DE19821268C2 - Aktive Rotorblattverstellung durch Drallvektorregelung bzw. Drallvektorsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Rotorblätter die entweder insgesamt oder abschnittsweise tordierbar sind. Weiterhin auf Rotorblätter die man aus torsionssteifen und tordierbaren Teilen zusammengesetzt betrachten kann. Und schließlich auf Rotorblätter die als torsionssteif betrachtet werden können und die mit starren Steuerflächen gelenkig (z. B. durch Zylindergelenke, Scharniere o. ä.) verbunden sind. Sowohl die tordierbaren Rotorblätter als auch die gelenkig miteinander verbundenen Rotorblatteile sollen mittels eines Drallgebers durch Drallvektorregelung bzw. Drallvektorsteuerung verformt, bzw. in ihrer relativen Lage zueinander verändert werden. Beispielhaft seien hier die Rotorblätter eines Hubschraubers genannt.

Hubschrauber sind Drehflügler. Wohlbekannte Probleme im Zusammenhang mit Hubschraubern sind: Rotorblattschwingungen die sich auf die elastische Zelle des Rumpfes übertragen und Geräuschprobleme (Schallabstrahlungen). Auf einen Hubschrauber wirken dabei die unterschiedlichsten Kräfte und Momente ein. Einerseits aerodynamischer Art - andererseits über die Rotorblattverstellung von der Rotor-Getriebeseite her. Um das gewünschte Flugverhalten eines Hubschraubers zu erzwingen, müssen die Störeinflüsse auf das Gesamtsystem unterdrückt und eine geeignete zeitliche Kippung und Formänderung der Rotorblätter erreicht werden.

Vorstehendes gilt sinngemäß auch für sonstige Rotoren mit Rotorblättern wie Turbinenschaufeln, Windräder oder große Ventilatoren.

Bei Hubschraubern erzwingt man eine geeignete Lageänderung der Rotorblätter häufig durch eine Anordnung aus Stangen, Taumelscheiben und Kipphebeln. Das bedeutet die Realisierung einer relativ komplizierten und störanfälligen Verstelleinheit. Andererseits ist damit nur eine kollektive oder zyklische Blattverstellung - aber keine individuelle Blattverstellung möglich.

Auf der Suche nach alternativen Methoden der Blattverstellung wurden die verschiedensten Ansätze vorgeschlagen. Zur Abgrenzung der hier vorgeschlagenen Erfindung gegen die bereits bekannten Erfindungen wird auf die Patentschrift DE 195 28 155 C1 ("Verdrehbares Rotorblatt aus faserverstärktem Kunstharz") verwiesen. In dieser Patentschrift wird davon berichtet, daß es noch weitere Konzepte zur aktiven Rotorblattverstellung gibt, die Piezoaktuatoren verwenden. Da die mit Piezoaktuatoren erreichbaren Hübe noch sehr begrenzt sind, arbeitet die in DE 195 28 155 C1 beschriebene Erfindung mit der Ausnutzung einer Zug- Torsionkopplung. Diese wird dadurch erreicht, daß ein Aktuator durch eine Vergrößerung seiner Länge eine Blattverdrehung in eine bestimmte Richtung - durch Verkleinerung seiner Länge eine Blattverstellung in die Gegenrichtung bewirkt.

Die Ausnutzung des Drallsatzes zur Formänderung von elastischen Strukturen ist bereits lange bekannt: Bestimmte Raketen werden damit an der Rollneigung beim Flug gehindert. Bei diesen Raketen befinden sich schwere Metallscheiben in den Stabilisierungsflügeln. Die Scheiben setzen sich beim Flug im Luftraum in drehende Bewegung und bilden damit einen Drallvektor aus. Beginnt nun die Rakete zu rollen und damit manövrierunfähig zu werden, dann werden die Drallvektoren der Metallscheiben im Kreise herumgeführt und versuchen sich nach dem Drallsatz aufzurichten. Bei elastischen Stabilisierungsflügeln werden diese mit angestellt und bilden damit ein Gegenmoment zum störenden Rollmoment der Rakete. Allerdings ist die beschriebene Anordnung rein passiv: Es werden keine Istwerte erfaßt, es gibt keine Sollwertvorgaben, keinen Soll-Istwertvergleich und es werden in Abhängigkeit davon keine Stellsignale erzeugt die auf die elastischen Stabilisierungsflügel oder die Metallscheiben einwirken. Es finden also keine aktiven Steuer- oder Regelvorgänge statt.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Ausnutzung des Drallsatzes und mit Hilfe von Steuer- und Regeleinrichtungen, ein Rotorblatt der gattungsgemäßen Art insgesamt oder nur abschnittsweise zu verformen oder einzelne Abschnitte des Rotors in ihrer relativen Lage zueinander so zu verschieben, so daß eine Formänderung bzw. Kippung des Rotorblatts zur Veränderung der stömungsmechanisch-elastischen Bewegungsgleichungen des Rotors und des durch den Rotor angetriebenen Systems in umfassender und effektiver Weise möglich ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Patentanspruch 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Rotorblatt in erfindungsgemäßer Ausbildung.

