DE2720923A1

DE2720923A1 - Hubschrauberrotor

Info

Publication number: DE2720923A1
Application number: DE2720923A
Authority: DE
Inventors: Alfred Charles Martin
Original assignee: Westland Aircraft Ltd
Current assignee: Westland Group PLC
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1977-11-24
Also published as: FR2351006A1; US4099892A; IT1115964B; GB1535391A

Description

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W/ρ 9013

WESTLAND AIRCRAFT LIMITED. Y e ο ν i 1 /Somerset. England

Hubschrauberrotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubschrauberrotor mit einer Rotornabe und einer Vielzahl von Rotorblättern, wobei die Rotornabe für jedes Rotorblatt ein Biegebauteil bzw. eine Blatthalterung, die radial von der Nabe ausgeht und in einer Blattschlagebene flexibel ist, ein BlattwinkelverstellgelenJc, das am Äußeren Ende der Blatthalterung angeordnet ist, und einen etwa zylindrischen Teil, der drehbar auf einer Verlängerung der Blatthalterung befestigt ist, aufweist.

Gelenkig angeordnete Hubschrauberrotoren verwenden getrennte mechanische Lager zur Erzielung der erforderlichen Schlag», Schwenk- und WinkelVerstellbewegungen eines Rotorblattes während des Betriebes. Es wurde bei den sogenannten "halbsteifen" Rotoren bereits vorgeschlagen, die Schwenk- und Schlag-Lager durch ein oder mehrere Biegebauteile entweder aus Metall oder aus Verbundmaterial zu ersetzen, um den komplizierten Aufbau sowie das Gewicht zu reduzieren und die Lebensdauer des Rotors zu verlängern.

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Konten Bayerische Vereinsbank (BLZ 750200 73) 5 839 300 Postscheck München 893 69-801

Gerichtsstand Regensburg

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Generell 1st bei gelenkig angeordneten Rotoren ein Winkelverstellgelenk außerhalb der Schlag- und Winkelverstellgelenke angeordnet, so daß nur relativ geringe Biegungen im Blatt auftreten können, und ein daraus resultierendes Torsionsmoment, das durch eine derartige Auslenkung auftritt, ist vernachlHssigbar klein. Um zu gewährleisten, daß der größte Teil der Blattbiegung innen in bezug auf das Winkelverstellgelenk eines halbsteifen Rotors auftritt, wHre es erforderlich, das Gelenk soweit außen am Blatt anzuordnen, daß dabei Probleme in der Steuerung auftreten und keine aerodynamisch günstige Form erreicht wird. Ferner sind die Schwierigkeiten bei der Konstruktion eines einzelnen Biegebauteiles, das sowohl Schlag- als auch Schwenkbewegungen aufnehmen kann, aufgrund der unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, die in jeder Ebene erforderlich sind, erheblich.

Infolgedessen sind halbsteife Rotoren allgemein mit einer Anordnung versehen worden, bei der der größte Teil, wenn nicht die gesamte Blattbiegung außen in bezug auf das Winkelverstellgelenk auftritt, was bedeutet, daß das Blatt eine geringe Torsionssteifigtoeit besitzt und insbesondere einer Blattbiege-Torsionskopplung ausgesetzt ist, die auftritt, wenn das Blatt sich» saus der Linie der Winkelverstellachse auslenkt, was zu Stabilitätsproblemen führt.

Eine halbsteife Rotorkonstruktion, die diese Schwierigkeit überwindet, ist Gegenstand der DT-AS 21 50 761 der Anmelderin (entspricht GB-PS 1.310.035), aus der ein Rotor mit einem Blattwinkelverstellgelenk zu entnehmen ist, das ausreichend weit außen in bezug auf ein Blattschlag-Biegebauteil angeordnet ist, damit sichergestellt ist, daß die Achse des Gelenkes der Auslenkung des Blatts autreichend eng folgt. Ein Süßeres Biegebauteil nimmt den größten Teil der Blattschwenkbewegung auf und hat eine angepaßte Steifigkeit in den Schlag- und Schwenkebenen über den gesamten Bereich unmittelbar außerhalb des Blattwinkelverstellgelenkes, in welchem Torsionsmomente normalerweise hoch sind.

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Dies ergibt einen Rotor, bei dem gewünschte Schlag- und Schwenkfrequenzen unabhängig erhalten werden, und bei welchem die Biege/ Torsionskopplung erheblich reduziert wird.

Die kombinierte Gesamtlänge der inneren und äußeren Biegebauteile in diesem Rotor kann jedoch hohe Luftwiderstandsbelastungen während des Betriebes ergeben.

