DE3428224C2 - Vorrichtung zur automatischen Regelung der Rotordrehzahl eines Hubschraubers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Regelung der Rotordrehzahl eines Hubschraubers, bei der über einen Soll-Ist-Wert-Vergleich der Rotordrehzahl die Kraft­ stoffzufuhr des den Rotor antreibenden Triebwerks geregelt wird, mit
einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines die gewünschte Rotordrehzahl darstellenden Bezugssignals,
einer zweiten Einrichtung zur Abgabe eines die momentane Rotordrehzahl darstellenden Rotordrehzahlsignals,
einer dritten Einrichtung zur Verarbeitung der die gewünsch­ te und die momentane Rotordrehzahl darstellenden Signale und zur Abgabe eines eine eventuelle Differenz zwischen der gewünschten und der momentanen Rotordrehzahl darstellenden Fehlersignals, und
einer vierten Einrichtung, die auf das Fehlersignal an­ spricht und die Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk in Ab­ hängigkeit von dem Fehlersignal regelt, um die momentane Rotordrehzahl auf die gewünschte Rotordrehzahl einzusteuern.

Bei modernen Hubschraubern verringert der Trend zu Haupt­ rotorsystemen mit herabgesetzter Trägheit (Drehmoment) die Menge der gespeicherten Energie im Rotorsystem. Dieser Trend macht die Rotoren gegen große, vorübergehende Drehzahländerungen während einiger Flugmanöver empfind­ lich. Derartige Drehzahländerungen des Hauptrotor­ systems in Verbindung mit anderen Flugeigenschaften der Hub­ schrauber ändern die Hubkraft und Steuerfähigkeit des Rotors und werfen die Lagetrimmung des Flugzeugs um und verursachen eine unerwünschte Verzögerung beim Gewinnen von Höhe oder Geschwindigkeit. Eine unerwünschte Störung der Lagetrimmung führt entweder zu einer Erhöhung der Arbeits­ belastung des Piloten (häufig in kritischen Zeitpunkten) oder zu einer Sättigung des Systems zur Erhöhung der Flugzeug­ stabilität oder zu beidem. Es ist daher aus der Praxis bekannt, eine Vor­ richtung für die Zumessung von Kraftstoff vorzusehen, um die Rotordrehzahl auf eine Bezugsdrehzahl regeln zu können. Zu bestimmten Zeitpunkten kann jedoch diese Regelung der Rotordrehzahl nachteilig sein.

Eine koordiniert geflogene Kurve ist gleichwertig mit einem Hochziehen im Sinne der Belastungen, die auf den Hubschrauber, insbesondere auf die Hauptrotorblätter einwirken. Dies beruht auf der Kraft, die notwendigerweise auf den Hub­ schrauber durch die Rotorblätter ausgeübt wird, um die erforder­ liche Richtungsbeschleunigung gegen die Masse des Hubschraubers zu bewirken und bei einem Hochziehen die Erdbeschleunigung zu überwinden. Ein Querneigungswinkel von 60°, der nicht un­ gewöhnlich ist, verdoppelt nominell die auf den Hauptrotor wirkende Last. Je nach den vorherrschenden Bedingungen könnte dies dazu führen, daß der Rotor bestrebt ist, zu beschleunigen. Da unter diesen Bedingungen das erforderliche Drehmoment ab­ nimmt, ist leicht einzusehen, daß sich ein Unterbinden der Be­ schleunigung des Rotors und eine Anforderung von mehr Dreh­ moment einander entgegenwirken. Die zur Verfügung stehende Hub- oder Schubkraft des Rotors und damit das Lastvielfache könnten erhöht werden, wenn die Rotor­ drehzahl zunehmen könnte.

