DE2304509B2 - Blattsteuereinrichtung fuer hubschrauberrotoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Blattsteuereinrichtung für Hubschrauberrotoren, mit der die sinuskurvenförmige Blattwinkelverstellung verzerrt wird.

Beim Schwebeflug und beim reinen Vertikalflug wird die Taumelscheibe koaxial zum Rotormast entsprechend der Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit verschoben. Dies bedeutet eine kollektive Ansteuerung der Rotorblätter. Während des Horizontalfluges und zur Fluglageregelung wird die Taumelscheibe aus ihrer horizontalen Lage geschwenkt, so daß eine zyklische Ansteuerung der Rotorblätter erfolgt. Diese zyklische Ansteuerung der Rotorblätter durch Schwenken der Taumelscheibe um ihre Mittelachse, die auch mit der Rotormastmittelachse zusammenfällt, bewirkt eine sinusförmige Verstellung des Blattsteuerwinkels. Diese zyklische Blattverstellung ist notwendig, um bei höheren Horizontalgeschwindigkeiten des Hubschraubers einen gleichmäßigeren 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 Rotorblätter, die mit steigender Horizontalgeschwindigkeit sich derart verschlechtert, daß eine Begrenzung der Fluggeschwindigkeit daraus resultiert. Die Auswirkungen einer reinen sinusförmigen Blattverstellung bei großen Horizontalgeschwindigkeiten zeigen sich in pulsierend wirkenden Blattkräften und Momenten, wodurch die Rotorblätter sehr starken Belastungen ausgeliefert sind, die die ^₀ Konstruktion solcher Blätter komplizierter machen und ihre Lebensdauer stark beeinträchtigen. Ein weiterer wesentlicher Nachteil zeigt sich im Flugkomfort, der durch Schwingungen und Lärmbelästigung stark beeinträchtigt wird.

Bekannt sind Ausführungen, die den durch die Taumelscheibe erzeugten Grundsinusschwingungen des Blattsteuerwinkels eine höhere harmonische Schwingung überlagern und dadurch eine größere Annäherung an den geforderten Schwingungsverlauf erhalten, was wiederum einer konstanten Auftriebsverteilung 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 Praxis auf Grund nicht zufriedenstellender Zuverlässigkeit nachteilig ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und den Blattsteuerwinkelverlauf derart zu beeinflussen, daß eine möglichst konstante Auftriebsverteilung, vor allem bei höheren, horizontalen Fluggeschwindigkeiten, erreicht wird.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Fußpunkte der Blattstoßstangen auf ihrer Kreisbahn unabhängig voneinander verstellbar sind, wobei sie jeweils mit dem einen Ende einer Schleppstange gelenkig verbunden sind, deren anderes Ende am Umfang eines mit der Rotordrehzahl synchron umlaufenden Rings gelenkig anschließt, welcher zur Kreisbahn der Blattstoßstangen exzentrisch verstellbar ist.

Um eine gute Anpassung der Blattsteuerung an den jeweiligen Geschwindigkeitsbereich erreichen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die exzentrische Verstellung des schleppenden Ringes durch zwei Hebelgetriebe erfolgt, die in Abhängigkeit der Betriebsgrößen, wie Fluggeschwindigkeit, Rotordrehzahl, entweder manuell oder automatisch ansteuerbar sind. Die Verzerrung der sinusförmigen Blattwinkelverstellung erfolgt dabei derart, daß die Schlepphebelanlenkpunkte am äußeren umlaufenden Ring jeweils auf Grund der Exzenterlage zur Kreisbahn der Blattstoßstangen einen mehr oder weniger großen Weg zurücklegen, so daß die Fußpunkte der Blattstoßstangen eine vor- bzw. nacheilende Bewegung gegenüber der Rotordreh/ahl aufweisen. Durch entsprechend gewählte Verhältnisse zwischen den Durchmessern des umlaufenden Ringes und der Kreisbahn der Blattstoßstangen sowie der Schleppstangenlängen ist eine Anwendung auf die verschiedensten Rotorsysteme möglich, wobei der Zweiblattrotor als geeignetster Anwendungsfall in Frage kommt.

Ein Ausführungsbeispiel der Blattsteuereinrichtung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Schlepphebelanordnung in der Draufsicht,

Fig. la den Verlauf des Blattsteuerwinkels im Diagramm,

F i g. 2 einen Schnitt in der Rotormastlängsachse,

Fig. 3 eine kontinuierliche Blattsteuereinrichtung in der Draufsicht.

