DE2736409C2

DE2736409C2 - Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Fluggerätes, insbesondere eines Hubschraubers

Info

Publication number: DE2736409C2
Application number: DE2736409A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8000 München 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: 1984-03-22
Also published as: DE2736409A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eines Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers, wobei die zyklische Einstellwinkeländerung durch entsprechende, bei einer Taumelscheibenanordnung, deren Schrägstellung bewirkende Stellsignale 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 ⁵^ 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 Ver-Schiebung der Taumelscheibe werden die Rotorblattelnstellwlnkel aller Rotorblätter gleichmäßig verstellt (»kollektive Steuerung«). Beim Kippen der Taumelscheibe werden die Rotorblatteinstellwinkel nach einer Slnusfunktlon mit einer der Rotordrehfrequenz entsprechen- ^b0 den Verstellffeqüenz Verstellt (»Ιω-Steüeruüg«).

Es ist auch eine Taumelscheihensteuerung bekannt, wobei der Rotorblatteinstellwinkel während einer Umdrehung des Rotorblattes zweimal geändert wird (»2ω-Steuerung«). Diese Taumelscheibensteuerung wird Insbe- ^b5 sondere bei dem von der Firma FAIRCHILD entwickelten sogenannten Reserve-Veloclty-Rotor verwendet und soll höhere Fluggeschwindigkeiten ermöglichen.

Die bekannten Rotorblattsteueruiigen weisen jedoch den Nachteil auf, daß an den kotorblättcrn unkontrolliert auftretende Schwingungen nicht unterdrückt werden können. Solche Schwingungen beanspruchen die Struktur des Rotorblates, 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 für die Rotorsteuerung erforderlichen Steuereingaben möglichst vollständig unterdrückt und somit die dynamischen Rotorblattbelastungen vermindert werden, und andererseits für Versuchszwecke, beispielsweise zur Bestimmung der 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. periodische wirkenden Sinus- und/oder 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 Blatt-

schwingungen abgeleitet. Die Rückführung der yon den Blattschwingungen abgeleiteten Signale auf die Verstär-

·- kereingänge ergibt einen geschlossenen Regelkreis und damit eine automatische Unterdrückung von. Blatt- :- schwingungen. Unabhängig voneinander kann für die j einzelnen Schwingungskomponenten die feste Einstel- : lung oder die automatische Steuerung gewählt werden.

:'■■ Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

• fahrens erforderiiche Einrichtung ist technisch wenig aufwendig sehr flexibel und vielseitig verwendbar und funktionssicher.

^r, Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen

■; Verfahrens beruht darin, daß sich durch die Taumelscheibenkinematik aus den Steuerfrequenzen Blattver- : Stellfrequenzen ergeben, die um die Rotorörehfrequenz : höher liegen. Daraus ergibt sich wiederum die Möglichkeit, mit den in ihrem praktisch verwendbaren Frequenzbereich stark eingeschränkten Stellgliedern relativ hohe '.' Verstellfrequenzen zu erzielen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfingungsgegenstandes W; ist in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der schein matischen Zeichnung dargelegt.

' Im durch eine strickpunktierte Linie eingerahmten

mittleren Bereich der Zeichnung ist im wesentlichen eine ' ■ bekannte elekrohydraulische Hubschrauber-Steuerung dargestellt, wobei lediglich eine Taumelscheibe 1, zyklische Actuators la bzw. 26, Servoventil 3<z bzw. 36. Weggeber 4a bzw. 46 sowie Operationsverstärker 5a bzw. 5b gezeigt sind.

Die zyklischen Actuators la bzw. 26"werden durch die Operationsverstärker Sa bzw. Sb gesteuert.

Die von einem (hier nicht dargestellten) Steuerknüppel betätigten (ebenfalls hier nicht dargestellten) Winkelgeber kommenden elektrischen Steuersignale, nämlich die Signale der Sinus-Steuerung U, (Rollsteuerung) und die Signale der Cosinus-Steuerung U_c (Nicksteuerung) werden am Summenpunkt 13a bzw. 136 der Operationsverstärker 5σ bzw. 56 eingespeist. Die Steuersignale U, und U_c betätigen die Servoventile 3a bzw. 36, und diese wiederum die Actuators la bzw. Ib, durch die eine Schrägstellung der Taumelscheibe 1 und dadurch eine einmalige Änderung der Blatteinstellwinkel je Rctordrehung herbeigeführt werden.

Die Eingabe einer Wechselspannung mit der Frequenz (ti| bewirkt eine rhythmische Änderung dieser Schrägstellung und dadurch eine um die Rotordreh frequenz höhere Blattverstellfrequenz (ωι»,.,,

An den Summenpunkten 13a bzw. 136 können unabhängig voneinander mehrere Steuersignalspannungen eingespeist werden. Über tieren Frequenzen, Amplituden und Phasenlagen kann frei verfügt werden.

Die Bewegungen der Actuators la bzw. Ib 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 Rolorachse 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" verset/.i angerdncten feststehenden Impulsaufnehmern 14 und 15. O'.c Impulsaufnehmer 14 und 15 sind nach den Flugzcugaehsen so orientiert, daß von dem Impulsaufnehmer 14 phi jenreine Cosinus-Spannungen und von dem Inipulsaufnchmcr 15 phascnrcinc Sinus-Spannungen - bezogen auf die Rotorstellung - geleitel werden können.

