DE2635241A1

DE2635241A1 - Rotorblatt fuer hubschrauberrotoren

Info

Publication number: DE2635241A1
Application number: DE19762635241
Authority: DE
Inventors: Arnold John Sobey
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1976-08-05
Publication date: 1977-03-03
Also published as: US4077740A; FR2320231B1; FR2320231A1; GB1526433A

Description

Dipl. ing. E. HOLZEB

Bi₁SER-STBAeSX 1« 8900 AUOSBUKO

TELEFON 5tβ* 15 TELEX 6332OS patol d

a. 587

Augsburg, den 3. August 1976

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, S.W.I., England

Rotorblatt für Hubschrauberrotoren

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Hubschrauberrotoren, welches mindestens teilweise aus einem Kompositwerkstoff hergestellt ist, der aus einem Matrixmaterial und darin eingebetteten, im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufenden Fasern besteht.

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Im allgemeinen war die Entwicklung von Hubschrauberrotorblättern während der Entwicklungsgeschichte der Hubschrauber sehr konservativ. Die Rotorblätter vieler verschiedener Hubschrauber weisen nahezu identische Formen auf und sind aus ähnlichen Werkstoffen hergestellt, und die Profilformen sind von nur sehr wenigen Standardformen abgeleitet. In neuerer Zeit hat sich jedoch aufgrund des wachsenden Bedarfs an schnellen Hubschraubern für militärische Zwecke und an komfortableren Hubschraubern für den zivilen Verkehr eine beträchtliche Aktivität bei der Untersuchung verschiedener Profile, abgewandelter Umrißformen und verschiedener Werkstoffe entwickelt. Zu den Interesse findenden Werkstoffen gehören die als Kompositwerkstoffe bekannten Werkstoffe, die aus einem Matrixmaterial und einer Vielzahl von darin eingebetteten Fasern bestehen. Seine Festigkeit erhält ein aus einem solchen Kompositwerkstoff hergestelltes Rotorblatt von den in Spannweitenrichtung verlaufenden Fasern. Das Matrixmaterial dient hingegen hauptsächlich als Bindemittel. Die Verwendung von Kompositwerkstoffen vereinfacht die mit der Herateilung komplexer Profile und Umrißformen verbundenen Schwierigkeiten.

Einer der Hauptnachteile von Hubschraubern ist der in der gesamten Konstruktion auftretende hohe Schwingungspegel, zu welchem hauptsächlich die Rotorblätter mit ihren großen

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Seitenverhältnissen beitragen. Ein Rotorblatt neigt in dreifacher Hinsicht zum Schwingen, nämlich zu Schlagschwingungen in der zur Bewegungsrichtung des Blattes senkrechten Ebene, weiter zu Schwenkschwingungen in der Blattdrehebene, und zu Torsionsschwingungen um die Blattachse herum. Die wesentlichsten dieser Schwingungen sind die SchlagschwingungB und die Schwenkschwingungen.

Es ist bekannt, daß die Rotorblätter beim Vorwärtsflug eine Schlagschwingung mit einer Frequenz von einer Schwingung pro BlattUmdrehung ausführen. Aus diesem Grunde sind die Rotorblätter so ausgebildet, daß ihre Biegeresonanzfrequenz geringfügig größer als die Konstruktionsdrehzahl der Blätter ist„ Die starke aerodynamische Dämpfung verhindert zu große Schlagschwingungsamplituden bei der Blattdrehzahl.

Nachdem die aerodynamischen Charakteristiken eines Rotorblattes und folglich die Blattform und die Biegeresonanzfrequenz festgelegt worden sind, sind die beim gegenwärtigen Stand der Technik verfügbaren Möglichkeiten zur Beeinflussung der anderen Blattcharakteristiken begrenzt« Es ist jedoch wesentlich, daß die Biegeresonanzfrequenz nicht in der Nähe von Harmonischen der Blattdrehzahl liegt« Weiter ist es wichtig, daß die Resonanzfrequenz bezüglich der Schwenk-

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schwingungen nicht in der Nähe der Blattdrehzahl liegt. Bä. den meisten bekannten Rotorblattkonstruktionen müssen die Massenverteilung, mechanische Dämpfer oder beide Maßnahmen angewendet werden, um annehmbar hohe Biegeresonanzfrequenzen und Schwenkresonanzfrequenzen zu erhalten.

