DE2214262A1

DE2214262A1 - Rotary wing arrangement

Info

Publication number: DE2214262A1
Application number: DE19722214262
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph East Hampton Conn. Arcidiacono (V.StA.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-04-08
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1972-10-19
Also published as: FR2132864A1; IT950949B; FR2132864B1; CA951301A

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

_DR.._PH,t. C. NICKEL ■ DR.-.HO. ■>■ DORNER _DR .. _P H, t. C. NICKEL ■ DR .-. HO. ■> ■ DORNER

8M0NCHENI58M0NCHENI5

POSTFACH 10* LANDWEHRSTR. 35POST BOX 10 * LANDWEHRSTR. 35

TEL. ,(0811) 55 5719 TEL. , (0811) 55 5719

München, den 22. März 1972 Anwaltsaktenz.: 14 - Pat. 107Munich, March 22, 1972 Lawyer files .: 14 - Pat. 107

United Aircraft Corporation, East Hartlord, Connecticut 06108, Vereinigte Staaten von AmerikaUnited Aircraft Corporation, East Hartlord, Connecticut 06108, United States of America

Drehilüge!anordnungRotation lie! Arrangement

Die Erfindung betrifft DrehflügeIanordnungen mit einem um seine Längsachse drehbaren Rotorkopf, von welchem auf jeweils gegenüberliegenden Seiten mindestens zwei Rotorblätter wegstehen.The invention relates to rotary flight arrangements with one around his Longitudinal axis rotatable rotor head, from which at least two rotor blades protrude on opposite sides.

Charakteristisch für herkömmliche Rotorsysteme ist ihr verhältnismäßig komplizierter Aufbau. Bei der Entwicklung voll gelenkig ausgeführter Hubschrauber-Rotorsysteme, wurden im allgemeinen Gesichtspunkte beachtet, welche durch die bauliche und dynamische Stabilität bestimmt wurden. Die Erfüllung der genannten Forderungen führte zu Rotorsystemen, welche kompliziert sind und einen beträchtlichen Kosten- und Unterhaltungsaufwand sowie ein beträchtliches Gewicht besitzen. Während man eine bestimmte Verminderung der Kompliziertheit des Aufhaues dadurch erzielen konnte, daß gelenklos ausgebildete Rotoren entwickelt wurden, sind bei diesen Rotorkonstruktionen jedenfalls noch zur Holmachse koaxiale Lager vorgesehen, um eine Blattwinkelverstellung vornehmen zu können, wodurch weiterhin ein großes Gewicht und ein großer Unterhaltungsaufwand erforderlich sind. Zwar"wird also durch den gelenklosen Rotor gegenüber den Rotor mit gelen-It is characteristic of conventional rotor systems that they are proportionate complicated structure. In the development of fully articulated helicopter rotor systems, in general Considered aspects that were determined by the structural and dynamic stability. The fulfillment of the said Demands have resulted in rotor systems that are complicated and involve considerable expense and maintenance as well have considerable weight. While one can thereby achieve a certain reduction in the complexity of the setting up could that hingeless rotors were developed, In any case, bearings coaxial to the spar axis are provided in these rotor designs to allow blade angle adjustment to be able to make, whereby still a great weight and a large amount of maintenance is required. True "will so due to the hingeless rotor compared to the rotor with articulated

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I 22U262 · I 22U262

kig angeschlossenen Blättern ein großer Vorteil im Betrieb aufgrund der großen Steuerkräfte und der Dämpfungseigenschaften erzielt, doch ist eine weitere Verminderung des Gewichtes ,,des Luftwiderstandes und des konstruktiven Aufwandes wünschenswert, um die Betriebseigenschaften und die Unterhaltskosten herabzusetzen.kig connected leaves a great advantage in operation due to the large control forces and the damping properties achieved, but a further reduction in weight, the air resistance and the structural complexity desirable in order to reduce the operating properties and the maintenance costs.

Durch die Erfindung soll also unter Beibehaltung der großen Steuerkräfte, wie sie mit gelenklosen Rotorkonstruktionen erreichbar sind, gleichzeitig eine starke Verminderung des Gewichtes und des baulichen Aufwandes erzielt werden.The invention is thus intended to maintain the large control forces that can be achieved with hingeless rotor constructions are, at the same time a strong reduction in weight and construction costs can be achieved.

