DE2849171C2

DE2849171C2 - Gegendrehmomenteinrichtung bei einem mechanisch angetriebenen

Info

Publication number: DE2849171C2
Application number: DE2849171A
Authority: DE
Inventors: Andrew Hance Rancho Palos Verdes Calif. Logan; Richard Edward Los Angeles Calif. Moore
Original assignee: Hughes Helicopters Inc
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1977-12-21
Filing date: 1978-11-13
Publication date: 1983-10-06
Also published as: FR2412462A1; GB2012223A; US4200252A; IT7831058A0; GB2012223B; IT1101191B; DE2857901A1; JPS54100098A; FR2412462B1; DE2849171A1

Description

-τ- ■ ■_, c, «- · ι Gasdichte der Strahlströmung

Tnebkraftkoeffizient = 2 x - x

Luftdichte

' Strahlausströmgeschwindigkeit

Rotorabwindgeschwindigkeit

eit_V it / Düsenbreite
Rumpfdurchmesser

wobei die Düsenausströmgeschwindigkeit zwischen dem 2,5- und 4,5fachen der Geschwindigkeit des Rotorabwindes und die Düsenbreite zwischen 4,0 und 20,0 mm liegt

2. Gegendrehmomenteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenausströmgeschwindigkeit der nach unten gerichteten Düse zwischen 30 und 120 m/sec liegt.

3. Gegendrehmomenteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gebläse ein Unterschall-Niederdruckgebläse (32) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Gegendrehmomenteinrichtung bei einem mechanisch angetriebenen Hubschrauberrotor als Ersatz für den herkömmlichen Heckrotor. Die Erfindung geht aus von der Gegendrehmomenteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des An-Spruchs 1.

Die Vorteile der NichtVerwendung des herkömmlichen Heckrotors eines Hubschraubers sind seit langem bekannt. Der wichtigste Vorteil ist die erhöhte Sicherheit insbesondere für das Bodenpersonal. Beim *o Heckrotor bestehen ferner Zuverlässigkeits- und Wartungsproblemc wegen der Notwendigkeit der Verwendung mehrerer Winkelgetriebe, Lager und Wellen für hohe Drehzahlen. Bei Militärhubschraubern ist die Verletzlichkeit des Heckrotors von Nachteil, insofern, als ein direkter Schlag gegen den Heckrotor einen plötzlichen und vollständigen Verlust der Gegendrehmomentkraft mit katastrophalen Folgen verursachen kann.

In der US-PS 30 59 877 ist eine Hubschrp.uber-Gegendrehmomenteinrichtung gezeigt, die am' dem Prinzip des Magnuseffektes beruht. Danach wird das Abgas von dem Haupttriebwerk nach rückwärts durch einen Kanal zu einer Kammer im Heckabschnitt des Rumpfes geleitet, aus welcher es durch sich in der Längsrichtung erstreckende Düsenschlitze, die im Abwind des Hauptrotors angeordnet sind, tangential ausströmen kann. Diese tangentialen Luftströme bewirken eine Umlenkung des Rotorabwindes, was seinerseits eine Körperkraft in der zur Umlenkung entgegengesetzten M) Richtung zur Folge hat. Diese Körperkraft hängt von einigen Parametern wie der Stärke der tangentialen Strahlströmung mit Bezug auf den Rotorabwind, ihrer Lage, Richtung und Dichte ab.

Es ist bekannt, daß bei hohen Fluggeschwindigkeiten der Abwind des Hauptrotors nicht um den Heckabschnitt des Rumpfes herumströmt. Der Rumpf bewegt sich aus dem Abwind, bevor dieser ihn erreichen kann.

Daher kann man sich nicht darauf verlassen, durch eine Gegendrehmomenteinrichtung nach dem Prinzip des Magnuseffektes ausreichende Gegendrehmomentkräfte bei hohen Fluggeschwindigkeiten zu erhalten.

