DE3428819C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitspendel zur Tilgung der Rotor-Schlagbiegeschwingung bei einem Hubschrauber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Hubschraubern werden Vibrationen in der Hubschrauber­ zelle hauptsächlich durch periodische Kräfte und Momente hervorgerufen, die von den Hubschrauber-Rotorblättern in die Hubschrauberzelle übergeleitet werden. Es werden nur Kräfte und Momente bestimmter Frequenzen von dem drehen­ den Hubschrauberrotor auf die Hubschrauberzelle über­ tragen, wobei diese Frequenzen von der Anzahl der Rotor­ blätter und der Rotordrehzahl bestimmt werden. Im Falle eines gelenklosen Hubschrauberrotors mit vier Rotor­ blättern sind die 3Ω- und 5Ω-Schlagbiegemomente im drehenden System für die dominierende 4Ω-Vibrationsbe­ lastung der Hubschrauberzelle ausschlaggebend, wobei Ω die Rotordrehfrequenz ist.

Derartige auf die Hubschrauberzelle übertragene Erregun­ gen können durch sogenannte Fliehkraftpendel zumindest teilweise kompensiert werden, wenn die Eigenfrequenz die­ ser Fliehkraftpendel auf die entsprechende Erregerfrequenz im drehenden Hubschrauberrotor abgestimmt wird. Neben mechanischen Fliehkraftpendeln sind auch Flüssigkeitspendel vorgeschlagen worden; vgl. Sathy P. Viswanathan and Robert D. McClure, "Analytical and Experimental Investigation of a Bearingless Hub- Absorber", veröffentlicht im Mai 1982 im Rahmen des 38th Annual Forum of the American Helicopter Society, Anaheim, Kalifornien. Das in diesem Bericht beschriebene Flüssig­ keitspendel ist am Rotorkopf montiert und dient zur Fliehkrafttilgung der 4Ω-Vertikalerregerkräfte bzw. der 3Ω-Erregermomente. Das Flüssigkeitspendel besteht aus teilweise mit Quecksilber gefüllten allseitig geschlos­ senen Kreiszylindersegmenten, wobei sich das Quecksilber auf der Zylindermantelinnenfläche in Richtung der Flieh­ kraft einstellt und um diese Fliehkraftrichtung von den in vertikaler Richtung wirkenden Blattquerkräften erregt werden kann. Das Quecksilber dient demnach als Pendelmas­ se, die Pendellänge ist bestimmt durch den Abstand des Massenschwerpunktes des Quecksilbers von der Kreiszylin­ der-Mittellinie.

Aus der DE-AS 11 76 489 ist eine Vorrichtung zur Dämpfung der Biege­ schwingungen und Torsionsbiegeschwingungen der Rotorblätter bei Hubschraubern bekannt. Hierzu dient ein flüssiges Medium, das an einer oder mehreren Stellen der Rotorblätter in Hohlräumen angeordnet ist und diese Hohlräume teilweise ausfüllt. Das Medium ist in Abhängig­ keit von der beim Umlauf der Rotor­ blätter auftretenden oszillierenden Blatt­ bewegung in einem dieser Blattbewe­ gung entgegenwirkenden Sinne innerhalb der Hohlräume verlagerbar und wirkt dabei durch Reibung an den Hohlraumwänden dämpfend auf die Blattbewegung. Obwohl das flüssige Medium auch als Pendelmasse wirkt, ist in dieser Schrift kein Hinweis darauf enthalten, die dort aerodynamisch geformten Behälter so zu gestalten, daß mit der Verlagerung des flüssi­ gen Mediums eine Verkürzung der Pendellänge auftreten soll.

Derartige Flüssigkeitspendel sind abgeschlossene robuste Systeme, die fest mit dem drehenden Teil des Hubschrau­ bers verbunden sind und daher auch keine Lager aufweisen, die im Laufe der Betriebszeit geschmiert werden müssen. Das System ist daher praktisch wartungsfrei. Die Flüs­ sigkeitsreibung innerhalb des Behälters ist zum einen sehr gering, so daß das Flüssigkeitspendel sehr sensibel auf Anregungsfrequenzen reagiert, und bleibt zum anderen im Gegensatz zu der Lagerreibung mechanischer Lager über die gesamte Betriebszeit nahezu konstant, so daß auch die Tilgereigenschaften des Flüssigkeitspendels über die Betriebszeit konstant bleiben. Außerdem sind die Herstellungskosten für derartige Flüssigkeitspendel haupt­ sächlich wegen des Fehlens komplizierter Lagerkonstruk­ tionen geringer.