Die F i g. 1 zeigt schematisch eine Schlepphebelanordnung für einen Zweiblattrotor, bei dem die Fußpunkte der Blattstoßstangen unabhängig voneinander geschleppt werden. Ein mit der Rotordrehzahl umlaufender Ring 1, an dem die Hebel 2 und 3 mittels Gelenken 2a und 3a gelagert sind, schleppt die Taumelscheibenkörper 4 und 5. Die Taumelscheibenkörper 4 und 5 sind koaxial mit dem nicht drehenden Taumelscheibenkörper 6 zur Rotordrehachse 9 gelagert. Das Drehzentrum la des umlaufenden Ringes 1 befindet sich um die Exzentrizität e und den Blattumlaufwinkel Φ aus der Mitte der Taumelscheibenkörper, also aus der Mitte der Rotordrehachse 9

versetzt. Die Fußpunkte 7 und 8 der Blattstoßstangen 11 bzw. 12 (F i g. 2) sind mittels der Gelenke 26 und 36 der Hebel 2 und 3 mit den Taumelscheibenkörpern 4 und 5 ebenfalls gelenkig verbunden. Durch Pfeile ist einmal die Drehrichtung der rotierenden Teiie und weiterhin die Flugrichtung angegeben. Mit R ist der Radius des umlaufenden Ringes 1 und mit r der mittlere theoretische Radius der Taumelscheibenkörper 4,5 und 6 bezeichnet Durch einfache konstruktive MaLnehmei! werden bei der Ausführungsform der Taumelscheibenkörper dis Fußpunkte 7 und 8 der Blattstoßstangen 11 bzw. 12 sowie die Gelenke 26 und 36 der Hebel 2 und 3 auf dem theoretischen Radius t geführt. Dies wurde der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht gezeigt.

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 36 mit und versetzen diese in eine ungleichmäßige Drehbewegung. Diese ungleichförmige Drehbewegung wird durch die exzentrische Lage des äußeren Ringes 1 hergestellt. Dabei wird in Richtung der Exzentrizität 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. Der der Exzentrizität gegenüberliegende Bereich ist in seiner Wirkungsweise umgekehrt, d. h. der jeweilige Taumelscheibenkörper 4 oder 5 wird beschleunigt. Der Mittelwert von Beschleunigung und Verzögerungsgeschwindigkeit entspricht genau der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Die Beschleunigung bzw. Verzögerung der Taumelscheibenkörper 4 und 5 ist abhängig von der Exzentrizität e. Bei einer Exzentrizität von e = 0 ist ein vollständiger Gleichlauf aller drehenden Teile vorhanden. Außer der Exzentrizität selbst wird die Richtung der Exzentrizität e durch den Winkel Ψ verstellt. Diese Winkelverstellung ergibt die Möglichkeit, den Blattsteuerwinkel entsprechend den aerodynamischen Verhältnissen von auf- und ablaufendem Rotorblatt anzupassen. Im vorliegenden Beispiel in Fig. 1 befindet sich der Hebel 2 am Ende des Verzögerungsbereiches. Das bedeutet, daß der Fußpunkt 7 der Blattstoßstange 11 um den Blattumlßufwinkel Ψ gegenüber dem Fußpunkt 8 der gegenüberliegenden Blattstoßstange 12 versetzt ist. Diese unabhängige Verstellung der Fußpunkte 7 und 8 der Blattstoßstangen ergibt den gewünschten Verzerreinfluß.

Die Darstellung der Fig. la zeigt veigleichend den Verlauf des Blattsteuerwinkels in Diagrammform, zwischen rein sinusförmiger und verzerrter sinusförmiger Verstellung der Rotorblätter, auf eine Rotorumdrehung bezogen. Die in gestichelter 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.

In F i g. 2 ist ein Schnitt durch die Blattsteuereinrichtung gezeigt. Durch einen Pfeil ist die Drehrichtung der Rotorachse 9 dargestellt, an der sich in vereinfachter Form ausgeführte Rotorblätter 17 befinden. Die Rotordrehachse 9 treibt über ein Mitnehmergestänge 13 den Ring 1 synchron zur Rotordrehzahl an. Der Hebel 2 ist mittels dem Gelenk 2a am Ring 1 befestigt und schleppt den Taumelscheibenkörper 4, der mit dem Gelenk 26 am Hebel 2 angelenkt ist, in Rotordreh richtung. Die B'attstoßstange 11 ist mit ihrem Fußpunkt 7 ebenfalls an dem Gelenk 26 an dem Taumelscheibenkörper 4 befestigt In gleicher Weise ist der Hebel 3, der in der F i g. 2 in strichpunktierter Linie dargestellt ist, am Ring 1 angelenkt und schleppt den Taumelscheibenkörper 5, auf dem gleichfalls die Blattstoßstange 12 mit ihrem Fußpunkt 8 angreift, in Richtung der Rotordrehachse. Die beweglichen Taunielscheibenkörper 4 und 5 sind unabhängig voneinander drehbar gelagert. Der nichtdrehende Taumelscheibenkörper 6 ist wie bei Taumelscheiben in üblicher Weise auf einem Gelenkkörper 15 geführt, der wiederum auf der Taumelscheibenführung 16 in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Der Ring 1 ist drehbar in einem feststehenden, d. h. nicht drehenden Führungsring 14 gelagert und wird durch die Anienkpunkte 14a und 146 in eine bestimmte Lage zur Rotordrehachse fixiert, wobei die zyklische bzw. kollektive Bewegungen der Taumelscheibe aber mit .lusgeführi werden. Die konstruktive Ausbildung für das synchrone Mitbewegen in zyklischer und kollektiver Bewegungsrichtung des Ringes 1 sowie des Führungsringes 14 werden Übersichtlichkeitshalber nicht gezeigt. Die Mitte la des Ringe: 1 ist um die Exzentrizität e und den Winkel Ψ gegenüber der Rotordrehachse verschoben. Der Winkel Ψ ist in der Fig. 2 nicht darstellbar, gleichfalls ist die Exzentrizität e nicht in warer Größe gezeigt.