Eine Hubschrauber-Gegendrehmomenteinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche das Prinzip des Magnuseffektes mit einem Rückstoßstrahl kombiniert, ist in der US-PS 38 07 662 offenbart. Nach dieser Patentschrift werden ein vom Hauptrotor angetriebenes axiales Turboverdichtergebläse und ein Diffusor verwendet, um Luft von hoher Geschwindigkeit einer Düse von veränderlicher Geometrie am Ende eines erweiterten Kanals zuzuführen, der sich durch den Leitwerksträger erstreckt. Eine Staffelung drehbarer Blätter, die im Leitwerksträger an seinem Ende angeordnet ist, ermöglicht die Erzeugung entweder einer Gegendrehmomentkraft oder ~ine:> Vorwärtsantriebsschubes wahlweise oder beides. Zusätzlich wird nach der letztgenannten US-PS das Prinzip des Magnuseffektes in der Weise angewendet, daß Düsenschlitze vorgesehen sind, die sich in der Längsrichtung entlang des Leitwerksträgers innerhalb des Bereichs maximaler Geschwindigkeit des Abwindes der Hauptrotorblätter erstrecken. Ein Teil der Hochdruckluft, die durch das Verdichtergebläse erzeugt wird, wird durch die Düsenschlitze tangential zur Oberfläche des Leitwerksträgers abgeleitet, um ein Gegendrehmoment nach der beschriebenen Art zu erzeugen.

Zum Anmeldezeitpunkt der US-PS 38 07 662 wurde allgemein angenommen, daß ein wirksames Gegendrehmoment aufgrund des Magnuseffektes nur erhalten werden kann, wenn die Luft mit Geschwindigkeiten, die der Schallgeschwindigkeit angenähert sind, durch extrem schmale Düsenschlitze in der Größenordnung von 0,5 mm zum Austreten gebracht wird. Zur Erzeugung dieser Luftströmung von sehr hoher Geschwindigkeit bedurfte es einer hohen Leistung, weswegen die Verwendung eines Überschallgebläses

von hohem Druckverhältnis vorgesehen wurde, wie es gewöhnlich in modernen Turbofan-Motoren verwendet wird. Außerdem bestand die Möglichkeit, daß die extrem schmalen Düsenschlitze verstopften oder sich ihre kritischen Abmessungen veränderten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach den Prinzipien der US-PS 38 07 662 arbeitende Hubschrauber-Gegendrehmomenteinrichtung so weiterzubilden, daß sie einen geringeren Leistungsbedarf hat, so daß sie gegenüber einer üblichen Heckrotoranordnung konkurrenzfähig wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Gegendrehmomenteinrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die vorerwähnten Mängel die bei den geschilderten, heckrotorlosen Gegendrehmomenteinrichtungen bestehen, sind durch die Erfindung weitgehend überwunden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß wirksame Gegendrehmomentkräfte aufgrund des Magiuseffektes durch ausreichend hohen Massenaustrag aus der Tangentialdüse erzeugt werden können, unter Einhaltung der Beziehungen, wie sie im Anspruch 1 angegeben sind. Dabei sind Düsenschlitze möglich, die zehnmal breiter als diejenigen sind, welche bei den bekannten Einrichtungen verwendet wurden, während die vorliegend auftretenden Strahlausströmgeschwindigkeiten nur ein Viertel oder ein Fünftel der bisherigen betragen.

Da die erforderliche Leistung sich etwa mit der dritten Potenz der Strahlausströmgeschwindigkeit verändert, läßt sich erkennen, daß die erfindungsgemäße Drehmomenteinrichtung nur einen kleinen Bruchteil der Leistung erfordert, die bei den bekannten Einrichtungen notwendig war.

Da ein Gebläse von verhältnismäßig niedrigem Druckverhältnis verwendet werden kann, um die Luftströmung zu erzeugen, besteht kein Bedarf für einen Diffusor, wie er bisher notwendig war. Die erfindungsgemäße Drehmoinenteinrichtung verwendet Strahlausströmgeschwindigkeiten, die gewöhnlich im Bereich von 30 bis 120 m/sec liegen, im Gegensatz zu den bei den bekannten Einrichtungen verwendeten Schallgeschwindigkeiten.

