專利名稱：推進器葉片保持器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將復合推進器葉片內(nèi)翼側(cè)端部保持在漿轂中的布置和方法。 本發(fā)明更特別但并不排他地涉及用于復合構(gòu)造的飛行器推進器葉片的 安裝布置。
背景技術(shù)：
飛行器推進器包括以其內(nèi)翼側(cè)端安裝到漿轂的兩片或多片葉片，漿轂與 引擎軸固定。具有可變俯仰角的推進器布置成使其俯仰角可以在使用中調(diào) 節(jié)，或者可以在其處于地面上的時候進行調(diào)節(jié)。在這種推進器中，它們的葉 片的內(nèi)翼側(cè)或根部端具有圓形截面，以便它們可以夾緊(在地面調(diào)節(jié)俯仰角 的情況下)或保持在漿轂的圓形滾動元件軸承中(在可變俯仰角推進器的情 況下)，以允許改變?nèi)~片俯仰角?？勺兏┭鼋秋w行器推進器通過改變?nèi)~片俯 仰角來調(diào)節(jié)推進器從驅(qū)動引擎的動力學吸收能力，并且一些可變俯仰角飛行
器推進器還可以"羽化(feahter)"成產(chǎn)生很小或不產(chǎn)生推力和較小的阻力， 或者產(chǎn)生反向推力在地面上使用，并且從開始出現(xiàn)動力飛行以來就一直在使 用。推進器葉片用多種材料制造，但是全部可變俯仰角葉片根部都具有金屬 根部端，用來與保持軸承銜接。如果葉片翼型為金屬，則金屬葉片根部與葉 片翼型整體形成，或者如果葉片翼型為非金屬，則固定到葉片翼型。圓形截 面的金屬根部端還可以提供圓形動力學密封特征件，從而在葉片俯仰角變化 時，將潤滑流體保持在漿轂內(nèi)。
隨著葉片進入葉片根部，傳統(tǒng)復合飛行器推進器葉片以及可變俯仰角推 進器的實心金屬葉片的截面從空氣動力學翼型形狀逐漸變?yōu)閳A形或近似圓 形截面。這稱之為葉片過渡區(qū)域，并且由于結(jié)構(gòu)方面的原因，也是必要的。 這樣會出現(xiàn)增大葉片內(nèi)翼側(cè)端部空氣動力學阻力的影響，通過模制或其他方 式在該結(jié)構(gòu)周圍連接非結(jié)構(gòu)性減阻裝置(fairing),有時可以緩解這種局面。
正如產(chǎn)生和抵消推進器的推力載荷一樣，推進器葉片因旋轉(zhuǎn)而承受巨大 的離心力。它們還暴露于由？ 1擎扭矩波動產(chǎn)生和與以偏離旋轉(zhuǎn)軸線的角度進入推進器旋轉(zhuǎn)平面的氣流相關(guān)的空氣動力學效應即已知的"IP"載荷產(chǎn)生的 高頻振動載荷中，尤其是在引擎為直接驅(qū)動的往復式活塞引擎的時候。葉片 必須在地面和飛行過程中所經(jīng)歷的較大環(huán)境溫度范圍內(nèi)承受這些載荷。推進 器葉片在操作過程中從推進器脫離是危險和潛在災難性的事故，因此推進器 葉片和漿轂歸類為飛行器上的"關(guān)鍵部件"。因此，在以除用于金屬根部的 金屬之外的材料制造推進器葉片翼型時，彼此之間的固定成為需要在嚴酷環(huán) 境中工作的關(guān)鍵設(shè)計特征。較之金屬葉片來說，復合葉片使得重量顯著減輕， 并且將復合葉片安全地固定到金屬根部構(gòu)件的許多不同方式也是已知的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是提供一種替代的推進器葉片保持布置和方法。 根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供了一種推進器葉片組件，包括帶有多個凹部 的漿轂和多個復合構(gòu)造的推進器葉片，所述葉片一端固緊在安裝于所述漿轂 凹部內(nèi)的該金屬根部構(gòu)件上的保持凹腔內(nèi)，至少每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部具有 非圓形截面，該截面在葉片的相對兩側(cè)包括兩個纖維束，并且它們彼此隔開 中部區(qū)域，金屬根部構(gòu)件的保持凹腔具有非圓形截面并且從內(nèi)翼側(cè)端部相對 較大的截面向靠近金屬構(gòu)件表面的外翼側(cè)端部逐漸減小為相對較小的截面，