Der funktionelle Ablauf der geschleppten Taumelscheibenkörper 4 und 5 entspricht dem in F i g. 1 beschriebenen. Die voneinander unabhängige Verstellung der Fußpunkte 7 und 8 der Blattstoßstangen 11 und 12 auf ihrem Drehumfang verzerren den reinen sinusförmigen Verlauf der Blattsteuerwinkel derart, daß sie den tatsächlich herrschenden aerodynamischen Verhältnissen an den Rotorblättern sehr nahe kommt, was sich vor allem im schnellen Horizontalflug aus den bekannten Gründen sehr vorteilhaft auswirkt.

Fig. 3 zeigt eine kontinuierlich verstellbare Blattsteuereinrichtung, bei der sowohl die Exzentrizität e als auch der Winkel Ψ entsprechend den Betriebsbedingungen einstellbar ist. Zu der eigentlichen funktioneilen Anordnung gemäß Fig. 1 kommt eine Verstelleinrichtung hinzu, mittels der der äußere Ring 1 zur Rotordrehachse 9 und zu den dazu koaxial angeordneten Taumelscheibenkörpern 4,5 und 6 verstellbar ist. Zu diesem Zweck werden zwei Verstelleinrichtungen 18 und 21 verwendet. Die Verstelleinrichtung 18 greift über einen Hebel 19 an den Anlenkpunkt 146 an, während die Verstelleinrichtung 21 über eine Doppelhebelanordnung mit dem Hebel 23 und 22 an dem Anlenkpunkt 14a angreift. Die Anienkpunkte 14a und 146 befinden sich im Führungsring des umlaufenden Ringes 1, wie aus F i g. 2 /u ersehen ist. Als weiteres zeigt die F i g. 3 die Hebel 2 und 3, die die Taumelscheibenkörpei 4,5 schleppen, die Fußpunkte 7 und 8 der Blattstoßstangen, sowie den feststehenden Taumelscheibenkörper 6 entsprechend der F i g. 1. In strichpunktierter Linie ist die Blattsteuereinrichtung mit der Exzentrizität »Null« dargestellt. In dieser Stellung arbeitet die Blattsteuereinrichtung entsprechend einer konventionellen Taumelscheibe, ohne sinusförmige Verzerrung der Blattsteuerwinkel. Das Verstellen des Ringes 1 erfolgt in Richtung der Exzentrizität e durch die Verstelleinrichtung 18 und die Verstellung in Richtung des Blattumlaufwinkels Ψ durch die Verstelleinrichtung 21. Dadurch ergibt sich eine im Koordinatensystem übliche Verstellung der Mitte la des Ringes I₁ in stufenloser Weise. Diese stufenlose

Verstellung erlaubt eine laufende Anpassung der Blattsteuereinrichtung an die jeweiligen Flugzustände durch den Piloten. Eine weitere Möglichkeit bedeutet das automatische Verstellen der Blattsteuereinrichtung in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen, wie Staudruck, Rotordrehzahl usw., um dem Piloten diese zusätzlichen Bedienungsaufgaben zu ersparen. Mit dieser Blattsteuereinrichtung wird eine Geschwindigkeitssteigerung im Horizontalflug erreicht und gleichzeitig der Flugkomfort wesentlich verbessert. Außerdem werden die Belastungen der Rotor- und Zellenstruktur sowie Rückkoppeleffekte im hohen Maße günstig beeinflußt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Blattsteuereinrichtung für Hubschrauberrotoren, mit der die sinuskurvenförmige Blattwinkelverstellung verzerrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunkte (7,8) der Blattstoßstangen (11, 12) auf ihrer Kreisbahn unabhängig voneinander verstellt sind, wobei sie jeweiis mit dem einen Ende einer Schleppstange (2 bzw. 3) gelenkig verbunden sind, deren anderes Ende am Umfang eines mit der Rotordrehzahl synchron umlaufenden Rings (1) gelenkig anschließt welcher zur Kreisbahn der Blattstoßstangen (11,12) exzentrisch verstellbar ist

2. Blattsteuci'einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Verstellung des schleppenden Ringes (1) durch zwei Hebelgetriebe (18, 21) erfolgt, die in Abhängigkeit der Betriebsgrößen, wie Fluggeschwindigkeit. Rotordrehzahl, entweder manuell oder automatisch ansteuerbar sind.

3. Blattsteuereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunkte (7, 8) der Blattstoßstangen (11, 12) jeweils mit einem eigenen drehbar gelagerten, geschleppten Taumelscheibenkörper (4,5) verbunden sind.