DE19804717C2 - Mehrblattrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrblattrotor für ein Drehflügelflugzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6.

Bei einem derartigen Mehrblattrotor, wie er in dem Hauptpatent, welches voll inhalt­ lich in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, vorbeschrieben ist, ist die Rotor­ kopfplatte nicht starr, sondern teilweise flexibel gestaltet, derart, daß sie gemeinsam mit den Blattansschlußarmen die fiktiven Schlaggelenke des Rotors bildet.

Die DE 43 29 521 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Rotordaten eines Hubschraubers mit gelenklosen Rotoren. Dabei besitzt die bekannte Vorrichtung eine Meßanordnung zur Ermittlung der Biegebeanspruchung der Rotorblätter im Be­ reich der Blattwurzel. Die dort mittels Dehnungsmess-Streifen gewonnenen Mess­ werte werden einem Mikrorechner am Rotorkopf übermitteln, der mit einem Bordcomputer in Verbindung steht. Es war Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine bisher notwendige Synchronisation der Daten gegenüber anderen Messda­ ten beim Datentransport vermeidet. Das Dokument liefert einen Hinweis zur Ermitt­ lung der Biegebeanspruchung im Blattwurzelbereich eines Rotorblattes, nämlich dort Dehnungsmess-Streifen anzuordnen. Die Blattwurzel als bekannter, messtechnisch gesicherte Messort am Rotor wird nicht verlassen.

Die DE OS 23 49 662 betrifft einen Steuerstab eines Flugzeuges zur Betätigung von Höhen- oder Seitenruder. Das Dokument liefert keiner Anregung zur Erfassung der Biegebewegung von Blattanschlußarmen.

Die DE 40 24 328 betrifft ein Verfahren zum Ausgleich instationärer Wechselkräfte bei u. a. Hubschraubern sowie eine Vorrichtung zur Übertragung linearer Stellkräfte auf rotierende Systeme wie etwa auf Rotorachsen von Hubschraubern. Das Doku­ ment beschreibt eine relativ aufwendige Vorrichtung, welche Kräfte auf das Rotorblatt überträgt, um störende Rotorblattvibrationen zu reduzieren. Die übertragenen Kräfte dienen dem Verschieben vom Trimmgewichten am Rotorblatt. Die bekannte Über­ tragungsvorrichtung verwendet Sensoren (Beschleunigungsaufnehmer 9, Winkelge­ ber 9a) ausschließlich im Bereich der Rotorwelle.

Bei einem schlaggelenklosen Mehrblattrotor eines Drehflügler-Flugzeuges bei dem der Abstand der fiktiven Schlaggelenke von der Rotormitte sehr klein gehalten ist, und die Blattanschlußarme an der Rotorkopfplatte angeordnet sind, ist es Aufgabe, kritische Belastungszustände der Blattanschlußarme zu erfassen und zu überwa­ chen.

Erfindungsgemäß wird die Effizienz eines derartigen Mehrblattrotors durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Rotorsystem in der Weise verbessert, daß zur Erfas­ sung und Überwachung von kritischen Belastungs- und möglichen Schadensfällen am Rotorsystem im Bereich der unter Last am stärksten deformierten Rotorkopf-Plattenabschnitte Verformungssensoren angeordnet sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Rotorkopfplatte nach Anspruch 2 auf der Plattenunter- und der Plattenoberseite mit Verformungssensoren versehen. Eine derartige Sensoranordnung gestattet nicht nur eine Schlagbiegemoment-Überwachung an jedem einzelnen Ro­ torblatt, sondern bietet zugleich die Möglichkeit, aus sämtlichen Schlag­ biegemomenten der Rotorblätter das wirksame Rotormastmoment zu er­ mitteln. Um wahlweise oder zusätzlich die Schwenkbiegemomente an den einzelnen Rotorblättern zu überwachen, sind nach Anspruch 3 vorzugsweise an der Vorder- und der Hinterseite der Blattanschlußarme Verfor­ mungssensoren angeordnet. Die Verformungssensoren sind nach Anspruch 4 in baulich besonders bevorzugter Weise als Dehnungsmeßstreifen ausge­ bildet.

