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TPP-SPLITTING
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Flugbahn von an einem Rotorkopf um ihre Längsachsen drehbar angeordneten Rotorblättern eines Hubschrauberrotors, auf die über eine zyklisch und kollektiv verstellbare Taumelscheibenanordnung Steuersignale zur Flugsteuerung des Hubschraubers durch Einstellen von Rotorblatt-Einstellwinkeln von dem stehenden System des Hubschraubers in das drehende System des Hubschrauberrotors übertragbar sind. Die Erfindung betrifft auch einen Hubschrauber hierzu.
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Stand der Technik
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Hubschrauber weisen systembedingt oberhalb ihres Rumpfes einen Rotor auf, der aus mehreren an einem Rotorkopf angeordneten Rotorblättern besteht. Durch ein Antriebsaggregat wird der Rotor in eine Drehbewegung versetzt, so dass die einzelnen Rotorblätter, ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeuges, einen Auftrieb erzeugen, der es dem Hubschrauber ermöglicht, vertikal starten und landen zu können.
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Die einzelnen Rotorblätter sind dabei in ihrer Längsachse drehbar an dem Rotorkopf angeordnet. Durch das Einstellen eines entsprechenden Einstellwinkels an einem Rotorblatt lässt sich so der von dem Rotorblatt erzeugte Auftrieb variieren, wodurch letztendlich der Hubschrauber im Flug gesteuert werden kann.
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Die Ansteuerung der einzelnen Rotorblätter zur Einstellung eines entsprechenden Einstellwinkels erfolgt dabei üblicherweise über eine unter dem Rotorkopf angeordnete Taumelscheibe bzw. Taumelscheibenanordnung, die sowohl mit dem stehenden bzw. nicht-drehenden System des Hubschraubers als auch mit dem drehenden System des Rotors verbunden ist. Unterhalb der Taumelscheibenanordnung, d.h. im stehenden bzw. nicht-drehenden Hubschraubersystem, ist die Taumelscheibe mit entsprechenden Aktuatoren verbunden, so dass die Taumelscheibe entlang des Rotormastes verschoben oder relativ dazu gekippt werden kann. Im drehenden System ist die Taumelscheibe über Steuerstangen mit den jeweiligen Rotorblättern derart verbunden, dass eine Verschiebung oder ein Kippen der Taumelscheibe im stehenden System zu einer Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter im drehenden System erfolgt. Somit lassen sich Steuersignale zur Flugsteuerung des Hubschraubers von dem stehenden bzw. nicht-drehenden System über die Taumelscheibe auf die Rotorblätter übertragen.
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Wird die Taumelscheibe nun an dem Rotormast vertikal verschoben, so bewirkt dies eine gleichzeitige Einstellwinkeländerung an allen Rotorblättern des Rotors. Daher wird dies auch als kollektives Einstellen bzw. Verstellen bezeichnet. Ein Kippen der Taumelscheibe gegenüber dem Rotormast erzeugt dabei eine einmal pro Umdrehung sich periodisch ändernde Einstellwinkeländerung der Rotorblätter derart, dass jedes Rotorblatt an der gleichen Umlaufposition den gleichen Einstellwinkel erhält. Dies wird auch als zyklisches Einstellen bzw. Verstellen bezeichnet.
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Neben dem praktischen Vorteil des vertikalen Startens und Landens haben Hubschrauber bzw. Hubschrauberrotoren jedoch systembedingt den Nachteil, dass sie insbesondere im Landeanflug erheblichen Lärm erzeugen. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Rotorblätter den an den Blattspitzen erzeugten Wirbeln nahe kommen und diese auch durchschneiden, was zu einem entsprechenden Druckimpuls führt, der dann als Lärm wahrnehmbar ist. Dieser Lärm wird daher auch als BVI-Lärm (Blade-Vortex-Interaction-Lärm) bezeichnet. Dabei ist der entstehende Lärm im Wesentlichen proportional zur Stärke der Wirbel, dem Abstand zum vorbeifliegenden Rotorblatt, der Parallelität der Wirbelachse mit der Blattvorderkante und der Anzahl der Interaktionen.