Die vom Frequenzgenerator 6 erzeugten Harmonischen der Rotordrehfrequenz werden mit Hilfe von Bandfiltern

-, 9 in Sinuskomponenten (U sin tot, U sin liot, U sin 3ωΐ...) und Cosinuskomponenten (U cos tot, U cos Iwt, U cos 3ω/...) zerlegt. Diese Sinus- und Cosinuskomnonenten werden sowohl für die (durch die auf der Zeichnung links des strichpunktierten Kastens dargestellte

in Schaltung bewirkte) programmierte Unterdrückung von Blattschwingungen, als auch für die (durch die auf der Zeichnung rechts des strichpunktierten 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 bestimmte ; Flugbedingungen können die von den Bandfiliem 9 ^!'«ferten Steuersignalspannungen über regelbare Vorwiderstände 16 bzw. 17 direkt auf die Summenpunkte 13a bzw. 136 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. 136 zusammengeführt. Die Einstellung

JO der Amplituden erfolgt durch die bereits erwähnten Vorwiderstände 16 bzw. 17 der Summenpunkte 13σ bzw. 136.

Die von den Bandfiltern 9 gelieferten Steuersignalspannungen werden übrigens auch zu Steuerung von nachfolgend noch zu erwähnenden Relais- oder Torschaliungen 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 Steuer-•>o signale in Abhängigkeit von der jeweiligen Phasenlage, entveder dem Summenpunkt 13a des Operationsverstärkers 5a für die Sinus-Steuerung U_s oder dem Summenpunkt 136 des Operationsverstärkers 53 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 w Blattschwingungen diese nur für den in der Programmierung festgelegten Betriebsfall unterdrückt werden können ( da ja die Blattschwingungsamplituden vom Rotorbetrie*s.'.ustand 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 Blattschwingungsamplitiide - In vorliegendem Fall die zweite Harmonische Blattscl.-wingungsamplitude M₂ ■ sin(2oji +ψ₂) - wird durch Bandfilter 18 ausgesiebt und mit Hilfe der vorstehend bereits erwähnten ⁶> Relais- oder Torschaliungen 10 und durch nachgeschaltete Integratoren II in ihren Sinus- bzw. Cosinuskomponenlen proportionale Gleichstromwerte verwandell. Die von den Bandfiltern 9 gelieferten, die Relais- oder Tor-

schaltungen 10 steuernden Steuersignalspannungen sorgen dafür, daß die Relais- oder Torschaltungen IO 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 lit») umgewandelt, deren Amplituden den entsprechenden Gleichstromwerten proportional sind. Die so gewonnenen Regelspannungen werden über regelbare Vorwiderstande 17 dem Summenpunkt 136 des Ope rationsverstärkers Sb zugeführt.

Der zur Blattschwingungsamplitudc antizyklischc Steucrelngrlff bewirkt Ihre Unterdrückung bis auf einen kleinen Restwert, der mit der Regelkrcisverstürkung bestimmt werden kann.

Im Gegensatz zu den Gleichspannungssignalen U₁ und U, können Wechselspannungssignale einer Schwingungskomponente (In der Zeichnung nicht dargestellt) je nach Phasenlage dem Eingang der Sinus- oder der Cosinus-

to Steuerung zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur zyklischen Änderung des Einstellwinkels des Rotorblattes eine Fluggeräts, insbesondere eines Hubschraubers, wobei die zyklische Einstellwinkeländerung durch entsprechende, bei einer Taumelscheibenanordnung rotordrehzahlunabhängfge, deren Schrägstellung bewirkende Stellsignale hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß den Stell-Signalen von der Rotordrehfrequenz abgeleitete, am Rotorblatt auftretende Störschwingungen dämpfende oder unterdrückende, sinusförmige Steuersignale überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale elektrische Signale sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal die Form

/(O = U sin η (tot + ψ_η)

aufweist, wobei U = Spannung,

η = ein ganzzahliger Faktor (bei harmon. Schwingungen) oder ein nicht-ganzzahliger Faktor (bei nlcht-harm. Schw.), auch »Index für Frequenzkomponenten« genannt,

ω = Drehfrequenz des Rotors,

ωΐ= der vom Rotor In der Zeit t durchlaufende Winkel und

φ_Λ = Phasenlage der jeweiligen Frequenzkomponenie ω ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale zur Erzielung einer definierten Phasenlage zur Rotordrehung mit i> Hilfe von BandfUtern (9) von einem mit dem Rotor starr gekoppelten Impulsgeber (6) abgeleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Summenpunkten (13) elektrische Verstärker (5) gleichzeitig eine Vielzahl von Steuersignalen unterschiedlicher Frequenz eingespeist werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Steuersignalen entsprt ^henden Spannungen durch dem Summenpunkt (13) vorgeschaltete Vorwiderstände (16 bzw. 17) derart geregelt werden, daß für einen bestimmten Betriebszustand eine bestimmte Dämpfung der Rotorblattschwingung erreicht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale von der Rotorblattstellung abgeleitet werden und ein geschlossener Regelkreis gebildet wird, durch den innerhalb bestimmter Betriebszustände auftretende Blattschwingungen automatisch in der Weise gedämpft bzw. unterdrückt werden, daß die zu unterdrückenden Schwingungskomponenten mit Hilfe von Bandfiltem (9) aus den von einem Geber (8) in elektrische Analogwerte umgewandelten Rotorblattschwingungen ausgesiebt und durch rotorgesteuerte Torschaltunngen (10) und Integratoren (11) in den Sinus- bzw. Crsinus-Komponenten proportionale Gleichstromwerte umgewandelt werden, und daß diese Gleichstromwerte in Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlem (12) in äquivalente Sinus- bzw. Cosinus-Spannungen mit einer um die Rotorfrequenz herabgesetzten Frequenz umgesetzt und anschließend am Summenpunkt (13) eines Verstärkers (5) den Stellsignalen überlagert werden.