DE19926047C2 - Drehflügler mit einer Zelle, an der ein Hauptrotor und ein Heckausleger für einen Heckrotor gelagert sind - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehflügler mit einer Zelle, an der ein um eine etwa vertikale Rotorachse umlaufender Hauptrotor und ein Heckausleger für einen um eine etwa horizon­ tale Rotorachse umlaufenden Heckrotor gelagert sind, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Drehflügler ist der Oberbegriff, unter den vorwiegend Hubschrau­ ber aber prinzipiell auch solche Drehflügler mit überwiegend passivem Antrieb des Hauptrotors durch horizontale Anströmung fallen, die beispielsweise mit horizontal ausgerichteten Strahltriebwerken angetrieben werden. Bei einem Hubschrauber ohne zusätzliche horizontal ausgerichtete Triebwerke wird für den Vortrieb die Rotorachse bzw. der ganze Hubschrauber mit der Zelle nach vorne verkippt. Insofern ist der vertikale Verlauf der Rotorachse hier nicht als starre Angabe zu verstehen.

Hubschrauber zeichnen sich aufgrund ihrer Fähigkeit zum Schwebe- und Vertikalflug durch ein vielfältiges Einsatzspektrum aus. Diesen Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile gegenüber, zu denen ein hohes Vibrationsniveau im Inneren der Zelle eines Hubschraubers zählt. Dieses Vibrationsniveau führt neben dem bei Hubschraubern bekannt hohen Lärmniveau zu einer erheblichen Belastung des Piloten und etwaiger Passagiere. Insbesondere bei Rettungseinsätzen und Krankentransporten wirken sich die Vibrationen nachteilig auf den Patienten aus und schränken somit auch die Einsatzbreite des Hubschraubers im medizinischen Bereich wesentlich ein. Neben diesen Einschränkungen im Einsatzbereich führen die Vibrationen auch zu einem erhöhten strukturellen Verschleiß und damit verbunden zu einem hohen Wartungsaufwand bei Hubschraubern. Eine Vibrationsminderung hat daher einen direkten Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Hubschraubern.

Das Strömungsfeld um einen Drehflügler ist wesentlich durch den Rotorstrahl des Hauptrotors charakterisiert. Ein spezielles Problem in diesem Zusammenhang sind die sich von dem Heck­ ausleger ablösenden Wirbel. Diese Wirbelablösungen führen zu Querschwingungen zunächst des Heckauslegers, wenn sich hinter bzw. unter dem Heckausleger eine sogenannte Kármánnsche Wirbel­ straße ausbildet. Über die Anbindung des Heckauslegers an die Zelle werden durch die Querschwingungen des Heckauslegers Schwingungen der Zelle angeregt. Im Fall der sogenannten Selbst­ steuerung können auch Querbiegeeigenformen der Gesamtstruktur aus Zelle und Heckausleger angeregt werden die neben einer Reduktion des Flugkomforts eine erhebliche Strukturbelastung darstellen.

