DE3524483A1

DE3524483A1 - Rotorblatt

Info

Publication number: DE3524483A1
Application number: DE19853524483
Authority: DE
Inventors: Donald R. Derby Conn. Carter; Timothy A. Harwinton Conn. Krauss; Matthew Wallingford Conn. Sedlak
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-10-25
Filing date: 1985-07-09
Publication date: 1986-05-07
Also published as: GB2166104B; FR2572358B1; GB2166104A; US4626171A; GB8516708D0; JPS61102396A; FR2572358A1

Description

Rotorblatt

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rotorblatt für ein Flugzeug, bei welchem ein Zirkulationssteuerungsrotorsystem benutzt wird, und betrifft insbesondere den Aufbau eines in Richtung der Spannweite angeordneten Luftdurchlaßschlitzes für das Rotorblatt.

Ein X-Flügel-Flugzeug ist ein Drehflügelflugzeug, bei welchem ein starrer Rotor/Flügel benutzt wird, bei dem Zirkulationssteuerungsflügelprofilteile verwendet werden. Der Rotor wird mechanisch angetrieben, und die Rotorblätter arbeiten im wesentlichen mit festem Blatteinstellwinkel. Der Rotor kann sich wie bei einem Hubschrauber drehen oder kann gestoppt und positioniert werden, so daß er sich wie ein Starrflügel verhält. Die kollektive und die zyklische Steuerung erfolgen durch Steuern der Luftzirkulation

um eine Coanda-Oberflache an den Blattflügelprofilteilen. Das erfolgt durch Blasen von Druckluft durch Vorder- und Hinterkantenkanäle in den Rotorblättern und durch Beeinflussen der Luftmenge, die durch sich in Richtung der Spannweite erstreckende Schlitze an den Vorder- und Hinterkanten der Rotorblätter ausgestoßen wird.

Das Rotorsystem für ein X-Flügel-Flugzeug hat eine Nabe mit daran befestigten Rotorblättern und ein pneumatisches System zum Fördern von Druckluft gesondert zu der Vorderkante und der Hinterkante der einzelnen Rotorblätter mit einem gewünschten Druck und Mengenstrom. Das pneumatische System enthält einen Verdichter, eine Luftzufuhrkammer, Ventile zum Steuern der Luftströmung aus der Kammer zu den Blättern und eine umlaufende Luftverteilanordnung zum getrennten Leiten der Luft zu der Vorderkante und der Hinterkante der Blätter.

Bei Zirkulationssteuerungsflügelprofilteilen wird die Druckluft aus sich in Richtung der Spannweite erstreckenden öffnungen oder Schlitzen längs der oberen Seite der abgerundeten Flügelprofilteil-Vorder-/Hinterkanten-Coanda-Oberflache ausgestoßen. Die Luftströmung aus den Schlitzen haftet an der abgerundeten Vorder-/Hinterkante, wodurch die Zirkulation gesteigert wird, um eine entsprechende Auftriebszunahme gegenüber einem Flügelprofilteil zu erzeugen, bei dem keine Luft ausgestoßen wird. Bei einem gegebenen Blattinnendruck und einem gegebenen aerodynamischen Zustand ist die Auftriebsänderung aufgrund der Zirkulationssteuerung bis zu einem gewissen Grenzwert proportional zu dem Querschnitt der Schlitzöffnung. Wenn die Schlitzöffnung diesen Grenzwert übersteigt, wird kein zusätzlicher Auftrieb erzielt, wobei es sich um einen Zustand handelt, der dem Strömungsabriß bei einem herkömmlichen Flügelprofilteil analog ist. Da ein X-Flügel-Zirkulationssteuerungsflügelprofilteil um seine Halbsehne symmetrisch ist, wird die Vorderkante an der vorlau-

fenden Seite der Blattwegscheibe zu der Hinterkante an der rücklaufenden Seite, und umgekehrt. Zum Maximieren der Leistung, wenn der Rotor langsamer wird, ist es erwünscht, daß der "lokale" Vorderkantenschlitz in allen Azimutpositionen geschlossen ist. Die Verwendung von herkömmlichen Vorspannfedern zum Schließen des Schlitzes ist nicht erwünscht, und zwar hauptsächlich wegen des Gewichts, das damit verbunden wäre.

Ein Zirkulationssteuerungsrotorsystem ist in dem Bericht "Circulation Control Rotor Flight Demonstrator" von David R. Barnes, Douglas G. Kirkpatrick und George A. McCoubrey beschrieben, der auf dem American Helicopter Society Mideast Region Symposium im August 1976 präsentiert worden ist. Der Bericht "Status Report on Advanced Development Program Utilizing Circulation Control Rotor Technology" von Kenneth R. Reader, Douglas G. Kirkpatrick und Robert M. Williams, Druckschrift Nr. 44, präsentiert auf dem Fourth European Rotorcraft and Powered Lift Aircraft Forum, Stresa, Italien, 13.-15. September 1978, beschreibt ein X-Flügel-Entwicklungsprogramm.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Aufbau von sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Luftdurchlaßschlitzöffnungen in dem Rotorblatt eines Zirkulationssteuerungsflugzeugs zu schaffen.

