DE2951795A1

DE2951795A1 - Verfahren zum feststellen von konkaven teilen auf einem faserwickelweg einer dreidimensionalen profilierten flaeche

Info

Publication number: DE2951795A1
Application number: DE19792951795
Authority: DE
Inventors: David Harvey Blaney
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-07-03
Also published as: BR7908386A; FR2444562A1; CA1165104A; FI82296C; IT7928112A0; SE7910361L; IL58875A; IT1125927B; KR880001892B1; DK150972C; DK541179A; NL188241C; IN154454B; AU5342679A; DK150972B; JPS5598057A; NL7909018A; SE441823B; FI793947A; FR2444562B1

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren zum Feststellen von konkaven Teilen auf einem Faserwickelweg einer dreidimensionalen profilierten Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf den Entwurf und die Herstellung von Flügelprofilformstücken und betrifft insbesondere aus Verbundfasern gewickelte große Windturbinenrotorblätter. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Vermeiden des Problems des Uberbrückens, das auftritt, wenn die Verbundfaser über eine konkave Dornfläche gewickelt wird, um das Flügelprofilformstück herzustellen. Die Fasern, die während des Wickelvorganges unter Zugspannung stehen, werden einer konkaven Kontur oder einem Teil der Fläche nicht folgen, sondern eine Brücke bilden, was zum Auftreten von Hohlräumen in der Fläche führt, die die Blattkonstruktion schwächen.

Verfahren zum Herstellen von Flügelprofilteilen, wie Propeller- und Rotorblättern, sind bekannt und umfassen die Verwendung von Holz, Holzlaminaten, verschiedenen Metallen

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und in jüngerer Zeit die Verwendung von Verbundmaterialien, wie Fiberglas. Sehr große Rotorblätter, wie diejenigen, die in windgetriebenen Turbinengeneratoren benutzt werden, bringen aufgrund ihrer beträchtlichen Größe, die bis zu 91,4 m im Durchmesser reichen kann, besondere Probleme mit sich. Eine besondere Technik zum Einsparen von Kosten und Gewicht bei der Herstellung dieser Blätter ist ein Verfahren, bei welchem Fasern auf einen Dorn gewickelt werden. Ein Band oder eine Gruppe von parallelen, harzimprägnierten Fasern oder Fäden wird auf einen langsam rotierenden Dorn gewickelt. Das Band ist typischerweise etwa 5 cm breit und besteht aus mehreren Strängen, die jeweils von einer gesonderten Spule kommen. Jeder Strang besteht aus einer großen Anzahl von Fasern oder Fäden, so daß das Band viele tausend gesonderte Glasfasern oder -fäden enthält. Die Ablaufführung wird während der Dorndrehung so positioniert, daß der gewünschte Bandweg auf dem Dorn erzeugt wird. Das Überbrücken oder Wickeln über einem konkaven Bereich des Dorns tritt bei zylindrischen Formstücken nicht auf, es kann aber bei einem Windturbinenblatt erwartet werden, und zwar wegen der Blattverdrehung und wegen des Dickenverlaufes von der Wurzel zur Spitze, der nahe der Wurzel konkav ist. Bei einem Faserwickelwinkel von 30 bis 40 tritt die konkave Form auch längs des gewünschten Bandweges auf. Wenn eine Sektion längs des Bandweges geschnitten wird, wird die Sektion überbrückt, wenn ein Hohlraum zwischen dem Dorn und der fest über ihn gezogenen Faser oder dem fest über ihn gezogenen Faden vorhanden ist.

Das sichtbarste Problem, das durch das überbrücken verursacht wird, sind Hohlräume, die die Konstruktion schwächen. Die Hohlräume können mit Glas und Harz gefüllt werden, um einen massiven Aufbau zu schaffen, dadurch ergeben sich aber

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zusätzliches Gewicht und beträchtliche zusätzliche Kosten. Das überbrücken kann zu einer schlechten Faserverdichtung führen, wodurch das Verhältnis von Harz zu Glas erhöht wird und die Festigkeit verringert wird. Der Verlust an Faserkontrolle bedeutet, daß ein nichtabgestütztes Band dazu neigt, ein Seil zu bilden oder sich zu lösen.

Der Wickelwinkel der Fasern wird in der erforderlichen Weise durch die besondere Form und die Belastungen des Blattes festgelegt und kann über der Längsachse des Blattes verändert werden. Weiter beinhalten herkömmliche Wickelverfahren normalerweise mehrere Wickeldurchläufe, wodurch Schichten von Fasern aufgebaut werden, um das Flügelprofilstück zu bilden. In einigen Fällen können besondere Teile des Flügelprofilstückes oder des Blattes mehr Faserschichten als andere enthalten. Beispielsweise ist es bei Rotorblättern üblich, viel mehr Faserschichten auf das Innenbord- oder Nabenende als auf das Außenbordende aufzubringen, um die Konstruktionsfestigkeit zu verbessern und das Aufnehmen von Belastungen zu ermöglichen.

In vielen Fällen wird ein sogenannter Wickel- oder Anschlußring am Ende der Blätter benutzt, die Fasern werden während der Herstellung um den Ring gewickelt und nach der Herstellung am Ende des Blattes abgeschnitten. Dieses Verfahren ist ebenfalls bekannt.