Die maßgebliche Kennzahl für das oben angesprochene Phänomen der Selbststeuerung ist die sogenannte STROUHAL-Zahl S = f_kD/u, wobei f_k die Frequenz der sich ablösenden Wirbel, D der Durch­ messer der quer angeströmten Struktur und u die Strömungs­ geschwindigkeit ist. Die STROUHAL-Zahl ist abhängig von der REYNOLDS-Zahl. Nähert sich die Frequenz f_k der Eigenfrequenz f_e einer Querschwingungseigenform des Heckauslegers, entstehen bei kleiner Dämpfung große Ausschläge. Dieses Phänomen ist bei quer angeströmten Zylindern bekannt und beispielsweise in Hapel, H.-H.: "Festigkeitsanalyse dynamisch beanspruchter Offshore Konstruktionen", Vieweg-Verlag, 1990 beschrieben. Ein in Wirbelresonanz schwingender Zylinder schwingt auch dann mit derselben Amplitude weiter, wenn die Anströmgeschwindigkeit geringfügig wächst oder abnimmt. Das heißt, in einem schmalen Frequenzgang in der Umgebung seiner Resonanzfrequenz wird die Frequenz der sich ablösenden Wirbel nicht von der Höhe der Anströmgeschwindigkeit sondern von dem schwingenden Zylinder selbst bestimmt. Dieses Phänomen wird im speziellen mit Selbststeuerung bezeichnet. Sie führt zu einer zusätzlichen Stabilisierung der Resonanzschwingung, was auch als LOCK-IN Phänomen bezeichnet wird. Aufgrund der Selbststeuerung können bei schwingenden Zylindern auch im überkritischen REYNOLDS- Bereich zwischen dem unterkritischen Bereich und dem trans­ kritischen Bereich regelmäßige Wirbelablösungen auftreten, was bei starren Strukturen nicht auftritt. Die spezielle wechsel­ weise Ablösung von Einzelwirbeln auf beiden Seiten eines quer angeströmten schwingenden Zylinders tritt bei typischen STROUHAL-Zahlen von 0,2 und REYNOLDS-Zahlen im Bereich 2,5 . 10⁶ < Re < 5 . 10⁶ (überkritischer Bereich) auf. Die Querschwingungen des Heckauslegers eines Drehflüglers sind stark durch das Phänomen der Selbststeuerung geprägt. Die wirbelinduzierten Querbiegemomente weisen als Frequenzanteile im Falle der Selbststeuerung die erste Querbiegeeigenform des Drehflüglers und im Falle ohne Selbststeuerung die Wirbelablösefrequenz auf.

Aus Strehlow, H. et al.: "Applied Helicopter Aeroelastics - Modelling and Testing -"; 22nd European Rotorcraft Forum, Brighton, UK, Sept. 1996 ist es für den Hubschrauber BK 117 bekannt, daß bei STROUHAL-Zahlen von 0,2 in einem bestimmten Fluggeschwindigkeitsbereich eine Selbststeuerung mit starken Querbiegemomenten des Heckauslegers auftritt. Konkret wurden starke Heckauslegerschwingungen im Sinkflug und bei Flug­ geschwindigkeiten im Bereich zwischen 70 bis 120 kn beobachtet.

Der Schwingungsverlauf wies in diesem Zusammenhang eine Schwebung auf. Der Grund für diese Schwebung sind die dicht zusammenliegenden Biege- und Ablösefrequenzen, die mit vergleichbaren Amplituden angeregt werden. Aus der oben zitierten Druckschrift ist weiterhin bekannt, daß die Querbiege­ momente des Heckauslegers mit den Vibrationen des Pilotensitzes stark korrelieren und für Zellenvibrationen verantwortlich sind. Zudem führen die Querbiegeschwingungen des Heckauslegers zu Wechselwirkungen mit dem Heckrotor.

Ein Hubschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der EP 00 99 185 A2 bekannt. Hier wird die asymmetrische Form durch ein auf einer Seite des Heckauslegers dauerhaft angebrachtes und über die wesentliche Länge des Heckauslegers gradlinig durchlaufendes Störblech erreicht. Hierbei ist nachteilig, daß die Orientierung des Störblechs nur für einen kritischen Betriebszustand optimal ist. Außerhalb der kritischen Betriebszustände ruft das Störblech zudem eine unerwünschte Erhöhung des Strömungswiderstands des Heckauslegers hervor.