Fig. 2 zeigt schematisch die Blattverstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten, torsionselastischen Rotorblattes und weiter den prinzipiellen Aufbau eines möglichen Regelungs- und Steuerungskonzeptes.

Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß ausgebildetes Rotorblatt das jetzt aus zwei Teilkörpern besteht die gelenkig miteinander verbunden sind. Es zeigt weiter den prinzipiellen Aufbau eines möglichen Regelungs- und Steuerungskonzeptes.

Fig. 4 zeigt schematisch die Blattverdrehung des erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorblattes und weiter den Rotorschaft. Zwischen Rotorschaft und Rotorblatt befindet sich eine Rückstelleinheit die bei Ausfall eines oder mehrerer Drallgeber das Rotorblatt in einen Anstellwinkel mit maximalem Auftrieb kippt und so einen definierten Sicherheitszustand erzeugt. (Verwirklichung des "fail safe Prinzips").

Das in Fig. 1 dargestellte Rotorblatt 1 ist an seiner Oberfläche mit mehreren (hier willkürlich drei) Drallgebern verbunden. Diese sind mit 2, 3 und 4 bezeichnet. Bei diesen Drallgebern handelt es sich selber um Rotoren die mit zeitlich veränderlichen Drehzahlen n₂(t), n₃(t) und n₄(t) rotieren. Einfache Beispiele für Drallgeber sind Elektromotoren oder Turbinen deren Rotor sich mit hinreichend hoher Geschwindigkeit dreht und deren Gehäuse mit dem Rotorblatt verbunden sind. Bedingt durch das Massenträgheitsmoment der Drallgeberrotoren entstehen so deren Drallvektoren. Sie sind in Fig. 1 mit ₂, ₃ und ₄ bezeichnet. Die Gehäuse der Drallgeber sind zwar mit dem Rotorblatt verbunden - können aber andererseits selber gewisse Dreh- und Schwenkbewegungen durchführen. Dies erklärt sich am besten dann, wenn man sich an dem mit _x, _y und _z bezeichneten Koordinatensystem orientiert. Dieses Koordinatensystem ist mit dem Rotorblatt starr verbunden und wird bei Rotorblattdrehungen mit diesem mitgeführt. Die Drallgebergehäuse können trotz ihrer festen Bindung an das Rotorblatt noch um die _z-Achse Dreh- und Schwenkbewegungen ausführen. Dadurch und durch Drehzahländerungen erreicht man, daß die einzelnen Drallvektoren ihre räumliche Orientierung und ihren Betrag mit der Zeit ändern können. Dies soll durch die Schwenkwinkel β₂, β₃ und β₄ in Fig. 1 angedeutet werden. Dreht sich das Rotorblatt seinerseits (im anlagefesten, z. B. hubschrauberfesten, Koordinatensystem, dem "_x, _y, _z - System") mit der Winkelgeschindigkeit Ω um die _z-Achse (diese geht durch den Rotorschaft 5), so wird nach dem Drallsatz ein weiteres Drehmoment, es soll als Verstellmoment bezeichnet werden, geweckt. Liegt z. B. ₂ genau in der _y-Richtung, dann hat das Verstellmoment den Betrag |₂| . Ω und versucht in diesem Fall, nach den Gesetzen der Dynamik, den Drallgeber um die _x-Achse zu kippen. Da das Drallgebergehäuse mit dem elastischen Rotorblatt verbunden ist, wirkt das Verstellmoment auch auf das Rotorblatt und führt zu dessen Kippung bzw. Formänderung. Hat man wie in Fig. 1 angedeutet mehrere solcher Drallgeber über dem elastischen Rotorblatt verteilt, so kann man auf diese Weise zeitlich veränderliche Formänderungen des Blattes erzwingen.

