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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehflügler mit einem für hohe Fluggeschwindigkeit optimierten Hauptrotor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Drehflügler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Unter einen Drehflügler ist hier insbesondere ein Hubschrauber, das heißt ein Drehflügler mit einem aktiv angetriebenen Hauptrotor zu verstehen. Der Drehflügler kann aber auch ein Tragschrauber mit einem passiv durch horizontale Anströmung in Rotation versetzten Hauptrotor sein.
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STAND DER TECHNIK
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Hubschrauber konventioneller Bauart sind in ihrer maximalen Fluggeschwindigkeit durch zwei Grenzen limitiert. Erstens erreichen die Blattspitzen auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors Schallgeschwindigkeit, zweitens erfahren die Rotorblätter auf der rücklaufenden Seite in proportional zur Fluggeschwindigkeit wachsenden Bereichen nahe der Hochachse rückwärtige Anströmungen, Strömungsablösungen und somit nicht kontrollierbare Luftkräfte, und die Außenbereiche der Rotorblätter befinden sich bei hohem Anstellwinkel in Strömungen mit geringem Staudruck, so dass nur wenig Auftrieb erzeugt wird. Das zum Fliegen notwendige Gleichgewicht aerodynamischer Momente auf der vorlaufenden und der rücklaufenden Seite eines Hubschraubers um seine Längsachse erfordert es daher, die Rotorblätter auf der vorlaufenden Seite im Wesentlichen auftriebsfrei zu machen und die dort großen Staudrücke ungenutzt zu lassen. Die theoretische Grenze der Fliegbarkeit eines Hubschraubers mit einem konventionellen Hauptrotor liegt aus diesen Gründen bei etwa 50 % der Blattspitzengeschwindigkeit. Bei den meisten ausgeführten Hubschraubern liegt die praktische Grenze jedoch nur bei knapp 40 % der Blattspitzengeschwindigkeit. Typische Blattspitzengeschwindigkeiten betragen ca. 220 m/s, das heißt 792 km/h. 50 % davon sind knapp 400 km/h und 40 % fast 320 km/h. Die Geschwindigkeit von 400 km/h wurde bislang nur mit speziell modifizierten Hubschraubern konventioneller Bauart erreicht oder geringfügig überschritten, hierzu zählt die Bo 105 HGH.
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Aktuelle Konzepte für deutlich schnellere Hubschrauber basieren einerseits auf Koaxialrotoren, wie der Sikorsky X2 Raider und der Sikorsky / Boeing SB-1 Defiant, welche steife, propellerartige Hauptrotoren sowie ein zusätzliches Vortriebsaggregat aufweisen. Bei hoher Fluggeschwindigkeit wird die Drehfrequenz des Hauptrotors um 30 % reduziert, um nicht mehr als 90 % der Schallgeschwindigkeit an den vorlaufenden Blattspitzen zu erreichen. Andererseits kommen Kipprotorflugzeuge zum Einsatz, wie die Bell-Boeing V-22 Osprey, die Bell V-280 Valor und die AugustaWestland AW609, bei denen es sich eigentlich um Flächenflugzeuge handelt, welche an ihren Flügelenden Motorgondeln mit Propellern aufweisen. Diese Propeller stehen im Langsam- und Schwebeflug senkrecht und werden im schnellen Vorwärtsflug in die Horizontale gekippt. Auch dabei wird die Drehfrequenz zwischen Langsam-/Schwebeflug und Reiseflug variiert. Beim X3 und beim Racer von Airbus Helicopters entlasten kleine Flügel den Hauptrotor von der Auftriebserzeugung und Propeller an den Flügeln von der Vortriebserzeugung. Auch hier wird der Hauptrotor um ca. 30 % in der Drehfrequenz abgesenkt, damit bei hohen Fluggeschwindigkeiten nicht mehr als 90 % der Schallgeschwindigkeit an den vorlaufenden Blattspitzen erreicht werden.
