DE2645174C2

DE2645174C2 - Rotorkopf für einen schlag- und schwenkgelenklosen Rotor

Info

Publication number: DE2645174C2
Application number: DE2645174A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8011 Putzbrunn Derschmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-10-07
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPS5347698A; FR2366990A1; DE2645174A1; US4182597A; FR2366990B1; IT1087567B; GB1584099A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotorkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Rotorkopf ist durch die US-PS 06 575 bekannt. Diese zeigt einen dreiarmigen Rotorkopf, bei dem die Hauptverbindungselemente zwischen dem Rotorkopf und den Rotorblättern aus Lamellenträgern bestehen, welche die Längskräfte der Rotorblätter durch Zugspannungen aufnehmen. Die Lamellenstäbe sind untereinander durch Querträger so und zusätzlich durch plattenförmige Bleche verbunden, deren Ebenen sich in der Rotorbiattachse schneiden. Durch diese Anordnung haben die Rotorblattarme einen hohen Widerstand gegen Biegung und einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand gegen Torsion. Diese Ausführung des Rotorkopfes bedingt eine große Anzahl von Verbindungselemente!) zwischen dem Rotorkopf und den Rotorblättern und ist daher sehr aufwendig sowohl in der konstruktiven Ausführung als auch in der Fertigung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, für schlag- und schwenkgelenklose Rotoren die Verbindungselemente zwischen dem Rotorkopf und den Rotorblattlagerungen mit einfachsten konstruktiven Mitteln auszubilden, ohne daß auf eine gute Steuerbares keit verzichtet wird.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin-

dung enthalten die Unteransprüche 3 bis 13.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß der Rotorkopf große Schlagbiegemomente mit einfachen konstruktiven Mit-•eln aufnehmen kann. Dadurch ist es möglich, eine gute Steue/wirksamkeit bei zyklischer Steuerung zu erzielen und auch sehr geringe Abminderungsverluste der Schlagbewegung zu erreichen. Die als Lagerung der Rotorblätter dienenden Platten ermöglichen die Blatt-Winkelbewegungen und die Aufnahme der Schwenk- und Biegemomente. Die Anordnung der Platten wirkt weiterhin ähnlich einem starren Lager mit nur einem Freiheitsgrad, und zwar der Verdrehung um die Blattwinkelacnse, ohne daß eine Schlag- und Schwenkweichheit auftritt. Außerdem ermöglicht die Verteilung der Lagerfunktion auf die großen Plattenflächen eine aufgelöste Einleitung der Kräfte von den Blättern zum Rotorkopf ohne Konzentration auf besondere Beschläge und damit eine Bauweise, die für faserverstärkte Verbundwerkstoffe besonders geeignet und die wenig _ift anfällig gegen Beschädigungen ist.
X Bei der bevorzugten Ausführung mit vier Platten je .^Rotorblatt sind die der Dauerbelastung besonders (Unterworfenen Teile ohne Demontage frei sichtbar und können laufend kontrolliert werden.

Entsprechend einer v/eiteren Ausgestaltung der ' Erfindung sind mindestens vier Rotorblätter paarweise in übereinanderliegenden Ebenen angeordnet, wobei die jweilc einander gegenüberliegenden Rotorblättern zugeordneten Holme, Brücken und Distanzglieder einen Nabenkasten zur Aufnahme der Rotorblattwurzeln und Platten bilden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Rotorblätter in einer Ebene liegen, wobei jedem Rotorblatt ein Nabenkasten mit den entsprechenden Verbindungsteilen zugeordnet ist

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die ebenfalls in einer Ebene liegenden Rotorblätter an die Bodenseiten von zur Rotormitte hin offenen, würfelförmig ausgebildeten Blattwurzelkästen angesetzt, in denen Arme eines als Kreuzkopf ausgebildeten Rotorkopfes mit den in sie eingesetzten Platten angeordnet sind.

