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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit mindestens einem Dämpfungselement zur Schwingungsdämpfung. Die Erfindung betrifft auch einen Hubschrauberrotor sowie einen Hubschrauber hierzu.
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Ein Hubschrauber ist in seinem gesamten Betriebsbereich einem hohen Vibrationsniveau ausgesetzt. Der größte Teil dieser Vibrationen wird dabei durch den Hauptrotor erzeugt. Ein Hubschrauberrotor besteht dabei in der Regel aus einem Rotorkopf, der über eine Antriebswelle mit Hilfe eines Aggregates drehbar angetrieben werden kann und an dessen Umfang Rotorblätter angeordnet sind, die bei Drehung des Rotorkopfes zur Auftriebserzeugung ausgebildet sind. Zum Zwecke der Flugsteuerung des Hubschraubers lässt sich dabei der Anstellwinkel der Rotorblätter zyklisch und kollektiv verändern.
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Durch die ungleichförmige Anströmung der Rotorblätter, insbesondere im schnellen Vorwärtsflug, kommt es zu vielfältigen, hochgradig nicht linearen aerodynamischen Phänomenen, die nicht zuletzt ein hohes Lärm- und Vibrationsniveau zur Folge haben. Diese Vibrationen verkürzen dabei die Lebensdauer des gesamten Hubschraubers und der damit zusammenhängenden mechanischen Bauteile und führen zu einer Reduzierung des Komforts. Starke Vibrationen verkürzen dabei die Wartungsintervalle und erhöhen damit die Unterhaltungskosten.
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Diese negativen aerodynamischen Phänomene können durch die konventionelle Flugsteuerung dabei nicht beeinflusst werden, da eine Änderung in den Primärsteuern in jedem Fall zu einer Vertrimmung des Hubschrauberrotors führen würde.
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Stand der Technik
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Es sind passive Systeme zur Vibrationsreduktion bekannt, bei denen beispielsweise Pendelabsorber am Blatthals eines Rotorblattes oder in den Rotorkopf selber integriert werden. Jedoch haben derartige Absorber die entscheidenden Nachteile, dass sie zum einen nur eine einzige Frequenz beeinflussen können und zum anderen ein enormes Gewicht in das drehende System des Hubschrauberrotors transportieren, was zu veränderten Flugeigenschaften des Hubschraubers führt und mit weiteren Problemen und Nachteilen behaftet ist. Im stehenden System hingegen können durch die entsprechende Anordnung von Absorbern am und im Rumpf eine Reduzierung der Rotor, Getriebe- und Turbinenvibrationen erreicht werden.
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Es sind auch aktive Systeme zur Vibrationsreduktion bekannt, bei denen mittels hydraulischen oder elektromechanischen Aktuatoren im drehenden System höherharmonische Steuersignale eingesteuert werden, um so einer Rotorblattschwingung entgegenzuwirken. Im Gegensatz zur konventionellen, einmal über den Umlauf veränderlichen Rotorsteuerung führt eine höherharmonische Einstellwinkelveränderung nicht zu einer prinzipiellen Vertrimmung des Rotors. Allerdings haben Steuerungskonzepte dieser Art den Nachteil, dass Energie sowie entsprechende Steuerbefehle in das drehende System eingebracht werden muss, was technisch aufwendig zu realisieren und darüber hinaus wartungsintensiv und teuer ist.
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Aus der
US 6,193,032 B1 ist ein Vibrationskontrollgerät mit einem piezokeramischen Element bekannt. Das piezokeramische Element ist dabei mit einem Federmittel sowie mit einer entsprechenden Steuerung kontaktiert, so dass Vibrationen mit Hilfe des piezokeramischen Elementes und dem Federmittel ähnlich einem Absorber gedämpft werden können.
