DE2452535B2

DE2452535B2 - Rotorkopf für Drehflügelflugzeuge mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Rotorblättern

Info

Publication number: DE2452535B2
Application number: DE2452535A
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Bala Cynwyd Pa. Baskin (V.St.A.)
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1973-11-15
Filing date: 1974-11-06
Publication date: 1980-02-28
Also published as: GB1476462A; US3874815A; CA995199A; JPS5082797A; DE2452535C3; DE2452535A1; FR2251474A1; IT1023238B

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotorkopf für Drehflügelflugzeuge mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Rotorblättern, die miteinander verbunden sind und im Bereich der Verbindung an zwei in der Rotorebene im Abstand voneinander befindlichen Stellen an der Rotornabe gelagert sind.

Ein solcher Rotorkopf ist aus der britischen Patentschrift 12 05 757 bekannt. Dabei ist aber die Verbindung zwischen den mindestens zwei gegenüberliegenden Rotorblättern nicht einteilig ausgeführt, denn die Rotorblätter sind mit Anschlußelementen an Universallagern angeordnet, zwischen welchen bezüglich einander gegenüberliegender Rotorblätter voneinander mit Abstand angeordnete flexible Streifen angeordnet sind. Eines der Universallager ist darüber hinaus auch noch in Längsachse der Rotorblätter verlagerbar. Hierdurch entsteht eine Torsionsbeanspruchungen im mittleren Bereich ausgesetzte Verbindung.

Die in dieser Verbindung angeordneten flexiblen Streifen müssen besonders an den Universallagern befestigt werden. Sie sind im übrigen erheblicher Beanspruchung ausgesetzt, weil die Universallager die Verwindungsmomente durchleiten. Die Anwendung von besonderen Universalgelenken erhöht im übrigen den baulichen Aufwand und damit auch das Gewicht der Rotornabe.

Aus der US-PS 28 45 131 ist bekannt, eine durchgehende Verbindung zwischen zwei Rotorblättern vorzusehen. Diese Verbindung besteht aber in der bekannten Ausführung aus Blattfederschichtungen oder Kabeln, die in der Nabe durchgehend eingeklemmt sind. Dadurch sind innerhalb der Nabe keine Anpassungen an Belastungen möglich, so daß eine erhebliche Beanspruchung auftritt, wobei insbesondere Scherkräfte ^n den Enden der Einspannungen und hohe Biegemomente auftreten, selbst wenn die Eintrittsöffnungen aufgeweitet sind. Die an dieser Stelle auftretenden Wechselbelastungen sind besonders nachhaltig.

Aus der US-PS 36 69 566 ist die Befestigung von Rotorblättern durch in Kunststoff eingebettete Glasfasern bekannt, wobei es sich hier um in Verlängerung der Rotorblätter angeordnete Teile handelt, die nur zur Lagerung an der Nabe dienen.

Rotorköpfe für Drehflügelflugzeuge mit Rotorblättern werden vorzugsweise drehlager- und drehzapfenfrei ausgelegt, da solche Anordnungen sonst einen erhöhten Wartungsbedarf erfordern und potentielle Gefahrenquellen für die Betriebssicherheit darstellen.

Die gelenkfreien Rotorblattbefestigungen bekannter Ausführungen unterliegen hohen Biegemomenten an der Nabe, so daß starke Schwingungen auftreten können. Kardanisch gelagerte oder angelenkte Rotorblätter benötigen in bekannten Ausführungen aber Drehzapfen oder Lager bzw. die erwähnten biegsamen Verbindungsstücke mit dem Nachteil einer möglichen Verwindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotorkopf der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die Beanspruchung der Verbindung zweier einander gegenüberliegend angeordneter Rotorblätter herabgesetzt wird und somit eine leichtere Ausführung der Rotornabe bei guten Festigkeitseigenschaften erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Blattverbindungselement biegsam und einstükkig ausgebildet und an den beiden Lagerstellen der Rotornabe derart eingespannt ist, daß es im Bereich zwischen den beiden Lagerstellen in einer die Rotorachse enthaltenden Ebene Biegebewegungen ausführen kann. Hierdurch ist es möglich, den Teil des Blattverbindungselementes zwischen den Lagerstellen von Verwindüngsmomenien freizuhalten. Dadurch können auch die Befestigungselemente kontrolliert und eine optimale Ausrichtung der Nabe erreicht werden. Biegebewegungen des Blattverbindungselementes sind zwischen den Lagerstellen möglich. Daher entspricht der Rotorblatt-Wurzelbereich mit dem Blattverbindungselement einem mit einer Feder gekoppelten Gelenk.

