DE19808196A1 - Rotorblatt für einen Hubschrauber - Google Patents
Rotorblatt für einen HubschrauberInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt für einen Hubschrauber, wobei
das Rotorblatt in seinem Profilbereich eine bewegliche Klappe aufweist.
Rotorblätter für Hubschrauber haben in ihrem Profilbereich oftmals bewegliche
Klappen am hinteren Profilende. Die Klappen dienen zur Steuerung des Hub
schraubers. Bei den bekannten Rotorblättern sind die Klappen gelenkig gelagert
und werden mechanisch über eine Taumelscheibe angesteuert. Das Anstellen der
Klappen über die Taumelscheibe kann dabei kollektiv oder auch zyklisch erfol
gen, mit einer Frequenz, die zum Beispiel in einem Bereich von 7 Hz liegt.
Bei neueren Entwicklungen werden Klappen im hinteren Profilbereich verwen
det, die elektrisch angesteuert werden. Diese Klappen dienen dazu, die Rotor
leistung zu erhöhen und gleichzeitig das Vibrationsniveau zu senken. Die Klap
pen sind dabei mit einem Gelenk gelagert und beeinflussen durch die Ansteue
rung mit relativ hoher Frequenz das dynamische Blattverhalten. Hierdurch wird
das Rotorblatt durch Luftkräfte in der Weise verformt, daß das Schwingungsver
halten des Rotorblattes verbessert wird. Die Frequenzen, mit denen die Klappen
angesteuert werden, liegen beispielsweise im Bereich von 35 Hz und höher.
Bedingt durch die wechselseitigen Bewegungen und die relativ hohen Frequen
zen verschleißen die Lager in kurzer Zeit. Dies hat zur Folge, daß die Wartungs
intervalle kurz sind und die Lager oft ausgetauscht werden müssen. Durch die im
Bereich des Rotorblatts auftretenden Kräfte sind die Lager hohen Belastungen
ausgesetzt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt für einen
Hubschrauber zu schaffen, mit dem die obengenannten Nachteile überwunden
werden können, wobei eine dauerfeste Lagerung der Klappen ermöglicht wird,
der Verschleiß reduziert wird und Beschädigungen durch die hohe Beanspru
chung vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch das Rotorblatt für einen Hubschrauber gemäß Patent
anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Er
findung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den
Zeichnungen.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Rotorblatt für einen Hubschrauber ge
schaffen, das in seinem Profilbereich eine bewegliche Klappe aufweist, wobei
das Rotorblatt Mittel zum Verstellen der Klappe um einen Anstellwinkel gegen
über dem restlichen Teil des Rotorblattes aufweist und mindestens ein biege
weiches Verbindungselement hat, das die Klappe mit dem Rotorblatt verbindet,
wobei das Verbindungselement einen Biegebereich aufweist, so daß bei einer auf
die Klappe wirkenden Stellkraft eine Verbiegung des Verbindungselements in
seinem Biegebereich erfolgt und ein Verstellen der Klappe relativ zum Rotorblatt
ermöglicht wird.
Hierdurch wird eine dauerhafte und verschleißfreie Lagerung der Klappe ge
schaffen, die hohen Belastungen standhält und mit der auch bei hohen Frequen
zen der Klappenbewegung die Wartungs- bzw. Kontrollintervalle merklich ver
längert werden können.
Das Verbindungselement ist dabei bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff
hergestellt bzw. enthält Fasern, die Glasfasern sein können. Mit den Fasern wird
eine besonders hohe Festigkeit bei geringem Gewicht bewirkt. Glasfasern er
möglichen dabei eine besonders große Elastizität bzw. Dehnungsunempfind
lichkeit des Verbindungselements und eine hohe Dauerfestigkeit.
Bevorzugt weist das Verbindungselement im Biegebereich eine geringere Dicke
auf als in den daran angrenzenden Bereichen.
Vorzugsweise verlaufen die Fasern im Verbindungselement in Richtung der Ver
bindung zwischen dem Rotorblatt und der Klappe, und vorteilhafterweise weisen
die Fasern im Biegebereich einen geringeren gegenseitigen Abstand auf als im
übrigen Bereich des Verbindungselements.
