DE102008036760B4

DE102008036760B4 - Rotorblatt

Info

Publication number: DE102008036760B4
Application number: DE102008036760.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Altmikus Andree; Dr. Grohmann Boris
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: DE102008036760A1

Abstract

Rotorblatt (24) für einen lagerlosen Rotor eines Drehflügelflugzeugs, umfassend, – einen in Blattradiusrichtung (Br) betrachtet inneren Rotorkopf (28); – einen in Blattradiusrichtung (Br) betrachtet an den Rotorkopf (28) anschliessenden schlag-, schwenk- und torsionsweich ausgebildeten Flexbeam (30); – einen in Blattlängsrichtung (Br) betrachtet an den Flexbeam (30) anschliessenden Rotorblatthauptbereich (32) mit einem aerodynamisch wirksamen Rotorblattprofil, und – eine den Rotorkopf (28) und den Flexbeam (30) umhüllende, mit dem Rotorblatthauptbereich (32) in Wirkverbindung stehende Steuertüte (34), dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rotorkopf (28) mit dem ersten Ende (14) und die Steuertüte (34) mit dem zweiten Ende (16) eines Drehaktuators (10) in Wirkverbindung steht, wobei der Drehaktuator (10) umfasst – mindestens eine streifenförmig ausgebildete, reversibel verbiegbare passive Trägerschicht (12), mit einem in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) betrachtet ersten und zweiten Ende (14, 16), – mindestens einen auf die Trägerschicht (12) aufgebrachten aktiven Aktuatorbelag (18), der bei einer Aktivierung definiert in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) expandier- und/oder zusammenziehbar ist, wobei die streifenförmige Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) gekrümmt, eine Krümmung (k) von k < 0 oder k > 0 aufweisend, ausgebildet sind und ein auf das erste Ende (14) gerichteter erster Radiusvektor (20) und ein auf das zweite Ende (16) gerichteter zweiter Radiusvektor (22) einen Drehwinkel φ von mindestens φ ≥ π/2 einschließen, sodass bei Aktivierung des Aktuatorbelags (18) eine definierte Änderung des Drehwinkels φ und damit eine Drehbewegung der beiden Enden (14, 16) zueinander bewirkbar ist, sodass bei einer Aktivierung des Drehaktuators (10) eine Drehbewegung der Steuertüte (34) in Bezug zum Rotorkopf (28) und damit eine Blattwinkelverstellung des Rotorblatts (24) bewirkbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Drehflügelflugzeugs gemäß Patentanspruch 1.
Obwohl der Drehaktuator prinzipiell für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungsbereichen einsetzbar ist, wird nachfolgend lediglich dessen Einsatz als ein Aktuator zur individuellen Blattwinkelverstellung eines Rotors eines Drehflügelflugzeugs näher betrachtet.
Bekanntlich gibt es viele verschiedene Ansätze zur individuellen Blattverstellung eines Rotorblatts eines Drehflügelflugzeugs. So wurde beispielsweise an dem Hubschrauber BO 105 S01 der Fa. Eurocopter im Flug eine hydraulische Blattverstellung oberhalb der Taumelscheibe erprobt. Dabei werden die Stoßstangen durch Hydraulik-Zylinder ersetzt. Bei diesem System ist die hydraulische Leistungsübertragung in das rotierende System sehr aufwendig und das gesamte System sehr schwer.
Alternativ wird derzeit von der Fa. ZF Luftfahrttechnik GmbH eine taumelscheibenlose Rotorsteuerung mit elektrischen Einzelblattaktuatoren vorgeschlagen. Bei diesem Ansatz ist die erreichbare Frequenz bei den erforderlichen Amplituden fraglich.
Ein weiterer Ansatz zur höherharmonischen Rotorblattverstellung ist das Vorsehen einer, insbesondere mittels Piezo-Aktuatoren angetriebenen, Servoklappe am Rotorblatt. Wirkprinzip ist hierbei das aerodynamische Klappenmoment, über das eine Torsionsverformung des Rotorblattes und damit eine Blattverstellung bewirkbar ist.