In Fig. 2 ist das Rotorblatt Teil des gesamten Rotors mit der Drehachse 6. An dem Rotorblatt lassen sich z. B. durch Dehnungsmeßstreifen in bekannter Weise Biegebeanspruchungen messen. Diese werden u. a. durch Luftkraftschwankungen aber auch durch die Rotorblattschwingungen verursacht. Aus der Verteilung der Biegebeanspruchung über dem Rotorblatt kann die Blattform bestimmt werden. Es gibt noch andere Möglichkeiten zur Erfassung der Istform des Rotorblattes. Als Beispiel seien über das Rotorblatt verteilte Drehratensensoren mit anschließender Integration der Biegewinkelgeschwindigkeiten genannt. Diese örtlich verteilten Sensoren stellen die Erfassung des Istwertes der Blattform dar und werden in Fig. 2 mit 7 bezeichnet. Weitere Istwerte sind die Drehzahlen der Drallgeber und deren Schwenkwinkel (in Fig. 1 mit β₂, β₃ und β₄ bezeichnet). Die erfaßten Istwerte werden über Meßleitungen 8 (diese kann man sich als im Rotorblatt verlegt denken) einer Regeleinrichtung zugeführt. In der Regeleinrichtung werden die Istwerte mit den Sollwerten verglichen; es können aber auch noch gemessene Störgrößen berücksichtigt werden. Bei Hubschraubern berechnen sich die Sollwerte ihrerseits aus dem geforderten Auftrieb und der geforderten Horizontalgeschwindigkeit und anderen flugtechnischen Anforderungen. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs bildet der Regler in Verbindung mit einer Stelleinrichtung 9 (z. B. Leistungsverstärker bei elektrisch betriebenen Drallgebern oder Druckluftverstärker wenn die Drallgeber als Turbinenläufer ausgeführt sind) die Stellgrößen, die auf die Drallgeber 10 geführt werden. Es sind als Beispiel wieder drei Drallgeber eingezeichnet. Ihre Drallvektoren sind mit ₁, ₂ und ₃ bezeichnet. Im Falle der Steuerung sind die Meßleitungen 8 nicht ausgeführt. Es findet sodann keine Kontrolle über das erreichte Ergebnis statt.

Wesentliche Stellgrößen sind: 1. Die Gehäuseposition des Drallgebers, 2. die Orientierung des Drallgebergehäuses gegen die Rotorblattlängsachse und 3. die Drallgeberdrehzahl. So lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorblattes über eine zeitlich und örtlich veränderbare Kippung und Formänderung des Rotorblattes zusätzliche Luftkräfte erzeugen die einerseits den Einfluß von Störungen unterdrücken und andererseits die Auf- und Vortriebseigenschaften des Rotors verbessern. Bei Hubschraubern bedeutet dies speziell:

• 1. eine Erkennung und Unterdrückung von aeroelastischen Instabilitäten (durch Regelung).
• 2. eine gezielte Beeinflussung der aerodynamisch wirkenden Kräfte und Momente um durch das Strömungsfeld induzierte Störungen direkt zu kompensieren (durch Regelung) und
• 3. eine Beeinflussung der dynamischen Blattbewegungen der gesamten Rotoreinheit, mit dem Ziel, örtliche Strömungseffekte wie z. B. den Strömungsabriß beim rücklaufenden Blatt zu vermeiden (durch Steuerung bzw. Regelung).

In Fig. 3 ist das Rotorblatt 1 Teil der gesamten Rotoreinheit mit der Drehachse 6. Das Rotorblatt wird als hireichend torsionssteif angenommen und soll deshalb wie ein Starrkörper behandelt werden. Das Rotorblatt besitzt zusätzlich starre Steuerflächen. Rotorblatt und Steuerfläche sind miteinander gelenkig (z. B. durch Zylindergelenke oder Scharniere) verbunden. Stellvertretend ist nur eine Steuerfläche 11 gezeichnet. Die Kippung der Steuerfläche gegen das Rotorblatt werde mit dem Winkel α beschrieben und mit dem Sensor 13 gemessen. Die Gelenke werden mit 12 bezeichnet. Ein (oder mehrere) Drallgeber 10 befindet (befinden) sich auf einer Steuerfläche. Durch die örtliche und zeitliche Veränderung des, zum jeweiligen Drallgeber gehörigen, Drallvektors in Verbindung mit der Drehzahl des Rotorschafts kann man ebenfalls ein Verstellmoment für diese Steuerfläche erzeugen. Damit kann man die relative Lage von Rotorblatt und Steuerfläche zueinander verändern und den Auftrieb eines jeden einzelnen Rotroblattes individuell kontrollieren.