Bei einer typischen Anwendung liegt die Breite der erfindungsgemäß verwendeten Düsenschlitze im Bereich von 4 bis 20 mm im Gegensatz zu dem 0,5 mm breiten Düsenschlitz, wie er bei der bekannten Einrichtung verwendet wurde. Die genaue Breite des Düsenschlitzes ist daher erfindungsgemäß viel weniger kritisch und die Möglichkeit seiner Verstopfung mit w Fremdkörpern ist wirksam ausgeschaltet.

Die am Ende des Leitwerksträgers zusätzlich angeordnete Schubdüse liefert die zusätzliche Trimm-Gegendrehmomentkraft sowie die Manövierkraft, insbesondere beim schnellen Vorwärtsflug, wenn die Rotorabwinde die Tangentialdüse nicht mehr erreichen. Diese Schubdüse wird ausschließlich für die Erzeugung von Gegendrehmomentkräften verwendet und nicht für Vorwärtsschub. Es ist daher nicht notwendig, einen Mechanismus zum Drehen der Blätter vorzusehen, wie dies bei den bekannten Einrichtungen erforderlich war. Das durch die Schubdüse im Heck erzeugte Drehmoment wird durch Drosseln des Austrittsquerschnitts gesteuert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einziger Düsenschlitz im Leitwerksträger verwendet, der um 140° verdreht von der oberen vertikalen Mittellinie angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform beträgt der mittlere Triebkraftkoeffizient, wie er im Anspruch 1 definiert ist, etwa C,4 und das Verhältnis der Slrahlausströmgeschwindigkeit zur maximalen Rotorabwindgeschwindigkeit etwa 3,5. Ein Düsenschlitz mit einer Breite von etwa 6 mm wird bei einer Auslrittsgeschwindigkeit von etwa 69 m/sec verwendet Diese Ausführungsform scheint für einen bestehenden Hubschrauber optimal zu sein, wobei andere Ausführungsformen für andere Hubschrauber optimal sein können.

Durch die Erfindung ist eine auf dem Prinzip des Magnuseffekts beruhende Gegendrehmomenteinrichtung wettbewerbsfähig mit dem in herkömmlichen Hubschraubern verwendeten Heckrotor. Der Heckrotor kann daher ohne Nachteile hinsichtlich des Gewichts oder zusätzlicher Leistungsanforderungen ersetzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Hubschraubers mit der erfindungsgemäßen Gegendrehmomenteinrichtung, und

F i g. 2 einen Querschnitt des Rumpfes nach der Linie 2-2 in Fig. 1 in schematischer Darstellung, welche die Wirkung der längsgestreckten Düse auf die Strömung des Abwindes um den Rumpf herum zeigt.

In den Zeichnungen ist in F i g. 1 ein Hubschrauber 12 von der Art gezeigt, bei welcher die Erfindung verwendet wird. Der Hubschrauber 12 besitzt einen Hauptrotor 14. der sich im Gegenuhrzeigersinn um eine Achse durch seine Mitte 16 dreht. Unter dem Hauptrotor 14 ist ein allgemein mit 18 bezeichneter Rumpf aufgehängt. Der Rumpf 18 umfaßt eine Kabine 20, in welcher der Pilot sitzt, und ferner einen langgestreckten Teil 22. der sich von unterhalb der Mitte 16 des Hauptrotors nach rückwärts zu einem Heckende 24 des Rumpfes erstreckt. Der langgestreckte Teil 22 des Rumpfes erstreckt sich innerhalb des Bereiches, durch welchen der Rotorabwind 26 hindurchtritt, wenn der Hubschrauber sich im Schwebeflug befindet, wie sich aus Fig. 2 ergibt. Der Rumpf 22 enthält ferner das Haupttriebwerk 28 und ein Getriebe 30. Der Rumpf enthält außerdem ein Unterschall-Niederdruckgebläse 32. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Gebläse 32 über das Getriebe 30 durch das Haupttriebwerk 28 angetrieben. Bei anderen Ausführungsformen kann das Gebläse 32 durch sein eigenes gesondertes Triebwerk angetrieben werden.