Eine ähnliche Wirkung kann durch einen trimorphen Biegeaktuator in der Hinterkante des Rotorblattes erzielt werden, vgl. DE 10 2005 061 751 A1 .
DE 10 2004 055 996 A1 offenbart einen Biegeaktuator mit einem Aktuatorantrieb, wobei der Aktuatorantrieb durch einen in einer Richtung gekrümmten flächigen Träger gebildet ist, an dessen einer flachen Seite ein Piezoelement angeordnet ist, das flächig mit der flachen Seite des Trägers verbunden ist, und sich die Länge dieser Seite des Trägers durch Anlegen einer Versorgungsspannung an das Piezoelement relativ zur anderen flachen Seite des Trägers ändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger an der anderen flachen Seite vollflächig oder bereichsweise, insbesondere streifenförmig, gehärtet ist.
US 2004/0017129 A1 offenbart eine elektro-aktive Vorrichtung mit einer elektro-aktiven Struktur, die sich entlang einer Nebenachse um eine Hauptachse krümmt.
US4435667 A offenbart einen piezoelektrischen Drehantrieb mit: einem drehbaren Element. Ein spiralförmiges Element ist an seinem inneren Ende an dem drehbaren Element befestigt und ein oder mehrere piezoelektrische Schichten sind auf einer oder beiden Seiten des Spiralelements angebracht.
DE 695064 50 T2 offenbart einen Hybrid-Verbundmaterial-Flexbalken für eine weiche, inplane, lagerfreie Hauptrotoranordnung.
DE19915085 A1 offenbart ein Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers, wobei das Rotorblatt im Bereich zum Rotorkopf hin und in Rotorblattlängsrichtung einen Flexbeam mit integrierten schlag-, schwenk- und torsionsweichen Bereichen besitzt, der am Rotorkopf befestigt und von einer Steuertüte umhüllt ist, die beabstandet zum Flexbeam in einem Übergangsbereich zwischen Flexbeam und auftrieberzeugenden Blatt endet und Dämpfungselemente angeordnet sind zur Dämpfung der Schwenkbewegung des rotierenden Rotorblattes. Die Dämpfungselemente sind zwischen dem schwenkweichen Bereich (SG) des Flexbeam und dem Übergangsbereich des Rotorblattes (R) angeordnet sind und die Steuertüte ist im Bereich der Blattwurzel des Flexbeam in ihrer Mittellängsachse positionsfixiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt mit einem Drehaktuator zur Verfügung zu stellen, der ein geringes Gewicht aufweist und einen geringen Bauraum beansprucht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Nach der Erfindung umfasst der Drehaktuator mindestens eine streifenförmig ausgebildete, reversibel verbiegbare passive Trägerschicht, mit einem in Trägerschicht-Längsrichtung betrachtet ersten und zweiten Ende sowie mindestens einen auf die passive Trägerschicht aufgebrachten aktiven Aktuatorbelag, der bei einer Aktivierung definiert in Trägerschicht-Längsrichtung expandier- und/oder zusammenziehbar ist. Die streifenförmige Trägerschicht und somit auch der auf die Trägerschicht aufgebrachte Aktuatorbelag sind dabei gekrümmt ausgebildet und weisen eine Krümmung K stets < > 0 auf, d. h. die Krümmung K beträgt stets K < 0 oder K > 0. Die gekrümmte Trägerschicht und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag sind dabei so ausgebildet, dass ein auf das erste Ende gerichteter erster Radiusvektor und ein auf das zweite Ende gerichteter zweiter Radiusvektor einen Drehwinkel φ von mindestens φ ≥ π/2 einschließen. Hierdurch ist bei einer Aktivierung des Aktuatorbelags eine definierte Änderung des Drehwinkels φ und damit eine Drehbewegung der beiden Enden zueinander bewirkbar ist.