Andere, die Erfindung gestaltende Merkmale gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand flder Zeichnung beschrieben. Es zeigt in schematischer Darstellung

ι F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung mit vier Rotorblättern, die jeweils paarweise in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind;

F i g. 2 einen Schnitt entsprechend den Linien II-II der F i g. 1;

Fig.3 einen Schnitt in vergrößerter Darstellung entsprechend den Linien HI-III der F i g. 1;

F i g. 4 einen Schnitt entsprechend F i g. 3 mit einem elastisch verformten Rotorblatt;

F i g. 5 eine Darstellung der Faseranordnung in den Platten;

Fig.6 bis 8 Darstellungen der auf ein Rotorblau einwirkenden Kräfte und Momente durch die Platten;

F i g. 9 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit vier in einer Ebene angeordneten Rotorblättern;

Fig. 10 einen Schnitt entsprechend den Linien X-X der F i g. 9;

Fig.W eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit zu einem Kreuzkopf ausgebildetem Rotorkopf und würfelförmig ausgebJdeien Blatt wurzelkästen und

Fig. 12 einen Schnitt entsprechend den Linien XII-XIl der F ig. 11.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen einen schlag- und schwenkgelenklosen Rotor mit vier Rotorblättern. In den F i g. 1 ίο unc¹ 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel vier Rotorblätter 1,2,3 und 4, deren Blattwui zein la, 2a, 3a und 4a in einem Rotorkopf 5 so zusammenlaufen, daß die Rotorblätter 1 und 3 über den Rotorbläitern 2 und 4 angeordnet sind. In jede der Rotorblattwurzeln sind jeweils vier biegeweiche und schubsteife ebene Platten 6,7,8 und 9 so eingespannt, daß sich ihre Ebenen in der Rctorbiattachse A schneiden. Die Platten 6 bis 9 weisen eine größere Länge 10 in Richtung der Rotorblattachse A als Breite 11 quer dazu auf und sind außerdem so angeordnet, daß sie gegenüber einer durch die Rotordrehachse B und der Rotorbiattachse A gebildeten Ebene einen größeren Winkel « und gegenüber einer Rotorblattebene C einen kleineren Winkel β aufweisen. Die Platten 6 bis 9 der in der oberen Ebene des Rotorkopfes 5 angeordneten Rotorblattwurzein ia und 3a sind entlang ihren den Rotorblättern entgegengesetzten Längsseiten 10 mit Holmen 12 und 13 verbunden, die zusammen mit in der Mitte angeordneten Brücken 14 und an den Enden vorgesehenen Distanzgliedern 15 einen Nabenkasten 5a für die Platten bilden. Entsprechend sind die in die Rotorblattwurzeln 2a und 4a eingespannten Platten 6 bis 9 mit Holmen 16 und 17 sowie Brücken 18 und Distanzgliedern 19 zu einem Nabenkasten 5b verbunden.

Die Platten snd mit den Holmen, Brücken und Distanzgliedern durch Verbindungselemente 20, vorzugsweise Schrauben, verbunden. In der Fig. 1 sind nur die der Verbindung der Platten 6, der Brücken 14 und der Distanzglieder 15 dienenden Schrauben 20 angedeuiet An allen Holmen 12,13,16 und 17 sind Laschen 22 angesetzt, durch deren Bohrungen Bolzer. 23 zur Verbindung der Nabenkästen 5a und 5b hindurchgesteckt sind. Nach dem Herausziehen der Bolzen 23 kann der Naber.kasten 5a über denjenigen 5b gedreht werden, wodurch die Rotorblätter zum Transport übereinander zu legen sind. Unterhalb des Nabenkastens 5b ist eine Antriebswelle 24 zum Antrieb des Rotorkopfes 5 angedeutet

in der vergrößerten Darstellung der Fig.3 ist die

so Einspannung der Platten 6 bis 9 in die Blattwurzeln la und die Befestigung derselben in dem Nabenkasten 5a näher ersichtlich. Die in der Rotorbiattachse A zusammenlaufenden Platten sind in Schlitzen 26 der Rotorblattwurzel la eingespannt Die Einspannungsstellen 27 der Platten machen nur einen Bruchteil der gesamten Plattenbreite 11 aus. Die Schlitze26 erweitern sich zu Kreisbögen 28, wodurch ein scharfes Abknicken der Platten verhindert wird. Die Platten 6 bis 9 sind zur besseren Aufnahme und Weiterleitung der Kräfte an den Verbindungsstellen zu den Holmen 12 und 13 sowie zu den Distanzgliedern 15 verstärkt.

