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Drehflügelsystern mit gelenkigem oder elastischem Anschluß der Flügelblätter
Die Erfindung befaßt sich mit Drehflügelsystemen, insbesondere mit Hubschrauberrotoren,
bei denen die Flügelblätter gelenkig oder elastisch an die Nabe angeschlossen sind.
Bei derartigen Rotoren treten sowohl im Stand als auch im Vorwärtsflug Schwingungserscheinungen
auf, die u. U. ein gefährliches Ausmaß annehmen können. Manchmal können diese
Schwingungen bereits am Boden zur Selbstanfachung führen, was als Bodenresonanz
bezeichnet wird. Im Vorwärtsflug können diese Schwingungen bei hohen Fortschrittsgraden
und hohem Einstellwinkel zum Flattern führen. Im letztgenannten Fall kuppelt sich
die Horizontalbiegeschwingung mit der Torsionsschwingung des Blattes und mit der
Wirkung der Luftkräfte.
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Zur Bekämpfung dieser nachteiligen Erscheinungen sind schon verschiedene
Maßnahmen angewandt worden. Für kleine Hubschrauber hat man schon zur Dämpfung der
Schlag- und Schwenkbewegungen eines gelenkig aufgehängten Drehflügelblattes Gummiklötze
zwischen entsprechenden Widerlagern verwendet. Andere bekannte Anordnungen verwenden
Reibungs- bzw. Flüssigkeitsdämpfer, die sich gegen die feste Nabe abstützen und
so die Bewegung der Flügelblätter in den Schwenkgelenken gegen die Nabe dämpfen.
Diese Maßnahmen haben nicht nur den Nachteil, Biegemomente in die Flügelblätter
einzuführen, sondern sind auch bei Blättern ohne Schwenkgelenke nicht anwendbar.
Gegen das Flattern ist diese Art der Dämpfung meist wirkungslos.
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Es ist auch eine Einrichtung bekannt, bei der verschwenkbar gelagerte
Gewichte in den Rotorblättern vorgesehen sind. Wenn der Rotor seine Drehebene ändert,
so werden diese Gewichte durch die Zentrifugalkraft beeinflußt. Die dabei auftretenden
Gewichtsverlagerungen werden zur Steuerung aerodynamischer Mittel, wie Spoiler,
Klappen usw., herangezogen, wodurch wiederum die Bewegung der Rotorblätter beeinflußt
wird. Diese bekannte Einrichtung wirkt also als Servocinrichtung und spricht nur
auf Lageänderungen der Rotorachse an. Bewegungsänderunaen des Rotors in seiner Drehebene
selbst, also z. B. horizontale Biegeschwingungen der Rotorblätter werden hierdurch
nicht beeinflußt und gerade diese Schwingungen sind sehr unerwünscht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Drehflügelsystemen mit
gelenkigem oder elastischem Anschluß der Flügelblätter an die Nabe, beide Schwingungserscheinungen,
also die horizontalen Biegeschwingungen und die Torsionsbiegeschwingungen zu bekämpfen
und dabei die Nachteile der obengenannten bekannten Dämpfungseinrichtungen zu vermeiden.
Das Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein flüssiges Medium, das an
einer oder mehreren Stellen der Flügelblätter in Hohlräumen angeordnet ist und diese
Hohlräume teilweise ausfüllt, in Abhängigkeit von der beim Umlauf der Flügelblätter
auftretenden oszillierenden Blattbewegung in einem dieser Blattbewegung entgegenwirkenden
Sinne innerhalb der Hohlräume verlagerbar ist.