Die Erfindung schafft ein Zirkulationssteuerungsrotorblatt, das sich in Richtung der Spannweite erstreckende Schlitzöffnungen hat, deren Größe extern eingestellt werden kann und für die es eine die öffnung festlegende Struktur gibt, bei der Vorspannung und Hub unabhängig voneinander einstellbar sind.

Ferner schafft die Erfindung ein Zirkulationssteuerungsro-

torblatt/ das sich in Richtung der Spannweite erstreckende, einstellbare Schlitzöffnungen hat, die durch ein Gebilde festgelegt werden, bei dem keine Federn zur Betätigung benutzt werden und das leicht austauschbar ist.

Schließlich schafft die Erfindung ein Zirkulationssteuerungsrotorblatt mit sich in Richtung der Spannweite erstreckenden, einstellbaren Schlitzöffnungen, die durch ein Gebilde festgelegt werden, das aus Verbundmaterial besteht und Doppelbiegeteile hat zum Einstellen der Vorspannung und der maximalen Schlitzöffnung und Toleranzvariationen zwischen den Rotorblättern zuläßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Rotorblat

tes nach der Erfindung, dessen Schlitz im geschlossenen Zustand dargestellt ist,

Fig. 2 eine gleiche Schnittansicht, welche

die Einstellschrauben in auseinandergezogener Darstellung und den Schlitz im geöffneten Zustand zeigt,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Schlitz

öffnung über der Schlitzdifferenzöffnung aufgetragen ist, und

Fig. 4 in Draufsicht einen Teil eines Ro

torblattes nach der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Rotorblattaufbau hat das Rotorblatt 10 einen Verbundaufbau und weist einen Holmabschnitt

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und einen Druckluftkanal 14 auf, wobei der Holmabschnitt und der Druckluftkanal integral miteinander verbunden sind. Die Kante des Blattes, nämlich die Vorderkante und üblicherweise auch die Hinterkante, ist durch eine Coanda-Oberflache 16 festgelegt. Diese Oberfläche kann entweder ein Teil des Druckluftkanals 14 sein, wie es dargestellt ist, oder es kann sich um ein gesondertes Teil handeln. Eine flexible Platte 18 erstreckt sich in Richtung der Spannweite längs der oberen Oberfläche des Rotorblattes 10 und begrenzt gemeinsam mit dem oberen Teil der Coanda-Oberflache einen Schlitz 20, über den Druckluft aus dem Kanal 14 abgegeben werden kann.

Die flexible Platte 18 ist an der oberen Oberfläche des Rotorblattes 10 an mehreren Abstand voneinander aufweisenden Stellen längs der Blattspannweite oder längs eines Abschnitts der Blattspannweite befestigt. In Fig. 1 ist der hintere Teil 22 der Platte 18 durch zwei gleiche Schrauben 24 und 26 befestigt, welche in Befestigungselemente 28 bzw. 30 eingeschraubt sind, die in fester Position an dem oberen Teil 32 des Kanals 14 befestigt sind. Der vordere Teil 34 der Platte 18 ist ebenfalls mit dem oberen Teil 32 des Kanals 14 verbunden, diese Verbindungen gestatten und steuern aber die Biegung der Platte unter dem Einfluß der Druckluft innerhalb des Kanals 14. Eine Schraubverbindung 36, bei welcher es sich um eine Differenz- oder Differentialgewindeschraube handelt, gestattet das Festlegen des Druckes, mit welchem der vordere Teil 34 der Platte 18 gegen die Coanda-Oberflache 16 gedrückt wird. Eine ^Schraubverbindung 38 gestattet das Festlegen einer Grenze der Bewegung des vorderen Teils 34 weg von der Oberfläche (offener Schlitz) aufgrund des Luftdrucks und somit eine Begrenzung der maximalen Öffnung des Schlitzes 20.

Fig. 2 zeigt ausführlicher den Aufbau der Schraubverbindun-

gen 36 und 38, wobei der Schlitz vollständig offen ist. Die Schraubverbindung 36 besteht aus einer Vorspanneinstellmutter 40, einem Differenzgewindeeinstellschraubbolzen 42 und einem Befestigungselement 44. Jedes Ende des Einstellschraubbolzens 42 ist mit Gewinde versehen, wobei beide Enden mit Gewinden in derselben Richtung versehen sind und wobei das Gewinde des oberen Endes, das mit dem Gewinde in der Mutter 40 zusammenpaßt, eine andere Steigung als das Gewinde des unteren Endes hat, welches mit dem Befestigungselement 44 zusammenpaßt. Die Mutter 40 ist an dem Mittelteil 46 der biegsamen Platte 18 befestigt, und das Befestigungselement 44 ist an dem oberen Teil 32 des Druckluftkanals 14 befestigt. Wegen der unterschiedlichen Gewinde an dem Einstellschraubbolzen 42 ist eine relativ feine Steuerung der auf die biegsame Platte 18 ausgeübten Vorspannung möglich.