Das Zusammenwirken der Teile des Rotorkopfes 5 bei dem Einwirken von Momenten um die Rotorbiattachse A ist aus der Fig.4 ersichtlich. Die Rotorblattwurzel la kann sich dabei um die Rotorbiattachse A um einen Winkel von z. B. ΔΌ- gegenüber der Rotorkopfebene C-C verdrehen. Die zur besseren Darstellung übertrieben gezeichnete Winkelverdrehung der Rotor-

blattwurzel erzeugt in den biegeweichen Platten 6 bis 9 eine elastische S-förmige Biegedeformation. Dadurch, daß die Platten eine gegenüber ihrer freien Biegelänge 11 geringe Dicke 30 aufweisen, entstehen aus dieser Deformation verhältnismäßig geringe Rückstellmomente. Durch die S-förmige Biegedeformation entsteht eine geringe Verkürzung 31, die gegenüber der Breite Ii gering ist, so daß auch die notwendige Dehnung gering gegenüber der zulässigen Dehnung des Werkstoffes der Platten bleibt. Außerdem sind die Distanzglieder 15 so ausgebildet, daß sie sich mit geringen Kräften in ihrer Länge 32 verformen lassen. Durch diese Anordnung werden die bei der Verdrehung des Rotorblattes 1 an den Holmen 12 und 13 auftretenden Rückstellmomente, die eine Folge der Verkürzungen 33 der Einspannstellen (5 der Platten sind, nur gering.

Alie Teile des Rotorkopfes werden zweckmäßig aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff ausgeführt Dieser Werkstoff hat sich für die bei einem gelenkfosen Rotor auftretenden Belastungen bestens bewährt Die dabei zu Verwendenden Verstärkungsfasern können je nach Beanspruchungsart aus G!as, insbesondere S-GIas oder auch aus Kohlenstoff- oder Kunststoffasern bestehen. Für den als Matrize verwendeten Kunststoff werden zweckmäßig Epoxidharze verwendet An einer Teildarstellung des Befestigungskastens 5b mit der Lagerung des Rotorblattes 2 ist in der Fig.5 eine bevorzugte Anordnung von Verstärkungsfasern 35 in den Platten 6 und 7 gezeigt. Die Verstärkungsfasern beider Platten bilden dabei einen spitzen Winkel γ zu der Rotorblattachse A.

Durch die beschriebene Anordnung der Fasern 35 in den Platten können die beachtlichen Axialkräfte P_A (siehe F i g. 6 bis 8), die von den Rotorblättern über die Platten zum Rotorkopf übertragen werden müssen, überwiegend durch schräge Zugkräfte 36 in den jeweils gegenüberliegenden Platten 6 und 7 oder 8 und 9 aufgenommen werden. Die auftretenden Schlag- und Schwenkbiegemomente Md wirken sich an der Rotorblattwurzel 2a entsprechend F i g. 7 als Zugkräfte 36 und Druckkräfte 37 aus. Durch die Vorspannung, unter der die Fasern infolge der Axialkräfte Pa stehen, können die Platten, wie die Darstellung der resultierenden Kräfte aus den F i g. 6 und 7 in der F i g. S zeigt auch die aus Biegemomenten hervorgerufenen Druckkräfte 37 als Zugkräfte 36 aufnehmen. Dieses wird durch die große Länge der Platten noch begünstigt Außerdem können die Platten dadurch, daß sie in verschiedenen Richtungen auf die Rotorblattachse zusammenlaufen, auch zwischen den Rotorblättern und dem Rotorkopf auftretende radiale Kräfte durch Zugkräfte aufnehmen. Da weiterhin die Platten gegenüber der Kraftrichtung infolge Schwenkbiegung mit kleinem Winkel β und gegenüber der Kraftrichtung infolge Schlagbiegung mit größerem Winkel « angeordnet sind, ist es möglich, die Rotorblätter gegenüber dem Rotorkopf auf Schwenkbiegung besonders steif und auf Schlagbiegung etwas weicher zu lagern. Die Platten sind außerdem bei Verdrehungen um die Rotorblattachse und gleichzeitig auftretenden Zugbeanspruchungen durch die Begrenzungsradien 28 vor unzulässigen Biegebeanspruchungen und scharfem Abknicken geschützt, Durch die beschriebene Konstruktion werden somit die Vorteile der faserverstärkten Verbundwerkstoffe, die in Zugrichtung vielfach höhere Kräfte als in Druckrichtung aufnehmen können, gut ausgenutzt und es wird ein Ausbeulen der Platten verhindert