Zur Vermeidung der Ausbildung einer Kármánnschen Wirbelstraße an einem quer angeströmten Zylinder ist die Ausbildung einer spiralförmig um den angeströmten Zylinder umlaufenden Wendel bekannt. Dieses Konzept kommt bei meerestechnischen Konstruk­ tionen, bei Schornsteinen und Türmen im Hochbau und auch bei stabförmigen Autoantennen zur Anwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anregungen von Querschwingungen des Heckauslegers bei einem Drehflügler aufgrund von sich ablösenden Wirbeln deutlich zu verringern, ohne außerhalb der kritischen Betriebszustände den Strömungs­ widerstand des Heckauslegers zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Drehflügler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die spezielle Ausformung des Heckauslegers, die bei dem erfindungsgemäßen Drehflügler nicht dauerhaft gegeben ist, sondern nur in den kritischen Betriebszuständen und speziell an diese angepaßt vorliegt, verhindert die Ausbildung einer Kármánnschen Wirbelstraße aufgrund des auf den Heckausleger auftreffenden Rotorstrahls. Für die Ausbildung der Kármánnschen Wirbelstraße unter, d. h. in der Richtung des Rotorstrahls gesehen hinter dem Heckausleger ist es entscheidend, daß sich die Strömung in großen Wirbeln wechselweise von beiden Seiten des Heckauslegers ablöst. Wenn die Ablösung der Strömung in Form solcher großen Wirbel zumindest auf einer Seite des Heckauslegers verhindert werden kann, kann auch das Ausbilden der Kármánnschen Wirbelstraße unterdrückt werden.

Für den Heckausleger des erfindungsgemäßen Drehflüglers ergibt sich in den kritischen Betriebszuständen eine Asymmetrie zu einer von seiner Längsausdehnungsrichtung und der Richtung des auftreffenden Rotorstrahls aufgespannten Ebene.

Bei dem neuen Drehflüglers ist temporär in den kritischen Betriebszuständen eine spiralförmig umlaufende Wendel an dem Heckausleger ausgebildet. Die Ausbildung der spiralförmig umlaufenden Wendel führt auch bei dem Heckausleger eines Drehflüglers trotz der mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Drehflüglers variierenden Anströmungsrichtung des Rotorstrahls des Hauptrotors auf den Heckausleger zu der erwünschten Verhinderung massiver Querschwingungen. Dabei können Wendelformen optimal sein, die keine gleichmäßige Steigung und nicht einmal eine stetige Steigung in der Haupterstreckungs­ richtung des Heckauslegers aufweisen. Die Wirkungsweise der an dem Heckausleger ausgebildeten Wendel ist diejenige, daß sich die von dem Heckausleger ablösenden Wirbel primär an den Wendelkanten ablösen. Damit wird auf beiden Seiten verhindert, daß sich Wirbel von dem Heckausleger ablösen, die eine große Ausdehnung in der Längsausdehnungsrichtung des Heckauslegers aufweisen. Zudem sind die sich ablösenden Wirbel klein. Insge­ samt fehlt es an einer Ordnung der sich von beiden Seiten des Heckauslegers ablösenden Wirbel, die mit einer ausreichenden innewohnenden Energie eine Selbststeuerung der Wirbelablösung bewirken könnte.

Die Wendel an dem Heckausleger kann auf der Außenhaut des Heck­ auslegers angeordnet sein.

Es ist möglich, eine Wendel von der Zelle her über den Heck­ ausleger ausfahrbar auszubilden und nur für die kritischen Betriebszustände auszufahren sowie ansonsten in einer Ausnehmung an der Zelle zu versenken.

Hei einer Bandbreite von kritischen Betriebszuständen ist es zudem bevorzugt, wenn der Verlauf der Steigung der Wendel in Abstimmung an die bestimmten Betriebszustände einstellbar ist. Dabei sollte nicht nur eine stetige Steigung der Wendel einstellbar sein. Vielmehr ist es interessant, die Steigung auch lokal in Anpassung an die Betriebszustände zu variieren.

