DE2733101A1

DE2733101A1 - Schlag- und schwenkgelenkloser rotor

Info

Publication number: DE2733101A1
Application number: DE19772733101
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Derschmidt; Hermann Sahlstorfer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1977-07-22
Publication date: 1979-01-25
Also published as: FR2397979B1; GB2001290B; FR2397979A1; US4201515A; GB2001290A; IT7825774A0; DE2733101C3; IT1097964B; DE2733101B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schlag- und schwenkgelenklosen Rotor mit einer flexiblen Anlenkung der Rotorblätter an einem starren Rotorkopfmittelteil.

Durch die US-PS 3 880 551 ist bereits ein derartiger Rotor bekannt, bei dem die sonst üblichen Lager zur Anlenkung der Rotorblätter in dem Rotorkopfmittelteil und deren Nachteile vermieden werden. Bei diesem bekannten Rotor werden zwei gegenüberliegende Rotorblätter durch ein Tragband verbunden, welches zwischen quergerichteten biegeweichen Traversen eingespannt ist. Diese Anordnung ist offenbar nicht geeignet, um auch größere Kräfte und Momente aufzunehmen, denn der Anwendungsbereich erstreckt sich insbesondere auf Heckrotoren für Hubschrauber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Rotoren der eingangs genannten Art die Übertragung auch größerer Kräfte auf den Rotorkopfmittelteil durch einfache, hinreichend feste Übertragungsteile zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Verbindung jedes Rotorblattes zum Rotorkopfmittelteil durch mehrere, am Rotorblatt und Rotorkopfmittelteil eingespannte biege- und torsionsweiche Stäbe erfolgt, deren Mittellinien auf Mantellinien von zwei koaxialen Kegeln liegen, die ihre Grundflächen einerseits am Rotorblatt und andererseits am Rotor-

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kopfmittelteil haben.

Durch diese überraschend einfache Anordnung wird erreicht, daß bei der Verdrehung der Rotorblätter die die elastische Verformung aufnehmenden Stäbe nur geringe Rückstellmomente bei hoher Biegesteifigkeit in Schlag- und Schwenkrichtung aufv/eisen. Weiterhin erfolgt bei direkter Blattwinkelsteuerung durch einen starren Blattsteuerhebel eine nur geringe Rücksteuerung, es ist also eine für die Steuerung ausreichende Dämpfung vorhanden. Diese Vorteile werden bei verhältnismäßig geringer Baulänge der Kegel erreicht, die nicht größer zu sein braucht als bei mit Lagern ausgestatteten Rotorköpfen.

Diese Vorteile ergeben sich noch mehr, wenn beide Kegel in Weiterbildungen der Erfindung gleiche Grundflächen aufweisen, die Spitze des vom Rotorblatt ausgehenden Kegels im Mittelpunkt des Rotorkopfmittelteils liegt, die Kegelachsen mit der Blattwinkelverstellachse zusammenfallen.

Ein weiterer großer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Möglichkeit der geringen Anzahl und der einfache Aufbau der die Kegel bildenden Stäbe. Es sind nach v/eiteren zweckmäßigen Ausbildungen der Erfindung für jeden Kegel vorzugsweise nur drei Stäbe erforderlich, wobei entweder die Stäbe im Rotorkopfmittel teil enden oder jeweils kongruente Stäbe von zwei gegenüberliegenden Rotorblättern aus einem Stück bestehen und durch den Rotorkopfmittel teil hindurchführen.

Die Stäbe bestehen entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung aus unidirektionalem faserverstärkten Verbundwerkstoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff. Dieser Werkstoff hat sich für die bei gelenklosen Rotoren auftretenden Belastungen bestens bewährt. Die dabei zu

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verwendenden Verstärkungsfasern können je nach Beanspruchungsart aus Glas, insbesondere S-Glas oder auch aus Kohlenstoff- oder Kunststoffasern, z.B./KEVLAR, bestehen. Für den als Matrize verwendeten Kunststoff werden zweckmäßig Epoxidharze verwendet.