In einigen Fällen können die Fasern in verschiedenen Durchläufen verschiedene Zusammensetzungen haben und bei verschiedenen Durchläufen können Fasern unterschiedlicher Dicke oder mit unterschiedlichen Abständen oder Winkeln benutzt werden. Ein übliches Verfahren besteht darin, einen Wickeldurchgang auf einem rechtsgängigen Schraubenlinienweg auszuführen und den nächsten Durchgang auf einem linksgängigen Schrauben-

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linienweg auszuführen.

Für große Blätter wird im allgemeinen eine massive Fläche als Dorn benutzt, auf den die Fasern gewickelt werden. Der Dorn kann beispielsweise ein Sperrholzrahmen sein, der mit Drahtgewebe und einem Gipsfüllstoff bedeckt ist, oder er kann aus Aluminium oder Kunststoff bestehen. In einigen Fällen ist ein Holmabschnitt innerhalb des Rotors oder des Flügelprofils zur Erhöhung der Festigkeit angeordnet, wobei Dornabschnitte neben dem Holm angeordnet sind. Nach der Herstellung kann der Dorn aus dem Inneren des Flügelprofils entfernt oder als bauliche Verstärkung darin belassen werden.

Die Erfindung wird zwar unter Bezugnahme auf mit Harz oder einem anderen Epoxidgrundmaterial überzogene Glasfasern beschrieben, es ist jedoch klar, daß andere Arten von Fasern und/oder Grundmaterialien in gleicher Weise benutzt werden können und daß einzelne oder mehrere Fasern bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden können.

Das überbrücken kann in einigen Fällen verhindert werden, indem der Wickelwinkel verändert wird, das ist aber nicht immer praktisch, da durch das Ändern des Wickelwinkels die Festigkeits- und Belastbarkeitseigenschaften des Rotors verändert werden. Eine andere Lösung besteht darin, den Flügelprofilentwurf zu modifizieren, das hat aber beträchtliche Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems und stellt nicht immer sicher, daß es nicht bei einem besonderen Wickelwinkel zum Auftreten der überbrückung kommt. Eine bessere Lösung besteht darin, im Voraus aus der Entwurfsgeometrie die örtlich begrenzten Bereiche des Doms zu bestimmen, wo es zum überbrücken kommen wird, und die Gestalt und die Entwurfsgeometrie sowie den Dorn so einzustellen, daß das überbrücken vermieden

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wird. Mit anderen Worten, das Festlegen eines Flügelprofils zum Vermeiden des Oberbrückens bedeutet, daß die Form etwas geändert wird, so daß sie längs irgendeines Bandweges nicht konkav ist. Flügelprofiländerungen, die aus der Überbrückungsfestlegung resultieren, treten hauptsächlich nahe der Hinterkante von Wurzelstationen auf und führen zu einer vernachlässigbaren Auswirkung auf die aerodynamische Leistung.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches bei der Herstellung von großen fasergewickelten Rotorblättern das überbrücken verhindert oder verringert.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird festgestellt, wo es zu einem überbrücken kommt, wenn eine Verbundfaser auf einen Dorn oder ein anderes profiliertes Gebilde gewickelt wird, und es werden geringfügige Änderungen in der Form des Dorns oder des Gebildes, auf das ein Faserverbundmaterial gewickelt wird, vorgenommen, um das überbrücken zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mittels welchem bestimmt wird, wo es bei der Herstellung einer Flügelprofilfläche durch das Wickeln eines Verbundfasermaterials auf einen Dorn zu einer Überbrückung kommen wird, und durch das die Kontur der Flügelprofilfläche modifiziert wird, um das überbrücken zu beseitigen. Das Verfahren umfaßt das Bestimmen der Flügelprofilfläche aus den Entwurfsdaten in irgendeinem gewählten Koordinatensystem, wie Zylinderkoordinaten, und das Auswählen von repräsentativen Koordinatenpunkten auf dem Flügelprofil in festgesetzten Intervallen. Beispielsweise wird eine Gruppe von Koordinatenpunkten durch den Schnitt von mehreren Längsebenen,

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die als Stringer bezeichnet werden, von denen jeder in einer Ebene liegt, die die Wickelachse enthält, mit mehreren als Abschnitten oder Stationen bezeichneten Ebenen, die zu der Wickelachse normal sind, festgelegt. In jedem Koordinatenpunkt werden zwei Geraden konstruiert, die in der Faserwickelebene liegen, wobei die erste Gerade an dem ausgewählten Koordinatenpunkt beginnt, sich in der Richtung des Faserwickelns erstreckt und in der Faserwickelebene liegt, während die zweite Gerade an dem ausgewählten Koordinatenpunkt beginnt und sich in der Faserwickelebene erstreckt, aber entgegengesetzt zu der Richtung des Faserwickeins, d.h. unter 180° gegen die Richtung der ersten Geraden. Beide Geraden werden verlängert, bis sie entweder den nächsten benachbarten Stringer oder die nächste benachbarte Station schneiden, die jeweils gewählt werden können. Die beiden Geraden verbinden dadurch den ausgewählten Koordinatenpunkt mit den Schnittpunkten mit den benachbarten Stringern oder Stationen. Wenn nun eine dritte Gerade konstruiert wird, die die beiden äußeren Punkte in bezug auf deren Abstand von der Wickelachse, d.h. die Schnittpunkte der Wickelebene mit den Stringern oder Stationen neben dem ausgewählten Koordinatenpunkt verbindet, wird der ausgewählte Koordinatenpunkt überbrückt, wenn er näher als die dritte Gerade bei der Wickelachse liegt. Die dritte Gerade wird auf einer Zeichnung in der Wickelebene konstruiert. Der Koordinatenpunkt muß, wenn er überbrückt wird, auf die Höhe der zweiten Geraden angehoben werden, damit das überbrücken vermieden wird. Dieses Verfahren wird dann für jeden Koordinatenpunkt wiederholt, mit Ausnahme der Grenzpunkte an den axialen Enden des Flügelprofilstückes. Das Verfahren kann von Hand unter Anwendung von Standardverfahren ausgeführt werden, vorzugsweise wird es aber mittels Standardcomputerverfahren automatisiert. Die Stringer und/oder Stationen brau chen weder eben noch parallel oder normal zu der Wickelachse

