PL231638B1 - Łopata wirnika wiatrakowca oraz nakładka na łopatę wirnika wiatrakowca - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest łopata wirnika wiatrakowca oraz nakładka na łopatę wirnika wiatrakowca. Łopaty wirnika oraz nakładki na łopaty wirnika znajdują zastosowanie w lotnictwie, w szczególności do wiropłatów takich jak wiatrakowce.

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 ciągnące napędzane silnikiem.

Większość współczesnych niewielkich wiatrakowców posiada wirniki nośne o dwóch łopatach. Łopaty wirnika tych statków powietrznych przyjęło się opierać na standardach opisujących profile o niskich oporach takich jak opisane w Clark Y, Munk oraz NACA serii 8-H-12 oraz 9-H-12.

Na charakterystyki pracy wiatrakowca, a szczególnie na podatność na drgania, mają wpływ siły działające na wirnik. Zależą one od parametrów takich jak wzajemne położenie osi obrotu wirnika, środka ciężkości kadłuba wiatrakowca, środka ciężkości i środka aerodynamicznego obracającego się wirnika. Problem wstrząsów podczas lotu wiatrakowca nasila się ze wzrostem średnicy wirnika oraz jego masy. Poprzez zwiększenie profilu łopaty prędkość obrotowa wirnika ulega zmniejszeniu, a sam wirnik może mieć mniejszą średnicę, co zapewnia zmniejszenie wstrząsów odczuwanych podczas lotu. Z tego też względu ważne jest, aby proces produkcyjny zapewniał jednorodny rozkład masy wzdłuż całej łopaty.

Łopaty wirnika mogą być wykonywane poprzez łączenie wielu oddzielnie wykonanych elementów tak jak to opisano w dokumencie US2469480, jak i odlewane z różnego rodzaju materiałów z głównym dźwigarem stanowiącym rdzeń łopaty tak jak to opisano w dokumencie US2400649. Współczesne łopaty wiatrakowców są często wykonywane z laminatów bądź wytłaczane z metali lekkich tak jak to opisano w dokumencie US2712356.

Szczególnie korzystnym sposobem produkcji łopat jest ich wytłaczanie łopaty w postaci kształtownika. Wytłaczanie takie pozwala na umieszczenie komór wewnętrznych ciągnących się przez całą długość łopaty. Łopaty wirnika posiadające wewnętrzne komory odciążające pokazane są w dokumencie EP 1061264A1. Tego typu komory redukują masę łopaty oraz pozwalają na umieszczenia wewnętrznych elementów takich jak pręty wyważające.

Znane są łopaty wirnika nośnego wiatrakowca oparte na profilach lotniczych posiadające wewnętrzne elementy usztywniające. Klasyczne rozwiązanie przedstawione w dokumencie US4332525 stanowią dźwigary o prostokątnym przekroju połączone z wirnikiem na całej długości zapewniające usztywnienie w płaszczyźnie pracy wirnika. Dźwigary są zwykle cienkie i elastyczne poza płaszczyzną, aby ograniczyć obciążenie na podstawie dźwigara. Innym rozwiązaniem przedstawionym w dokumencie US6024325 jest umieszczenie dwóch dźwigarów połączonych do łopaty wirnika w wybranych elementach w celu zwiększenia sztywności w płaszczyźnie pracy wirnika i obniżenia sztywności poza płaszczyzną pracy wirnika. Takie rozwiązanie umożliwia kontrolę kąta natarcia łopaty.

Większość wirników jest przymocowanych do łącznika wirnika mechanicznie za pomocą pionowych uchwytów łączących łopaty wirnika z łącznikiem. Połączenie w tej pozycji może prowadzić do przesuwania się elementów i reorientację geometrycznego środka lepiej orientując środek ciężkości wirnika. Ważnym aspektem takiej konfiguracji jest dokładność rozmieszczenia łączników.