• bekannt unter dem Warenzeichen

Andere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale gehen aus weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung hervor. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Rotors in Draufsicht;

Fig. 2 die Teilansicht des Rotors in der Seitenansicht, teilweise geschnitten entsprechend den Linien II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nur durch die Stäbe entsprechend den Linien III-III der Fig. 1;

Fig. 4 die Einspannung eines Stabes am Rotorblatt und Rotorkopfmittelteil in der Seitenansicht;

Fig. 5 die Einspannung entsprechend Fig. 4 in der Draufsicht;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Stab entsprechend den Linien VI-VI der Fig. 5;

Fig. 7 einen Schnitt durch den Stab entsprechend den linien VII-VII der Fig. 5 und

Fig. 8 einen Schnitt entsprechend der Fig. 3 mit einem anderen Stabquerschnitt.

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Die Figuren 1 bis 3 zeigen einen schlag-, schwenk- und drehgelenklosen Rotor 1, der aus einem Rotorkopf 2 und vier Rotorblättern 3 besteht. Von Letzteren sind nur zwei, und zwar zum Teil, dargestellt. Der Rotorkopf 2 weist einen würfel- £5rmigen Rotorkopfmittelteil 5 auf, der mit Blattgabelbeschlägen 6 durch jeweils sechs Stäbe 7, 8, 9, 10, 11 und 12 verbunden ist. Die Stäbe 7 bis 12 sind hier in ihrer einfachsten Form als schmale Rechtecke ausgebildet, wobei die Mittellinien ihrer Längsseiten in einem Punkt A zusammenlaufen, der mit der Blattwinkelverstellachse zusammenfällt (siehe Fig. 3). Die Stäbe 7 bis 9 einerseits und die Stäbe 10 bis 12 andererseits bilden zwei koaxiale gleich große Kegel 13 und 14, wobei die Mittellinien der Stäbe auf Mantellinien der Kegel liegen. Die Kegel 13 haben ihre Grundflächen auf den Oberflächen der Blattgabelbeschläge 6 und ihre Spitzen im Mittelpunkt M des Rotorkopfmittelteils 5. Die Kegel 14 haben ihre Grundflächen auf je einer Oberfläche 5a des Rotorkopfmittelteils 5 und ihre Spitzen in Punkten 15 auf der Blattwinkelverstellachse A. Die Kegel 13 und 14 weisen jeweils in ihren Grundflächen auf dem Rotorkopfmittelteil 5 und den Gabelbeschlägen 6 gleiche Radien R und in ihren Kegelschnitten beim Eintritt in den Rotorkopfmittelteil und im Gabelträger gleiche Radien r auf (siehe Fig. 2).

Die Stäbe 7 bis 12, die vorzugsweise aus unidirektionalem glasfaserverstärkten Kunststoff bestehen, sind - wie anhand der weiteren Figuren noch näher beschrieben wird - in den Blattgabelbeschlägen 6 fest eingespannt. In dem Rotorkopfmittelteil 5 können die Stäbe entweder einzeln an den oder unterhalb der Oberflächen 5a gehaltert werden oder es können auch, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, die kongruenten Stäbe der jeweils gegenüberliegenden Rotorblätter durch den Rotorkopfmittelteil 5 hindurchlaufen, so daß am gesamten Rotorkopf insgesamt nur 12 durchlaufende Stäbe

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vorhanden sind. Die Stäbe 7 bis 12 werden dabei in ihren geraden, durch den Rotorkopfmittelteil verlaufenden Teilen eingespannt.

Der Rotorkopfmittel teil 5 ist starr mit einer Rotorwelle verbunden. Die Rotorblätter 3 sind in üblicher Weise von Rotorhalsbeschlägen 17 eingefaßt, die in den Blattgabelbeschlägen 6 mittels Bolzen 18 und 19 gelagert sind. Weiterhin sind an den Blattgabelbeschlägen 6 starre Blattwinkelhebel 20 befestigt, an deren freien Enden die Blattwinkelsteuerung durch nicht dargestellte umlaufende Steuerstangen erfolgen kann.