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zu sein. Das Verfahren ist für jedes Koordinatensystem, welches das Flügelprofilteil definiert, oder für jede gül tige geometrische Beschreibung der Flügelprofilfläche und des Bandwickelweges geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines als Beispiel gewählten Flügelprofilstückes, die die Wickelachse, die Stringer und die Stationen zeigt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils des FlügelprofilstückesvonFig. 1, die den Schnitt der Stringer und der Stationen zeigt,

Fig. 3 eine schematische Ansicht längs des Schnittes 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Computers zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung und

Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die Schritte zeigt, die bei der Ausführung des Verfahrens nach der Er findung unter Verwendung des Computers von Fig. 4 ausgeführt werden.

Wenn ein FJ ügelprofilstück für einen besonderen Zweck entworfen ist, beispielsweise als ein Rotorblatt zum Antreiben einer Windturbine, sind in dem Entwurf gewisse Begrenzungen ent halten, beispielsweise der Umriß, die Länge, die aerodyna-

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mische Leistung, das Gewicht, die Lastverteilung, usw. Die Herstellung des Blattes wird zwar bei dem Entwurf ebenfalls berücksichtigt, viele Parameter des Entwurfes können jedoch nicht geändert werden, obwohl der besondere Entwurf Schwierigkeiten bei der Herstellung des Blattes verursacht.

Bei großen Windturbinenblättern sind herkömmliche Fertigungsverfahren teuer und schwierig und es ist ermittelt worden, daß ein fasergewickeltes Blatt optimal ist. Das Wickeln hat jedoch unerwartete Schwierigkeiten aufgrund des oben beschriebenen Überbrückungsproblems mit sich gebracht. Die Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten ohne die Notwendigkeit eines vollständigen Umkonstruierens des Blattes oder Modifizierens des Dorns, auf den die Fasern basierend auf Testergebnissen gewickelt werden, und ohne gleichzeitig die aerodynamische Leistung des Blattes nennenswert zu beeinflussen. Das beschriebene Verfahren kann leicht an manuelle Techniken angepaßt werden, d.h. es kann von Hand unter Verwendung von geometrischen Standardprozeduren ausgeführt werden, wegen der angewandten iterativen Methode eignet es sich aber am besten für Rechengeräte. Das Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Schritte beschrieben, die beim Ermitteln des Ergebnisses von Hand ausgeführt werden, ein Computer kann aber dieselben Schritte schneller und wirksamer ausführen.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Teil eines typischen Flügelprofils, bei dem es sich hier um ein Rotorblatt 10 handelt. Eine besondere Pfeilung oder Kontur ist zwar nicht gezeigt, es ist jedoch anzunehmen, daß sich der Querschnitt des Blattes 10 in der Pfeilung und in der Abmessung über dessen axialer Länge ändert, da das Nabenende im allgemei nen dicker als die Außenbordspitze ist. Das Verfahren nach der Erfindung ist bei jedem herkömmlichen aerodynamischen

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Flügelprofilformstück anwendbar und braucht tatsächlich nicht auf Flügelprofile beschränkt zu werden, sondern kann bei jeder profilierten Fläche angewendet werden.

Nachdem das Blatt entworfen worden ist, ist es zum Wickeln des gewünschten aerodynamischen Formstückes aus Fasern oder Fäden erforderlich, einen Dorn zu konstruieren, auf den die Fasern oder Fäden gewickelt werden. Es hat sich gezeigt, daß das Herstellen des Dorns gemäß dem Entwurf aufgrund des überbrückungsproblems normalerweise zu Schwierigkeiten bei der Rotorblattherstellung führt und sich kein zufriedenstellendes Blatt ergibt. Es ist selbstverständlich möglich, den , Dorn nach seiner Herstellung manuell zu untersuchen, indem Beispielsweise eine gerade Kante längs der Wege benutzt wird, auf denen eine Faser gewickelt wird, und jedwede konkaven Teile korrigiert werden, diese Lösung ist aber offenbar äußerst zeitraubend und jede Korrektur des Dorns wird eine weitere überprüfung erfordern, um festzustellen, ob die Korrektur eines konkaven Teils einen anderen konkaven Teil erzeugt hat, wenn die Faser auf einem Rückweg gewickelt wird. Dieses Verfahren ist offensichtlich nicht akzeptabel.

Das Verfahren nach der Erfindung benutzt geometrische Standardtechniken, um aus den Entwurfsdaten und vor der Konstruktion des Dorns festzustellen, ob auf den Faserwickelwegen irgendwelche konkaven Teile vorhanden sind, und die Gestalt des Dorns kann vor dessen Herstellung korrigiert werden, um ein überbrücken zu vermeiden.

