DE1531375C3 - Schlag- und schwenkgelenkloser, aber nicht starrer Rotor - Google Patents

Description

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a) Die Rotorarme sind als Blattwinkelhülsen aus- Blattverstellachse und der Mittellage des schwingengebildet; den Blattes festgelegt, wobei durch richtige Wahl des - b) die Blattwinkelhülsen sind gegenüber der Ro- Winkels α sich beim gelenklosen Rotor — aber nur tordrehebene in einem festen, den Konuswinkel ^bei diesem — die Steuerkräfte, die Rücksteuerungs-(a) bildenden Winkel nach oben eingestellt; 5 effekte sowie die Stabilität der Blattschwingungen

c) jedes Rotorblatt weist einen in Schwenk- und entsprechend den Erfordernissen beeinflußen lassen. Schlagrichtung biegeweichen, aber torsionsstei- ^Du^^{ch dl}? gegenseitige: Beeinflußung der Wirkun-

fen Halsabschnitt auf; fⁿ' J^e ?^lch durch die Verwendung der Merkmale

,. , _TT , , ,., Z₁₁. ,. . _x.. ,. ,-, ,. 4. des erfindungsgemaßen Rotors ergeben, werden noch . d) der Halsabschnitt stellt die einstuckige Fortset- _{io fol de wei}^_{en E}inzelwirkungen zusätzlich erzielt: zung des Tragholmes des Flugelabschnittes dar. _{Diß Anordmmg des starren} R_OtOrkopfes zusam

men mit einem im Halsbereich biegeweichen Rotor-

Wählt man den Konuswinkel so, daß er in einem blatt hat zunächst zur Folge, daß die Lage der sogetypischen Betriebspunkt des Hubschraubers etwa an nannten äquivalenten Gelenke (Schlag- und die natürliche Lage der Blätter bei ausschließlich 15 Schwenkgelenke) in radialer Richtung weiter außen kollektiver Blattwinkeleinstellung angepaßt ist, so liegt als die Blatteinstellwinkelhülse. Die Blatteinwird der kollektive Anteil der Schlagbiegebelastung stellwinkelachse behält damit ihre Lage zur Rotoran der Blattwurzel weitgehend eliminiert; es wird ebene unabhängig von den Biegedeformationen des also die Schlagbiegebelastung erheblich verringert. Blattes bei (wesentlich sind die 1. Biegeeigenfrequen-

Die Steifigkeit eines Rotorblattes in Schlagrichtung 20 zen). Die gemeinsame Verwendung der genannten beruht im wesentlichen auf der Steifigkeit seines Merkmale wird auch die Verbesserung der Steuer-Tragholmes. Die Steifigkeit in Schwenkrichtung wird Wirksamkeit, erhöhte Roll- und Nickdämpfung sowie jedoch zum größten Teil durch den Aufbau des die verbesserte dynamische Stabilität bewirkt, und Blattquerschnittes bestimmt und ist also größer. zwar ohne nachteilige Auswirkungen auf die Festig-Beim erfindungsgemäßen Rotor ist die Schwenkstei- 25 keit des Rotors und seiner Steuerung sowie das figkeit des Blattes ohne größere Beeinflußung der aeroelastische Verhalten des Rotors.
Schlagsteifigkeit verringert, indem die Blattwurzel zu Insbesondere bei einem Rotor mit Rotorblättern

einem Halsabschnitt erweitert ist, der etwa die Ab- aus faserverstärktem Kunststoff, deren Tragholm im messungen und die Beschaffenheit des Tragholmes wesentlichen aus in Spannweitenrichtung verlaufenaufweist; der Rest des Blattes ist dann der Flügelab- 30 den Faserrovings besteht, erhält der Halsabschnitt schnitt. Je größer die Länge des Halsabschnittes ist, - einen Querschnitt etwa gleicher maximaler Biegeum so weicher ist das Blatt in Schwenkrichtung, ohne spannung in Schwenk- und Schlagrichtung. Dadurch daß die Schlagsteifigkeit sich wesentlich ändert. ist eine optimale Materialausnutzung möglich.

Die unmittelbaren Vorteile dieser Maßnahme sind Wie bereits ausgeführt, wird eine niedrige

also geringere Schwenkbiegemomente und als Folge 35 Schwenkfrequenz durch die Einführung eines Halsdavongeringeres Konstruktionsgewicht sowie kleinere abschnittes ermöglicht. Eine Senkung der ersten Steuerkräfte. Dieser letztere Effekt erklärt sich auch Schwenkeigenfrequenz des Blattes unter den kritidaraus, daß bei aufeinander abgestimmten Schlag- sehen Wert der Rotordrehfrequenz bedingt eine ex- und Schwenkfrequenzen die sich aus der Schlagbe- treme Weichheit des Halsabschnittes, die wiederum wegung und aus der Schwenkbewegung ergebenden 40 stark verringerte Schwenkmomente und dadurch Steuerkraftanteile subtrahieren. leichtes Konstruktionsgewicht zur Folge hat.