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Aus der
DE 1 015 318 A ist ein Drehflügler mit einem um eine Hochachse drehbar gelagerten Hauptrotor bekannt, wobei der Hauptrotor einen Rotorkopf und mehrere Rotorblätter aufweist und wobei die Rotorblätter jeweils an einem Ausleger des Rotorkopfs um eine zu der Hochachse parallele Schwenkachse verschwenkbar gelagert sind. Um die Ungleichförmigkeit der Blattanströmung während einer Umdrehung des Hauptrotors zu reduzieren, ist der Hauptrotor mit starren getrieblichen Mitteln ausgestattet, die periodisch unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten formschlüssig erzwingen. So werden die vorlaufenden Blätter zu einer verringerten und die rücklaufenden Blätter zu einer vergrößerten Umlaufgeschwindigkeit veranlasst. Die Größe des Geschwindigkeitsunterschieds wird dabei von dem Verhältnis zwischen der Umlaufgeschwindigkeit des Hauptrotors um die Hochachse und der Vorwärtsgeschwindigkeit der Hochachse parallel zur Umlaufebene des Hauptrotors abhängig gemacht. Zur Entlastung der getrieblichen Mittel sind die Rotorblätter als Zentrifugalpendel mit einer Eigenfrequenz von der Drehfrequenz des Hauptrotors ausgebildet. Der Hauptrotor dieses bekannten Drehflüglers wird nach seinem Erfinder als Derschmidt-Rotor bezeichnet. Seine Verwirklichung ist nicht über wenige Flugversuche mit der Bölkow Bo 46 hinaus gelangt, bei denen sich der bekannte Drehflügler im Flug als hochgradig mit Vibrationen beaufschlagt erwies. In der
DE 1 015 318 A vorgeschlagene, gegenläufig zu den Rotorblättern verschwenkte Ausgleichsmassen waren bei der Bölkow Bo 46 mangels Praktikabilität nicht vorhanden.
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Ein Drehflügler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der
GB 2 495 562 A bekannt. Hier sind sekundäre zweiblättrige Rotoren an den Spitzen von Rotorblättern eines zweiblättrigen Hauptrotors um vertikale Rotorachsen drehbar gelagert. Der Hauptrotor und die sekundären Rotoren sind derart getrieblich gekoppelt, dass sie gleichsinnig rotieren.
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Aus der
US 3 762 669 A ist ein weiterer Drehflügler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hier sind zwei zweiblättrige Hauptrotoren vorgesehen. An den Blattspitzen der Rotorblätter beider Hauptrotoren sind zweiblättrige sekundäre Rotoren um vertikale Rotorachsen drehbar gelagert. Durch getriebliche Kopplung rotieren die beiden Hauptrotoren gegenläufig, wobei jeder der beiden Hauptrotoren und seine sekundären Rotoren gleichsinnig rotieren.
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Aus der
US 3 246 861 A ist ein weiterer Drehflügler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hier sind an Blattspitzen von Rotorblättern eines zweiblättrigen Hauptrotors zweiblättrige Propeller um die Längsachsen der Rotorblätter des Hauptrotors verschwenkbar gelagert, so dass Drehachsen der Propeller vertikal oder horizontal ausgerichtet werden können. Bei horizontaler Ausrichtung der Propeller dienen die fest quer zur Flugrichtung ausgerichteten Rotorblätter des Hauptrotors als Tragflügel.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehflügler mit einem um eine Hochachse drehbar gelagerten Hauptrotor aufzuzeigen, bei dem die Probleme des bekannten Derschmidt-Rotors durch praktikable Maßnahmen grundsätzlich beseitigt sind.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Drehflügler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Drehflüglers sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Drehflügler mit einem um eine Hochachse drehbar gelagerten Hauptrotor weist der Hauptrotor einen Rotorkopf und mehrere Rotorblätter auf. Die Rotorblätter sind jeweils an einem Ausleger des Rotorkopfs mittig um eine zu der Hochachse parallele Schwenkachse verschwenkbar gelagert. Dabei betragen Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse mehr als 50 % eines Radius des Hauptrotors.