Der Blattentwurf wird häufig in Zylinderkoordinaten festgelegt, obgleich das Koordinatensystem irrelevant ist, da es nur einfacher mathematischer Schritte bedarf, um ein Koordinatensystem in ein anderes umzuwandeln. Unter der Annahme eines Zylinderkoordinatensystems werden i,-hrere . inger

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von Hand oder mittels Computer geometrisch konstruiert, gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, in einer Ebene, die auch die Wickelachse des Blattes enthält. Drei solche repräsentativen Stringer sind in Fig. 1 als Stringer A, B und C gezeigt. Diese Stringer liegen in Ebenen, die durch die Wickelachse gehen, es ist jedoch klar, daß die tatsächliche geometrische Form und die Anzahl der Stringer variabel ist. Die Stringer erstrecken sich vollständig über den Umfang des Flügelprofils. Die Stringer können in festgesetzten Intervallen angeordnet sein, beispielsweise alle 5 , oder sie können sich, beispielsweise alle 10°, längs relativ gerader Querschnitte des Blattes und alle 1/2° längs der Vorder- und der Hinterkante ändern, wo eine größere Flügelprofilkrümmung auftritt. Jeder Stringer liegt zwar gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, in einer Ebene, die die Wickelachse des Blattes enthält, die Stringer sind an ihrem Schnittpunkt mit dem Flügelprofil aber nicht parallel zu einander, was Fig. 2 zeigt, und können tatsächlich gekrümmte Linien sein, was von der Flügelprofilkrümmung abhängig ist. Beispielsweise wird sich ein Stringer längs der Flügelprofilvorderkante zweidimensional krümmen, da das Flügelprofil an seiner Spitze schmaler wird und über seiner Länge gepfeilt ist.

Ebenso sind in Fig. 1 mehrere Sektionen oder Stationen gezeigt, die mit 1, 2, ... 9 bezeichnet sind. Jede Station liegt in einer Ebene, die gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, zu der Wickelachse normal ist. Die Wickelachse ist mit der Bezugszahl 8 bezeichnet. Die Anzahl der Stationen wird von der Länge und der Krümmung des Blattes abhängen, wobei ein repräsentativer Abstand etwa 5% der Blattlänge beträgt.

Koordinatenpunkte 12 (Fig. 1) sind an dem Schnittpunkt jedes Stringers und jeder Station festgelegt.

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Das in Fig. 1 gezeigte Flügelprofilstück kann einen Wickelring aufweisen, der auch als Anschluß- oder Drehring bezeichnet wird. Beispielsweise kann der tatsächliche Rotor in der Station 3 enden, wobei die Stationen 2 und 1 Teil eines Wickelringes sind. Es ist im allgemeinen erforderlich, bei der Ausführung der Erfindung den Wickelring vorzusehen, um einen überbrückungsfreien Entwurf sowohl des Flügelprofilteils als auch des Ubergangsgebietes zwischen dem Wickelring und dem Flügelprofilteil zu gewährleisten.

Das folgende Verfahren, das von Hand oder mittels Computer ausgeführt wird, wird für jeden Koordinatenpunkt auf der Flügelprofilmatrix wiederholt, mit Ausnahme der Grenzpunkte.

Gemäß Fig. 2 ist der Koordinatenpunkt 14 ausgewählt worden, der sich in dem Schnittpunkt des Stringers B und der Station 3 befindet. Es ist außerdem zu beachten, daß Fig. 2 eine zweidimensional Draufsicht auf einen ausgewählten Teil des Flügelprofilstückes darstellt und daß sich das Flügelprofilstück tatsächlich im Querschnitt ändert, d.h. jeder Punkt in Fig. 2 wird sich in der Höhe oder in der Tiefe, nämlich in die Zeichenebene hinein oder aus dieser heraus in Abhängigkeit von dem Flügelprofilentwurf ändern.

Durch den ausgewählten Koordinatenpunkt 14 werden zwei Ebenen 16 und 18, die als Wickelebenen bezeichnet werden, unter Winkeln konstruiert, die den Winkeln entsprechen, unter denen die Faser zu wickeln ist. Wenn zur Erläuterung die Ebene 16 benutzt wird, so werden zwei Geraden, die in Fig. 3 mit 15 und 17 bezeichnet sind, in der Wickelebene 16 konstruiert, wobei die erste Gerade 15 in dem Koordinatenpunkt 14 beginnt und sich weiter erstreckt, bis sie entweder die Sta tion 4 oder den Stringer A schneidet, was in Fig. 2 als Punk-

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te B4 bzw. A1 gezeigt ist, während die zweite Gerade 17 in dem Koordinatenpunkt 14 beginnt und sich in einer zu der Richtung der Geraden 15 entgegengesetzten Richtung er streckt, bis sie entweder die Station 2 oder den Stringer C schneidet, was in Fig. 2 als Punkte B2 bzw. C1 gezeigt ist. Es können entweder die dem ausgewählten Koordinatenpunkt benachbarten Stringer oder die dem ausgewählten Koordinatenpunkt benachbarten Stationen benutzt werden. Die Geraden 15 und 17 liegen zwar beide in der Wickelebene 16, wie es hier definiert worden ist, sie sind aber nicht insgesamt kollinear, da das Flügelprofilstück eine dreidimensionale Oberfläche hat. Es sei außerdem beachtet, daß andere geometrische Modelle statt Ebenen benutzt werden können, um den Wickelweg zu definieren, und daß die Erfindung jedes geometrische Modell umfaßt.