Der Grundgedanke der Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß Lager zur Blattwinkeleinste Llung entbehrlich gemacht werden, indem man die anisotropen Eigenschaften bestimmter Verbundwerkstoffe ausnützt, so daß ein gelenkloses und lagerloses Rotorsystein geschaffen werden kann, das sich insbesondere für die Verwendung als Rotor für Hubschrauber eignet. Im einzelnen wird die gesteLlte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein durch die Längsachse gehender, mit seiner Mitte an dem Rotorkopf gegenüber diesem .drehfest befestigter, einstückiger, im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisender Holm sich von der Spitze eines Rotorblattes zur Spitze des bzw. eines gegenüberliegenden Rotorblattes erstreckt und mehrere Schichten von aus einem Werkstoff großen Elastizitätsmoduls von mindestens 2,11 · 10 kg/cm bestehenden Fasern enthält, welche nebeneinander im wesentlichen parallel zur Holmachse miteinander verbunden sind, daß ferner jedes Rotorblatt eine tragflügeiförmige Hülse enthält, welche einen durchgehend an einem radial äußeren Bereich des Holm befestigten radial äußeren Teil und einen gegenüber einem radial inneren Teil des Holm frei beweglichen, radial inneren Teil besitzt und daß der radial innere Teil des Holm gegenüber dem radial inneren Teil der genannten Hülse verdrehbar und abbiegbar ist.The basic idea behind the solution to this problem is that bearings for blade angle adjustment are made dispensable by the anisotropic properties of certain composites exploits, so that a pivotless and bearingless rotor system can be created that is particularly suitable for use as a rotor for helicopters. In detail, the created According to the invention, the object is achieved in that a center that extends through the longitudinal axis is opposite to the rotor head This one-piece, essentially rectangular, fastened in a rotationally fixed manner Cross-section having spar extends from the tip of a rotor blade to the tip of the or an opposite rotor blade extends and several layers of a material with a large modulus of elasticity of at least 2.11 x 10 6 kg / cm Contains fibers which are connected to one another side by side essentially parallel to the spar axis, that further each rotor blade contains a hydrofoil-shaped sleeve which has a radially outer part fastened continuously to a radially outer region of the spar and one opposite to a radially inner one Part of the spar has freely movable, radially inner part and that the radially inner part of the spar can be rotated and bent relative to the radially inner part of the said sleeve is.

Die Lager zur Blattwinkeleinstellung können dadurch vermieden werden, daß die anisotropen Eigenschaften der neuartigen, faser-The bearings for blade angle adjustment can thereby be avoided that the anisotropic properties of the novel, fibrous

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α 22Η262α 22Η262

verstärkten Verbundwerkstoffe ausgenützt werden. Insbesondere macht man sich die großen Veränderungen des Verhältnisses von Biegemodul zu Schubmodul zunutze, welche durch Veränderung der Ausrichtung von Fasern großen Elastizitätsmoduls erreicht werden können. Erfindungsgemäß wird ein leichter, einfacher Blattanschluß erzielt, der sowohl biegesteif genug ist, um zufriedenstellend große Steuerkräfte tibertragen zu. können und eine dynamische Stabilität besitzt und der in der Torsionsrichtung ausreichend flexibel ist, um eine Blattanstellwinkeleinstellung zu ermöglichen, indem der genannte Holm verdrehbar ist. Die torsionssteife, tragflügeiförmige Hülse ist nur im radial äußeren Bereich mit dem Holm verbunden.reinforced composite materials are used. In particular, one makes the big changes in the ratio of Flexural modulus to shear modulus, which can be achieved by changing the orientation of fibers with a large elastic modulus can. According to the invention there is a light, simple blade connection achieved that is both rigid enough to transfer satisfactorily large control forces. can and a dynamic Has stability and which is sufficiently flexible in the direction of torsion to permit blade pitch adjustment enable by the said spar is rotatable. The torsional stiffness, The hydrofoil-shaped sleeve is only connected to the spar in the radially outer area.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht· auch die Hülse aus einem ¥erkstoff mit aneinander befestigten Fäden oder Fasern in gekreuzter Lagenanordnung. Bei dieser Konstruktion ist die Biegesteifigkeit des Holms in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Rotorscheibe groß genug, um der Drehflügelanordnung eine bedeutend größere Steifigkeit zu verleihen, als sie bei üblichen Rotorsystemen mit gelenkigem Blattanschluß oder bei anderen Rotorsystemen anzutreffen ist. Nachdem eine große Steifigkeit der Rotorkonstruktion charakteristisch für große Steuerkräfte und für gute Dämpfungseigenschaften ist, ergibt die Erfindung verbesserte Betriebseigenschaften des Rotors gegenüber entsprechenden bekannten Rotorsystemen. Zusätzlich ist die Biegesteifigkeit des Holms über die hohe Kante, also parallel zur Rotordrehscheibe, gegenüber bekannten Rotorsystemen ganz außerordentlich groß. Die natürliche Anregungsfrequenz von Hochkant-Schwingungen der ersten Harmonischen ist daher viel größer als die Rotorumlauffrequenz, so daß Möglichkeiten, starker Bodenresonanz oder von Resonanzen im Fluge ausgeschaltet werden.According to a preferred embodiment, there is also the sleeve Made of a material with threads or fibers attached to one another in a crossed layer arrangement. In this construction, the stiffness of the spar is in a direction perpendicular to the The rotor disk level is large enough to accommodate the rotary vane assembly to give a significantly greater rigidity than with conventional rotor systems with an articulated blade connection or with others Rotor systems is encountered. Since a great rigidity of the rotor construction is characteristic of great control forces and good damping properties, the invention results improved operating characteristics of the rotor compared to corresponding known rotor systems. In addition, there is bending stiffness of the spar over the high edge, i.e. parallel to the rotor turntable, quite extraordinary compared to known rotor systems great. The natural excitation frequency of upright vibrations the first harmonic is therefore much greater than the rotor rotation frequency, so that there is potential for strong ground resonance or be switched off by resonances in flight.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing. Put it dar:

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* 22U262* 22U262

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Hubschrauberrotors und der Rotorblattkonstruktion, Figure 1 is a perspective view of a helicopter rotor and the rotor blade construction,

Figur 2 eine perspektivische, in auseinandergenommenem
Zustand gezeichnete Ansicht einer Drehflügelanordnung mit einstückigem Holm, der sich quer zum Rotorkopf oder zur Rotordrehachse erstreckt und
erfindungsgemäß durch beide, tragflügelartige
Rotorblatthülsen reicht, Figure 2 is a perspective, disassembled
State drawn view of a rotary vane arrangement with a one-piece spar, which extends transversely to the rotor head or to the rotor axis of rotation and
according to the invention by both, airfoil-like
Rotor blade sleeves is sufficient,

Figur 5 eine Aufsicht auf eine Hubschrauber-Rotornabe FIG. 5 shows a plan view of a helicopter rotor hub

mit einer erfindungsgemäßen Drehflügelanordnung,with a rotary vane arrangement according to the invention,

Figur k eine Schnittansicht entlang der in Figur 3 angedeuteten Schnittebene k-k, FIG. K shows a sectional view along the sectional plane kk indicated in FIG. 3,

Figur 5 eine Schnittansicht entlang der in Figur 3 angedeuteten Schnittebene 5-5, FIG. 5 shows a sectional view along the sectional plane 5-5 indicated in FIG. 3,

Figur 6 eine Schnittansicht entlang der in Figur 3 angedeuteten Schnittebene 6-6 und FIG. 6 shows a sectional view along the sectional plane 6-6 and indicated in FIG. 3

Figur 7 eine graphische Darstellung der Modulwerte bestimmter faserverstärkter Verbundwerkstoffe. FIG. 7 shows a graph of the modulus values of certain fiber-reinforced composite materials.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Drehflügelanordnung in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Man erkennt, daß keinerlei Gelenke und Lager vorgesehen sind. Die Anordnung besitzt zwei Paare einander diametral gegenüberstehender Blätter, wobei ein Blattpaar die Rotorblätter 12' und ik und das andere Blattpaar die Rotorblätter 16 und 18 enthält. Die Blattpaare sind jeweils auf
einem durchgehenden, einstückigen Holm 20 befestigt, der zwischen den Blattspitzen verläuft. Um das Gewicht zu vermindern und in Sehnenrichtung die richtige Lage des Schwerpunktes und der elastischen Achse zu erhalten, kann der radial äußere Teil des "Holmes sich verjüngen, wie aus den Zeichnungen zu entnehmen ist.
Der Holm selbst ist aus einer Vielzahl dünner, blattartiger Schichten von Fäden oder Fasern hohen Elastizitätsmoduls zusammengesetzt, welche Seite an Seite parallel zur Längsachse des Holms verlaufend mittels eines geeigneten Trägermaterials zusammenge-In FIG. 1, a rotary vane arrangement according to the invention is designated in its entirety by 10. It can be seen that no joints or bearings are provided. The arrangement has two pairs of diametrically opposite blades, one pair of blades containing the rotor blades 12 ′ and ik and the other pair of blades containing the rotor blades 16 and 18. The pairs of leaves are each up
a continuous, one-piece spar 20 attached, which extends between the blade tips. In order to reduce the weight and to obtain the correct position of the center of gravity and the elastic axis in the direction of the chord, the radially outer part of the spar can be tapered, as can be seen from the drawings.
The spar itself is composed of a large number of thin, sheet-like layers of threads or fibers with a high modulus of elasticity, which are assembled side by side parallel to the longitudinal axis of the spar by means of a suitable carrier material.