所述組件進一步包括非圓形截面的插件構(gòu)件，其位于每個凹腔中，處于兩個 纖維束之間的中部區(qū)域中，和插置在每個束的每個層之間的漸縮非圓形楔形 構(gòu)件，以便每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部在插件構(gòu)件的相對兩側(cè)向外擴張，填充該 凹腔并提供機械保持作用，防止所述葉片向著外翼側(cè)方向脫離。
優(yōu)選，所述葉片內(nèi)翼側(cè)端部和所述插件構(gòu)件的截面為矩形。該楔形構(gòu)件 優(yōu)選借助固化樹脂與所述纖維層結(jié)合。


現(xiàn)在將通過示例，參照

本發(fā)明的飛行器復合推進器葉片組件，
其中
圖1是該組件的端視圖2是示出葉片內(nèi)翼側(cè)端部和其在漿轂中的保持部的截面?zhèn)纫晥D； 圖3是沿著圖2中的線m-III切開的截面圖；圖4是沿著圖2中的線IV-IV切開的截面圖； 圖5是葉片內(nèi)翼側(cè)端部的簡化截面圖。
具體實施例方式
首先參照圖1至4,該組件包括中央漿轂l,該漿轂圍繞其軸線2旋轉(zhuǎn) 并支撐4片徑向延伸的葉片3。每個葉片的翼型部分由復合材料制成，并且 每個葉片內(nèi)翼側(cè)端部固緊在一般為柱狀外輪廓的金屬根部構(gòu)件41內(nèi)。根部 構(gòu)件41各自安裝在漿轂1內(nèi)的各凹部5內(nèi)。應該理解，該組件可以具有兩 個或多個任意數(shù)目的葉片。
葉片翼型3用碳纖維和玻璃纖維加強的環(huán)氧樹脂制成，帶有中央聚氨酯 泡沫芯部33,這是一種熟知的構(gòu)造方法。加強纖維與芯部33鋪設(shè)成適當塑 形的層，以預成形所述翼型，并且可以用樹脂預浸漬，或者纖維可以是干的， 樹脂在后續(xù)階段(樹脂轉(zhuǎn)移模制，或RTM)注入葉片結(jié)構(gòu)。雖然環(huán)氧樹脂 是用于加強纖維的優(yōu)選基體，但是也可以使用其他樹脂系統(tǒng)。同樣，本發(fā)明 的實施方式并不僅限于碳和玻璃纖維構(gòu)造，而是可以采用其他纖維類型，而 且本發(fā)明也不依賴于包含單獨的、以泡沫或其他材料制成的芯部。
將纖維/芯部預成形件以及葉片金屬根部置于具備所需葉片形狀的帶有 凹腔的模具中，如果是RTM的場合，則向模具施加熱量和壓力，同時向凹 腔內(nèi)注入樹脂，如果是預浸漬纖維的場合，則僅施加熱量和壓力，從而形成 葉片翼型。
葉片3的主要結(jié)構(gòu)特征是一對矩形截面翼梁31和32,每個翼梁主要包 括或者僅包括一組若干層連續(xù)單向纖維(通常為碳纖維)，纖維軸線取向平 行于葉片俯仰變化軸線。翼梁31和32沿著芯部33相對兩側(cè)延伸，芯部截 面為矩形。翼梁31和32不必具有同樣數(shù)量的層或厚度。芯部33可以為任 何傳統(tǒng)構(gòu)造，諸如泡沫或粘結(jié)纖維層的離散復合束。作為兩個大約矩形截面 的連續(xù)單向纖維組，兩個翼梁31和32延伸超過翼型葉片3的內(nèi)翼側(cè)端部34 (就是說，沿著葉片與金屬葉片根部41的外表面35等高的位置)，每一組 包括若干纖維層。