Im Hinblick auf eine noch weitergehende Kontrolle des Rotorsystems wird, wie nach Anspruch 5 bevorzugt, auch die Rotorunwucht dadurch überwacht, daß an der Rotorkopfplatte in Zentrifugalrichtung wirkende Beschleu­ nigungssensoren angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Effizienz des Rotor­ systems nach Anspruch 6 in der Weise wesentlich verbessert, daß zur akti­ ven Gegensteuerung von unerwünschten Schwingungserscheinungen sensorgesteuerte, im Bereich der Blattanschlußarme auf die flexiblen Rotor­ kopf-Plattenabschnitte einwirkende Aktuatoren vorgesehen sind.

Gemäß Anspruch 7 sind die Aktuatoren in baulich besonders bevorzugter Weise als piezoelektrische Stellelemente ausgebildet.

Zur Verringerung der Schlagbiegemomente sind nach Anspruch 8 vor­ zugsweise Aktuatoren zwischen dem Rotormast und den Blattanschluß­ armen angebracht, die nach Anspruch 9 zweckmäßigerweise nicht nur als aktive Schwingungsminderer, sondern hierzu wechselweise auch als Sen­ soren zur Ermittlung der in Schlagrichtung wirkenden Querkräfte betrieben werden.

Nach Anspruch 10 schließlich empfiehlt es sich, zwischen den Blattan­ schlußarmen und einem schwenksteifen Plattenabschnitt der Rotorkopf­ platte Aktuatoren zur Schwingungsminderung in Schwenkrichtung vorzu­ sehen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark sche­ matisierter Darstellung:

Fig. 1 einen Vierblattrotor mit einer flexiblen Rotorkopfplatte und einstückig angeformten Blattanschlußarmen in Faserver­ bundbauweise entsprechend Fig. 1 des Hauptpatents, zusammen mit einem Sensor- und Schwingungs­ tilgungssystem nach der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Vierblattrotors nach Fig. 1 längs der Linie II-II;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Vierblattrotors ent­ sprechend Fig. 2 des Hauptpatents, jedoch zusätzlich mit einem Sensor- und Schwingungstilgungssystem; und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vierblattrotor enthält eine flexible Rotorkopfplatte 2 aus Faserverbundwerkstoff mit einstückig angeformten Blattanschlußarmen 4, an die die Rotorblätter 6 (von denen nur eines in Fig. 1 dargestellt ist) über drill- und schwenkelastische Zwischenelemente 8 angeschlossen sind, wobei die Verdrillung der Zwischenelemente 8 zum Zwecke der Blattwinkelverstellung in üblicher Weise mit Hilfe einer blattwurzelseitig am Rotorblatt 6 befestigten Steuerhülse 10 mit einem Steuerhorn 12 zur Einleitung der Blattwinkelverstellkommandos erfolgt.

Zur Bildung der fiktiven Schlaggelenke sind die Blattanschlußarme 4 schlagbiegeelastisch ausgebildet und die Rotorkopfplatte 2 ist durch kreis­ bogenförmige Schlitze 14 in ein radial inneres und ein radial äußeres, zur Rotormitte konzentrisches Plattensegment 16 bzw. 18 unterteilt, durch welche die Blattanschlußarme 4 in Rotorumfangsrichtung miteinander ver­ bunden werden, wobei die die Rotorkopfplatte 2 am Rotormast 22 unter Zwischenlage von Distanzstücken 30 sichernden Befestigungsstellen 20 am äußeren Plattensegment 18 in Rotorumfangsrichtung versetzt zu den Blattanschlußarmen 4, nämlich etwa in der Mitte zwischen diesen, ange­ ordnet sind, so daß die Schlagbiegebewegung der Rotorblätter 6 nicht al­ lein durch eine biegeelastische Verformung der radial verlaufenden Blatt­ anschlußarme 4 bewirkt wird, sondern sich in einer zirkumferenziellen Verformung der Plattensegmente 16, 18 bis hin zu den mastseitigen Befe­ stigungsstellen 20 fortsetzt. Auf diese Weise gelingt es, die fiktiven Schlaggelenke sehr nahe an die Rotormitte heranzurücken und dennoch die Rotorkopfplatte 2 einschließlich der Blattanschlußarme 4 als einstückige, integrale Faserverbundstruktur hoher Festigkeit auszubilden. Insoweit be­ sitzt der Vierblattrotor die gleiche Bauweise wie nach dem in Bezug ge­ nommenen Hauptpatent.