Ein Nachteil sowohl der zuerst genannten mechanischen Fliehkraftpendel als auch der Flüssigkeitspendel liegt darin, daß die Tilgung der Erregerkräfte insbesondere bei großen Pendelausschlägen durch Nichtlineraritäten beein­ trächtigt wird. Die Fliehkraftpendel müssen daher so aus­ gelegt sein, daß nur begrenzte Pendelausschläge zulässig sind. Um damit auch hohe Anregungskräfte tilgen zu können, sind entsprechend hohe Pendelmassen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkeits­ pendel der in Rede stehenden Art anzugeben, mit dem von dem drehenden Teil ausgehende Erregerlasten besser als bisher abgemindert werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Demgemäß ist bei einem Flüssigkeitspendel gemäß der Er­ findung die Eigenfrequenz weitgehend unabhängig von dem jeweiligen Pendelausschlag, d. h. der Auslenkung der Flüssigkeitsmasse während der Tilgung der Erregerkräfte. Dies hat den Vorteil, daß wesentlich größere Pendelaus­ schläge zugelassen werden können, ohne daß die Tilger­ wirkung durch Nichtlinearitäten beeinträchtigt wird. Das wiederum bedeutet, daß bei vergleichbarer Tilgerkraft erheblich geringere Flüssigkeits- bzw. Pendelmassen er­ forderlich sind.

Bei einem 3Ω-Flüssigkeitspendel ist z. B. die Flüssig­ keitsmasse um rund ein Drittel geringer als bei einem mechanischen Pendel bei gleichzeitig etwa verdoppelten Pendelausschlag von ±40° im Gegensatz zu ±20°.

Der Behälter für das Flüssigkeitspendel kann z. B. ein Ringgefäß sein, dessen Kontur im Pendelbereich der Flüs­ sigkeitsmasse gegebenenfalls numerisch berechnet wird, um die Eigenfrequenz unabhängig von dem Pendelausschlag zu halten.

Anstelle eines Ringgefäßes kann auch ein dünnwandiger hohler prismatischer Körper verwendet werden, dessen Mantel eine solche Quer­ schnittsform hat, daß die Eigenfrequenz der in dem Hohlzylinder unter Fliehkrafteinfluß schwingenden Flüs­ sigkeitsmasse weitgehend unabhängig von dem Pendelaus­ schlag ist.

Um Erregerlasten mehrerer Frequenzen eines drehenden Hub­ schrauberrotors zu tilgen, können entweder mehrere sepa­ rate Flüssigkeitspendelanordnungen verwendet werden, die auf die spezifischen Erregerfrequenzen abgestimmt sind. Es ist jedoch auch möglich, einen einzigen Behälter zu verwenden, der in mehrere Abteilungen aufgeteilt ist, in die jeweils Flüssigkeit eingefüllt ist. Auf diese Weise wird ein kombiniertes Flüssigkeitspendel erreicht, das mehrere Eigenfrequenzen aufweist, die dann auf die unterschiedli­ chen Anregungsfrequenzen des drehenden Hubschrauberrotors abgestimmt sind.

Der Flüssigkeitsbehälter kann auch um eine in der Rotor­ ebene liegende Achse schwenkbar gelagert sein. Damit erhält man ein Doppelpendel mit zwei Schwingungsfreiheitsgraden zur Tilgung von zwei Erregungen unterschiedlicher Frequenz.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor. Die Erfindung ist in drei Ausführungs­ beispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar

Fig. 1 eine Teildarstellung eines Hubschrauberrotorblat­ tes mit einem Flüssigkeitspendel gemäß der Er­ findung zur Schwingungsabminderung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines Flüssigkeitspendels gemäß der Er­ findung;

Fig. 3 einen Schnitt längs III-II durch das Flüs­ sigkeitspendel gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein kombiniertes Flüssig­ keitspendel gemäß der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt längs V-V in Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Flüssigkeits- Doppelpendel.

In Fig. 1 ist eine Teilaufsicht auf ein Hubschrauber­ rotorblatt 1 dargestellt, welches am Blattansatz über ein Lager 2 mit einem Rotorkopf 3 verbunden ist.