Niemniej podstawowym problemem, który stoi przed konstruktorami łopat wirników, jest zwiększenie siły nośnej przy zachowaniu możliwie najmniejszych drgań przenoszonych na konstrukcję wiatrakowca w czasie lotu.

Istotą wynalazku jest łopata wirnika wiatrakowca o stałym profilu na całej długości, zawierająca wewnętrzne komory odciążające oraz wyważające, profilu zewnętrznym NACA 9-H-12. Łopata według wynalazku charakteryzuje się tym, że długość cięciwy profilu wynosi około 220 mm, grubość ścian zewnętrznych komór odciążających wynosi 1,8 mm oraz zawiera co najmniej jeden mostek wzmacniający o grubości 1,8 mm łączący ściany zewnętrzne profilu i oddzielający dwie sąsiadujące ze sobą komory odciążające.

Ponadto łopata według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest wykonana ze stopu aluminium.

Ponadto łopata według wynalazku charakteryzuje się tym, że stopem aluminium jest stop 6005A T6.

Ponadto łopata według wynalazku charakteryzuje się tym, że długość łopaty wynosi 4,2 m.

Istotą wynalazku jest także nakładka na łopatę wirnika wiatrakowca do łączenia łopaty wirnika z zespołem łącznika wirnika zawierająca kieszeń wewnętrzną odpowiadającą profilowi NACA 9-H-12

PL 231 638 B1 oraz dwie płaskie równoległe do siebie powierzchnie zewnętrzne. Nakładka wynalazku charakteryzuje się tym, że profil kieszeni wewnętrznej jest powiększony względem profilu łopaty wirnika o 150 um, a powierzchnie zewnętrzne zaopatrzone są w dwa rowki pozycyjne.

Ponadto nakładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera mostek usztywniający znajdujący się w tylnej części nakładki w kieszeni wewnętrznej we wgłębieniach technologicznych, przy czym na obu krańcach mostek usztywniający ma przewężenia umożliwiające jego usunięcie przed montażem zespołu wirnika.

Ponadto nakładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że wgłębienia technologiczne umieszczone są w kieszeni wewnętrznej przy krawędzi tylnej po obu stronach nakładki.

Ponadto nakładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że przewężenia mostka usztywniającego mają postać ścięcia wykonanego pod kątem 30° zakończonego szyjką o grubości 0,3 mm i wysokości 0,5 mm.

Ponadto nakładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest wykonana ze stopu aluminium.

Ponadto nakładka według wynalazku charakteryzuje się tym, że stopem aluminium jest stop 6005A T6.

Łopata i nakładka na łopatę według wynalazku mają szereg zalet. Stały profil na całej długości umożliwia zastosowanie techniki wytłaczania aluminium do produkcji. co pozwala ograniczyć koszty oraz zapewnić gładką powierzchnię łopaty. Gładka i niezaburzona powierzchnia łopat wirnika ma duży wpływ na parametry pracy wirnika takie jak siła nośna i drgania.

Wysoka wartość długości cięciwy powoduje wzrost siły nośnej wirnika prowadząc do zmniejszenia obrotów łopaty i zmniejszenia drgań.

Grubość ścian 1,8 mm w połączeniu z mostkiem usztywniającym o grubości 1,8 mm pozwala na uzyskanie niskiej masy łopaty. a przy zachowaniu wielokomorowej konstrukcji łopaty, na uzyskanie wysokiej sztywności podłużnej i poprzecznej.

Kieszeń wewnętrzna o profilu powiększonym o 150 um pozwala na połączenie łączenia klejowego z łączeniem za pomocą wkrętów.

Dwie płaskie powierzchnie zapewniają optymalne połączenie nakładki i łopaty z belkami mocującymi wirnika.

