PL229202B1 - Łącznik wirnika wiatrakowca - Google Patents

Abstract

Ujawniono łącznik wirnika dwułopatowego do wiatrakowców, zawierający belkę główną (40), zaopatrzoną w część środkową oraz ramiona boczne; przy czym w każdym z ramion bocznych umieszczone są co najmniej dwa otwory mocujące (44), przystosowane do przyjmowania sworzni mocujących (41); charakteryzujący się tym, że ramiona boczne belki głównej (40) łącznika są utworzone integralnie z częścią centralną i są odchylone do góry tak, że każde z nich tworzy z osią poziomą kąt od 2 do 3 stopni, w szczególności kąt około 2,8 stopnia.

Description

Przedmiotem wynalazku jest łącznik wirnika wiatrakowca. Łącznik wirnika znajduje zastosowanie w lotnictwie, w szczególności do wiropłatów o dwóch łopatach takich jak wiatrakowce i wiroszybowce.

Wiatrakowce wyposażone są w wirnik nośny obracający się dzięki zjawisku autorotacji powstającej pod wpływem ruchu postępowego wiatrakowca względem powietrza. Siła ciągu wytwarzana jest przez śmigło pchające, rzadziej przez śmigło ciągnące.

Podstawową funkcją wirnika wiatrakowca jest wytworzenie siły nośnej potrzebnej do utrzymania maszyny w powietrzu. W odróżnieniu od samolotów i szybowców, wiropłaty mają skrzydła - łopaty, które poruszają się wokół centrum rotacji. To rozwiązanie sprawia, że łopaty mogą poruszać się względem powietrza szybciej niż kadłub maszyny, ale oznacza także, że koniec łopaty porusza się szybciej niż jej początek u nasady wirnika. Taki gradient prędkości powoduje, że siła nośna rośnie ku krańcom łopaty co powoduje ich uniesienie. Tworzy się wówczas wirtualny stożek, który zmniejsza powierzchnię wirowania zakreślaną przez łopaty.

Większość małych wiatrakowców ma łopaty zamocowane poziomo w linii prostej. Takie rozwiązanie przedstawione jest w dokumencie US3193019. Zaletą takiego połączenia jest niski stopień skomplikowania oraz niewielka masa. Niestety takie rozwiązanie powoduje powstawanie znaczących naprężeń na elementach wirnika, które mogą prowadzić do zwiększenia drgań oraz uszkodzeń mechanicznych łopat i łącznika. Pewnym rozwiązaniem tych problemów jest system taki jak pokazany w dokumencie US3972491 pozwalający na unoszenie łopat wirnika. Wprowadza on dodatkowe połączenie ruchome co zwiększa masę wirnika oraz jego koszt. Natomiast rozwiązanie z dokumentu US4361415 wykorzystuje gumowe podkładki do amortyzacji łopat wirnika oraz pozwala na niewielkie zmiany kąta nachylenia łopat.

W dokumencie US4092084 przedstawiono rozwiązanie, w którym łącznik zwiera łopaty zamocowane pod kątem około 5,7° względem poziomu. Sposób łączenia łopaty z łącznikiem pokazany w w/w dokumencie wymaga jednak łopaty dopasowanej do takiego połączenia. W przypadku łopaty wytłoczonej z metali lekkich rozwiązanie takie wymaga wprowadzenia dodatkowego procesu technologicznego, którego jakość ma istotny wpływ na zachowanie wirnika. Wymagana bowiem jest nie tylko obróbka łopaty mająca na celu dostosowanie kształtu łopaty do wymiarów łącznika, ale także konieczne staje się wprowadzenie dodatkowych elementów wzmacniających znacznie komplikujących cały system mocowania. Ponadto złożoność konstrukcji sprawia, że występują odstępstwa od nominalnej wartość natarcia łopat, ponadto kąty łączenia poszczególnych łopat zależą od jakości wykonania powierzchni płaskich łopaty przylegających do łącznika.

Istotą wynalazku jest łącznik wirnika dwułopatowego do wiatrakowców zawierający belkę główną zaopatrzoną w część środkową oraz ramiona boczne, przy czym w każdym z ramion bocznych umieszczone są co najmniej dwa otwory mocujące przystosowane do przyjmowania sworzni mocujących. Łącznik według wynalazku charakteryzuje się tym, że ramiona boczne belki głównej łącznika są utworzone integralnie z częścią centralną i są odchylone do góry tak, że każde z nich tworzy z osią poziomą kąt około 2,8 stopnia.