Die gemeinsamen Vorteile, die durch eine Anord- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

nung nach vorliegender Erfindung erzielt werden, Zeichnung dargestellt und im folgenden näher besind also in Folgendem zu sehen: schrieben. Es zeigt

Der Rotor erhält ein Blattbiegeeigenfrequenzver- 45 F i g. 1 einen Rotorkopf für vier Blätter, bei dem hältnis in Schlagrichtung von > 1, wirkt also wie ein jedoch nur ein Rotorblatt dargestellt ist,
äquivalentes Schlaggelenk. Gleichzeitig erhält er ein Fig.2 ein Rotorblatt mit einem geschnittenen

erstes Blattbiegeeigenfrequenzverhältnis in Schwenk- Halsabschnitt,

richtung <C 1, wodurch er wie ein äquivalentes F i g. 3 eine schematische Seitenansicht des Rotor-

Schwenkgelenk wirkt. Die Kombination beider 50 kopfes.

Eigenfrequenzen läßt die Phasenzuordnung von Der in F i g. 1 gezeigte Rotorkopf 1, welcher vier

Schlag- und Schwenkbiegeschwingungen leichter be- Rotorarme aufweist, ist mit der Rotorwelle 2 starr einflußbar werden. Die Blattverstellachse in radialer . verbunden.

Richtung liegt dabei innerhalb der sogenannten äqui-"· In dem als Blattwinkellagerhülse ausgebildeten valenten Gelenke. 55 Rotorarm 3 ist eine Blattwurzelhülse 4 drehbar an-

Diese durch die starre Blattinnenhülse plus biege- geordnet, so daß sie Blattwinkelbewegungen ausfühweichem Halsabschnitt erreichten Vorteile ermögli- ren kann. Diese Blattwinkelbewegung wird in bechen gleichzeitig die notwendige Torsionssteife für kannter Weise über eine Steuerstange, welche an den Halsabschnitt und damit die benötigte präzise, einem an der Blattwurzelhülse 4 angeordneten Steuverlustfreie Übertragung der Steuerbewegungen auf 60 erhorn 5 angelenkt ist, gesteuert,
den aerodynamisch wirksamen Teil des Rotorblattes, Die Blattwurzelhülse 4 nimmt die mit einem Beden Flügelabschnitt. Es wird auch das Übertragen schlag 6 versehene Wurzel des Rotorblattes 7 auf. aerodynamischer Instabilitäten (Flattern) vermieden. Die Verbindung zwischen dem Beschlag 6 und der

Durch die Kombination der biegeweichen Ausbil- Blattwurzelhülse 4 ist starr, d. h. sie läßt weder dung des Blattwurzelbereiches in Form eines Halsab- 65 Schlag- noch Schwenkbewegungen zu.
schnittes mit dem Konuswinkel α sowie der Verwen- Das Rotorblatt 7 besteht aus einem Halsab-

dung der starren Blattwinkelhülsen am Rotorkopf schnitte und dem den eigentlichen Auftrieb liefernwird der Abstand bzw. der Winkel zwischen der den Flügelabschnitt 9, der bis zur Blattspitze reicht.

Der Flügelabschnitt 9 ist in Schwenkrichtung sehr steif. Die Schwenkeigenfrequenz des gesamten Rotorblattes wird im wesentlichen durch die Länge α und die Querschnittsform des Halsabschnittes bestimmt. In Schlagrichtung weisen jedoch der Flügelabschnitt und der Halsabschnitt etwa gleiche Steifigkeiten auf, so daß bei Variation der Halslänge a die Schlageigenfrequenz nicht wesentlich beeinflußt wird.

Fig.2 zeigt ein typisches, aus faserverstärktem Kunststoff aufgebautes Rotorblatt 20, wobei sowohl der Flügelabschnitt 21 als auch der Halsabschnitt 22 im Querschnitt dargestellt sind. Die in Spannweitenrichtung verlaufenden Faserrovings bilden im Flügelabschnitt den massiven Traghohn 23, der im Querschnitt etwa sichelförmig ausgebildet ist. Der Rest des Profils ist beispielsweise aus einer aus kunstharzgetränkten Fasermatten aufgebauten Schale 24 mit einem eingelagerten Stützkern 25 aus Schaumstoff aufgebaut.