Ein weiteres Problem liegt darin, daß für Schwingungen in der Blattdrehebene keine oder nur eine geringe aerodynamische Dämpfung vorhanden ist. Bei manchen Blattkonstruktionen bewirkt der Blattanschluß an der Rotornabe nur wenig oder überhaupt keine Dämpfung, so daß mechanische Dämpfer in die Verbindung zwischen dem Blatt und der Nabe eingebaut werden müssen, um Schwenkschwingungen zu dämpfen.

Bekannte Blattkonstruktionen für Hubschrauberrotoren benützen also die Massenverteilung und mechanische Dämpfer zur Schwingungsdämpfung, was jedoch sowohl hinsichtlich Gewicht als auch hinsichtlich Komplexität nicht wünschenswert ist. Trotz dieser Dämpfungsmaßnahmen muß jedoch in Kauf genommen werden, daß während der Beschleunigung und der Verzögerung der Rotorblätter beim Anfahren und Abstellen des Triebwerks gewisse Resonanzphasen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein as einem Kompositwerkstoff bestehendes Rotorblatt der eingangs

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dargelegten Art so zu verbessern, daß die eben erörterten Schwingungsprobleme verringert oder sogar beseitigt werden,

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Rotorblatt gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Blattquerschnitt im Spannweitenverlauf ein beträchtlicner "Teil der Pasern zu einer in Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene hin verläuft.

Die genannte biegeneutrale Ebene kann die bezüglich Schlagbiegungen oder die bezüglich Schwenkbiegungen neutrale Ebene sein.

Der genannte Blattquerschnitt kann in Blattsehnenrichtung oder unter einem Winkel zur Sehne verlaufen oder kann ein Rotationsflächenabschnitt sein.

Es können einige oder sämtliche Fasern einwärts gerichtet sein und auf der oder nahe der neutralen Ebene verlaufen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstenend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Hubschrauber

rotorblatt mit der Rotornabe,

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Pig. 2 eine geschnittene perspektivische

Ansicht des Rotorblattes,

Fig. 3 einen Längsschnitt entlang der

Linie III-III in Fig. 2,

Fig„ 4 eine graphische Darstellung der

Steifigkeit des Blattes über der Spannweite, und

die Fig. 5 und 6 Diagramme, welche die Blattresonanz

frequenzen über der Blattdrehzahl zeigen.

Ein in Fig. 1 dargestelltes, mit einer Nabe 11 verbundenes Hubschrauberrotorblatt 10 ist aus einem Matrixmaterial und einer Vielzahl von darin eingebetteten Fasern hergestellt, die bei 12 angedeutet sind und in Spannweitenrichtung des Blattes verlaufen. Den Hauptbeitrag zur Festigkeit des Blattes 10 liefern die am weitesten von der in Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene 13 (Fig. 2) entfernt liegenden Fasern, d.h. die in den mit 14 und 15 bezeichneten Blattbereichen gelegenen Fasern. Gemäß der Erfindung sind die Fasern 12 im Verlauf der Spannweite bei mit 16, 17 und 18 (Figo 1 und 3) bezeichneten BIattquerachnitten in der in Fig. 3 gezeigten Weise vom Matrix-

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material der Blattbereiche 15 und 16 weg nach innen gerichtet, so daß sie auf oder nahe der in Spannweitenrichtung verlaufenden, bezüglich Schlagbiegungen neutralen Ebene 13 liegen. Die dadurch erhaltene Wirkung ist, wie Fig. 4 zeigt, eine Verringerung der Blattsteifigkeit an den Blattquerschnitten 16, 17 und 18 ohne Verringerung der Zugfestigkeit des Blattes.

Das Ausmaß der Steifigkeitsverringerung ist durch Änderung der Anzahl der einwärts verlaufenden Pasern 12 oder durch Veränderung der Größe des Einwärtsverlaufes der Fasern 12 ve rän de r Ii ch ·

Analoge Auswirkungen sind offensichtlich auch in der Blattdrehebene erhältlich, in dem die Fasern 12 von der Blattvorderkante und der Blatthinterkante (20 bzw_a 21 in Fig. 2) aus zu der in Spannweitenrichtung verlaufenden, bezüglich Schwenkbiegungen neutralen Ebene hin verlaufen, welche in Fig. 2 durch die Linie 22 angedeutet ist.

