DE1156317B

DE1156317B - Blade pitch adjustment device for helicopters

Info

Publication number: DE1156317B
Application number: DEU7359A
Authority: DE
Inventors: Peter J Arcidiacono
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1959-09-30
Filing date: 1960-08-02
Publication date: 1963-10-24

Description

Blatteinstellwinkelverstellvorrichtung für Hubschrauber Die Erfindung betrifft eine Blatteinstellwinkelverstellvorrichtung für Hubschrauber, die mindestens ein Schraubenblatt aufweisen.Blade pitch angle adjustment device for helicopters The invention relates to a blade pitch angle adjustment device for helicopters, which at least have a screw blade.

Es sind Verstelleinrichtungen für den Blattwinkel bekannt, die, soweit die Blattwinkelverstellung periodisch erfolgt, nur eine Blattschwingung je Umdrehung hervorrufen. Ebenso ist es auch bekannt, daß die Hubschrauberblätter z. B. infolge ihrer Elastizität zusätzlich zu den aufgezwungenen und gewollten Bewegungen weitere Verstellbewegungen ausführen.There are known adjusting devices for the blade angle, so far the blade angle adjustment takes place periodically, only one blade oscillation per revolution cause. It is also known that the helicopter blades z. B. as a result their elasticity in addition to the forced and wanted movements Carry out adjustment movements.

Es hat sich herausgestellt, daß die von einem Hubschrauber im Vorwärtsflug erzielbare maximale Steiggeschwindigkeit erhöht werden kann, wenn die Schraubenblätter noch weitere mit einer Periode je Läuferumdrehung wiederkehrende Verstellbewegungen ausführen. Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf eine zusätzliche Vorrichtung zum Herbeiführen von den ersteren Blattwinkelverstellbewegungen der Schraubenblätter überlagerten zusätzlichen Blattwinkelverstellbewegungen in solcher Weise, daß die resultierenden Blattwinkelverstellbewegungen der Schraubenblätter nach jeder Umdrehung wiederkehren, aber von der ersten Harmonischen abweichen. Zweckmäßig beträgt die resultierende Frequenz der einander überlagerten Schwenkbewegungen zwei oder mehr Perioden.It has been found that from a helicopter flying forward achievable maximum rate of climb can be increased if the propeller blades further recurring adjustment movements with one period per rotor revolution carry out. To this end, the invention relates to an additional device for bringing about the former blade angle adjustment movements of the propeller blades superimposed additional blade angle adjustment movements in such a way that the resulting blade angle adjustment movements of the propeller blades after each revolution recur but deviate from the first harmonic. Appropriately this is resulting frequency of the superimposed pivoting movements two or more Periods.

Zur praktischen VerwirklichunLy sieht die Erfindung einen an sich bekannten dreh- und kippbaren, von einer undrehbaren verstellbaren Taumelscheibe geführten Verstellring und eine Vorrichtung zum Herbeiführen der überlagerten zusätzlichen Schwenkbewegungen der Schraubenblätter aus einer Einrichtung zum Erzeugen einer relativen Taumelbewegung der Achse des Verstellringes gegenüber der Achse der Taumelscheibe vor. In der Taumelscheibe ist dabei eine Nockenbahn und in dem Verstellring ein in der Nockenbahn liegender Nocken vorgesehen.For practical implementation, the invention sees one in itself known rotatable and tiltable, from a non-rotatable adjustable swash plate guided adjusting ring and a device for bringing about the superimposed additional Pivoting movements of the screw blades from a device for generating a relative wobble movement of the axis of the adjusting ring with respect to the axis of the swash plate before. There is a cam track in the swash plate and a cam track in the adjusting ring Provided in the cam track lying cams.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung gehen von dem Verstellring radial die Nocken tragende Arme aus, auf denen zu den Schraubenblättern führende Stangen angelenkt sind. Weiter sieht die Erfindung ein Scherengetriebe zum gemeinsamen gleichsinnigen Verstellen der Anstellwinkel durch Verschieben des Verstellringes entlang der Läuferachse vor.According to a further proposal of the invention go from the adjusting ring arms carrying the cams radially, on which leading to the screw blades Rods are hinged. The invention also provides a scissors gear for common adjust the angle of attack in the same direction by moving the adjusting ring along the rotor axis.

Als Beispiel für die Erfindung wird im Folgenden eine Ausführung beschrieben, wobei gleichzeitig Wirkungsweise und. Vorteile erläutert werden. Zur Erläuterung dienen weiter die Zeichnungen.As an example of the invention, an embodiment is described below, whereby at the same time mode of action and. Advantages are explained. In order to explain continue to serve the drawings.