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In Neubauer, M.; Oleskiewicz, R.: „Brake squeal control with shunted piezoceramics – efficient modelling and experiments“, JAUTO Vol. 222, 2008, wird hinsichtlich des Phänomens von quietschenden Bremsen während des Bremsvorgangs vorgeschlagen, zwischen dem Bremskolben und dem Bremsklotz einen piezoelektrischen Absorber anzuordnen, der Vibrationen absorbieren soll, die aufgrund eines Schwingungsverhaltens der Bremsscheibe entstehen und somit das ungewollte Quietschen der Bremsen verursachen.
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In Liu W.Q. et al „Maximum mechanical energy harvesting strategy for a piezoelement“, Smart Materials and Structures 16(6), 2007, wird untersucht, wie die Effizienz von piezoelektrischen Elementen erhöht werden kann, die an bestimmten Stellen angeordnet sind, die eine besonders große Materialverformung aufweisen, um so andere Elemente mit elektrischer Energie versorgen zu können.
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Des Weiteren wird in Li, K.; Gauthier, Jean-YvesM; Guyomar, D.: „Structural vibration control by synchronized switch damping energy transfer“, Journal of Sound and Vibration 330, 2011 ebenfalls eine Vibrationsreduktion mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen als Absorber vorgeschlagen, wobei die für die Betätigung der piezoelektrischen Elemente notwendige Energie von einem piezoelektrischen Element bereitgestellt wird, das an einer anderen Position als die der Absorber angeordnet ist.
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Aus Moheimani, S. O. R.: „A survey of recent innovations in vibration damping and control using shunted piezoelectric transducers“, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 11(4), Seite 482–494, 2003, ist ebenfalls eine Vibrationsreduktion mittels piezoelektrischer Elemente als Absorber bekannt, wobei mehrere elektrische Schwingkreise derart zusammengeschaltet werden können, dass, im Gegensatz zu mechanischen Absorbern, mehr als eine Frequenz gedämpft werden kann. Eine ähnliche Anordnung wird auch in Behrens, S.; Moheimani, S. O. R.; Fleming A. J.: Multiple mode current flowing passive piezoelectric shunt controller“ in Journal of Sound and Vibration 266, Seite 929–942, 2003 beschrieben.
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Aus der
DE 10 2008 025 414 A1 ist ein aerodynamisches Profil mit reversibler verformbarer Kontur für Drehflügler bekannt, bei dem das aerodynamische Profil mit Hilfe von Aktuatoren verformt werden kann, um so die Form der Tragflächen zu verändern.
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Aus der
JP H09-277 992 A ist ein Rotorblatt mit Elementen zur Schwingungsdämpfung bekannt, wobei mit Hilfe einer Messeinrichtung die Schwingung gemessen und anschließend anhand der gemessenen Schwingung dann die Elemente zur Schwingungsdämpfung angesteuert werden.
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Aus der
DE 196 20 427 C1 ist ein Rotorblatt mit piezoelektrischen Dämpfungsaktuatoren bekannt, wobei die piezoelektrischen Aktuatoren an einem Tragholm des Rotorblattes vorgesehen sind.
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Aus der
DE 10 2009 012 798 A1 ist ein Rotorblatt bekannt, bei dem piezoelektrische Aktuatoren mit jeweils unterschiedlicher Verformungsrichtung auf dem Rotorblatt angeordnet sind, um so das Rotorblatt dreidimensional verformen zu können.
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Aus der
JP 2004345525 A ist ebenfalls eine Vorrichtung zur aktiven Schwingungsdämpfung bei Hubschrauberrotoren bekannt, bei dem piezoelektrische Aktuatoren angesteuert werden.
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Aus der
DE 10 2009 012 799 A1 ist ebenfalls eine aktive Schwingungsdämpfung für Rotorblätter bekannt, bei der verschiedene piezoelektrische Aktuatoren zur Schwingungsdämpfung eingesetzt werden.
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Schließlich ist aus der
DE 20 2008 008 517 U1 eine Blattspitzenbeleuchtung für Hubschrauberrotoren bekannt, wobei die Energie für die Blattspitzenbeleuchtung im drehenden System mit Hilfe eines Energiesammlers bereitgestellt wird. Der Energiesammler kann beispielsweise ein Piezo-Element sein.