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halten sind, beispielsweise mittels eines synthetischen, durch Temperatureinwirkung aushärtbären Harzes, etwa eines Epoxydharzes. Im allgemeinen ist die Dicke des Holms 50% geringer als die Blattdicke und die Fäden oder Fasern sind aus einem Werkstoff gefertigt, welcher einen Elastizitätsmodul von mindestens etwa 2,11 · 10 kg/cm aufweist. Geeignete, hohen Elastizitätsmodul' besitzende Werkstoffe, welche in Fadenform zur Verfügung stehen, sind beispielsweise Borfäden mit einer Wolframdrahtseele mit oder ohne Schutzbeschichtung beispielsweise aus Siliziumkarbid, Graphitfäden und Siliziumkarbidfäden. Während hier angegeben ist, daß die Fäden oder Fasern in dem Holm genau in einer Richtung ausgerichtet sind, sei hier darauf hingewiesen, daß leichte Abweichungen von dieser Ausrichtung vorgenommen werden können und beispielsweise etwa ± 5° betragen können, um die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungserscheinungen zu erhöhen.are held, for example by means of a synthetic Exposure to temperature hardening resin, such as an epoxy resin. In general, the thickness of the spar is 50% less than that Sheet thickness and the threads or fibers are made of a material which has a modulus of elasticity of at least approximately 2.11 x 10 6 kg / cm. Suitable materials with a high modulus of elasticity, which are available in thread form, are for example boron threads with a tungsten wire core with or without a protective coating, for example made of silicon carbide, graphite threads and silicon carbide filaments. While it is stated here that the threads or fibers in the spar go precisely in one direction are aligned, it should be noted that slight deviations can be made from this alignment and can be, for example, about ± 5 ° to the resistance to increase against signs of fatigue.

Der Holm 20 erstreckt sich durch einen Rotorkopf 22 hindurch und ist an diesem mit seiner Mitte durch eine Nabenanordnung 24 befestigt. Letztere enthält eine untere Nabenplatte 26, zwei Füll-* stücke 28 und 30 und eine obere Nabenplatte 32. Die untere Nabenplatte 26 weist eine obere, flache Stirnfläche 34 und einen unteren Muffenteil 36 auf, der. zur Übertragung des Drehmomentes, an dem Rotorkopf oder der Welle 22 befestigt ist. Die untere Nabenplatte 26 und die obere Nabenplatte 32 besitzen jeweils einen in Durchmesserrichtung verlaufenden Schlitz 38, der so geformt ist, daß er den Holm 20 umgreift und gegebenenfalls eine angeformte Anschrägung besitzt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die äußeren Kanten 40 der Schlitze abgerundet, um Spannungskonzentrationen am Holm zu vermeiden. Außerdem ist ein Schrägungswinkel vorgesehen, der in Figur 2 mit o( bezeichnet ist. Die untere und die obere Nabenplatte 26 bzw. 32 sind mit fluchtenden Bohrungen 42 für das Durchstecken von Schrauben versehen, so daß die Nabenplatten zusammengespannt werden können.The spar 20 extends through a rotor head 22 and is fastened to it at its center by a hub arrangement 24. The latter contains a lower hub plate 26, two filler * pieces 28 and 30 and an upper hub plate 32. The lower hub plate 26 has an upper, flat end face 34 and a lower sleeve part 36, the. for transmitting the torque, is attached to the rotor head or the shaft 22. The lower hub plate 26 and the upper hub plate 32 each have a slit 38 running in the direction of the diameter, which is shaped so that it engages around the spar 20 and optionally has an integrally formed bevel. As can be seen from the drawing, the outer edges 40 of the slots are rounded in order to avoid stress concentrations on the spar. In addition, a helix angle is provided, which is designated in Figure 2 with o ( . The lower and upper hub plates 26 and 32 are provided with aligned bores 42 for the insertion of screws so that the hub plates can be clamped together.

Die Füllstücke 28 und 30 besitzen solche Form, daß sie den jeweils zugehörigen Holm an der betreffenden Nabenplatte festspan-The filler pieces 28 and 30 have such a shape that they each the associated spar on the hub plate in question.