Bezüglich der Wickelebene 18 werden zwei weitere Geraden in entgegengesetzten Richtungen von dem Koordinatenpunkt 14 in der Wickelebene zu dem Schnittpunkt mit den benachbarten Stringern oder Stationen gezogen, wobei diese Punkte in Fig. 2 als Punkte A2 oder C2 für die eine Gerade und als Punkte D2 oder D4 für die andere Gerade gezeigt sind. Da sämtliche Punkte in derselben Ebene liegen, ist es wieder unwesentlich, welche Punkte benutzt werden. Für das hier beschriebene Beispiel werden die Schnittpunkte mit den Stringern als Schnittpunkte benutzt.

Der Abstand der Schnittpunkte von der Wickelachse muß nun ermittelt werden. Dieser Abstand ist für die Koordinaten punkte bekannt. Unter der Annahme, daß die Linien zwischen benachbarten Koordinatenpunkten Geraden sind und in der Erkenntnis, daß es unwahrscheinlich ist, daß die Wickelebenen die benachbarten Stringer oder Stationen in Koordinatenpunk ten schneiden werden, wird eine dritte Gerade 20, die in Fig. 3 gezeigt ist, zwischen den Punkten A1 und C1 gezogen, wobei die relative Lage der dritten Geraden 20 zu dem Koordinatenpunkt 14 festlegt, ob der Koordinatenpunkt 14 überbrückt

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wird. Wenn der Koordinatenpunkt so gelegen ist, wie es an der Stelle 14a gezeigt ist, liegt er näher bei der Wickelachse als die Gerade zwischen den Punkten A1 und C1 und würde überbrückt. Wenn der Koordinatenpunkt so gelegen ist, wie es an der Stelle 14b gezeigt ist, liegt er von der Wickelachse weiter weg als die Gerade zwischen den Punkten A1 und C1 und würde nicht überbrückt. Jeder Koordinatenpunkt auf oder über der Linie 20 wird nicht überbrückt, während jeder Koordinatenpunkt unter der Linie 20 überbrückt wird.

Wenn ein Koordinatenpunkt überbrückt wird, muß er bis zu der Höhe der Geraden 20 angehoben werden, um das überbrücken zu vermeiden.

Die Punkte B2 oder B4 könnten in Fig. 3 statt der Punkte A1 oder C1 benutzt werden, da sämtliche Punkte auf derselben Geraden und in der Wickelebene liegen.

Die obige Prozedur wird dann unter Verwendung der Punkte A2 oder D2 und der Punkte C2 oder D4 in der Wickelebene 18 wiederholt.

Die obige Methode wird für jeden nicht auf der Grenze gelegenen Koordinatenpunkt auf der Flügelprofilmatrix wiederholt. Dadurch wird eine Iteration der Methode abgeschlossen.

Wenn der Wickelweg anders als eine Ebene definiert ist, braucht die Linie 20 nicht eine Linie zu schneiden, die sich von der Wickelachse aus und rechtwinkelig zu dieser durch den ausgewählten Koordinatenpunkt erstreckt. Für das Verfahren nach der Erfindung ist das unwesentlich, da der relevante Wert die Differenz, falls vorhanden, zwischen dem Abstand der Linie 20 von der Wickelachse und dem Abstand des Koordinatenpunktes von der Wickelachse ist.

Als eine Alternative zu der überprüfung jedes ausgewählten Koordinatenpunktes auf ein mögliches überbrücken längs bei-

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der Wickelebenen 16 und 18 hin und dann der weiteren überprüfung des nächsten Koordinatenpunktes in derselben Weise kann es in einigen Fällen erwünscht sein/ zuerst jeden Koordinatenpunkt auf eine überbrückung nacheinander längs eines Wickelweges zu überprüfen, z.B. auf dem rechtsgängigen Schraubenlinienwickelweg, und dann wieder dieselben Koordinatenpunkte auf eine überbrückung hin der Reihe nach auf dem anderen Wickelweg zu überprüfen, z.B. auf dem linksgängigen Schraubenlinienwickelweg. Ein Vorteil der Überprüfung jedes Koordinatenpunktes auf beiden Wickelwegen vor dem übergang zu dem nächsten Koordinatenpunkt besteht darin, daß unter gewissen Bedingungen ein überbrückter Koordinatenpunkt nicht verändert zu werden braucht. Wenn beispielsweise eine relativ geringfügige überbrückung auf dem Wickelweg der ersten oder untersten Faser auftritt, kann diese überbrückung in einigen Fällen außer acht gelassen werden, wenn der Wickelweg der als nächster folgenden Faser in der entgegengesetzten Richtung nicht den Koordinatenpunkt überbrückt, da die untere Faser durch die als nächste folgende Faser nach unten in Berührung mit dem Dorn gedrückt und dadurch das überbrückungsproblem für diesen Koordinatenpunkt beseitigt wird.

Wenn irgendwelche Koordinatenpunkte angehoben wurden, um das überbrücken zu beseitigen, ist es erforderlich, eine zusätzliche Iteration des Verfahrens durchzuführen, um festzustellen, ob das Anheben eines Koordinatenpunktes eine überbrückung eines anderen Koordinatenpunktes verursacht hat.

Die Anzahl der Stringer und Stationen und somit die Anzahl der Koordinatenpunkte ist eine Frage des Entwurfs und wird von der Blattkrümmung abhängen, d.h. bei einem Blatt mit großen Blattverstellungen und/oder großer Pfeilung kann

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es erwünscht sein, mehr Koordinatenpunkte als bei einem geraden Flügelprofilformstück zu benutzen.

