背景技术
旋翼桨叶是每架直升机的关键部件。旋翼桨叶在飞行过程中经受不断改变的极端复杂的一组空气动力。旋翼桨叶功能为形状适合以提供给定飞行器所需的空气动力拉升的旋转机翼或翼部。旋翼桨叶典型地包括从旋翼桨叶的根部延伸到其梢部的加强杆。加强杆是提供桨叶承载高操作载荷所需的结构强度的旋翼桨叶的主要结构元件。
典型的旋翼桨叶加强杆是长的管状结构，桨叶的剩余部分围绕该管状结构形成。加强杆管具有椭圆截面，其形成以提供向前缘或引导缘和向后缘或曳尾缘。为了提供最优的空气动力性能，多个加强杆管包括关于纵轴稍微扭曲。加强杆中的典型的扭曲提供椭圆截面从旋翼桨叶到其梢部的大至10度或更大的旋转。此外，加强杆截面的椭圆形状可以从加强杆根部到加强杆梢部改变以满足各种空气动力和结构载荷参数。
高强度材料，例如钛和铝合金，典型地用于制造旋翼桨叶。这些高强度金属材料特别良好地适于形成旋翼桨叶加强杆。钛一般形成为相对长的管状的加强杆结构并机加工或者以其他方式制造为提供各种复杂的扭曲和不断改变的横截面形状。
复合材料也用于形成旋翼桨叶加强杆。轻重量和结构强度的组合已经使得复合材料成为不仅制造桨叶加强杆而且制造整个旋翼桨叶的流行选择。示例性复合旋翼桨叶及其制造工艺在美国专利No.4,892,462、5,346,367、5,755,558和5,939,007中描述。
典型的复合加强杆通过施加未固化的复合材料到长圆柱模具或型芯的表面而制造，所述模具或者型芯的形状适合以提供加强杆导管的内表面。在复合材料施加到模具或型芯之后，在高温下压实和固化以提供最终的加强杆结构。与制造复合加强杆相关的问题围绕一旦加强杆已经形成如何处理模具或型芯。模具的长度和加强杆椭圆截面的变化以及加强杆的任何扭矩使得非常难以在加强杆已经被固化后移除模具或型芯。
解决模具/型芯移除问题的一个方法是在复合加强杆的预固化制造过程中使得模具由足够强以维持其形状的材料制成，但是在固化期间所述材料分解或者收缩以使得它能够从加强杆腔中移除，或者简单地留在适当位置。例如，各种泡沫被单独使用或与底下的硬的型芯结构组合以提供适当的加强杆模具。在高温下的固化过程中，泡沫熔融或者收缩到其初始尺寸的几分之一。得到的收缩的模具足够小以使得它能够从加强杆腔中移除或者留在适当位置。
尽管泡沫模具已经成功地用于制造用于旋翼桨叶的复合加强杆，但是往往难以找到具有需要的结构强度以在加强杆形成过程中保持关键的加强杆尺寸同时能够在固化过程中相对快速地瓦解的泡沫或其它材料。此外，模具仅能使用一次，这明显增大加强杆的制造成本。
发明内容
根据本发明，提供一种由复合材料制造旋翼桨叶加强杆的方法和设备，其中多部件型芯用于形成复合加强杆。型芯利用多个部件制成，所述多个部件组装以在复合材料的预固化铺设、压实和固化过程中提供足够强度以保持加强杆形状的结构。在复合材料固化之前或之后用于形成型芯的多个部件能够彼此分离并易于从加强杆移除。型芯部件然后能够重新组装和再次使用以形成其它复合加强杆。
作为本发明的一个特征，多部件型芯被提供用于模制直升机桨叶，其中旋翼桨叶包括加强杆，该加强杆平行于旋翼桨叶的纵轴延伸。形成的加强杆包括形成加强杆腔的内表面，所述加强杆腔同样从桨叶的根部纵向延伸到梢部。加强杆内表面包括由上引导缘部分和下引导缘部分组成的引导缘表面。加强杆内表面进一步包括由上曳尾缘部分和下曳尾缘部分组成的曳尾缘表面。加强杆内表面还包括在引导缘上部分和曳尾缘上部分之间延伸的上表面以及在引导缘下部分和曳尾缘下部分之间延伸的下表面。
型芯是由向前部件制成，所述向前部件包括形状适合以提供加强杆内表面的引导缘表面的外表面。向前部件包括具有外表面的上后缘，所述外表面形状适合以提供加强杆内表面的上引导缘部分。向前部件还包括形状适合以提供加强杆内表面的下引导缘部分的下后缘。型芯还包括形状适合以提供加强杆内表面的曳尾缘表面的向后部件。向后部件包括形状适合以提供加强杆内表面的上曳尾缘的上向前缘。向后部件还包括形状适合以提供加强杆内表面的下曳尾缘部分的下向前缘。