Wie nachfolgend näher beschrieben wird, hat das Gebläse 32 die Aufgabe, Luft in eine Kammer innerhalb des Heckteils des Rumpfes 22 zu blasen, so daß in dieser Kammer ein Überdruck aufrechterhalten wird. Die Kammer dient als Druckmittelquelle und wird dazu verwendet, Druckluft einer sich im wesentlichen in Längsrichtung des Rumpfes erstreckenden, tangential nach unten gerichteten Düse 34 sowie einer quergerichteten Schubdüse 36 am Heckende 24 des Rumpfes 22 zuzuführen. Die Schubdüse 36 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform so vorgesehen, daß Luft in einer seitlichen Richtung von beiden Seiten des Rumpfes wahlweise austreten kann. Bei dieser Ausführungsform bcfinuet sich der Hauptluftaustritt auf derjenigen Seite des Rumpfes, die der Seite entgegengesetzt ist, auf welcher die längsgestreckte Düse 34 angeordnet ist so daß der Rückstoß, der durch die Schubdüse 36 erzeugt wird, und die durch die Düse 34 erzeugte Kraft in

Kombination die Neigung des Rumpfes überwinden, sich, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn zu drehen. Daher ist der Austrittsquerschnitt der Schubdüse, die auf der linken Seite des Hubschraubers vorgesehen ist, normalerweise größer als der Austrittsquerschnitt auf der rechten Seite des Hubschraubers. Der Austrittsquerschnitt auf der rechten Seite des Hubschraubers wird hauptsächlich verwendet, wenn sich der Hauptrotor 14 im Freilauf befindet, in welchem Falle der Rumpf eine gewisse Neigung hat, sich, von oben gesehen, im _]0 (j Gegenuhrzeigersinn zu drehen.

Wie F i g. 2 gezeigt, erzeugt der Hauptrotor 14 einen Abwind 26, der normalerweise um die Seiten des Rumpfes 22 herum nach unten strömt und sich unterhalb des Rumpfes wieder vereinigt. Die Düse 34 ist so gerichtet, daß eine dünne Luftschicht 35 im wesentlichen tangential zum Rumpf 22 nach unten austritt. Da sich die austretende Luftschicht schneller als der Abwind bewegt, wird infolge des Bernoulli-Effektes auf der rechten Seite des Rumpfes ein geringerer Druck als auf der linken Seite des Rumpfes ausgeübt. Daher wird eine Kraft 38 auf den Rumpf ausgeübt, welche das Bestreben hat, diesen nach rechts zu schieben, wie in Fig.2 gezeigt, wodurch wiederum der Neigung des Rumpfes entgegengewirkt wird, sich im Uhrzeigersinn, von oben gesehen, zu drehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse 34 um etwa 140° von der Oberseite des Rumpfes nach unten gedreht, wie in F i g. 2 gezeigt.

Es wurde experimentell festgestellt, daß Winkel zwischen 70 und 160° zu bevorzugen sind.

Die Stärke der Ausströmung durch die Düse 34 läßt sich durch die Düsenbreite, die Ausströmgeschwindigkeit und durch die Dichte des ausströmenden Fluids charakterisieren. Es ist zweckmäßig, die Stärke der Ausströmen durch eine einzige Zahl auszudrücken, die als Triebkraftkoeffizient bezeichnet wird. Der Vorteil der Beschreibung der Ausströmung durch den Triebkraftkoeffizienten besteht darin, daß experimentelle Ergebnisse unabhängig von der Hubschraubergröße sind.

In der Beschreibung wird der Triebkraftkoeffizient wie folgt definiert

Triebkraftkoeffizient = 2 χ

Gasdichte der Strahlströmung Luftdichte

/ Strahlausströmgeschwindigkeit V Düsenbreite

V Rotorabwindgeschwindigkeit / Rumpfdurchmesser '

Es wurde experimentell festgestellt, daß brauchbare Werte des Triebkraftkoeffizienten im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 liegen, wobei das Optimum bei etwa 0,4 liegt.

