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Blattsteuereinrichtung fur Hubschrauberrotoren Die Erfindung betrifft
eine Blattsteuereinrichtung fur Hubschrauberrotoren, mit der die sinusförmige Blattverstellung
verzerrt wird, um vor allem bei höheren Fluggeschwindigkeiten die oerodynamischen
Verhältnisse und mechanischen Beanspruchungen der Rotorblätter zu verbessern.
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Bein Schwebeflug und beim reinen Vertikolflug wird die Taumelscheibe
horizontal zentrisch zum Rotormast, entsprechend der Steig-bzw. Sinkgeschwindigkeit
verschoben. Dies bedeutet eine kollektive Ansteuerung der Rotorblätter. Während
des Horizontalfluges und zur Fluglageregelung wird die Taumeischeibe aus ihrer horizontalen
Lage geschwenkt, so doß eine zyklische Ansteuerung der Rotorblötter erfolgt.
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Diese zyklische Ansteuerung der Rotorblötter durch Schwenken der Taumelscheibe
un ihre Mittelachse, die auch mit der Rotormastmittelachse zusammenfällt, bewirkt
eine sinusförmige Verstellung des Blattsteuerwinkels. Diese zyklische Blattverstellung
ist notwendig, ul bei höheren Horizontalgeschwindigkeiten des Hubschraubers einen
gleichnößigeren Auftrieb, entsprechend der Anströmung der auf- und ablaufenden Rotorblätter
zu erhalten. Die sinusförmige Verstellung der Rotorblätter bedeutet aber nur eine
ungenaue Annäherung an eine konstante Auftriebsverteilung der Rotorblötter, die
eit steigender Horizontalgeschwindigkeit sich derart verschlechtert, daß eine Begrenzung
der Fluggeschwindigkeit
doraus resultiert. Die Auswirkungen einer
reinen sinusförzeigen Blottverstellung bei großen Horizontalgeschwindigkeiten zeigen
sich in pulsierend wirkenden Blattkräften und Momenten, wodurch die Rotorblätter
sehr starken Belastungen ausgeliefert sind, die die Konitruktion solcher Blätter
koaplizierter machen und ihre Lebensdauer stark beeinträchtigen. Ein weiterer wesentlicher
Nachteil zeigt sich im Flugkomfort, der durch Schwingungen und Lärmbelästigung stark
beeinträchtigt wird.
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Bekonnt sind Ausfuhrungen, die den durch die Tauaelscheibe erzeugten
Grundsinusschwingungen des Blattsteuerwinkels eine höhere harmonische Schwungung
Uberlogern und dadurch eine größere Annäherung an den geforderten Schwingungsverlauf
erhalten, was wiederum einer konstanten Auffriebsvertcilung nahekommt. Es hat sich
aber gezeigt, daß eine zufriedenstellende Lösung durch diese Maßnahme nicht erreicht
wird, da für jede Schwingungsüberlagerung ein gesondertes Steuersignal erforderlich
ist. Dies bedeutet aber eine technisch sehr aufwendige Lösung, die in der Proxis
aufgrund nicht zufriedenstellender Zuverlässigkeit nicht angewendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
zu vermeiden und den Blattsteuerwinkelverlauf derart zu steuern, daß eine möglichst
konstante Auftriebsverteilung, vor alle. bei hßh ren, horizontalen Fluggeschwindigkeiten,
erreicht wird.
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Ein. Lösung der Aufgabo wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
die Fußpunkte der Blattsteuerstangen gegenseitig, unabhangig voneinander in Richtung
ihrer Kreisbahn kontinuierlich verstellbar sind.
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Zu diese. Zweck schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß die Fußpunkte
der Blattsteuerstangen durch Schleppetangen, die an eine. mit der Rotordrehzahl
synchron umlaufenden, äußeren Ring angelenkt sind, geschleppt werden. Der äußere
umlaufende Ring ist exzentrisch zur Kroisbahn
der geschleppten
Blattsteuerstangen angeordnet. Um eine gute Anpassung der Blattsteuerung an den
jeweiligen Geschwindigkeitsbe reich zu erreichen, wird eine kontinuierlich einstellbare
exzentrische Verstellung vorgeschlogen, die mittels zwei Hebelgetrieben den dußeren
umlaufenden Ring im Sinne einer Koordinotenveratellung verschiebbar betätigt, wobei
sowohl eine manuelle Verstellung als auch eine automatische, in Abhangigkeit von
den Betriebsgrößen, ermöglicht wird.