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Gerade vor dem Hintergrund der Zulassung von neuen Hubschraubern bzw. Hubschrauberrotoren spielt es eine wichtige Rolle, dass der Hubschrauber im Betrieb einen bestimmten Lärmpegel nicht übersteigt. Vor allem der Einsatz in der Nähe von bewohnten Gebieten, z.B. der Transport von Notfallopfern zu Krankenhäusern, erfordert Start und Landungen in unmittelbarer Nähe von Wohngegenden, so dass eine deutliche Reduktion der von einem Hubschrauber erzeugten Schallemission dazu beiträgt, die Akzeptanz des Hubschraubers zu erhöhen und Initiativen gegen Fluglärm zu vermeiden.
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Aus der
DE 102 57 844 A1 ist beispielsweise ein Hubschrauber mit reduziertem Blatt-Wirbel-Wechselwirkungs-Lärm (BVI-Lärm) bekannt. Dabei werden die Rotorblätter eines Rotors in Gruppen aufgeteilt, wobei jeweils gegenüberliegende Rotorblätter in einer Gruppe sind. Mit Hilfe von Steuermitteln, beispielsweise Aktuatoren, im drehenden System des Hubschrauberrotors lässt sich unabhängig von der Einstellung der Taumelscheibe ein vordefinierter statischer Einstellwinkel an den Rotorblättern einstellen, so dass die Blattspitzen der benachbarten Rotorblätter bei einer Rotation verschiedene Bahnen beschreiben. Dadurch kann ein gezieltes Trennen der Blattspitzenebenen (TPP-Splitting) erreicht werden.
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Ein erheblicher Nachteil hierbei ist jedoch, dass für mindestens eine Gruppe von Rotorblättern entsprechende Aktuatoren bzw. Stellglieder im drehenden System notwendig sind, was zu einer Umkonstruierung des Hubschrauberrotors führt und darüber hinaus erhebliche Probleme auch bezüglich der Zentrifugalkräfte entstehen lässt. Außerdem weisen die Rotorblattgruppen unterschiedliche mittlere Auftriebe auf, so dass z.B. der Rotor bei hohen Belastungen mit einem Blattsatz eher in die Problematik des Strömungsabrisses gerät als ein konventioneller Rotor.
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Aus der
DE 696 04 313 T2 ist eine HHC-Vibrationssteuerung für Hubschrauber bekannt, bei der zusätzliche Stellglieder zwischen dem herkömmlichen Stellgliedern des Hubschraubers und der Taumelscheibe angeordnet werden, damit zusätzliche Steuersignale zur Vibrationsreduzierung auf die Taumelscheibe und somit auf die Rotorblätter übertragen werden können. Die Ansteuerung kann dabei mit einem Vielfachen der Drehfrequenz des Rotors erfolgen.
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Aus der
US 6 099 254 A ist eine Hubschrauberrotorvorrichtung bekannt, bei der zwischen dem drehenden System der Taumelscheibe und den Rotorblattaufhängungen zusätzliche Stellglieder angeordnet sind, um zusätzliche HHC-Steuersignale ansteuern zu können. Nachteilig hierbei ist jedoch die Tatsache, dass zusätzliches Gewicht in das drehende System transportiert wird.
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Aus der
DE 10 2006 030 089 B3 ist des Weiteren eine Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung bekannt, die eine Mehrzahl von Taumelscheiben aufweist, um verschiedene Gruppen von Rotorblättern eines gemeinsamen Rotors getrennt füreinander ansteuern zu können. Hierfür werden um eine erste Taumelscheibe herum weitere Taumelscheiben radial nach außen hin angeordnet.
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Aus der
GB 2 149 473 A ist des Weiteren ein Aktuatorsystem zur Ansteuerung von Hubschrauberrotorblättern bekannt, bei dem zwei Linearaktuatoren nacheinander in Reihe geschaltet sind, so dass sich Ansteuerfrequenzen erreichen lassen, die jeder Aktuator für sich allein nicht zu leisten vermag.
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Aufgabe
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Im Hinblick hierauf ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit der ohne Aufnahme von zusätzlichen Aktuatoren in das drehende System eines Hubschrauberrotors ein gezieltes Trennen der Blattspitzenebenen erreicht werden kann.
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Lösung
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Die Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Taumelscheibenanordnung wird somit so angesteuert, dass eine kollektive Verstellung der Taumelscheibe zu einer kollektiven Einstellwinkeländerung an den Rotorblättern zur Folge hat. Die Taumelscheibenanordnung wird dabei kollektiv mit einer bestimmten Frequenz pro Rotorumdrehung verstellt, wobei die Frequenz einem ganzzahligen Teil oder Teiler der Anzahl der Rotorblätter entspricht. Die Frequenz ist dabei jedoch immer kleiner als die Anzahl der Rotorblätter.