In vorteilhafter Weise ist somit ein Drehaktuator zur Verfügung gestellt, der aufgrund der gekrümmten Ausbildung wenig Bauraum beansprucht und zudem einfach skalierbar ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die passive Trägerschicht und der darauf aufgebrachte aktive Aktuatorbelag kreisförmig, d. h. Krümmung K = const., ausgebildet. Der auf das erste Ende gerichtete erste Radiusvektor und der auf das zweite Ende gerichtete zweite Radiusvektor sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und schließen einen Drehwinkel von π/2 ≤ φ < 2π ein. Durch die kreisförmige Ausgestaltung und die Beschränkung des Drehwinkel auf φ < 2π ist in vorteilhafter Weise eine besonders einfache und kompakte Bauform des Drehaktuators gewährleistet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind entsprechend zu der ersten Ausführungsform die passive Trägerschicht und der darauf aufgebrachte aktive Aktuatorbelag wiederum kreisförmig ausgebildet. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform sind jedoch die auf das erste und zweite Ende gerichteten Radiusvektoren in unterschiedlichen Ebenen angeordnet. Die Anordnung der beiden Radiusvektoren in unterschiedlichen Ebenen und die damit verbundene seitlich zueinander versetzte Anordnung des ersten und zweiten Endes der Trägerschicht, hat den Vorteil, dass auch Drehwinkel φ ≥ 2π realisierbar sind, wodurch ein vergrößerter Stellweg des Drehaktuators erzielbar ist.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung sind die passive Trägerschicht und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag spiralförmig, d. h. Krümmung K > 0 oder K < 0, ausgebildet. Die spiralförmige Ausbildung erweist sich als besonders vorteilhaft, da diese Ausführungsform aufgrund der Spiralform auf kleinstem Bauraum Drehwinkel von φ ≥ 2π und somit größtmögliche Drehwinkeländerungen ermöglicht.
Wie bereits ausgeführt, erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die spiralförmig ausgebildete Trägerschicht und der darauf aufgebrachte Aktuartorbelag einen Drehwinkel von φ ≥ 2π, beispielsweise φ ≥ 3π, d. h. mehrere ”Spiralwindungen” aufweist. Vorzugsweise ist dabei in radialer Richtung r betrachtet zwischen den einzelnen Spiralwindungen ein Spalt vorhanden. Durch das Vorsehen des Spaltes zwischen den Spiralwindungen ist in vorteilhafter Weise die Reibung reduziert.
Ist beispielsweise aus bauraumbedingten Gründen obige ”Spaltanordnung” nicht möglich, ist es alternativ auch denkbar, dass die Spiralwindungen in radialer Richtung r betrachtet spaltfrei zueinander angeordnet sind und dass zwischen den jeweils spaltfrei angeordneten Spiralwindungen eine Gleitschicht angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die spiralförmig ausgebildete passive Trägerschicht und der darauf angeordnete Aktuatorbelag aus mehreren, jeweils einen konstanten Radius aufweisenden, Winkelsegmenten zusammengesetzt. Der Aufbau der spiralförmigen Trägerschicht aus mehreren separaten Winkelsegmenten erweist sich als besonders vorteilhaft, da dies eine einfache Herstellung gewährleistet. Dabei nimmt der konstante Radius der Einzelsegmente von innen nach außen zu. Die max. denkbare Segmentlänge liegt unter der natürlichen Grenze des Vollkreises φ < 2π; diese kann aber entlang des Aktuators auch variabel ausgebildet sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die spiralförmig ausgebildete passive Trägerschicht und der darauf angeordnete Aktuatorbelag als ein mehrere Segmente aufweisender Polygonzug ausgebildet, wobei zwischen den einzelnen Segmenten des Polygonzugs jeweils ein passives, möglichst kurzes Winkelsegment angeordnet ist, welches die geraden Segmente miteinander verbindet und für die erforderliche Aufwicklung des Polygonzuges sorgt. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache, kostengünstige Herstellung.
Je nach gewünschter Ausgestaltung der Spiralform können die Segmente des Polygonzugs dabei gleiche oder auch eine variierende Länge aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf beiden Seiten der Trägerschicht ein Aktuatorbelag aufgebracht. Das beidseitige Aufbringen eines Aktuatorbelags auf die passive Trägerschicht erweist sich als besonders vorteilhaft, da hiermit eine Bewegung des Drehaktuators in zwei Wirkrichtungen ermöglicht ist.