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Die Verzerrung der sinusförmigen Blattwinkelverstellung erfolgt dabei
derart, daß die Schlepphebelanlenkpunkte am äußeren umlaufenden Ring jeweils aufgrund
der Exzenterlage zur Kreisbahn der Blattsteuerstangen einen mehr oder weniger großen
Weg zurUcklegen, so daß die Fußpunkte der Steuerstangen eine vor bzw. nacheilende
Bewegung gegenüber der Rotordrehzahl aufweisen. Durch entsprechend gewählte Verhditnisse
zwischen den Durchmessern des umlaufenden Ringes und der Kreisbahn der Blattsteuerstangen
sowie der Schleppstangenlängen ist eine Anwendung auf die verschiedensten Rotorsysteme
möglich, wobei der Zweitblottrotor als geeignetester Anwendungsfall in Frage kommt.
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Ein Ausfuhrungsbeispiel der Blattsteuereinrichtung ist anhand der
Zeichnung näher eridutert.
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Es zeigen: Fig. 1 cheootisch eine Schlepphebelonordnung in der Droufsicht,
Fig.la den Verlauf des Blattsteuerwinkels im Diagramm Fig. 2 einen Schnitt in der
Rotormostlungsachse, Fig. 3 eine kontinuierliche Blattsteuereinrichtung in der Draufsicht.
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Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Schlepphebelanordnung fur einen
Zweiblattrotor, bei dem die Fußpunkte der Blattsteuerstangen unabhängig voneinander
geschleppt werden. Ein mit der Rotordrehzahl umlaufender äußerer Ring 1, an dem
die Hebel 2 und 3 mittels Gelenken 2a und 3a gelagert sind, schleppt die Taumelsoheibenkörper
4 und 5.
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Die Taumelscheibenkörper 4 und 5 sind zentrisch mit dem nicht drehenden
Taumelscheibenkdrper 6 zur Rotordrehachse 9 gelagert. Das Drehzentrum la des dußeren
umlaufenden Ringes 1 befindet sich um die Exzentrizität e und den Blottumlaufwinkel
w aus der Mitte der Tauselscheibenkörper, also aus der Mitte der Rotordrehachse
9 versetzt. Die Fußpunkte der Blattsteuerstangen 7 und 8 sind mittels den Gelenken
2b und 3b der Hebel 2 und 3 mit den Taumelscheibenkörpern 4 und 5 ebenfalls gelenkig
verbunden. Durch Pfeile ist einmal die Drehrichtung der rotierenden Teile und weiterhin
die Flugrichtung angegeben. Mit R ist der Radius des äußeren umlaufenden Ringes
1 und mit r der mittlere theoretische Radius der Taumelscheibenkörper 4, 5 und 6
bezeichnet.
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Durch einfache konstruktive Maßnahmen werden bei der Ausfuhrungsform
der Taumelscheibenkörper die Fußpunkte der Blattsteuerstangen 7 und 8, sowie die
Gelenke 2b und 3b der Hebel 2 und 3 auf dem theoretischen Radius r geführt. Dies
wurde der Ubersichtlichkeit halber in der Figur nicht gezeigt.
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Der mit der Rotordrehrichtung und -drehzahl synchron umlaufende äußere
Ring 1 schleppt die Hebel 2 und 3, die an Gelenken 2a und 3a einander gegenüberliegend
am Ring 1 befestigt sind in Rotordrehrichtung. Die Hebel 2 und 3 bewegen die Taumelscheibenkörper
4 und 5 durch die Gelenke 2b und 3b mit und versetzen diese in eine un9leichmeßige
Drehbewegung. Diese ungleichförmige Drehbewegung wird durch die exzentorische Lage
des außeren Ringes 1 hergestellt. Dabei wird in Richtung der Exzentrizitdt e jeweils
der Hebel 2 bzw. 3 an seinem äußeren Anlenkpunkt, den Gelenken 2a bzw. 3a, durch
die Umfangsverschiebung verschwenkt und somit der entsprechende Taumelscheibenkörper
verzögert.
