DE2238250A1 - Hubschrauber-rotorschaufel sowie verfahren zur verbesserung der rotorleistung - Google Patents

Description

Dr. Helmut Spirti

1200 losenh·!»/OU.

Max-Josefs-Plate 6

59 P 4-9

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford,

Conn. 06108 / USA

Hubschrauber-Rotorschaufel sowie Verfahren zur Verbesserung der Rotorleistung

Die Erfindung betrifft Hubschrauber-Rotorschaufeln und beinhaltet insbesondere eine besonders ausgebildete Hubschrauber-Ro1;orschaufelspitze zur Erzielung eines größeren Rotor-Betriebswirkungsgrades, eines geringeren erzeugten Rotorlärms und einer Aufhebung der Rotor-Instabilität im Schwebebetrieb, wobei die Rotorspitze bei einem Ausführungsbeispiel in bestimmter Weise gepfeilt ist, um den Vorwärtsflugbetrieb zu verbessern und die als SMOT bezeichnete Schaufelinstabilität zu beseitigen, die in der nicht zum Stande der Technik gehörigen deutschen Patentschrift (eigenes Aktenzeichen 59 P 4-8) bereits erwähnt ist.

In üblicher Weis« ausgebildete Hubschrauberrotoren weisen eine konstante Draufsichtfora und eine geringe lineare Verwindung auf. Als Ergebnis sind diese Rotoren ziemlich ungünstig belastet, wobei etwa 35 % des Auftriebs über die äußeren 10 % der Rotorspannweite konzentriert sind. Diese Art der Belastung verursacht zwei nachteilige Wirkungen: 1) Die Schaufelteile außerhalb eines 92 % der Spannweite entsprechenden Lageortes gelangen in einen überzogenen Zustand und 2) die restlichen Schaufelabscbnitte werden weiter nach außen belastet, als dies für minimale indusierte Kraft

zur Er-

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zeugung eines Auf triers.optimal ist.

Obgleich gewisse Bemühungen angestellt xvurden, um diesen Zustand zu mildern, beispielsweise in dem Schwerlast-Auftriebsrotor (HLB) der Sikorsky Aircraft, welcher eine gleichförmige Verwindung von etwa 14° über die SchaufelSpannweite aufweist, ergibt sich noch viel Raum für weitere Verbesserungen.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Rotorschaufel mit einer besonders geformten Spitze, welche den Rotorwirkungsgrad steigert, das Rotorgeräusch reduziert und eine Rotorinstabilität beim Schweben reduziert oder vermeidet. Da eine Spitzenpfeilung zum Vorwärtsflugbetrieb erforderlich ist, soll diese Spitze den Rotorwirkungsgrad beim Vorwärtsflug verbessern, den Rotorlärm reduzieren und die als SMOT bekannte Rotorinstabilität eliminieren.

Die erfindungsgemäße Schaufelspitze ist in besonderer Weise so ausgebildet, daß die örtliche Verwindung gesteigert und hierbei der Angriffswinkel sowie der örtliche Auftrieb , an der Spitze beim Schweben vermindert werden, um den Angriffswinkel und die Belastung der innenliegenden Lageorte zu steigern und um ferner die Stärke des Spitzenwirbels zu vermindern, so daß die Wirbelstörung und die Profilleistungsverluste bei der folgenden Schaufel reduziert werden· Ferner wird erfindungsgemäß die Schaufelverwindung über die gesamte Spannweite der Schaufel bevorzugt gegenüber einer in bekannter Weise ausgebildeten Schaufel gesteigert, um die Spannweitenbelastung von äußeren Lageorten gegen innere Lageorte zu verschieben, wobei jedoch die in besonderer Weise ausgebildete Schaufelspitze die Leistung jeder Schaufel steigert, welche in einem überzogenen Zustand an der Spitze arbeitet.

Die Erfindung schafft eine Schaufel, welche beim Schwebeflug die Innenbelastung der Schaufel steigert und die Außenbelastung reduziert, so daß jeder Lageort über die Schaufelspannweite wirksamer arbeitet; dies wird in allen Vorwärtsflugzuständeη

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erreicht, wenn die erfindungsgemäß vorgesehene Schaufe3gfei~ 1-ung angewendet wird.

Erfindungsgemäß wird die Hubschrauber-Schwebeleistung gesteigert, indem eine Blattspitze-geschaffen wird, welche eine negative, nichtlineare Verwindung mit Werten zwischen -1 und -5° aufweist, wobei das Profil eine Draufsicht vom in se seitlichen konstanter Sehnenabmessung über den Hauptteil der Schaufelspannweite aufweist, während eine trapezförmige Spitze vorgesehen ist, welche eine Dicke zwischen 6 und 10 % der Sehnenabmessung aufweist und eine Vorwärtswölbung besitzt, die einen Maximalwert an einem Lageort entsprechend etwa 27 % der Sehne aufweist. Ferner wird die Schaufelverwindung vorzugsweise über den größten Teil der Schaufelspannweite auf ein höheres als das übliche Maß gesteigert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Hubschrauber-Rotorschaufel für einen Schwebe- und einen normalen Vorwärtsflugbetrieb geschaffen, indem eine Schaufelspitze verwendet wird, welche eine negative nichtlineare Verwindung im Bereich zwischen -1 und -5° aufweist, ferner eine im wesentlichen konstante Sehnenabmessung, eine trapezartig gestaltete Spitze, eine Dicke zwischen 6 unl10 % der Sehnenabmessung und eine gemäßigte Vorwärtswölbung mit einer Stelle maximaler Wölbung vor einem 50 % der Sehnenlänge entsprechenden Lageort. Ferner ist es vorzuziehen, die Verwindung des größten Teils des Schaufelsprofils auf etwa 14·° zu steigern.

Eine Aufgabe der Erfindung, besteht in der Schaffung einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Hubschrauber-Rotorschaufel zur Reduzierung der Belastung auf die Schaufelspitze, um hierbei die Spitze in einen wirksamen Betriebsbereich zubringen und die Belastung auf die Schaufel in einem gegenüber" der Sckauf A-felspitze veitor innen liegenden Bereich zu steigern, und'zwar auf einen wirksamer belasteten . ,« -, & -,_ *"-, /Bereich, so daß alle Schaufellageorte längs der Schaufelspannweite gleichmäßigere Arbeit leisten.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer ^Abwandlung

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einer Schaufelspitze zur Anwendung in einem Hochgeschwindigkeits-Hubschrauber, welche die gleiche Verwindung, das gleiche Profil, die gleiche Dicke sowie die gleichen Sehnen- und Wölbungs-Kennwerte gemäß der vorangehenden Beschreibung aufweist, jedoch nach rückwärts so gepfeilt ist, daß der Spitzenauftriebsvektor gegenüber der elastischen Achse versetzt ist, um ein "Nase auf"-Moment zu erzeugen und die Abwärtsbelastung, die Zugwirkung sowie das Steigungsmoment zu der Spitze zu vermindern, wobei ferner insbesondere die zurückgepfeilte Spitze bei oder außerhalb eines Lageortes entsprechend 87 % der Spannweite beginnt, danach eine Vorwärtspfeilung von etwa 20° ± 15° bis zu einem Lageort entsprechend etwa 93 % der Spannweite aufwei* und dfenach eine Rückwärtspfeilung von etwa 20° _+ 15° bis zu einem Lageort entsprechend 100 % der Spannweite cfler entsprechend dem Spitzenende ausführt; diese erfindungsgemäße Schaufelspitze ist ferner mit einem Massenausgleich versehen, so daß der wirksame Schwerpunkt in Sehnenrichtung an oder etwas vor der elastischen Achse gelegen ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Einwirkung eines nachlaufenden Wirbels an der Spitze einer Hubschrauber-Rotorschaufel in Schaubilddarstellung,

Fig. 2 die Spannweiten- und Schaufelspitzen-Verwindung einer normalen Hubschrauber-Rotorschaufel, einer eingangs bereits erwähnten HLR-Schaufel und der erfindungsgemäßen Beta-Spitze an einer HLR-Schaufel sowie auch an der normalen Hubschrauber-Rotorschaufel, jeweils in Schaubilddarstellung,

Fig. 3 den Rotor-Auftriebswirkungsgrad beim Schweben sowie bei verschiedenen Schaufelbelastungen bei einer normalen Hubschrauber-Rotorschaufel, der HLR-Rotorschaufel, der Rotorschaufel mit erfindungsgemäßer Beta-Spitze und einer vergleichbaren theoretisch idealen Schaufel, jeweils in Schaubilddarstellung,

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!ig,'4- ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beta-Spitze-Hubschrauber-Rotorschaufel für Betriebsfluggeschwindigkeiten in der Größenordnung von"144 -216 km/h, in Draufsicht ,

Fig. 5 den Spitzenteil der erfindungsgemäßen Beta-Spitze-Schaufel für Betriebsfluggeschwindigkeiten in der Größenordnung von 144 - 216 km/h in einer gegenüber Pig.. 4 vergrößerten Darstellung,

Pig. 6 die Dickenverteilung des Spitzenteils der erfindungsgemäßen Beta-Spitze-Schaufel,

Pig. 7> 8 zwei abmessungsmäßige aerodynamische Kennwerte zum Vergleich des "Beta-Spitze-Plügelprofilteilas mit einem Standard-NACA-0012-PlügelprofilteiL, wobei ein Vergleich desma-Auftriebskoeffizienten und des Auftriebskoeffizienter. Schleppdivergenz (dcd/dcm = 0,01) als Punktion der Machzahl veranschaulicht sind, jeweils in Schaubilddarstellung,

Pig. 9, 10 einen Vergleich des aerodynamischen Angriffswinkels bzw. dee Schaufelabschnitt-Auftriebs eines normalen Hubschrauberrotors, des HLR-Rotors sowie des erfindungsgemäßen Beta-Spitze-Rotors, über die gesamte Schaufelspannweite im Schwebezustand, jeweils in Schaubilddarstellung,

Pig. 11 einen Vergleich der Rotorschaufelbelastung an der Grenze der Schaufelinstabilität eines normalen Rotors sowie des HLR-Rotors in Schaubilddarstellung, wobei die Grenzen der Prüfung für die erfindungsgemäße Beta-Spitze an dem HLR-Rotor und dem bekannten Rotor bei verschiedenen Spitzen-Machzahlen veranschaulicht sind, um die Steigerung der ficliaufclbelastung darzustellen, bis zu welcher gezoigt wurde, daß die Beta-Spitze jegliche Instabilität beseitigt,

Pig. 12 den Rotorauftrieb als Punktion des Angriffswinkels zur Veranschaulichung des Grundes, warum bei einem

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bekannten Rotor die Schaufeln einer "Außerbahn¹¹- oder subharmonisch schwingenden Bahn-Instabilität unterworfen sind ,während dies bei dem erfindungsgemäßen Beta-Spitze-Rotor nicht bei vergleichbaren Betriebsbedingungen der Fall ist, in Schaubilddarstellung,

Fig. 13 den Rotorlärm, verursacht durch den normalen Rotor, den HLR-Rotor sowie die erfindungsgemäße Beta-Spitze in Anbringung an dem HLR-Rotor bei verschiedenen wirksamen Verwindungen und Frequenzen, in Schaubilddarstellung,

Fig. 14, 15 den wahrnehmbaren erzeugten Geräuschpegel bzw. das Verhältnis der aufgewendeten örtlichen Spitzen-Pferdestärke zur gesamten Rotor-Pferdestärke als Funktion der örtlichen Schaufelspitzen-Verwindung, in Schaubilddarstellung,