Die Fi g. 9 und 10 zeigen die vier Rotorblätter 1 bis 4 in einer Ebene angeordnet, wobei für jedes Rotorblatt die zugeordneten Holme 12,13,16,17, Brücken 14,18 Und Distanzglieder 15,19 einen gesonderten Nabenkasten 38 zur Aufnahme der Rotorblattwurzeln \a bis 4a Und Platten 6 bis 9 bilden. Dabei sind die Nabenkästen 38 an ihren Ecken u> miteinander verbunden, daß die 'jeweils einander gegenüberliegenden Holme mit den quer dazu angeordneten Brücken miteinander fluchten und sich gegenseitig durchdringen, z. B. die Holme 13 mit den Brücken 186 und die Holme 12 mit den Brücken 18a

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotorkopfes mit in einer Ebene angeordneten Rotorblättern ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt Die Rotorblätter 1,2,3 und 4 sind durch Lageraugen 40 und Bolzen 41 und 42 mit korrespondierenden Lageraugen 43 von würfelförmig ausgebildeten Blattwurzelkästen 44 fest verbunden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Rotorblätter mit den jeweiligen Blattwurzelkästen 44 in einem Stück herzustellen. In die Blattwurzelkästen 44 sind als Parallelogramme ausgebildete Platten 46,47,48 und 49 eingesetzt, die wiederum in Rotornabenarme 50,51,52 und 53 eines als Kreuzkopf ausgebildeten Rotorkopfes eingespannt sind Unterhalb des Kreuzkopfes befindet sich wiederum die hier nicht dargestellte Antriebswelle 24 zum Antrieb eines Roiorkopfes.

In der Draufsicht der F i g. Π sind die Rotornabenarme 50 bzw. Sl entsprechend den Schnitten XIa-XIa bzw. Xlb-Xlb der Fig. 12 in zwei verschiedenen Ebenen geschnitten. Dabei geht der Schnitt XIa-XIa direkt durch den kleinsten Querschnitt des Rotornabenarmes 50 entlang von Einspannschlitzen 56 für die Platten 46 und 47 und zeigt an der rechten Seite die Befestigung der Platten 46 im Blattwurzelkasten 44a Die Platte 46 ist dabei in dem Schlitz 56, der in die Längskante des Blattwurzelkastens 44a eingeschnitten ist eingesetzt und mit letzterem durch z. B. Schrauben 57 verbunden. In gleicher Weise sind die anderen Platten 47,48 und 49 in nicht dargestellter Weise in entsprechende Schlitze 56 an den Längskanten der Blattwurzelkästen 44b, 44c und 44d eingesetzt

Der in der F i g. 11 dargestellte Schnitt Xlb-Xlb durch die F i g. 12 ist genau durch die Mitte des Blattwurzelkastens 44b und des Rotornabenarmes 51 geführt Die Wirkungsweise der Aufnahme von Kräften und Momenten aus den Rotorblättern erfolgt in gleicher Weise wie sie bereits eingehend an Hand der VIgA bis 8 beschrieben wurde.

Es können entsprechend dem beschriebenen Aufbau eines Rotorkopfes mit vier Rotorblättern auch solche mit den gleichen konstruktiven Elementen hergestellt werden, die weniger oder mehr als vier Rotorblätter aufweisen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotorkopf für einen schlag und schwenkgelenklosen Rotor, bei dem die Lagerung jedes Rotorblatts unter Verwendung von ebenen, biegeweichen, als Platten ausgebildeten Verbindungselementen erfolgt, deren Ebenen sich in der Rotorblattachse schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung aller auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte auf die Rotornabe ausschließlich über die als Platten ausgebildeten Verbindungselemente (6 bis 9) erfolgt, die an ihren - radial zur Rotorbiattachse (A) — inneren Enden an der Rotorblattwurzel (la bis 4a) und an ihren äußeren Enden an einem sie umgebenden Nabenkasten (5a, 56,38) befestigt sind.