Die Wendel kann auch als Vertonung der Außenhaut des Heckaus­ legers vorgesehen sein. So kann die Außenhaut durch rückwärtige Druckkissen lokal ausfahrbar sein. Diese Druckkissen können in Form von Druckschläuchen oder unter Einbeziehung der Außenhaut selbst ausgebildet werden. Als Druckmedium kommt neben Hydrau­ likflüssigkeiten insbesondere Druckluft in Frage.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben; dabei zeigt

Fig. 1 einen Hubschrauber als Beispiel für eine Drehflügler in der Seitenansicht,

Fig. 2 eine Auftragung der Frequenz der sich von dem Heckaus­ leger des Hubschraubers gemäß Fig. 1 ablösenden Wir­ bel in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit auf den Heckausleger,

Fig. 3 einen Abschnitt eines Heckauslegers einer ersten er­ findungsgemäßen Ausführungsform eines Hubschraubers,

Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsvarianten zu dem Heckausleger gemäß Fig. 3 im Detail und

Fig. 6 bis 8 einen Abschnitt eines Heckauslegers einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hubschraubers in drei Ausführungsvarianten.

Der in Fig. 1 als Beispiel für einen Drehflügler dargestellte Hubschrauber 1 weist eine Zelle 2 auf, an der ein um eine im wesentlichen vertikale Rotorachse 3 umlaufender Hauptrotor 4 gelagert ist. Ebenfalls an der Zelle 2 ist ein Triebwerk 5 für den Hauptrotor 4 gelagert. Das Triebwerk 5 treibt über eine nach hinten führende Antriebswelle 6 zudem einen Heckrotor 7 an, der an einem Heckausleger 8 um eine horizontale Rotorachse 9 ver­ schwenkbar gelagert ist. Der Heckausleger 8 ist an der Zelle 2 gelagert und trägt an seinem freien Ende neben dem Heckrotor 7 ein Leitwerk 10. Unten an der Zelle 2 sind Kufen 11 gelagert. Statt der Kufen 11 könnte auch ein Fahrwerk vorgesehen sein. In der Zelle 2 befinden sich ein oder mehrere Pilotensitze 12 und ein oder mehrere Passagiersitze 13. Der von dem Triebwerk 5 um die Rotorachse 3 angetriebene Hauptrotor 4 verursacht einen abwärts gerichteten Rotorstrahl 14, der mit zunehmender Ge­ schwindigkeit des Hubschraubers 1 in einer Flugrichtung 15 im zunehmenden Maße auch nach hinten gerichtet ist. Der Rotorstrahl 14 trifft von oben auf den Heckausleger 8 auf und kann dabei Querschwingungen des Heckauslegers 8 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 hervorrufen, die möglicherweise Querbiegeeigenformen der gesamten Zellenstruktur anregen.

Die mit der Anregung der Querbiegeeigenformen des Hubschraubers 1 verbundenen Phänomene sind in Fig. 2 skizziert. Oben in Fig. 2 ist dargestellt, wie sich bei einem durch den Rotorstrahl 14 quer angeströmten zweidimensionalen Zylinder 16, der als Modell für den Heckausleger 8 gemäß Fig. 1 dient, Wirbel 17 und 18 wechselweise von beiden Seiten des Zylinders 16 ablösen. Dabei bezieht sich die Zuordnung der Seiten auf eine Ebene, die von dem Rotorstrahl 14 und der Haupterstreckungsrichtung des Zylin­ ders 16 aufgespannt wird. Das derart beschriebene Phänomen der sich wechselseitig von dem Zylinder 16 bzw. dem Ausleger 8 ablösenden Wirbel 17 und 18 wird auch als Kármánnsche Wirbel­ straße bezeichnet. Die Frequenz f_k der sich ablösenden Wirbel 17 und 18, die in Fig. 2 unter dem Prinzipschaubild über der Anströmgeschwindigkeit u aufgetragen ist, steigt mit der Anströmgeschwindigkeit u linear an, bis sie in den Bereich einer Eigenfrequenz f_e der Querschwingungseigenform der Gesamtstruktur des Hubschraubers 1 gemäß Fig. 1 gelangt. Dort kommt es in einer LOCK-IN Region zu einer Stabilisierung der Frequenz f_k unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit u. Gleichzeitig erfolgt eine Anregung der Querschwingungseigenform des Hub­ schraubers mit der Eigenfrequenz f_e über die gesamte LOCK-IN Region hinweg, so daß es zu starken strukturellen Belastungen kommt. Aber auch über den restlichen Bereich der Ausbildung der Kármánnschen Wirbelstraße treten unerwünschte Querschwingungen des Heckauslegers 8 und damit verbundene strukturelle Belastun­ gen des Hubschraubers 1 auf.