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So wird vorteilhafterweise bei einem 4-Blatt-Rotor pro Rotorumdrehung zweimal eine kollektive Einstellwinkeländerung über die Taumelscheibe vorgenommen, so dass der 4-Blatt-Rotor in zwei 2-Blatt-Rotoren getrennt wird und somit unterschiedliche Blattspitzenebenen entstehen und die benachbarten Rotorblätter unterschiedliche Flugbahnen beschreiben.
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Die kollektive Einstellwinkeländerung erfolgt dabei an festen Rotorpositionen und wird zusätzlich zu den Einstellwinkeländerungen der Flugsteuerung dynamisch vorgenommen. Dies erfolgt durch Einsteuern von zusätzlichen Steuersignalen in die primären Steuersignale mittels einer zusätzlichen Steuereinheit.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn unabhängig von der Anzahl der Rotorblätter (jedoch mindestens eine gerade Anzahl) die kollektive zusätzliche Einstellwinkeländerung an den Rotorblättern zweimal pro Rotorumdrehung bewirkt wird. Denn es hat sich gezeigt, dass gerade bei einer derart niedrigen Frequenz (2/rev) große Amplituden bei der Winkelverstellung möglich sind, die auch zu einer größeren Trennung der Blattspitzenebenen (Tip Path Plane = TPP) führen. Jedoch kann auch bei einem 6-Blatt-Rotor mit einer Frequenz von drei kollektiven Einstellwinkeländerungen pro Umdrehung (3/rev) eine entsprechende Trennung in drei Rotorblättergruppen erfolgen.
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Es ist daher ebenso vorteilhaft, wenn die Frequenz für die zusätzliche, kollektive Einstellwinkeländerung der Hälfte der Anzahl der Rotorblätter entspricht.
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Somit kann erreicht werden, dass ohne große Umkonstruierungen und ohne die Aufnahme von Aktuatoren in das drehende System eine Trennung der Blattspitzenebenen erreicht werden kann, was zu einer Reduzierung des BVI-Lärms führt. Darüber hinaus hat dies den Vorteil, dass gegenüber einer statischen Verstellung von Rotorblattgruppen der mittlere Auftrieb eines jeden Blattes unverändert bleibt. Es kommt jedoch zu einer mit der Frequenz variierenden Auftriebskomponente, so dass sich die entstehenden Wirbel hinsichtlich ihrer Wirbelstärke unterscheiden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Taumelscheibenanordnung in Abhängigkeit von einem Flugzustand derart angesteuert wird, dass die kollektive Einstellwinkeländerung mit einer Amplitude und Phase erfolgt, welche die BVI-Geräuschemission bzw. dem BVI-Lärm minimiert. So ist es beispielsweise denkbar, dass im Landeanflug eine größere Amplitude bei der zusätzlichen, kollektiven Einstellwinkeländerung angesteuert wird, um den Abstand bei der Wirbelerzeugung zu vergrößern.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einer Hubschrauber-Rotorvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe auch gelöst mit einem Hubschrauber mit einer Hubschrauber-Rotorvorrichtung der vorstehenden Art.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Diagramm einer kollektiven 2/rev Einstellwinkeländerung über eine Rotorumdrehung mit den Parametern Applitude θ2 und Phase Ψ2
- 2 - perspektivische Darstellung eines 4-Blatt-Rotors mit zwei 2/rev TPP-Splitting.
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1 zeigt den Einstellwinkelverlauf eines Rotorblattes über den Rotorumlauf Ψ. Dabei wird Ψ = 0° dann angenommen, wenn das Rotorblatt direkt nach hinten zeigt. 1 zeigt dabei einen Ausschnitt eines Amplitudenverlaufes eines Rotorblattes eines 4-Blatt-Rotors mit einem 2/rev TPP-Splitting.
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Wie im gezeigten Beispiel anhand einer Phase von 90° zu erkennen ist, wird dann bei 90° Rotorumlaufwinkel die maximale Amplitude des Einstellwinkels am Rotorblatt eingestellt. Danach wird der Einstellwinkel wieder zurückgenommen, bis er bei 270° wieder seinen maximalen Wert erreicht. Dies wird durch eine periodische kollektive Verstellung der Taumelscheiben entsprechend θ = θ2*cos[2*(Ψ-Ψ2)] erreicht. Die anderen, nicht dargestellten Rotorblätter erfahren dann zur gleichen Zeit an ihren jeweiligen Rotorumlaufpositionen ebenfalls eine kollektive Verstellung.