Der Halsabschnitt 22 bildet die Fortsetzung des Traghohnes 23, d. h., die Querschnittsfläche des Tragholmes und des Halsabschnittes entsprechen sich in etwa. Die Querschnittsform des Halsabschnittes, gekennzeichnet durch das Verhältnis Höheö zu Breite c, ist so gewählt, daß die durch Schlagbiegung und Schwenkbiegung verursachten maximalen Belastungen etwa gleich sind, wodurch eine optimale Materialausnutzung gegeben ist. Nach Festliegen der Querschnittsform des Halsabschnittes kann lediglich durch Variation der Länge α die Schwenkeigenfrequenz geändert werden, ohne daß die Schlageigenfrequenz noch merklich beeinflußt wird.

Da durch die angegebene Bauweise mit faserverstärktem Kunststoff das spezifische Blattgewicht sehr gering wird, kann durch eine Anhäufung von Material im Außenbereich des Rotorblattes, wie im Querschnitt 11 der F i g. 1 angedeutet, oder durch Anbringen von Blattspitzengewichten 10 das für die Autorotationsfähigkeit geforderte Massenträgheitsmoment erreicht werden. Es ist einleuchtend, .daß sich bei einer Verlagerung der trägen Masse in den Blattspitzenbereich bei bestimmtem gefordertem Trägheitsmoment ein geringeres Blattgesamtgewieht ergibt.

F i g. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Rotors 30, aus der der feste, durch Voreinstellung der Rotorarme 31, 32 erreichte Konuswinkel α ersichtlich ist. Dadurch wird jedem Blatt, z.B. 33, 34, bereits etwa der Einstellwinkel gegeben, den das Blatt an der Einspannstelle bei ausschließlich kollektivem Einstellwinkel in einem typischen Betriebspunkt einnehmen würde, so daß sich in bereits beschriebener Weise aus der kollektiven Einstellung kein Biegemoment an der Blattwurzel ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 3 106 964). Diese Blattwurzelhiilsen sind auf Rotor-Patentansprüche: armen drehbar gelagert, so daß sie eine Blattwinkelbewegung durchführen können. Die Steifheit eines

1. Schlag- und schwenkgelenkloser, aber nicht derartigen Systems, vor allem in Schwenkrichtung, ist starrer Rotor, bei dem die Rotorblätter über ein 5 sehr groß, so daß entsprechend große Biegemomente nur die Anstellwinkelbewegung der Blätter zulas- an der Einspannstelle der Blätter auftreten. Da diese sendes Blattwinkellager an einem starren Rotor- Biegemomente ein mehrfaches der durch die Zentrikopf befestigt sind, der starre Rotorarme auf- fugalkräfte verursachten Belastungen bewirken könweist, gekennzeichnet durch die Korn- nen, müssen die Blätter im Einspannbereich entsprebination folgender Merkmale, von denen die zu io chend haltbar und schwer ausgeführt werden.

a) und b) für sich bekannt sind: Hinsichtlich der Nachteile gilt dasselbe auch für

a) Die Rotorarme (3) sind als Blattwinkelhül- ^die ™^ch der USA.-Patentschrift 2 473 33 !bekannte sen ausgebildet· Anordnung, in welcher die beiden Rotorkopfe eines

., ,. .,, . , ' ... . , ». ' ι Hubschraubers mit zwei gegensinnig zueinander um-

b) die Blattwinkelhulsen sind gegenüber der _{laufenden Naben} dargestellt werden, die jeweils eine Rotordrehebene in einem festen, den Konus- _{def höri} ßlatteahl entsprechende· Anzahl von winkel (α) bildenden Winkel nach oben em- ^^ _a,_s |_{lattwinkelhülsen} ausgebildeten Rotorar-

£^{es e} ' . . men aufweisen. In ihnen sind dann die Rotorblätter

c) jedes Rotorblatt weist einen in Schwenk- drehbar gelagert.

und Schlagrichtung biegeweichen, aber tor- _{ao Z}ur Minderung der Steifheit derartiger Systeme sionssteifen Halsabschnitt (8, 22) auf; _{hatte man} entsprechend der Zeitschrift Interavia (7/

d) der Halsabschnitt (8, 22) stellt die einstük- 1964, S. 1021) vorgesehen, die Blattwurzeln elastisch f kige Fortsetzung des. Tragholmes (23) des auszubilden. Der Erfolg war aber. — wie Versuche Flügelabschnittes (9, 21) dar. ergeben haben — nicht ausreichend, um eine genü-