Bevorzugt ist eine obere Wand des Rotorblatts mit einem Oberteil der Klappe
und/oder eine untere Wand des Rotorblatts mit einem Unterteil der Klappe durch
das Verbindungselement verbunden. Hierdurch wird eine besonders gute
Aerodynamik des Rotorblatts erzielt.
Bevorzugt berühren sich das Oberteil und das Unterteil der Klappe gegenseitig in
einem Endbereich der Klappe und bewegen sich bei einem Ausschlag der Klappe
relativ zueinander an einer Gleitfläche, die bevorzugt aus Teflon gefertigt ist.
Dadurch wird eine feste Verbindung der Klappe mit der Ober- und Unterseite des
Rotorblatts ermöglicht. Bei einer Klappenauslenkung wird ein Spalt zwischen
Klappe und Rotorblatt vermieden. Ein Abrieb an der Berührungsfläche wird
verhindert.
Vorteilhafterweise sind das Oberteil und das Unterteil der Klappe gegeneinander
vorgespannt. Bei der Ansteuerung von nur einem Klappenteil wird hierdurch das
gegenüberliegende Klappenteil mitbewegt.
Bevorzugt ist das Verbindungselement und der jeweils daran anschließende Be
reich des Rotorblatts bzw. der Klappe einstückig ausgebildet, vorteilhafterweise
über die gesamte Breite des Verbindungselements. Insbesondere kann das Ver
bindungselement in der Symmetrieachse der Klappe angeordnet sein. Hierdurch
wird ein mögliches Ausknicken des Verbindungselements vermieden. Bevorzugt
ist die Klappe durch mindestens einen Hebelarm bewegbar, der das Oberteil und/oder
das Unterteil der Klappe mit einer Zug- oder Druckstange zur Übertragung
der Stellkraft verbindet. Dadurch kann eine Bewegung der Klappe bzw. der Klap
penhälften mit Zug- oder Druckkräften erfolgen, was für eine mögliche Piezo
steuerung von Vorteil ist. Jedes Klappenteil kann mit einem separaten Hebelarm
angesteuert werden. Hierdurch wird die zur Bewegung der Klappe erforderliche
Kraft reduziert.
Vorteilhafterweise umfaßt der Hebelarm ein Fasergelenk, um die Stellkraft auf
die Klappen zu übertragen. Der Hebelarm kann als Zugstange ausgebildet sein,
die bevorzugt aus einer oder mehreren Fasern, insbesondere Glasfasern, gefertigt
ist. Dadurch wird auch im Bereich des Hebelarms der Verschleiß bei der Kraft
übertragung von dem Hebel auf die Klappe reduziert. Darüber hinaus wird eine
hohe und dauerhafte Festigkeit des Hebels bei kleiner Bauweise und geringem
Gewicht erzielt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
beschrieben, in denen
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Rotorblatt eines Hubschraubers mit einer be
weglichen Steuerklappe im Profilbereich zeigt.
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Hubschrauber-Rotorblatt im Bereich der
Klappe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung schematisch zeigt.
Fig. 3 einen Querschnitt durch den hinteren Profilbereich eines erfindungs
gemäßen Rotorblatts im Bereich der Klappe schematisch zeigt.
Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt durch ein Hubschrauber-Rotorblatt im
Klappenbereich gemäß einer weiteren Ausführungsform der vor
liegenden Erfindung zeigt.
Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 1 eines Hubschraubers. Das Rotorblatt 1 umfaßt einen
Blattanschlußbereich bzw. eine Blattwurzel 11 und einen sich daran anschließen
den Profilbereich 12. Im Bereich des hinteren Profilendes 120 des Rotorblatts 1
ist eine bewegliche Klappe 3 angeordnet. Die Klappe 3 ist dabei so ausgestaltet,
daß sie einen Teil des Blattprofils bildet. Ein hinteres Ende 30 der Klappe 3 liegt
mit dem hinteren Profilende 120 des restlichen Blatteils auf einer Linie, d. h. es
steht in seiner Ausgangsposition gegenüber dem restlichen Teil des Profilbereichs
12 nicht hervor. Im vorderen Teil des Profilbereichs 12 befindet sich ein Be
schlag 13 aus Metall, der die vordere Blattkante überdeckt und gegen Erosion
bzw. Beschädigung schützt. An der Blattwurzel 11 ist noch ein Schwingungs
tilger 14 und ein Anschlußstück 15 angeordnet.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Rotor
blatt entlang der Linie A-A' von Fig. 1. Die Klappe 3 am hinteren Profilende
des Rotorblatts 1 ist über ein biegeweiches Verbindungselement 4, das aus faser
verstärktem Kunststoff gefertigt ist, mit dem restlichen Teil des Rotorblatts 1 ver
bunden. Die gestrichelten Linien in Fig. 2 zeigen die Klappe 3 in verschiedenen
Stellungen relativ zum Rotorblatt 1. In dieser Ausführungsform ist eine obere
Wand 15 des Rotorblatts 1 mit einem Oberteil 35 der Klappe 3 durch das biege
weiche Fasergelenk bzw. Verbindungselement 4 verbunden. Im Bereich der Ver
bindung ist das Verbindungselement 4 zusammen mit den daran angrenzenden
Bereichen der Klappe 3 und des Rotorblatts 1 über seine gesamte Breite ein
stückig ausgebildet.