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Der der Exzentrizitöt gegenuberliegende Bereich ist in seiner Wirkungsweise
umgekehrt, d. h. der jeweilige Taumelscheibenkörper 4 oder 5 wird beschleunigt.
Der Mittelwert von Beschleunigung und Verzögerungs
geschwindigkeit
entspricht genau der Drehgeschwindigkeit des Rotors.
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Die Beschleunigung bzw. Verzögerung der Taumelscheibenkörper 4 und
5 ist abhängig von der Exzentrizitöt e. Bei einer Exzentrizitat von e = o ist ein
vollständiger Gleichlauf aller drehenden Teile vorhanden. Ausser der Exzentrizität
selbst wird die Richtung der Exzentrizität e durch den Winkel' verstellt. Diese
Winkelverstellung ergibt die Möglichkeit, den Blattsteuerwinkel entsprechend den
aerodynamischen Verhöltnissen von auf- und ablaufenden Rotorblatt anzupassen. Im
vorliegenden Beispiel in Fig. 1 befindet sich der Hebel 2 cm Ende des Verzögerungsbereiches.
Das bedeutet, daß der Fußpunkt 7 der Blattsteuerstange um den Blattumlaufwinkel
/ gegenüber dem Fußpunkt 8 der gegenüberliegenden Blattsteuerstange versetzt ist.
Diese unobhdngige Verstellung der Fußpunkte 7 und 8 der Blattsteuerstangen ergibt
den gewunschten Verzerreinfluß.
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Die Darstellung der Fig. ta zeigt vergleichend den Verlauf des Blattsteuerwinkels
in Diagrammform, zwischen rein sinusförmig und verzerrter sinusförmiger Verstellung
der Rotorblätter, auf eine Rotorumdrehung bezogen. Die in gestrichelter Linie dargestellte
Blattwinkelverstellung zeigt die reine Sinusverstellung, während die ausgezogene
Linie eine dazu verzerrte Sinusverstellung darstellt, wie sie durch die vorgeschlagene
Blattsteuereinrichtung charakteristisch erreicht wird.
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In Fig. 2 ist ein Schnitt durch die ßlattsteuereinrichtung gezeigt.
Durch einen Pfeil ist die Drehrichtung der Rotorachse 9 dargestellt, an der sich
in vereinfachter Form ausgefUhrte Rotorblötter 17 befinden. Die Rotordrehechse 9
treibt Uber ein Mitnehmergestönge 13 den äußeren Ring 1 synchron zur Rotordrehzahl
an. Der Hebel 2 ist mittels dem Gelenk 2a am äußeren Ring 1 befestigt und schleppt
den Taumelscheibenkörper
4 der mit dem Gelenk 2b am Hebel 2 angelenkt
ist, in Rotordrehrichtung. Die Blattsteuerstange 11 ist mit ihrem Fußpunkt 7 ebenfalls
an dem Gelenk 2b an dem Taumelscheibenkörper 4 befestigt.
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In gleicher Weise ist der Hebel 3, der in der Fig. 2 in strichpunktierter
Linie dargestellt ist, am äußeren Ring 1 angelenkt und schleppt den Taumelscheibenkörper
5, auf dem gleichfalls die Blattsteuerstonge 12 zit ihrem Fußpunkt 8 angreift, in
Richtung der Rotordrehachse. Die beweglichen Tauxelscheibenkörper 4 und 5 sowie
der feste Taumelacheibenkörper 6 sind unabhängig voneinander drehbor gelagert. Der
feste Taumelscheibenkörper 6 ist wie bei Taumelscheiben in Ublicher Weise auf einem
Gelenkkörper 15 geführt, der wiederum auf der Taumelscheibenfuhrung 16 in axialer
Richtung verschiebbar angeordnet ist. Der äußere Ring 1 ist drehbar in einem feststehenden,
d. h. nicht drehenden Fuhrungsring 14 gelagert und wird durch die Anlenkpunkte 14a
und 14b in einer bestimmten Lage zur Rotordrehachse fixiert, wobei die zyklische
bzw. kollektive Bewegung der Taumelscheibe aber mit ausgeführt werden. Die konstruktive
Ausbildung fUr das synchrone Mitbewegen in zyklischer und kollektiver Bewegungsrichtung
des äußeren Ringes 1 sowie des Fuhrungsringes 14 stellen kein Merkmal der Erfindung
dar und werden aus diesem Grunde Ubersichtlichkeitshalber nicht gezeigt. Die Mitte
1a des öußeren Ringes 1 ist um die Exzentrizitut e und den Winkel F gegenüber der
Rotordrehachse verschoben. Der Winkel # ist in der Fig. 2 nicht darstellbar, gleichfalls
ist die Exzentriztdt e nicht in wahrer Größe gezeigt.