Fig.1 zeigt den Vergleich des Verlaufs des Anstellwinkels an der Blattspitze für einen üblichen Rotor und für einen idealen Rotor; Fig. 2 zeigt den Vergleich des Verlaufs des Anstellwinkels an der Blattspitze für einen Rotor mit einer höherharmonischen Segelstellung mit demjenigen eines idealen Rotors; Fig. 3 ist eine perspektivische Teildarstellung eines Hubschrauber-Rotorkopfes mit einem Taumelscheiben-Nockenmechanismus; Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt der in Fig. 3 dargestellten Partie; Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Rotorkopfes und seiner Handbetätigungsorgane.1 shows the comparison of the course of the angle of attack at the blade tip for a common rotor and for an ideal rotor; Fig. 2 shows the comparison the course of the angle of attack at the blade tip for a rotor with a higher harmonic Feathering with that of an ideal rotor; Fig. 3 is a perspective Partial representation of a helicopter rotor head with a swash plate cam mechanism; Figure 4 is a schematic cross-section of the portion shown in Figure 3; Fig. Figure 5 is a schematic representation of the rotor head and its manual controls.

Die von einem Hubschrauber erreichbare maximale Vorwärtsgeschwindigkeit ist begrenzt durch das Auftreten eines Abreißens an den zurücklaufenden Rotorlügeln. Eine Untersuchung des Verlaufs des Anstellwinkels der Flügel bei Abreißgeschwindigkeit zeigt, daß das Abreißen auf einen verhältnismäßig kleinen Teil der zurücklaufenden Hälfte des Rotors beschränkt ist, beispielsweise auf den in Fig.1 mit 10 bezeichneten Bereich unmittelbar unterhalb der Linie 12 für den Anstellwinkel. Ein derartiger Verlauf des Anstellwinkels (mit einem großen Bereich ohne Abreißen) ist unwirtschaftlich, weil die volle, in Steigleistung umsetzbare Leistung des nicht im Abreißbereich befindlichen Teils des Rotors nicht verwirklicht werden kann. Der ideale Verlauf des Anstellwinkels eines Rotors bei Abreißen ist in Fig.1 durch die Kurve 14 dargestellt. Hier erfolgt das Abreißen gleichzeitig in allen Teilen des Rotors mit Ausnahme der vorlaufenden Seite, wo geringere Anstellwinkel erforderlich sind, um das Rollmoment des Rotors möglichst auf Null zu halten. Dieses Erfordernis des Rollmoments ergibt sich aus der Tatsache, daß jeder Flügel an seinem Innenende mittels eines Schwingscharniers aufgehängt ist.The maximum forward speed that a helicopter can achieve is limited by the occurrence of tearing on the retracting rotor blades. An investigation of the course of the angle of attack of the wings at tear-off speed shows that the tearing affects a relatively small part of the receding Half of the rotor is limited, for example to that designated in Figure 1 with 10 Area immediately below line 12 for the angle of attack. One of those The course of the angle of attack (with a large area without tearing off) is uneconomical, because the full performance of the, which can be converted into climbing performance, is not in the tear-off area located part of the rotor can not be realized. The ideal course the angle of attack of a rotor when it breaks is shown in FIG. Here the tearing off takes place simultaneously in all parts of the Rotor with the exception of the leading side, where smaller angles of attack are required, in order to keep the rolling moment of the rotor as low as possible. This requirement of the Roll moment arises from the fact that each wing at its inner end means a swing hinge is suspended.

Wenn der Verlauf des Anstellwinkels des Rotors bei Abreißgeschwindigkeit dem Idealverlauf so nahe wie möglich angeglichen wird; so gibt der Rotor eine größere Maximalsteigleistung ab. Diese größere Steigleistung kann dazu herangezogen werden, um bei gegebener Vorwärtsgeschwindigkeit ein größeres Fluggewicht zu tragen, oder an Stelle dessen zur Vorwärtsbewegung eines bestimmten Fluggewichts mit größerer Vorwärtsgeschwindigkeit.If the course of the angle of attack of the rotor at tear-off speed is adjusted as closely as possible to the ideal course; so the rotor gives a bigger one Maximum climbing power from. This greater climbing power can be used to to carry a greater weight in flight at a given forward speed, or instead of moving a certain flight weight forward with greater Forward speed.