Fig. 16 das dynamische Ansprechvermögen einer Rotorschaufel mit .!flügelspitzenvervrindung wenn ein Betrieb bei hoher Fluggeschwindigkeit erfolgt, in schematischer perspektivischer Darstellung,

Fig. 17 eine Darstellung der vortufenden Schaufelspitze bei Auslenkung gegenüber der Schaufel-Segelachsc sowie der darauf wirkenden Belastungen und Momente, in Schaubilddarstellung,

Fig. 18 die Schaufelspitzen-Torsionsauslenkung sowie das Schaufelansatz-Torsionsmoment als Funktion des Schaufelazimuts sowohl für eine gering verwundene als auch für eine staik verwundene Schaufel, in Schaubilddarstellung,

Fig. 19 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaufel mit einer Qepfeilten Spitze, in besonderer Anpassung für Hubschrauber mit hohen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten, in perspektivischer Darstellung,

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Pig. 20, 21 die Belastungen und Nomente, welche auf die vorlaufende, die auf Schwebeflug eingestellte bzw. die rücklaufende Schaufel wirksam sind, sowohl für eine nichtgepfeilte als auch für eine gepfeilte Schaufel, in Schaubilddarstellung,

Fig. 22, 23 einen Vergleich des Auftriebs, der Schleppgroße sowie des Steigungsmomentes, welches auf eine vorlaufende, auf Schwebeflug eingestellte bzw» auf eine rücklaufende Schaufel wirksam ist j sowohl für eine nichtgepfeilte als auch für eine gepfeilte Schaufel, in Schaubilddarstellung,

Fig. 24 eine Blattspitzen-Torsionsauslenkung sowie ein Blattr.**fnts-Torsionsmoment als Funktion des Azimuts für eine nichtgepfeilte Schaufel und eine eine Verwindung von -6° aufweisende Schaufel, welch um etwa 20° außerhalb eines Lageortes von 95 % der Schaufelspannweite rückwärts gepfeilt ist,

Fig. 25 die erfindungsgemäße Beta-Spitze mit einem Aus2ihrungsbeipsiel eines Mechanismus zur Veränderung der Spitzen-Draufsichtsform zwischen einer konstanten Rechteckform und einer trapezförmigen Spitzenausbildung, in Draufsicht,

Fig. 26 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen gepfeilten Schaufelspitze,

Fig. 27 die Verwindung einer erfindungsgemäßen Beta-Spitze auf der Grundlage nachfolgend zu entwickelnder Gleichungen, in Schaubilddarstellung.

Die Probleme, welche bei üblichen Rotorschaufeln auftreten, ergeben sich allgemein daraus, daß diese Rotorschaufeln im Schwebeflug mit schlecht?η Wirkungsgrad belastet sind. Bekannte Rotorschaufeln, beispielsweise solche nach den US-PS 2 754- 917 und 754 918, sind mit einer konstanten Draufsichtform oder Sehnenabmessung und geringer linearer Vsrwindung ausgebildet· Infolgedessen sind diese Rotoren mit ungünstigem Wirkungsgrad belastet, wobei etwa 35 % des Auftriebs über die äußeren 10 % der Rotor-

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Spannweite konzentriert sind. Diese Belastung hat zwei ungünstige Wirkungen:Λ) Die Schaufelteil· außerhalb einee Lageortes von 92 % der Spannweite werden überzogen und 2) die Lageorte der Schaufel innerhalb hiervon werden weiter nach außen belastet, als dies im Sinne einer minimalen induzierten Kraft zur Erzeugung des Auftriebs optimal wäre. Durch die minimale induzierte Kraft zur Erzeugung des Auftriebs vermutet man, daß eine über die Spannweite der Schaufel verlaufende Auftriebcvorteilung vorliegt, welche eine gleichförmigere Abstrom-Geschwindigkeitsverteilung unter dem Rotor verursacht; diese Verteilung ermöglicht, daß der Rotorschub bei der gerinRstmöglichen Steigerung der gesamten kinetischen Rotor-kbwindverh'iltnis-Energic erzeugt wird.

Der Spitzen-Überzieh-Effekt wird durch einen intensiven Wirbel verursacht, der von der äußersten Spitze der vorangehenden Schaufel abgelöst wird, wobei der Mittelpunkt dieses Wirbels die folgende Schaufel bei einem Lageort entsprechend etwa 92 %der Spannweite schneidet. Obgleich jeder Auftriebs;?1hgo1 mit begranzter Spannweite diesen Spitzenwirbel zum Ablösen bringt, verursacht die hohe Spitzenbelastung der Rotorschaufel eine Intensivierung des nachlaufenden Wirbels?. Wenn der nachlaufende Wirbel an der folgenden Schaufel vorbeiläuft, verursacht er eine Änderung in dem örtlichen Angriffswink.el CX , so daß außerhalb des Wirbelzentrums der Wert OC scharf gesteigert wird, während er innerhalb des Wirbclzentrums reduziert ist. Wenn der Rotorschub auf Betriebswerte gesteigert wird, kann ein wesentlicher Überziehzustand durch diesen Effekt des nachlaufenden Wirbels an der Spitzeder hierbei geschnittenen Schaufel hervorgerufen werden.

Dieser Uberzieheffekt ergibt sich am besten aus Fig. 1, in welcher eine Auftragung des Wirbeleffekta an der Spitze der Hubschrauber-Rotorschaufel gezeigt ist, wobei die SchaufelSpannweite als Abszisse und der Schaufelangriffswinkel oO oder der Auftrieb auf der Ordinate abgetragen sind. Eine Linie C₁- _ stellt die

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"Schleppdivergenz" dar. Dieser letztgenannte Wert stellt den höchster .. i-:-i.'Lbcron Auftrieb d^s Rotorschaufelteils dar. pie Schloppdivergcnz ist der schnelle Anstieg der Schaufelquerijc]initt;3-nch] <:ppwirkung, welche zu einer schnellen Steigerung

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der ex'fordorlichen Leistung zur Aufrechterhaltung des Fluges führt* Eine gestrichelte Linie in Fig. 1 veranschaulicht den Angriffswinkel an der Schaufelspitze im Falle des Nichtvorliegens eines Wirbels. Eine schematische Darstellung dos nachlaufenden Wirbels zur Veranschaulichung des Drehsinnes ist an einem Lageort entsprechend 92 % der Spannweite in Fig. 1 veranschaulicht; aus den daran gezeigten Pfeilspitzen ergibt sich, daß die Wirkung dieses Wirbels in der Übertragung eines gesteigerten Angriffswinkels auf die Schaufel außerhalb des Lageortes entsprechend 92 % der Sehne -liegt und einem reduzierten Anentspricht griffswinkel gerade innerhalb des Lageortes von 92 % der Senno»* Das Ergebnis dessen, daß dieser hohe Angriffswinkel unmittelbar außerhalb des Lageortes von 92 % der Spannweite liegt, verursacht ein Überziehen der Blattspitze, weil der Angriffswinkel an diesem Punkt über den Angriffswinkel gesteigert wurde, welcher dem maximalen Auftriebskoeffizienten des.Flügelprofils entspricht.

Um eine minimale induzierte Leistung zwecks Erzeugung der notwendigen Hebewirkung zu erreichen, ist es erforderlich, die Schaufel so auszubilden, daß die Lastverteilung über die Schaufelspannweite der Leistung gleicher Arbeit an allen Schaufelabschnitten entspricht, wobei alle Schaufelabschnitte innerhalb eines wirksamen Belastungszustandes arbeiten* Wie vorangehend erläutert wurde, erzeugt bei bekannten Rotoren' der äußere, 10 % d#r Rotorspannweite umfassende Teil etwa 35 % des Auftriebs ujüd leistet daher mehr, als seinem Anteil an Arbeit entspricht. Um eine minimale induzierte Leistung zu erzielen, muß man diesen äußeren Teil der Spannweite entlasten und die Belastung auf die Lageorte der Schaufelspannweite innerhalb dieses Lageortes steigern, um eine gleichmäßigere Geschwindigkeiteverteilung unter dem Rotor zu erzielen. Der nachlaufende Wirbel kompliziert, wie sich versteht, die Erreichung dieses Zustandes, da er die örtliche Geschwindigkeitsverteilung stört. Fig. Λ zeigt klar, daß die bekannten Rotorschaufeln nicht die gleichförmigere 3a3tvertei3flpng zu erzielen vermögen, welche zur Erreichung einer minimalen induzierten Leistung erforderlich ist»

Zur Erzielung einer, gleichförmigeren Lastverteilung über die ge-

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samte Sohaufeispannweite wurde eine Hubschrauber-Rotorschaufel hergestellt und in einem Rotor verwendet, welcher vorliegend als Schwerlast-Auftriebsrotor (F[LK) bezeichnet iat uuad eiriu im wesentlichen lineare Vei windung von etwa 14° über die gesamte SchaufeL-spannweite aufweist. Übliche Hubsr.hrauber-Rotorschaufe Ln weisen eine Verwindung von etwa 6° auf, die über die gesamte Spannweite gleichförmig ist. Der Gedanke bei der Herstellung des HLR-Rotors bestand darin, die an sich bekannte Tatsache auszunützen, daß der Rotor-Schwebewirkungsgrad gesteigert werden kann, indem die Schaufel-Spannweiten-Belastung nach innen verlegt wird, durch Anwendung einer gesteigerten Schaufelverwindung.

Ein Vergleich der Verwindung bei der normaleo Schaufel und der PILR-Schaufei ergibt sich aus Pig» 2, wobei zu ersehen ist, daß die HLR-Schaufel eine gesteigerte Verwindung über deren gesamte Spannweite gegenüber der normalen . Schaufeln auf/weist.

Die HLR-Schaufel wurde gegenüber der normal*.n ·. kotornchaufel überprüft. Gemäß Fig. 3 ist die Schaufelbelastung gegen den RotorwLrkungsgrad als Funktion des Leistungsfaktors aufgetragen; hieraus ergibt sich, daß die HLR-Schaufel einen höheren Wirkungsgrad alr> die übliche Schaufel, aufweist. Fig. '> zeigt ferner, daß die FHiR-Schaufel eine Abnahme des Wirkungsgrades bei hohen Schaufelbelastungen zeigt, weil die Schaufel bei diesen Belastungen in den Überziehzustand gelangt. Aus diesen Untersuchungen der HLR-Schaufel ergab sich, wie nachfolgend noch erläutert wird, daß bei dieser Schaufel, obgleich eine Steigerung der Schaufelverwindung über die volle Spannweite eine günstige gesteigerte Innenbelastung ergab, die Schaufel nicht ausreichend das Überziehen an der Blattspitze reduziert. Daher mußten weitere Verbesserungen im Schaufelspitzenbereich erfolgen, wo die Schaufelbelastung und damit das Problem des Überziehens am ungündcigaten sind.

Zum besseren Verständnis von Fig. 3 ist darauf hinzuweisen, daß unter "Leistungsfaktor" des Rotors das Verhältnis der übertragenen erfordurlLehen Leistung zwecks Erzeugung einer gegebenen. Schubgrößo, wenn die Belastung gleichförmig über die

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gesamte Schaufelspannweite verteilt wäre und wenn die Luft durch die Rotorscheibe rund um den Azimut ^leichförmig beschleunigt würde, au der tatsächlich eingeführten Leistung, welche für den besonderen Hub sehr auborro tor erforderlich ist, zu verstehen ist, uri eine gegebene Schubgröße zu erzeugen= In Fig. 3 stellt-bei dem Ausdruck Cg₁/^ der Wert 0_φ die Belastung der Rotorscheibe in nichtdimensionierter Angabe dar, während <$' das Verhältnis des Rotorschaufelbereiches zum Rotorscheibenbereich angibt.