In den Fig. 4 bis 8 ist eine weitere Ausführungsform der Stäbe am Beispiel eines Stabes 7a dargestellt. Der Stab 7a weist in der Mitte Verstärkungen in Form von Rippen 22 auf, die einen kreuzförmigen Querschnitt entstehen lassen (siehe Fig. 7 und 8), der den Stab gegen Knickung versteift und die Aufnahme größerer Druckkräfte ermöglicht. Durch geringe Dicke des Stabes 7a und der Rippen ist jedoch die Torsionssteifigkeit des Stabes insgesamt gering. Zu den Enden nehmen die Rippen 22 in der Breite ab, wodurch der Stab 7a entsprechend Fig. 6 einen schmalen Rechteckquerschnitt aufweist. Aus der Fig. 8, die einen Querschnitt entsprechend den Linien III-III der Fig. 1 mit den Stäben 7a bis 12a zeigt, ist ersichtlich, daß die Rippen 22 einen verhältnismäßig großen Abstand 25 von der Blattwinkelverstellachse A aufweisen. Dadurch ist die Biegesteifigkeit der Blattlagerung durch die Stäbe, die nur eine geringe Eigenbiegesteifigkeit besitzen, verhältnismässig groß.

Die Einspannstellen des Stabes 7a weisen sowohl am Rotorkopfmittelstück 5 als auch am Blattgabelbeschlag 6 kelch-

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förmige Öffnungen 23 mit Radien 24 auf. Hierdurch wird an den Einspannstellen eine übermäßige Biegung mit zu kleinen Radien und zu großen Biegespannungen verhindert. Zur formschlüssigen Einspannung des Stabes 7a sind in den Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele gezeigt. Bei der Einspannung am Blattgabelbeschlag 6 umschlingen die Fasern des Stabes 7a einen Bolzen Außerhalb der Einspannstelle nimmt ein geformter Deckel 28, der am Blattgabelbeschlag 6 befestigt ist, die Druckkräfte auf. Innerhalb der Faserlagen des Stabes 7a ist eine keilförmige Einlage 29 vorhanden, die mit Hilfe einer entsprechenden Gegenkontur im Blattgabelbeschlag 6 eine formschlüssige Einspannung gegen Biegemomente ermöglicht. Die Einspannung des Stabes 7a im Rotorkopfmittelteil 5 erfolgt durch die Umschlingung seiner Fasern um ein Keilstück 30, wodurch der Stab 7a gegen Zugkräfte gesichert ist. Die Druckkräfte auf die EinspaTTung werden wiederum durch einen Deckel 31 aufgenommen.

Nachfolgend soll die Funktion der elastischen Stäbe 7 bis beim praktischen Betrieb eines schlag- und schwenkgelenklosen Rotors erläutert werden:

Wenn ein Rotorblatt 3 mit seinem Blattgabelbeschlag 6 gegenüber dem zentralen Rotorkopfmittelteil 5 in seinem Anstellwinkel verdreht wird, so müssen die elastischen Stäbe 7 bis 12 um denselben Winkel verdrillt werden, was durch die geringe Torsionssteifigkeit der Stäbe mit geringen Rückstellmomenten möglich ist. Außerdem müssen alle Stäbe eine sinusförmige Biegedeformation ausführen, deren Größe vom Verdrehwinkel und der Größe des kleineren Radius r der Einspannstellen 23 in der Nähe der Spitzen der Kegel 13 und 14 abhängt. Da dieser Radius r verhältnismäßig klein ist

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und weil die Biegesteifigkeit der Stäbe 7 bis 12 nahe an den Einspannstellen 23, wo die stärksten Krümmungen der Sinusform auftreten, gering ist, ist auch für diese Biegedeformation der Stäbe nur ein kleines Rückstellmoment nötig. Der größte Anteil der Rückstellmomente entsteht bei dieser Anordnung elastischer Glieder entsprechend der Erfindung durch die großen Längskräfte, mit denen die Rotorblätter 3 in Richtung der Blattwinkelverstellachse A gehalten werden müssen. Dieser Anteil des Rückstellmomentes ist dem Radius r der Einspannstellen 23 proportional und daher verhältnismäßig gering.

