PL225569B1

PL225569B1 - Aero profile, especially composite, with variable shape

Info

Publication number: PL225569B1
Application number: PL404927A
Authority: PL
Inventors: Paweł Skalski; Maciej Parafiniak; Łukasz Czajkowski
Original assignee: Inst Lotnictwa
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-04-28
Also published as: PL404927A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest profil lotniczy, zwłaszcza kompozytowy, o zmiennym kształcie, posiadający strukturę z materiałem aktywnym umożliwiającym zmianę właściwości aerodynamicznyc h skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu, a także zmianę właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej.The subject of the invention is an aviation profile, in particular a composite, with variable shape, having a structure with an active material that allows changing the aerodynamic properties of an airplane wing or rotorcraft blade during flight, as well as changing the aerodynamic properties of a rotating wind turbine blade.

W technice lotniczej stosowane są struktury o zmiennym kształcie, zwane także strukturami morficznymi, pozwalające na zmianę właściwości aerodynamicznych powierzchni nośnych i sterowych podczas lotu, zwiększając przez to efektywność lotu. Do budowy tego typu struktur są wykorzystyw anie materiały aktywne zmieniające kształt pod wpływem zewnętrznego impulsu elektrycznego lub magnetycznego, takie jak materiały piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, materiały ze stopów z pamięcią kształtu (SMA).In aviation technology, variable shape structures, also called morphic structures, are used, allowing the aerodynamic properties of the wing and control surfaces to change during flight, thus increasing flight efficiency. For the construction of this type of structures, active materials are used that change shape under the influence of an external electric or magnetic impulse, such as piezoelectric, magnetostrictive materials, and shape memory alloy (SMA) materials.

W opisie patentowym US8043053 przedstawione jest skrzydło stabilizatora poziomego wyp osażone w dwa aktuatory wykonane ze stopu SMA, które służą do zmiany kształtu tylnej elastycznej części skrzydła.The patent description US8043053 shows the wing of a horizontal stabilizer equipped with two actuators made of SMA alloy, which are used to change the shape of the rear flexible part of the wing.

W opisie patentowym US2009079301 przedstawiony jest profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym zmiana kształtu profilu następuje pod wpływem aktuatora wykonanego z warstw materiału piezoelektrycznego.In the patent description US2009079301 there is presented an aviation profile with a variable shape, in which the change of the shape of the profile takes place under the influence of an actuator made of layers of piezoelectric material.

W zgłoszeniu patentowym DE1997112034 przedstawiony jest profil lotniczy z krawędzią o zmiennym kształcie, w którym elastyczne poszycie profilu ma wbudowaną miejscowo warstwę aktywną z materiału aktywnego, piezoceramicznego, piezoelektrycznego lub magnetostrykcyjnego. Rozwiązanie umożliwia adaptacyjną zmianę profilu lotniczego pod wpływem impulsu sterującego. Profil lotniczy może być wykonany z warstw kompozytowych o odpowiednio dobranej grubości, umożliwiających elastyczne odkształcenie pod wpływem materiału aktywnego. Rozwiązanie to może być stosowane także w łopatach turbin wiatrowych w celu zmiany ich charakterystyki aerodynamicznej. Ponadto zastosowana warstwa aktywna może służyć jako czujnik przekazujący sygnały do układu sterowania.Patent application DE1997112034 shows an aviation profile with a variable edge shape, in which the flexible sheathing of the profile has a locally embedded active layer made of active, piezoceramic, piezoelectric or magnetostrictive material. The solution enables adaptive change of the aviation profile under the influence of the control impulse. The aviation profile can be made of composite layers of appropriately selected thickness, enabling elastic deformation under the influence of the active material. This solution can also be used in wind turbine blades to change their aerodynamic characteristics. Moreover, the applied active layer can serve as a sensor transmitting signals to the control system.