Zwischen der oberen Wand 15 des Rotorblatts 1 und seiner unteren Wand 16 be
findet sich in seinem Innenraum eine Ansteuerungseinheit 5 mit piezoelektri
schen Elementen. Die Ansteuerungseinheit 5 ist über eine Zug-/Druckstange 6
und ein Hebelelement 7 mit der Steuerklappe 3 verbunden. Bei einer Bewegung
der Zug-/Druckstange 6 in ihrer Längsrichtung, d. h. in Richtung des Doppelpfeils
B in Fig. 2, erfolgt eine Auslenkung der Klappe 3 gegenüber dem Rotorblatt 1,
wie sie durch den Doppelpfeil B' in Fig. 2 dargestellt ist. Der Antrieb der Klap
pe 3 erfolgt elektrisch, z. B. über piezoelektrische Elemente, mit einer Frequenz,
die 35 Hz und mehr betragen kann.
Fig. 3 zeigt schematisch den hinteren Profilbereich einer Ausführungsform des
Rotorblatts 1 in vergrößerter Darstellung. Das Verbindungselement 4 zwischen
der Oberseite 15 des Rotorblatts 1 und dem Klappenoberteil 35 weist Glasfasern
41 auf, die in Richtung der Verbindung zwischen dem Rotorblatt 1 und der Klap
pe 3 verlaufen. Die Fasern 41 sind hier nur im Bereich des Verbindungselements
4 und in den daran angrenzenden Bereichen dargestellt. Das Fasergelenk bzw.
Verbindungselement 4 hat einen Biegebereich 42 mit einer relativ geringen
Dicke. Durch die gegenüber den restlichen Bereichen an dieser Stelle reduzierte
Dicke bzw. Höhe des Verbindungselements erfolgt die Bewegung der Klappe 3
um ein Achse, die in diesem Bereich liegt.
Die untere Wand 16 des Rotorblatts 1 ist mit einer Schürze (16a) versehen, die
am Ende der unteren Wand 16 hervorsteht und einen Spalt zwischen dem Ende
der unteren Wand 16 des Rotorblattes 1 und dem Unterteil 36 der Klappe 3 ab
deckt. Dadurch wird eine negative Beeinflussung der Strömung an der Seite des
Rotorblattes, die dem Verbindungselement 4 gegenüberliegt, verhindert.
Der gegenseitige Abstand der Fasern 41 ist im Biegebereich 42 reduziert. Durch
den durchgehenden Faserverlauf wird eine besonders hohe Festigkeit erzielt.
Das Verbindungselement 4 kann auch an der unteren Wand des Rotorblattes 1
angeordnet sein, wobei die Schürze 16a in diesem Fall auf der oberen Wand des
Rotorblattes 1 angeordnet ist. Dabei ist die Klappe 3 durch das Verbindungs
element 4 über seine gesamte Breite mit dem restlichen Blatteil verbunden.