Gemäß der Erfindung wird der Anstellwinkelverlauf eines Rotors durch Steuerung der Segelstellung der Rotorfiügel in der zweiten oder einer höheren Harmonischen beeinfiußt. Die zur Zeit bei üblichen Rotoren verwendete Segelstellungssteuerung in der ersten Harmonischen (einmalige Blattwinkelverstellung bei jeder Umdrehung) kann nicht zur Beeinflussung des Anstellwinkelverlaufs herangezogen werden, weil das dadurch bewirkte Flattern die gewünschten Wirkungen aufhebt. Das Flattern bei höherfrequenter Blattwinkelverstellung ist jedoch wesentlich geringer. Fig. 2 zeigt die Wirkung einer Anwendung der optimalen Kombination einer Segelstellungssteuerung der Rotorftügel in der zweiten und dritten Harmonischen. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, verbessert die Anwendung einer solchen Steuerung tatsächlich den Verlauf des Rotoranstellungswinkels. Es hat sich gezeigt, daß die Geschwindigkeit eines typischen Hubschraubers durch Anwendung einer Steuerung in der zweiten und dritten Harmonischen ganz erheblich erhöht. werden kann.According to the invention, the angle of attack of a rotor is through Control of the wing position of the rotor blades in the second or a higher harmonic affected. The feathering control currently used in common rotors in the first harmonic (one-time blade angle adjustment with each revolution) cannot be used to influence the course of the angle of attack because the resulting flutter cancels the desired effects. The flutter at However, higher-frequency blade angle adjustment is much lower. Fig. 2 shows the effect of applying the optimal combination of feathering control the rotor blade in the second and third harmonic. As shown in FIG the use of such control actually improves the performance of the Rotor pitch angle. It has been shown that the speed of a typical Helicopter by applying a second and third harmonic control increased quite considerably. can be.

Die Anstellwinkelverstellbewegung gemäß dieser Erfindung und die Erzielung eines Verlaufs des Anstellwinkels genau entsprechend der in Fig. 2 eingezeichneten Linie werden durch den in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Mechanismus erzielt.The pitch adjustment movement of this invention and its achievement a course of the angle of attack exactly corresponding to that shown in FIG Line are achieved by the mechanism shown in Figures 3-5.

In den Fig. 3 und 4 ist der Hubschrauber-Rotorkopf insgesamt mit 20 bezeichnet; er weist eine Anzahl von Flügeln 22 und 24 auf, die zwecks Veränderung ihres Anstellwinkels um ihre jeweiligen Flügelachsen verschwenkbar auf einem Joch 26 bzw. 28 gelagert sind. Das Joch 26 und 28 weist je ein Schwingenscharnier 30 bzw. 32 auf, die beide mit einem Tragblock 34 verbunden sind. Zur Erleichterung der Darstellung sind die üblichen Schwenkgelenke nicht dargestellt. Der Tragblock 34 ist mit einer Antriebswelle 38 verbunden, deren Antrieb von einer Antriebsanlage 40 aus erfolgt. Eine insgesamt mit 44 bezeichnete Taumelscheibe weist die Form einer Scheibe mit einer inneren Hülse 46 und einer äußeren Hülse 48 auf.In FIGS. 3 and 4, the helicopter rotor head is designated as a whole by 20; it has a number of blades 22 and 24, which are mounted on a yoke 26 and 28 so as to be able to pivot about their respective blade axes in order to change their angle of attack. The yoke 26 and 28 each have a swing hinge 30 and 32, respectively, which are both connected to a support block 34. To simplify the illustration, the usual swivel joints are not shown. The support block 34 is connected to a drive shaft 38, which is driven by a drive system 40 . A swash plate designated overall by 44 has the shape of a disk with an inner sleeve 46 and an outer sleeve 48.

Die Antriebswelle 38 verläuft durch die Innenhülse 46, um den Tragblock 34 und damit die Rotorflügel anzutreiben. In der Zeichnung ist der Bequemlichkeit halber eine Antriebswelle dargestellt, jedoch ist die Erfindung auch auf Rotoren mit von den Spitzen her angetriebenen Blättern anwendbar.The drive shaft 38 extends through the inner sleeve 46 to the support block 34 and thus to drive the rotor blades. In the drawing there is convenience shown for the sake of a drive shaft, but the invention is also applicable to rotors applicable with blades driven from the tips.