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Dass die Rotorblätter bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler jeweils mittig schwenkbar gelagert sind, bedeutet eine Abkehr von der endseitigen Lagerung der Rotorblätter, wie sie nicht nur bei konventionellen Hubschraubern sondern auch bei Hubschraubern mit Derschmidt-Rotor gegeben ist. Trotz der mittigen Lagerung der Rotorblätter sind diese an den typischerweise starren Auslegern des Hauptrotors jedoch nicht jeweils um ihre Schwenkachsen drehbar oder gar drehangetrieben gelagert, sondern sie sind nur verschwenkbar, das heißt über einen begrenzten Winkelbereich auslenkbar. Regelmäßig ist dieser Winkelbereich auf +/- 90° gegenüber einer Grundstellung der Rotorblätter begrenzt, in der die Rotorblätter radial zu der Hochachse verlaufen. Vielfach ist der mögliche Schwenkwinkel der Rotorblätter jedoch kleiner, das heißt die Rotorblätter sind in beiden Richtungen um ihre Schwenkachsen um nicht mehr als 80° oder 60° aus ihrer radial zu der Hochachse verlaufenden Grundstellung heraus verschwenkbar. Der Schwenkwinkel kann auch noch kleiner sein und beispielsweise auf +/- 45°, das heißt einen Vollwinkel von 90° beschränkt sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler führen die Schwenkbewegungen der Rotorblätter grundsätzlich nicht zu einer Verlagerung des Schwerpunkts des Hauptrotors. Unabhängig von ihren Schwenkstellungen liegen die Schwerpunkte der Rotorblätter immer auf ihren Schwenkachsen, und der Schwerpunkt des gesamten Hauptrotors liegt immer auf der Hochachse. Damit ist die Voraussetzung dafür geschaffen, die Geschwindigkeit der Blattspitzen auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors mit Hilfe der Schwenkbewegungen der Rotorblätter genauso zu reduzieren wie die Geschwindigkeit der Anströmung der radial außen liegenden Bereiche der Rotorblätter auf der rücklaufende Seite des Hauptrotors zur Steigerung des Staudrucks und entsprechend des Auftriebs zu erhöhen und somit auch bei deutlich höheren Fluggeschwindigkeiten, als sie konventionelle Hubschraubern erreichen, noch die Steuer- und Fliegbarkeit zu gewährleisten.
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Die mittig gelagerten Rotorblätter haben aber auch noch darüber hinaus gehende positive Effekte. Die Reduktion der Vorwärtsgeschwindigkeit der äußeren Blattspitzen auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors führt zu einer höheren Geschwindigkeit der Anströmung der gegenläufig verschwenkten inneren Blatthälften der Rotorblätter und dadurch zu einem gesteigerten Staudruck sowie Auftrieb im Bereich der inneren Blatthälften der vorlaufenden Seite. Entsprechend führt die erhöhte Geschwindigkeit der äußeren Blattspitzen auf der rücklaufenden Seite zu einer derart entgegen der Umlaufrichtung des Rotors reduzierten Geschwindigkeit der inneren Blatthälften, dass sich an deren Hinterkanten ebenfalls ein zur Auftriebsausbildung ausreichender Staudruck entwickelt, eine entsprechende Steuerung des Anstellwinkels der Rotorblätter vorausgesetzt.
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Dabei sind die Rotorblätter bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler über ihre Schwenkachsen hinweg auch aerodynamisch gut ausbalancierbar. Auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors ist der Staudruckunterschied zwischen den äußeren und den inneren Blatthälften ohne die Schwenkbewegung der Rotorblätter um ihre Schwenkachsen deutlich höher als mit Schwenkbewegung. Auf der rücklaufenden Seite des Hauptrotors stehen der Schwenkbewegung der äußeren Blatthälften grundsätzlich geringere Staudrücke an den Vorderkanten der äußeren Blatthälften und den Hinterkanten der inneren Blatthälften entgegen. Mit anderen Worten werden die gewünschten Schwenkbewegungen der Rotorblätter bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler auf der vorlaufenden Seite seines Hauptrotors aerodynamisch unterstützt und auf der rücklaufenden Seite nicht behindert.
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Dennoch ist bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler eine Schwenkeinrichtung vorhanden, die dann, wenn sie sich in ihrem aktivierten Zustand befindet, die Rotorblätter gegenüber den Auslegern um die Schwenkachsen verschwenkt, und dies abhängig von Drehstellungen der Ausleger um die Hochachse gegenüber einer Längsachse des Drehflüglers. Diese bedeutet nichts anderes, als das die Rotorblätter auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors einerseits und der rücklaufenden Seite des Hauptrotors andererseits in einer entgegengesetzten Schwenkrichtung verschwenkt werden, wenn die Schwenkeinrichtung aktiv ist. Konkret verschwenkt die aktive Schwenkeinrichtung die radial außen liegende Blatthälften der Rotorblätter in Umlaufrichtung um die Hochachse auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors nach hinten und auf der rücklaufenden Seite des Hauptrotors nach vorne.