Durch den glatten Übergang an der Oberfläche des Rotorblattes 1 im Bereich des
Verbindungselements 4 ergeben sich stark verbesserte aerodynamische Eigen
schaften. Bei einem glatten Übergang zur Klappe 3 auf der Unterseite des Rotor
blattes 1 wird ebenfalls eine besonders gute Aerodynamik erzielt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind sowohl
die obere Wand 15 als auch die untere Wand 16 des Rotorblattes 1 mit der Ober
seite 35 bzw. der Unterseite 36 der Klappe 3 über Verbindungselemente 4 ver
bunden. Die beiden Klappenteile werden über getrennte Hebelarme 7a, 7b und
Zug-/Druckstäbe 6a, 6b bewegt. Am hinteren Endbereich der Klappe 3 stehen das
Oberteil 35 und das Unterteil 36 der Klappe in gegenseitigem Gleitkontakt. An
der Berührungsfläche zwischen den beiden Klappenteilen befindet sich eine
Gleitfläche 40 aus Teflon, um einen Verschleiß bzw. einen Abrieb an dieser
Stelle zu verhindern.
Die Zug-/Druckstangen 6a und 6b arbeiten gegenläufig. Bei einer Zugkraft, die
über die obere Stange 6a und das obere Hebelelement 7a auf das Unterteil 36 der
Klappe wirkt, wird die Klappe 3 nach oben aus gelenkt. Gleichzeitig erfolgt eine
Druckkraft auf das Oberteil 35 der Klappe über die untere Stange 6b und das un
tere Hebelelement 7b. Hierdurch ist für die Bewegung jedes Klappenteils nur die
halbe Kraft erforderlich. Die beiden Enden der Klappenteile 35 und 36, die mit
einander über die Gleitfläche 40 in Kontakt stehen, bleiben bei jeder Stellung
bzw. Auslenkung der Klappe 3 miteinander verbunden. Durch die beiden Ver
bindungselemente 4 an der oberen Wand 15 und an der unteren Wand 16 des Ro
torblatts 1 wird eine besonders hohe Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Klappen
befestigung erzielt, und es werden glatte Oberflächen ohne Zwischenräume und
Spalten geschaffen. Bei einer Auslenkung der Klappe 3 nach oben bzw. nach un
ten bewegen sich die beiden Klappenteile 35 und 36 gegeneinander an der Gleit
fläche 40, die im hinteren Bereich der Klappe 3 auf einem oder auf beiden Klap
penteilen angebracht ist.
Das Oberteil 35 und das Unterteil 36 der Klappe 3 sind gegeneinander vorge
spannt. Dadurch ist ein Antrieb der beiden Klappenteile 35 und 36 über lediglich
einen der Hebelarme 7a und 7b möglich. In der in Fig. 4 beschriebenen Ausfüh
rungsform wird hierdurch eine Redundanz erreicht, da beim Ausfall eines An
triebs bzw. beim Bruch einer Zug-/Druckstange 6a bzw. 6b ein Antrieb der Klap
pe 3 über die weitere Zug-/Druckstange weiterhin möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform, die hier nicht dargestellt ist, ist der Hebelarm
7 als integriertes biegeweiches Fasergelenk ausgestaltet. Die Zugstange 6 ist da
bei in den Hebelarm 7 integriert bzw. einstückig mit diesem ausgestaltet und be
steht aus einer oder mehreren Glasfasern. Wie bei der in Fig. 4 beschriebenen
Ausführungsform greift auch in diesem Fall jeweils ein Hebelarm an der Ober- bzw.
Unterseite der Klappe 3 an. Durch die gegenseitige Vorspannung der beiden
Klappenteile erfolgt ein Anstellen der Klappe 3 nur durch Zugkräfte. Dies ist bei
einem Antrieb mit Piezoelementen vorteilhaft und ermöglicht eine leichte und
kleine Bauweise.
Das Fasergelenk bzw. Verbindungselement 4 weist in seinem Biegebereich eine
Wandstärke von ca. 0,5-1 mm auf. Bei einer solchen Wandstärke wird eine aus
reichende Festigkeit bzw. gute Biegeeigenschaft erreicht, wobei dadurch eine ho
he und dauerhafte Festigkeit vorhanden ist.
Durch die vorliegende Erfindung werden Rotorblätter mit beweglichen Klappen
geschaffen, die eine verschleißfreie Lagerung haben, hohen Belastungen stand
halten und einen wesentlich geringeren Wartungsaufwand benötigen. Auch bei
hohen Frequenzen der Klappenbewegung bleibt die Lagerung dauerhaft und sta
bil, und es wird ein Anstellwinkel der Klappen von ca. ± 15° und mehr ermög
licht. Darüber hinaus wird eine verbesserte Aerodynamik erzielt. Störende Vibra
tionen können gedämpft werden, insbesondere in Verbindung mit einer Ansteue
rung der Klappen mit hoher Frequenz durch piezoelektrische Elemente, und es
wird eine hohe Ausfallsicherheit bei besonders leichter und kompakter Bauweise
erzielt.