Für den Fachmann ist es leicht ersichtlich, wie diese Konstruktionsweise zur Erzielung annehmbarer Resonanzfrequenzen des Blattes 10 ausgenützt werden kann. Weitere Ausnützungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Konstruktion werden nachstehend erläutert.

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Die Resonanzfrequenzen des Rotorblattes 10 hängen von der Steifigkeit des Blattes und von den darauf wirkenden Fliehkräften ab. Dies ist in Figo 5 gezeigt, wo die erste und zweite Schwenkresonanzfrequenz WLl und WL2 über der Drehzahl<T2 aufgetragen sind. Die Resonanzfrequenzen WLl und WL2 dürfen bei der KonstruktionsrotordrehzahlΛ . nicht in der Nähe der Rotordrehzahl oder von Harmonischen der Rotordrehzahl liegen, wie in Fig. 5 bei 23 und 24 angedeutet ist»

Beim Anlauf aus dem Stillstand oder beim Auslauf muß das Rotorblatt 10 jedoch Resonanzfrequenzen durchlaufen, wie in Fig. 5 bei 25 und 26 dargestellt ist_o Indem man die Fasern 12 einwärts zur oder in die Nähe der bezüglich Schwenkbiegungen neutralen Ebene 22 verlaufen läßt, um die elastische Steifigkeit des Blattes praktisch Null werden zu lassen, können die Resonanzfrequenzen ausschließlich von der auf das Blatt 10 wirkenden Fliehkraft abhängig gemacht werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Auf diese Weise können die Rotordrehzahl und ihre Harmonischen von den Resonanzfrequenzen getrennt werden und Resonanzphasen während des Rotoranlaufs oder des Rotorauslaufs können vermieden werden.

Wenn man den Querschnitt, längs dessen die Fasern 12 einwärts verlaufen, unter einem Winkel zur Sehne des Blattes legt, wie in Fig. 1 bei 18 oder 16 gezeigt ist, ergibt sicn

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aus einer Schlagschwingung eine Sciiwenkscnwingungskomponente. In gleicher Weise ergibt eine Schwenkschwingung eine Schlagschwingungskomponente. Da die Schlagscnwingung aerodynamisch gedämpft wird, ergibt sich daraus die wöglichKeit der aerodynamischen Dämpfung von Schwenkschwingungen, so daß die bisher erforderlichen mechanischen Dämpfungsmittel weggelassen oder verringert werden können.

Die Erfindung ist in Verbindung mit jeder Faserart anwendbar, beispielsweise mit Kohlefasern oder Glasfasern.

Es braucht nicht das gesamte Blatt aus dem Kompositwerkstoff zu bestehen, sondern es reicht aus, wenn in Spannweitenrichtung ein beträchtlicher Teil des Blattes als Kompositkonstruktion ausgebildet ist. Die Blattwurzel und die Blattspitze können beispielsweise als Metallkonstruktion ausgebildet sein. Außerdem kann die Blattvorderkante aus Metall hergestellt sein, um den Verschleiß durch Berührung mit Fremdkörpern wie beispielsweise Sand oder Staub zu verringern, wobei diese Metallvorderkante zur Blattsteifigkeit beitragen oder auch nicht beitragen kann.

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Claims

Patentansprüche

..!Rotorblatt für Hubschrauberrotoren, welches mindestens teilweise aus einem Kompositwerkstoff hergestellt ist, der aus einem Matrixmaterial und darin eingebetteten, im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufenden Pasern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Blattquerschnitt (16, 17, 18) im Spannweitenverlauf ein beträchtlicher Teil der Pasern (12) zu einer in Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene (13; 22) hin verläuft.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil der Pasern (12) zur bezüglich Schlagbiegungen neutralen Ebene (13) hin verläuft.
3o Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil oder ein Teil der Pasern (12) zu der bezüglich Schwenkbiegungen neutralen Ebene (22) hin verläuft.
4, Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt in Blattsehnenrichtung verläuft.

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5. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt unter einem Winkel zur Blattsehnenrichtung verläuft,
6. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis J dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt durch eine, einen Rotationsflächenabschnitt darstellende Schnittfläche gebildet ist.
7. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Kompositwerkstoffes Kohlefasern sind.
8. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern des Kompositwerkstoffes Glasfasern sind.

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