Man beachte das folgende. Ein Hubschrauber fliegt mit Reise­ geschwindigkeit, beispielsweise mit mindestens 60 Knoten, und der Pilot beginnt eine koordiniert geflogene Kurve. In einem Fall wird aufgrund einer Kombination von Steuereingän­ gen eine Flugbahn gewählt, die dazu führt, daß die Vorwärtsgeschwindigkeit (und/oder Höhe) abnimmt. Unter diesen Bedingungen, die aufgrund des Energieaustausch-Vor­ ganges vorübergehend sind, wird das vom Rotor benötigte Dreh­ moment herabgesetzt, während der Rotor die Neigung hat, zu beschleunigen (die kinetische und/oder potentielle Energie der Zelle des Flugzeugs wird vom Rotor aufgebraucht). Die vorhandene Vorrichtung für die Regelung der Kraftstoffzufuhr unter­ drückt diese Neigung, indem das Drehmoment des Triebwerks herabgesetzt wird, um das Gleichgewicht des Dreh­ moments zwischen dem vom Hauptrotor benötigten Drehmoment und dem vom Triebwerk bereitgestellten Drehmoment aufrecht zu erhalten, um die Bezugsdrehzahl des Rotors beizubehal­ ten, was nicht wünschenswert ist. Bei einem derartigen Sach­ verhalt wäre es wünschenswert, wie dies oben festgestellt Wor­ den ist, die Beschleunigung des Rotors zu einer neuen Be­ zugsgröße zu machen, um hierdurch den Hubschrauber mit einem Potential für eine größere Hub- oder Schubkraft aus der erhöhten Rotordrehzahl und infolgedessen mit der Fähigkeit zu versehen, höhere Werte für das Lastvielfache zu erzielen. Im anderen Fall möchte der Pilot die Vorwärtsgeschwindigkeit (und Höhe) in einer stetigen Kurve beibehalten. Unter diesen Bedingungen, bei welchen die erhöhte Hub- oder Schubkraft (die zur Aufrechterhaltung des Lastvielfachen in der Kurve erforderlich ist) ein höheres, vom Rotor benötigtes Drehmoment ergibt, muß das Triebwerk die Energie bereitstellen, um die Regelung der Rotordrehzahl aufrecht zu erhalten. Unter diesen Umständen könnte der Pilot durch ein Erhöhen des Steuereingangs eine erhöhte Hub- oder Schubkraft (und Last­ vielfaches) bis zur Leistungsgrenze des Triebwerks herausholen. In einer den Wünschen gerechter werdenden Weise würde die vorhandene Leistung des Triebwerks besser genutzt werden, wenn die Rotordrehzahl auf einem höheren Wert zu einer neuen Bezugsgröße gemacht wird, um eine höhere kritische Geschwindigkeit und höhere Steuergrenzen beim Rotor zu erreichen. Diese beiden spezifischen Bedingungen werden zur Erläuterung verwendet, es gibt jedoch andere Fälle bei Flugmanövern, die aus der geeigneten Einstellung der Bezugs­ drehzahl des Rotors einen Vorteil ziehen können. Allen derartigen Manövern ist die Längsneigungswinkelgeschwindigkeit der Zelle des Flug­ zeugs gemeinsam. Die Längsneigungswinkelgeschwindigkeit wird notwendigerweise als Teil zur Durchführung des Manövers erzeugt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der Regelung der Rotordrehzahl zu beseitigen, indem der Rotor die Möglichkeit erhält, bei einem Manöver mit positivem Lastvielfachen zu beschleunigen, wodurch die verfügbare Hub- der Schub­ kraft vergrößert wird und damit potentiell höhere Lastvielfachenwerte des Flug­ zeugs bei Reisegeschwindigkeiten erreicht werden. Außerdem sollen keine zu­ sätzlichen Sensoren benötigt werden und soll nur ein Minimum an zusätzlichen Schaltkreisen nötig sein, wo ein automatisches Flugsteuer­ system (AFCS) vorhanden ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird die Bezugsdrehzahl als eine Funktion des Lastvielfachen erhöht, das bei einem Manöver mit positivem Lastvielfachen auftritt, um die Rotor­ drehzahl in einer geregelten Weise zu erhöhen und damit die zur Verfügung stehende Hub- oder Schubkraft zu steigern, und die Belastbarkeit des Flugzeugs zu verbessern.