Zur Verminderung des Überziehvorgangs an der Spitze, wie er bei dem KLR-Hotor gemäß Fig. 3 auftritt, wurde orfindungsgemäß eine neue Schaufelspitze entwickelt, die nachfolgend als Beta-Spitze bezeichnet ist.

Die Beta-Spitze weist bei Anwendung mit der um 14-° verwundenen HLR-Schaufel folgende drei wesentliche Vorteile auf. Erstens zeigte der Beta-Spitze-Rotor eine vierprozentige Verbesserung des Rotorleistungsfaktors (Wirkungsgrades) gegenüber dem HLR-Rotor und eine neunprozentige Verbesserung gegenüber einem bekannten Rotor bei einer öchauf elbelastung C^/6 entsprechend dem Wert 0,1. Zweitens erzeugte der Beta-Spitze-Rotor einen zwischen 5 und 8 HTdb geringeren Lärm als ein normaler Rotor während des Schwebezustandes bei einer nominellen Spitzengeschwindigkeit von 218 ms. Drittens traten bei dem Beta-Spitze-Rotor keine Instabilitäten beim Schweben über den Untersuchungsbereich auf, während die üblichen Rotoren diese Instabilität zeigten. Diese Vorteile sowie die Gründe hierfür sind nachfolgend in Einzelheiten näher erläutert. Eine folgende Arbeit an der Beta-Spitze zeigte, daß der Wirkungsgrad an allen Rotorschaufeln verbessert wird.

Für einen Hubschrauber, welcher im Schwebeaustand und bei normalem Vorwärtsflug betrieben werden soll, ist die trapezförmige Spitze von Fig. 5 günstig, auf welche der erste Teil der vorliegenden Beschreibung Bezug nimmt» Bei Hubschraubern, welch« für sehr hohe Vorwärtsgeschwindigkeiten ausgelegt sind, beißpieinweise über 180 km, kann die abgewandelte Schaufel gemäß Fig. 19 vorzuziehen sein, die im letzten Teil der Beschreibung erläutert wird. OtgJ-eich die erf indungsgemäßo Sohaufelepitze in V- η indunf? '

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einer HLR-Schaufel erläutert ist, die eine Verwindung von 14° aufweist, versteht es sich, daß günstige Ergebnisse auch durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schaufelspitze an irgendeinem Hubschrauber-Rotorblatt erzielbar sind.

Gemäß Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Rotorschaufel 10 an einer Nabe 12 angebracht und dreht sich um eine Rotorachse 14; hierbei wirken mehrere ähnliche und vorzugsweise identische Schaufelnz*·*"·' non, welche den Hubschrauber-Auftri*bsrbtor bilden." Die Schaufel 10 kann von der allgemeinen Form sein, wie sie in den US-PS 2 754 917 und 2 754 918 beschrieben ist, und besteht aus einem Ansatz 16, welcher an die Rotornabe 12 in üblicher Weise angesetzt ist, einem mittleren Teil 18, welcher radial nach außen von dem Ansatz 16 ausgeht, und einem Spitzenteil 20. Die Schaufel 10 umfaßt eine vorlaufende Kante 22, eine nachlaufende Kante 24 und weist einen solchen gewissen ' Flügelprofilquerschnitt auf, um während der Drehung den Hubschrauber anheben zu können. Di?» ßohaufelspannweite ist durch die Bezugsziffer 26, die Spannweite des Spitzenteils durch die Bezugsziffer 28 und die Schaufel- und Spitzensehne bzw. Profiltiefe durch die Bezugsziffer 50 angegeben.

Die Beta-Spitze-Schaufel 10 ist bezüglich Schaufelverwindung, Spitzenverwindung, Draufsichtform, Flügelprofilform und Dicke besonders ausgebildet. Diese Parameter sind nachfolgend in Einzelheiten erläutert. Der Spitzenteil der Beta-Spitze-Schaufel umfaßt etwa die äußeren 20 % der Schaufelspannweite, wobei die Beta-Spitze-Schaufel tatsächlich der besonderen Beta-Spitze in Anbringung an der HLR-Schaufel entspricht.

Die Verwindung der Beta-Spitze-Schaufel 10 ergibt sich am besten aus Betrachtung von Fig. 2. Die Verwindung derFlügelprofilform der Schaufel beginnt an einem Lageort bei etwa 25 % der Spannweite. Von diesen 25 % der Spannweite entsprechenden Lageort bis zu einem Lageort entsprechend 87 % der Spannweite stellt die Schaufelverwindung eine gleichförmige Verwindung von 14° dar; beginnend bei einem Lageort entsprechend 87 % der SchaufelSpannweite "bis zur Schaufelspitze ist die Schaufelverwindung nicht-

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linear und negativ zwischen O und -5°· Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beginnt der örtliche Verwindungswinkel der Schaufelspitze an der HLR-Schaufel beginnend bei einem Lageort entsprechend 8? % der Spannweite und nimmt von -1,5° gleichförmig bis zu einem Lageort entsprechend 95 % der Spannweite zu, wo der örtliche Verwindungswinkel -4,2° beträgt. Von dem Lageort entsprechend 95 % der Spannweite zu der Schaufelspitze nimmt die Schaufelverwindung ebenfalls gleichförmig zu, jedoch mit einer unterschiedlichen Rate, so daß der örtliche Verwindungswinkel an der Spitze -4,7° beträgt.

Ein Überschlag der Leistung der Beta-Spitze-Schaufel 10 zeigt, daß eine stark verbesserte Schaufelleistung über gegebene Bereiche erzielbar ist» Beispielsweise kann die innenseitige Schaufelverwindung von 0 bis 20° verlaufen, wobei die besondere Spitzenverwindung bei einem Lageort entsprechend 87 % der Spannweite ± 2 % beginnen kann«, Die Beta-Spitze-Verwindung gemäß der obigen Boschreibung weist die folgende Bereiche auf, die an bestimmten über die Spannweite verlaufenden Lageorten festgelegt sind. Diese Bereiche ändern sich gleichförmig zwischen dem festgelegten Lageort:

X = 87 %; Bereich +1°

X = 89,5 %; Bereich + 3°, -0»5°

X = 95 ⁰M Bereich +_ 1°

X = 100 %; Bereich + 1°

Die Draufsicht der Beta-Spitze 20 ergibt sich am besten aus Fig. 5· Die Draufsicht weist eine konstante Sehne 30 bzw. Profiltiefe von einem Lageort entsprechend/50 % der Spannweite bis zu einem Lageort entsprechend/95 % der Spannweite auf. Von dem Lageort entsprechend 95 % der Spannweite +_ 2 % wird die Draufsicht trapezförmig, wobei eine trapezförmige Spitze mit einer Reduzierung der Sehne von 40 % gebildet wird* Demgemäß beträgt bei dom bevorzugten Ausführungsbeispiel die Länge der Sehne 30 bzw. die Profiltiefe 66 cm, während die Spitzensehne 30t eine Länge von 42 cm besitzt. Die trapezförmige Spitze 32 ergibt eine. güiVfoilte Spitze mit einer Rückwärtspfoilunf,· der vorlau-

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fenden Kante an der Fläche 3^ und einer Vorwärttpfeilung nachlaufenden Kante an einer Fläche 36. Die Flächen 34, 36 sind in einer solchen gewählten Richtung eingestellt, daß der Druckmittelpunkt der trapezförmigen Spitze auf der 25 %-Sehncnlinie 38 verbleibt, welche den gleichen Schnenlageort für das Druckzentrum des Restes der Spitze 20 und der Schaufel 10 darstellt. Obgleich die trapezförmige Spitze gemäß Fig. 5 sich im Betrieb als sehr günstig erwies, kann bei einigen Schwebe- und Niedriggeschwindigkeits-Vorwärtsflug-Betriebszuständen eine konstante Draufsichtsflächen-Spitze günstig sein, wie sie strichpunktiert in Fig. 5 dargestellt ist.

DieFlügelprofil-oder Querechnitteform der Beta-Spitze 20 ist von größerer Bedeutung. Während das Flügelprofil des zentralen Teiles 18 der Schaufel 10 dem HLR-Flügelprofil entspricht und durch das Normprofil NACA 0011 beschrieben worden kann, weist in Abwandlung hierzu das Flügelprofil der Beta-Spitze 20 beginnend bei dem Lageort entsprechend 82 % der Spannweite zu der Blattspitze eine Dicke von 9,5 % der Sehnenabmessung und eine gemäßigte Wölbung auf, wobei ein Lageort maximaler Wölbung vor dem 50 % der Sehne entsprechenden Lageort der Schaufel nach vorn versetzt ist, um keinen Steigungsmoment-Koeffizienten von mehr als 0,03 zu erzeugen. Die Dicke kann sich tatsächlich zwischen 6 - 10 % Sehnenabmessung ändern, jedoch ist 9,5 % vorzuziehen. Die maximale Wölbung beträgt vorzugsweise 0,8 % + 0,05 % Sehnenabmessung bei dem 27 % der Sehne entsprechenden Lageort.

Die gewählte Flügelprofilform für die Schaufelspitze 20 ist, beginnend an dem 02 % der Spannweite entsprechenden Lageort sowie zu der Spitze verlaufend, durch die Norm SC-1095 definiert, welche in dem nicht zum Stande der Technik gehörigen Patent.... (eigenes Aktenzeichen 4-9 P 48) beschrieben ist. Das Flügelpntfil SC-1095 kann durch folgende Koordinaten definiert werden:

BAD ORJQfNAl,

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	V*	2238250	-0.1526
χ/ο	0.1863		-0.221
0.0125	0.2737	-0.2993
0.025	0.387	-0.3395
0.05	0.45	-0.3642
0.075	0.4926	-0.3937
0.1	Oo5442	-0.4087
0.15	0.5734	-O ο 4147
0.2	0.5842	-0.4122
0.25	0.5815	-0.3959
0.3	0.5578	-0.3627
0,4	0.5109	-0.3145
0.5	0.4434	-0.2509
0.6	0.3553	-0.1745
0.7	0.2486	-0.0905
0.85	0.1345	-0.0244
0.9	0.0345
0.975

Hierbei bedeuten X den Sehnen-Lageort gemessen von der vorlaufenden Schaufelkante, C die Sehnenabmessung, _t die maximale Schaufeldicke, Y_u die oberelTlügelprofilstelle an dem Lageort X und Y-j^ die untere Flügelprofil-Stelle an dem Lageort X. Die vorlaufenden Kantenradien können durch die folgenden Gleichungen festgelegt werden:

Oberer Radius der vorlaufenden Kante: *~ = (—) I0IO8

\T +■ P

Unterer Radius der vor]aifenden Kante: ~= = (—) _n

Hierbei bedeuten ^ den Radius der vorlaufenden Kante des oberen Flügelprofil-Abschnittes der Schaufel von einem Punkt an der Schaufelsehne gemessen, wobei C die Sehnen&bmessung darstellt; t^ ist die maximale Schaufeldicke, und S-j- entspricht dem Radius der vorlaufenden Kante des unteren Flügelprofilabaohsittes der Schaufel um einen Punkt an der Schaufelsehne sowie innerhalb eines Bereiches von ±3 % der Werte von Y₁Vt₃, YjZt₉ & und P_T „

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Das Flügelprofil SC-1095 kann auch durch folgende Gleichungen wiedergegeben werden:

3.Kf^

Hierbei bedeuten X den Sehnen-Lageort, welcher von der vorlaufenden Schaufelkante gemessen wurde, C die Sehnenabmessung, _t die maximale Schaufeldicke, Y die obere Flügelprofilstelle an dem Lageort X und Y-r die untere Flügelprofilstelle an dem Lageort X, wobei die vorlaufenden Kantenradien nach folgenden Gleichungen definierbar sind:

Oberer vorlaufender Kantenradius: C ^

Unterer vorlaufender Kantenradius:

Hierbei bedeuten $ den vorlaufenden Kantonradius des oberen Schaufel-Flüge]profils und Yj den vorlaufenden Kantenradius des unteren Schaufel-Flügelprofils, beide gemessen von einem Punkt

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an der S chaufel sehne sowie innerhalb eines Bereiches von Hh 3 % der so berechneten Werte von Y^, X^, (P und ^.