Mit dem Rotorkopf sind weitere, hier nicht dargestellte Rotorblätter verbunden. Im Bereich des an das Lager 2 anschließenden verjüngten Blatthalses ist im Abstand r von der Rotorachse mit Hilfe einer Schelle 4 zu beiden Seiten des Rotorblattes 1 jeweils ein Flüssigkeitspendel 5 angeordnet, das starr mit der Schelle 4 verbunden ist.

In den Fig. 2 und 3 ist ein derartiges Flüssigkeits­ pendel 5 dargestellt. Das Flüssigkeitspendel weist ein Ring­ gefäß 6 auf, das z. B. aus einem über eine entsprechende Schablone gebogenen Edelstahlrohr besteht, das mit bei­ den Enden in ein Verbindungsstück 7 eingeschweißt ist. Im Bereich des Verbindungsstückes ist eine verschließbare Füllöffnung 8 vorgesehen, über die eine Flüssigkeit, in diesem Falle Quecksilber 9 eingefüllt ist, die etwa ein Viertel des Volumens des Ringgefäßes 6 einnimmt. Die Füllhöhe H des Quecksilbers 9 in dem Ringgefäß ist bei horizontaler Lage des Rotorblattes in Ruhe in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Das Ringgefäß 6 ist im Be­ reich des Verbindungsstückes 7 mit der Schelle 4 verbun­ den. Der Punkt, an dem die Erregerkräfte des dre­ henden Hubschrauberblattes 1 in dieses Flüssigkeitspendel 5 eingeleitet werden, ist mit P bezeichnet.

Dreht sich das Rotorblatt 1, so wird das Quecksilber 9 in dem starr mit dem Rotorblatt befestigten Ringgefäß 6 in Richtung der Fliehkraft F ausgelenkt, so daß sich der mit S bezeichnete Massenschwerpunkt des Quecksilbers ebenfalls in Richtung der Fliehkraft einstellt. Der Ab­ stand zwischen dem Punkt P und dem Punkt S ist die effektive Pendellänge L.

Wie oben erwähnt, werden bei bestimmten Erregerfre­ quenzen, z. B. bei der Frequenz 3Ω, über den Rotor­ kopf in die Hubschrauberzelle starke Kräfte und Momente eingeleitet, die durch das in Antiresonanz schwingende Flüssigkeitspendel abgemindert werden sollen.

Die Eigenfrequenz des Flüssigkeitspendels ist durch entsprechende Abstimmung der Pendellänge L auf diese Erregerfrequenz abgestimmt. Bei der genannten Erre­ gerfrequenz schwingt das Quecksilber 9 in Antireso­ nanz um seine in Fig. 2 dargestellte Ruhelage, und zwar in Abhängigkeit der Stärke der eingeleiteten Erreger­ kräfte mit mehr oder minder großer Amplitude. Die Win­ kelabweichung des Massenschwerpunktes S aus der Richtung der Fliehkraft F wird im folgenden als Pendelausschlag A bezeichnet. Das Pendel ist hierbei so ausgelegt, daß der maximale Pendelausschlag etwa ±40° ist; dieser maximale Pendelausschlag in eine Richtung aus der Fliehkraft­ richtung ist in Fig. 2 mit A-max bezeichnet.

Die Form des Ringgefäßes ist nun so, daß die Pendellänge bei größer werdendem Ausschlag kürzer wird, so daß un­ abhängig von dem Pendelausschlag die Eigenfrequenz des Flüssigkeitspendels stets gleich bleibt. Die Kontur des Ringgefäßes, die bei einer punktförmigen Masse eine Zykloide darstellen würde, kann z. B. numerisch berechnet werden, das Ringgefäß selbst wird dann, wie oben erwähnt, z. B. durch Verformung über einer Schablone hergestellt.

Um mit einem derartigen Flüssigkeitspendel zwei verschie­ dene Erregerfrequenzen tilgen zu können, können z. B. an jeder Seite des Hubschrauberblattes zwei Ringgefäße mit Hilfe geeigneter Schellen befestigt werden, wobei die beiden Flüssigkeitspendel auf jeder Seite in ihrer Eigenfrequenz auf jeweils eine Erregerfrequenz abge­ stimmt sind.