25 gend betriebssichere Konstruktion zu erhalten: Es

2. Rotor nach Anspruch 1, insbesondere mit konnte nur der sehr kurze Bereich der Blattwurzel Rotorblättern aus faserverstärktem Kunststoff, elastisch ausgebildet sein, so daß das Maß der Elastideren Tragholm im wesentlichen aus in Spann- zität nach wie vor sehr klein war. Außerdem wird Weitenrichtung verlaufenden Faserrovings be- nur eine Elastizität in Schlagrichtung erreicht nicht steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsab- 30 aber in Schwenkrichtung.

schnitt (8, 22) einen Querschnitt etwa gleicher ' Erheblich mehr Elastizität wird durch Einfügung Biegespannung in Schwenk- und Schlagrichtung von elastischen Zwischenstücken zwischen dem staraufweist, ren Rotorkopf und dem eigentlichen Blatt erreicht;

3. Rotor nach den Ansprüchen 1 und 2, da- diese Zwischenstücke erlauben dann dem Blatt sodurch gekennzeichnet, daß die durch Länge (a) 35 wohl die Schlag- und Schwenkbewegung als auch die und Querschnittsform (Jb, c) des Halsabschnittes Blattwinkelbewegung (USA.-Patentschrift 3 261407) bestimmte erste Schwenkeigenfrequenz der Ro- und sind als gesonderte, den Lagern herkömmlicher torblätter unterhalb der Betriebsdrehfrequenz des Rotoren in ihrer Wirkung ähnliche Bauteile anzuse-Rotors liegt. hen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sie einen erhebli-

40 chen Montage- und Justieraufwand erfordern. Ein

. ' . weiterer Nachteil wird darin gesehen, daß über die

Zwischenstücke alle Blattbewegungen miteinander gekoppelt sind, so daß schwer zu beherrschende ,..

Die Erfindung bezieht sich auf einen schlag- und Schwingungserscheinungen auftreten. Außerdem K.J

schwenkgelenklosen, aber nicht starren Rotor, bei' 45 muß zur Übertragung der Blattwinkelbewegung von

dem die Rotorblätter über ein nur die Anstellwinkel- den Steuerorganen auf das Blatt die Verwendung von

bewegung der Blätter zulassendes Blattwinkellager geeigneten zusätzlichen Mitteln wie Hülsen, Rohren

an einem starren Rotorkopf befestigt sind, der starre usw. vorgesehen sein. Man erhält also ein aus vieler!,

Rotorarme aufweist. ■■...·■■. , zueinander beweglichen, Einzelstücken gebildetes

Derartige schlag- und schwenkgelenklose Rotoren 50 Blatt.

sind bereits aus den Anfängen der Hubschrauber- Durch die britische Patentschrift 639 572 ist es betechnik bekannt und werden im Buch »Hubschrau- kannt, die Rotorarme unter einem festen Konuswinber und Vertikalstartflugzeuge »von Just ,1963, auf \έ\ zur Rotordrehebene anzuordnen, um so die Blattden S. 367, 368 beschrieben. Die auftretenden erheb- b'iegemomente zu reduzieren. Ein Einfluß auf beilichen Biegewechsellasten führten jedoch bei den 55 spielsweise die Steuerkräfte, Rücksteuerungsmonach damaliger Kenntnis gebauten Rotorblättern fast mente sowie die Stabilität der Blattschwingungen immer zu frühzeitiger Materialermüdung und zum wird dadurch insgesamt weder angestrebt noch erBruch, was schließlich die Einführung von Schlag- reicht,
und Schwenkgelenken zur· Folge hatte. ... Es ist die Aufgabe der. Erfindung, einen Rotor der

Die derzeitigen, Entwicklungstendenzen gehen je- 60 eingangs genannten Art zu schaffen, welcher unter

doch wieder in Richtung des gelenklosen Rotors, da Beibehaltung eines einfachen Äufbaus und geringer

der Wegfall der Gelenke den Vorteil konstruktiver Wartungserfordernisse gute Flugeigenschaften aufweist

Einfachheit, geringeren Gewichtes, geringeren War- und bei dem die Blattbelastung gering gehalten wer-

tungsaufwandes sowie vor allem erheblich bessere den kann.

Flugeigenschaften mit sich bringt. 65 Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen

Bei einer bekannten Bauart sind die Blätter an ih- Rotor der beanspruchten Art gelöst, bei dem fol-

rem inneren Ende durch Beschläge gefaßt, die in gende Merkmale kombiniert sind, von welchen die

Blattwurzelhülsen auslaufen (USA.-Patentschrift unter a) und b) genannten für sich bekannt sind: