RETENCIÓN PARA PALA DE HÉLICE.

Un conjunto de pala de hélice que comprende un cubo central (1) con una pluralidad de rebajes (5) y una pluralidad de palas (3) de hélice de construcción de material compuesto que tienen un extremo asegurado en unas cavidades de retención (40) de unos respectivos elementos de raíz metálicos (41) montados dentro de los rebajes (5) del cubo,

teniendo al menos el extremo interior de cada pala una sección transversal no circular que comprende dos haces (31, 32) de fibras en lados opuestos de la pala y separados entre sí por una zona central (33), teniendo las cavidades de retención del elemento de raíz (41) una sección no circular y en disminución desde una sección transversal relativamente grande en su extremo interior hasta una sección transversal relativamente pequeña en su extremo exterior adyacente a la superficie del elemento de raíz (41), estando los dos haces de fibras abocardados hacia fuera entre sí en la cavidad (40) y estando separado cada uno en al menos dos capas, incluyendo adicionalmente el conjunto un elemento de inserto (37) con una sección no circular situado en cada cavidad (40) entre los dos haces (31, 32) de fibras en la zona central, y un elemento de cuña (55, 56, 57), no circular y en disminución, insertado entre cada capa de cada haz (31, 32) de manera que el extremo interior de cada pala (3) se expande hacia fuera por los lados opuestos del elemento de inserto (37) para llenar la cavidad (40) y proporcionar una retención mecánica contra la retirada de las palas (3) en una dirección hacia el exterior, caracterizado porque al menos un tapón (60) está encajado por el interior del extremo de una respectiva pala (3) de hélice dentro de la cavidad (40) de un respectivo elemento de raíz (41) y asegurado dentro de dicho elemento de raíz (41)

La presente invención se refiere a disposiciones y procedimientos para retener en un cubo el extremo interior de palas de hélice de material compuesto.

La invención está más particularmente, pero no exclusivamente, dirigida a disposiciones de montaje para palas de hélice de aeronave que tengan una construcción de material compuesto.

Las hélices de aeronave comprenden dos o más palas montadas por su extremo interior en un cubo fijado al eje de un motor. Las hélices que tienen un paso variable son dispuestas de manera que su paso pueda ser ajustado durante el funcionamiento, o pueda ser ajustado cuando están estacionarias en tierra. En tales hélices los extremos interiores o de raíz de sus palas tienen una sección transversal circular de manera que puedan ser sujetadas (en el caso de un paso ajustable en tierra) o retenidas en el cubo en cojinetes circulares de elementos rodantes (en el caso de hélices de paso variable) para permitir que el paso de las palas pueda ser cambiado. Las hélices de paso variable para aeronave se usan para ajustar la potencia que absorbe la hélice del motor de accionamiento mediante la modificación del paso de las palas, y algunas también pueden ser puestas en “bandolera” para producir poco, o ningún, empuje y un bajo arrastre, o para producir un empuje inverso para su uso en tierra, y su uso data casi desde el origen del vuelo propulsado. Las palas de hélice se han fabricado en diversos materiales, pero todas las raíces de palas de paso variable tienen un extremo de la raíz metálico que interconecta con el cojinete de retención. La raíz metálica de la pala es o bien integral con el perfil aerodinámico de la pala si este es metálico, o bien está fijada al perfil aerodinámico de la pala si este no es metálico. El extremo de la raíz metálico de sección transversal circular también puede proporcionar una característica de sellado dinámico circular para contener cualquier fluido lubricante dentro del cubo a medida que el paso de la pala cambia.

La sección transversal de las palas de hélice de aeronave invencionales de material compuesto, y de las palas de metal macizo de las hélices de paso variable, cambia gradualmente desde una forma de perfil aerodinámico hasta una sección transversal circular, o casi circular, a medida que la pala alcanza la raíz de la pala. Esto es denominado zona de transición de la pala, y es necesaria por razones estructurales. Tiene el efecto de aumentar el arrastre aerodinámico del extremo interior de la pala, lo que es a veces parcialmente mitigado mediante el moldeo, u otra manera de sujeción de un carenado no estructural alrededor de la estructura.