Das Verfahren ist unter Bezugnahme auf Zylinderkoordinaten beschrieben worden, es ist aber in gleicher Weise bei anderen Koordinatensystemen durch einfache geometrische und/oder mathematische Transformation der Flügelprofilentwurfsdaten anwendbar. Außerdem brauchen in der Praxis Stringer und Stationen weder planar zu sein noch in der Wickelachse oder senkrecht zu ihr zu liegen. Nach dem Beseitigen von überbrückten Punkten werden dann die Endkoordinaten benutzt, um den geeigneten Dorn oder Schablonen für diesen zum Wickeln des Flüge]profilstückes zu entwerfen, und sie können auf die aerodynamische und bauliche Leistungsfähigkeit hin analysiert werden.

Fig. 4 zeigt einen typischen Computer zur Durchführung des Verfahrens, da die Verwendung eines Computers das Verfahren vereinfacht und als beste Art der Ausführung des Verfahrensanzusehen ist.

Fig. 5 zeigt in Form eines Flußdiagramms das Befehlsformat, das bei der Programmierung des Computers benutzt wird, um das Verfahren nach der Erfindung auszuführen. Das Verfahren nach der Erfindung kann gemäß den Schritten des Flußdiagramms unter Verwendung irgendeines geeigneten Digitalcomputers oder vorprogrammierten Analogcomputers oder Mikroprozessors implementiert werden. Die tatsächlichen Programmschritte können in Abhängigkeit von dem verfügbaren Computer und der verfügbaren Computersprache geändert wer den und sind einfache mathematische Berechnungen oder lo gische Schritte, deren Implementierung im Rahmen normalen Fachkönnens liegt. Das in der Praxis benutzte Programm ist

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das Programm F143 der Fa. Hamilton Standard, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin, das auf einem IBM 370/168 Computer ausgeführt wird.

Die Schritte könnten auch auf vielen im Handel erhältlichen Taschenrechnern, wie dem HP 65, ausgeführt werden, die vorzugsweise trigonometrische und logarithmische Funktionen zur leichteren Berechnung ausführen. Der Computer selbst bildet keinen Teil der Erfindung und ist lediglich als ein Beispiel für den Typ des im Handel erhältlichen Gerätes gezeigt, auf dem die Erfindung am besten ausgeführt werden kann.

Fig. 4 zeigt die Grundelemente eines Digitalcomputers, die zur Durchführung der Erfindung benutzt werden können und eine Eingabeeinheit 50, beispielsweise eine Magnetbandeinheit oder einen Lochkartenleser, umfassen, der Flügelprofilstückentwurf sdaten und Programminstruktionen zu einem Speicher 52 und zu einer Rechen- und Steuereinheit 54 leitet. Nachdem die Progrdirminstruktionen ausgeführt worden sind, werden Ausgabedaten zu einer Ausgabeeinheit 56, beispielsweise einem Drucker, geleitet. Der Speicher 52 und die Rechen- und Steuereinheit 54 verkehren bei Bedarf miteinander über eine Leitung 58. Die Rechen- und Steuereinheit 54 enthält typischerweise eine Steuerlogik für das besondere Programm, ein Instruktionsregister, das Instruktionen aus dem Speicher empfängt, bei denen es sich um Befehle und Adressen handelt, eine arithmetische Einheit in Zweiwegverbindung mit dem Speicher, in der die Befehle ausgeführt werden, und ein Adreßregister, das bei Bedarf Daten zu dem Speicher leitet. Die Eingabe- und die Ausgabeeinheit können periphere Geräte zum übersetzen in die Computersprache und aus der Computersprache enthalten. Weitere Elemente von Computern sind bekannt und brauchen nicht ausführlich beschrieben zu werden.

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Fig. 5 zeigt in Form eines Flußdiagramms die Programmschritte, die in dem Computer von Fig. 4 oder in einem ähnlichen Rechengerät ausgeführt werden. Wenn das Verfahren nach der Erfindung automatisiert wird, ist es erwünscht, eine Grenze für den Zahlenwert von Änderungen in dem Koordinatenpunkt zu setzen, die zum Vermeiden des Uberbrückens erforderlich sind, d.h. wenn ein Koordinatenpunkt nur in geringem Ausmaß, beispielsweise um 0,5 mm, überbrückt wird, kann dann die überbrückung außer Acht gelassen werden oder müssen sämtliche Koordinatenpunkte sorgfältig von einer überbrückung befreit werden? In der Praxis ist es beinahe unmöglich, einen Dorn mit einer Genauigkeit von 0,5 mm zu bauen, so daß in der Tat eine geringfügige überbrückung gewöhnlich außer Acht gelassen werden kann. Ein Block 100 in Fig. 5 enthält daher eine Instruktion, durch die ein Begrenzungszahlenwert der Änderung in einem Koordinatenpunkt zum Vermeiden des uberbrückens festgelegt und in dem Computerspeicher abgespeichert wird. Es kann sein, daß der Grenzwert null ist, d.h. daß keine überbrückung zugelassen wird. Eine andere Lösung, die in Fig. 5 nicht gezeigt ist, besteht darin, eine maximale Anzahl von Iterationen des Verfahrens festzulegen, jede Iteration zu zählen und das Programm zu stoppen, wenn die Maximalzahl erreicht worden ist. Einige Punkte können zwar noch überbrückt werden, die Mehrzahl oder wenigstens die größten werden jedoch korrigiert worden sein. Ebenso ist es erwünscht, die überbrückung durch die erste Faserschicht außer acht zu lassen, wenn die nächste Schicht nicht überbrückt wird.