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nen und im festgespannten Zustand eine Stirnfläche 44 aufweisen, die mit der flachen Oberfläche oder Stirnfläche der zugehörigen Nabenplatte fluchtet. Das bedeutet, daß das Füllstück 28 eine nach innen gerichtete Fläche besitzt, die sich der Oberseite des mittleren Teiles des Holms anpaßt, während die flache Außenfläche dieses Füllstückes im wesentlichen in einer Ebene mit der Fläche 34 gelegen ist. Dieselben Beziehungen bestehen zwischen dem zweiten Füllstück 30 und der oberen Nabenplatte 32. Man erkennt also, daß Rotoren mit einer Vielzahl von Blättern in einfacher Weise dadurch zusammengebaut werden können, daß Blattpaare übereinandergestapelt angeordnet werden und da die Dicke oder Tiefe des Holms außerordentlich gering ist, kann eine solche Rotoranordnung mit vielen Blättern aufgebaut werden, ohne daß die Nabendicke sehr groß wird. Es sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die beschriebene Konstruktion sehr leicht so ausgeführt werden kann, daß die Nabenplatten mit den zueinander senkrecht stehenden, zur Aufnahme der Holme bestimmten Schlitzen in eine Verstaustellung gebracht werden können, bei welcher die Schlitze zueinander parallel verlaufen. Zweckmäßig werden die Holme mit den zugehörigen Nabenplatten und den Füllstücken zusammengefügt oder zusammengeklebt oder in anderer Weise aneinander befestigt, um Zentrifugalkräfte aufgrund einer Unwucht bei falscher Blattstellung zu vermeiden.nen and in the clamped state have an end face 44, which is flush with the flat surface or face of the associated hub plate. This means that the filler piece 28 a has inwardly directed surface which conforms to the top of the central part of the spar, while the flat outer surface of this filler piece is substantially in one plane with the Area 34 is located. The same relationships exist between the second filler piece 30 and the upper hub plate 32. It can thus be seen that rotors with a plurality of blades can be assembled in a simple manner in that blade pairs are stacked and since the thickness or depth of the spar is extremely small, such a rotor assembly can be built with many blades, without that the hub thickness is very large. It should be pointed out here that the construction described is very light can be designed so that the hub plates with each other vertical slots intended to accommodate the spars can be brought into a stowed position which the slots run parallel to each other. The spars with the associated hub plates and the filler pieces are useful joined or glued together or otherwise attached to one another to avoid centrifugal forces due to a Avoid imbalance if the blades are in the wrong position.

Wie aus Figur 3 zu erkennen ist, besitzt jedes Rotorblatt eine faserverstärkte, tragflügeiförmige Hülse 45 aus Verbundwerkstoff mit einem radial äußeren Teil 46, der durchgehend über einen Leichtbau-Füllwerkstoff 47, beispielsweise über eine Bienenwabenkonstruktion oder über Schaumw.erkstoff, mit einem radial äußeren Teil des aus Verbundwerkstoff bestehenden Holms 20 befestigt ist. Vorzugsweise besteht die Hülse 45 aus demselben Verbundwerkstoff wie der Holm 20. Der radial innere Teil 48 der Hülse 45 erweitert sich von dem Holm aus in Richtung auf die Nabe nach außen, wobei diese Erweiterung an einem Punkt von etwa 30% des Holmradius beginnt. In dem radial inneren Teil 48 der Hülse ist kein Füllwerkstoff vorgesehen und die Hülse ist auchAs can be seen from FIG. 3, each rotor blade has a fiber-reinforced, hydrofoil-shaped sleeve 45 made of composite material with a radially outer part 46, which is continuously made of a lightweight filler material 47, for example a honeycomb structure or via Schaumw.erkstoff, is attached to a radially outer part of the spar 20 made of composite material. The sleeve 45 is preferably made of the same composite material like the spar 20. The radially inner part 48 of the sleeve 45 widens from the spar in the direction of the hub outwards, this expansion beginning at a point about 30% of the spar radius. In the radially inner part 48 of the No filler material is provided for the sleeve and so is the sleeve

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nicht in anderer Weise irgendwie an dem Holm befestigt. Der Hülsenteil 48 und der Holm können sich also unabhängig voneinander bezüglich Biegung und Verdrehung bewegen. Diese unabhängige Beweglichkeit vereinfacht nicht nur die mechanische Konstruktion des gelenklosen und lagerlosen Rotors, sondern vereinfacht auch die Kopplung der Blatteinstellbewegung und der Biegebewegung, Eine solche Kopplung bewirkt eine Stabilisierung hinsichtlich der Bewegung von Rotorblättern aus der Rotorscheibenebene heraus sowohl bei Heckrotoren als auch bei Hauptrotoren hoher Drehzahl. Zusätzlich kann die Relativbewegung zwischen Holm und Hülse als Quelle für Regel- oder Steuersignale in Stabilisierungssystemen für Flugzeuge oder Hubschrauber ausgewertet werden. .not attached to the spar in any other way. The sleeve part 48 and the spar can therefore be independent of each other move with respect to bending and twisting. This independent mobility not only simplifies the mechanical construction of the hingeless and bearingless rotor, but also simplifies the coupling of the blade setting movement and the bending movement, Such a coupling brings about a stabilization with regard to the movement of rotor blades out of the rotor disk plane both with tail rotors and with main rotors at high speed. In addition, the relative movement between the spar and the sleeve can be used as a Source for regulation or control signals in stabilization systems for airplanes or helicopters. .