Um die Ausbildung der Kármánnschen Wirbelstraße und insbesondere das Eintreten in die LOCK-IN Region gemäß Fig. 2 zu vermeiden, ist vorgesehen, den Heckausleger 8 des Hubschraubers 1 gemäß Fig. 1 so zu modifizieren, daß sich die Strömung aufgrund des Rotorstrahls 14 zumindest auf einer Seite des Heckauslegers 8 nicht in Form großer und in der Längsausdehnungsrichtung des Heckauslegers langgestreckter Wirbel 17 oder 18 ablöst, wodurch bereits die Grundvoraussetzung für das Entstehen einer Kármánn­ schen Wirbelstraße beseitigt ist.

Gemäß Fig. 3 ist es vorgesehen, an dem Ausleger 8 eine spiral­ förmig umlaufende Wendel 20 auszubilden. Dabei ist die Wendel 20 als Verformung einer Außenhaut 21 des Heckauslegers 8 vorge­ sehen. Die Verformung der Außenhaut 21 ist in zwei Ausführungs­ varianten der Fig. 4 und 5 im Detail skizziert. Bei beiden Ausführungsvarianten wird ein lokales Druckkissen 22 unter der Außenhaut 21 ausgebildet und mit einem Druckmedium beaufschlagt. Vorzugsweise handelt es sich um Druckluft. Gemäß Fig. 4 ist das Druckkissen 22 direkt zwischen der Außenhaut 21 und einer inne­ ren Struktur 23 ausgebildet und wird seitlich durch dichtende Fixierungen 24 begrenzt. Gemäß Fig. 5 wird das Druckkissen 22 von einem zusätzlichen Druckschlauch 25 ausgebildet, der zwi­ schen der Außenhaut 21 und einer darunter befindlichen Struktur 23 angeordnet ist. Durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung des Druckkissens 22 kann die Wendel 20 gemäß Fig. 3 in unterschiedlichem Maße hervorgerufen oder durch Druckablassen auch ganz beseitigt werden. Die Wirkungsweise der ausgefahrenen Wen­ del besteht darin, daß sie für eine Wirbelablösung vornehmlich im Bereich der Wendelkante sorgt, so daß die Wirbelablösungen weder durchgängig über eine Seite des quer angeströmten Heckaus­ legers 8 erfolgen, noch bei Betrachtung beider Seiten die Ablö­ sung von beiden Seiten über eine nennenswerte Längserstreckung des Heckauslegers 8 in einem Umfangsbereich stattfinden kann, in dem typischerweise große Wirbel entstehen.

In den Fig. 6 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, bei denen eine Wendel über die Außenhaut 21 den Heckausleger 8 entlang von der Zelle 2 her ausfahrbar ist. Dabei ist die eingefahrene Wendel 20 jeweils innerhalb einer Wendel­ verkleidung 26 angeordnet. Gemäß Fig. 6 ist die Wendel 20 mit ihrem zellenseitigen Ende gegenüber Längsbewegung und Torsions­ bewegung fest an der Zelle 2 gelagert und wird beispielsweise durch ein am freien Ende des Heckauslegers 8 ungelenktes Zugseil 27 von der Zelle 2 her den Ausleger 8 entlang ausgezogen. Dabei kann die bekannte Durchmesserverringerung einer Spirale gezielt dafür genutzt werden, daß sich die Wendel 20 im ausgezogenen Zustand fest an die Außenhaut 21 des Heckauslegers 8 anlegt. Dafür muß aber nicht die gesamte Außenhaut 21 druckfest ausge­ bildet sein. Vielmehr können bestimmte Auflagepunkte oder -rippen an der Außenhaut 21 mit entsprechender Stabilität ausgebildet werden.