Es wird bevorzugt, daß für die Einspannung des Blattverbindungselementes zusammenspannbare elastomere Auflagerkissen vorgesehen sind. Hierdurch

wird eine Aufnahmefähigkeit von Drehbewegungen der Rotorblätter an den Einspannpunkten erreicht, wobei zugleich durch die Auflagerkissen eine Sperre gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Feuchtigkeit hergestellt wird, so daß die Rotornabe vor Beschädigungen geschützt bleibt

Gemäß einer einfachen, vorteilhaften Ausführungsform sind eine obere und eine untere Nabenplatte vorgesehen, die an mit Abstand voneinander angeordneten Rändern vortretende Flansche aufweisen, an denen die Auflagerkissen angeordnet sind, wobei das Verbindungselement zwischen diesen Flanschen querschnittsverringert ausgeführt ist Dadurch wird eine besonders günstige Festlegung erreicht.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind zur Einspannung des Blattverbindungselementes langgestreckte Befestigungselemente vorgesehen, die sich quer zur Längsachse der Rotorblätter erstrecken und um ihre Längsachse eine Torsionsbiegefähigkeit aufv eisen, die Verwindungen der Befestigungselemente und Verdrehungen des Verbindungselemente um die jeweilige Längsachse der Befestigungselemente zulassen Auch dadurch ergibt sich eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Ausführungen. Zweckmäßig sind dabei die langgestreckten Befestigungselemente aus in Epoxiharz eingebetteten Glasfasern hergestellt Einbezogen wird vorteilhaft, daß die langgestreckten Befestigungselemente aus Streifen, die im Querschnitt zu einem X-förmigen Profil zusammengesetzt sind, und einer die Hohlräume des X-förmigen Profils an den Enden und im Verbindungsbereich mit dem biegsamen Verbindungsstück ausfüllenden Epoxiharzmasse bestehen. Dadurch ergeben sich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Rotorkopfausführung und Lagerung von Blattverbindungselementen günstige Wirkungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand vcn Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen

Fig. IA, IB und IC schematisch einen Biegemomentenverlauf in einem biegsamen Blattverbindungselement, welches Rotorblätter eines Drehflügelflugzeuges miteinander verbindet, und zwar entsprechend bekannten Ausführungen und entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung zu deren Erläuterung,

Fig.2 eine Ausführung, in welcher ein zur Verbindung der Rotorblätter dienendes Blattverbindungselement in elastomeren Auflagerkissen zwischen mit Abstand zueinander angeordneten Einspanngliedern befestigt ist,

F i g. 3A und 3B Darstellungen eines Durchbiegungsverlaufes und eines Biegemomentenverlaufs an einem Blattverbindungselement für zwei unterschiedliche Biegezustände,

Fig.4 eine perspektivische Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform, in der das die Rotorblätter miteinander verbindende Blattverbindungselement zwi-chen zwei einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisenden Befestigungselementen durchgeführt ist,

Fig.5A und 5B Stirnansichten entsprechend den Pfeilen V-Vin Fig,4 zur Erläuterung des Aufbaues der in der Ausführung nach Fig.4 verwendeten Befestigungselemente,

F ί g. 6 eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsfoi ·~\

Fig. IA zeigt ein biegsames Blattverbindungselement 10, das an seinem rechten Ende zur Befestigung eines hier nicht dargestellten Rotorblattes beispielsweise eines Hubschrauberrotors dient. Das entgegengesetzte Ende des Blattverbindungselements 10 ist zwischen zwei Nabenplatten !2 und 14 zwischengelegt, weiche ihrerseits an dem Rotorkopf eines Hubschraubers oder eines Drehflügel-Fiugzeugs anderer Ausführung befestigt sind. Das Blattverbindungselement 10 trägt an seinem anderen Ende auf der anderen Seite der Nabenplatten 12 und 14 ein hier nicht dargestelltes zweites Rotorblatt. Die mit dem Bezugszeichen 16 in Fig. IA bezeichnete Kurve stellt den Verlauf des tatsächlichen oder effektiven Biegemomentes in Abhängigkeit von dem Abstand von Punkt A dar. Die Gerade i8 ist das Höchstbiegemoment M₀, und die Gerade 20 zeigt das zulässige Biegemoment unter Berücksichtigung der Einflüsse statischer Belastungen, wie z. B. statischer Durchbiegung und statischer Verwindung, sowie aufgrund von Zentrifugalkräften. Dazu ist zu bemerken, daß das zulässige Biegemoment sehr leicht überschritten wird, insbesondere im Verbindungsbereich zwischen Blattverbindungselement und Nabenplatten.