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Aufgabe
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Rotorblatt anzugeben, mit dem Rotorblattschwingungen gedämpft werden können, ohne dass große Zusatzmasse in das drehende System wie beim passivem Absorber eingebracht werden muss.
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Lösung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotorblatt gemäß Patentanspruch 1.
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Demnach wird vorgeschlagen, dass an dem Rotorblatt mindestens ein piezoelektrisches Dämpfungselement angeordnet wird, das mit dem Rotorblatt entsprechend erfindungsgemäß zusammenwirkt. Dabei werden Schwingungen des Rotorblattes gedämpft, indem bei einer aufgrund einer solchen Rotorblattschwingung entstehenden Verformung des Rotorblattes mit Hilfe des piezoelektrischen Dämpfungselementes eine Kraft aufgebracht wird, die zu einer Dämpfung der Schwingung des Rotorblattes führt. Dadurch kann letztendlich erreicht werden, dass die Stärke der Verformung des Rotorblattes reduziert wird, so dass die gesamte Rotorblattschwingung hinsichtlich ihrer Amplitude gedämpft wird.
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Das mindestens eine piezoelektrische Dämpfungselement wird dabei von mindestens einer Dämpfungssteuerung mit Hilfe von elektrischer Energie angesteuert, damit das piezoelektrische Dämpfungselement eine Kraft zu der Schwingung des Rotorblattes aufbringen kann. Die mindestens eine Dämpfungssteuerung ist ebenfalls an bzw. auf dem Rotorblatt angeordnet, so dass keinerlei Steuersignale in das drehende System des Rotorblattes transportiert werden muss.
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Die Dämpfungssteuerung kann dabei eine passive oder aktive Beschaltung darstellen. In der einfachsten Ausführung besteht die Dämpfungssteuerung aus einem Widerstand und einer Spule, die zusammen mit dem piezoelektrischen Dämpfungselement einen Schwingkreis bilden.
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Erfindungsgemäß ist dieses piezoelektrische Dämpfungselement nicht nur zum Aufbringen einer Gegenkraft ausgebildet, sondern auch zum Bereitstellen von elektrischer Energie, die bei einer Verformung des Rotorblattes aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Dämpfungselementes auftritt, wobei die Dämpfungssteuerung dann einen Energiespeicher hat, in den die von dem piezoelektrischen Dämpfungselement bereitgestellte elektrische Energie gespeichert werden kann.
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Soll das piezoelektrische Dämpfungselement nun eine Kraft zur Dämpfung der Rotorblattschwingung aufbringen, so ist die Dämpfungssteuerung derart eingerichtet, dass die für die Ansteuerung des piezoelektrischen Dämpfungselementes zur Erzeugung der Kraft notwendige elektrische Energie aus dem Energiespeicher bezogen wird. Eine derartige Anordnung, bestehend aus piezoelektrischem Dämpfungselement, Dämpfungssteuerung und Energiespeicher kann dabei autark im drehenden System des Hubschraubers arbeiten, ohne dass für die Dämpfung notwendige elektrische Energie aus dem stehenden System in das drehende System transportiert werden muss. Im Gegensatz zu passiven Absorbern kann die Zusatzmasse im drehenden System somit um bis zu Faktor 5 reduziert werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß an dem Rotorblatt ein piezoelektrisches Energieelement angeordnet, welches bei Verformung des Rotorblattes ebenfalls mitverformt wird und die dabei auftretende elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes der Dämpfungssteuerung bereitstellt, so dass diese dann die bereitgestellte elektrische Energie zur Ansteuerung des piezoelektrischen Dämpfungselementes verwenden kann, um Verformung des Rotorblattes oder Rotorblattschwingungen zu dämpfen.