Zur Last- und Schadensüberwachung ist die Rotorkopfplatte 2 mit einem Sensorsystem bestückt, welches aus Verformungssensoren 32 und 34 in Form von Dehnungsmeßstreifen besteht, welche an der Rotorkopfplatte 2 im Bereich der einzelnen Blattanschlußarme 4 auf der Plattenober- und -unterseite (Verformungssensoren 32A, B) bzw. der Vorder- und der Hin­ terkante der Blattanschlußarme 4 (Verformungssensoren 34A, B) angeord­ net sind. Komplettiert wird die Sensorik durch in Radialrichtung wirkende, an der Rotorkopfplatte 2 jeweils ebenfalls im Bereich der Blattanschluß­ arme 4 angebrachte Beschleunigungssensoren 36.

Dem Sensorsystem ist eine Zentraleinheit 38 (Fig. 2) zugeordnet, in der die von den Sensoren erzeugten Meßsignale ausgewertet werden. Aus den Meßsignalen der Sensorpaare 32A, B werden die Schlagmomente und aus den Signalen der Sensorpaare 34A, B werden die Schwenkmomente an den einzelnen Rotorblättern 6 in Abhängigkeit von den Blattfrequenzen, und aus den Schlagmomenten sämtlicher Rotorblätter 6 wird das durch die dy­ namischen Blattbewegungen in Schlagrichtung erzeugte Mastmoment er­ mittelt. In entsprechender Weise wird das Unwuchtverhalten des Rotors mit Hilfe der Beschleunigungssensoren 36 überwacht. Hohe dynamische Belastungen, z. B. beim Anlaufen des Rotors unter böigen Witterungsver­ hältnissen oder bei Autorotationsübungen zu Schulungszwecken, können auf diese Weise zur Ermittlung der Restlebensdauer des Rotors erfaßt und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden. Die beschriebene Sen­ sorik bietet nicht nur eine Kontrolle über die jeweiligen Belastungszu­ stände des Rotorsystems, sondern ermöglicht auch eine Schadenserken­ nung und -anzeige, da sich die Meßsignale der einzelnen Sensoren im Schadensfall signifikant ändern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Elastizität der Rotorkopfplatte 2 im Bereich der Blattanschlußarme 4 zur aktiven Verminderung von vibrationserzeugenden Blattanschlußmomenten in der Weise genutzt, daß zwischen den in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Plattenbereichen und dem Rotormast 22 Aktuatoren in Form von piezoelektrischen Stellelementen 40 (Fig. 2) angeordnet sind, die den Biegeschwingungen in Schlagrichtung entgegenwirken und von der Zentraleinheit 38 nach Maßgabe der von den Sensorpaaren 32A, 32B erzeugten Meßsignale angesteuert werden.

Der Mehrblattrotor nach den Fig. 3 und 4, wo die dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel entsprechenden Strukturelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem in er­ ster Linie durch eine andere Formgebung und Querschnittsgeometrie der Plattensegmente 116, 118, sowie durch die Einbeziehung einer Schwenk­ dämpfung in die flexible Rotorkopfplatte 102. Bei diesem Ausführungs­ beispiel bilden die flexiblen Plattensegmente 116 und 118 in der Aufsicht nach Fig. 3 zueinander und zur Rotormitte konzentrische Rechtecke, an denen die Blattanschlußarme 104 etwa in der Mitte der Rechteckseiten an­ geordnet sind, wobei die mastseitigen Befestigungsstellen 120 an den Eck­ punkten des äußeren Plattensegments 118 liegen. Der Rotormast 122 be­ sitzt einen sternförmigen Querschnitt und endet - ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel - kurz unterhalb der Rotorkopfplatte 102, um den für die elastische Verformung der Rotorkopfplatte 102 erforderlichen Frei­ raum zu schaffen. Zwischen den Blattanschlußarmen 104 und den Befesti­ gungsstellen 120 ist das äußere Plattensegment 118 drillweich, aber in der Rotordrehebene und hierzu senkrecht querkraftsteif ausgebildet, wie dies in Fig. 4 durch die kreuzförmige Querschnittsgeometrie des Plattenseg­ ments 118 angedeutet ist.