葉片3芯部33終止于葉片過渡區(qū)域中截面不變的一部分。該部分可以 位于金屬根部41外表面35的外翼側(cè)，如圖2所示，或者可以位于內(nèi)翼側(cè)， 就是說，金屬根部內(nèi)側(cè)。模制前，在構(gòu)造葉片預成形件的過程中，翼梁31和32位于過渡區(qū)域內(nèi) 翼側(cè)的兩個平行延伸部插入漿轂1中金屬葉片根部構(gòu)件41內(nèi)側(cè)的塑形凹槽 40內(nèi)。在固定俯仰角推進器的情況下，根部構(gòu)件41外側(cè)表面可以不是圓形， 但是對于陸基可調(diào)節(jié)且可變俯仰角推進器而言，外側(cè)表面42為圓形(如圖4 所示)。根部構(gòu)件41軸線與根部內(nèi)葉片翼梁的中軸線同軸，并且輪廓適應葉 片俯仰角變化以及保持軸承和密封葉片漿穀的裝置。葉片根部構(gòu)件41的外 翼側(cè)和內(nèi)翼側(cè)表面垂直于葉片徑向軸線，并且內(nèi)翼側(cè)表面為葉片俯仰角促動 特征件(未示出)提供安裝點。
凹腔40具有新穎形狀，關(guān)于由翼梁31和32中部形成的平面對稱或近 似對稱。凹腔40外翼側(cè)端部與復合葉片3具有相同截面，呈現(xiàn)出帶有圓角 的矩形截面。該圓角矩形入口形狀適合翼梁31和32以及將要引入根部構(gòu)件 41的葉片復合蒙皮43的其他纖維層。在平面圖上觀察，凹腔40在整個深度 上具有圓角矩形截面。凹腔40的厚度t在不同的深度上保持恒定，但是其寬 度w變化，在下部內(nèi)翼側(cè)端部較之在根部構(gòu)件41表面35處更大。在靠近根 部構(gòu)件41表面35的上部區(qū)域43中，凹腔40具有恒定寬度w。凹腔40的 中間部分44形成其長度的主體部分，向外逐漸膨大，使寬度遠離軸線增大， 形成相對彎曲的凸表面45。凹腔40下部區(qū)域46相對較短，并且具有寬度恒 定的平直輪廓。在凹腔的該下部區(qū)域46以下是擴大的臺階區(qū)域47。葉片3 內(nèi)翼側(cè)端部接收在凹腔40內(nèi)，向下延伸到下部區(qū)域46。葉片3內(nèi)翼側(cè)端部 橫向擴張，密切地配合在凹腔40內(nèi)，以便其外表面密切貼靠凹腔內(nèi)側(cè)表面。
葉片根部凹腔40內(nèi)的兩個葉片翼梁31和32各自分成大約相等的4組 纖維層51至54。最外側(cè)翼梁纖維組51鋪設(shè)在根部凹腔40的外側(cè)彎曲輪廓 上。然后，第一矩形平面、楔形纖維預成形件55插置在該組51和相鄰纖維 組52之間。然后，第二翼梁纖維組52鋪設(shè)在第一楔形件55上。然后，第 二矩形楔形預成形件56插置在第二纖維組52和第三翼梁纖維組53之間。 第三楔形件57最后插置在第三和第四纖維組53和54之間。對于兩個翼梁 31和32重復該過程。纖維楔形件55到57包括干纖維或樹脂預浸漬纖維的 錯開層，不論對葉片3采用何種模制系統(tǒng)。楔形件55至57并非預固結(jié)件， 而是僅在葉片3模制時固結(jié)，以便它們與該復合結(jié)構(gòu)成為一整體。由翼梁31 和32以及楔形件55至57產(chǎn)生的形狀使得側(cè)部平行的矩形截面空間58形成 在兩個楔形翼梁之間，在葉片根部軸線上定心。整個芯部上用于復合結(jié)構(gòu)的纖維體積比例近似理想情況。用在每個翼梁上的楔形件數(shù)目可以或多活少， 但是認為三個楔形件最為有效和經(jīng)濟。
與葉片芯部33具有相同矩形截面和尺寸的實心插件37對中地插置在兩 個葉片翼梁31和32的空間58內(nèi)，抵靠芯部的內(nèi)翼側(cè)端部，并延伸到翼梁 的內(nèi)翼側(cè)端部。根部插件37可以是眾多金屬或非金屬材料其中一種，并且 在葉片模制完成后粘結(jié)就位。葉片翼梁31和32之間用來容納插件37的空 間58借助與根部插件形狀相同的模制工具形成，模制完成后取下該工具。 這樣能在插件37粘入之前從模制插件空間58內(nèi)對復合楔形結(jié)構(gòu)進行無損檢 測?？臻g58和根部插件37之間的小間隙適合所用的粘結(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)最大 的結(jié)合強度。根部插件37可以提供推進器葉片上所需的其他特征件，諸如 用于內(nèi)部葉片平衡重物的容納部和用于俯仰角促動裝置的連接件。
如果葉片不具有芯部，則預成形件中部厚度足夠的復合材料終止于金屬 根部外翼側(cè)表面附近，在兩個翼梁之間形成空間來接收根部插件。
葉片的保持特性通過適當選擇翼梁厚度、楔形件厚度、楔形件高度以及 楔形件曲率而實現(xiàn)最大化。理想情況下，楔形件高度與厚度比率H/L以及翼 梁厚度與楔形件厚度比率S/L (圖5 )應該在2或3到1的范圍內(nèi)，其他接 近該范圍的比例也可以滿足要求，并且對于其他設(shè)計約束來說可能是必要 的。楔形件曲率C應該能切向過渡到葉片翼梁31、 32內(nèi)，并且過渡到楔形 件的全部寬度，以使楔形件端部平行于葉片翼梁的平面的時候終止，如圖5 所示。但是，輪廓變化也是可行的，只要能保持光滑過渡即可。楔形件優(yōu)選 塑形為保持理想纖維體積分數(shù)，并且避免翼梁層曲線突變。這樣，來自葉片 的力(推進力和離心載荷)光滑傳遞到根部構(gòu)件，避免了翼梁層出現(xiàn)應力集 中區(qū)，并且優(yōu)化復合葉片保持系統(tǒng)的承載強度。
保持布置的最后部件是配合在金屬根部構(gòu)件41內(nèi)的凹腔40臺階狀加大 下部47中的復合葉片3內(nèi)翼側(cè)端部、與外側(cè)直徑對稱的堵頭60。凹腔40 的下部47優(yōu)選在模制和插件結(jié)合之后進行機加工。堵頭60并不是基本葉片 保持系統(tǒng)的必要部件，但是能提供有用的輔助功能。堵頭60為圓形，并且 通過傳統(tǒng)方式固緊在葉片根部金屬構(gòu)件內(nèi)，固緊方式適合發(fā)揮其功能。堵頭 60外翼側(cè)表面靠近葉片根部插件內(nèi)翼側(cè)表面固定，這樣即使插件從復合根部 楔形件脫開，該堵頭也能抵靠推進器旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的任何力而將該插件保持就 位。這樣提供了插件結(jié)合部失效時的防故障特征。堵頭60的周邊可以用來根據(jù)需要容納密封特征件，以防止任何推進器漿轂潤滑劑從內(nèi)部污染復合葉 片。堵頭60可以是可拆卸部件，或者可以是葉片組件的永久組成部分，取 決于維修需求。
粘結(jié)劑結(jié)合部高度決定于制造操作者的耐心和嚴格控制過程參數(shù)，并且 對于粘結(jié)接頭尚不存在完全可靠的無損檢測方法。本發(fā)明布置的一項優(yōu)勢在 于，根部構(gòu)件內(nèi)葉片的關(guān)鍵保持部并不依賴于粘結(jié)劑結(jié)合部的整體性。除了
由堵頭60提供防故障地保持插件37之外，該插件側(cè)部也保持平行，以便操 作過程中不會有固有剪切力作用在粘結(jié)接頭上，如果粘結(jié)劑失效的話，該剪 切力容易擠出該插件。相反，插件37上的正常離心力傾向于保持其位于復 合葉片根部空間58內(nèi)的位置。同樣，葉片保持系統(tǒng)不依賴于模制過程中在 復合葉片根部和金屬根部構(gòu)件41內(nèi)的凹腔40之間形成的粘結(jié)結(jié)合部。在全 部粘結(jié)劑失效的情況下，復合葉片3將會安全地保持，并且不會影響關(guān)鍵部 件上的應力等級。