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

Fig. 1 przedstawia kształt łopaty wiatrakowca według wynalazku;

Fig. 2 przedstawia kształt nakładki na łopatę wirnika wiatrakowca według wynalazku;

Fig. 2A przedstawia kształt nakładki na łopatę wirnika wiatrakowca z mostkiem usztywniającym według wynalazku;

Fig. 2B przedstawia powiększenie fragmentu nakładki na łopatę wirnika wiatrakowca ukazującą szczegóły mocowania mostka usztywniającego według wynalazku;

Fig. 2C przedstawia widok od góry na nakładkę na łopatę wirnika wiatrakowca według wynalazku;

Fig. 3 przedstawia sposób połączenia łopaty z nakładką oraz z innymi elementami wirnika.

Na fig. 1 został przedstawiony kształt łopaty wiatrakowca 10 oparty na profilu lotniczym NACA 9-H-12. Wewnątrz łopaty rozmieszczone są komory wyważające 11 i 12, oraz komory odciążające 13, 14 i 15. Komory odciążające 14 i 15 oddzielone są mostkiem usztywniającym 16 o grubości 1,8 mm. Komory 14 i 15 zdefiniowane są wewnątrz profilu przez ściany 17 o grubości 1,8 mm. Długość cięciwy c łopaty wynosi 220 mm. Wprowadzenie komór do wnętrza łopaty zapewnia kontrolę nad rozkładem masy i umożliwia wstępne wyważenie łopaty wirnika. Komory wyważające o przekroju owalnym pozwalają na wprowadzenie prętów wyważających pozwalających na regulację wyważenia łopat. Zastosowanie gwintowania w komorze wyważającej umożliwia precyzyjne wprowadzenie i osadzenie prętów wyważających.

Zmniejszenie wagi łopaty za pomocą komór ma szczególne znaczenie dla łopat o długiej cięciwie profilu, powyżej 200 mm. Wzrost wagi łopaty stanowi barierę ograniczającą zwiększenie wielkości łopaty. W łopacie według wynalazku pomimo zwiększenia długości cięciwy, zachowano niewielką grubość ściany łopaty 1,8 mm znaną z łopat o profilu o długości 180 mm, zamiast zastosować standardowo przyjętą grubość ściany odpowiadającą 10% długości cięciwy. Ponadto aby zwiększyć sztywność łopaty wprowadzono mostek usztywniający. Niemniej mostek usztywniający został wykonany również w grubości mniejszej niż zalecana dla tej wielkości łopaty, tj. mniejszej niż 2,2 mm.

Łopatę według wynalazku wykonano ze stopu aluminium, oznaczonego 6005A T6. Jest to stop aluminium tradycyjnie nie przeznaczony do lotnictwa, jego własności mechaniczne oraz podatność na formowanie pozwoliły na zastosowanie do budowy łopaty wirnika wiatrakowca.

PL 231 638 B1

Na fig. 2 został przedstawiony kształt nakładki na łopatę wirnika wiatrakowca 20 pozwalający na stworzenie wytrzymałego i serwisowanego połączenia łopaty wirnika 10 z łącznikiem wirnika. Nakładka 20 posiada kieszeń wewnętrzną 21 o kształcie dopasowanym do profilu lotniczego NACA 9-H-12 o długości cięciwy 220 mm, przy czym dostosowanie polega na tym, że przestrzeń wewnętrzna kieszeni jest większa od profilu, tak aby zachować odstęp o szerokości 150 gm pomiędzy powierzchnią zewnętrzną łopaty wirnika a powierzchnią wewnętrzną kieszeni nakładki. Zachowanie takiego odstępu pozwala na łatwe osadzanie łopaty wewnątrz łącznika, ale również wzmocnienie połączenia mechanicznego pomiędzy łopatą wirnika, a elementami łącznika dodatkowym połączeniem klejowym.