W technice lotniczej stosowane są także ciecze i elastomery magnetoreologiczne, które mogą zmieniać swoje właściwości lepkosprężyste pod wpływem pola magnetycznego. Mogą także osiągać konsystencję ciała stałego w czasie kilku milisekund. Te cechy materiałów magnetoreologicznych są wykorzystywane do aktywnego tłumienia drgań mechanizmów. Z opisu patentowego EP 1422439 znany jest także układ mocujący, w którym zaczepy są wykonane z magnetoreologicznego elastom eru o zmiennym kształcie i sztywności. Zmiana kształtu i sztywności następuje pod wpływem pola magnetycznego generowanego przez magnes stały, elektromagnes lub układ tych magnesów.In aviation technology, magnetorheological liquids and elastomers are also used, which can change their viscoelastic properties under the influence of a magnetic field. They can also become solid in a few milliseconds. These features of magnetorheological materials are used to actively damp vibrations of mechanisms. From the patent description EP 1422439 there is also known a fastening system in which the catches are made of magnetorheological elastomer with variable shape and stiffness. Changes in shape and stiffness occur under the influence of a magnetic field generated by a permanent magnet, electromagnet or a system of these magnets.

Profil lotniczy, zwłaszcza kompozytowy, o zmiennym kształcie, posiadający elektromagnesy wytwarzające pole magnetyczne w otoczeniu substancji magnetoreologicznej umieszczonej w strukturze profilu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że substancję magnetoreologiczną stanowi elastomer magnetoreologiczny, z którego jest wykonana powłoka przymocowana od zewnątrz do poszycia, zaś elektromagnesy są zamocowane do poszycia od wewnątrz profilu, przy czym rdzenie cewek elektromagnesów są skierowane w kierunku powłoki.An aviation profile, especially a composite, with variable shape, having electromagnets generating a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure, according to the invention, is characterized in that the magnetorheological substance is a magnetorheological elastomer, which is made of a shell attached to the shell from the outside, and electromagnets are attached to the skin on the inside of the profile, with the cores of the electromagnet coils facing the shell.

Korzystnym jest, jeżeli poszycie jest uformowane z kompozytu warstwowego, do którego są zamocowane rdzenie wraz z cewkami.Preferably, the sheathing is formed of a sandwich composite to which the cores are attached with the coils.

Korzystnym jest także, jeżeli w skład poszycia wchodzi płyta nośna, do której są przymocowane od wewnątrz rdzenie wraz z cewkami, a od zewnątrz elastomerowa powłoka.It is also advantageous if the sheathing includes a support plate to which the cores with the coils are attached from the inside, and an elastomeric sheath from the outside.

W korzystnym wykonaniu profilu, płyta nośna stanowi część modułu z macierzowym układem transformatorów, mocowanego rozłącznie w profilu lotniczym. Ponadto korzystnym jest, jeżeli w powłoce są uformowane kanaliki.In a preferred embodiment of the profile, the support plate is part of a module with a matrix arrangement of transformers, detachably mounted in the aviation profile. Moreover, it is advantageous if channels are formed in the shell.

Podczas działania elektromagnesów, następuje zmiana sztywności i odkształcenie elastomeru magnetoreologicznego, w tym zmiana grubości warstwy elastomerowej w wyniki oddziaływań elektrodynamicznych pomiędzy namagnesowanymi cząsteczkami i podatną na odkształcenie osnową. Ponadto możliwe jest odkształcenie warstwy elastomerowej w lokalnych zagłębieniach ukształtowanych w poszyciu lub w płycie nośnej. Dzięki temu następuje zmiana kształtu profilu lotniczego, a tym samym zmiana jego właściwości aerodynamicznych i optycznych.During the operation of electromagnets, the stiffness and deformation of the magnetorheological elastomer change, including the change in the thickness of the elastomeric layer as a result of electrodynamic interactions between the magnetized particles and the deformable matrix. Furthermore, it is possible to deform the elastomeric layer in local recesses formed in the skin or in the support plate. As a result, the shape of the aviation profile changes, and thus its aerodynamic and optical properties change.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, fig. 2 przedstawia szczegół A z fig. 1 w powiększeniu, fig. 3 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, fig. 4 przedstawia modułową strukturę warstwową do profilu lotniczego o zmiennymThe subject of the invention is explained in the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an aviation profile with a variable shape in a cross-section, Fig. 2 shows detail A in Fig. 1 enlarged, Fig. 3 shows a fragment of the aviation profile from Fig. 1 in perspective, Fig. 4 shows a modular sandwich structure for an aviation profile with variable

PL 225 569 B1 kształcie w przekroju poprzecznym, fig. 5 przedstawia szczegół A z fig. 4, a fig. 6 przedstawia modułową strukturę warstwową z fig. 4 w perspektywie.FIG. 5 shows detail A of FIG. 4 and FIG. 6 shows the modular sandwich structure of FIG. 4 in perspective.