Nachdem Setzen des Begrenzungszahlenwertes für die Änderungen in dem Koordinatenpunkt geht das Programm weiter zu dem Block 102, wo ein Speicherregister in dem Computerspeicher am Beginn jeder Iteration des Programms für das ge-

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samte Blatt auf null gesetzt wird. In diesem Speicherregister wird, wenn das Programm weitergeht, der Zahlenwert der maximalen Koordinatenpunktänderung gespeichert, die erforderlich ist, um eine überbrückung während einer Iteration zu vermeiden. Schließlich wird der Wert in dem Speicherregister mit dem durch die Instruktion in dem Block 100 gesetzten Grenzwert verglichen, um festzustellen, ob das Programm beendet ist, d.h. ob keine überbrückung aufgetreten ist oder ob der größte überbrückte Koordinatenpunkt kleiner als der Grenzwert ist oder ob eine weitere Iteration erforderlich ist, weil die Änderung in einem Koordinatenpunkt zum Vermeiden einer überbrückung größer war als der Grenzwert.

Das Programm wählt dann den ersten Koordinatenpunkt aus, Block 104, und bestimmt in dem Block 106 aus den Entwurfsdaten für das Blatt, die in dem Computerspeicher gespeichert sind, den Zahlenwert des Koordinatenpunktes, d.h. den Abstand des ausgewählten Koordinatenpunktes von der Wickelachse. In dem nächsten Schritt, Block 108, wird der Zahlenwert des Koordinatenpunktes berechnet, der erforderlich ist, um ein überbrücken zu vermeiden, d.h. Berechnen der Punkte A1 oder C1 und B2 oder B4 und auch der Punkte A2 oder C2 und D2 oder D4, wie in Fig. 2, Interpolieren zwischen weiteren Koordinatenpunkten, wenn erforderlich, und dann, wie in Fig. 3, Berechnen des Abstandes, den der Koordinatenpunkt von der Wickelachse haben muß, um ein überbrücken zu vermeiden. Die Entwurfsdaten für den Koordinatenpunkt in dem Block 106 werden dann durch die Instruktion in dem Block 110 mit dem Wert des Koordinatenpunktes zum Vermeiden eines Uberbrückens, der in dem Block 108 berechnet wird, verglichen und, wenn der Entwurfswert kleiner als der berechnete Wert ist kommt es zum überbrücken und das Programm verzweigt zu dem Block 112. Der Block

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instruiert das Programm, den Entwurfswert des Koordinatenpunktes auf den berechneten Wert zu ändern, der zum Vermeiden eines Uberbrückens notwendig ist. Die nächste Instruktion in dem Block 114 vergleicht den Zahlenwert der Änderung in dem Koordinatenpunkt zum Vermeiden eines Uberbrückens mit dem in dem Speicher aufgrund der Instruktion in dem Block 102 gespeicherten Wert. Da der Block 102 ein Speicherregister während jeder Iteration auf null setzt und da der erste überbrückte Koordinatenpunkt bewirkt, daß der Zahlenwert der Änderung in dem Koordinatenpunkt, die zum Vermeiden eines Uberbrückens notwendig ist, größer als null ist, wird dieser Wert immer gespeichert sein. Für anschließend überbrückte Koordinatenpunkte kann der Zahlenwert der Koordinatenpunktänderung größer oder nicht größer als der Wert in dem Speicherregister sein. Wenn die Änderung in einem folgenden Koordinatenpunkt größer als die in dem Speicherregister ist, verzweigt das Programm infolgedessen zu dem Block 116, welcher das Programm instruiert, den neuen Koordinatenpunktänderungswert zu speichern. Schließlich wird das Speicherregister für jede Iteration einen Wert enthalten, der gleich der größten numerischen Änderung in irgendeinem Koordinatenpunkt ist. Wenn die Änderung in dem Koordinatenpunkt kleiner als der Wert in dem Speicherregister ist, wird die Instruktion in dem Block 116 umgangen und das Programm geht zu der Instruktion in dem Block 118. Ebenso, wenn der Koordinatenpunkt nicht überbrückt wird, geht das Programm von dem Block zu dem Block 118.

Die Instruktion in dem Block 118 verlangt eine Iteration der Instruktionen aus dem Block 104, weshalb das Programm zu dem Block 104 zurückgeht und den nächsten Koordinatenpunkt längs derselben Station auswählt. Wenn sämtliche Koordinatenpunkte längs einer Station auf eine Überbrückung

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hin überprüft worden sind, geht das Programm weiter zu dem Block 120, wo es instruiert wird, den gesamten Prozeß für jede Station zu wiederholen, mit Ausnahme der ersten und der letzten. Nachdem jeder Koordinatenpunkt auf dem Blatt, mit Ausnahme derjenigen auf der ersten und auf der letzten Station, auf eine überbrückung hin überprüft worden ist, geht das Programm zu der Instruktion in dem Block 122 weiter, wo der Wert der größten Änderung in irgendeinem Koordinatenpunkt während der gesamten Iteration, der in dem Register gespeichert ist, mit dem Grenzwert verglichen wird, der durch die Instruktion in dem Block 100 gesetzt worden ist. Wenn die größte Änderung in jedem Koordinatenpunkt kleiner als der Grenzwert ist, ist das Programm be endet. Wenn jedoch die größte Änderung in irgendeinem Koordinatenpunkt größer als der Grenzwert ist, geht das Programm zu der Instruktion in dem Block 124 weiter, die eine Rückkehr zu dem Block 102 und eine weitere Iteration des Prozesses für das gesamte Blatt verlangt. Für die Anzahl der Iterationen kann, wie oben erwähnt, ein Grenzwert gesetzt werden.