Die Taumelscheibe 44 ist durch geeignete Teile gegen Verdrehung gesichert und über eine kardanische Verbindung 52 mit der Antriebswelle 38 verbunden. Infolgedessen kann die Taumelscheibe 44 gegenüber der Antriebswelle 38 sowohl verschwenkt als auch in vertikaler Richtung verschoben werden, so daß die übliche periodische Anstellwinkelverstellung in der ersten Harmonischen wie auch die gleichsinnige Blattwinkelverstellung vorgenommen werden können. Auf der Innenhülse 46 der Taumelscheibe ist drehbar über ein Kugellager oder ein sonstiges Lager eine zweite Hülse 54 gelagert, deren Drehantrieb durch ein übliches Scherengetriebe 95 und 97 (oder einen anderen hierzu geeigneten Mechanismus) erfolgt und die eine Reihe von Schwenkzapfen 58 für nach außen verlaufende Arme 60, 62 aufweist, die an ihren äußeren Enden Walzen oder Kugellager 64 tragen. Diese Walzen oder Kugellager liegen an einer Nockenbahn 68 an, die nach innen offen in der äußeren Hülse 48 vorgesehen ist. An den Hebeln 60 und 62 sind Schwenklagerungen 70 und 72 für vertikale Hebel 74 und 76 vorgesehen. Diese vertikalen Hebel sind ihrerseits mit den Blattwinkelverstellarmen 80 und 82 des Joches 26 und 28 verbunden. Es ist ersichtlich, daß bei jeder Schwenkstellung der Taumelscheibe 44 die Bewegung des Blattes zwecks Veränderung des Anstellwinkels nicht nur in der durch eine normale ebene Taumelscheibe hervorgerufenen ersten Harmonischen erfolgt, sondern daß dieser Veränderung in der ersten Harmonischen eine weitere Veränderung in der zweiten oder sogar einer höheren Harmonischen oder in einer Kombination hiervon, abhängig von der Formgebung der Nockenbahn 68, überlagert wird.The swash plate 44 is secured against rotation by suitable parts and connected to the drive shaft 38 via a cardanic connection 52. Consequently the swash plate 44 can be both pivoted relative to the drive shaft 38 as can also be shifted in the vertical direction, so that the usual periodic adjustment of the angle of attack made in the first harmonic as well as the blade angle adjustment in the same direction can be. On the inner sleeve 46 the swash plate is rotatable via a ball bearing or another bearing mounted a second sleeve 54, the rotary drive by a standard scissor gear 95 and 97 (or any other suitable mechanism) and the one series of pivot pins 58 for outwardly extending arms 60, 62, which carry rollers or ball bearings 64 at their outer ends. These Rollers or ball bearings are in contact with a cam track 68 which is open inwards in the outer sleeve 48 is provided. There are pivot bearings on the levers 60 and 62 70 and 72 for vertical levers 74 and 76. These vertical levers are in turn connected to the blade angle adjustment arms 80 and 82 of the yoke 26 and 28. It can be seen that in each pivot position of the swash plate 44 the movement of the blade for the purpose of changing the angle of attack not only in the normal flat swash plate caused first harmonic takes place, but that this Change in the first harmonic another change in the second or even a higher harmonic or a combination thereof, depending on the shape of the cam track 68 is superimposed.

In Fig. 5 ist der Rotorkopf lediglich schematisch dargestellt, da diese Figur nur zur vereinfachten Erläuterung der Handsteuerungen des Rotorkopfes dienen soll. Die Taumelscheibe 44 ist mit dem Tragblock 34 über ein geeignetes Gestänge 74 verbunden, wovon der Übersichtlichkeit halber nur ein einziges dargestellt ist. Die Antriebswelle 38 ist mit dem Tragblock 34 und dem Rotorblatt 22 verbunden. Die gleichsinnige Blattwinkelverstellung erfolgt durch eine nach unten vorstehende Hülse 90, die eine Verlängerung der inneren Hülse 46 der Taumelscheibe nach unten bildet. Die Hülse 90 ist mit einem Gabelhebel 92 und einem Steuerknüppel 94 für die gleichsinnige Blattwinkelverstellung verbunden.In Fig. 5, the rotor head is only shown schematically because this figure only for a simplified explanation of the manual controls of the rotor head should serve. The swash plate 44 is connected to the support block 34 via a suitable linkage 74 connected, only one of which is shown for the sake of clarity. The drive shaft 38 is connected to the support block 34 and the rotor blade 22. the blade angle adjustment in the same direction takes place through a downwardly protruding sleeve 90, which forms an extension of the inner sleeve 46 of the swash plate downwards. The sleeve 90 is equipped with a fork lever 92 and a joystick 94 for the same direction Blade angle adjustment connected.