Ponadto łącznik wirnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej cztery belki mocujące przymocowane poziomo do ramion bocznych belki głównej za pomocą sworzni mocujących, przy czym belki mocujące są zaopatrzone w szereg otworów mocujących przystosowanych do przyjmowania śrub mocujących płaty wirnika, oraz element nośny przystosowany do osadzania w głowicy wirnika za pomocą sworznia poziomego.

Ponadto łącznik wirnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że belki mocujące mają płaskie powierzchnie wewnętrzne przystosowane do współpracy z nakładką na łopatę wirnika.

Łącznik wirnika według wynalazku ma szereg zalet. Wygięcie łącznika pozwalające zamontować łopaty pod niewielkim kątem nachylenia w stosunku do płaszczyzny wirowania pozwala na uniknięcie naprężeń w łączniku i innych elementach wirnika podczas lotu wiatrakowca. W stosunku do znanych rozwiązań taki sposób pozwala na obniżenie masy oraz złożoności konstrukcji. Prosta konstrukcja pozwala na pewne i dokładne połączenie łącznika z wytłaczanymi łopatami bez skomplikowanego procesu modyfikacji łopat. Jedyną ingerencją w łopatę wirnika jest bowiem proces nawiercenia otworów, który można wykonać w sposób precyzyjny.

Ponadto w trakcie badań nieoczekiwanie zauważono, iż dla niewielkich dwuosobowych wiatrakowców o maksymalnej masie startowej dochodzącej do 600 kg i rozpiętości wirnika dochodzącej do

PL 229 202 B1

8,8 m optymalny kąt nachylenia tworzącej do podstawy stożka mieści się w przedziale od 2 do 3°, a szczególnie korzystnym kątem jest kąt 2,8°.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia sposób połączenia łącznika wirnika z płatami wirnika za pomocą łącznika według wynalazku;

Fig. 2 przedstawia sposób łączenia elementów łącznika wirnika za pomocą łącznika według wynalazku;

Fig. 3 przedstawia sposób łączenia kołyski wirnika z łącznikiem wirnika według wynalazku;

Fig. 4 przestawia belkę centralną łącznika wirnika według wynalazku;

Fig. 5 przedstawia górną kostkę łącznika wirnika według wynalazku.

Na fig. 1 został przedstawiony sposób montażu nakładki 20 wraz z łopatą wirnika 10 do zespołu łącznika według wynalazku przedstawionego na fig. 2. Nakładka na łopatę wirnika 20 przymocowana jest do łopaty wirnika 10 od strony krawędzi natarcia tak, że jej płaskie powierzchnie zewnętrzne tworzą płaskie poziome powierzchnie montażowe umożliwiające pewne i mocne zamocowanie łopaty wirnika mimo pionowego ułożenia belek mocujących. Ponadto pozwalają na dokładne spozycjonowanie łopaty wirnika 10. Nakładka umożliwia stworzenie wytrzymałego połączenia z belkami mocującymi 30 na równoległych powierzchniach 22 i 23. Belki mocujące 30 połączone są z nakładką 20 za pomocą wkrętów 31, podkładek 32 i 32' oraz nakrętek 33.

Na fig. 2 przedstawiono sposób montażu i wzajemne położenie poszczególnych elementów łącznika według korzystnego przykładu wykonania wynalazku. Cztery belki mocujące 30 płaty wirnika połączone są z belką główną 40 za pomocą sworzni 41, podkładek 42, nakrętek 43 i zawleczek 44. Pośrodku belki głównej 40 za pomocą śrub imbusowych 52 dołączona jest górna kostka wirnika 50. W górnej kostce wirnika umieszczone są dwie tuleje 51.

Belka główna 40 łącznika ma zasadniczo przekrój prostokątny, z wyraźnie zaznaczoną częścią centralną oraz dwoma lekko uniesionym do góry ramionami bocznymi. Końce ramion bocznych mają fazowania. Konstrukcja belki głównej zawiera szereg otworów odciążających 42 redukujących masę zespołu.