型芯的向前和向后部件通过上部件和下部件连接在一起。上部件形状适合以提供所述加强杆内表面的上表面。上部件包括连接到向前部件的上后缘的向前缘和连接到向后部件的上向前缘的向后缘。下部件形状适合以提供所述加强杆内表面的下表面。下部件包括连接到向前部件的下后缘的向前缘和连接到所述向后部件的下向前缘的向后缘。
型芯的最终部件是辊子组件，该辊子组件用作定位在上部件和下部件之间的支撑结构。辊子组件提供用于上和下部件的加强以及将它们相对向前和向后部件保持就位。作为本发明的一个特征，辊子组件可以通过纵向将其从型芯拉出而移除。一旦辊子组件被移除，型芯的上和下部件能够从向前和向后部件脱开。所述部件然后能够从加强杆腔单个移除。
本发明还包括用于制造多部件型芯的方法，该多部件型芯包括辊子组件支撑结构，并且包括通过利用多部件型芯模制复合旋翼桨叶加强杆的方法以及所形成的旋翼桨叶加强杆。本发明的多部件型芯提供相对于现有方法在制造复合旋翼桨叶方面的多个优点。这些优点包括承受在复合桨叶制造期间施加到型芯的力以为了避免桨叶形状的任何不期望的变形的能力。此外，型芯可以用于形成相对大且复杂的加强杆形状，包括加强杆具有不断变化的扭曲度并且椭圆横截面几何结构变化。另一优点是型芯能够重新组装并重复使用。
上面描述的以及本发明的多个其它特征和伴随的优点将参照下面结合附图的详细描述得以更好的理解。
附图说明
图1是根据本发明的示例性的复合直升机旋翼桨叶的局部透视图，该旋翼桨叶包括能够利用多部件型芯进行制造的加强杆。
图2是根据本发明的优选的示例性多部件型芯的透视分解视图。
图3是位于加强杆腔的根部的示例性辊子组件的部分的肋架的底部透视图。
图4是与图3所示的相同的位于加强杆腔的根部的辊子组件的部分的底部透视图，除了辊子示出为安装到肋架以示出整个辊子组件以及视图已经旋转180度之外。
图5是与图4所示的相同的辊子组件的示例性根部的顶部透视图。
图6是位于加强杆腔的梢部的示例性辊子组件的部分的肋架的顶部透视图。
图7是与如图8所示的相同的位于加强杆腔的梢部的辊子组件的部分的顶部透视图，除了辊子示出为安装到肋架以示出整个辊子组件之外。
图8是与图7所示的相同的辊子组件的示例性梢部的底部透视图。
图9是示出在加强杆腔的根部的示例性型芯的部件的顶部透视分解视图。
图10是在复合加强杆已经形成并且辊子组件移除后型芯分解的侧视图。
具体实施方式
用于由复合材料模制直升机旋翼桨叶的根据本发明的优选的示例性的多部件型芯的各个部件在图2中总的示出为10。可以利用型芯部件10进行模制的示例性直升机旋翼桨叶以简化形式在图1中示出为12。旋翼桨叶12包括平行于旋翼桨叶12的纵轴16延伸的加强杆14。加强杆14典型地从旋翼桨叶的根部(未示出)延伸到梢部18。加强杆14是具有如图1所示的椭圆形状的截面的管状结构。加强杆14包括由型芯部件10形成的多个内表面。这些内加强杆表面限定加强杆腔20。
参照图1，加强杆内表面是由引导缘表面22、曳尾缘表面24、上表面26和下表面28组成。引导缘表面22包括上引导缘部分30和下引导缘部分32。曳尾缘表面24包括上曳尾缘部分34和下曳尾缘部分36。上表面26在上引导缘部分30和上曳尾缘部分34之间延伸。下表面28在下引导缘部分32和下曳尾缘部分36之间延伸。
参照图2和10，型芯10包括具有形状适合以提供加强杆内引导缘表面22的外表面的向前部件38。型芯向前部件38包括具有形状适合以提供加强杆的上引导缘部分30的外表面的上后缘40。型芯向前部件38还包括具有形状适合以提供加强杆的下引导缘部分32的外表面的下后缘42。
型芯10还包括具有外表面的向后部件44，其外表面形状适合以提供加强杆内曳尾缘24。型芯向后部件44包括具有外表面的上向前缘46，其形状适合以提供上曳尾缘部分34。型芯向后部件44还包括具有外表面的下向前缘48，其形状适合以提供下曳尾缘部分36。
