DE2736409A1

DE2736409A1 - Verfahren zur zyklischen aenderung des einstellwinkels des rotorblattes eines fluggeraetes, insbesondere eines hubschraubers

Info

Publication number: DE2736409A1
Application number: DE19772736409
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Bauer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1979-02-22
Also published as: DE2736409C2

Description

Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Ro-
torblattes eines Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers, wobei die zyklische Einstellwinkelsänderung durch konstante, die Schrägstellung einer Taumelscheibe oder dergleichen bewirkende Signale hervorgerufen wird.
Die Steuerung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Hubschraubers dient zur Regulierung des Rotorschubs und zur Erzeugung der für den Flug notwendigen Steuermomente.
Eine derartige Taumelscheibe ist beispielsweise beschrieben in: W. Just, Hubschrauber und Vertikalstartflugzeuge, Stuttgart 1963, 134 ff. Die Taumelscheibe besteht aus einem festen und einem drehenden Teil, an dem jeweils das eine Ende der Stoßstangen befestigt ist, deren jeweils anderes Ende an einem am Rotorblatt ausgebildeten Hebel angreift.
Bei axialer Verschiebung der Taumelscheibe werden die Rotorblatteinstellwinkel aller Rotorblätter gleichmäßig verstellt ("kollektive Steuerung"). Beim Kippen der Taumelscheibe werden die Rotorblatteinstellwinkel nach einer Sinsufunktion mit einer der Rotordrehfrequenz entsprechenden Verstellfrequenz verstellt ("lUO -Steuerung").
Es ist auch eine Taumelscheibensteuerung bekannt, wobei der Rotorblatteinstellwinkel während einer Umdrehung des Rotorblattes zweimal geändert wird ("2 N -Steuerung"). Diese Taumelscheibensteuerung wird insbesondere bei dem von der Firma FAIRCHILD entwickelten sogenannten Reserve-Velocity-Rotor verwendet und soll höhere Fluggeschwindigkeiten ermöglichen.
Die bekannten Rotorblattsteuerungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß an den Rotorblättern unkontrolliert auftretende Schwingungen nicht unterdrückt werden können. Solche Schwingungen beanspruchen die Struktur des Rotorblattes, verkürzen dessen Lebensdauer, verursachen Vibrationen der Zelle und beeinträchtigen den Flugkomfort in derselben erheblich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, wodurch einerseits bei Betrieb des Rotorblattes ungewollt auftretende Schwingungen, insbesondere harmonische Schwingungen, unabhängig von den ftir die Rotorsteuerung erforderlichen Steuereingaben möglichst vollständig unterdrückt und somit die dynamischen Rotorblattbelastungen vermindert werden, und andererseits für Versuchszwecke, beispielsweise zur Bestimmung des Rotorfrequenzdiagramms gewollte, nicht-harmonische Rotorblattschwingungen von bestimmter Art und Stärke erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch das Verfahren nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs, ggf. ergänzt durch die Verfahren nach den Kennzeichen der Unteransprüche.
Das Wesen der Erfindung ist vor allem darin zu sehen, daß den Eingängen der zyklisch bzw. periodisch wirkenden Sinus- undioder Cosinus-Steuerungen zusätzlich zu den für Steuerzwecke benötigten Signalen ein oder mehrere konstante oder rhythmische Steuerbefehle mit bestimmten Frequenzen, Phasenlagen und Amplituden zugeführt werden. Die Steuerbefehle werden entweder auf bestimmte Werte eingestellt oder von den Blattschwingungen abgeleitet. Die Rückführung der von den Blattschwingungen abgeleiteten Signale auf die Verstärkereingänge ergibt einen geschlossenen Regelkreis und damit eine automatische Unterdrückung von Blattschwingungen. Unabhängig voneinander kann für die einzelnen Schwingungskomponenten die feste Einstellung oder die automatische Steuerung gewählt werden.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche'Einrichtung ist technisch wenig aufwendig, sehr flexibel und vielseitig verwendbar und funktionssicher.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darin, daß sich durch die Taumelscheibenkinematik aus den Steuerfrequenzen Blattverstellfrequenzen ergeben, die um die Rotordrehfrequenz höher liegen. Daraus ergibt sich wiederum die Möglichkeit, mit den in ihrem praktisch verwendbaren Frequenzbereich stark eingeschränkten Stellgliedern relativ hohe Verstellfrequenzen zu erzielen.
Ein Ausfürhungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der schematischen Zeichnung dargelegt.
Im durch eine strichpunktierte Linie eingerahmten mittleren Bereich der Zeichnung ist im wesentlichen eine bekannte elektrohydraulische Hubschrauber-Steuerung dargestellt, wobei lediglich eine Taumelscheibe 1, zyklische Actuators 2a bzw.
2b, Servoventile 3a bzw. 3b, Weggeber 4a bzw. 4b sowie Operationsverstärker 5a bzw. 5b gezeigt sind.
Die zyklischen Actuators 2a bzw. 2b werden durch die Operationsverstärker 5a bzw. 5b gesteuert.
Die von einem (hier nicht dargestellten)Steuerknüppel betätigten (ebenfalls hier nicht dargestellten) Winkelgebern kommenden elektrischen Steuersignale, nämlich die Signale der Sinus-Steuerung Us (Rollsteuerung) und die Signale der Cosinus-Steuerung Uc (Nicksteuerung) werden am Summenpunkt 13a bzw. 13b der Operationsverstärker Sa bzw. Sb eingespeist. Die Steuersignale Us und Uc betätigen die Servoventile 3a bzw. 3b, und diese wiederum die Actuators 2a bzw. 2b, durch die eine Schrägstellung der Taumelscheibe 1 und dadurch eine einmalige Änderung der Blatteinstellwinkel je Rotordrehung herbeigeführt werden.