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Hierfür ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Dämpfungssteuerung einen Energiespeicher hat, um die von dem piezoelektrischen Energieelement bereitgestellte elektrische Energie speichern zu können. Somit kann eine Schwingung des Rotorblattes gedämpft werden, beispielsweise derart, dass eine Krümmung des Rotorblattes nach oben zur Bereitstellung von elektrischer Energie und zur Speicherung führt, während in der Endkrümmungsphase des Rotorblattes mit Hilfe der elektrischen Energie das piezoelektrische Dämpfungselement angesteuert und eine Gegenkraft zu der Endkrümmung des Rotorblattes aufgebracht wird, um diese Verformung des Rotorblattes zu dämpfen.
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Das mindestens eine piezoelektrische Energieelement ist dabei vorteilhafter Weise an einer Stelle des Rotorblattes angeordnet, bei dem eine größtmögliche Verformung auftritt, beispielsweise besonders vorteilhaft am Rotorblatthals.
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Vorteilhafter Weise ist die Dämpfungssteuerung derart ausgebildet, dass sie das piezoelektrische Dämpfungselement in Abhängigkeit einer Rotorblattschwingungsfrequenz ansteuert, so dass eine Rotorblattschwingung mit einer oder mehreren Frequenzen mittels des piezoelektrischen Dämpfungselementes gedämpft wird.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es nun, wenn die Dämpfungssteuerung zum Ansteuern des mindestens einen piezoelektrischen Dämpfungselementes in Abhängigkeit von einem Vielfachen der Rotordrehfrequenz eingerichtet ist. Denn es hat sich gezeigt, dass Rotorblattschwingungen, bei denen sich das Rotorblatt periodisch verformt, bei einer Frequenz, die dem Vielfachen der Rotordrehfrequenz entspricht, ihren größten Ausschlag oder ihre größte Amplitude haben. Dabei kann ein Vielfaches der Rotordrehfrequenz auch eins sein.
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Darüber hinaus ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn das piezoelektrische Dämpfungselement und die Dämpfungssteuerung zusammen einen elektrischen Schwingkreis bilden, der beispielsweise mittels elektrischer Energie aus dem piezoelektrischen Dämpfungselement oder aus einem zusätzlichen piezoelektrischen Energieelement fremd angeregt wird. Durch eine entsprechende Wahl der Induktivität der Spule sowie des Widerstandes des elektrischen Schwingkreises lässt sich die zu dämpfende Frequenz einer Rotorblattschwingung einstellen. Durch das Zusammenschalten mehrerer elektrischer Schwingkreise lassen sich darüber hinaus auch mehrere Frequenzen der Rotorblattschwingungen dämpfen, ohne dass hierfür jedes Mal ein neues Dämpfungselement notwendig wird.
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Vorteilhafter Weise ist das piezoelektrische Dämpfungselement ein piezoelektrischer Aktuator, der beim Ansteuern mit Hilfe von elektrischer Energie eine Kraft aufbringen kann. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes des piezoelektrischen Aktuators kann von dem piezoelektrischen Aktuator auch elektrische Energie bereitgestellt werden, wenn diese aufgrund einer Materialverformung ebenfalls verformt wird, indem eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator wirkt. Die dabei auftretende elektrische Energie kann an dem piezoelektrischen Aktuator abgegriffen und zur Anregung eines Schwingkreises genutzt werden.
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Vorteilhafter Weise weist die Dämpfungssteuerung einen programmierbaren Mikrocontroller auf, bei dem die zu dämpfenden Schwingungen, die mittels des angeschlossenen piezoelektrischen Dämpfungselementes gedämpft werden sollen, frei eingestellt werden können, so dass eine Anpassung an die zu dämpfende Schwingungsfrequenz durch eine einfache Umprogrammierung des Mikrocontrollers realisiert werden kann. Änderungen an einem Schwingkreis, die mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden sind, sind dann nicht mehr notwendig.