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Wenn die Schwenkeinrichtung hingegen in ihrem inaktivierten Zustand ist, hält sie die Rotorblätter in ihrer Grundstellung, in der sie radial zu der Hochachse verlaufen. Insbesondere ist die Schwenkeinrichtung für den Schwebeflug des erfindungsgemäßen Drehflüglers zu inaktivieren, also immer dann, wenn es zumindest keine ausgeprägten vorlaufenden und rücklaufenden Seiten des Hauptrotors gibt. Der von der Schwenkbewegung der Rotorblätter sinnvoller Weise überstrichene Winkelbereich hängt von der Fluggeschwindigkeit ab; er ist null im Schwebeflug und maximal bei maximaler Fluggeschwindigkeit.
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Auch wenn die gewollte Schwenkbewegung der Rotorblätter des erfindungsgemäßen Drehflüglers auf der vorlaufende Seite seines Hauptrotors aerodynamisch unterstützt wird, ist es sinnvoll, wenn die Rotorblätter derart gegen Rückstellkräfte aus Ihren Grundstellungen, in denen sie radial zu der Hochachse verlaufen, verschwenkbar sind, dass zumindest bei einer Designdrehfrequenz des Hauptrotors um die Hochachse eine Eigenfrequenz von Schwenkbewegungen der Rotorblätter um die Schwenkachsen gleich dieser Designdrehfrequenz des Hauptrotors um die Hochachse ist. Bei der Eigenfrequenz ist das Erreichen großer Amplituden der Schwenkbewegungen mit geringen Erregerkräften möglich. Hierbei bedeutet die Gleichheit der Eigenfrequenz der Schwenkbewegungen und der Drehfrequenz des Hauptrotors nicht zwingend, dass diese exakt identisch sein müssen. Es reicht aus, wenn die beiden Werte nahe beieinander liegen, um die mechanischen Belastungen der Schwenkeinrichtung beim Verschwenken der Rotorblätter zu reduzieren.
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Da die Rotorblätter des erfindungsgemäßen Drehflüglers um ihre Schwenkachsen ausbalanciert sind, handelt es sich um keine Fliehkraftpendel, deren Pendeleigenfrequenz proportional mit der Drehfrequenz des Hauptrotors ansteigt. Die Rotorblätter erfahren zwar aufgrund der vom Abstand zur Rotorachse abhängigen Zentripetalkräfte eine Stabilisierung ihrer radial zu der Hochachse ausgerichteten Grundstellung. Zum Erreichen einer geeigneten Eigenfrequenz der Schwenkbewegungen der Rotorblätter um ihre Schwenkachsen bedarf es aber einer zusätzlichen elastischen Abstützung der Rotorblätter an den Auslegern. Diese elastische Abstützung kann mit mechanischen Federn, Gasfedern oder magnetischen Federn bewirkt werden. Dabei kann eine Steifigkeit der Rückstellkräfte variierbar sein, um die Eigenfrequenz der Schwenkbewegung der Rotorblätter um die Schwenkachsen an die aktuelle Drehfrequenz des Hauptrotors um die Hochachse adaptiv anzupassen. Dem Fachmann sind hierfür geeignete Maßnahmen geläufig.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler müssen die Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse mehr als 50 % eines Radius des Hauptrotors betragen, weil die einzelnen Rotorblätter ansonsten angesichts ihrer mittigen Lagerung an den Auslegern über die Hochachse überstehen und mit den anderen Rotorblättern kollidieren würden. Konkret können die Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse zwischen 55 % und 70 % des Radius des Hauptrotors betragen; für heute übliche und auch für den erfindungsgemäßen Drehflügler vorgesehene Rotorblätter mit etwa 80 % des Radius seines Hauptrotors überdeckenden profilierten Blattbereichen wäre die Schwenkachse bei 60 % des Radius des Hauptrotors gelegen. Mithilfe ausreichend großer Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse wird vermieden, dass die Rotorblätter miteinander kollidieren. Eine Kollisionsgefahr besteht aber überhaupt nur bei mehr als zwei Rotorblättern, wobei jeweils von einer drehsymmetrischen Anordnung der