Solche Werte des Triebkraftkoeffizienten sind für einen erfolgreichen Betrieb der Gegendrehmomenteinrichtung erforderlich und natürlich können solche Werte durch unterschiedliche Kombinationen von Düsenbreiten und Ausströmgeschwindigkeiten erhalten werden. Wie eingangs beschrieben, wurden bei den bekannten Einrichtungen extrem schmale Düsenbreiten und extrem hohe Ausströmgeschwindigkeiten verwendet — eine Kombination, die für den Betrieb große Leistung erfordert, da sich die erforderliche Leistung etwa mit der dritten Potenz der Ausströmgeschwindigkeit verändert.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine viel größere Düsenbreite verwendet werden kann. Erfind'ingsgemäß werden Düsenbreiten von 4,0 bis 20,0 mm in Verbindung mit Ausströmgeschwindigkeiten zwischen dem 2,5- und 4,5fachen der Rotorabwindgeschwindigkeit, d. h. in typischen Anwendungsfällen von 30 bis 120m/sec verwendet. Dies steht in krassem Gegensatz zu den Düsenbreiien in der Größenordnung von 0,5 mm und Ausströmgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 300 m/sec, wie sie bei früheren Gegendrehmomenteinrichtungen verwendet wurden. Die erfindungsgemäße Einrichtung erfordert daher weniger als ein Drittel der Leistung, wie sie bei einer typischen bekannten Einrichtung notwendig war.

Wenn sich der Hubschrauber im Schwebeflug befindet, ist der Abwind vom Hauptrotor 14 vorherrschend nach unten gerichtet. Die längsgestreckte Düse wird an einer Stelle des Rumpfes angeordnet, die normalerweise im stärksten Bereich des Abwindes liegt, wenn sich der Hubschrauber im Schwebeflug befindet. Eine abweichende Situation liegt jedoch vor, wenn sich der Hubschrauber bewegt, besonders mit hohen Geschwindigkeiten. Bei hohen Geschwindigkeiten kann

_J5 die horizontale Geschwindigkeitskomponente des Abwindes die vertikale Geschwindigkeitskomponente überschreiten. Die Folge hiervon ist, daß, wenn sich der Hubschrauber schnell durch die Luft bewegt, der Abwind u. U. die lineare Düse nicht mehr erreichen

_4U kann. Ähnliche Verhältnisse können vorliegen, wenn der Hubschrauber niedergeht, besonders wenn sich der Hauptrotor 14 während des Niedergangs im Freilauf befindet. Unter solchen Bedingungen wird die Wirksamkeit der Gegendrehmomenteinrichtung stark verringert oder ausgeschaltet, und wenn die Gegendrehmomenteinrichtung sowohl bei hohen Fluggeschwindigkeiten als auch bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten verwendbar sein soll, so muß eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung von Gegendr-hmomentkräften vorgesehen werden. Diese zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung von Gegendrehmomentkräften ist die erwähnte Schubdüse 36, die in der Nähe des Heckendes des Rumpfes angeordnet ist.

Unter den meisten Flugbedingungen wird der größere Teil der Gegendrehmomentkraft durch die längsgestreckte Düse 34 erzeugt Diese Gegendrehmomentkraft wird durch die Schubdüse 36 erhöht, wenn Flugbedingungen dies erfordern, und von der Kabine aus kann sowohl der Betrag als auch die Richtung der durch die Schubdüse bewirkten Gegenkraft gesteuert werden.

Hierzu 1 BIaU Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gegendrehmomenteinrichtung bei einem mechanisch angetriebenen Hubschrauberrotor mit einer sich im wesentlichen in Längsrichtung des Rumpfes auf dessen einen SeUe erstreckenden, tangential nach unten gerichteten Düse, die von einem Gebläse gespeist wird, sowie mit einer dem Rotordrehmoment entgegenwirkenden Schubdüse im Heckbereich des Rumpfes, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Luftstrahls aus der tangential nach unten gerichteten Düse (34) einen Triebkraftkoeffizienten von 0,2 bis 0,8 aufweist, mit