傳統(tǒng)葉片保持布置以前使用保持楔件，但是在這些傳統(tǒng)布置中，復合材 料在端部配件處為圓形截面，并且復合楔件為截頭中空錐形。本發(fā)明的布置 能更為筒化所用的楔形部件，并使組裝更容易進行。此外，可以實現(xiàn)更薄、 更符合空氣動力學的翼型過渡區(qū)域。這樣能降^f氐成本并改善性能。
本發(fā)明的布置可以避開加厚葉片過渡區(qū)域的需求，從而使空氣動力學阻 力最小，并避開對額外空氣動力學減阻裝置的需求。葉片載荷機械地傳遞到 金屬端部配件，通過避免應力集中而使金屬和復合部件上的應力最小化，并 由此使得保持系統(tǒng)的強度能力最大化。該制造方法允許對根部構(gòu)件內(nèi)側(cè)的復 合結(jié)構(gòu)進行徹底的無損檢測，以查找模制缺陷，諸如夾渣、空隙和樹脂未完 全浸潤纖維的區(qū)域，以確保復合材料特性不打折扣。此外，將復合葉片保持 在金屬根部構(gòu)件并不取決于復合材料與金屬之間的粘結(jié)部。隨著載荷增大， 葉片載荷產(chǎn)生楔緊動作，將復合葉片3更為牢固的壓緊在金屬根部構(gòu)件41 中。具體來說，金屬插件37和復合葉片3之間的結(jié)合部因楔緊動作而處于 壓縮栽荷場中，并且不會產(chǎn)生力來剪切結(jié)合部或擠出插件。根部插件本身產(chǎn) 生的離心力傾向于將其保持就位，即使結(jié)合部失效。此外，葉片根部堵頭60 從物理上防止插件37的位移超過最小量。通過確保復合纖維體積分數(shù)在整 個葉片根部楔形件中保持在要求范圍內(nèi)，并且保證單向纖維不會發(fā)生降低其 承載能力的壓接或方向突變情況，可以讓葉片根部復合材料的強度最大化。將葉片預成形件組裝到金屬根部構(gòu)件并安裝簡單的平坦楔形件的過程較之 同等的柱狀設(shè)計更為簡單、迅速且一致性更好。
應該理解，本發(fā)明并不限于用在飛行器推進器中，而是可以用來保持其 他復合葉片。
權(quán)利要求
1.一種推進器葉片組件，包括帶有多個凹部的漿轂和多個復合構(gòu)造的推進器葉片，所述葉片一端固緊在設(shè)置于所述漿轂凹部內(nèi)的各金屬根部構(gòu)件上的保持凹腔內(nèi)，至少每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部具有非圓形截面，該截面在葉片的相對兩側(cè)包括兩個纖維束，并且它們彼此隔開中部區(qū)域，根部構(gòu)件的保持凹腔具有非圓形截面并且從內(nèi)翼側(cè)端部相對較大的截面向靠近根部構(gòu)件表面的外翼側(cè)端部逐漸減小為相對較小的截面，所述兩個纖維束在該凹腔內(nèi)相對于彼此向外張開并各自分開成至少兩個層，所述組件進一步包括非圓形截面的插件構(gòu)件，其位于每個凹腔中，處于兩個纖維束之間的中部區(qū)域中；和插置在每個束的每個層之間的漸縮非圓形楔形構(gòu)件，以便每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部在插件構(gòu)件的相對兩側(cè)向外擴張，填充該凹腔并提供機械保持作用，防止所述葉片向著外翼側(cè)方向脫離。
2. 如權(quán)利要求1所述的推進器葉片組件，其特征在于，所述葉片內(nèi)翼 側(cè)端部和所述插件構(gòu)件的截面基本上為矩形。
3. 如前述權(quán)利要求任一項所述的推進器葉片組件，其特征在于，所述 楔形構(gòu)件借助固化樹脂與所述纖維層結(jié)合。
4. 如前述權(quán)利要求任一項所述的推進器葉片組件，其特征在于，所述 凹腔的形狀基本上關(guān)于由包括各纖維束的翼梁組的中心形成的平面對稱。