Rotorblätter bezüglich der Hauptachse ausgegangen wird. Wenn drei Rotorblätter vorhanden sind, besteht schon bei Abständen der Schwenkachsen zu der Hochachse von 55 % des Radius des Hauptrotors, für den die Rotorblätter in ihrer Grundstellung zu betrachten sind, keine Gefahr mehr von Kollisionen der Rotorblätter. Oberhalb von 58 %, das heißt ab etwa 60 % kollidieren auch vier Rotorblätter sicher nicht mehr miteinander, auch wenn sie stark verschwenkt werden. Umgekehrt sind die Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse nicht zu groß zu wählen, um den Hauptrotor des erfindungsgemäßen Drehflüglers bezüglich seines Radius möglichst effizient zu halten. So sollten die Abstände der Schwenkachsen zu der Hochachse bei vier Rotorblättern nicht größer als 65 % des Radius des Hauptrotors sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler ist typischerweise eine konventionellen Hubschraubern entsprechende Einstelleinrichtung vorgesehen, welche die Anstellwinkel der Rotorblätter gegenüber einer Rotationsebene des Hauptrotors einstellt, und zwar abhängig von der Drehstellung der Ausleger um die Hochachse gegenüber einer Längsachse des Drehflüglers. Dies bedeutet insbesondere, dass die Anstellwinkel der Rotorblätter - wie bei einem herkömmlichen Hauptrotor mit einer Taumelscheibe - auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors kleiner eingestellt werden als auf der rücklaufenden Seite des Rotorblatts, um den Auftrieb auf beiden Seiten auszubalancieren.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehflüglers sind die Rotorblätter im Bereich der Schwenkachsen jeweils in zwei Blattteile geteilt, die jeweils einer Blatthälfte entsprechen. Weiterhin ist die Einstelleinrichtung so ausgebildet, dass in zumindest einer Drehstellung der Ausleger um die Hochachse gegenüber der Längsachse des Drehflüglers unterschiedliche Anstellwinkel der beiden Blattteile, das heißt der beiden Blatthälften des jeweiligen Rotorblatts, gegenüber der Rotationsebene des Hauptrotors einstellbar sind. Insbesondere kann die Einstelleinrichtung die radial innen liegenden Blattteile auf der rücklaufenden Seite des Hauptrotors gegenüber der Rotationsebene des Hauptrotors so anstellen, dass ihre Hinterkanten nach oben weisen. Damit wird ein durch die Schwenkbewegung der Rotorblätter an den Hinterkanten der rückwärts angeströmten inneren Blatthälften erhöhter Staudruck zur Ausbildung von Auftrieb nutzbar.
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Wie schon ausgeführt wurde, ist der erfindungsgemäße Drehflügler insbesondere ein Hubschrauber mit einem Drehantrieb zum Antreiben des Hauptrotors um die Hochachse.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
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Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber in einer Ansicht von oben.
- 2 bis 5 zeigen einen Hauptrotor des Hubschraubers gemäß 1 im Schwebeflug in vier um jeweils 30° zueinander versetzten Drehstellungen um seine Hochachse.
- 6 bis 12 zeigen den Hautprotor des Hubschraubers gemäß 1 bei hoher Fluggeschwindigkeit in sieben aufeinander folgenden und um jeweils 15° zueinander versetzten Drehstellung um seine Hochachse mit einer Schwenkbewegungen seiner Rotorblätter, die eine Amplitude von 45° aufweisen.
- 13 zeigt die Verteilung der dimensionslosen Anströmgeschwindigkeit über den Radius des Hauptrotors für eine Rotorumdrehung bei einer Fluggeschwindigkeit von 50 % der Blattspitzengeschwindigkeit ohne ein Verschwenken der Rotorblätter des Hauptrotors.
- 14 ist eine 13 entsprechende Auftragung mit Schwenkbewegungen der Rotorblätter gemäß den 6 bis 12, die hier eine Amplitude von 60° aufweisen.
- 15 ist eine 13 entsprechende Auftragung des dimensionslosen Staudrucks an der Rotorblattvorderkante.
