, że połączeniem odkształcalno-uchylnym jest przegub z jednym stopniem swobody.3. A shovel according to claim 1, characterized in that the deformable-tilt connection is a joint with one degree of freedom.