Eine metallische Einlage 49 ist an das Innere des Teiles 48 der Hülse 45 im Bereiche von deren Wurzel angefügt oder angeklebt, um die Befestigung eines Blatthebels 50 an. der Hülse 45 zu erleichtern. Es sei noch bemerkt, daß zur Ausführung der Blattwinkeleinstellung eine Steueranordnung mit Stoßstangen und Taumelscheiben vorgesehen ist.A metallic insert 49 is to the interior of part 48 of the Sleeve 45 attached or glued on in the area of its root, to attach a blade lever 50 to. the sleeve 45 to facilitate. It should also be noted that in order to carry out the blade angle adjustment a control arrangement with bumpers and swash plates is provided.

Für eine optimale Wirkungsweise des Rotorsystems ist es wichtig, daß die Fasern des Verbundwerkstoffes im Holm 20 und auch in der Hülse 45 in richtiger Weise ausgerichtet sind, um ein geeignetes Verhältnis der Steifigkeit gegenüber Biegebewegung und Torsionsbewegung zu erhalten. Weiter müssen die Fäden oder Fasern so ausgewählt und orientiert sein, daß:For the rotor system to work optimally, it is important to that the fibers of the composite material in the spar 20 and also in the Sleeve 45 are properly aligned to provide an appropriate stiffness versus flexural and torsional stiffness ratio to obtain. Furthermore, the threads or fibers must be selected and oriented in such a way that:

L) der Holm bezüglich der Verdrehbarkeit weich ist und beträchtliche Verdrehungswinke L zuläßt, die am Holm erzeugt werden können, ohne daß zu große Steuerkräfte oder Spannungen im Holm entstehen, während in Querrichtung und in Hochkantrichtung eine Steifigkeit aufrecht erhalten wi-rd, die für gute Betriebseigenschaften und gute dynamische'Stabilität notwendig sind,L) the spar is soft in terms of twistability and allows considerable angles of rotation L, which can be generated on the spar without excessive control forces or stresses in the spar, while in the transverse direction and in the upright direction a rigidity is maintained, which is good Operating properties and good dynamic stability are necessary,

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2) die Hülse verdrehungssteif ist und die richtige Lage der elastischen Achse besitzt und2) the sleeve is torsionally stiff and in the correct position of the elastic axis and

3) Abbiegungen aufgrund von Scherkräften, die vom Steuersystem erzeugt werden, möglichst gering bleiben, ohne daß zu große Anteile der Torsionssteifigkeit geopfert werden müssen.3) turns due to shear forces generated by the control system are generated, remain as low as possible without sacrificing excessive torsional stiffness Need to become.

Wie zuvor schon gesagt, besteht der Holm im wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff mit gleichgerichteter Faserverstärkung, wobei sämtliche Fasern in Holmrichtung verlaufen. Der Holm besitzt zweckmäßig ein Verhältnis des Biegemoduls zum Schubmodul von mindestens'15:1. Die Fasern oder Fäden in der tragflügeiförmigen Hülse sind so ausgerichtet, daß das Verhältnis von Biegemodul zu Schubmodul im Bereich von 2:10 bis 10:9 liegt. Die genauen Werte ändern sich mit der Lage in Holmrichtung, mit den Belastungswerten in der Konstruktion und mit der gewählten Rotorblattgeometrie. As said before, the spar essentially consists of one Composite material with unidirectional fiber reinforcement, where all fibers run in the direction of the stile. The spar expediently has a flexural modulus to shear modulus ratio of at least '15: 1. The fibers or filaments in the hydrofoil-shaped Sleeves are aligned so that the ratio of flexural modulus to shear modulus is in the range of 2:10 to 10: 9. The exact Values change with the position in the direction of the stile, with the load values in the design and with the selected rotor blade geometry.