Claims (16)
1. Rotorblatt für einen Hubschrauber, mit einer beweglichen
Klappe (3) in seinem Profilbereich (12), gekennzeichnet durch
Mittel (5, 6, 7; 6a, 6b, 7a, 7b) zum Verstellen der Klappe (3) um einen Anstell winkel gegenüber dem restlichen Teil des Rotorblatts (1), und
mindestens ein biegeweiches Verbindungselement (4), das die Klappe (3) mit dem Rotorblatt (1) verbindet, wobei das Verbindungselement (4) einen Biege bereich (42) aufweist, so daß bei einer auf die Klappe (3) wirkenden Stellkraft eine Verbiegung des Verbindungselements (4) in seinem Biegebereich (42) erfolgt und ein Verstellen der Klappe (3) relativ zum Rotorblatt (1) erfolgt.
Mittel (5, 6, 7; 6a, 6b, 7a, 7b) zum Verstellen der Klappe (3) um einen Anstell winkel gegenüber dem restlichen Teil des Rotorblatts (1), und
mindestens ein biegeweiches Verbindungselement (4), das die Klappe (3) mit dem Rotorblatt (1) verbindet, wobei das Verbindungselement (4) einen Biege bereich (42) aufweist, so daß bei einer auf die Klappe (3) wirkenden Stellkraft eine Verbiegung des Verbindungselements (4) in seinem Biegebereich (42) erfolgt und ein Verstellen der Klappe (3) relativ zum Rotorblatt (1) erfolgt.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verbindungselement (4) aus mit Fasern (41) verstärktem Kunststoff herge
stellt ist.
3. Rotorblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern (41) Glasfasern sind.
4. Rotorblatt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern (41) im Verbindungselement (4) in Richtung der Verbindung zwi
schen dem Rotorblatt (1) und der Klappe (3) verlaufen und im Biegebereich (42)
einen geringeren gegenseitigen Abstand aufweisen als im übrigen Bereich des
Verbindungselements (4).
5. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) in seinem Biegebereich
(42) eine geringere Dicke aufweist, als in den daran angrenzenden Bereichen.
6. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) eine obere Wand (15)
des Rotorblatts (1) mit einem Oberteil (35) der Klappe (3) und/oder eine untere
Wand (16) des Rotorblatts (1) mit einem Unterteil (36) der Klappe (3) verbindet.
7. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß sich das Oberteil (35) und das Unterteil (36) der
Klappe (3) einem Endbereich der Klappe (3) gegenseitig berühren und sich bei
einem Verstellen der Klappe (3) an einer Gleitfläche (40) relativ zueinander be
wegen.
8. Rotorblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleitfläche (40) aus Teflon gefertigt ist.
9. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Oberteil (35) und das Unterteil (36) der Klappe (3) gegen
einander vorgespannt sind.
10. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) und der daran an
schließende Bereich des Rotorblatts (1) und der Klappe (3) über die gesamte
Breite des Verbindungselements (4) einstückig ausgebildet sind.
11. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (4) in der Symmetrieachse
der Klappe (3) angeordnet ist.
12. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wei
terhin gekennzeichnet durch mindestens einen Hebelarm (7; 7a, 7b), der das
Oberteil (35) und/oder das Unterteil (36) der Klappe (3) mit einer Zug- und/oder
Druckstange (6; 6a, 6b) zur Übertragung der Stellkraft verbindet.
13. Rotorblatt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Klappenteil ((35), (36)) mit einem Hebelarm (7; 7a, 7b) verbunden ist.
14. Rotorblatt nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Hebelarm (7; 7a, 7b) ein Fasergelenk aufweist.
15. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zugstange (6a, 6b) aus einer oder mehreren Fasern, insbe
sondere Glasfasern, gefertigt ist.
16. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wei
terhin gekennzeichnet durch eine Antriebseinheit (5), die piezoelektrische Ele
mente zum Antrieb der Klappe (3) aufweist.
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