Der Wickelweg der Fasern ist zwar als in einer Ebene liegend beschrieben worden, das ist jedoch nicht das einzig mögliche geometrische Modell für den Wickelweg. Es ist möglich, den Wickelweg durch andere geometrische Konstruktionen festzulegen. Die Erfindung ist hauptsächlich auf ein Verfahren zum Bestimmen und Korrigieren des Auftretens einer überbrük- kung auf der Oberfläche eines gewickelten Umrisses gerich tet und ist nicht auf das benutzte besondere Koordinatensy stem oder auf das besondere geometrische Modell, das zum Festlegen des Faserwickelweges benutzt wird, beschränkt.

Die Erfindung ist zwar in bezug auf ein Rotorblatt beschrie ben worden, sie ist jedoch bei jedem profilierten Formstück anwendbar, bei dem beim Bewickeln mit irgend einem Material das Uberbrückungsproblem vermieden werden soll.

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Claims

Patentansprüche :

ί1/ Verfahren zum Feststellen von konkaven Teilen auf einem Faser- oder Fadenwickelweg einer dreidimensionalen profilierten Fläche, die mit einer Faser- oder Fadenwicklung zu bedecken ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Festlegen von mehreren Stringern längs der Fläche, von denen jeder im wesentlichen dieselbe Richtung wie die Achse hat, um die die Fläche bewickelt wird; Festlegen von mehreren Stationen längs der Fläche, von denen jede im wesentlichen rechtwinkelig zu den Stringern ist, wobei der Schnitt jedes Stringers und jeder Station einen Koordinatenpunkt auf der Fläche festlegt und wobei die Schnitte ein Gitter von Koordinatenpunkten bilden; Auswählen eines der Koordinatenpunkte; Bestimmen der Höhe des ausgewählten Koordinatenpunktes über der Wickelachse;

Konstruieren eines ersten und eines zweiten Geradenabschnittes auf der Fläche längs des Wickelweges, wobei jeder Geradenabschnitt den Koordinatenpunkt mit einem Punkt

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auf dem Stringer oder der Station neben dem Koordinatenpunkt auf entgegengesetzten Seiten des Koordinatenpunktes verbindet;

Bestimmen der Höhe der Punkte auf den Stringern oder Stationen, die durch den ersten und den zweiten Geradenabschnitt verbunden sind, über der Wickelachse; Konstruieren einer dritten Geraden zwischen den verbundenen Punkten; und

Vergleichen der Höhe des ausgewählten Koordinatenpunktes über der Wickelachse mit der Höhe der dritten Geraden über der Wickelachse, wobei die Fläche zwischen den verbundenen Punkten längs des Wickelweges konkav ist, wenn die Höhe des ausgewählten Koordinatenpunktes über der Wickelachse kleiner als die Höhe der dritten Geraden über der Wickelachse ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Bestimmen des Vorhandenseins eines konkaven Teils der Fläche, der den ausgewählten Koordinatenpunkt enthält; und Ändern der Höhe des ausgewählten Koordinatenpunktes über der Wickelachse, damit diese im wesentlichen gleich oder größer als die Höhe der dritten Geraden über der Wickelachse ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Auswählen zusätzlicher Koordinatenpunkte aus dem Gitter; Bestimmen des Vorhandenseins von, konkaven Teilen der Fläche für jeden der zusätzlichen Koordinatenpunkte; und Ändern der Höhe jedes zusätzlichen Koordinatenpunkts, wo eine konkave Fläche vorhanden ist, um die konkave Fläche zu beseitigen.

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4. Verfahren nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Feststellen, ob die Höhe irgendeines der ausgewählten Koordinatenpunkte angehoben worden ist; wenn die Höhe irgendeines der ausgewählten Koordinatenpunkte angehoben worden ist, erneutes Auswählen jedes Koordinatenpunktes und Feststellen des Vorhandenseins eines konkaven Teils der Fläche für jeden ausgewählten Koordinatenpunkt; und

Ändern der Höhe jedes Koordinatenpunktes, für den ein konkaver Teil festgestellt worden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn mehrere Faser- oder Fadenwickelwege vorhanden sind, folgende weitere Schritte ausgeführt werden: Feststellen des Vorhandenseins eines konkaven Teils der Fläche auf jedem der Faser- oder Fadenwickelwege für jeden ausgewählten Koordinatenpunkt; und Ändern der Höhe jedes ausgewählten Koordinatenpunktes, wenn auf irgendeinem der Faser- oder Fadenwickelwege eine konkave Fläche vorhanden ist.
6. Verfahren nach einem der Ai^prüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale profilierte Fläche eine flügelprofilförmige Fläche ist und daß der Schritt des Festlegens von mehreren Stringern den Schritt umfaßt, mehrere Ebenen um den Umfang der Fläche festzulegen, wobei diese Ebenen jeweils die Wickelachse enthalten.

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