Es wird deshalb vorgeschlagen, bei einem Hubschrauberrotor der gattungsgemäßen Art eine nachgiebige Vorrichtung im Blattwinkelverstellgelenk anzuordnen, damit Schwenkbewegungen des zylindrischen Teiles während des Betriebes möglich sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der zylindrische Teil auf axial versetzten inneren und äußeren Lagern befestigt, die ein inneres, teilkugelförmiges Rollenlager mit einer geometrischen Mitte und ein äußeres Parallelrollenlager aufweise·'! die nachgiebige Vorrichtung ist dabei mit dem äußeren Lager so verbunden, daß eine Universalschwenkbewegung des äußeren Endes des zylindrischen Teiles um die Mitte des inneren Lagers möglich ist.

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Die nachgiebige Vorrichtung kann ein Ring, z.B. aus elastomerem Material, aufweisen und kann zwischen einem Außendurchmesser des Lagers und einem Innendurchmesser des zylindrischen Teiles angeordnet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Nabe und die Biegebauteile eine integrale Konstruktion sein, die aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist, und die Verlängerung kann im Querschnitt rohrförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise erweitert sich der rohrförmige Abschnitt zuerst nach außen und dann nach innen in bezug auf die Längsachse, und Metallhülsen sind mit inneren und äußeren Oberflächen verbunden, z.B. verklebt.

Ein Drucklager, das getrennt von dem (den) Blattwinkelverstellbewegungen ergebenden Lager(n) angeordnet ist, kann in dem Blattwinkelverstellgelenk so vorgesehen sein, daß das (die) Blatt-

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winkelverstellager während des Betrieben von Zentrifugalbelastungen freigestellt ist (sind). Bei der beorzugten AusfUhrungsform der Erfindung weist das Drucklager zweckmäßigerweise ein elastomeres Lager auf, das zwischen einem äußeren Ende der inneren Metallhülse und dem zylindrischen Teil außerhalb des äußeren Blattwinkelverstellgelenklagers angeordnet ist.

Eine Schmiermittelabdichtung, vorzugsweise eine elastomere Dichtung, kann zwischen der äußeren Hülse und dem zylindrischen Teil innerhalb des Inneren Lagers vorgesehen sein.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Hubschrauberrotors gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Rotors nach Fig. 1.

Wie sich aus der Fig. 1 ergibt, weist ein Hubschrauberrotor 10 eine Rotornabe 11 mit einem Ring von Löchern 12 auf, die Schraubverbindungen zur Befestigung des Rotors mit einer vertikalen Rotorantriebswelle (nicht dargestellt) aufnehmen.

Die Rotornabe ist eine einstückige Konstruktion, die aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist und weist fünf radial verlaufende Biegebauteile (Blatthalterungen) 13 auf, die von einem abgeflachten ovalen Querschnitt ausgehend sich in ein etwa kreisförmiges äußeres Ende verjüngen und Schlagbewegungen eines zugeordneten Rotorblattes während des Betriebes aufnehmen.

Ein Blattwinkelverstellgelenk 14 ist an einem äußeren Ende eines jeden Biegebauteiles 13 angeordnet, jedes Blattwinkelverstellgelenk 14 besitzt einen zugeordneten Blattsteigungssteuerarm 15, der mit ihm befestigt ist, über welchen die Rotorblattsteiguhgsänderungsbewegungen während des Betriebes vorgenommen werden. Ein*.·

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nach außen gerichtete Fläche eines jeden Blattwinkelverstellge-1enkes 14 ist mit einem Ring von Schraubenlöchern versehen, die Schraubboizen aufweisen, welche ein Blattmanschette 16 festlegen, die mit einem Rotorblatt 17 verbunden ist.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß das äußere Ende eines Jeden Baute!ler 13 eine Verlängerung 28 besitzt, die im Querschnitt rohrförmig ist, und die sich zuerst nach außen und dann nach innen in bezug auf ihre Längsachse erweitert. Rohrförraige innere und a'ußere Metallhülsen 18 und 19 sind mit inneren und äußeren Oberflächen der Verlängerung 28 geformt und verbunden; die Anordnung ergibt eine Keilbefestigung, die während des Betriebes auftretende Zentrifugal -belastungen aushält.

Die äußere Hülse 19 nimmt in axialer Richtung voneinander versetzte Rollenlager 20 und 21 auf, die ihrerseits einen äußeren zylindrischen Teil 22 tragen, wodurch das Blattwinkelverstellgelenk 14 ausgebildet wird. Der Blattsteigungssteuerarm 15 ist mit dem zylindrischen Teil 22 durch Verbolzen oder /erschrauben mit einem Umfangsflansch 23 befestigt.