Vorzugsweise ist auf den Aktuatorbelag eine weitere äußere passiven Schicht aufgebracht, bzw. wenn auf beiden Seiten der passive Trägerschicht jeweils ein Aktuatorbelag aufgebracht ist, sind beide Aktuatorbeläge jeweils mit einer weiteren äußeren passiven Schicht versehen. Dies erweist sich als vorteilhaft, da hierdurch ein Schutz vor Umwelteinflüssen gewährleistet ist und, im Falle einer Ausbildung des Aktuarbelags mit Piezokeramik, die erforderliche Vorspannung erzielbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Trägerschicht und/oder der Aktuatorbelag und/oder die äußere passive Schicht mit zunehmendem Drehwinkel, d. h. beispielsweise bei der spiralförmigen Ausbildung nach außen also zu größeren Radien hin, eine abnehmende Dicke auf. Die Ausbildung mit einer abnehmenden Dicke erweist sich als besonders vorteilhaft, da hierdurch der Drehaktuator eine größere Steifigkeit aufweist.
Neben der Schichtdicke liegt ein weiteres Merkmal zur Einstellung der Grundsteifigkeit des Drehaktuators in seiner Breite. Aktives und passives Material können dabei unterschiedlich breit sein. In der Regel wird der aktive Teil schmaler als der passive Träger sein.
Vorzugsweise weist der Aktuatorbelag mehrere separate Aktuatorelemente auf, die in Trägerschicht-Längsrichtung betrachtet in Reihe hintereinander auf der Trägerschicht angeordnet sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Trägerschicht mindestens zwei nebeneinander liegende Spalten von in Trägerschicht-Längsrichtung betrachtet in Reihe hintereinander angeordnete, separate Aktuatorelemente auf. Die spaltenweise Anordnung der Aktuatorelemente erweist sich als besonders vorteilhaft, da dies eine redundante Auslegung/Anordnung der Aktuatoren ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Aktuatorelemente aus einem elektroaktiven Material, einem magnetostriktiven Material oder einem pneumatisch ansteuerbaren Material oder einem hydraulisch ansteuerbaren Material ausgebildet. Insbesondere die Ausbildung der Aktuatorelemente aus einem elektroaktiven Material, wie z. B. Piezokeramik oder dergleichen, erweist sich als besonders vorteilhaft, da diese bei geringem Gewicht und geringem Bauraumbedarf eine hohe Stellgeschwindigkeit und Frequenzbandbreite aufweisen. Bei jedem Aktuatortyp ist dabei eine entsprechende feste Anbindung an die passive Trägerschicht sicherzustellen, so dass eine optimale Schubübertragung zwischen den Aktuatoren bzw. dem Aktuatorbelag und der Trägerschicht gewährleistet ist.
Das verstellbare Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Drehflügelflugzeugs gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst in bekannter Art und Weise einen in Blattradiusrichtung betrachteten inneren Rotorkopf, einen in Blattradiusrichtung betrachtet an den Rotorkopf anschließenden schlag-, schwenk- und torsionsweich ausgebildeten Flexbeam, einen in Blattradiusrichtung betrachtet an den Flexbeam anschließenden Rotorblatthauptbereich mit einem aerodynamisch wirksamen Rotorblattprofil, sowie eine den Rotorkopf und den Flexbeam umhüllende, mit dem Rotorblatthauptbereich in Wirkverbindung stehende Steuertüte.