2. Rotorkopf für einen schlag- und schwenkgelenkiosen Rotor, bei dem die Lagerung der Rotorblätter unter Verwendung von ebenen, Siegeweichen, als Platten ausgebildeten Verbindungselementen erfolgt, deren Ebenen sich in der Rotorblattebene schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung aller auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte auf die Rotornabe ausschließlich über die als Platten ausgebildeten Verbindungselemente (46 bis 49) erfolgt, die an ihren — radial zur Rotorblattachse (A) — inneren Enden an einem Rotornabenarm (50 bis 53) und an ihren äußeren Enden an einem sie

,Umgebenden würfelförmig ausgebildeten Blattwurzelkasten (44a bis 44c/j befestigt sind.
, 3. Rotorkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (S bis 9; 46 bis 49) eine größere Länge (10) in Richtung der Rotorbiattachse (A) als Breite (11) quer dazu aufweisen.

4. Rotorkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung von vier Platten (6 bis 9; 46 bis 49) je Rotorblatt wurzel, die zur Rotorblattebene (C-C) einen kleineren Winkel (/?) als zu einer durch die Rotoi-drehachse (B) und die Rotorbiattachse (A) gebildeten Ebene (Winkel α) aufweisen.

5. Rotorkopf nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenkasten (5a, 5b), in dem die äußeren Enden der Platten (6 bis 9) befestigt sind, aus seitlich und parallel zur Rotorbiattachse (A) angeordneten Holmen (12 und 13; 16 und 17) besteht, die zur Rotorkopfmitte hin durch Brücken (14, 18) und an den äußeren Enden durch Distanzglieder (15, 19) versteift und verbunden sind.

6. Rotorkopf nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (1 bis 4) in einer Ebene liegen und jede Rotorblattwurzel (la bis 4a,J über die Platten (6 bis 9) in einem gesonderten Nabenkasten (38) befestigt ist.

7. Rotorkopf nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens vier Rotorblättern (1 bis 4) dieselben paarweise in zwei übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind, wobei je zwei in einer Ebene einander gegenüberliegende Rotorblätter einen gemeinsamen Nabenkasten (5a, 5b) mil durchlaufenden Holmen (12 und 13, 16 und 17) und mit einer gemeinsamen Brücke (14, 18) haben.

8. Rotorkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils übereinanderliegenden Nabenkästen (5a und 5b) lösbar miteinander verbunden und ein oder beide Rotorblattpaare um eine Rotordrehachse ^schwenkbar sind.

9. Rotorkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotornabenarme (50 bis 53) in einer Ebene liegen und kreuzförmig angeordnet sind und die Rotorblätter (1 bis 4) an die Bodenseiten der Blattwurzelkästen (44a bis 44d) angesetzt sind.

10. Rotorkopf nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (4b bis 49) einen trapezförmigen Umriß aufweisen und in Schlitze (56) der Blattwurzelkästen (44a bis 44d) eingesetzt sind.

11. Rotorkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden der Platten (6 bis 9; 46 bis 49) in bis in die Nähe der Rotorbiattachse (A) reichende Schlitze der Rotorblattwurzeln (la bis 4a) bzw. der Rotornabenarme (50 bis 53) eingesetzt sind.

!2. Rotorkopf nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6 bis 9; 46 bis 49) aus faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt sind, wobei die Fasern (35) parallel zueinander von den Einspannstellen der Platten an den Rotorblattwurzeln (1 a bis 4a)und Rotornabenarmen (50 bis 53) schräg nach außen gerichtet sind und die Fasern von zwei einander gegenüberliegenden Platten einen spitzen Winkel (γ) bilden.

13. Rotorkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Belastung der Rotorblätter (1 bis 4)

durch A;;ialkräfte (P_A) und Biegemomente (M_b) die Fasern (35) in den Platten (6 bis 9; 46 bis 49) durch die Axialkräfte auf Zug (36) beansprucht und dabei so weit vorgespannt sind, daß die resultierenden Kräfte der infolge der Biegemomente auftretenden Zug- und Druckkräfte (37) mit den Axialkräften zur Zugkräfte (36) sind.