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Als flüssiges Medium wird vorzugsweise eine Flüssigkeit von hohem
spezifischem Gewicht, z. B. Ouecksilber, verwendet. Bei einer oszillierenden Bewegung
des Flügelblattes infolge der Wirkung der Luftkräfte bzw. der Schwenkbewegungen
weist die Verlagerungsbewegung des flüssigen Mediums gegenüber dieser Blattbewegung
eine Phasenverschiebung auf. Das flüssige Medium wirkt bei seiner Verlagerungsbewegung
durch Reibung an den Hohlraumwänden dämpfend auf die Blattbewegung. Um die Reibung
zu erhöhen und die Dämpfung noch weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, in den
Hohlräumen noch oberflächenvergrößernde Elemente, z. B. Stäbe oder Zwischenwände,
anzuordnen. Diese Elemente sind in einer solchen Lage angeordnet, daß sie die Bewegung
des flüssigen Mediums in der Drehebene des Flügelblattes zulassen.
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An Hand der Zeichnungen sei nachstehend die Erfindung erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Rotorblatt 1 mit elastischem Anschluß
an die Nabe 3. Die Nabe ist hier nur angedeutet dargestellt. Der elastische
Anschluß erfolgt beispielsweise über Federpakete 2. Im Rotorblatt 1
selbst
sind an einer oder mehreren Stellen Hohlräume 4 zur Aufnahme des flüssigen Mediums
5 angeordnet. Diese Hohlräume sind hier als besondere Hohlkörper von strömungsgünstiger
Form ausgebildet, die am inneren und äußeren Ende des Flügelblattes sich befinden.
Die Hohlräume 4 sind zu einem Teil durch ein flüssiges Medium 5 gefüllt.
Dieses Medium ist im Hohlkörper frei beweglich und wird
beim Umlauf
der Flügelblätter infolge der Fliehkräfte nach außen verlagert. Anstelle der hier
dargestellten besonderen Hohlkörper können auch Hohlräume im Blattinneren vorgesehen
sein, wenn dies die konstruktiven Verhältnisse des Flügelblattes zulassen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist aus F i g. 2 ersichtlich.
Hier sind die Verhältnisse beim Vorwärtsflug für einen Zweiblattrotor in vereinfachter
Form dargestellt. An der Nabe 3 sind über Federpakete 2 die beiden Rotorblätter
1 angeschlossen. Die Ausbildung der Rotorblätter entspricht der F i
g. 1.
Durch die eingezeichneten Querschnitte der Rotorblätter und die an den
Enden der Rotorblätter eingezeichneten Pfeile ist die Drehrichtung des Systems erkennbar.
Der an der Nabe 3 eingezeichnete Pfeil zeigt die Flugrichtung an. Wenn das
in F i g. 2 rechts dargestellte vorwärts gehende Rotorblatt in seiner Drehbewegung
infolge der Wirkung der Luftkräfte zurückbleibt, dann verlagert sich das flüssige
Medium 5 in den Hohlräumen 4 in der eingezeichneten Weise nach vorn. Bei
dieser Verlagerungsbeweguno reibt das flüssige Medium an den Hohlraumwänden und
wirkt dadurch der Bewegung des Rotorblattes entgegen. Für das links gezeigte, nach
hinten gehende Blatt sind die Verhältnisse umgekehrt. Hier verlagert sich das flüssige
Medium 5 in den Hohlräumen 4 nach hinten und bleibt somit hinter der Blattbewegung
zurück. Durch diese phasenverschobene Bewegung des flüssigen Mediums 5 in
den Hohlkörpern wird also durch Flüssigkeitsreibung der schwingenden Bewegung der
Rotorblätter entgegengewirkt, die Schwingung also gedämpft.
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F i g. 3 zeigt einen Hohlraum 4 im Querschnitt, in dem noch
zusätzliche Zwischenwände 6 so angeordnet sind, daß sie eine Bewegung des
flüssigen Mediums in der Drehrichtung des Blattes, also nach vorn bzw. hinten, zulassen.
Durch diese Zwischenwände wird die Oberfläche der Hohlräume vergrößert und damit
auch eine Reibungserhöhung erreicht.