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Der funktionelle Ablauf der geschleppten Taumelscheibenkörper 4 und
5 entspricht dem in Fig. 1 Beschriebenen. Die voneinander unabhöngige Verstellung
der Fußpunkte 7 und 8 der Blattsteuerstangen 11 und 12 auf ihrem Drehumfang verzerren
den reinen sinusförmigen Verlouf der Blattsteuerwinkel derart, daß sie den tatsächlich
herrschenden ourodynamischen
Verhdltnissen an den Rotorbitittern
sehr nahe kommt, was sich vor allem im schnellen Horizontal flug aus den bekannten
Gründen sehr vorteilhaft auswirkt.
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Fig. 3 zeigt eine kontinuierlich verstellbare Blattsteuereinrichtung,
bei der sowohl die Exzentrizität e als auch der Winkel i' entsprechend den Betriebsbedingungen
einstellbar ist. Zu der eigentlichen funktionellen Anordnung gemaß Fig. 1 kommt
eine Verstelleinrichtung hinzu, mittels der der äußere Ring 1 zur Rotordrehachse
9 und zu den dazu zentrisch angeordneten Taumelscheibenkörpern 4, 5 und 6 verstellbar
ist. Zu diesem Zweck werden zwei Verstelleinrichtungen 18 und 21 verwendet. Die
Verstelleinrichtung 18 greift Uber einen Hebel 19 an den Anlenkpunkt 14b an, während
die Verstelleinrichtung 21 Uber eine Doppelhebelanordnung mit dem Hebel 23 und 22
an dem Anlenkpunkt 14a angreift. Die Anlenkpunkte 14a und 14b befinden sich im Führungsring
des äußeren umlaufenden Kreises 1, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Als weiteres zeigt
die Fig. 3 die Hebel 2 und 3, die die Taumelscheibenkörper 4, 5 schleppen, die Fußpunkte
7 und 8 der Blattsteuerstangen, sowie den feststehenden Tauxelscheibenkbrper 6 entsprechend
der Fig. 1. In strichpunktierter Linie ist die Blatteteuereinrichtung mit der Exzentrizitöt
"Null" dargestellt. In dieser Stellung arbeitet die Blottsteuereinrichtung entsprechend
einer konventionellen Taumelscheibe, ohne sinusförmige Verzerrung der Blottsteuerwinkel.
Das Verstellen des dußeren Ringes 1 erfolgt in Richtung der Exzentrizität e durch
die Verstelleinrichtung 18 und die Verstellung in Richtung des Blattumlaufwinkels
Y> durch die Verstelleinrichtung 21. Dadurch ergibt sich eine im Koordinatensystem
Ubliche Verstellung der Mitte ta des äußeren Ringes 1, in stufenloser Weise. Diese
stufenlose Verstellung erlaubt eine laufende Anpassung der Blattateuereinrichtung
an die jeweiligen Flogzustdnde durch den Piloten. Eine weitere Möglichkeit
bedeutet
das automatische Verstellen der Blattsteuereinrichtung in Abhöngigkeit von den Betriebsgrößen,
wie Staudruck, Rotordrehzahl usw., um dem Piloten diese zusätzlichen Bedienungsaufgaben
zu ersparen. Mit dieser Blattsteuerungseinrichtung wird eine Geschwindigkeitssteigerung
im Horizontal flug erreicht und gleichzeitig der Flugkomfort wesentlich verbessert.
Außerdem werden die Belostungen der Rotor- und Zellenstruktur sowie Ruckkoppeleffekte
im hohen Maße gunstig beeinflußt.