- 16 ist eine 14 entsprechende Auftragung des dimensionslosen Staudrucks an der Rotorblattvorderkante, und
- 17 bis 20sind den 13 bis 16 entsprechende Auftragungen für eine doppelte Fluggeschwindigkeit konventioneller Hubschrauber, hier mit 75 % der Blattspitzengeschwindigkeit, und einer Amplitude der Schwenkbewegungen der Rotorblätter von 90°.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt schematisch in einer Ansicht von oben längs seiner Hochachse
1 einen Hubschrauber
2 als Beispiel für einen Drehflügler
3. Um die Hochachse
1 ist ein Hauptrotor
4 des Hubschraubers
2 gegenüber einer Hubschrauberzelle
5 drehbar gelagert und von einem nicht separat dargestellten Drehantrieb angetrieben. Von der Hubschrauberzelle
5 steht ein Ausleger
6 mit einem Heckrotor
7 nach hinten ab. Der Hauptrotor
4 weist hier 4 Rotorblätter
8 bis
11 auf, die jeweils mittig bezüglich ihrer Erstreckung in ihrer Haupterstreckungsrichtung um eine parallel zu der Hochachse
1 verlaufende Schwenkachse
12 bis
15 an einem starren Ausleger
16 bis
19 eines Kopfs
20 des Hauprotors
4 gelagert sind. Auch wenn die Erfindung hier am Beispiel eines Drehflüglers
3 mit einem Hauptrotor
4 mit vier Rotorblättern
8 bis
11 erläutert wird, ist sie auf Hauptrotoren mit anderen Blattzahlen übertragbar. Das Hauptmerkmal der Erfindung ist es, dass an starren Auslegern des Rotorkopfs, bei etwa 60 % des Radius des Hauptrotors
4 die Rotorblätter
8 bis
11 um die Schwenkachsen
12 bis
15 verschwenkbar gelagert sind. Dabei werden die Rotorblätter
8 bis
11 wie die Rotorblätter eines konventionellen Hauptrotors kollektiv und zyklisch angesteuert.
1 zeigt die Rotorblätter
8 bis
11 in ihren Grundstellungen, in denen sie radial zu der Hochachse
1 ausgerichtet sind. In diese Grundstellung um die Schwenkachsen
12 bis
15 werden die Rotorblätter
8 bis
11 durch nicht separat dargestellte Drehfedern elastisch beaufschlagt, die eine solche Steifigkeit aufweisen, dass bei einer Drehfrequenz des Hauptrotors
4 um die Hochachse
1 eine Eigenfrequenz der Schwenkbewegungen der Rotorblätter
8 bis
11 um ihre Schwenkachsen
12 bis
15 gleich dieser Drehfrequenz ist. Somit erfolgen die Schwenkbewegungen in Resonanz und sind mit geringen Kräften ausführbar. Ausgestaltungen einer dafür geeigneten Schwenkeinrichtung sind der
DE 1 015 318 A und weiteren Publikationen zum Derschmidt-Rotor zu entnehmen.
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Im Schwebeflug des Hubschraubers 2 bleiben die Rotorblätter 8 bis 11, wie die 2 bis 5 zeigen, in ihren Grundstellungen. Sie bilden damit im Prinzip einen konventionellen Hauptrotor 4 aus.
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Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit werden die Rotorblätter 8 bis 11 zu Schwenkbewegungen mit zunehmender Amplitude gezwungen, wie sie die 6 bis 12 zeigen. Diese Schwenkbewegungen der Rotorblätter 8 bis 11 erfolgen derart, dass an der vorlaufenden Seite des Hauptrotors, die in den 6 bis 12 oben liegt, eine maximale Schwenkgeschwindigkeit der äußeren Blatthälften der Rotorblätter 8 bis 11 gegen die Drehbewegung des Hauptrotors erreicht wird. Auf der rücklaufenden Seite, die in den 6 bis 12 unten liegt, wird hingegen eine maximale Schwenkgeschwindigkeit der äußeren Blatthälften in der Drehrichtung des Hauptrotors 4 erreicht. Damit wird auf der vorlaufenden Seite ab 60 % des Radius die Anströmgeschwindigkeit und damit der Staudruck reduziert, innerhalb von 60 % des Radius jedoch erhöht, sodass über das jeweilige Rotorblatt 8 bis 11 gesehen, je nach Amplitude der Schwenkbewegung, der Staudruck konstant gehalten oder sogar nach innen hin vergrößert werden kann. Auf der rücklaufenden Seite wird ab 60 % des Radius des Hauptrotors 4 der Staudruck entsprechend vergrößert, sodass das auf der vorlaufenden Seite erzeugte aerodynamische Rollmoment durch den langen Hebelarm auf der rücklaufenden Seite auch bei Geschwindigkeiten oberhalb derjenigen konventioneller Hubschrauber ausgeglichen werden kann.