Die Erfindung kann in einer Vielfalt von analogen oder digitalen Steuerungen oder rechnergesteuerten Einrichtungen, in einer geradlinigen Weise oder mit zusätzlich eingebauten Merkmalen in die Praxis umgesetzt werden, um eine weiter­ entwickelte Steuerung zu erzielen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen her­ vor, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein vereinfachtes, sche­ matisches Blockdiagramm einer Vorrichtung für die Kraftstoffregelung für einen Hubschrauber.

In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung für die Regelung der Kraftstoffzufuhr für einen Hubschrauber gezeigt. Ein Haupt­ rotor 10 ist über eine Welle 12 mit einem Getriebekasten 13 verbunden. Der Getriebekasten 13 wird von einer Antriebs­ welle 14 über eine Freilaufkupplung 16 angetrieben. Die Frei­ laufkupplung 16 steht in eingerücktem Zustand mit einer Ab­ triebswelle 18 eines Triebwerks 20 in Verbindung. Die Freilaufkupplung 16 ist jedoch während der Eigendrehung aus­ gerückt. Der Getriebekasten 13 treibt auch einen Heckrotor 22 über eine Verbindungswelle 24 an, so daß sich der Haupt­ rotor 10 und der Heckrotor 22 immer mit Drehzahlen drehen, die eine feste Beziehung zueinander haben. Der Heck­ rotor 22 dreht sich beispielsweise 5 mal schneller als der Hauptrotor.

Das Triebwerk 20 weist eine Freistrahlturbine auf, bei welcher die Abtriebswelle 18 von einer frei angestrahlten Tur­ bine 26 angetrieben wird. Die Turbine 26 wird ihrerseits von Gasen aus einem Gasgenerator angetrieben. Der Gasgenerator weist einen Turboverdichter mit einem Verdichter 28 auf, der über eine Welle 30 mit einer den Verdichter antreibenden Turbine 32 verbunden ist. Der Gasgenerator weist ferner eine Brenn­ stufe 34 auf, welcher durch Kraftstoffleitungen 36 Kraft­ stoff von einer Kraftstoffpumpe 38 über ein Dosierventil 40 zugeführt wird.

Die Vorrichtung für die Regelung der Kraftstoffzufuhr liefert die richtige Kraftstoffmenge in die Kraftstoffleitungen 36, um eine gewünschte Rotordrehzahl aufrecht zu erhalten. Im Rahmen dieser Erörterung wird die Eigendrehung bzw. Auto­ rotation vernachlässigt, während die Drehzahl der frei angestrahlten Turbine 26 ein Maß für die Rotordrehzahl ist. Ein Tachometer 42 mißt daher die Drehzahl der frei angestrahlten Turbine 26 (beispielsweise bei der Abtriebswelle 18), um ein tatsächliches Signal für die Rotordrehzahl über eine Leitung 44 an eine Knoten­ stelle 46 abzugeben. Obgleich es nicht näher angegeben ist, kann das Signal für die Turbinendrehzahl in der Leitung 44 gefiltert werden, bevor es der Knotenstelle 46 zugeführt wird, um Störungen zu beseitigen und annehmbare Stabilitäts­ grenzen zu gewährleisten. Ein Bezugssignal 48 für die Rotor­ drehzahl, das auf eine 100%ige Nenndrehzahl eingestellt ist, wird ebenfalls der Knotenstelle 46 zugeführt. Der Aus­ gang der Knotenstelle 46 ist ein über eine Leitung 52 abgege­ benes, auf die Rotordrehzahl bezogenes Fehlersignal, das normalerweise Null ist oder, in anderen Worten ausgedrückt, den Unterschied zwischen dem Signal der tatsächlichen Drehzahl und dem Signal der Bezugsdrehzahl darstellt. Ein Turbinenregler 54 spricht auf das Fehlersignal der Rotor­ drehzahl in der Leitung 52 und auf das Bezugssignal 48 an. Der Turbinenregler 54 gibt in Verbindung mit einem Gas­ generator-Regler 58 ein Steuersignal für den Kraftstoff an das Dosierventil 40 ab, so daß die richtige Kraftstoffmenge von der Kraftstoffpumpe 38 zu den Kraftstoffleitungen 36 gefördert wird, um die Rotordrehzahl auf der Bezugsdrehzahl zu halten. Dies schafft eine Servoschleife, die mehrfach in einfacher Weise verwirklicht werden kann. Das Bezugssignal für die Rotordrehzahl kann an der Knotenstelle 46 durch Piepton-Steuerbefehle aus einer Leitung 50 vorgespannt werden. Die Piepton-Steuerbefehle kommen von einer nicht dargestellten Einrichtung, die der Drehzahl entsprechende Tonsignale abgibt. Das Bezugssignal für die Rotordrehzahl kann an der Knotenstelle auch durch ein aus einer Leitung 70 kommen­ des, vorgespanntes Bezugssignal der Rotordrehzahl vor­ gespannt werden. Wenn das Bezugssignal 48 der Rotordrehzahl vorgespannt wird (hinauf), wird das Fehlersignal der Rotordrehzahl aus Null herausgesteuert (vorgespannt) worauf die Vorrichtung für die Regelung der Kraftstoffzufuhr dafür sorgt, daß das Triebwerk bzw. der Rotor auf einer höheren Bezugsdrehzahl gehalten werden.