Das innere Rollenlager 20 weist ein teilkugelförzniges Lager mit einem geometrischen Mittelpunkt 24 auf. Das äußere Rollenlager 21 stallt ein Parallelrollenlager dar. Ein federnd nachgiebiger elartomerer Ring 25 ist zwischen eine Außenfläche des Lagers 21 und eine Innenfläche des zylindrischen Teiles 22 eingesetzt.

Eine elastomere Dichtung 26 ist an inneren Ende des Blattwinkelverstellgelenkes 14 angeordnet und erstreckt sich zwischen der äußeren Hülse 19 und den zylindrischen Teil 22, und ein elastoneres Drucklager 27 ist an einen äußeren Ende des BlattwinJcelverstel Igel enkes 14 zwischen einer Verlängerung der inneren HUlse 13. und dem zylindrischen Teil 22 angeordnet. Das Abdicht- und Drucklager 26, 27 dient zur Erzielung von wirksamen Schmiermitzelabdichtungen an jeden Ende des Blattwinkelverstellgelenkes 14, damit Schmiermittel zurückgehalten wird, während gleichzeitig eine

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Drehung des BlattwinkelversteUgelenkes ermöglicht wird, wodurch der Aufwand für Bedienung und Wartung verringert wird. Zusätzlich übertrügt das Drucklager 27 während des Betriebes auftretende Zentrifugalbelastungen von dem Blatt auf die Nabe und entlastet die Lager 20 ν id 21 von diesen Belastungen.

In Betrieb werden bei dem Hubschrauberrotor nach vorliegender Erfindung die Vorteile des Rotors nach DT-AS 21 50 761 beinhalten, indem mechanische Gelenke für Rotorblattschlag- und -schwenkbewegungen entfallen und indem das Blattwinkelverstellgelenk außerhalb in bezug auf ein Schlagbiegebauteil angeordnet wird. Im Falle des Rotors nach vorliegender Erfindung werden die Blattschwenkbewegungen in einem Bereich, der etwa mit dem Blattwinkelverstellgelenk 14 zusammenfällt, aufgrund des äußeren zylindrischen Teiles 22 aufgenommen, das als starre Verlängerung des Rotorblattes 17 wirkt, welches die Blattwinkelverstellgelenklager 20 und 21 überlappt. Schwenkbewegungen des Rotorblattes 17 werden von dem nachgiebigen el as tomer en Ring 25 aufgenommen, der eine Schwenkbewegung des zylindrischen Teiles 22 und damit des Blattes 17 um den geometrischen Mittelpunkt 24 des inneren Teilkugellagers 20 ermöglicht. Dies bedeutet, daß die Achse des BlattwJttcelVerstellgelenkes 14 Biegebewegungen des Blattes 17 besser folgt als bei dem Rotor nach der DT-AS 21 50 761. Ferner wird die Gesamtgröße der Rotornabe nach vorliegender Erfindung dadurch reduziert, daß die Verwendung eines Biegebauteiles außerhalb des Blattwinkelverstellgelenkes vermieden wird, wodurch die Luftwiderstandsbeanspruchungen während des Betriebes im Vergleich zu dem bekannten Rotor wesentlich herabgesetzt werden.

Bei der dargestellten Aus führung s form hat der elastomere Ring 25 über seine gesamte Länge eine gleiche Größenabmessung und gleiche Eigenschaften, so daß die angepaßte Steifigkeit entsprechend dem bekannten Rotor beibehalten wird.

Die elastomere Abdichtung 26 und das elastomere Drucklager 27 ergeben wirksame Schmiermitteldichtungen_s so daß die Lager 20

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und 21 mit Fett geschmiert und dauernd abgedichtet werden können, so daß der Betriebs- und Wartungsaufwand weiter reduziert wird.

Nachstehend werden tatsächlich gemessene Werte für eine praktische Ausführungsform eines Hubschraubers von etwa 5,8 t Gesamtgewicht angegeben: Ein fünfblättriger Rotor mit einer Ausführung gemäß der Erfindung besitzt einen elastomeren Ring 25 mit einem Außendurchmesser von 23,5 cm, eine Dicke von 0,25 cm und eine Länge von 6,8^5 cm; damit werden ± 3° der Bewegung des Rotorblattes 17 um den Mittelpunkt 24 des inneren Lagers 20 erreicht.