型芯10进一步包括具有外表面的上部件50，其外表面形状适合以提供加强杆上内表面26。上部件50包括连接到向前部件38的上后缘40的向前缘52。上部件50还包括连接到向后部件44的上向前缘46的向后缘54。型芯10还包括具有外表面的下部件56，其外表面形状适合以提供加强杆下内表面28。下部件56包括连接到向前部件38的下后缘42的向前缘58。下部件56还包括连接到向后部件44的下向前缘48的向后缘60。
型芯10的最终部件是辊子组件支撑结构，其在图2中示出在62。辊子组件62在型芯10内纵向延伸(也就是，平行于加强杆的纵轴16)。辊子组件62位于型芯腔内以提供给上部件50和下部件56沿着它们的整个长度的支撑。应当注意到，辊子仅在型芯的根部63和梢部65仅以示例性的目示出。根据本发明，要求辊子沿着大致辊子组件62的整个长度呈现以为了允许从型芯移除辊子组件。“大致”是指辊子沿着型芯的整个长度的至少80％(优选90％)呈现。优选地，辊子连续地沿着辊子组件的整个长度以均一间隔间隔开以提供对上和下型芯部件的均一支撑并防止组件和型芯之间的摩擦接触。但是，辊子可以以非线路和非均一构型安置，只要沿着型芯的足够长度定位足够的辊子以充分支撑上和下型芯部件并允许辊子组件从型芯移除而对型芯部件没有不适当的力或损坏。
如从图10可以看出的，上部件50的向前和向后缘52和54形状适合以使得它们分别重叠在向前部件38的上后缘40和向后部件44的上向前缘46的内侧。该重叠安置在上部件50与向前和向后部件38和44之间提供牢固但是可释放的连接。同样地，下部件56的向前和向后缘58和60形状适合以使得它们分别重叠在向前部件38的下后缘42和向后部件44的下向前缘48的内侧。该重叠安置同样在下部件56与向前和向后部件38和44之间通过牢固但是可释放的连接。
辊子组件提供将上、下型芯部件50和56保持就位的支撑结构并提供沿着如上所述的型芯部件重叠的四个位置的挤压连接。这些挤压连接在复合加强杆的制造期间将型芯保持为单一的相对强的结构。通过移除辊子组件62，上、下部件50和56可以向着彼此移动并从向前和向后部件38和44脱开，如图10所示。
辊子组件62的根部63示出在图4和5中。根部63包括肋架结构80，多个上辊子82和下辊子84附着到该肋架结构。肋架结构80在图3中示出为没有辊子以提供对结构中的开口86更好的观察。开口可以是任何期望形状和尺寸的，只要肋架足够强以在模制压实和/或固化期间将辊子支撑就位。开口86不是重要的，可以提供实心的辊子支撑结构或者具有有限数量开口的辊子支撑结构。但是，优选使用最大尺寸和最大数量的开口86以形成尽可能轻的肋架结构，同时提供对辊子必要的结构支撑。
肋架结构80可以由任何强的且优选重量轻的材料制成，其可以被机加工以形成如图3所示类型的辊子支撑结构。尽管任何数量的金属都是适当的，但是优选肋架结构80由准各向同性的短切(chopped)预浸处理的复合材料例如可从Hexcel公司(Dublin，CA)获得的HexMC![]()
制成。HexMC![]()
是可模制且可机加工的碳纤维/环氧树脂复合材料，其特别优良地适于制造强、重量轻和相对复杂的肋架结构。HexMC![]()
和相关的准各向同性短切预浸处理的复合材料描述在公开的美国专利申请US2007-0012858A1和PCT公开的申请W02007/008953中。
上辊子82和下辊子84可以利用任何传统的安置方法安装到肋架80，只要辊子能够自由旋转即可。优选地，安装销或轴88设置在每个辊子的末端。安装销88可以挤压配合或机加工到每个辊子末端中。相应的低摩擦衬套或者辊子轴承定位在肋架80中以为了安装销88而提供。当将碳纤维复合材料例如HexMC![]()
用于肋架80时，仅需设置安装孔90(见图3)。用于安装辊子销88的单独的衬套或轴承并不需要，因为HexMC![]()