Erfindungsgemäß steht der innere Rotorkopf mit dem ersten Ende und die Steuertüte mit dem zweiten Ende eines Drehaktuators in Wirkverbindung, so dass bei einer Aktivierung des Drehaktuators eine Drehbewegung der Steuertüte in Bezug zum Rotorkopf und damit eine Blattwinkelverstellung des Rotorblatts bewirkbar ist. Auf einfache Art und Weise ist hiermit ein Rotorblatt zur Verfügung gestellt, welches den vorhandenen Bauraum in existierenden Rotorkopf/Blattausführungen ausnutzt und zudem sehr gut skalierbar im Hinblick auf die erforderlichen Steuerwege ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist in Blattradiusrichtung betrachtet parallel zu dem ersten Drehaktuator mindestens ein weiterer Drehaktuator angeordnet, wobei die beiden Enden des bzw. der weiteren Drehaktuatoren in Bezug zu den beiden Enden des ersten Drehaktuators versetzt am Rotorkopf bzw. Steuertüte angeordnet sind. Neben der durch die Verwendung eines weiteren Drehaktuators vorliegenden Redundanz, erweist sich die versetzte Anordnung der Kraftangriffspunkte als besonders vorteilhaft, da hiermit eine symmetrische Lasteinleitung gewährleistet ist. Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Anordnung in Spieler-Gegenspieler-Konfiguration bei entgegengesetzt arbeitenden Aktuatoren. Diese Anordnung bietet den Vorzug der gegenseitigen Verspannung und somit definierter Haltekraft in die Wirkrichtungen. Außerdem kann auf diese Weise der Aktuator in einen vorteilhaften mechanischen Spannungszustand versetzt werden, beispielsweise um im Betrieb Zugspannungen im piezokeramischen Material zu vermeiden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, in der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
1 eine isometrische Darstellung eines Drehaktuators;
2 ein verstellbares Rotorblatt mit einem Drehaktuator gemäß einer ersten Ausführungsform zur Blattwinkelverstellung;
3 das verstellbare Rotorblatt aus 2 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie A-A;
4 das verstellbare Rotorblatt aus 2 mit zwei Drehaktuatoren gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 das Rotorblatt aus 4 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B;
6 eine weitere Ausgestaltung des Drehaktuators;
7 der Drehaktuator in einer weiteren Ausgestaltung;
8 eine vergrößerte Darstellung von Einzelheit E aus 5 zur Darstellung des schichtweisen Aufbaus des Drehaktuators;
9 einen weiteren Schichtaufbau des Drehaktuators;
10 den Dickenverlauf der einzelnen Schichten des Drehaktuators;
11 eine vergrößerte Detailansicht des Aktuatorbelags des Drehaktuators, und
12 eine andere Anordnung der Aktuatoren aus 11.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren werden zur Vermeidung von Wiederholungen gleiche Komponenten auch mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, sofern keine weitere Differenzierung erforderlich oder sinnvoll ist.
1 zeigt in isometrischer Darstellung einen schematisch dargestellten, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Drehaktuator.
Der Drehaktuator 10 umfasst im wesentlichen eine streifenförmig ausgebildete, reversibel verformbare passive Trägerschicht 12 mit einem in Trägerschicht-Längsrichtung T_L betrachtet ersten Ende 14 und einem zweiten Ende 16. Auf die Trägerschicht 12 ist ein aktiver Aktuatorbelag 18 aufgebracht, der bei einer Aktivierung definiert in Trägerschicht-Längsrichtung T_L expandier- und/oder zusammenziehbar ist.
Wie 1 weiter zu entnehmen ist, ist die Trägerschicht 12 und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag 18 gekrümmt ausgebildet und ein auf das erste Ende 14 ausgerichteter erster Radiusvektor 20 und ein auf das zweite Ende 16 ausgerichteter zweiter Radiusvektor 22 schließen einen Drehwinkel von mindestens φ ≥ π/2 ein. Durch die gekrümmte Ausbildung in Verbindung mit dem gewählten Drehwinkel φ ≥ π/2 ist bei einer Aktivierung des Aktuatorbelags 18 eine definierte Änderung des Drehwinkels φ und damit eine Drehbewegung der beiden Enden 14, 16 zueinander bewirkbar. Wird der Lagenaufbau des Drehaktuators 10 im Fertigungsprozess als geradlinige Geometrie hergestellt und erst bei Einbau des Aktuators 10 gekrümmt, so kann ein vorteilhafter mechanischer Spannungszustand insbesondere in den Aktuatorbelags-Schichten hergestellt werden, beispielsweise um Zugspannungen in piezokeramischem Material unter Betriebslasten zu vermeiden.
In 2 ist ein mögliches Einsatzspektrum des erfindungsgemäßen Drehaktuators 10, nämlich als ein Aktuator zur Blattwinkelverstellung eines Rotorblatts 24 dargestellt.