Windkanalversuche mit einem Rotor nach der Erfindung belegen die angegebenen Vorteile. Bei Versuchen wurde ein dynamisch ähnliches Rotormodell untersucht, bei welcher als Werkstoff ein Epoxydharzträger mit Kohlenstoffadenverstärkung verwendet wurde. Der Holm besaß ein Verhältnis von Biegemodul zu Schubmodul von 35:1. Am Modell wurden die Verhältnisse entsprechend einem äußeren Tragflügel-Hülsenteil 56 mit einem Verhältnis von Biegemodul zu Schubmodul von etwa 3:1 und einem sich erweiternden, radial inneren Teil kb mit einem Verhältnis von Biegemodul zu Schubmodul von etwa 10:8 erzeugt. Beim Zustande konstanten Vorwärtsfluges ergab sich beispielsweise ein stabiles Verhalten der Rotorblätter in sämtlichen untersuchten Flugbedingungen bis zu einer simulierten Geschwindigkeit von 335 km/h. Der Rotor wurde ferner für verschiedene Schwebeflugbedingungen bei verschiedenen Einstellungen der kollektiven Blattwinkelanstellung bis zu einem Wert von ^/fij-' von etwa 0,12 und bei verschiedenen Radialstellungen der Stoßstangen untersucht, um die charakteristischen σ. Werte der Kopplung von Blattwinkelanstellung und Biegung zu un-Wind tunnel tests with a rotor according to the invention demonstrate the stated advantages. In tests, a dynamically similar rotor model was investigated, in which an epoxy resin carrier with carbon fiber reinforcement was used as the material. The spar had a flexural modulus to shear modulus ratio of 35: 1. The proportions corresponding to an outer wing sleeve part 56 with a flexural modulus to shear modulus ratio of about 3: 1 and an expanding, radially inner part kb with a flexural modulus to shear modulus ratio of about 10: 8 were generated on the model. In the state of constant forward flight, for example, the rotor blades showed stable behavior in all flight conditions examined up to a simulated speed of 335 km / h. The rotor was also examined for different hover flight conditions with different settings of the collective pitch angle up to a value of ^ / fij- ' of about 0.12 and with different radial positions of the push rods in order to determine the characteristic σ. Values of the coupling of blade angle adjustment and curvature to un-

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tersuchen. Das Verhältnis von ¹J"/-^ bezeichnet den Bereich von Blattbelastungen, worin ^/ den Auftriebskoelfizienten und S" die Rotorblattfläche bezeichnen. Die Bedingungen des Vorwärtsfluges wurden bis zu einem Vorwärtsverhältnis von 0,3 und bei Werten von ^χ/ο bis hinauf zu 0,068 untersucht. Es sei hier nochmals kurz bemerkt, daß das Vorwärtsverhältnis das Verhältnis von Vorwärtsgeschwindigkeit zu Blattspitzengeschwindigkeit ist. Bei den Versuchen wurden die Spannungen um die lange und die kurze Achse bei kritischen Blattstellungen aufgezeichnet und es ergaben sich keine Bedingungen, bei welchen diese Spannungen - 109 kg/mm bzw, 35,2 kg/mm überschritten. Bei einer Geschwindigkeit von 335 km/h wurden maximale konstante und wechselnde Torsionsspannungen von 10,5 kg/mm bzw. - 12,3 kg/mm gemessen. Diese Werte stimmen mit der Rechnung überein und liegen niedriger als die kritischen Spannungswerte, die sich aus den bekannten Ermüdungswerten ergeben, so daß diese Spannungswerte zulässig sind. investigate. The ratio of ¹ J "/ - ^ denotes the range of blade loads, where ^ / denotes the coefficient of lift and S" denotes the rotor blade area. Forward flight conditions were examined up to a forward ratio of 0.3 and values of ^ χ / ο up to 0.068. It should be noted here again briefly that the forward ratio is the ratio of forward speed to blade tip speed. During the tests, the stresses around the long and short axes were recorded at critical blade positions and no conditions resulted in which these stresses exceeded - 109 kg / mm and 35.2 kg / mm, respectively. At a speed of 335 km / h, maximum constant and changing torsional stresses of 10.5 kg / mm and -12.3 kg / mm were measured. These values agree with the calculation and are lower than the critical stress values that result from the known fatigue values, so that these stress values are permissible.

Es sei bemerkt, daß die Blattanstellwinkelsteuerung oder die Blattwinkelverstellung durch elastisches Verdrehen des verhältnismäßig langen, radial inneren Teiles des Holmes (etwa 30% des Radius) vorgenommen werden, wobei die Torsionsspannungen im Holm minimal bleiben. Das von der Stoßstange über den Blatthebel auf das Blatt übertragene Moment wird über die tragflügeiförmige Hülse weitergegeben, die praktisch sehr torsionssteif ist und wird so auf den radial inneren Teil des Holms übertragen, der bezüglich Torsionsbewegungen große Flexibilität aufweist. Bis zu einer Stelle, die 30% des Rotorradius beträgt, ist die Hülse gegenüber dem Holm sowohl bezüglich Torsionsbewegungen als auch bezüglich Biegebewegungen frei beweglich, so daß der Blattanstellwinkel verändert werden kann.It should be noted that the blade pitch control or the blade angle adjustment are performed by elastically rotating the relatively long, radially inner part of the spar (about 30% of the radius), the torsional stresses in the spar remaining minimal. The torque transmitted from the push rod to the blade via the blade lever is passed on via the hydrofoil-shaped sleeve, which is practically very torsionally stiff and is thus transmitted to the radially inner part of the spar, which has great flexibility with regard to torsional movements. Up to a point which is 30% of the rotor radius, the sleeve is freely movable with respect to the spar both with respect to torsional movements and with respect to bending movements, so that the blade pitch angle can be changed.