In Fig. 4 ist zwischen Rotorschaft 5 und Rotorblatt 1 noch eine weitere Rückstelleinheit 14 eingezeichnet. Diese wirkt wie eine gespannte Rückstellfeder. Praktisch kann die Rückstelleinheit z. B. als hydraulischer Aktuator ausgeführt sein. Die Rückstelleinheit ist einerseits mit dem Rotorschaft und andererseits mit dem Rotorblatt verbunden und bewirkt für sich alleine ein Drehmoment welches das gesamte Rotorblatt in einen Anstellwinkel drückt, so daß ein möglichst großer Rotorauftrieb erzeugt wird. Die Drallgeber müssen in diesem Falle gegen das Drehmoment der Rückstelleinheit arbeiten und zusätzlich noch die gewünschte Kippung und Formänderung erzeugen. Dies ist durch geeignete Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen möglich. Fallen allerdings ein oder mehrere Drallgeber aus, so bewirkt die Rückstelleinheit, daß sich die Rotorblätter in eine sichere Ausgangslage (bei Hubschraubern in eine für den Hubschrauberflug sichere Fluglage) bewegen. Man spricht hierbei von der Erfüllung des "Fail Safe-Prinzips".

Claims (5)

1. Rotorblatt, das ganz oder teilweise aus elastischem Material oder aus gelenkig miteinander verbundenen Blatteilen besteht und ganz, abschnittsweise, bzw. in einzelnen Teilen, verdrehbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß an einer oder mehreren Stellen des Rotorblattes Drallgeber (2, 3, 4, 10) und an diesen und weiteren Stellen Sensoren (7, 13) angeordnet sind,
daß in einer Regel- und Stelleinrichtung (9) die Sensorsignale (8) mit vorgegebenen Sollwerten vergleichen werden und
Stellgrößen erzeugt werden, die auf die Drallgeber einwirken und
dadurch die von den Drallgebern erzeugten Drallvektoren zusammen mit der Drehung des Rotorblattes (1) um den Rotorschaft (5) Drehmomente entstehen lassen, welche zur orts- und zeitabhängigen Kippung und Formänderung des Rotorblattes führen.

2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallgeber (2, 3, 4, 10) - auf Stellsignale hin - einen zeitlich und räumlich veränderlichen Drallvektor erzeugen.

3. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einer Steuerfläche (11) oder auf mehreren Steuerflächen Drallgeber (10) befinden und daß diese Steuerfläche (bzw. diese Flächen) mit dem Rotorblatt gelenkig (12) verbunden sind wodurch bei Vorlage eines Drallvektors durch den Drallgeber einerseits und der Drehung des Rotorblatts (1) um den Rotorschaft (5) andererseits, Drehmomente entstehen welche eine Verkippung zwischen Rotorblatt und Steuerfläche bewirken.

4. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Rotorblatt und Rotorschaft eine Rückstelleinheit (14) befindet welche das Rotorblatt durch ein Rückstellmoment in einen definierten Anstellwinkel gegen die Rotorebene zu drehen versucht. Hierbei muß das nach Anspruch 1 erzeugte Drehmoment neben der notwendigen zeitabhängigen Kippung und Formänderung des Rotorblattes auch das Rückstellmoment der Rückstelleinheit überwinden. Beim Ausfall von einzelnen oder allen Drallgebern erzwingt die Rückstelleinheit einen definierten Anstellwinkel des Rotorblattes der einer sicheren Betriebslage (z. B. sicheren Fluglage) entspricht ("Fail-Save-Prinzip").

5. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein offener Wirkungsablauf (in Form einer Steuerkette) - ausgehend von den Sollwerten (bzw. von den Führungsgrößen) über Steuereinrichtungen und Stelleinrichtungen (9) zum Drallgeber (2, 3, 4, 10) stattfindet.