Fig. IB zeigt eine gegenüber Fig. JA abgewandelte Anordnung, bei welcher das Blattverbindungselement 10 eine bestimmte Profilgebung aufweist, indem seine Dicke im Bereich der Nabenplatten 12 und 14 vergrößert und ein sich daran anschließender Verjüngungsbereich 22 vorgesehen ist. Die Kurve 16 zeigt wiederum das effektive Biegemoment, und die Geraden 18 und 20 das Höchstbiegemoment bzw. das zulässige Biegemoment Aufgrund der erhöhten Steifigkeit im Verjüngungsbereich 22 wird das Biegemoment außerhalb des Verjüngungsbereiches 22 höher. Der resultierende Biegemomentenverlauf überschreitet folglich stets das zulässige Biegemoment

F i g. IC zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, bei welcher das Blattverbindungselement 10 am Rand der Nabenplatten 12 und 14 eingespannt ist und auf beiden Seiten des Einspannpunktes zwischen den Nabenplatten 12 und 14 Verjüngungsabschnitte aufweist. In diesem Falle liegt die Kurve des zulässigen Biegemomentes 20 stets über der Kurve des effektiven Biegemomentes 16.

F i g. 2 veranschaulicht den Fall eines einfachen, aus zwei Rotorblättern bestehenden Rotorsystems, bei dem die Nabe aus einer oberen und einer unteren Nabenplatte 12 bzw. 14 besteht, wobei die untere Nabenplatte 14 mit der Rotorantriebsweüs 24 verbunden ist Die Nabenplatten 12 und 14 stellen hier die Befestigungselemente dar und weisen au'r sich gegenübcrliegenden Seiten erhabene Flanschabschnitte 26 auf, zwischen denen das Blattverbindungselement 10 eingespannt ist. Zwischen den erhabenen Flanschabschnitten 26 ist ein mittiger Aussparungs- oder Hinterschneidungsbereich 27 ausgebildet. Das Blattverbindungselement 10 weist an den Einspannpunkten zwischen den Flanschabschnitten 26 vorzugsweise querschnittsverstärkte Abschnitte 28 auf. Außerdem sind vorzugsweise elastomere Auflagerkissen 30 zwischen den Flanschabschnitten 26 und den querschnittsverstärkten Abschnitten 28 vorgesehen. Ausleger 32 an der unteren Nabenplatte 14 tragen elastomere Auflagerkissen 34, welche die Aufgabe haben, ein übermäßiges Durchhängen der Rotorblätter 36 zu verhindern, welche an den sich entgegengesetzten Enden des aus einem Stück bestehenden Blattverbindungselements 10 befestigt sind. -.,

Die Profilgebung des Blattverbindungselements 10 im Bereich zwischen den Flanschabschnitten 26 bzw. den