Die Dickenverteilung der Schaufelspitze 20 ergibt sich am besten aus Fig. 6. Die Schaufel 10 weist eine Dicke von 11 % der Sehnenabmessung innerhalb des 80 % der Spannweite entsprechenden Lageortes auf. Die Spitze 20 geht von 11 % Sehnenabmessungsdicke bei dem 80 % der Spanaeite entsprechenden Lageort gleichförmig auf eine Sehnendicke von 9»5 % an dem 82 % der Spannweite entsprechenden Lageort über und verbleibt bei 9>5 % Dicke bis zu einem 100 % der Spannweite entsprechenden Lageort. Außerhalb des 95 % der Spannweite entsprechenden Lageortes reduziert sich die Dicke, da die Sehne sich reduziert und das Dickenverhältnis konstant bei 95 % bleibt.

Dieses Flügelprofil hat zwei günstige abmessungsmäßige aerodynamische Kennwerte insofern, als bei Blatt spitzen-Machzahl en voi 0,3 und 0,6 der maximale Auftriebskoeffizient C, ^₀_ zumindest 1,41 bzw. 1,0 beträgt und die Schleppdivergenz-Machzahl zumindest 0,76 bei einem Hebekoeffizient von 0,2 ausmacht·

Während sich das SC-1095-Flügelprofil als zufriedenstellend für die Beta-Spitze-Schaufel erwies, sind andere Flügelprofile denkbar, welche ebenfalls eine Verbesserung gegenüber der bekannten Schaufel zeigen, wenn sie den gebildemaßigen Kriterien folgen sollen, die nunmehr zu beschreiben sind. Die Beta-Spitze sollte eine Verwindungsaußenseite entsprechend dem bei 87 % der Spannweite befindlichen Lageort aufweisen, wodurch sich eine negative Verwindung beginnend bei 0 und eine gleichförmige Zunahme derselben in negativer Richtung bis etwa -5° ergäbe. Die Draufsicht der Bota-Spitze sollte eine konstante Profiltiefe aufweisen, wobei die trapezförmige Spitze bei etwa dem 95 % der Spannweite entsprechenden Lageort beginnt und die Sehnenabmessung um etwa 40 % bei dem 95 % der Spannweite entsprechenden Lageort reduziert wird. Das Flügelprofil sollte eine gemäßigte Wölbung aufweisen, wobei der Lageort maximaler Wölbung in dom vorderen Teil des Flügelprofils so gewählt ist, daß die Vereinigung der maximalen Wölbung und der Stelle maximaler Wölbung keinen Steigungsmoment-

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Koeffizienten größer als 0,03 vor der Momentdivergonz erzeugt. Die Dicke dor Spitze sollte zwischen 6 und 10 % der Schnenabnessung betragen. Hinsichtlich der bevorzugten Dickenverteilung ist nunmehr auf Fig. 7» 8 verwiesen.

Wenn die Schaufclspitze nahe einer Machzahl von 0,9 zu betreiben ist, so sollte das Dickenverhältnis niedrig sein, um die Kompressibilitätseffekte zu mildern. Jedoch erfordern andere Betriebsarten, daß die gleiche Spitze bei niedrigeren Machzahlen und höheren Auftriebskoeffizienten arbeitet. Da dßr maximale Auf triebskoeffizient allgemein gesteigert wird, wenn die Dicke zunimmt, und zwar bis zu einer besonderen Grenze, muß das Spitzen-Flügelprofil so ausgebildet werden, daß es eine verbesserte hohe Machzahl sowie aerodynamische Kennwerte entsprechend einer niedrigen Machzahl aufweist. Dies muß ohne Einführung großer Steigungsmomente an der Blattspitze erreicht werden, da starke schwingungsmäßige Belastungen infolge der starken Änderung der örtlichen Geschwindigkeit und damit als Folge des dynamischen Druckes eingeführt werden, welcher rund um den Schaufelazimut festzustellen ist.

Gemäß Fig. 7, 8 erfüllt das SC-1095-Flügelprofil, das verhältnismäßig dünn ist, mit 9,5 % diese Erfordernisse. Der Wert C₁- _____

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wird zumindest 10 % über dem gesamten Bereich der Machzahl gegenüber dem NACA-0012-Flügelprofil gesteigert. Die Schleppdivergenz-Machzahl wurde ebenfalls auf eine hohe Machzahl gesteigert. Beide Kennwerte wurden mit dem gleichen Flügolprofil erzielt, während die Steigungsmomente vor der Momentdivorgenz niemals den Wort ± 0,02 überstiegen. Die exakte Wahl der Spitzendicke wurde auf der Grundlage dor Leistung des verbesserten SC-1095-Flügelprofils gewählt.

Die Rückwärtspfeilung der Oberfläche 34 der trapezförmigen Spitze gemäß Fig. 5 beträgt vorzugsweise 7° ± 7°; die Vorwärtspfellung der Oberfläche 36 beträgt vorzugsweise 20°, +10°, -20°.

Wie sich am besten aus Fig. 3 ergibt, ergab sich bei der Über-

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prüfung der Beta-Spitze-Schaufel ein günstiger "Vergleich sowohl mit der normalen . Schaufel als auch der HLR-Schaufel. Während "bei der Beta-Spitze-Schaufel ein gewisses Maß an "Überziehen beim Hochlasibetrieb auftrat, ergab sich das Auftreten der 'Überziehwirkung bei einer höha?en Schaufelbelastung als bei der HLR-Schauf el; demgemäß ist der Auftrieb der Beta-Spitze besser sowohl ' · bei der HLR-Schaufel als auch bei der normalen' Schaufel über den gesamten Schaufellastbereich«, Die'Beta-Spitze zeigte bei dem bekannten Rotor auch ähnliche Verbesserungen gegenüber dem bekannten Rotor mit bekannter Spitze. Zusätzlich zeigt 3?ig. 3 auch die Betriebskennwertlinie des theoretisch idealen Rotors, welche, wie sich versteht, einem nicht existierenden Rotor zugeordnet ist, der keine Schwierigkeiten beinhaltet und keine Nachteile vorliegender Rotorschaufeln aufweistο

Vie vorangehend angegeben wurde, ergab die "Überprüfung der Beta-Spitze-Schaufel eine Verbesserung in drei Bereichen beim Schweben, nämlich in Bezug auf die Rotor-Leistungsfähigkeit, den Rotorlärm und die Eliminierung der Schaufelinstabilität«, Die Einzelheiten dieser drei Verbesserungsbereiche sind nachfolgend erläutert .

Da die Vorbesserung der Leistungsfähigkeit beim Schweben den Hauptzweck der Entwicklung der Beta-Spitze-Schaufel bildete, sind :ranmehr die Gesichtspunkte des Schaufelaufbaus zur Erzeugung der dargestellten Verbesserung des Schwebevorgangs erläutert.

Die erste aufbaumäßige Änderung gegenüber einer bekannten Schaufel, welche zur Erzeugung der verbesserten Schwebewirkung gemäß Fig. 3 beiträgt, liegt in einer Steigerung der VorwLndung über

die SchaufelSpannweite. Dies ergab sich klar aus den Testverglcichon der normalen Schaufel mit der HLR-Schaufel= Eine gesteigerte Gosamtschaufelvcirwindung vorschiebt die Scha\ifelspannviGitenbolastuiin von den äußerem Lageorten gegen dio imii-ron Lageorte „ Dio Ti;Ftorgebnisse zeigten, daß dio HL]?-fJehaui't;l mit gesteigerter fi.-namtnpannwoitenvi-TW-indung oinc Verboß.sorunf" gegenüber e'er n'V-^nhm Schaufel iiiMoi· < t- darstellte, nl ι < in beachtlich ι i.-üI-·- ί "\ . ri.(vr r.otorwd j'lruup..' {^τι·ρΊ τΊ1.":γ oinon wen ton r· rj.rli von

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Schaufelbelastungen erzielt wird»

Die Wirkung gesteigerter örtlicher Spitzenverwindung ergab flieh durch die Versuchsergebnisse, welche.man beim Vergleich dee Beta-ßpitzen-Rotors mit dem HLR-Rotor und beim Vergleich der Beta-Spitze an dem normale» Rotor mit dem insgesamt in normaler Weise ausgeführten Rotor erhielt. Der aerodynamische Angriffswinkel und die örtliche Virschiebung werden für die Betaßpitze beachtlich reduziert* Dit Flügelepitzenverwindung bewirkt einen niedrigeren Spiteenangriffswinkel und einen gesteigerten inneren Spannweiten-Lageort-Angriffswinkel· Die über die Spannweite erfolgende Belastung zeigt eine ähnliche Abnahme an der Schaufelspitze und eine Steigerung an dt. m innerhalb der Spannweite gelegenen Lageort. Ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt der reduzierten Spitzenbelaetung beider Beta-Spitze liegt in einer niedrigeren Spiteen-Wirbel-Stärke, welche dichter an der Schaufel liegt, was im Endergebnis die örtliche Aufströmung von dem Wirbel und dem ßpitzenangriffswinkel reduziert. Diese weitere Reduzierung der Wirbelströme vermindert Frofil-Le'ie'tageverltiste. Dieser Vorteil de· Angriffswinkels und der Lastverteilung bei dem Beta-Spitze-Rotor gegenüber dem HLR-Rotor sowie des ELR-Rotors gegenüber dem bekannten Rotor ergibt sich aus Betrachtung von Fig. 9> 10» wo diese Rotoren bei einer'Spitzing·«. schwindigkeit von 0,625 Mach arbeiten und einen Schub von 23 100 kp erzeugen. Obgleich die HLR*Verwindungeverteilung in beachtlicher Weise die innenaeitige Belastung steigert, wird die Spitzenbelastung lediglich in einem geringen Haß reduziert. Demgemäß tritt bei dem HLR-Rotor ein Überziehzustand der Spiti* auf* Die Beta-Spitze weist einen wesentlich geringeren ßpitzenatigriffBwinkel und auch eine geringere Angriffswinkel-lMeruilf an der Spitze auf. Diese Reduzierung reicht aus, um in beachtlicher Weise Profilleistungsverluste an der Spitze zu reduzieren. Hie. geringere Veränderung des Spitzenangriffswinkels zeigt eine geringere Spitzen-Wirbelstärke. Dies sind die Hauptgründe für den verbesserten Schwebungewirkungsgrad der Beta-Spitze, wie eich dies durch die Analyse ergibt.