Die Eingabe einer Wechselspannung mit der Frequenz W1 bewirkt eine rhythmische Änderung dieser Schrägstellung und dadurch eine um die Rotordrehfrequenz höhere Blattverstellfrequenz (cm31 + w ).
An den Summenpunkten 13a bzw. 13b können unabhängig voneinander mehrere Steuerspannungen eingespeist werden.
Über deren Frequenzen, Amplituden und Phasenlagen kann frei verfügt werden.
Die Bewegungen der Actuators 2a bzw. 2b werden durch die von den Weggebern 4a bzw. 4b erzeugten Gegenspannungen kontrolliert.
Entsprechend der Aufgabe der Erfindung werden in der Regel Harmonische der Rotordrehfrequenz eingespeist. Sie werden von einem Frequenzgenerator 6 erzeugt, der beispielsweise mit der Rotorachse des Hubschraubers derart verbunden ist, daß er sich in gleicher Drehrichtung und mit genau der gleichen Drehzahl dreht wie jene.
Der Frequenzgenerator 6 besteht beispielsweise aus einer Triggerscheibe 19 sowie aus zwei zueinander um 90° versetzt angeordneten feststehenden Impulsaufnehmern 14 und 15.
Die Impulsaufnehmer 14 und 15 sind nach den Flugzeugachsen so orientiert, daß von dem Impulsaufnehmer 14 phasenreine Cosinus-Spannungen und von dem Impulsaufnehmer 15 phasenreine Sinus-Spannungen - bezogen auf die Rotorstellung - geleitet werden können.
Die vom Frequenzgenerator 6 erzeugten Harmonischen der Rotordrehfrequenz werden mit Hilfe von Bandfiltern 9 in Sinuskomponenten (U sinkt, U sin 2Wt, U sin 3Wt ...) und Cosinuskomponenten(U cos St, U cos 2 Xt, U cos 3Wt zerlegt. Diese Sinus- und Cosinuskomponenten werden sowohl für die (durch die auf der Zeichnung links des strichpunkterten Kastens dargestellte Schaltung bewirkte) programmierte Unterdrückung von Blattschwingungen, als auch für die (durch die auf der Zeichnung rechts des strichpunkterten Kastens dargestellte Schaltung bewirkte) automatische Unterdrückung von Blattschwingungen verwendet. Die feste Verkoppelung des Frequenzgenerators 6 mit dem umlaufenden Rotor gewährleistet auch bei etwaigen Drehzahländerungen des Rotors eine einfache und sichere Konditionierung der Steuersignale.
Zur programmierten Unterdrückung von störenden Blattschwingungen unter bestimmten Flugbedingungen können die von den Bandfiltern 9 gelieferten Steuerspannungen über regelbare Vorwiderstände 16 bzw. 17 direkt auf die Summenpunkte 13a bzw. 13b eingespeist werden. Hierzu ist es jedoch erforderlich, daß die Steuersignale zuvor auf einen bestimmten Pegel und eine bestimmte Phasenlage gebracht werden. Dazu werden die Sinus- und Cosinus-Komponenten einer Frequenz in einem bestimmten Amplitudenverhältnis im Summenpunkt 13a bzw. 13b zusammengeführt.
Die Einstellung der Amplituden erfolgt durch die bereits erwähnten Vorwiderstände 16 bzw. 17 der Summen punkte 13a bzw. 13b.
Die von den Bandfiltern 9 gelieferten Steuerspannungen werden übrigens auch zur Steuerung von nachfolgend noch zu erwähnenden Relais- oder Torschaltungen 10 und zur Einspeisung in ebenfalls noch zu nennenden Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern 12, im folgenden DC-AC-Wandler 12 genannt, verwendet.
Außerdem sei noch hervorgehoben, daß die Steuersignale, in Abhängigkeit von der jeweiligen Phasenlage, entweder dem Summenpunkt 13a des Operationsverstärkers 5a für die Sinus-Steuerung U5 oder dem Summenpunkt 13b des Operationsverstärkers 5b für die Cosinus-Steuerung U c zugeführt werden können.
Die automatische Unterdrückung störender Blattschwingungen kann beispielsweise durch die auf der rechten Seite der-zeichnerischen Darstellung gezeigte Schaltungseinrichtung bewirkt werden.
Da bei der programmierten Unterdrückung störender Blattschwingungen diese nur für den in der Programmierung festgelegten Betriebsfall unterdrückt werden können (da ja die Blattschwingungsamplituden vom Rotorbetriebszustand abhängen), muß zur Unterdrückung störender Blattschwingungen unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand ein vollständiger Regelkreis mit der jeweiligen Blattschwingung als Regelkriterium vorgesehen werden.
Die Blattschwingung wird durch einen am Rotorblatt 7 angebrachten Dehnungsmeßstreifen (DMS) 8 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt. Die zu unterdrückende Blattschwingungsamplitude - in vorliegendem Fall die zweite Harmonische Blattschwingungsamplitude AM2.sin(2Wt + >2) - wird durch ein Bandfilter 18 ausgesiebt und mit Hilfe der vorstehend bereits erwähnten Relais-oder Torschaltungen 10 und durch nachgeschaltete Integratoren 11 in ihren Sinus- bzw. Cosinuskomponenten proportionale Gleichstromwerte verwandelt. Die von den Bandfiltern 9 gelieferten, die Relais- oder Torschaltungen 10 steuernden Steuerspannungen sorgen dafür, daß die Relais-oder Torschaltungen 10 phasenrichtig arbeiten.
Die Gleichstromwerte werden in den schon erwähnten DC-AC-Wandlern 12 in phasenreine Sinus- bzw. Cosinus-Wechselspannungen (in vorliegendem Beispiel mit der Frequenz 1W) umgewandelt, deren Amplituden den entsprechenden Gleichstromwerten proportional sind. Die so gewonnenen Regelspannungen werden über regelbare Vorwiderstände 17 dem Summenpunkt 13b des Operationsverstärkers 5b zugeführt.
Der zur Blattschwingungsamplitude antizyklische Steuereingriff bewirkt ihre Unterdrückung bis auf einen kleinen Restwert, der mit der Regelkreisverstärkung bestimmt werden-kann.
Im Gegensatz zu den Gleichspannungssignalen c und U 5 können Wechselspannungssignale einer Schwingungskomponente (in der Zeichnung nicht dargestellt) je nach Phasenlage dem Eingang der Sinus- oder der Cosinus-Steuerung zugeführt werden.