Unter Bezugnahme auf den erfindungsgemäßen Abschnitt, der den Lastfaktor bzw. das Lastvielfache erhöht, wird die Längs­ neigungswinkelgeschwindigkeit des Flugzeugs durch einen entsprechenden Kreisel 72 festgestellt, der ein die Längsneigungswinkelgeschwindigkeit darstellendes Längsneigungssignal abgibt, das durch einen signalformenden Schaltkreis 74 geformt wird. Der signalformende Schaltkreis 74 kann in ein bestehendes, auto­ matisches Flugsteuersystem 76 (AFCS) eingebaut sein und das Längsneigungssignal einbeziehen, verstärken, ver­ zögern, begrenzen usw., um die Zunahme der Rotordrehzahl den Lastanforderungen eines bestimmten Flugzeugs anzu­ passen. Es gibt auch eine Rotordrehzahl, bei deren Überschreitung eine Beschädigung des Rotors auftreten kann. Der signalformende Schaltkreis kann in einen bestehenden Schaltkreis eingebaut sein, wie dies in der US-Patentschrift 4 127 245 beschrieben ist, auf die hier Bezug genommen wird (in dieser US-PS entspricht das in der Leitung 32 vom Ver­ stärker 34 kommende Signal dem hier beschriebenen, geformten Längsneigungssignal). Ein Schalter 78 spricht auf ein Signal für die Fluggeschwindigkeit an, das von einer Ein­ richtung 80 zur Messung der Fluggeschwindigkeit abgegeben wird. Wenn der Schalter 78 in Abhängigkeit von einem Signal für die Fluggeschwindigkeit geschlossen ist, das der Reise­ geschwindigkeit entspricht, gibt der Schalter 78 das geformte Längsneigungssignal an die Leitung 70 als vorgespann­ tes Bezugssignal für die Rotordrehzahl ab, das die Bezugsdrehzahl des Rotors erhöht, wie dies im vorstehenden beschrieben worden ist. Der signalformende Schaltkreis 74 kann auch auf das Signal für die Fluggeschwindigkeit ansprechen, beispielsweise um die Gesamtempfindlichkeit (Verstärkung) zu beeinflußen. In ähnlicher Weise können andere Parameter des Flugzeugs abgetastet werden, um die Reaktion auf die vorlie­ gende Situation genauer zuschneiden zu können.

In einer Kurve mit Querneigung, auch wenn der Längsneigungswinkel in der Trägheitsachse fest bleibt, wird eine Längsneigungswinkelgeschwindigkeit in die Flugkörperachse induziert (beispielsweise bei einem an einem Hubschrauber befestigten Kreisel zur Bestimmung der Längs­ neigungswinkelgeschwindigkeit). Die induzierte Längsneigungswinkelgeschwindigkeit ist proportional zur Gierungswinkelgeschwindigkeit und zum Sinus des Querneigungswinkels. Ein Manöver mit positiver Längsneigungswinkelgeschwindigkeit (Flugkörperachse) fordert dem Hauptrotor eine hohe Last proportional zur festgestellten Längsneigungswinkelgeschwindigkeit ab, um das Lastvielfache aufrecht zu erhalten.