Eine Reduzierung des Schaufel-Spitzenbereiches beeinflußt die

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Eotorleistung in ähnlicher Weise wie die Wirkung gesteigerter Sehaufelverwindung (Figo 9> 10) insofern, als hierdurch die Spitzenbelastung, der Auftrieb und die Schleppwirkung reduziert werden» Ein zweiter durch die trapezförmige Spitze bei der Beta-Schaufel zu erzielender "Vorteil liegt in der Einführung der Schaufelpfeilung, was den günstigen Einfluß einer Eeduzierung der Machzahlen-Effekte sowohl im Schweben als auch im Vorwärtsflug hat, indem die Örtliche Machzahl an der nach rückwärts gepfeilten vorlaufenden Kante der Schaufel in einem Maß reduziert wird, das etwa gleich dem Produkt aus dem Coarms des Pfeilungswinkels multipliziert mit der Schaufelgeschwindigkeit beim Schweben und beim Vorwärtsflug ist.

Die besonderen Flügelprofil- und Dicken-Phänomene stehen auch in Zusammenwirkung mit der Herstellung einer Beta-Spitze-Eotorschaufel von gesteigertem Wirkungsgrad. Das SC-1095-Flügelprofil wird als gegenüber üblichen Flügelprofilen, beispielsweise gegenüber dem Profil NACA 0012, als überlegen betrachtet, weil das vorgesehene Profil eine reduzierte Dicke aufweist und weil dessen gemäßigte Wölbung ein Maximum bei einem vorderen Lageort auf der Sehnenlinie ist. Dies bewirkt ein Flügelprofil mit maxi-■*·>*> lern Au.ftriebskoeffizienten C₁- _,_„ sowie einer höheren Schleppdivergenz-Machzahl, wie dies in Fig. 7» 8 veranschaulicht ist* Die reduzierte Dicke ist günstig, weil sie sowohl verbesserte Schleppdivergenz-Kennwerte als auch reduzierte.EotorSchaufel-Belastungen herbeiführt. Der letztgenannte Vorteil ergibt sich wegen des reduzierten Abstandes von dem Mittelpunkt des Querschnitts der Außenfläche der konstruktiven Hauptspannweite der "chaufel zu deren Außenfläche.

Der zweite der drei seitens der Beta-Spitze-Schaufel zu erzielenden Vorteile, nämlich die Eliminierung oder Verminderung der Außerspur- oder subharmonischen Schwing-Spur-Instabilitäts-Erscheinung der Schaufel ergibt sich aus den nachfolgenden Erläuterungen. Das Außerspur-Phänomen der Schaufel stellt_e^_no Instabilität dar, welche während der Schwebebetriebsart des Hubschraubern ■'"•"tritt, wobei die Eotorschaufeln von einer einzigen Spitzenweg-Ebene abweichen. Eine "Doppelspur"- und subharmonische

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Schwing-Spur-Instabilität beziehen sich auf besondere Arten der Außerspur-Instabilität der Schaufel. Während der Doppelspur-Instabilität herrschen zwei besondere Spitzenweg-Ebenen vor, wobei die geradzahligen und ungeradzahligen Schaufeln gesonderte Ebenen bilden. Die beiden Spitzenweg-Ebenen sind mit der Zeit stabil und beeinflussen allgemein die Leistung lediglich bei dem Übergang von der normalen einzelnen Spitzenweg-Ebene zu der Doppelspur, während welcher eine Vibration pro Umdrehung vorliegt. Wenn die subharmonische Schwing-Spur-Instabilität auftritt, klappen die Rotorschaufeln bei einer subharmonischen Frequenz von etwa 0,57 pro Umdrehung in dem rotierenden System oder 1,57 pro Umdrehung in dem festen System. Die Größe der dem Wert 1,57 entsprechenden festen Systemvibration pro Umdrehung kann ausreichend stark sein, um während des normalen Schwebebetriebes als nicht mehr annehmbar betrachtet zu werden.

Der Grund sowohl für die Doppelspur- und die subharmonische Schwing-Spur-Instabilität liegt in der aerodynamischen Wechselwirkung zwischen einer Rotorschaufel und dem Spitzenwirbel der vorangehenden Schaufel. Gemäß Fig. 1 erzeugt die Axialbewegung eines starken Stdtzenwirbels gegenüber einer Schaufelspitze beachtliche Änderungen in der Spitzenbereich-Auftriebs-Verteili^- Die Schaufel-Lageorte außerhalb der Wirbel-Spannweiten-Stellung zeigen eine gesteigerte Aufströmung des Wirbelströmungsfeldes und demgemäß einen gesteigerten Angriffswinkel, wenn der Spitzenwirbel sich der Schaufel annähert. Umgekehrt ist der Schaufelbereich gerade innerhalb des Wirbels einer vergrößerten Abwärtsströmung und verminderten Angriffswinkeln ausgesetzt. Da der Schaufelbereich außerhalb des Wirbels dicht am Überziehen ist, während ein normaler Schwebevorgang bei hohen Belastungen stattfindet, hat der gesteigerte Angriffswinkel in diesem Bereich eine kleine Einwirkung auf den Schaufelabschnittsauftrieb Der Bereich innerhalb des Wirbels wird jedoch nicht überzogen, unr* der Auftrieb nimmt schnell ab, wenn sich der Spitzenwirbel annähert. Das Ergebnis hiervon ist ein insgesamt verminderter Schaufelauftrieb wenn sich der Wirbel gegen die Schaufel bewegt, was eine negative aerodynamische Klapp-Federkopplung zwischen einer Schaufel und dem Spitzenwirbel der vorangehenden

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Schaufel bedingt* Für torsionsmäßig weiche Schaufeln wird die negativ klappende Feder durch torsionsmäßige Schaufelausbiegung vergrößert, wenn die hohen Angriffswinkel außerhalb des Spitzenwirbels eine Schleppdivergenz und negative Steigungsmomente einführen.

Die negative aerodjmamische Klappfeder, welche durch den Spitzen-Wirbel geschaffen wird, erzeugt eine Kraft, die eine Schwingung in der Schaufel aufbaut. Diese Schwingung der vorlaufenden Schaufel bewirkt eine Klappschwingung in dem Spitzenwirbel, welcher der vorlaufenden Schaufel nachläuft. Wenn sich der Spitzenwirbel von der vorlaufenden Schaufel gegen die nachlaufende Schaufel bewegt, bewirkt die negative Federkopplung der vorlaufenden Schaufel ein Ansprechen durch Verminderung von deren Klappwinkel. Eine Abwärtsbewegung der folgenden Schaufel setzt sich fort, bia der die Schaufel trennende Abstand und der schwingende Wirbel der vorlaufenden Schaufel zu steigen beginnen. Diese Abwärtsbewegung wird alsdann festgelegt, und die folgende Schaufel beginnt zu steigen, wenn ein negfcives Klappmoment infolge des Wirbels reduziert wird. Demgemäß besteht die reine Wirkung der Schwingung des Wirbels der vorlaufenden Schaufel darin, daß die folgende Schaufel zum Klappen bei der gleichen Frequenz veranlaßt wird, jedoch mit einem Phasenwinkel und einer relativen Amplitude, welche von der Stärke der negativen Federkopplung und der Anregungsfrequenz der vorlaufenden Schaufel abhängen. Für einen gegebenen Wert der Schaufel-Klappdämpfung liegt eine besondere Vereinigung einer negativen Federstärke und einer Schaufelklappfrequenz vor, welche ermöglicht, daß ^ede Schaufel eines sechsschaufeligen Rotors mit der gleichen Amplitude und 60° außer Phase mit der vorangehenden Schaufel klappt. Wenn eine ausreichend hohe Rotorbelastung erreicht wird, um diese negative Federwirkung zu erzeugen, so ermöglicht eine leichte Schwingung einer Rotorschaufel bei der subharmonischen Schwing-Spur-Instabilitätsfrequenz eine Kopplung aller Schaufeln rund um den Azimut und erzeugt ein von selbst aufrecht erhaltenes Unterschall-Klappen der Rotorschaufeln.

Die erfindungsgemäße Beta-Spitze-Schaufel mildert den Verlust

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an Aiif&x jufb · in dem Schaufel-Spitze-Bereich. Es liegen zumindest drei konstruktive Unterschiede vor, welche theoretisch als direktes Ergebnis der Beta-Spitze-Ausbildung auftreten und anzeigen, warum die Beta-Spitze-Schaufel keine Außerspur- oder subharmonische Schwing-Spur-Instabilität der Schaufel über den Untersuchungsbereich zeigte, der in Fig. 11 veranschaulicht ist. In erster Linie zeigt der reduzierte Spitzen-Auftrir/b und der zugeordnete geringere Spitzenangriffswinkel, daß der Beta-Spitze-Rotor weiter vom Überziehzustand weg arbeitet als ein bekannter Rotor, wenn beide Rotoren bei dem Außerspur-InstabilltEte-Grenzwert des bekannten Rotors arbeiten* Wenn demnach jeder Schub um mehr als etwa ein halbes Kilopond gesteigert wird, so nimmt d«'!· Spitzen-Auftiob des bekannten Rotors nicht zu, und die überzogene Schaufel fällt aus der Spur, wobei eine Außerspur-Schaufel-Instabilität erzeugt wird. Dor Beta-Spitze-Aiif trieb nimmt zu, weil or· einen Grenzwert zwischen dem Betriebs-Angriffswinkel und dem überziehzustand aufweist. In zweiter Hinsicht reduziert die geringere Spitzenbelastung die Wirbelstärke und vermindert demgemäß den Spitzenangriffswinkel, so daß dieser weiter vom Überziehzustand entfernt ist. Der dritte Unterschied steht in Zuordnung niit dem besonderen Flügelprof il. Bei einer typischen Schwebe-Machzahl sind die Überziehkennwerte des SC-1095-Flügelprofils nicht wesentlich, so daß de iLiiftxi-vb nicht sehr schnell bei steigendem Angriffswinkel abfällt, wogegen Coi maximale ΛπΓΐ:ΛΛ in einem üblichen Flügelprofil wesentlich l> i steigendem Angriffswinkel abnimmt. Dies ist in Fig. 12 veranschaulicht. Das Ergebnis besteht darin, daß bei einer Steigerung des Schubes auf den Beta-Spitze-Rotor clor Auft:-.i ;b außerhall) des Wirbels steigt und damit auch das Bestreben zum Verlust des Spitzen^ ^i ob ώ, wobei die Außerspur-Schaufel-Instabilität durch die Anwendung dieses Flügelprofils oder anderer Flügelprofile mit ähnlichen Überzieh-Kennwerten reduziert wird.

Untersuchungsergebnisse mit einem Vergleich des noznelcn Rotrs, des HLR-Rotors sowie einer an diese Rotoren angesetzten Beta-Spitze sind in Fig. 11 veranschaulicht; während der normal/. Rotor und der IILR-Rotor Aiißerspur- oder subharmonische Schwing-Spur-Instabilitäten der Schaufel in den auf dem Schaubild auge-»

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gebenen Bereichen zeigten, wurden die Beta-Spitze-Rotoren bis zu der Grenze der Untersuchungsmöglichkeiten geprüft und zeigten die Fähigkeit zum Arbeiten bei einer gesteigerten Schauferbelastung ohne das Auftreten einer Instabilität bei allen Spitzen-Machzahlen oberhalb der Außerspur- oder subharmonischen Schwingspur-Schaufelinstabilität s-Grenzwertbelastung des bekannten Rotors und des HLR-Rotors. Das dritte günstige Ergebnis des Beta-Spitze-Rotors ist die Reduzierung des Rotorlärms. Der Beta-Spitze-Rotor zeigte einen um 5 - 8 FNdb geringeren Geräuschpegel als der bekannte Rotor. Dies ergibt sich aus. Fig. 13, wobei besonders darauf hinzuweisen ist, daß der HLR einen höheren Geräuschpegel als der normale Rotor aufweist. Fig. 13 zeigt dies, indem gaphisch die relativen Geräuschpegel dieser drei Rotoren bei verschiedenen Frequenzen als Funktion der äquivalenten linearen Rotorverwindung dargestellt sind. Der Beta-Spitze-Rotor zeigt geringere Geräuschpegel bei allen Frequenzen.