Ponadto w trakcie badań nieoczekiwanie zauważono, iż dla niewielkich dwuosobowych wiatrakowców o maksymalnej masie startowej dochodzącej do 600 kg i rozpiętości wirnika dochodzącej do 8,8 m optymalny kąt nachylenia tworzącej do podstawy stożka tj. kąt uniesienia ramion belki głównej 40 mieści się w przedziale od 2 do 3°. Szczególnie korzystne wyniki uzyskano dla kąta 2,8°. Jest to o tyle zaskakujące, że teoretyczne obliczenia wykazały, iż maksymalny dopuszczalny kąt wzniosu ramion belki głównej nie powinien przekraczać 1,4°.

Na fig. 3 przedstawiony został sposób połączenia górnej kostki wirnika 50 i głównego elementu nośnego 60 za pomocą śruby 61, nakrętki samokontrującej 62 i zawleczki 63. Śruba 61 umożliwia wahadłowy ruch wirnika wewnątrz głównego elementu nośnego 60, tworząc połączenie wahliwe. Suma wysokości kostki górnej oraz wysokości belki głównej łącznika jest odpowiednio mniejsza niż głębokość wycięcia w głównym elemencie nośnym głowicy wirnika. Dodatkowo pomiędzy dolną powierzchnią belki głównej łącznika, a dolną powierzchnią wycięcia w głowicy głównej nośnika pozostawiono prześwit umożliwiający swobodną pracę wirnika w dopuszczalnym zakresie kątów przechylenia wirnika.

Widoczne na figurze koło zębate ma na celu przeniesienie napędu z silnika wiatrakowca na wirnik we wstępnej fazie rozbiegu, co ma na celu rozkręcenie wirnika i zwiększenie siły nośnej dla niskich prędkości postępowych, a w rezultacie powoduje skrócenie rozbiegu wiatrakowca.

Na fig. 4 przedstawiony został przekrój przez belkę centralną 40. Belka główna łącznika zawiera szereg otworów odciążających 42 oraz cztery otwory montażowe 45 przeznaczone na sworznie 41 łączące belkę główną z belkami mocującymi. Otwory odciążające 42 umieszczone są poziomo w belce głównej 40 natomiast otwory montażowe 45 umieszczone są pionowo. Ramiona boczne belki głównej są utworzone integralnie z częścią środkową belki głównej łącznika.

Odchylone ku górze ramiona boczne belki głównej umożliwiają zamocowanie łopat wirnika pod kątem 43° nadanym właśnie przez ramiona boczne belki głównej łącznika. Takie pochylenie łopat pozwala na zmniejszenie obciążeń występujących w łopatach, ponadto skutkuje zmniejszeniem drgań przenoszonych z łopat na konstrukcję wiatrakowca.

Na fig. 5 przedstawiona została górna kostka wirnika 50 wraz z otworami łączeniowymi 53 na śruby imbusowe 52 oraz otwór 54 na tuleje brązowe 51. Tuleje brązowe 51 zapewniają łożyskowanie śruby kołyski 61.

Claims (3)

1. Łącznik wirnika dwułopatowego do wiatrakowców zawierający belkę główną (40) zaopatrzoną w część środkową oraz ramiona boczne;

przy czym w każdym z ramion bocznych umieszczone są co najmniej dwa otwory mocujące (45) przystosowane do przyjmowania sworzni mocujących (41);

znamienny tym, że ramiona boczne belki głównej (40) łącznika są utworzone integralnie z częścią centralną i są odchylone do góry tak, że każde z nich tworzy z osią poziomą kąt z zakresu od 2 do 3 stopni, w szczególności kąt około 2,8 stopnia.

2. Łącznik wirnika według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto zawiera co najmniej cztery belki mocujące (30) przymocowane poziomo do ramion bocznych belki głównej (40) za pomocą sworzni mocujących (41), przy czym belki mocujące (30) są zaopatrzone w szereg otworów mocujących przystosowanych do przyjmowania śrub mocujących płaty wirnika, oraz element nośny przystosowany do osadzania w głowicy wirnika za pomocą sworznia poziomego.

3. Łącznik wirnika według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że belki mocujące (30) mają płaskie powierzchnie wewnętrzne przystosowane do współpracy z nakładką (20) na łopatę wirnika (10).