Das Längsneigungssignal wird daher als Indikator für das Lastvielfache verwendet, um die Bezugsdrehzahl des Rotors zu erhöhen und das Potential für eine erhöhte Hub- oder Schubkraft des Rotors zu schaffen. Bei Manövern mit positivem Lastvielfachen nimmt die Rotordrehzahl zu, um die Hub- oder Schubkraft und damit das Lastvielfache zu er­ höhen, das entwickelt werden kann. In einem Fall, d. h. bei einer Kurve ohne Rücksicht auf einen Verlust von Vorwärtsgeschwindigkeit und Höhen, ergänzt das Vorspannen des Bezugssignals der Rotordrehzahl die natürliche Neigung des Rotors zur Beschleunigung. In einem anderen Fall, bei welchem die Vorwärtsgeschwindigkeit und die Höhe während der Kurve bei­ behalten werden, sorgt ein Erhöhen der Bezugsdrehzahl des Rotors für eine potentiell größere Hub- bzw. Schubkraft des Rotors während die kritische Geschwindigkeit und die Steuergrenzen eingehalten werden. Längsneigungswinkelgeschwindigkeiten, die Manöver mit negativem Lastvielfachen anzeigen, werden nicht verwen­ det, um die Bezugsdrehzahl des Rotors herabzusetzen, da dies vom Gesichtspunkt der Steuerung unerwünscht wäre und unter anderem komplizierte Nebenwirkungen hätte.

Es sei feststellt, daß das Lastvielfache beispielsweise direkt durch einen Beschleunigungsmesser 73 in der vertikalen Flugzeugachse erfaßt werden könnte, um ein Signal zu erzeugen, das geformt wird, um das Bezugssignal für die Rotordrehzahl entweder allein oder in Verbindung mit dem Längsneigungssignal vorzuspannen.

Obgleich die Erfindung aus Gründen der Klarheit in Verbindung mit einer analogen Datenverarbeitung beschrieben worden ist, können die erforderlichen Schritte zur Signalverarbeitung vor­ zugsweise auch in einem digitalen Rechner vorgenommen werden, wenn ein digitaler Rechner zur Verfügung steht. Bei einer digitalen Kraftstoffregelung können die erfindungsgemäßen Funk­ tionen zur Signalverarbeitung durch verhältnismäßig einfache Programmierschritte vorgenommen werden, die zu der hier be­ schriebenen Signalverarbeitung offensichtlich analog sind. Es kann auch eine einfache, hydromechanische Regeleinrich­ tung verwendet werden, welche die dem Gasgenerator zuge­ führte Kraftstoffmenge regelt und in der Lage ist, ein für den Gasgenerator erforderliches Drehzahlsignal vom Turbinenregler 54 aufzunehmen. Diese hydromechanische Regel­ einrichtung kann bei einem Hubschrauber mit einem digitalen, automatischen Flugsteuersystem eingesetzt werden, bei welchem die Verarbeitung der Drehzahlsignale des Triebwerks unter Anwendung der Erfindung durch einfache Programmier­ schritte vorgenommen werden kann, die im Rechner für die auto­ matische Flugsteuerung durchgeführt werden. Aber dies ist nicht bedeutsam für das Konzept der Erfindung. Es reicht aus, wenn die Erfin­ dung in einer Weise in die Praxis umgesetzt wird, bei welcher das Bezugssignal für die Rotordrehzahl als Funktion der Längsneigungswinkelgeschwindigkeit des Flugzeugs vorgespannt wird. Die Längs­ neigungswinkelgeschwindigkeit kann durch einen an Bord befindlichen Kreisel be­ stimmt werden.