Además de producir y reactuar las cargas de empuje de la hélice, las palas de hélice están sometidas a grandes cargas centrífugas debido a su rotación. También están expuestas a cargas de vibración de alta frecuencia, conocidas como cargas “1P”, producidas tanto por las variaciones de par del motor, especialmente si es un motor alternativo de pistones de mando directo, como por los efectos aerodinámicos asociados con el flujo de aire que entra en el plano de rotación de la hélice con un ángulo desviado del eje de rotación. Las palas tienen que soportar estas cargas en un amplísimo rango de temperatura ambiental experimentado en tierra y en vuelo. El desprendimiento de una pala de hélice de la hélice durante el funcionamiento es una ocurrencia peligrosa y potencialmente catastrófica y por consiguiente las palas y el cubo de la hélice están clasificados como “partes críticas” en una aeronave. Por lo tanto, cuando el perfil aerodinámico de una pala de hélice es fabricado con un material diferente al metal usado para la raíz de la pala, la fijación entre uno y otra es una característica de diseño crítica llamada a trabajar en un ambiente difícil. Las palas de material compuesto ofrecen una reducción de peso significativa comparadas con las palas de metal, y se conocen muchos medios diferentes para fijar con seguridad la pala de material compuesto al elemento de raíz metálica.

El documento US 3,664,764 da a conocer una pala para una hélice de aeronave que tiene una porción extrema y la porción adyacente a la misma fabricadas con un material de plástico reforzado con fibra.

Es un objeto de la presente invención proporcionar una disposición y un procedimiento alternativos de retención para una pala de hélice.

La presente invención está definida por las características de las reivindicaciones independientes 1 y 8.

Preferiblemente, la sección transversal del extremo interior de las palas y del elemento de inserción es rectangular. Los elementos de cuña están preferiblemente unidos con las capas de fibra por medio de resina curada.

A continuación se describirá un conjunto de palas de material compuesto de una hélice de aeronave de la presente invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 es una vista extrema del conjunto;

La Figura 2 es una vista en alzado lateral, en sección transversal, que muestra el extremo interior de una pala y su retención en el cubo;

La Figura 3 es una vista en sección tomada por la línea III-III de la Figura 2;

La Figura 4 es una vista en sección tomada por la línea IV-IV de la Figura 2; y

La Figura 5 es una vista en sección transversal simplificada del extremo interior de la pala.

En referencia en primer lugar a las Figuras 1 a 4, el conjunto comprende un cubo central 1 que rota sobre su eje 2 y que soporta cuatro palas 3 que se extienden radialmente. La porción de perfil aerodinámico de cada pala es de un material compuesto y el extremo interior de cada pala está asegurado dentro de un elemento de raíz 41 metálico con una forma exterior generalmente cilíndrica. Cada uno de los elementos de raíz 41 está montado en un respectivo rebaje 5 del cubo 1. Podrá observarse que el conjunto podría tener cualquier número de dos o más palas.

Los perfiles aerodinámicos 3 de las palas están fabricados con resina de epoxi reforzada con fibra de carbono y fibra de vidrio con un núcleo central 33 de espuma de poliuretano, que es un procedimiento de construcción bien conocido. Las fibras de refuerzo están dispuestas en unas capas conformadas apropiadamente con el núcleo 33 para preformar la forma del perfil aerodinámico, y pueden estar preimpregnadas con resina, o la fibra puede estar “seca” y la resina ser inyectada dentro de la estructura de la pala en una etapa posterior (moldeo por transferencia de resina, o RTM). Aunque la resina de epoxi es la matriz preferida para el refuerzo con la fibra, pueden usarse otros sistemas de resina. Similarmente, la implementación de esta invención no es exclusiva a la construcción con fibra de vidrio y carbono, sino que pueden usarse otros tipos de fibra, ni depende de la inclusión de un núcleo separado ya sea de espuma o de cualquier otro material.

La forma del perfil aerodinámico de la pala se consigue mediante la colocación de la preforma de fibra/núcleo y la raíz metálica de la pala dentro de un molde con una cavidad con la forma requerida de la pala, y aplicando calor y presión sobre el molde mientras se inyecta resina dentro de la cavidad, en el caso del RTM, o sólo calor y presión en el caso de las fibras preimpregnadas.

La característica estructural principal de la pala 3 es una pareja de largueros 31 y 32 de sección rectangular, comprendiendo cada uno principal o exclusivamente un paquete de varias capas de fibra unidireccional continua (usualmente carbono) y estando el eje de las fibras orientado en paralelo al eje de cambio de paso de la paleta. Los largueros 31 y 32 se extienden a lo largo de lados opuestos del núcleo 33, que tiene una sección transversal rectangular. Los largueros 31 y 32 no necesitan obligatoriamente tener el mismo número de capas o el mismo grosor. El núcleo 33 puede tener cualquier construcción convencional, tal como una espuma o un haz de material compuesto de capas de fibra independientes y pegadas. Los dos largueros 31 y 32 se extienden hasta pasado el extremo interior 34 de la pala 3 de perfil aerodinámico (esto es, la localización a lo largo de la pala a nivel con la superficie externa 35 de la raíz metálica 41 de la pala) como dos paquetes de sección transversal aproximadamente rectangular de fibra unidireccional continua, comprendiendo cada paquete varias capas de fibra.