类型材料是自润滑的。辊子82和84可以由典型地用于辊子轴承和类似物的任何金属制成，其它适当的辊子材料包括尼龙、玻璃纤维和聚丙烯。
如图9所示，辊子组件62位于上部件50和下部件56之间以使得上辊子82接触和支撑组装好的型芯的上部件50而下辊子84接触和支撑下部件56。辊子的转动轴92优选地大致垂直于旋翼桨叶和加强杆腔的纵轴94(见图4)。术语“大致垂直”是指辊子的转轴92和旋翼桨叶的纵轴94之间的角度是在75和105度之间，优选在85和95度之间。
如图5所示，位于根部63中的上辊子82分为数对向前上辊子96和数对向后上辊子98。优选地，向前上辊子96的转动轴和向后上辊子的转动轴大致共面，如在100所示的，以提供多个共面的上辊子。当上型芯部件相对较平并必须以大致共面的方式支撑时，上辊子的该构型是优选的。术语“大致共面”是指辊子的转轴位于相同平面的正负10度的角度内并优选地在相同平面的正负5度角度内。在根部63中同样优选的是，向前下辊子和向后下辊子具有大致共面的转轴。进一步地，优选共面上辊子的转轴大致平行于共面下辊子的转轴，如图4和5所示。术语“大致平行”是指上和下辊子的转轴彼此以小于10度的角度，优选小于5度的角度发散或会聚。
辊子组件62的梢部65示出在图7和8中。梢部65包括多个上辊子82和下辊子84附着到其上的肋架结构80的外端。图6中肋架结构80的梢部示出为没有辊子以提供对结构中的开口86更好的观察。开口86并不重要。但是，如前面提及的，它们是优选的以为了尽可能减小辊子组件62的重量。示例性辊子组件62的梢部65中的辊子以与根部63相同的方式安装到肋架结构80，除了辊子没有成对安装并且它们的转轴的取向改变以适应加强杆腔的形状的变化和尺寸的减小之外。
如图7所示，位于梢部65中的上辊子82分为数个向前上辊子102和数个向后上辊子104。优选向前上辊子102的转轴和向后上辊子的转轴不是共面的，如在106和108所示的，以提供多个不共面的上辊子。当上型芯部件弯曲并且必须以大致非平面的方式支撑时，上辊子的该构型是优选的。术语“非平面的”是指辊子的转轴至少分开10度，如在110所示的。为了适应在加强杆梢部上的典型的加强杆腔横截面几何形状，优选辊子组件62的梢部65包括具有大致共面的转轴的向前下辊子和向后下辊子，如在图8的112处所示。
位于根部63和梢部65之间的辊子组件的部分中的辊子构型应当随着其从加强杆腔的根部到梢部在在此所示的两种类型的示例性辊子构型中逐渐变化以为了适应型芯的横截面形状的逐渐变化。
图2和9示出在复合材料施加到加强杆之前正在组装的型芯。各个部件，包括中心辊子组件，优选地通过利用适当的带子或收缩缠缚薄膜接合在一起。优选地，薄膜为能压缩力热收缩的带子。优选地，但非必须地，薄膜或带子围绕型芯的整个表面区域缠绕。同样优选提供根部端盖114和梢部端盖116以将其它型芯部件锁定就位。根部端盖114通过利用可拆卸的紧固件120附着到位于肋架的根部末端上的孔118。以相同的方式，梢部端盖116通过利用可拆卸的紧固件(未示出)附着到位于肋架的梢部末端的孔122。
图10示出在去除了辊子组件62并且复合材料刚好被压实和/或固化之后位于复合加强杆14内的型芯部件的局部横截面视图。如图9所示，辊子组件62通过将其如箭头126所示地纵向拉出型芯而被移除。一旦辊子组件已经被移除，上和下部件50和56向着彼此向内移动，如箭头74所示的，以使得它们能够从加强杆腔20在箭头126的方向移除。向前和向后部件38和44同样向着彼此向内移动，如箭头76所示，以使得它们同样能够从加强杆腔20以与其它部件相同的方向而被移除。