Das innere Plattensegment 116 besteht in diesem Fall aus einem oberen und einem unteren, fest miteinander verbundenen Plattenteil 124 und 126, die die Blattanschlußarme 104 am inneren Ende auf der Ober- und der Unterseite jeweils unter Zwischenlage eines in Schwenkrichtung wirksa­ men Elastomerdämpfers 128 übergreifen, welcher aus einer Vielzahl von abwechselnd übereinanderliegenden Elastomer- und steifen Zwischen­ schichten besteht. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die fikti­ ven Schlaggelenke nicht allein durch die Schlagbiegeelastizität der Blatt­ anschlußarme 104, sondern zusätzlich durch die bei einer Schlagbewegung der Rotorblätter verursachte, elastische Verformung der Plattensegmente 116, 118 gebildet.

Die Sensorik einschließlich der Schlag- und Schwenkbiegesensoren 132, 134 sowie der Beschleunigungssensoren 136 und einer Zentraleinheit (in den Fig. 3 und 4 nicht gezeigt) ist im wesentlichen die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall sind jedoch zwischen den radial inneren Enden der Blattanschlußarme 104 und dem inneren Plattensegment 116 in der Rotordrehebene wirkende Aktuatoren 142, wiederum in Form von piezoelektrischen Stellelementen, angeordnet, die von der Zentralein­ heit nach Maßgabe der von den Sensoren 134A, B erzeugten Verfor­ mungssignale angesteuert werden und - in Ergänzung zu den passiven Schwingungsdämpfern 128 - eine aktive Schwingungsminderung in Schwenkrichtung bewirken.

Claims (10)

1. Schlaggelenkloser Mehrblattrotor für ein Drehflügelflugzeug, mit einer steif am Rotormast befestigten, mit in Schlagrichtung biegeelastischen Blattanschlußar­ men versehenen Rotorkopfplatte, bestehend aus mindestens einem die Blattan­ schlußarme beidseitig mit radialem Abstand zur Rotormitte in Schlagrichtung bie­ geelastisch einspannenden Plattensegment, dessen rotormastseitige Befesti­ gungsstellen in Rotorumfangsrichtung versetzt zu den Blattanschlußarmen ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkopfplatte (2; 102) im Bereich des biegeelastischen Plattensegments (16, 18; 116, 118) mit die Biegebewegungen der Blattanschlußarme (4; 104) erfassenden Verformungssensoren (32, 34; 132, 134) versehen ist, die mit einer Zentraleinheit (38) zur Auswertung der Meßsignale verbunden sind.

2. Mehrblattrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkopfplatte (2; 102) an der Plattenunter- und der Platten­ oberseite mit Verformungssensoren (32A, B; 132A, B) zur Erfas­ sung der Schlagbiegebewegungen versehen ist.

3. Mehrblattrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Rotordrehrichtung an der Vorder- und Hinterseite der Blattanschlußarme (4; 104) Verformungssensoren (34A, B; 134A, B) zur Erfassung der Schwenkbiegebewegungen angeordnet sind.

4. Mehrblattrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungssensoren (32, 34; 132, 134) aus Dehnungsmeßstrei­ fen bestehen.

5. Mehrblattrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkopfplatte (2; 102) im Bereich der Blattanschlußarme (4; 104) zusätzlich mit in Radialrichtung des Rotors wirksamen Be­ schleunigungssensoren (36; 136) zur Erfassung der Rotorunwucht versehen ist.

6. Mehrblattrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkopfplatte (2; 102) jeweils im Bereich der Blattanschlußarme (4; 104) mit gesteuerten Aktuatoren (40; 142) zur Schwingungsminderung versehen ist, wobei die Aktuatoren mit der zur Steuerung der Aktuatoren vorgesehenen Zentraleinheit (38) verbunden sind.

7. Mehrblattrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktuatoren (40; 142) piezoelektrische Stellelemente vorgesehen sind.

8. Mehrblattrotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkopfplatte (2) mit jeweils zwischen dem Rotormast (22) und den Blattanschlußarmen (4) in Schlagrichtung wirkenden Ak­ tuatoren (40) versehen ist.

9. Mehrblattrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schlagrichtung wirkenden Aktuatoren (40) alternativ als ak­ tive Schwingungsminderer und als passive Querlastsensoren vorge­ sehen sind.

10. Mehrblattrotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in der Rotordrehebene zwischen den Blattanschlußarmen (104) und einem schwenksteifen Plattenabschnitt (116) der Rotor­ kopfplatte (102) wirkende Aktuatoren (142) zur Schwingungs­ minderung in Schwenkrichtung vorgesehen sind.