Eine Zusammenfassung typischer Modulwerte faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist in Figur 7 gegeben, worin der Elastizitätsmodul oder Young-Modul E über dem Schubmodul G aufgetragen ist, und zwar für Faserausrichtungswinkel von 0=0 in einer Rieh—A summary of typical modulus values of fiber-reinforced composites is given in Figure 7, where the modulus of elasticity or Young's modulus E is plotted against the shear modulus G, for fiber orientation angles of 0 = 0 in a row

- 9 209843/0116 ' . ■- 9 209843/0116 '. ■

tung bis 4 ■ ^5 beträgt. Die schraffierte Fläche gilt für einen Bor-Epoxydharz-Verbundwerkstoff und ermöglicht einen Vergleich mit verschiedenen isotropen Metallen. Man erkennt, daß die Charakteristiken bezüglich des Verhältnisses von Elastizitätsmodul zu Torsionsmodul entgegengesetzt verlaufen. Der gleichgerichtete oder uniaxiale Bor-Verbundwerkstoff zeigt ein großes Verhältnis des Biegemodul oder Elastizitätsmodul zum Torsionsmodul (etwa 25 im Vergleich zu 2,5 bei Metallen). Gleichgerichtete oder uniaxiale Kohlenfaden-Epoxydharz-Verbundwerkstoffe besitzen immer nooh ein größeres Verhältnis aufgrund des kleineren Schubmoduls.tion is up to 4 ■ ^ 5. The hatched area applies to a boron-epoxy resin composite and enables a comparison with various isotropic metals. It can be seen that the characteristics with regard to the ratio of modulus of elasticity to modulus of torsion are opposite. The rectified or uniaxial boron composite exhibits a large flexural modulus or elastic modulus to torsional modulus ratio (around 25 versus 2.5 for metals). Rectified or uniaxial carbon fiber epoxy resin composites always have a larger ratio due to the smaller shear modulus.

- IO -- OK -

2 09843/01TB2 09843 / 01TB

Claims

Patent claims

1. Rotary vane arrangement with a rotor head rotatable about its longitudinal axis, one of which on opposite sides at least two rotor blades protrude, characterized in that one passing through the longitudinal axis, with its center on the The rotor head (22) is essentially fixed in a rotationally fixed manner relative to this rectangular cross-section having spar (20) from the tip of a rotor blade (12, 16) to the tip of the or a opposite rotor blade (14-, 1.8) extends and several Layers of a material with a large modulus of elasticity of contains at least 2.11 x 10 6 kg / cm of existing fibers, which are side by side essentially parallel to the longitudinal axis of the spar are connected that each rotor blade further includes an airfoil-like sleeve (45) which has a continuous on one radially outer region of the spar attached, radially outer part (46) and one opposite a radially inner part of the spar has freely movable, radially inner part (48) and that the radially inner part of the spar opposite the radially inner part the said sleeve is rotatable and bendable.

2. Rotary leaf arrangement according to claim 1, characterized in that that the wing-shaped sleeve (45) has a plurality of layers made of reinforcing fibers with a high modulus of elasticity of at least

6 2

2.11 x 10 6 kg / cm, which increases the torsional rigidity.

3. rotary vane arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the spar (20) has a ratio of modulus of elasticity to shear modulus of at least 15: 1.

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2098Λ3 / 0Ί 1 6

22U262

4. Rotary wing arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reinforcing fibers of the hydrofoil-shaped sleeve (45) are oriented at an angle of about - 45 ° to the longitudinal direction of the spar in such a way that there is a ratio of
Modulus of elasticity to shoe modulus of 2:10 to 10: 9 results.

5. Rotary vane arrangement according to one of claims 1 to k, characterized in that a pair of hub plates (26, 32) are attached to the rotor head or a shaft (22) which can be clamped together (42), that furthermore at least one of the hub plates has an in Durchmösserrichtung extending slot (38) in the opposite surface of the other hub plate and that the spar (20) clamped between the hub plates and in the
Slot is inserted.

6. rotary vane arrangement according to claim 5, characterized in that the slot (38) extends so that it is adapted to a cone angle or helix angle of the underside of the spar (20) and that a Füllstüok (hk) is above the spar in the slot, the Underside of the top of the spar is adapted and its
Top side with the top side (3 ^) of the associated hub plate
(26) aligns.

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