El núcleo 33 de la pala 3 termina en una parte de la zona... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de pala de hélice que comprende un cubo central (1) con una pluralidad de rebajes (5) y una pluralidad de palas (3) de hélice de construcción de material compuesto que tienen un extremo asegurado en unas cavidades de retención (40) de unos respectivos elementos de raíz metálicos (41) montados dentro de los rebajes

(5) del cubo, teniendo al menos el extremo interior de cada pala una sección transversal no circular que comprende dos haces (31, 32) de fibras en lados opuestos de la pala y separados entre sí por una zona central (33), teniendo las cavidades de retención del elemento de raíz (41) una sección no circular y en disminución desde una sección transversal relativamente grande en su extremo interior hasta una sección transversal relativamente pequeña en su extremo exterior adyacente a la superficie del elemento de raíz (41), estando los dos haces de fibras abocardados hacia fuera entre sí en la cavidad (40) y estando separado cada uno en al menos dos capas, incluyendo adicionalmente el conjunto un elemento de inserto (37) con una sección no circular situado en cada cavidad (40) entre los dos haces (31, 32) de fibras en la zona central, y un elemento de cuña (55, 56, 57), no circular y en disminución, insertado entre cada capa de cada haz (31, 32) de manera que el extremo interior de cada pala (3) se expande hacia fuera por los lados opuestos del elemento de inserto (37) para llenar la cavidad (40) y proporcionar una retención mecánica contra la retirada de las palas (3) en una dirección hacia el exterior, caracterizado porque al menos un tapón (60) está encajado por el interior del extremo de una respectiva pala (3) de hélice dentro de la cavidad (40) de un respectivo elemento de raíz (41) y asegurado dentro de dicho elemento de raíz (41).

2. El conjunto de pala de hélice de la Reivindicación 1, en el cual la sección transversal del extremo interior de las palas (3) y el elemento de inserto (37) es sustancialmente rectangular.

3. El conjunto de pala de hélice de cualquier reivindicación precedente, en el cual los elementos de cuña (55, 56, 57) están ligados con las capas de fibra mediante resina curada.

4. El conjunto de pala de hélice de cualquier reivindicación precedente, en el cual la cavidad (40) tiene una forma que es sustancialmente simétrica con respecto a un plano formado por el centro de los paquetes de largueros que comprenden los respectivos haces (31, 32) de fibras.

5. El conjunto de pala de hélice de cualquier reivindicación precedente, comprendiendo adicionalmente un material

(33) de núcleo de alta densidad provisto entre los haces (31, 32) de fibras.

6. El conjunto de pala de hélice de la Reivindicación 5, en el cual el material (33) de núcleo de alta densidad comprende espuma de poliuretano.

7. El conjunto de pala de hélice de cualquier reivindicación precedente, en el cual proporción H/L entre altura y grosor de la cuña (55, 56, 57) y la proporción S/L entre grosor del haz de fibras (31, 32) y grosor de la cuña está en el rango de aproximadamente dos, o tres, a uno.

8. Un procedimiento para montar un conjunto de pala de hélice, que comprende proporcionar un cubo (1) con una pluralidad de rebajes (5) y una pluralidad de palas (3) de hélice de construcción de material compuesto que tienen un extremo asegurado en unas cavidades de retención (40) en unos respectivos elementos de raíz metálicos (41) montados dentro de los rebajes (5) del cubo, teniendo al menos el extremo interior de cada pala (3) una sección transversal no circular que comprende dos haces (31, 32) de fibras en lados opuestos de la pala (3) y separados entre sí por una zona central, teniendo las cavidades de retención (40) del elemento de raíz una sección no circular y estando en disminución desde una sección transversal relativamente grande en su extremo interior hasta una sección transversal relativamente pequeña en su extremo exterior adyacente a la superficie del elemento de raíz, estando los dos haces (31, 32) de fibras abocardados hacia fuera entre sí en la cavidad (40) y estando separado cada uno en al menos dos capas, incluyendo adicionalmente el conjunto un elemento de inserto (37) con una sección no circular situado en cada cavidad entre los dos haces en la zona central, y un elemento de cuña (55, 56, 57), no circular y en disminución, insertado entre cada capa de cada haz (31, 32) de manera que el extremo interior de cada pala (3) se expande hacia fuera por los lados opuestos del elemento de inserto (37) para llenar la cavidad

(40) y proporcionar una retención mecánica contra la retirada de las palas (3) en una dirección hacia el exterior, y comprendiendo adicionalmente al menos un tapón (60) encajado por el interior del extremo de una respectiva pala

(3) de hélice dentro de la cavidad (40) de un respectivo elemento de raíz (41) y asegurado dentro de dicho elemento de raíz (41).