Die Taumelscheibe 44 weist ferner nach außen ragende Arme 100 und 102 auf, die mit vertikal verlaufenden Hebeln 104 und 106 gelenkig verbunden sind. Die vertikalen Hebel 104 und 106 sind, wie Fig. 5 zeigt, durch weitere Winkelhebel, Stangen usw. mit einem handbetätigten Steuerknüppel 112 für die periodische Blattwinkelverstellung verbunden. Dieser Steuerknüppel kann um einen Zapfen 114 nach beiden Seiten und um einen Zapfen 116 nach vorn und hinten verschwenkt werden, um die gewünschte Schwenkbewegung der Taumelscheibe 44 zu erzielen.The swash plate 44 also has outwardly projecting arms 100 and 102 which are articulated to vertically extending levers 104 and 106. The vertical levers 104 and 106 are, as FIG. 5 shows, connected by further angle levers, rods, etc. to a manually operated control stick 112 for the periodic blade angle adjustment. This control stick can be pivoted around a pin 114 to both sides and around a pin 116 forwards and backwards in order to achieve the desired pivoting movement of the swash plate 44.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig.5 sind die einzelnen Gestänge zwecks Erleichterung der Darstellung vereinfacht dargestellt. Diese Gestänge würden sich gegenseitig beeinflussen, was aber im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unwesentlich ist.In the schematic representation according to FIG. 5, the individual rods are shown simplified for the purpose of simplifying the presentation. These linkages would influence each other, but what is in connection with the present invention is immaterial.

Ausgleichgestänge zur Vermeidung einer derartigen gegenseitigen Beeinflussung sind an sich bekannt. Durch diese Gestänge wird jegliche Rückkopplung der gleichsinnigen Blattwinkelverstellung mit der periodischen Blattwinkelverstellung und umgekehrt verhindert.Compensating rods to avoid such mutual interference are known per se. Through this linkage, any feedback becomes the same Blade angle adjustment with the periodic blade angle adjustment and vice versa prevented.

Durch die Erfindung wird ein System zur periodischen Blattwinkelverstellung für einen Hubschrauber u. dgl. geschaffen, mittels dessen ein größerer Prozentsatz der vollen Hubleistung des Rotors ausgenutzt werden kann. Außerdem wird ein System zur periodischen Blattwinkelverstellung geschaffen, das mechanisch sehr einfach aufgebaut ist und zur Erzielung praktisch jeder beliebigen harmonischen Bewegung im Verlauf der periodischen Blattwinkelverstellung geeignet ist. Die Einfachheit der Konstruktion führt zu einem sehr wirksamen und leichten Mechanismus.The invention provides a system for periodic blade angle adjustment for a helicopter and the like, by means of which a larger percentage the full lifting capacity of the rotor can be used. In addition, a system for created periodic blade angle adjustment, which is mechanically very simple is and to achieve practically any harmonic movement in the course the periodic blade angle adjustment is suitable. The simplicity of the construction leads to a very efficient and easy mechanism.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Blade pitch angle adjustment device for helicopters with at least one screw blade for inducing at the frequency of one Period per rotor revolution of recurring blade angle adjustment movements of the screw blades around its axis, characterized by an additional device (64, 68) for inducing superimposed by the former blade angle adjustment movements of the screw blades (22, 24) additional blade angle adjustment movements in such a way that the resulting Blade angle adjustment movements of the propeller blades recur after each revolution, but deviate from the first harmonic.

2. Apparatus according to claim 1, characterized characterized in that the resulting frequency of the superimposed pivoting movements of the screw blades (22, 24) is two or more periods.

3. Device according to Claims 1 and 2, characterized by a known rotatable and tiltable, adjusting ring (54) guided by a non-rotatable, adjustable swash plate (44) and a device for bringing about the superimposed additional pivoting movements of the screw blades from means (64, 68) for generating a relative Tumbling movement of the axis of the adjusting ring (54) with respect to the axis of the swash plate (44).

4. Apparatus according to claim 3, characterized by a cam track (68) in the swash plate (44) and a cam (64) of the adjusting ring located in this (54).

5. Apparatus according to claim 4, characterized by of the adjusting ring (54) radially outgoing arms (60, 62) carrying the cams (64) and on them Arms articulated rods (74, 76) leading to the screw blades (22, 24).

6th Device according to Claims 1 to 5, characterized by a scissor gear (95, 97) for joint adjustment of the angle of adjustment in the same direction by moving of the adjusting ring (54) along the rotor axis (38). Considered publications: German Patent No. 702159; British Patent No. 410,532; U.S. Patents No. 2,629,452, 2,759,359.