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Hierzu ist es nun ganz besonders vorteilhaft, wenn die Dämpfungssteuerung über einen insbesondere passiven Empfänger verfügt, mit dem Parametereinstellungen, z. B. Anpassungen an die zu dämpfende Schwingungsfrequenz, von außen mit Hilfe eines entsprechenden Senders übertragen und eingestellt werden können. Ein solcher Empfänger kann beispielsweise im Bereich der „Nearfield-Kommunikation“ sein, beispielsweise passive Transponder, die zum Empfang keine eigenständige Energiequelle benötigen. Die für die Dämpfung notwendigen Einstellparameter können somit auch nach der Konstruktion des Rotorblattes noch verändert werden.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst mit einem Hubschrauberrotor, der einen Rotorkopf aufweist, an dessen Umfang mehrerer der erfindungsgemäßen Rotorblätter angeordnet sind. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem Hubschrauber gelöst, der einen derartigen Hubschrauberrotor aufweist.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematische Darstellung eines Rotorblattes mit mehreren Dämpfungsvorrichtungen;
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2 schematische Darstellung eines piezoelektrischen Aktuators mit einem elektrischen Schwingkreis;
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3 schematische Darstellung eines Rotorblattes mit einem seperaten piezoelektrischen Energieelement.
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1 zeigt schematisch ein Rotorblatt 1 in der Draufsicht. Über das Rotorblatt 1 sind mehrere piezoelektrische Aktuatoren bzw. Dämpfungselemente 2 verteilt, die eine Verformung des Rotorblattes 1 dämpfen sollen. So lassen sich Schwingungen beispielsweise in Form von Verkrümmungen entlang des Rotorblattes 1 dämpfen, ebenso wie beispielsweise eine Verwindung des Rotorblattes oder andere Verformungsarten. Ein wesentliches Hauptaugenmerk liegt dabei darin, dass Rotorblattschwingungen, die in der Regel eine Frequenz von einem Vielfachen der Rotordrehfrequenz haben, gedämpft werden sollen. Durch das Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators 2 in Abhängigkeit dieser Rotorblattschwingungsfrequenz können die Rotorblattschwingungen effektiv gedämpft werden.
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Hierfür ist der piezoelektrische Aktuator 2 mit einer Dämpfungssteuerung 3 verbunden, die zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktuators 2 mittels elektrischer Energie eingerichtet ist. Der piezoelektrische Aktuator 2 ist dabei derart ausgebildet, dass er mittels der elektrischen Energie eine Kraft erzeugen bzw. aufbringen kann, die zur Dämpfung von Schwingungen des Rotorblattes 1 genutzt werden kann. Hierzu wirkt der piezoelektrische Aktuator 2 mit dem Rotorblatt 1 derart zusammen, dass einer Verformung des Rotorblattes aufgrund von Schwingungen durch die aufgebrachte Kraft des piezoelektrischen Aktuators 2 entgegengewirkt wird.
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Wie in 1 zu erkennen, sind mehrere piezoelektrische Aktuatoren 2 und damit verbundene Dämpfungselemente 3 für das Rotorblatt 1 verteilt angeordnet, so dass die Dämpfung auch an unterschiedlichen Stellen des Rotorblattes 1 durchgeführt werden kann und ggf. auch unterschiedliche Frequenzen abgedeckt werden können.
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2 zeigt schematisch einen piezoelektrischen Aktuator 2, der mit einer Dämpfungssteuerung 3 elektrisch kontaktiert ist. Die Dämpfungssteuerung besteht dabei aus einer Spule 4, die eine Induktivität bereitstellt, sowie einen Widerstand 5. Aufgrund der Tatsache, dass ein piezoelektrischer Aktuator 2 mit einem elektrischen Ersatzsystem, bestehend aus einer Wechselspannungsquelle und einem parallel geschalteten Kondensator dargestellt werden kann, ergibt sich in Verbindung mit der in 2 dargestellten Dämpfungssteuerung, bestehend aus einer Induktivität 4 und einem Widerstand 5 ein fremd erregter elektrischer Schwingkreis. Wird der piezoelektrische Aktuator periodisch verformt, erzeugt er eine Spannung, die bei periodischer Belastung den Schwingkreis erregt und dazu führt, dass bei Verformung des piezoelektrischen Aktuators Energie kurzzeitig gespeichert wird, die dann zum Aufbringen einer Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator 2 verwendet werden kann.