Obgleich die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels bei einem Hubschrauber be­ schrieben worden ist, sind unter dem Begriff "Hubschrauber" auch andere Drehflügelflugzeuge zu verstehen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur automatischen Regelung der Rotordrehzahl eines Hubschraubers, bei der über einen Soll-Ist-Wert- Vergleich der Rotordrehzahl die Kraftstoffzufuhr des den Rotor (10) antreibenden Triebwerks (20) geregelt wird, mit
einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines die gewünschte Rotordrehzahl darstellenden Bezugssignals (48),
einer zweiten Einrichtung (42) zur Abgabe eines die momen­ tane Rotordrehzahl darstellenden Rotordrehzahlsignals,
einer dritten Einrichtung (46) zur Verarbeitung der die ge­ wünschte und die momentane Rotordrehzahl darstellenden Signale (48) und zur Abgabe eines eine eventuelle Differenz zwischen der gewünschten und der momentanen Rotordrehzahl darstellenden Fehlersignals und
einer vierten Einrichtung (44, 58, 40), die auf das Fehler­ signal anspricht und die Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk (20) in Abhängigkeit von dem Fehlersignal regelt, um die momentane Rotordrehzahl auf die gewünschte Rotordrehzahl einzusteuern, gekennzeichnet durch
eine fünfte Einrichtung (72, 73) zum Feststellen des Last­ vielfachen bei einem ein positives Lastvielfaches erzeugen­ den Manöver und zur Erzeugung eines das Lastvielfache dar­ stellenden Lastvielfachensignals,
eine sechste Einrichtung (74) zum Bearbeiten des Lastviel­ fachensignals und
eine siebte Einrichtung (46) zum Hinzufügen des bearbeite­ ten Lastvielfachensignals zum Bezugssignal (48) der Rotor­ drehzahl, um letztere über den gewünschten Wert hinaus auf eine erhöhte Rotordrehzahl während des Manövers zu erhöhen, wobei die sechste Einrichtung (44) das Lastvielfachensignal derart bearbeitet, daß die erhöhte Rotordrehzahl den Last­ anforderungen des Hubschraubers angepaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung zum Feststellen des Lastvielfachen und zur Erzeugung eines das Lastvielfache darstellenden Lastvielfachensignals eine Einrichtung (72) zum Feststellen der Längsneigungswinkelgeschwindigkeit und zur Erzeugung eines die Längsneigungswinkelgeschwindigkeit darstellenden Längsneigungssignals aufweist, wobei das Lastvielfache eine Funktion der Längsneigungswinkelgeschwindigkeit ist, und die sechste Einrichtung (74) zum Bearbeiten des Lastvielfa­ chensignals das Längsneigungssignal derart bearbeitet, daß die erhöhte Rotordrehzahl den Lastanforderungen des Hub­ schraubers angepaßt ist, und die siebte Einrichtung (46) das bearbeitete Längsneigungssignal dem Bezugssignal (48) der Rotordrehzahl hinzufügt, um letztere auf die erhöhte Rotordrehzahl zu erhöhen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine achte Einrichtung (80) zum Messen der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers und Erzeugung eines hierzu korrespondie­ renden Fluggeschwindigkeitssignals, wobei die sechste Einrichtung (74) zum Bearbeiten des Längsneigungs- bzw. Lastvielfachensignals auf das Fluggeschwindigkeitssignal anspricht und die Bearbeitung eine Funktion davon ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine achte Einrichtung (80) zum Messen der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers und Erzeugung eines dazu korrespondieren­ den Fluggeschwindigkeitssignals, wobei die sechste Ein­ richtung (74) zum Bearbeiten des Längsneigungs- bzw. Lastvielfachensignals auf das Fluggeschwindigkeitssignal anspricht und die Bearbeitung eine Funktion davon ist, und durch eine neunte Einrichtung (78), die das bearbeitete Längsneigungs- bzw. Lastvielfachensignal dem Bezugssignal für die Rotordrehzahl nur dann hinzufügt, wenn das Flugge­ schwindigkeitssignal einem gewünschten Grenzwert ent­ spricht.