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F i g. 4 a und 4 b zeigen eine Möglichkeit, wie bereits
vorhandene Körper oder Hohlkörper in günsti-C aerweise Weise für die Erfindung ausgenutzt
werden können. Hier ist die Ausstoßdüse 7 für ein Flügelblatt 1 mit
Reaktionsantrieb von einem Hohlkörper umgeben, der wieder in der oben beschriebenen
Weise zum Teil mit einem flüssigen Medium 5 gefüllt ist. Bei dieserAnordnung
werden also an den Blattspitzen schon vorhandene Körper für die Zwecke der Erfindung
verwendet und zusätzliche Hohlkörper vermieden. F i g. 5 a und
5 b erläutern ein weiteres Merkmal derErfindung, denn dadurch, daß beim Umlaufen
der Flügelblätter die Flüssigkeit mit ihrer Masse periodisch verlagert wird, erhält
man eine entsprechende periodische Verlagerung des Blatischwerpunktes. Die Hohlkörper
in den Flügelblättern, wie sie in F i g. 1
und 2 dargestellt sind, liegen
mit ihrer Hauptausdehnung in der Blattebene und senkrecht zur Längsachse des Flügelblattes.
Auf diese Weise ist der vom flüssigen Medium zurückgelegte Weg verhältnismäßig groß
und wirkt sich in günstigem Sinne auf eine Schwerpunktsverlagerung aus. Die Verhältnisse
für die Schwerpunktsverlagerung sind in F ig. 5a für ein vorwärts gehendes Flügelblatt
1 dargestellt. Die Bewegungsrichtung des Blattes ist durch einen Pfeil angedeutet.
Für ein solches Blatt gilt die mit gestrichelten Pfeilen eingezeichnete Strömung
S. Der Schwerpunkt liegt normalerweise bei Punkt 8. Durch die übliche
Auslegung der Blattabmessungen liegt der Auftriebsmittelpunkt A etwas vor
dem Schwerpunkt 8. Infolge der Verlagerung des flüssigen Mediums nach vorn
beim Vorgehen des Blattes werden die Massen nach vom verschoben und der Schwerpunkt
verlagert sich in Richtung der Blattvorderkante zum Punkt 8'. Das Torsionsmoment
des Auftriebs des vorgehenden Blattes wird dadurch verkleinert bzw. sogar negativ.
Auf diese Weise wird eine dämpfende Wirkung auch für die Torsionsschwingung erreicht
und die elastische '#,'erformung des Blattes verringert.
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Bei hohen Fortschrittsgraden wird ein großer Teil des zurückgehenden
Blattes von hinten angeblasen. Die Verhältnisse hierfür sind in F i g. 5 b
schematisch dargestellt. Die Bewegungsrichtung des Blattes 1 ist wieder durch
einen Pfeil eingezeichnet. Für das zurückgehende Blatt gelten die mit gestrichelten
Pfeilen eingezeichneten Strömungsverhältnisse S'. Da der Auftriebsmittelpunkt
A' für diese Rückwärtsbewegung rund bei einem Viertel der Profiltiefe
von hinten liegt, wird in bezug auf den Blattschwerpunkt 8, der für das vorwärts
gehende Blatt ausgelegt ist und also im vorderen Viertel des Blattes liegt, ein
destabilisierendes Moment erzeugt, das schließlich zum Flattern führt. Wie aus F
i g. 5 b ersichtlich ist, wird aber durch die Verlagerung des flüssigen
Mediums beim Rückwärtsgehen des Blattes auch der Schwerpunkt in Richtung zur Blatthinterkante
etwa zum Punkt 8"
verlagert. Durch diese Schwerpunktsverlagerung werden die
Verhältnisse im günstigen Sinn beeinflußt und die Flattergrenze hinausgeschoben.
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Durch die Erfindung werden also sowohl die Horizontalbiegeschwingung
als auch die Torsionsschwingung der Rotorblätter während des Umlaufs ip einfachster
Weise gedämpft. Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß hierzu keinerlei
Hilfsmittel, wie Getriebe, Steuerung od. dgl., erforderlich sind.