Die Ergebnisse von Fig. 13 zeigen, daß der Rotorlärm in Zuordnung zu der Spitzenbelastung steht, wobei der Lärm reduziert wird, wenn die Spitzenbelastung vermindert wird.

Fig. 14, 15 zeigen beide den gesamten Rotorgeräuschpegel in PNdb-Einheiten bzw. das Rotordrehmoment als Funktion der Schaufelspitzen-Verwindung. Sowohl gegenüber dem FN&b-Drehiaoment als auch der PS-Leistung ist der Beta-Spitze-Rotor sowohl den HLR-Rotor als auch dem normalen Rotor überlegen. Die örtliche PS-Leistung ist auf die äußeren 10 % der SchaufelSpannweite verteilt und wird gemäß der Darstellung reduziert, wenn die Spitzenbelastung reduziert wird. Da der gesamte Geräuschpegel in direkter Zuordnung zu der aufgewendeten PS-Leistung oder Energie steht, so ergibt 3ich, daß der Lärm reduziert wird, wenn die öpitzenbelastung reduziert wird. Es kann gegenwärtig nicht ausreichend erklärt werden, warum der HLR-Rotor einen stärkeren Lärm al3 dor normale Rotor erzeugt, trotz der Tatsache, daß die Spibzenbelastung reduziert wurde. Es kann lediglich theoretisch vermutet worden, daß die zugefügte Belastung der inneren Lageorte der Spannweite des HLR-Rotors niederfrequento Geräusche erzem<-^f , welche einen wesentlichen Teil des erzeugten Gesamt-

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geräusches bilden. Da jedoch die Beta-Spitze die niedrigsten Geräuschpegel zeigt, stellt die Reduzierung der Spitzenbelastung die Grundlage der Rotorgeräuschreduzierung dar. Es wird hypothetisch angenommen, daß zum Zwecke einer maximalen Geräuschreduzierung der örtliche Spitzenangriffswinkel gerade bei dem Flügelprofil-Schleppdivergenz-Angriffswinkel gemäß Pig. 1 arbeiten sollte.

Die Untersuchungsergebnisse zeigen die Rolle, welche jedes Element des Beta-Spitze-Aufbaues bei der Reduzierung des Rotorlärm spielt. In erster Linie reduziert die Verwindung den örtlichen Angriffswinkel durch Reduzierung der örtlichen Schaufelsteigung und Reduzierung der Stärke des Spitzenwirbels. In zweiter Linie ergibt ein verbesserter Flügelprofilquerschnitt mit geringerem Grundschleppweifc und höherem Schleppdivergenz-Angriffswinkel eine höhere Grenze der zulässigen Spitzenbelastung und Betriebs-Spitze-Machzahl. In dritter Linie trägt eine Reduzierung des Spitze-Dicke-Verhältnisses, d.h. des Verhältnisses der maximalen Dickenabmessung des Flügelprofils zu dessen Sehnenabmessung, zu einem hohen Schleppdivergenz-Angriffswinkel bei. In vierter Linie ergibt offensichtlich eine Abnahme der Schaufelfläche im Rahmen etwa dee . gleichen Spitzen-Angriffswinkels jedoch eine geringere Spitzen-Profil-Leistung, da ein geringerer Profilschleppwert als Ergebnis der geringeren Fläche vorliegt, so daß eine gewisse Reduzierung des wirksamen Profil-Schleppkoeffizienten infolge der wegen der resultierenden Versetzung abnehmenden Machzahl entsteht.

Wie iiich am besten aus Fig. 25 ergibt, kann der Spitaenteil 20 der Schaufel 10 einen Mechanismus umfassen, um zu ermöglichen, daß die Schaufelopitze aowohl in der konstanten DraufSLcht;t;eomebrie als auch in der trapezförmigen Draufsichtiifioraefcrio arbeitet, die dies strichpunktiert bi'.w. /tuspezogen in Fig. ^l) veranschaulicht ist. Der vorlaufende Eckabychni t;fc Ά) ust solu/onkbivr mit dem Rest der Spitze 20 an einem Zapfonlap rpunkt 5.' verbunden, während der nachlaufende Eckabychni tt ^Γ»Ί iiohwenkbur an die Spit'.'t; 20 an einem Zapfenlagerpunkt ^v/l an. ,ileut ι. i.;t . V rrprünfjc 50, GO vertnufen von den Eckabnchnitteii >md utrui mit ( ii era h;/dr:m

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lischen oder pneumatischen Kolben/Zylinder-Mechanismus 62 oder mit anderen üblichen Kraftstellgliedern über Betatigungsaime 64-, 66 verbunden, welche schwenkbar an ihren gegenüberliegenden Enden mit Vor Sprüngen 58, 60 sowie mit der Kolbenstange 68 verbunden sind* Wenn demgemäß Betätigungsfluid auswahlmäßig dem Leistungsmechanismus 62 zugeführt wird, bewegt sich die Kolbenstange 68 entweder nach links, um die Eckabschnitte 50, 54 in ihre einer trapezförmigen Spitze entsprechenden Stellungen zu ziehen, während umgekehrt, wenn sich die Kolbenstange 68 nach rechts bewegt, die Eckabschnitte 50, 54- nach außen in ihre, der konstanten Rechteckform entsprechenden Stellungen gedrückt werden.

Wie vorangehend erwähnt wurde, ist die Schaufel nach Fig. 4· für einen Schwebebetrieb und einen normalen Vorwärtsflugbetrieb gut geeignet, jedoch ist für Hubschrauber mit einer Auslegung auf hohe Vorwärtsfluggeschwindigkeiten eine abgewandelte Schaufel mit auswahlmäßiger Pfeilung· vorzuziehen« Abgesehen von"¹ der Pfeilung ist diese abgewandelte Schaufel identisch mit der vorangehend beschriebenen Schaufel gemäß Fig. 4-, Nachfolgend ist diese für hohe Fluggeschwindigkeiten ausgelegte Abwandlung des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.

Der grundlegende Zweck zur Einführung einer Pfeilung in der Ausbildung der "Beta-Spitze liegt in der Reduzierung der schwingungsmäßigen Schaufel-Steuerbelastungen und Dehnungen beim Hochgeschwindigkeits-Vorwärtsflug, wobei diese Kennwerte bei einer Schaufel in der vorliegend erwähnten Art mit nichtlinearer Flügeispitzenverwindung gesteigert werden. Als zusätzlicher Vorteil verzögert die Pfeilung die ungünstigen Verdichtungseffekte und verbessert daher den Rotorwirkungsgrad, reduziert den Lärm und verzögert das Auftreten von Instabilitäts-Grenzwerten wie beispielsweise Außerspurlaufen der Schaufel oder subharmonische Schwing-Spur-Instabilität und SMOT, was ausführlich in der Broschüre mit dem Titel "A Self-Exciting Rotor Blade Oscillation at High Subsonic Mach Number" beschrieben ist, die bei dem 24. National Forum of American Helicopter Society im ' Mai 1968 von William F. Paul dor Firma Sikorsky Aircraft vorge-

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legt wurde. Das Erfordernis zur Pfeilung in der "Beta"-Spitze-Ausbildung hängt von den Erfordernissen der Vorwärtsgeschwindigkeit des Rotors ab.EinLastenhubBöhrauber, beispielsweise vom Typ CH-5^» welcher mit gutem Wirkungsgrad schweben muß und geringe Anforderungen an die Fluggeschwindigkeit im Bereich von 14-5 215 km/h aufweist, erfordert keine Pfeilung unterhalb derjenigen, die sich aus der trapezförmigen Draufsichtform gemäß Pig. 5 ergibt. Ein Hochgeschwindigkeits-Angriffs-Lasten-Hubschrauber entsprechend dem Typ CH-53 nuß die Möglichkeiten einer wirksamen Schwebefähigkeit und einer hohen Pluggeschwindigkeit (2?0 - 325 km/h) in einem einzigen Rotorsystem realisieren. Bei einem derartigen Hochgeschwindigkeits-Plugzeug sollte die "Beta"-Spitze vorzugsweise gemäß Fig. 19 gepfeilt sein, so daß der aerodynamische Mittelpunkt des Spitzenbereiches hinter der Elastizitätsachse der Schaufel liegt.

Die Wirkung desHoch^eschwindigkeits-Vorwärtsfluges auf eine Schaufel mit einer Flügelspitzenverwindung ist nachfolgend erläutert. Fig. 16 zeigt das dynamische Ansprechvermögen einer Rotörschaufel 10 mit einer Flügelspitzenverwindung beim schnellen Vorwärtsflug. Wenn die Rotörschaufel in Flugrichtung eine Vorwärtsbewegung ausführt, zeigt sich eine größere Abwärtsbelasturζ -L als üblich an der Schaufelspitze infolge der hohen Spitzenverwindung. Die Schaufel-Schleppbelastung D sowie das negative Steigungsmoment -M sind ebenfalls größer. Alle drei Belastungen vereinigen sich, wobei das Schaufel-Vibrations-Torsions-Wurzel-Moment (Steuerbelastung) gesteigert wird. Die größere Abwärtsbelastung -L lenkt die Schaufelspitze nach unten unter die Schaufel-tiegelstellungsachse gemäß Fig. 1? aus. Gleichzeitig erzeugt die Schleppbelastung D, welche durch das Steigungsmoment -M unter-

stellunficssc stützt wird, ein starkes "Nase abwärts "-Moment um dieSegel/^. _.

was an der Schaufelwurzel auftritt und übermäßige Belastungen auf das Schaufel-Steigungs-Steuersystem überträgt. Pig. 18 zeigt die relativen Abmessungen dieser Wurzelmomente für eine Schaufel mit und ohne Spitfzenverwindung sowie ferner die Steigerung der Scheitolwertbelastung eines eine hohe Verwindung aufweisenden Rotors an der vorlaufenden Seite der Rotorscheibe. Fig. 18 zeigt auch die Schaufel-Spitzen-Torsionsauslenkung, wel-

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ehe sich in der gleichen Weise wie das Wurzelmoment ändert. Daraus ergibt sich, daß das Moment infolge des Schleppwertes sich mit dem Steigungsmoment vereinigt, um die Schaufel weiter zu verwinden, wobei deren negativer Angriffswinkel und deren entgegengesetzte Belastung gesteigert werden. Eine Vibrationsbelastung nimmt zu, wie sich versteht, infolge der höheren Schaufelbiege- und Verwindungsamplituden.

Durch Pfeilung des Spitzenbereiches nach hinten, so daß der aerodynamische Mittelpunkt der gesamten Spitze sich hinter der elastischen Schaufelachse befindet, kann der vorangehend erläuterte ungünstige Fall vermieden werden. Ein Beispiel der zurückgopfeiltoi Spitze ergibt sich aus Fig. 19. Diese Spitze zur Anwendung bei einem schnellen Vorwärtsflug hat vorzugsweise sowohl eine nach vorn als auch nach hinten gerichtete Tfeilunc Die Gründe hierfür sind nachfolgend näher erläutert.