elastomeren Auflagerkissen 30 wird bestimmt durch die erforderliche Biegsamkeit, bei welcher sich der Biegemomentenverlauf im gerade außerhalb der Auflagerkissen befindlichen Bereich auf die gewünschten Höchstwerte begrenzen läßt. Die effektive Federkonstante im Bereich der Auflagerkissen, welche auf die Bewegbarkeit des Blattverbindungselements zwischen den Auflagerkissen zurückzuführen ist, ist abhängig von der ins Auge gefaßten harmonischen Belastung. Die erste harmonische Belastung, bei der ein Rotorblatt nach unten und das andere Rotorblatt nach oben abgebogen ■;ist, führt, wie F i g. 3A zeigt, zu einem unsymmetrischen ','■Ansprechverhalten. Die zweite harmonische Belastung, ibei welcher beide Rotorblätter in gleicher Richtung abgebogen sind, führt zu dem in Fig.3B dargestellten symmetrischen Ansprechverhalten.
: in Fig.3A veranschaulicht die obere Kurve die purchbiegungsform, und die untere Kurve den Biegemomentenverlauf. Das Höchstbiegemoment M₀ tritt an den Stellen A zwischen den Auflagerkissen 30, d.h. zwischen den Flanschabschnitten 26 auf und nimmt in der Mitte zwischen den Auflagerkissen auf den Wert null ab. Die Durchbiegungsform ist dagegen unsymmetrisch in bezug auf den Mittelpunkt. Wenn nun beide Rotorblätter in gleicher Richtung abgebogen sind, ist die Durchbiegungsform symmetrisch zum Mittelpunkt, wohingegen der Biegemomentenverlauf zv/ischen den Auflagerkissen oder den Flanschabschnitten konstant ist. Da die vorherrschende harmonische Belastung der in Fig.3A dargestellten entspricht, ist die wechselnde Biegemomentenbeanspruchung im Bereich der Auflagerkissen 30 durch die erste harmonische Belastung vorgegeben, auch wenn die zweite harmonische Belastung die wechselnden Biegemomente am oder im Bereich des Drehmittelpunktes vorgibt.

Die dem Blattverbindungselement eigene Biegsamkeit gestattet, daß dieses unter Bodenwindbedingungen große Durchbiegungen ausführen kann. Daher sind die als Rotorblattdurchbiege- oder Rotorblattdurchhängeanschläge dienenden elastomeren Auflagerkissen 34 in die untere Nabenplatte 14 eingebaut, damit die Durchbiegungen des Blattverbindungselements für die Rotorblätter unter Bodenwindbedingungen begrenzt bleiben und ein Anschlagen der Rotorblätter im kritischen Drehzahifaereicn beim Ansieiien oder Abschalten des Rotorkopfes an das Leitwerk oder den Rumpf des Flugzeuges verhindert wird.

Da das die beiden Rotorblätter 36 miteinander verbindende, aus einem Stück bestehende biegsame Blattverbindungselement vermittels einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisender Einspannanordnungen gelagert ist, gestattet eine Durchbiegung des Blattverbindungseiements im Bereich zwischen den im Abstand voneinander angeordneten Einspannanordnungen höhere Rotorblattbelastungen ohne Überschreitung des zulässigen Biegemoments im BJattverbindungselement außerhalb der Nabe.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig,4, 5A und 5B dargestellt. Bei dieser Aüsführungsform erstreckt sich das biegsame BlattVerbindungselement 10 zwischen zwei die Befestigungselemente 40 und 42 bildenden Torsions- und Biegeelementen, die gegebenenfalls an ihren Enden durch Stäbe 44 miteinander verbunden sind, wenn aufgrund der Anforderungen an das dynamische Ansprechverhalten eine zusätzliche endseitige Steifigkeit erforderlich ist. Wie am besten aus F i g. 5A ersichtlich, besteht jedes Torsions- und Biegeelement aus mit kreuzgewebter Glasfaser verstärktem Kunststoff mit Kreuzungswinkel von ±15° zur Erzielung hoher Biegefestigkeit und niedriger Torsionssteifigkeit Die Streifen 46 sind zu einem im Querschnitt X-förmigen Gebilde miteinander verbunden. Der mittige Bereich des »X« ist mit einer

ίο Auflage 41 unter ±45° verstärkt, um Scherkräften widerstehen zu können. Diese Teile im mittleren Bereich der Befestigungselemente 40 oder 42, die die Verbindung mit dem Blattverbindungselement 10 und vermittels der Verbindungszapfen 42 mit der Rotornabe herstellen, sind mit epoxiharzgebundenen Faserschnitzeln 48 ausgefüllt und bilden die erforderlichen Scherkraft- oder Lagerverbindungen. Das Blattverbindungselement 10 selbst ist durch Schlitzausnehmungen 50 in den Befestigungselementen 40 und 42 durchgeführt. Die Verbindungszapfen 52 sind in der Epoxifüllung an beiden Enden der Befestigungselemente 40, 42 eingebettet und dienen zur Verbindung derselben mit den Nabenplatten.