型芯10可从加强杆腔20移除，如上所述的，要么是在未固化的加强杆复合材料围绕型芯压实之后，要么是在压实的复合加强杆已经固化之后。优选在固化之前移除型芯以使得其能够被重复使用的次数最大并允许真空包被插入和替换，如果有必要的话。型芯应当能够经得起在模制直升机旋翼桨叶加强杆的正常程序过程中存在的压力。典型地，型芯应当能够经得起在10至15英寸汞柱或更高等级的外压力。型芯还应当能够经得起用于制造加强杆的复合材料被固化时的温度。典型地，这样的复合物在120℃至200℃范围内或者甚至更高的温度下固化。
用于制造型芯10的四个外部件的材料同样可以是典型地用于制造用于模制复合材料的型芯的任何金属。但是，如同对于辊子组件的情形，复合材料被优选用于制造外型芯部件，该外型芯部件在旋翼桨叶制造过程中实际上接触加强杆。型芯的外表面或者收缩包(如果使用的话)可以涂覆有适当的脱模剂，如果期望的话。
可以用于制造外型芯部件的复合材料包括包含玻璃或碳纤维的材料。所述纤维可以是编织织物、单向纤维或者随机取向纤维的形式的。各种适用于相对高的温度的模制操作的热塑树脂的任何一种可以用作基质(matrix)材料。示例性树脂包括环氧树脂、酚醛塑料、双性亚胺树脂(bismaleimides)和聚酯。优选的型芯材料是优选用于制造肋架结构的环氧树脂基质中的单向纤维的随机取向片构成的相同的准各向同性复合材料。如前面提及的，这种类型的型芯材料可以从Hexcel公司(Dublin，CA)的商品HexMC![]()
获得。用于制造型芯材料的替代的优选材料是碳织物/环氧预浸处理的，例如HEXCEL8552，其也能够从Hexcel公司(Dublin，CA)获得。这两种材料作为未固化的预浸处理物供应，其能够根据用于制造和固化环氧基的复合结构的传统方法形成为期望的型芯部件并固化。
作为一个例子，本发明的型芯可以用于模制直升机旋翼桨叶的加强杆的模具，其中加强杆是用于大直升机的20至35英尺级别的长度或者甚至更长。加强杆在桨叶根部的引导缘和曳尾缘之间的距离是在几英寸到两英尺或更大的范围。该距离在桨叶梢部逐渐变小至几英寸到一英尺或更大。加强杆在桨叶根部的厚度是从一英寸到一英尺或更大的范围，并且在桨叶梢部逐渐变小到小于一英寸或者直到几英寸。加强杆具有从加强杆的根部到其梢部关于其纵轴在10度数量级的扭曲。型芯的各个外件(向前部件、向后部件、上部件和下部件)制造得匹配加强杆的内形状。它们制造为四个单独的部件，每个20英尺到35英尺长。每个部件是由足够多层的Hexcel 8552碳/环氧的预浸处理物或HexMC![]()
制成以制造从0.01英寸厚到0.5英寸厚或更厚的部件，其取决于型芯的尺寸。所述部件根据传统的固化程序进行固化。
在此描述的示例性型芯适于形成大约33英尺长的直升机旋翼桨叶的加强杆。在根部末端的加强杆腔为大约2英尺宽并具有大约7英寸的最大厚度。在梢部末端的加强杆腔是大约3英尺宽并具有大约0.9英寸的最大厚度。在辊子组件的根部末端的辊子直径大约为1英寸，长度大约14英寸。在辊子组件的梢部末端的辊子直径大约1/2英寸，长度大约6英寸。
辊子组件定位在型芯腔内以使得上和下辊子抵靠着型芯的上和下部件在型芯的整个长度上施加适当的支撑力。单个辊子之间的纵向距离选取为提供给上和下部件需要的支撑。辊子之间的纵向距离可以从根部到梢部变化。例如，优选配置上和下辊子为更靠近型芯的根部的对以为了在加强杆具有最大横截面积的地方提供增加的支撑。上辊子一起成对和下辊子一起成对，如图4和5所示，提供在型芯的根部末端处足够的支撑，同时允许上辊子对和下辊子对之间的空间最大化，这相应地有助于减小整个型芯的重量。在型芯的梢部，在需要被支撑的横截面积最小的地方，优选上辊子和下辊子不成对。相反，辊子在单个上和下辊子之间纵向交替。
这样，已经描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应当注意到，所公开的内容仅仅是示例性的，可以在本发明的范围内进行各种其它替代、适配和修改。相应地，本发明并不限于上述实施例，而是仅由权利要求进行限定。