Wenn die vorlaufende Schaufel bei einer hohen Machzahl während des Vorwärtsfluges arbeitet, sind die Vorteile der Pfeilung ohne weiteres offenbart. Die Schleppbelastun'g und das Abschnittssteigungsmoment werden durch Milderung von Kompressibilitätseffekten infolge des Cosinuseffektes reduziert. Die größte Wirkung der Pfeilung ergibt sich jedoch auf der Versetzung des Auftricbsvekton?gegenüber der elastischen Achse der Schaufel. Gemäß Fig. 20, 21 erzeugt der Auftriebsvektoi -L in oiruo? gepfeilten Spitze ein "Nase auf "-Moment um die elasbisehe Schaufelachse, wobei eine Reduzierung der Schaufelverwindung herbeigeführt wird. Diese Reduzierung der Schaufelverwindung reduziert dan negativen aerodynamischen Angriffswinkel 06, wobei dies wiederum die Schleppbelastung D und das Abschnitts-Steigungsmoment -Ii reduziert. Die Abwärtsbelastung -L wird ebenfalls reduziert, wobei die Spitzen-Abwärtsauslenkung der Schaufel vermindert wird« Daher werden alle ungültigen Belastungen D, -L, -M reduziert, wobei ein größeres Maß von Verträglichkeit zwischen den Forderungen der Rotorschaufel-Auslogung für Schwebeflug und Bowegungsflug geschaffen wird. Fig. 24 zeigt die Wirksamkeit einer um 20° versetzten Spitze außerhalb von 95 % der Spannweite bei lioduziorung der Stcuerbelastungen für den Rotor dos Hubschraubcxü

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vom Typ CH-53, der Standard-Schaufelverwiiüingen von -6° aufweist.

Aus der Rückwärtspfeilung gemäß Fig. 19 ergeben sich zusätzliche Vorteile. Sowohl in dem Fall der zurücktretenden Schaufel als auch der Schwebeschaufel von Fig. 21 erzeugt die Aufwärtshebekraft L ein Moment um die elastische Achse, welches den Überziehzustand der Schaufel reduziert. Die Kräfte und die Änderung in den Kräften ergeben sich aus Fig. 22, 23. In beiden Fällen arbeitet die Schaufelspitze bei einem großen Angriffswinkel -^C . Die Aufwärts-Hebekraft erzeugt ein Verwindungsmoment, welches die Schaufelverwindung zu steigern strebt. Aus vorangehend in Einzelheiten erläuterten Gründen verlangsamt eine gesteigerte Verwindung längs der Schaufel die Überziehung der Schaufel und verbessert damit den Schwebewirkungsgrad. Für die zurücklaufende Schaufel vermindert die gesteigerte Verbindung den Auswärts-Angriffswinkel und bewegt somit die Belastung nach innen, wo der Auftrieb bei einem hohen L/D-Vcrhältnis erzeugt werden kann, um den Überziehzustand zu mildern und damit den Vorwärts-Wirkungsgrad zu verbessern.

In günstiger Weise ist die Pfeilung eines der wenigen Phänomene) welches zur Untersützung sowohl vorlaufender als auch zurücklaufender Schaufeln bei der Schwebe- und Vorwärtsflug-Betriebsart dient.

Bei der Ausbildung dieser Pfeilung der "Beta"-Spitze ist es wichtig, die Spitzenfläche in der Masse auszugleichen, was bedeutet, daß die Spitze als eine Fläche betrachtet wird, welche so geformt und ausgeglichen werden sollte, daß der wirksame, in Sehnenrichtung verlaufende e.g. auf oder vor der Schaufol-Elatikachse liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, verwindet die Zentrifugalkraft die Schaufel, wobei die Wirkung der aerodynamischen Hebekraft aufgehoben wird.

Um einen Massenausgleich zu erzielen, ist gemäß Fig. 19 sowohl tine nach vorwärts als auch nach rückwärts perichtote Pfeilunc' vorgesehen, so daß ein Volumen geschaffen wird, i:: welchem Masse in L'Orm oineLi Ausgleichsgewichtes 90 v'or dar olaf Ls:hun Achse

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in ausreichendem Maß gespeichert wird, um die Masse, welche hinter dieser Achse als Ergebnis der Rückwärtsversetzung gelegen ist, zu versetzen. Der zusätzliche Vorteil der nach vorn und rückwärts gerichteten Pfeilung liegt in der Schaffung einer Entlastung gegenüber der aerodynamischen Kompressibilität infolge des C οsinuseffektes über einen größeren Teil der Spannweite.

Der eine bekannte negative Gesichtspunkt einer RückwärtBpf eilung liegt darin, daß eine höhere ständige Steuerbelastung auf den Rotor-Steuerstellgliedern liegt. Die ständige Stel^liedbelastung ergibt sich aus einem ständigen und einem pro Umdrehung auftretenden Schaufel-Steigungsmoment. Fig. 2M- zeigt, daß die einmal pro Umdrehung: auftretende Komponente der Schaufelsteigung für die Schaufelpfeilung reduziert wird, daß jedoch das ständige Moment (Durchschnittswert) in der negativen Richtung wesentlich gesteigert wurde, hauptsächlich infolge der Rückwärtepfeilung des Schaufelspitzen-Auftriebs, wobei dort eine reine Steigerung der stetigen Stellbelastung auftritt. Dieses ständige Moment kann gehandhabt werden, indem die Abmessungen der Steuerstellglieder erhöht werden, wobei sich sonst keine Schwierigkeiten ergeben»

Bevorzugt beginnt die gepfeilte Spitze von Fig» 19, welche in größeren Einzelheiten in Fig. 26 veranschaulicht ist, bei oder außerhalb der Spannweitenlinie von 87 %, durchläuft eine Vor- \ra.rtspf eilung von etwa 20° +_ 15° auf etwa 93 % der Spannweitenlinie, wonach eine Rückwärtspfeilung um etwa 20° +_ 15° auf etwa 100 % der Spannweitenlinie oder bis zur Spitze auftritt.

Die Verwindung der "Beta"-Spitze-Schaufel, gleichgültig, ob von konstanter Draufsichtsform, trapezförmiger Spitzenform oder gepfeilter Spitze, ist von größerer Wichtigkeit für die Erfindung und kann insbesondere folgendermaßen definiert werden:

^öBasis, X= ⁰L <^X - °'75) (1)

Hierbei entsprechen X dcmrprozentualen Spannweiten-Lageort, 9,-

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der Schaufel-Grundverwindung und öjj_asi_{s χ} der Schaufel-Grundverwindung an der Stelle X.

Die örtliche Verwindung der Beta-Spitze kann aus der Schaufel-Grundverwindung folgendermaßen ermittelt werden:

^ÖBeta-Spitze, X ^{= 9}Basis, X ⁺ ^⁹X ^

Die Gleichung (2) gilt für Spannweiten-Lageorte von 0,87 ^ X Hierbei bedeuten G^eta-Spitze χ clie Verwindung der Beta-Spitze an der Stelle X und &Oy die Änderung der Verwindung zwischen der Schaufel-Grundverwindung 9_{BasiS) χ} und Ö_Beta._Spitze, X ** der Stelle X.

Es sei angenommen, daß θτ negativ ist. Dann können folgende Gleichungen aufgestellt werden, um Δθ_χ an den Stellen X = 1, 0,05» 0,895, 0,87 zu bestimmen, welche Sehnen-Lageorten von 100 %, 95 %, 89,5 % bzw. 87% entsprechen:

AQa η - ΓοΘλ qc _λ ο col + 1° Toleranz (3)

.0 ^β [^0.95 + 0.5°] ±

Hierbei bedeuten Λθ^ ₀ ^d^^e Verwindungsänderung bei einem Lageort entsprechend 100 % der Spannweite und /L9q 95 ^d^^e änderung bei einem Lageort entsprechend 95 % der Spannweite.

^0.95 ⁼ [-⁴° - ^ ^ÖBasis x] ± ¹° Toleranz (4)

0.95 ⁼ [-⁴° - ^ ^ÖBasis, x] ±

.895 ⁼ Γ^{0#4375 Δ9}095ΐ "^0#5°' ^{+ 5}° ^Toleranz

Hierbei bedeutet QQq qq,- die Verwindungsänderung bei dem 89»5 % der Spannweite entsprechenden Lagoort gegenüber der Grundverwindung der Schaufel.

&^θη f\n ⁼ °°' ⁺ 1 Toleranz (6)

Hierbei bedeutet AÖq q^ die Änderung der Verwindung gegenüber der Schaufol-Grundverwindung bei einem Lageort entsprechend

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87 % der Spannweite.

Die unsymmetrische Toleranz, -0,5° bis + 3°, "bei einem Lageort entsprechend 89,5 % der Spannweite wird so gewählt, daß die Schaufelspannweitenbelastung gerade innerhalb des Mittelpunktes des Störungswirbels gesteigert wird, um zu ermöglichen, daß die Lageorte an dieser Stelle mehr wirksame Arbeit leisten. Fig. 9, 10 zeigen, daß der Wirbel in wesentlicher Weise die Schaufelbelastung in diesem Bereich reduziert; die gesteigerte positive Verwindung ermöglicht, daß diese Lageorte mehr .Auftrieb erzeugen. Das Ausmaß der positiven "Verwindung sollte auf den Wert begrenzt sein, welcher ermöglicht, daß diese Lageorte bei dem Angriffswinkel für maximales Auftrieb -Schleppgröße-Verhältnis des gewählten Flügelprofilteils arbeiten, oder auf einen Wert, welcher hinsichtlich der SchaufelSpannweitenausbildung praktisch ist, da diese Verwindung in hohem Maß nichtlinear ist.

Λθχ ändert sich linear in den obigen Gleichungen zwischen den angegebenen prozentualen Spannweiten-Lageorten sowie unter der Annahme einer Schaufel-Grundverwindung θτ von -10°; man kann die obigen Formeln verwenden, um die graphische Darstellung der gesamten Beta-Spitze-Verwindung gemäß Fig. 27 zu ermitteln.

Die Gleichung (2) kann auch verwendet werden, um die gesamte Beta-Spitze-Verwindung bei gewählten prozentualen Spannweiten-Lageorten X festzustellen, selbst wenn die Grundverwindung der Schaufeln nichtlinear ist.

Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird durch auswahlmäßige Verwindung der Schaufelspitze und/oder Reduzierung der Schaufelspitzenfläche die Schaufelspitzenbelastung beim Schwebeflugbetrieb reduziert, wobei durch auswahlmäßige Einführung einer .i. fei lung in Bezug auf die Schaufelspitze ein aerodynamisches Zentrum an der Schaufelspitze hinter der elastischen Schaufelachse erzeugt wird, um eine dynamische Verwindung zu erhalten, die folgende Ergebnisse zeigt: A) Eine reduzierte Spitzenverwindung und damit eine reduzierte Belastung auf die Spitze an dor vorlaufenden Schaufel bei schnellem Flug, B) eine gesteigerte

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Verwindung an der Spitze und damit eine reduzierte Belastung an der Spitze bei der zurücklaufenden Schaufel im SchnellfluG und C) eine gesteigerte ßchaufelverwindung und damit eine reduzierte Belastung der Spitze beim Schwebeflug.