5. 如前述權(quán)利要求任一項所述的推進器葉片組件，進一步包括設(shè)置在 所述纖維束之間的低密度芯部材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的推進器葉片組件，其特征在于，所述低密度芯 部材料包括聚氨酯泡沫。
7. 如前述權(quán)利要求任一項所述的推進器葉片組件，其特征在于，所述 楔形構(gòu)件高度與厚度比率(H/L)以及所述纖維束厚度與楔形構(gòu)件厚度比率(S/L)處于大約2或3到1的范圍內(nèi)。
8. 如前述權(quán)利要求任一項所述的推進器葉片組件，進一步包括配合在 各根部構(gòu)件的凹腔內(nèi)的各推進器葉片內(nèi)翼側(cè)端的至少一個堵頭。
9. 一種組裝推進器葉片組件的方法，包括提供帶有多個凹部的漿轂 和多個復合構(gòu)造的推進器葉片，所述葉片一端固緊在設(shè)置于所述漿轂凹部內(nèi) 的各金屬根部構(gòu)件上的保持凹腔內(nèi)，至少每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部具有非圓形截面，該截面在葉片的相對兩側(cè)包括兩個纖維束，并且它們彼此隔開中部區(qū) 域，根部構(gòu)件的保持凹腔具有非圓形截面并且從內(nèi)翼側(cè)端部相對較大的截面 向靠近根部構(gòu)件表面的外翼側(cè)端部逐漸減小為相對較小的截面，所述兩個纖一步包括非圓形截面的插件構(gòu)件，其位于每個凹腔中，處于兩個纖維束之間的中部區(qū)域中；和插置在每個束的每個層之間的漸縮非圓形楔形構(gòu)件，以便每個葉片的內(nèi)翼側(cè)端部在插件構(gòu)件的相對兩側(cè)向外擴張，填充該凹腔并提供 機械保持作用，防止所述葉片向著外翼側(cè)方向脫離。
10. —種基本上參照附圖的前述推進器葉片組件。
11. 一種基本上參照附圖的前述組裝推進器葉片組件的方法。
全文摘要
一種推進器葉片組件和組裝方法。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，提供了一種推進器葉片組件，包括帶有多個凹部(15)的漿轂(1)和多個復合構(gòu)造的推進器葉片(3)，所述葉片一端固緊在設(shè)置于所述漿轂凹部內(nèi)的各金屬根部構(gòu)件(41)上的保持凹腔內(nèi)。至少每個葉片(3)的內(nèi)翼側(cè)端部具有非圓形截面，該截面在葉片(3)的相對兩側(cè)包括兩個纖維束(31、32)，并且它們彼此隔開中部區(qū)域(33)。根部構(gòu)件(41)的保持凹腔具有非圓形截面并且從內(nèi)翼側(cè)端部相對較大的截面向靠近根部構(gòu)件表面的外翼側(cè)端部逐漸減小為相對較小的截面。所述兩個纖維束(31、32)在該凹腔(40)內(nèi)相對于彼此向外張開并各自分開成至少兩個層。所述組件進一步包括非圓形截面的插件構(gòu)件(37)，其位于每個凹腔(40)中，處于兩個纖維束(31、32)之間的中部區(qū)域中；和插置在每個束(31、32)的每個層之間的漸縮非圓形楔形構(gòu)件(55)，以便每個葉片(3)的內(nèi)翼側(cè)端部在插件構(gòu)件(37)的相對兩側(cè)向外擴張，填充該凹腔(40)并提供機械保持作用，防止所述葉片(3)向著外翼側(cè)方向脫離。
文檔編號B64C11/26GK101553399SQ200780040715
公開日2009年10月7日 申請日期2007年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者凱文·彭托尼 申請人:Ge航空英國公司