In den Fig. 4 und 5 ist ein kombiniertes Flüssigkeitspendel 5-1 dargestellt, das bereits zwei Eigenfrequenzen auf­ weist. Dieses Flüssigkeitspendel weist zwei ineinander­ gesetzte, im Querschnitt etwa linsenförmige Hohlzylinder 6-1 und 6-2 auf, in die jeweils eine bestimmte Queck­ silbermenge 9-1 und 9-2 durch Füllöffnungen 8-1 und 8-2 eingefüllt ist. Die Konturen des äußeren und des inneren Hohlzylinders 6-1 bzw. 6-2 sind wiederum so berechnet, daß die Eigenfrequenzen des kombinierten Flüssigkeits­ pendels wiederum weitgehend unabhängig von dem jeweili­ gen Pendelausschlag sind. Zwei solche Flüssigkeitspendel können z. B. mit Hilfe eines einfachen Beschlages beid­ seitig am Rotorblatthals befestigt werden.

In Fig. 6 ist ein Doppelpendel 5-3 mit zwei Schwingungs­ freiheitsgraden zur Tilgung von zwei Errungen unter­ schiedlicher Frequenz dargestellt. Dieses Doppelpendel weist ein Ringgefäß 6-3 aus einem gebogenen Edelstahl­ rohr auf, das mit beiden Enden in einem Verbindungsstück 7-3 eingeschweißt ist. Das Ringgefäß 6-3 ist teilweise mit Quecksilber 9-3 gefüllt. Mit dem Verbindungsstück 7-3 ist eine Pendelstange 11 fest verbunden, die an ihrem freien Ende mit einem Lagerauge 12 versehen ist. Das Doppel­ pendel 5-3 wird an dem Lagerauge 12 um eine Schwenkachse 13 schwenkbar mit dem Rotor verbunden, wobei dieses z. B. über eine Schelle entsprechend Fig. 1 erfolgen kann. Die Schwenkachse 13 liegt in der Rotorblattebene senkrecht zu der Rotorlängsachse. Der Abstand der Schwenkachse 13 vom Mittelpunkt des Rotorkopfes ist in Fig. 6 wiederum mit r bezeichnet.

Dieses Doppelpendel 5-3 wirkt einerseits wie ein übliches mechanisches Pendel, kann demnach um die Schwenkachse 13 in Richtung des Doppelpfeiles schwingen, andererseits wie ein Flüssigkeitspendel der oben beschriebenen Art. Zur Tilgung einer Frequenz schwingen Pendel und Quecksilber­ masse 9-3 gleichphasig, zur Tilgung der weiteren Frequenz in Gegenphase.

Selbstverständlich sind auch bei dieser Ausführungsform zwei derartige Doppelpendel 5-3 zu beiden Seiten des Rotorblattes vorgesehen. Der Behälter könnte selbstver­ ständlich eine andere Form, z. B. die Form eines im Quer­ schnitt linsenförmigen hohlen prismatischen Körpers aufweisen. Auch wäre es im Prinzip möglich, den Behälter selbst als Zwei­ fachbehälter entsprechend Fig. 4 auszubilden, wodurch Erregungskräfte mit weiteren, höheren Frequenzen abgemindert bzw. getilgt werden können.

Claims (5)

1. Flüssigkeitspendel zur Tilgung der Rotor-Schlagbiegeschwingung bei einem Hubschrauber mit einem Behälter, der mit einem drehenden Teil des Hubschrauber­ rotors verbunden ist und teilweise mit einer als Pen­ delmasse dienenden Flüssigkeit ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) so geformt ist, daß sich die effektive Pendellänge (L) in Richtung auf größere Pendelausschläge (A) zur Einstellung einer stets gleichbleibenden, von dem Pendelausschlag (A) unabhängigen Eigenfrequenz des Flüssigkeitspendels (5) verkürzt, und daß die Schwenkachse des Pendels in der Rotorblattebene senkrecht zu der Rotorlängsachse liegt.

2. Flüssigkeitspendel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (6) des Flüssigkeitspendels (5) als Ringgefäß ausgebildet ist.

3. Flüssigkeitspendel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (6-1) des Flüssigkeitspendels (5) als hohler prismatischer Körper ausgebildet ist.

4. Flüssigkeitspendel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Behälter (6-1, 6-2) ineinandergesetzt sind, so daß ein kombiniertes Flüssigkeitspendel (5-1) mit zwei Eigenfrequenzen erzielt wird.

5. Flüssigkeitspendel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6-3) um eine Achse (13) drehbar mit dem Hubschrauberrotor (13) verbunden ist.