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Selbstverständlich werden alle anderen, in diesem Verlauf nicht gezeigten Rotorblätter ebenfalls an diesen Positionen, jedoch phasenverschoben mit einer kollektiven Einstellwinkeländerung beaufschlagt. Da es sich bei dem in 1 gezeigten Beispiel um einen 4-Blatt-Rotor handelt, der mit einer 2/rev Kollektivveränderung angesteuert wird, ist dieser Verlauf für das zweite Rotorblatt, das dem dargestellten Rotorblatt gegenüberliegt, identisch.
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Die von dem in 1 gezeigten Rotorblatt benachbarten Rotorblätter sind dabei jeweils um 90° phasenverschoben.
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2 zeigt das 2/rev TPP-Splitting am Beispiel eines 4-Blatt-Rotors in einer leicht perspektivischen Darstellung. Die Ellipse 10 zeigt dabei die unverwölbte Blattspitzenebene eines normalen Hubschraubers ohne statisches oder dynamisches TPP-Splitting.
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Beim dynamischen TPP-Splitting nach der vorliegenden Erfindung werden im Ausführungsbeispiel der 2 die sich gegenüberliegenden Rotorblätter 1 und 3 von den benachbarten Rotorblättern 2 und 4 hinsichtlich ihrer Flugbahn getrennt. Das mit 1 bezeichnete Rotorblatt hat somit das Rotorblatt 3 als gegenüberliegendes Rotorblatt, während das Rotorblatt 2 das gegenüberliegende Rotorblatt 4 aufweist.
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Die von den zwei gegenüberliegenden Rotorblättern 1 und 3 mit 2/rev Kollektivsteuerung erhaltende verwölbte TPP (Tip Path Plane; Blattspitzenebene) 5 ist dabei deutlich getrennt von der verwölbten TPP der beiden anderen, benachbarten Rotorblätter 2 und 4. Bei einer 2/rev Kollektivsteuerung erfolgt dabei die zusätzliche kollektive Ansteuerung der Taumelscheibe an jeweils immer gegenüberliegenden Rotorumdrehungspositionen im festen Koordinatensystem. Dies bewirkt, dass die zwei gegenüberliegenden Rotorblätter 1 und 3 eine Einstellwinkeländerung erfahren, während die beiden anderen, sich ebenfalls gegenüberliegenden Rotorblätter 2 und 4 eine gleiche, aber um 90° Rotordrehwinkel Ψ verschobene Einstellwinkeländerung erhalten, und das zweimal pro Rotorumdrehung.
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Dadurch wird es möglich, die Flugbahnen der benachbarten Rotorblätter während des Rotorumlaufes zu trennen, ohne dass dafür Änderungen im drehenden System erforderlich sind. Durch die Trennung entstehen dabei die Wirbel in unterschiedlichen Höhen, was in 2 mit dem TPP-Abstand 7 und 8 dargestellt ist.
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Die Wirbel von Rotorblatt 1 und 3 entstehen somit in einer Blattspitzenebene, die von der Blattspitzenebene der Rotorblätter 2 und 4 getrennt ist. Diese vertikale Trennung zum Zeitpunkt der Wirbelerzeugung behalten sie im Wesentlichen während ihrer Bewegung durch die Rotorebene bei, wodurch der BVI-Lärm reduziert werden kann, da der Abstand zu den vorbei fliegenden Rotorblättern vergrößert wird.
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Am Ort der lärmrelevanten Blatt-Wirbel-Interaktion entsteht durch das Verfahren ebenfalls eine Trennung der Blattspitzenebenen. Die Folge ist, dass die Interaktion des einen Blattpaares 2 und 4 mit den Wirbeln des anderen Blattpaares 1 und 3 an Stellen erfolgen, wo sie sich ohne TPP-Splitting auch befinden würden. Im Gegensatz zum normalen Rotor finden jedoch nur noch halb so viele Interaktionen an diesen Stellen statt, denn die selbst erzeugten Wirbel sind um den TPP-Abstand 7 und 8 höher erzeugt worden und haben daher andere Orte der Interaktion, die wesentlich weniger lärmrelevant sind, da sie entweder weiter vorne oder weiter hinten erfolgen und damit die Wirbelachse und Blattvorderkante weniger parallel zueinander sind.