Der erfindungsgemaße Rotor kann im Rahmen vorliegender Erfindung modifiziert werden. Beispielsweise ist es für bestimmte Konstruktionen aerodynamisch erwünscht, einen Rotor zu schaffen, bei welchem die Steifigkeit in den Schlag- und Schwenkebenen nicht angepaßt ist. Dies läßt sich im Falle vorliegender Erfindung einfach dadurch erreichen, daß die Eigenschaften in unterschiedlichen Bereichen des elastomeren Ringes 25 selektiv geändert werden, beJkstieisweise durch Herstellen des Ringes 25 so, daß er in radialen Richtung in unterschiedlichen radialen Ebenen unterschiedliche Dicken besitzt. Beispielsweise kann der Ring 25 eine elliptische Außenfläche besitzen, die mit einer entsprechend geformten Innenfläche zylindrischen Teil 22 entspricht, und es kann ein kreisförmiges, zentrisches Loch zur Festlegung am Lager 21 vorgesehen sein.

Andererseits kann die nachgiebige Vorrichtung eine Vielzahl von Blöcken aus geeignetem Material aufweisen, die auf die Schlag- und Schwenkebenen bezogen sind und die gewünschte St-eifigkeitscharakteristiken in jeder solchen Ebene ergeben. Die Nabe 11 und die Biegebauteile 13 können eine integrale Metallkonstruktion sein, beispielsweise aus Titan hergestellt, wobei dann die Lager 20 und 21 auf einer spindelförmigen Verlängerung befestigt sein können, die einstückig mit der Nabe ausgebildet ist.

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Ferner Jcann die nachgiebige Vorrichtung, beispielswel··» J»r · storaere Ring 25, zwischen einer Innenfläche de» Lager» 21 m«»I einer Außenfläche der äußeren Hülse 19 angeordnet sei·. 0«a teil kugelförmige Rollenlager kann durch ein entsprechend»», te·»»¹ Jcug eiförmig es elastomer es Lager mit einem geometrisch·!» MUfrwl» punkt ersetzt werden, und bei einer solchen Anordnung kann «Im Oberflächen-Trockenlager anstelle des äußeren RolUnUgerr, »Imm·· setzt werden, wodurch ein Schmieren der Rollenlager **itfctillU» ·«· daß der Aufbau und damit Betrieb und Wartung noch weiter vereinfacht werden.

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Claims

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Patentansprüche;

Hubschrauberrotor mit einer Rotornabe und einer Vielzahl von Rotorblättern, wobei die Rotornabe für jedes Rotorblatt einen Biegebauteil (Blatthalterung) aufweist, das radial von der Nabe ausgeht und in einer Blattschlagebene flexibel ist, ein Blattwinkel verstellgelenk, das an einem äußeren Ende des Biegebauteiles angeordnet ist, und einen etwa zylindrischen Teil aufweist, der drehbar auf einer Verlängerung des Biegebauteiles befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß eine elastisch nachgiebige Vorrichtung (25) im Blattwinkelverstellgelenk (14) angeordnet ist, damit Schwenkbewegungen des zylindrischen Teiles (22) während des Betriebes möglich si.id.

2. Hubschrauberrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil (22) auf axial versetzten inneren und äußeren Lagern (20, 21) befestigt ist, wobei das innere Lager ein Teilkugellager (20) mit einem geometrischen Mittelpunkt (24) aufweist, und daß die nachgiebige Vorrichtung (25) dem äußeren Lager (21) zugeordnet ist.

3. Hubschrauberrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Vorrichtung ein elastomerer Ring (25) ist.

4. Hubschrauberrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elastomere Ring (25) zwischen eine äußere Oberfläche des Lagers (21) und eine innere Oberfläche des zylindrischen Teiles (22) eingesetzt ist.

5. Hubschrauberrotor nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegebauteil (13) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

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6. Hubschraubercotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Äußere Ende des Biegebauteiles (13) Im Querschnitt rohrförmig ist und zuerst nach außen und dann nach innen in bezuq auf die Längsachse erweitert ist.

7. Hubschrauberrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzelchnrt. daß MetalIhUlsen (19, 18) mit inneren und Süßeren Oberflechen der Verlängerung verbunden, z.B. verklebt, sind.

8l Hubschrauberrotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucklager (27) zwischen einer äußeren Verlängerung ii-r inneren Hülse (18) und dem zylindrischen Teil (22) dee Blattwinkel ver st el Igel enkes (14) angeordnet ist.

9. Hubschrauberrotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekernt*^- hnet, daß eine Schmiermitteldichtung (26) zwischen der Butteren Hülse (19) und dem zylindrischen Teil (22) innen in bezug a"f u«- innere Lager (20) angeordnet ist.

10. Hubschrauberrotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucklager (27) ein elastoroeres Lager 1st.

11. Hubschrauberrotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermitteldichtung (26) eine elastomere Dich-

tung ist·

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