Jak przedstawiono na fig. 1, 3, profil lotniczy o zmiennym kształcie posiada elektromagnesy wytwarzające pole magnetyczne w otoczeniu substancji magnetoreologicznej umieszczonej w strukturze profilu. Substancję magnetoreologiczną stanowi elastomer magnetoreologiczny, którego jest wykonana powłoka 2 przymocowana od zewnątrz do poszycia 1. W powłoce 2 są uformowane kanaliki 3. Elektromagnesy są zamocowane do poszycia 1 od wewnątrz profilu tak, że rdzenie 5 cewek 4 elektromagnesów są skierowane w kierunku powłoki 2. Poszycie 1 profilu lotniczego widocznego na fig. 1 jest uformowane z kompozytu warstwowego, do którego są zamocowane bezpośrednio rdzenie 5 wraz z cewkami 4. Struktura profilu może być wyposażona w rozmieszczone macierzowo transform atory wytwarzające pole magnetyczne w wybranych miejscach powłoki 2 widocznej na fig. 3. Macierz transformatorów wraz z powłoką 2 może być także wykonana jako modułowa struktura warstwowa, mocowana w strukturze profilu, złożona z co najmniej jednego rzędu transformatorów.As shown in Figures 1, 3, the variable shape aviation profile has electromagnets that generate a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure. The magnetorheological substance is a magnetorheological elastomer, of which the shell 2 is attached to the shell 1 from the outside. Tubes 3 are formed in the shell 2. The electromagnets are attached to the shell 1 from the inside of the profile so that the cores 5 of the coils 4 of the electromagnets are directed towards the shell 2. The sheathing 1 of the aviation profile shown in Fig. 1 is formed of a sandwich composite to which the cores 5 are attached directly with the coils 4. The profile structure may be equipped with matrix-arranged transformers generating a magnetic field at selected points of the coating 2 shown in Fig. 3. The transformer matrix together with the shell 2 can also be made as a modular sandwich structure, fixed in the profile structure, composed of at least one row of transformers.

Modułowa struktura warstwowa widoczna na fig. 4-6 składa się z płyty nośnej 6, do której są przymocowane od wewnątrz rdzenie 5 wraz z cewkami 4, a od zewnątrz elastomerowa powłoka 2 z kanalikami 3. Krawędzie boczne powłoki 2 są zespolone z wygiętymi do góry krawędziami płyty nośnej 6. Moduł z rozmieszczonymi macierzowo transformatorami wytwarzającymi pole magnetyczne w wybranych miejscach powłoki 2 jest widoczny na fig. 6. Taki moduł może być mocowany rozłącznie do struktury profilu lotniczego, a wówczas płyta nośna 6 wchodząca w skład modułu zastępuje część poszycia 1. Elektromagnesy kształtujące pole magnetyczne mogą być rozmieszczone w zdefiniowanym położeniu, optymalnym i odpowiadającym za założoną deformację powierzchni.The modular sandwich structure shown in Figs. 4-6 consists of a support plate 6 to which the cores 5 are attached with the coils 4 on the inside, and the elastomeric sheath 2 with the channels 3 on the outside. The side edges of the sheath 2 are combined with those curved upwards. the edges of the support plate 6. A module with matrix-arranged transformers generating a magnetic field at selected points of the shell 2 is shown in Fig. 6. Such a module can be detachably attached to the structure of the aviation profile, then the support plate 6 included in the module replaces a part of the shell 1. The electromagnets shaping the magnetic field can be placed in a defined position, optimal and corresponding to the assumed surface deformation.