In bekannter Art und Weise umfasst das Rotorblatt 24 einen mit einem Rotormast 26 in Wirkverbindung stehenden inneren Rotorkopf 28, einen in Blattradiusrichtung B_r betrachtet an den inneren Rotorkopf 28 anschließenden schlag-, schwenk- und torsionsweich ausgebildeten Flexbeam 30, einen in Blattradiusrichtung B_r betrachtet an den Flexbeam 30 anschließenden Rotorblatthauptbereich 32 mit einem aerodynamisch wirksamen Rotorblattprofil, sowie eine den Rotorkopf 28 und den Flexbeam 30 umhüllende, mit dem Rotorblatthauptbereich 32 in Wirkverbindung stehende Steuertüte 34. Der erfindungsgemäße Drehaktuator 10 ist innerhalb der Steuertüte 34 angeordnet, wobei das erste Ende 14 des Drehaktuators 10 fest mit dem inneren Rotorkopf 28 und das zweite Ende 16 des Drehaktuators 10 fest mit der Steuertüte 34 verbunden ist, sodass bei einer Aktivierung des Drehaktuators 10 ein Drehbewegung der Steuertüte 34 in Bezug zum Rotorkopf 28 und damit eine Blattwinkelverstellung des Rotorblatthauptbereichs 32 bewirkbar ist.
Wie 2 und 3 weiter zu entnehmen ist, weist der Drehaktuator 10 eine konstante Krümmung K auf, d. h. der Drehaktuator 10 ist vorliegend kreisförmig ausgebildet. Weiterhin sind das erste Ende 14 und das zweite Ende 16 verschränkt zueinander bzw. seitlich versetzt zueinander angeordnet, d. h. die gedachten, auf das erste und zweite Ende 14, 16 gerichteten Radiusvektoren sind in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet.
Durch die verschränkte Anordnung des ersten und zweiten Endes 14, 16 des Drehaktuators sind in vorteilhafter Weise auch Aktuatorlängen ≥ 2π ermöglicht.
Aufgrund der kompakten Bauweise des Drehaktuators 10 ist es auch möglich innerhalb der Steuertüte mehrere parallel zu einander angeordnete Drehaktuatoren 10 vorzusehen, vgl. 4. Neben der hierdurch bedingten Redundanz der Systemeinheit Aktuator ist zudem durch die Wahl einer entsprechenden Anzahl eine rotationssymmetrische Lasteinleitung am Rotorkopf 28 bzw. Steuertüte 30 ermöglicht Wie insbesondere 5 zu entnehmen ist, weisen die in 4 dargestellten Drehaktuatoren 10 einen in Bezug zu 2 und 3 anderen Aufbau auf:
Im Gegensatz zu der kreisförmigen Ausgestaltung gemäß 2 und 3 sind vorliegende, streifenförmig ausgebildete, reversibel verformbare passive Trägerschicht 12 und der darauf aufgebrachte aktive Aktuatorbelag 18 spiralförmig, einen Drehwinkel von φ = 3π aufweisend ausgebildet. Aufgrund des Drehwinkels φ = 3π weist die spiralförmig ausgebildete passive Trägerschicht 12 und der darauf aufgebrachte aktive Aktuatorbelag 18 zwei Spiralwindungen auf. Um bei einer Aktivierung des Drehaktuators 10 eine Reibung zwischen den Windungen zu vermeiden, ist vorliegend die Spiralform so ausgebildet, dass in radiale Richtung r betrachtet zwischen den Windungen ein Spalt 36 ausgebildet ist.
In 6 und 7 sind weitere denkbare Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehaktuators 10 dargestellt.
Kennzeichnend für die in 6 gezeigte Ausführungsform ist, dass die Spirale aus sechs Winkelsegmenten 38_a–f, die jeweils einen konstanten Radius r_a–f aufweisen, zusammengesetzt ist. Die Winkelsegmentlänge der einzelnen Segmente 38_a–f beträgt dabei π/2.
Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform ist die Spirale als ein mehrere Segmente 40 aufweisender Polygonzug ausgebildet. Zwischen den einzelnen Segmenten 40 ist jeweils ein Winkelglied 42 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 7 lediglich ein Winkelglied mit dem Bezugszeichen 42 versehen. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform weisen die Segmente 40 des Polygonzugs eine variierende Länge l auf. Denkbar ist jedoch auch, dass die Segmente eine gleiche Länge l aufweisen.
In 8 bis 10 ist der Schichtaufbau des Drehaktuators in größerer Einzelheit in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt. Entsprechend der in 8 dargestellten Ausführungsform ist die passive Trägerschicht 12 beidseitig mit einem aktiven Aktuatorbelag 18 versehen. Die Trägerschicht 12 und die beiden Aktuatorbeläge 18 weisen jeweils eine konstante Dicke d₁, d₂, auf. Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform ist auf die beiden Aktuatorbeläge 18 jeweils eine weitere äußere passive Schicht 44 aufgebracht. Der Dickenverlauf der einzelnen Schichten 12, 18 und 44 ist dabei wiederum konstant, d. h. die Dicke der Trägerschicht 12 beträgt konstant d₁, die Dicke des Aktuatorbelags 18 ist jeweils konstant d₂ und die Dicke der äußeren passiven Schichten 44 beträgt konstant d₃. Denkbar ist aber auch, dass die Schichten 12, 18, 44 eine variierende Dicke aufweisen, vgl. 10.
Wie 11 und 12 zu entnehmen ist, weist der Aktuatorbelag 18 mehrere separate Aktuartorelement 46 auf. Gemäß der in 11 gezeigten Ausführungsform sind die separaten Aktuatorelemente 46 in Trägerschicht-Längsrichtung T_L betrachtet in Reihe hintereinander angeordnet. Die in 12 dargestellte Ausführungsform weist drei nebeneinanderliegende Spalten von in Trägerschicht-Längsrichtung T_L betrachtet in Reihe hintereinander angeordnete Aktuatorelemente 46 auf. Die mehrspaltige Anordnung der Aktuatorelemente 46 erweist sich als besonders vorteilhaft, da hierdurch eine getrennte Ansteuerung der Aktuatorelemente 46 und damit eine Redundanz gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

10, 10': Drehaktuator
12: Trägerschicht
14: erstes Ende
16: zweites Ende
18: Aktuatorbelag
20: erster Radiusvektor
22: zweiter Radiusvektor
24: Rotorblatt
26: Rotormast
28: innerer Rotorkopf
30: Flexbeam
32: Rotorblatthauptbereich
34: Steuertüte
36: Spalt
38_a–f: Winkelsegment
40: Segmente des Polygonzugs
42: Winkelglied
44: passive Schicht
46: Aktuatorelemente
T_L: Trägerschicht-Längsrichtung Drehwinkel
d₁: Dicke der Trägerschicht
d₂: Dicke der Aktuatorbelags
d₃: Dicke der äußeren passiven Schicht
B_r: Blattradiusrichtung
r_a–f: Radien der Winkelsegmente Segmentlänge

Claims

Rotorblatt (24) für einen lagerlosen Rotor eines Drehflügelflugzeugs, umfassend, – einen in Blattradiusrichtung (Br) betrachtet inneren Rotorkopf (28); – einen in Blattradiusrichtung (Br) betrachtet an den Rotorkopf (28) anschliessenden schlag-, schwenk- und torsionsweich ausgebildeten Flexbeam (30); – einen in Blattlängsrichtung (Br) betrachtet an den Flexbeam (30) anschliessenden Rotorblatthauptbereich (32) mit einem aerodynamisch wirksamen Rotorblattprofil, und – eine den Rotorkopf (28) und den Flexbeam (30) umhüllende, mit dem Rotorblatthauptbereich (32) in Wirkverbindung stehende Steuertüte (34), dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rotorkopf (28) mit dem ersten Ende (14) und die Steuertüte (34) mit dem zweiten Ende (16) eines Drehaktuators (10) in Wirkverbindung steht, wobei der Drehaktuator (10) umfasst – mindestens eine streifenförmig ausgebildete, reversibel verbiegbare passive Trägerschicht (12), mit einem in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) betrachtet ersten und zweiten Ende (14, 16), – mindestens einen auf die Trägerschicht (12) aufgebrachten aktiven Aktuatorbelag (18), der bei einer Aktivierung definiert in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) expandier- und/oder zusammenziehbar ist, wobei die streifenförmige Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) gekrümmt, eine