Nakładka jest mocowana do łącznika wirnika za pomocą równoległych płaszczyzn 22 i 23. Takie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie możliwie dużej powierzchni styku pomiędzy łączonymi elementami. Takie rozwiązanie pozwala na pewne połączenie elementów podlegających w czasie pracy dużym obciążeniom. Dodatkowe rowki pozycyjne 24 i 25 pozwalają na stworzenie dokładnie spozycjonowanych otworów na wkręty 31, ułatwiając zachowanie właściwego wzajemnego położenia wirnika.

Na fig. 2A przedstawiona została nakładka z widocznym mostkiem usztywniającym 26 wzmacniającym konstrukcję podczas produkcji. Mostek usztywniający jest usuwany przed montażem. Na fig. 2B widoczne jest powiększenie fragmentu nakładki ukazujące sposób połączenia mostka usztywniającego 26 do kieszeni wewnętrznej 21. Widoczne wgłębienie technologiczne 27 pozwala na usunięcie mostka usztywniającego 26 na wysokości szyjki 28 stworzonej przez przewężenie mostka 29. Fig. 2C przedstawiająca inny rzut na nakładkę na łopatę wirnika wiatra kowca ukazuje otwory mocujące 210 pozwalające na połączenie nakładki z łopatą do wirnika wiatrakowca.

Na fig. 3 przedstawiony jest sposób montażu nakładki 20 wraz z łopatą wirnika 10 oraz dwie belki mocujące 30 łączące łopatę z łącznikiem wirnika (nie przedstawiony). 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 elementów łączonych. 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.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (10)

1. Łopata (10) wirnika wiatrakowca o stałym profilu na całej długości, zawierająca wewnętrzne komory odciążające oraz wyważające, o profilu zewnętrznym NACA 9-H-12, znamienna tym, że długość (c) cięciwy profilu wynosi około 220 mm, grubość ścian zewnętrznych komór odciążających (14,15) wynosi 1,8 mm oraz zawiera co najmniej jeden mostek wzmacniający (16) o grubości 1,8 mm łączący ściany zewnętrzne profilu i oddzielający dwie sąsiadujące ze sobą komory odciążające.

2. Łopata według zastrz. 1, znamienna tym, że jest wykonana ze stopu aluminium.

3. Łopata według zastrz. 2, znamienna tym, że stopem aluminium jest stop 6005A T6.

4. Łopata według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienna tym, że długość łopaty wynosi 4,2 m.

5. Nakładka (20) na łopatę wirnika wiatrakowca do łączenia łopaty wirnika z zespołem łącznika wirnika zawierająca kieszeń wewnętrzną (21) odpowiadającą profilowi NACA 9-H-12 oraz dwie płaskie równoległe do siebie powierzchnie zewnętrzne (22, 23), znamienna tym, że profil kieszeni wewnętrznej (21) jest powiększony względem profilu łopaty (10) wirnika o 150 gm, a powierzchnie zewnętrzne (22, 23) zaopatrzone są w dwa rowki pozycyjne (24, 25).

6. Nakładka według zastrz. 5, znamienna tym, że zawiera mostek usztywniający (26) znajdujący się w tylnej części nakładki w kieszeni wewnętrznej (21) we wgłębieniach technologicznych,

PL 231 638 B1 przy czym na obu krańcach mostek usztywniający (26) ma przewężenia (29) umożliwiające jego usunięcie przed montażem zespołu wirnika.

7. Nakładka według zastrz. 6, znamienna tym, że wgłębienia technologiczne (27) umieszczone są w kieszeni wewnętrznej (21) przy krawędzi tylnej po obu stronach nakładki.

8. Nakładka według zastrz. 6, znamienna tym, że przewężenia mostka usztywniającego (29) mają postać ścięcia wykonanego pod kątem 30° zakończonego szyjką o grubości 0,3 mm i wysokości 0,5 mm.

9. Nakładka według któregokolwiek z zastrz. od 5 do 7, znamienna tym, że jest wykonana ze stopu aluminium.

10. Nakładka według zastrz. 8, znamienna tym, że stopem aluminium jest stop 6005A T6.