Gemäß Fig. 7 ist das äußere Ende der Wendel 20 gegen Längsbe­ wegung frei aber gegen Torsionsbewegung fest an dem Ausleger 8 geführt. Das zellenseitige Ende ist gegenüber Längsbewegung fest und in Torsionsrichtung gemäß einem Drehpfeil 28 drehantreibbar gelagert. Durch den Drehantrieb kann die Wendel 20 aus der Wendelverkleidung 26 heraus und in diese zurück aus- bzw. eingefahren werden.

Gemäß Fig. 8 ist die Wendel 20 auf der Basis eines mit einem Druckmedium aufblasbaren Schlauchs 29 ausgebildet, der sich bei seiner Druckbeaufschlagung zu strecken versucht, so daß die Wendel den Ausleger 8 entlang ausgefahren wird.

Bei allen Ausführungsformen gemäß den Fig. 6 und 8 kann es nicht nur vorgesehen sein, die Wendel 20 für bestimmte kritische Zustände, in denen die Bildung einer Kármánnschen Wirbelstraße zu befürchten ist, vollständig ausgefahren wird. Vielmehr ist auch denkbar, daß die Wendel in Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand nur zu einen Teil ausgefahren wird. Es ist eben­ so denkbar, die Steigung der Wendel über die gesamte Erstreckung des Heckauslegers 8 einheitlich oder in Abstimmung auf die lokalen Strömungszustände abschnittsweise zu optimieren.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Hubschrauber

2

Zelle

3

Rotorachse

4

Hauptrotor

5

Triebwerk

6

Antriebswelle

7

Heckrotor

8

Heckausleger

9

Rotorachse

10

Leitwerk

11

Kufe

12

Pilotensitz

13

Passagiersitz

14

Rotorstrahl

15

Flugrichtung

16

Zylinder

17

Wirbel

18

Wirbel

20

Wendel

21

Außenhaut

22

Druckkissen

23

Struktur

24

Fixierung

25

Druckschlauch

26

Wendelverkleidung

27

Zugseil

28

Drehpfeil

29

Druckschlauch

Claims (6)

1. Drehflügler mit einer Zelle, an der ein um eine etwa verti­ kale Rotorachse umlaufender Hauptrotor und ein Heckausleger für einen um eine etwa horizontale Rotorachse umlaufenden Heckrotor gelagert sind, wobei ein von dem umlaufenden Hauptrotor hervor­ gerufener Rotorstrahl auf den Heckausleger trifft, wobei sich in kritischen Betriebszuständen beiderseits von dem Heckausleger Wirbel ablösen, wobei der Heckausleger in den kritischen Betriebszuständen gegenüber dem Rotorstrahl eine derartige Ausformung aufweist, daß sich zumindest von einer Seite des Heckauslegers die Strömung nicht unter Ausbildung eines Wirbel ablöst, der sich durchgängig über einen wesentlichen Teil der Längsausdehnung des Heckauslegers erstreckt, und wobei der Heckausleger in den kritischen Betriebszuständen zu einer von seiner Haupterstreckungsrichtung und der Richtung des auftref­ fenden Rotorstrahls aufgespannten Ebene asymmetrisch ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine spiralförmig umlaufende Wendel (20) für die kritischen Betriebszuständen temporär an dem Heckausleger (8) ausgebildbar ist.

2. Drehflügler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (20) auf der Außenhaut (21) des Heckauslegers (8) anordbar ist.

3. Drehflügler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (20) von der Zelle (2) her über den Heckausleger (8) ausfahrbar ist.

4. Drehflügler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Steigung der Wendel (20) einstellbar ist.

5. Drehflügler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (20) als tmporäre Verformung der Außenhaut (21) vorgesehen ist.

6. Drehflügler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut (21) durch rückwärtige Druckkissen (22) lokal ausfahrbar ist.