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Im Einzelnen verläuft in den 6 bis 12 die Anströmung des Hauptrotors 4 von links nach rechts. Demzufolge ist das jeweils rechte Rotorblatt in der hinteren Position, das obere Rotorblatt auf der vorlaufenden Seite des Hauptrotors 4, das linke Rotorblatt über dem Cockpit angeordnet und das untere Rotorblatt auf der rücklaufenden Seite. Gemäß 12 sind in der hinteren Position über dem Ausleger und in der vorderen Position über dem Cockpit die Rotorblätter gegenüber ihrer Grundstellung jeweils maximal ausgelenkt, während die Auslenkung des oberen Blattes auf der vorlaufenden Seite und des unteren Blattes auf der rücklaufenden Seite des Hauptrotors jeweils gerade null ist. An diesen beiden Positionen kommt es nicht auf die maximale Auslenkung, sondern auf die maximale Geschwindigkeit der Schwenkbewegung der Rotorblätter 8 bis 11 um ihre Schwenkachsen 12 bis 16 an.
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Wenn die in den 6 bis 12 illustrierten Schwenkbewegungen der Rotorblätter 8 bis 11 bei einer theoretisch maximalen Fluggeschwindigkeit konventioneller Hubschrauber von ca. 50 % der Blattspitzengeschwindigkeit im Schwebeflug mit einer Amplitude von 45°ausgeführt werden, ergeben sich die in 14 für eine Rotorumdrehung illustrierten Anströmgeschwindigkeiten über den Radius des Hauptrotors 4. In 13 ist im Vergleich dazu die Verteilung der Anströmgeschwindigkeiten dargestellt, die sich ohne diese Schwenkbewegungen bei einem herkömmlichen Hauptrotor 4 ergibt. Auf der vorlaufenden Seite, bei 0,25 der Umdrehung, ergibt sich mit den Schwenkbewegungen gemäß 14 eine fast konstante Geschwindigkeitsverteilung über den Radius, deren maximaler Wert deutlich unter demjenigen in 13 bleibt. Auf der rücklaufenden Seite, bei 0,75 der Umdrehung wird die Anströmgeschwindigkeit der äußeren Blatthälfte fast bis auf das Niveau derjenigen im Schwebeflug, die dem Wert 1 entspricht, angehoben. Bei den in 16 für den Fall mit den Schwenkbewegungen der Rotorblätter 8 bis 11 und in 15 zum Vergleich ohne Schwenkbewegungen dargestellten Verteilungen des Staudrucks über den Radius des Hauptrotors 4 treten diese Unterschiede noch deutlicher hervor.
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18 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung der Anströmgeschwindigkeiten bei einer etwa doppelten Fluggeschwindigkeit konventioneller Hubschrauber, konkret mit 75 % der Blattspitzengeschwindigkeit im Schwebeflug, entsprechend etwa 570 km/h, wobei die Amplitude der Schwenkbewegungen der Rotorblätter 90° beträgt. 17 zeigt den Vergleichsfall ohne Schwenkbewegungen der Rotorblätter 8 bis 11. Deutlich wird wieder, dass auf der vorlaufenden Seite bei 0,25 Umdrehung die Anströmgeschwindigkeit durch die Schwenkbewegungen niedrig und konstant gehalten wird, während bei 0,75 Umdrehung zumindest an der äußeren Blatthälfte noch eine Anströmgeschwindigkeit von etwa 75 % derjenigen beim Schwebeflug erreicht wird.
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Die in 19 und 20 illustrierten Staudruckverteilungen zeigen, dass die große Staudruckspitze am vorlaufenden Blatt gemäß 19 durch die Schwenkbewegungen gemäß 20 weitgehend abgebaut wird, indem der Maximalwert von 3,06 auf 1,5 reduziert wurde. Am rücklaufenden Blatt wurde hingegen gegenüber dem Minimalwert von 0,06 mit 0,56 erheblich Staudruck aufgebaut und damit Auftriebsfähigkeit gewonnen. 20 zeigt dabei noch nicht die Möglichkeit auf, durch eine umgekehrte Anstellung der inneren Blatthälfte auf der rücklaufenden Seite Auftrieb durch die Rückanströmung der inneren Blatthälfte zu generieren. Mit Hilfe dieses Staudruckes ist eine Trimmung des Rotors auch bei so hohen Fluggeschwindigkeiten möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochachse
- 2
- Hubschrauber
- 3
- Drehflügler
- 4
- Hauptrotor
- 5
- Hubschrauberzelle
- 6
- Ausleger
- 7
- Heckrotor
- 8-11
- Rotorblatt
- 12-15
- Schwenkachse
- 16-19
- Ausleger
- 20
- Rotorkopf