Krümmung (k) von k < 0 oder k > 0 aufweisend, ausgebildet sind und ein auf das erste Ende (14) gerichteter erster Radiusvektor (20) und ein auf das zweite Ende (16) gerichteter zweiter Radiusvektor (22) einen Drehwinkel φ von mindestens φ ≥ π/2 einschließen, sodass bei Aktivierung des Aktuatorbelags (18) eine definierte Änderung des Drehwinkels φ und damit eine Drehbewegung der beiden Enden (14, 16) zueinander bewirkbar ist, sodass bei einer Aktivierung des Drehaktuators (10) eine Drehbewegung der Steuertüte (34) in Bezug zum Rotorkopf (28) und damit eine Blattwinkelverstellung des Rotorblatts (24) bewirkbar ist.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die beiden Radiusvektoren (20, 22) in einer Ebene angeordnet sind und einen Drehwinkel φ von π/2φ ≤ φ ≤ 2π einschließen.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die beiden Radiusvektoren (20, 22) in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) spiralförmig ausgebildet sind.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmig ausgebildete Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) mehrere Windungen aufweist und dass in radiale Richtung (r) betrachtet zwischen den einzelnen Windungen ein Spalt (36) ausgebildet ist.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmig ausgebildete Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) mehrere Windungen aufweist und dass in radiale Richtung (r) betrachtet die einzelnen Windungen spaltfrei zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den spaltfrei zueinander angeordneten Windungen eine Gleitschicht angeordnet ist.
Rotorblatt (24) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmig ausgebildete Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) aus mehreren, jeweils einen konstanten Radius (ra–f) aufweisende Winkelsegmenten (38a–f) zusammen gesetzt ist.
Rotorblatt (24) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmig ausgebildete Trägerschicht (12) und der darauf aufgebrachte Aktuatorbelag (18) als ein mehrere Segmente (40) aufweisender Polygonzug ausgebildet ist, wobei zwischen zwei einander angrenzenden Segmenten (40) des Polygonzugs jeweils ein Winkelglied (42) angeordnet ist.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (40) des Polygonzugs eine gleiche oder eine variierende Länge (l) aufweisen.
Rotorblatt (24) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Aktuatorbelag (18) eine äußere passive Schicht (44) aufgebracht ist.
Rotorblatt (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Trägerschicht (12) ein Aktuatorbelag (18) aufgebracht ist.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die beiden Aktuatorbeläge (18) jeweils eine äußere passive Schicht (44) aufgebracht ist.
Rotorblatt (24) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (12) und/oder der Aktuatorbelag (18) und/oder die passive Schicht (44) mit zunehmenden Drehwinkel (φ) eine abnehmende Dicke aufweisen.
Rotorblatt (24) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorbelag (18) mehrere separate Aktuatorelemente (46) aufweist, die in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) betrachtet in Reihe hintereinander auf der Trägerschicht (12) angeordnet sind.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (12) mindestens zwei nebeneinanderliegende Spalten von in Trägerschicht-Längsrichtung (TL) betrachtet in Reihe hintereinander angeordnete Aktuatorelemente (46) aufweist.
Rotorblatt (24) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorelemente (46) aus einem elektroaktiven Material oder einem magnetostriktiven Material oder einem pneumatisch ansteuerbaren Material oder einem hydraulisch ansteuerbaren Material ausgebildet sind.
Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Blattradiusrichtung (Br) betrachtet parallel zu dem ersten Drehaktuator (10) mindestens ein weiterer Drehaktuator (10') angeordnet ist, wobei die beiden Enden des/der weiteren Drehaktuators (10') in Bezug zu den beiden Enden des ersten Drehaktuators (10) versetzt am Rotorkopf (28) und der Steuertüte (34) angeordnet sind.