Pod wpływem pola magnetycznego, elastomer magnetoreologiczny jest przyciągany w kierunku rdzenia 5 elektromagnesu, powodując lokalną zmianę kształtu powłoki 2. Kształt zagłębień w powłoce 2 zależy od siły i sposobu ukierunkowania pola magnetycznego. Elektromagnesy mogą być włączane oddzielnie w poszczególnych rzędach. W rezultacie w powłoce 2 powstają miejscowe lub liniowe zagłębienia, co z kolei wpływa na własności aerodynamiczne profilu i jego sztywność. Kanaliki 3 zwiększają podatność powłoki 2 na odkształcenie pod wpływem pola magnetycznego. Kanaliki mogą być uszczelnione elastyczną pianką lub innym środkiem podatnym na odkształcenie. Zamiast powłoki 2 z kanalikami 3, może być zastosowana warstwa z elastomeru magnetoreologicznego o strukturze porowatej.Under the influence of the magnetic field, the magnetorheological elastomer is attracted towards the electromagnet core 5, causing a local change in the shape of the shell 2. The shape of the recesses in the shell 2 depends on the strength and method of directing the magnetic field. The electromagnets can be turned on separately in each row. As a result, local or linear depressions are formed in the skin 2, which in turn affects the aerodynamic properties of the profile and its stiffness. The channels 3 increase the susceptibility of the coating 2 to deformation under the influence of a magnetic field. The channels may be sealed with flexible foam or other means susceptible to deformation. Instead of the shell 2 with channels 3, a layer of magnetorheological elastomer with a porous structure may be used.

Na fig. 4-6 widoczne jest miejscowe zagłębienie spowodowane działaniem pojedynczego elektromagnesu. Analogiczne zagłębienie powstaje w powłoce 2 profilu lotniczego przedstawionego na fig. 1.Figures 4-6 show the local cavity caused by the action of a single electromagnet. An analogous depression is formed in the skin 2 of the aviation profile shown in Figure 1.

Rozwiązanie według wynalazku może funkcjonalnie spełniać rolę klapki będącej elementem skrzydła, a jego rola polega zarówno na zwiększeniu siły nośnej lub ograniczeniu sił oporu, jak i na aktywnym wpływaniu na własności aerodynamiczne, w celu ograniczenia drgań samowzbudnych, nadmiernych drgań spowodowanych dynamicznym obciążeniem profilu, a także w celu obniżenia poziomu hałasu lub strat energii podczas ruchu. Dodatkowo, deformacja struktury prowadzi do zmiany obrazu powierzchni oraz do rozproszenia promieniowania radarowego, co może być wykorzystane w technologii stealth.The solution according to the invention may functionally fulfill the role of a flap being an element of the wing, and its role consists in increasing the lift or reducing drag forces, and actively influencing the aerodynamic properties in order to limit self-excited vibrations, excessive vibrations caused by dynamic loading of the profile, as well as to reduce noise levels or energy loss during movement. In addition, the deformation of the structure leads to a change in the surface image and scattering of the radar radiation, which can be used in stealth technology.

Claims

1. Aviation profile, especially composite, with variable shape, having electromagnets generating a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure, characterized in that the magnetorheological substance is a magnetorheological elastomer, from which the shell (2) is attached to the shell (2) from the outside ( 1), and the electromagnets are attached to the shell (1) on the inside of the profile, with the cores (5) of the electromagnet coils (4) facing the shell (2).

2. Profile according to claim 3. The skin as claimed in claim 1, characterized in that the skin (1) is formed of a sandwich composite to which the cores (5) are fixed with the coils (4).

3. Profile according to p. 6. A method according to claim 1, characterized in that the sheathing (1) comprises a support plate (6) to which the cores (5) with the coils (4) are attached from the inside, and an elastomeric sheath (2) from the outside.

4. Profile according to p. 3. A method as claimed in claim 3, characterized in that the support plate (6) is part of a transformer matrix module detachably mounted in the aviation profile.

5. Profile according to p. A method as claimed in claim 1 or 3, characterized in that channels (3) are formed in the shell (2).