Wenn das Blattverbindungselement 10 entsprechend F i g. 5B Biegebelastungen von seiten der Rotorblätter unterworfen ist, gestatten die Befestigungselemente 40, 42 ein Verdrehen des Blattverbindungselements um die Längsachse des Befestigungselements. Der durch das andere Befestigungselement mit Torsions- und Biegeeigenschaften durchgeführte und mit dem anderen Rotorblatt verbundene Abschnitt des Blattverbindungselements 10 ist durch die am Rotorblatt angreifenden Zentrifugalkräfte belastet und wirkt als Feder um die Torsionsachse des Beiestigungselements. Somit bildet das Blattverbindungselement 10 insgesamt gesehen ein Rotorblattgelenk in Verbindung mit einer Drehfeder, wobei die Rückhaltung der Verbindungselementwurzel zwischen der für ein frei auskragendes Element und der eines einfachen Scharniers liegt und mehr den Eigenschaften des letztgenannten entspricht

Fig.6 zeigt einen vollständigen Leitwerkrotor. Ir. diesem Falle sind zwei Rotorblattpaare 36/4 und 365 vorgesehen und jeweils vermittels eines zugeordneten biegsamen Blattverbindungselements 10/4 bzw. 1OF miteinander verbunden. Für das biegsame B'aitverbindungselement tOA sind in einem gegenseitigen Abstand zwei Befestigungselemente 4OA 42/4 und für das biegsame Blattverbindungselement 1Od zwei einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisende Befe-

stigungselemente 40B, 42B vorgesehen. Zwischen den beiden Befestigungselementpaaren befindet sich eine Paßpiatte 54 und dient als gemeinsame Nabenbefestigungsplatte für die beiden Blattverbindungselemente. Die Baugruppe wird vervollständigt durch eine erste Nabenplatte 56 und eine zweite oder äußere Nabenplatte 58, welche vermittels Bolzen 60 miteinander verbunden sind, die durch entsprechende Ausnehmungen in den Elementen durchgreifen. Die innere Nabenplatte 56 ist mit einer Antriebswelle 62

verbunden. Rotorblattverstellarme 64 für die Rotorblatt ter sind durch Verstellarmgestänge 66 in bekannter Weise mit einer hier nicht dargestellten Taumelscheibenvorrichtung verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotorkopf für Drehflügelflugzeuge mit mindestens zwei einander gegenüberliegend angeordneten Rotorblättern, die miteinander verbunden sind und im Bereich der Verbindung an zwei in der Rotorebene im Abstand voneinander befindlichen Stellen an der Rotornabe gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Blattverbindungselement (10, 10a, iOb) biegsam und einstückig ausgebildet und an den beiden Lagerstellen der Rotornabe (12, 14; 40, 42, 44; 54, 56« 58) derart eingespannt ist, daß es im Bereich zwischen den beiden Lagerstellen in einer die Rotorachse enthaltenden Ebene Biegebewegungen ausführen kann.

2. Rotorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einspannung des Blattverbindungselemetites (10) zusammenspannbare elastomere Auflagerkissen (30) vorgesehen sind.

3. Rotorkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und eine untere Nabenplatte (12, 14) vorgesehen sind, die an mit Abstand voneinander angeordneten Rändern vortretende Flansche (26) aufweisen, an denen die Auflagerkissen (30) angeordnet sind, und daß das Verbindungselement (10) zwischen diesen Flanschen querschnittsverringert ausgeführt ist.

4. Rotorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspannung des Blattverbindungselementes (10) langgestreckte Befestigungselemente (40,42) vorgesehen sind, die sich quer zur Längsachse der Rotorblätter (36,36a, 36b) erstrekken und um ihre Längsachsen eine Torsionsbiegefähigkeit aufweisen, die Verwindungen der Befestigungselemente (40, 42) und Verdrehungen des Verbindungselementes (10) um die jeweilige Längsachse der Befestigungselemente zulassen.

5. Rotorkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Befestigungselemente (40/4, 425, 40ß, 42B) aus in Epoxiharz eingebetteten Glasfasern herstellt sind.

6. Rotorkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Befestigungselemente (4OA 42A 4OS, 42B) aus Streifen (46), die im Querschnitt zu einem X-förmigen Protil zusammengesetzt sind, und einer die Hohlräume des X-förmigen Profils an den Enden und im Verbindungsbereich mit dem biegsamen Verbindungsstück (1OA 10S^ ausfüllenden Epoxiharzmasse bestehen.