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Die Dämpfung des Systems ergibt sich dabei aus
wobei R der Widerstand, L die Induktivität und CP die Kapazität des piezoelektrischen Aktuators darstellt.
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Dabei ist die Eigenfrequenz des oben gezeigten elektrischen Schwingkreises abhängig von der Kapazität des Aktuators und der Induktivität der Spule, so dass sich folgender Zusammenhang ergibt:
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Dementsprechend lässt sich die Resonanzfrequenz über eine Variation der Induktivität beeinflussen. Durch das Zusammenschalten von mehreren Schwingkreisen lässt sich darüber hinaus erreichen, dass der piezoelektrische Aktuator mehr als eine Schwingungsfrequenz des Rotorblattes 1 dämpfen kann. Die Dämpfungswirkung kann dabei mit einer negativen Kapazität verstärkt werden.
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3 zeigt schematisch ein Rotorblatt 1, das wieder über mehrere piezoelektrische Aktuatoren 2 und ihrer dazugehörigen Dämpfungssteuerungen 3 verfügt. In 3 befindet sich jedoch am Blatthals des Rotorblattes 1 ein piezoelektrisches Energieelement 6, das mit den jeweiligen Dämpfungssteuerungen 3 elektrisch kontaktiert ist. Da bei einem Rotorblatt die Verformungen am Rotorblatthals am stärksten sind, wird ein hier angeordnetes piezoelektrisches Energieelement auch entsprechend stark verformt, so dass die bei der Verformung entstehende elektrische Energie für die Ansteuerung der piezoelektrischen Dämpfungselemente 2 zur Schwingungsdämpfung verwendet werden kann.
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So ist es in dieser Ausführungsform beispielsweise denkbar, dass die Dämpfungssteuerungen 3 über einen Empfänger verfügen, der zum Empfang von Parametereinstellungen der Dämpfungssteuerung ausgebildet ist. Derartige Empfänger können beispielsweise passive Transponderempfänger sein, die selbständig keine Energie für den Empfang benötigen. Mit einer derartigen Ausgestaltung des Systems lassen sich Dämpfungseinstellungen an der Dämpfungssteuerung 3 vornehmen, beispielsweise derart, dass die Dämpfungsfrequenz oder dergleichen auch nach Aufbau des Rotorblattes 1 durchgeführt werden kann.
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Über eine geeignete Zusammenschaltung von zwei Piezoaktuatoren zusammen mit einem Schalter kann die gedämpfte Frequenz adaptiv und nicht mehr abhängig von dem Bauteil gestaltet werden, so wie das beispielsweise aus „synchronized switch damping on inductor“ (SSDI) bekannt ist. So ist es möglich, ohne eine exakte Kenntnis der Eigenfrequenz des Blattes und/oder über Drehzahlschwankungen hinweg immer optimal zu dämpfen.
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So lässt sich beispielsweise eine Rotorblattschwingung mit Hilfe eines fremd angeregten Schwingkreises in Verbindung mit einem piezoelektrischen Aktuator derart dämpfen, dass bei einer Krümmung des Rotorblattes und somit einer Verformung des piezoelektrischen Aktuators elektrische Energie auftritt, die dann den Schwingkreis anregt und je nach Einstellung der zu dämpfenden Frequenz diese an den Aktuator zurück überträgt, so dass während der Endkrümmung des Rotorblattes eine Kraft durch den piezoelektrischen Aktuator aufgebracht wird, die zu einer Dämpfung der Schwingung führt.