Durch die großen Winkel, die die elastischen Stäbe miteinander aufweisen, bilden diese ein räumliches Fachwerk, das größere Querkräfte mit geringen Deformationen in Richtung dieser Kräfte übertragen kann.

Infolge des verhältnismäßig großen Abstandes 25, den die einzelnen Querschnitte von der Blattwinkelverstellachse A aufweisen, ist die Biegesteifigkeit der Blattlagerung in Schlag- und Schwenkrichtung der Blätter so groß, daß die Schlag- und Schwenkdeformationen überwiegend an den Rotorblättern und nicht an der elastischen Lagerung mit den Stäben 7 bis 12 auftreten. Deshalb kann die Blattwinkelsteuerung ohne nennenswerte Rücksteuerungseffekte direkt über die an den Blattgabelwinkelbeschlägen 6 befestigten Blattwinkelhebel 20 erfolgen.

Der erfindungsgemäße lagerlose Rotor, bei dem die Anlenkung der Rotorblätter schlag-, schwenk- und drehgelenklos erfolgt, kann mit gleichen Vorteilen auch für die Anlenkung von Fropellerblättern an der Nabe angewendet werden.

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L e e r s e i t e

Claims

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 14. Juli 1977 Gesellschaft mit BTOI Hi/th beschränkter Haftung, 2733101 München 8154 Schlag- und schwenkgelenkloser Rotor Patentansprüche

1. Schlag- und schwenkgelenkloser Rotor mit einer flexiblen Anlenkung der Rotorblätter an einem starren Rotorkopfmittelteil, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung jedes Rotorblattes (3) zum Rotorkopfmittelteil (5) durch mehrere, am Rotorblatt und Rotorkopfmittelteil eingespannte biege- und torsionsweiche Stäbe (7 bis 12) erfolgt, deren .Mittellinien auf Mantellinien von zwei koaxialen Kegeln (13, 14) liegen, die ihre Grundflächen einerseits am Rotorblatt und andererseits am Rotorkopfmittelteil haben.

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OPHQfNAL

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2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beide Kegel (13, 14) gleiche Grundflächen aufweisen und der vom Rotorblatt (3) ausgehende Kegel (13) seine Spitze im Mittelpunkt (M) des Rotorkopfmittelteils (5) hat.

3. Rotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kegelachsen mit der Blattwinkelverstellachse (A) zusammenfallen.

4. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Kegel (13, 14) aus drei Stäben (7 bis 12) besteht.

5. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (7 bis 12) im Rotorkopfmittelteil (5) enden.

6. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils kongruente Stäbe (7 bis 12) von zwei gegenüberliegenden Rotorblättern aus einem Stück bestehen und durch den Rotorkopfmittelteil (5; hindurchführen.

7. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (7 bis 12) in ihrer gesamten Länge Rechteckquerschnitt aufweisen und die Mittellinien ihrer Längsseiten in der Blattwinkelverstellachse (A) zusammenlaufen (Fig. 3).

8. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Stäbe (7a bis 12a) in ihrem Mitteilteil zwischen dem Rotorblatt (3) und dem Rotorkopfmittelteil (5) Verstärkungen, zum Beispiel Rippen, (22) aufweisen.

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9. Rotor nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Stäbe (7 bis 12) in ihren Einspannstellen (23) um Bolzen (27) oder Keilstücke (30) herumgeführt und verspannt sind.

10. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (7 bis 12) aus unidirektionalem faserverstärkten Verbundv;erkstoff bestehen.

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