Claims

Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers, wobei die zyklische Einstellwinkeländerung durch konstante, die Schrägstellung einer Taumelscheibe oder dergleichen bewirkende Signale hervorgerufen wird, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß den konstanten Signalen von der Rotordrehfrequenz abgeleitete, am Rotorblatt auftretende Störschwingungen dämpfende oder unterdrückende sinusförmige Signale überlagert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch 9 e k e n n z e i c h -n e t , daß die sinusförmigen Signale elektrische Signale sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch 9 e k e n n z e i c h -n e t ; daß das elektrische Signal die Form f(t) 9 U sin n (Wt + #n) aufweist, wobei U 8 Spannung, n - ein ganzzahliger Faktor (bei harmon. Schwingungen) oder ein nicht-ganzzahliger Faktor (bei nicht-harm. Schw.), auch "Index für Frequenzkomponenten" genannt, CJ= Drehfrequenz des Rotors, wt = der vom Rotor in der Zeit t durchlaufene Winkel und Phasenlage der Phasenlage der jeweiligen Frequenzkomponente ist.
einem der 4. Verfahren nach/Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Steuersignale zur Erzielung einer definierten Phasenlage zur Rotordrehung mit Hilfe von Bandfiltern (9) von einem mit dem Rotor starr verkoppelten Impulsgeber (6) abgeleitet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß an den Summenpunkten (13) elektrischer Verstärker (5) gleichzeitig eine Vielzahl von Steuersignalen unterschiedlicher Frequenz ein gespeist werden (können).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die erzeugten Signalspannun en durch dem Summen-bzw. 17) punkt (13) vorgeschaltete Vorwiderstände derart geregelt werden, daß man für einen bestimmten Betriebszustand eine bestimmte Dämpfung der Rotorblattschwingung erreicht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 9 e -k e n n z e i c h n e t , daß die Steuersignale von der Rotorblattstellung abgeleitet werden und ein geschlossener Regelkreis gebildet wird, durch den innerhalb bestimmter Betriebszustände auftretende Blattschwingungen automatisch gedämpft bzw. unterdrückt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die zu unterdrückenden Schwingungskomponenten mit Hilfe von Bandfiltern (9) aus den von einem Geber (8) in elektrische Analogwerte umgewandelten Rotorblattschwingungen ausgesiebt und durch rotorgesteuerte Torschaltungen (10) und Integratoren (11) in den Sinus- bzw. Cosinus-Komponenten proportionale Gleichstromwerte umgewandelt werden, und daß diese Gleichstromwerte in Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern (12) in äquivalente Sinus- bzw. Cosinus-Spannungen mit einer um die Rotorfrequenz herabgesetzten Frequenz umgesetzt und anschließend dem Summenpunkt (13) des Verstärkers (5) zugeleitet werden.