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Claims (22)

1. Hubschrauberschaufel mit einem Ansatzteil, einem mittleren Teil und einem Spitzenteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil eine allgemein negative, nichtlineare Verwindung mit Werten.zwischen -1° und etwa -5°, eine im wesentlichen konstante Sehnenabmessung über den größten Teil der Spannweite, eine Dicke zwischen 6 und .10 % der Sehnenabmessung und eine Wölbung dortselbst mit einer maximalen Wölbung vor einem 50 % der Sehnenlänge entsprechenden Lageort aufweist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil die äußeren 13 % der Schaufelspannweite ± Z % -bildet«

3. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil eine Verwindung im Basieh von 0 bis 20° aufweist und daß die allgemein nichtlineare Verwindung bei einem Lageort entsprechend etwa 87 % ± 2. % der Spannweite beginnt»

4-»- Schaufel nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeich net, daß die Dicke des Spitzenteils etwa 9,5 % der Sehnenabmessung beträgt und daß die maximale Wölbung bei etwa 0,8 % ± 0,1 % der Sehnenabmessung liegt und daß eine vordere Wölbung vor einem JO % der Sehnenlänge entsprechenden Lageort vorliegt, um auf diese Weise geringe Schaufel-Steigungsmomente zu erzeugen, ohne einen höheren maximalen Auf triebskoeffizienten und eine höhere aerodynamische Schleppdivergenz einzutauschen-

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-4·, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil einen Flügelprofil-Querschnitt entsprechend folgender Formel aufweist:

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- 36 -

? .■

-ι.ια

C "C,

wobei X einen Sehnen-Lageort gemessen von der vorlaufenden Schaufelkante, C die Sehnenabmessung, jt die maximale Schaufeldicke, Y die obere Plugelprofilstelle an dem Lageort X und Yx die untere Plugelprofilstelle bei dem Lageort X darstellen, daß die Radien der vorlaufenden Kante nach folgenden Gleichungen zu definieren sind:

Oberer Radius der vorlaufenden Kante:

Unterer Radius der vorlaufenden KanteÄ = (£)²

£)²

wobei 9_U den Radius der vorlaufenden Kante des oberen Schaufel-Flügelprofils und ({r den Radius der vorlaufenden Kante dee unteren Schaufel-Flügelprofils darstellen, beide gemessen von einem Punkt an der Schaufelsehne, wobei ein Wertebereich von +_ 3 % der Werte der so berechneten großen Y , Y_L, <p und eingehalten ist.

6. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch

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zeichnet, daß der Spitzenteil einen Flügelprofil-Quersehnitt gemäß folgenden Koordinaten aufweist:

X/C Y

0.0125 0.1863 -0.1526 0.025 0.2737 -0.221 0.05 0.387 -0.2993 0.075 0.45 -0.3395 0.1 0.4926 -0.3642 0.15 0.5442 -0.3937 0.2 0.5734 -0.4087 0.25 0.5842 -0.4147 0.3 0.5815 -0.4122 0.4 0.5578 -0.3959 0.5 0.5109 -0.3627 0.6 O.4434 -0,31^5 0.7 0.3553 -O.25O9 Oo85 0.2486 -O.1745 0.9 O.I345 -0.0905 0.975 O.O345 -0.0244

wobei X einen Sehnen-Lageort, gemessen von der vorlaufenden Schaufelkante, C die Sehnenabmessung, ^t die maximale Schaufeldicke, Y die obere Flügejjrofil-Stelle an dem Lageort X und Y^ die untere Flügelprofil-Stelle an dem Lageort X darstellen und wobei ferner die vorlaufenden Kantenradien gemäß folgenden Gleichungen zu definieren sind:

Oberer vorlaufender Kantenradius : £p = (^) 1.1Ό8

£p =

Pt _t ρ

Unterer vorlaufender Kantenradius: jr~ = (jr) O„7313

wobei ^ den vorlaufenden Kantenradius des oberen Schaufel-Flügelprofil-Abschnittes, gemessen von einem Punkt auf der Schaufelsehne, C die Sehnenabmessung, j; die maximale Schaufddicke und ^_L den^ vorlaufenden Kantenradius des unteren Flügelprofil-Schaufelabschnittes, gemessen von einem Punkt auf der

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Schaufelsehne, darstellen, wobei die Werte innerhalb eines Bereiches von ± 3 % der auf diese Weise definierten Werte von Y₁Vt, Y_T/t, <p und ν _T liegen.

IX JlJ * UL ■* JLj

7. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke im zentralen Teil zwischen 9 - 18 %, vorzugsweise 11 %, der Sehnenabmessung liegt und eine gleichförmige Verwindung von 20° oder weniger, vorzugsweise 14°, aufweist.

8. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelwölbung an einem Lageort entsprechend 27 % der Sehne der Schaufel einen Maximalwert aufweist und zur Erzeugung eines Schaufel-Steigungsmomentkoeffizienten innerhalb des Bereiches +_ 0,03 vor der Momentdivergenz bei Unterschall-Machzahlen ausgebildet ist.

9. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil eine trapezförmige Spitze aufweist.

10. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 - 9 , dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil bei einem inneren Lageort der Schaufelspannweite nach vorn und an einem äußeren Lageort der Schaufelspannweite nach rückwärts gepfeilt iet.

11. Schaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die trapezförmige Spitze an einem Spannweiten-Lageort zwischen 90 % und 97 % der Spannweite beginnt und sich hinsichtlich der Sehnenabmessung gleichförmig reduziert, so daß die Schaufelspitzen-Sehne eine Abmessung von etwa 60 % +^ 15 % der Schaufelaehnenabmessung aufweist, so daß der Spitzen-Mittelpunkt des Druckes an dem gleichen Sehnenlageort verbleibt.

12. Schaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel-Sehnenabmessung 66 cm und die Spitzen-Sehnenabmessung 4-2 cm betragen.

13. Schaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ""e^l^ng des Spitzenabschnittes bei einem Lageort entsprechend

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87 % der Schaufelspannweite beginnt und die vordere sowie rückwärtige -Versetzung maximale VTinkelgrenzen zwischen 30° und 40° aufweisen. '

14·. Schaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die trapezförmige Spitze bei einem Lageort entsprechend 95 % ± 2 % der Spannweite beginnt.

15· Schaufel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil eine konstante Rechteckform aufweist.

16. Schaufel nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (Kolben/Zylinder-Einheit 62) vorgesehen sind, um den Spitzenteil zwischen einer konstanten Rechteckform und einer Trapezform zu betätigen (Pig. 25).

17· Schaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil in der Masse ausgeglichen ist und einen am Spitzenteil wirksamen eehnenmäßigen Schwerpunkt auf oder etwas vor der elastischen Achse der Schaufelspitze bildet.

18ο Schaufel nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Massenausgleich durch Zugabe eines auswahlmäßigen Ausgleichsgewichtes in dem Bereich der Vorwärtsversetzung der Schaufel hergestellt ist.

19· Schaufel nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenteil einen Querschnitt zur Erzeugung ei- :>\ar· Marginal on Auitriebskoeffizienton Gt _msx aufweist, der zumindfcS 1,4-1 bzw. 1,0 bei an der Spitze vorliegenden Machzahlen von 0,3 bzw. 0,6 beträgt, und daß eine Schleppdivergenz-Machzahl von zumindest 0,76 bei einem/_uftriebskoeffizientcn vonO_s2 vorliegt«

20. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 - 90, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwindung an dem Schaufelspitzenteil -4-,33° an einem Lageort entsprechend 100 % der Schaufelspannweite +_ 1;

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bei einem Lageort entsprechend 95 % der Schaufelspanaifeite jh 1°, bei einem Lageort entsprechend 89,5 % der weite -2,47° + 3° und -0,5°! und bei einen Lageort entspreeiiead 8? $ der Schaufelspannweite -1,2° beträgt und sich In wesent-* liehen linear zwischen diesen Spannweiten-Lageorten ändert.

21. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-19* dadurch gekennzeichnet, daß die Verwindung des Schaufelspitzenteiles folgenden Bedingungen genügt: Schaufelgrundverwindung abzüglich 1,83° an einem Lageort entsprechend 100 % der Spannweite .+_ 1°; Schaufel-» Grundverwindung abzüglich 2,33° an dem Lageort entsprechend 95 % <3Ler Spannweite ^ 1°; Schaufel-Grundverwindung «briiglich 1,02° an dem Lageort entsprechend 8915 % &er Spannweite + 3° und -0,5° und Schaufel-Grundverwindung an dem Lageort entsprechend Θ7 % der Spannweite + 1°.

22. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Verwindung an dem Spitzenteil insbesondere folgendersaßen definiert istt

a-Spitze, X * ^öBasis, X ⁺ &⁹ X

für einen Spannweiten-Lageort von 0,87 - X ^ 1i wobei Soitze X ^der B^e*^a-Spitze-Verwindung bei dem Spannweiten· lageort X und Δθχ der Änderung der Verwindung zwischen der Schaufel-Grundverwindung, ©_{BasiSi r} und ©^^ apiti·, X an dem Lageort X entspricht und wobei die Schaufel-Grundverwindung für den linearen Fall bei dem Spannweitenlageort X definiert ist durch;

^öBasis, X - °1 <* - °.75)

wobei X dem prozentualen Spannweitenlageort, Q₀. der Schaufel-Grundverwindung und ββ_&β£₈ χ der Schaufel-Grundverwindung an der Stelle X entsprechen, und daß unter der Annahme eines nega tiven Wertes Θ,, die Änderung der Verwindung £βγ an den Lageorten X « 1, 0,95, 0,895 und 0,87, welche 100 %, 95 %, 89,5 % bzw. 87 % der Spannweitenlageorte entspricht, nach folgender

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ORIGINAL fNSPBCTlD

Gleichungen definierbar isto

Toleranz (3)

wobei G^ _Q die Verwindungsänderung bei einem Lageort entsprechend 100 % der Spannweite und Aö_Q q,- die Verwindungsänderung bei einem Lageort entsprechend 95 % der Spannweite gegenüber der Schaufel-Grundverwindung darstellen,

^Δθ0.895 ⁼ [°·⁴575 Αθ_ο#95| - 5°, + 3° Toleranz (5)

wobei Qq qqc die Verwindungsänderung an einem Lageort entsprechend 89)5 °/° Spannweite gegenüber der Schaufel-Grundverwindung darstellt,

Δ0ο 87 ^{= 0<?}' i ¹° ^Tolerailz (6)

wobei Qq Qr₇ die Änderung der Verwindung gegenüber der Schaufel-Grundverwindung bei dem Lageort entsprechend 87 % der Spannweite darstellt und wobei Λθ_ν sich im wesentlichen linear in den obigen Gleichungen 3) - 6) zwischen den angegebenen prozentualen Spannweiten-Lageorten ändert.

23» Verfahren zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines Hubschrauberrotors, gekennzeichnet durch auswahlmäßige Verwindung der Schaufelspitze und/oder Reduzierung der Schaufelspitzenfläche zwecks Reduzierung der Schaufelspitzenbelastung beim «= Schwebeflugbetrieb und auswahlmäßige Anbringung einer Pfeilung auf die Schaufelspitze zwecks Erzeugung eines aerodynamischen Zentrums an der Spitze hinter der elastischen Achse der Schaufel zur Erzeugung einer dynamischen Verwindung, wodurch folgende Wirkungen erzielt werden:

A) Reduzierung der Spitzenverwindung und damit Reduzierung der Spitzenbelastung auf die vorlaufende Schaufel beim

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Schnellflug,

B) Steigerung der Spitzenverwindung und damit Reduzierung der Spitzenbelastung auf die zurückiaufonae Schaufel beim Schnellflug,

C) Steigerung der Schaufelverwindüng und damit Reduzierung der Spitzenbelastung im Schwebeflug.

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