Die Schraubverbindung 38 besteht aus einer Grenzeinstellschraube 48 und einem Befestigungselement 50, das an dem Teil 52 des Druckluftkanals 14 befestigt ist. Die Grenzeinstellschraube 48 paßt lose in ein Senkloch 54 in der Nähe des äußeren Randes der flexiblen Platte 18, und ein konisch erweiterter Kopf 56 der Schraube 48 ist mit dem versenkten Teil des Loches 54 in Berührung bringbar. Die relative Axialposition der Grenzeinstellschraube 48 begrenzt die Wegbewegung der Plattenaußenkante 58 von der Coanda-Oberflache 16. Die Lage der Schraube 48 in bezug auf den Schlitz 20 muß ausreichend weit von dem Schlitz nach hinten entfernt sein, damit die Schraube 48 die Luftströmung durch die Schlitzöffnung nicht stört.

Beim Zusammenbauen der flexiblen Platte 18 mit dem Rotorblatt 10 wird die Platte, die aus Verbundmaterial besteht, mittels der Schrauben 24 und 26 befestigt. Der Schraubbolzen 42 wird so eingestellt, daß der Schlitz 20 aufgrund

der Position der Plattenkante 58 geschlossen und die Entwurf svorspannung an der Platte festgelegt wird. Nachdem die Kante 58 die Coanda-Oberflache 16 berührt, führt das weitere Einstellen des Schraubbolzens 42, durch das die Platte 18 nach innen bewegt wird, zur Durchbiegung der Platte längs des Bereiches 60 zwischen dem Schraubbolzen 42 und der Befestigungsschraube 24. Die Dicke und die elastischen Eigenschaften dieses Plattenbereiches durch den Aufbau der Verbundstruktur werden speziell so ausgelegt, daß sich die gewünschten Biegeeigenschaften ergeben. Die Vorspannung wird festgelegt, indem der Kanal 14 mit Druck beaufschlagt und der Schraubbolzen 42 so eingestellt wird, daß der Schlitz 20 geschlossen bleibt, bis der gewünschte Mindestbetrxebsdruck erreicht ist.

Nachdem die Vorspannung festgelegt worden ist, wird die axiale Position der Grenzeinstellschraube 48 so eingestellt, daß die maximale öffnung des Schlitzes 20 festgelegt wird. Das erfolgt durch Steigern des Druckes in dem Kanal 14 über den Mindestbetriebsdruck hinaus bis zu dem gewünschten maximalen Betriebsdruck. Die Erhöhung des Druckes bewirkt, daß sich der Teil der Platte 18, der zu der Kante des Rotorblattes 10 hin gelegen ist, von der Coanda-Oberflache wegbiegt, wobei sich die Platte längs des Bereiches 62 zwischen den Einstellschrauben 36 und 38 biegt. Die Dicke und die elastischen Eigenschaften dieses Plattenbereiches werden ähnlich wie bei dem Bereich 60 ausgelegt, damit sich die gewünschten, aber anderen Biegeeigenschaften ergeben. Die Einstellschraube 38 wird in der gebogenen Position der Kante 58 festgesetzt, wenn der Kanalluftdruck auf seinem maximalen Arbeitsdruckwert ist.

Während des Betriebes wird Luft mit variablem Druck dem Kanal 14 an dem Wurzelende des Blattes 10 zugeführt, die dann durch die Kanallöcher 64 (Fig. 1 und 2) hindurch zu dem

Schlitz 20 gelangt. Wegen der Vorspannung, die auf die Platte 18 ausgeübt wird und durch die Differentialgewindeschraubverbindung 36 festgelegt ist, ist der Schlitz 20 geschlossen, bis der Druck der Luft in dem Kanal 14 den Mindestbetriebsdruck erreicht. Wenn der Luftdruck diesen Wert übersteigt, bewegt sich die Kante 58 von der Coanda-Oberflache 16 weg. Druckluft beginnt dann aus dem Kanal über die Coanda-Oberfläche 16 zu strömen. Wenn der Druck der Luft steigt, wird sich die Kante 58 weiterhin von der Coanda-Oberflache 16 wegbewegen, bis bei dem maximalen Betriebsdruck Kontakt mit dem konisch erweiterten Kopf der Schraubverbindung 38 hergestellt wird. Ein größerer Luftdruck wird die öffnung des Schlitzes 20 nicht vergrössern.

Die tatsächliche Arbeitsweise des Schlitzes 20 ist in dem Diagramm in Fig. 3 gezeigt, wo ⁰^" _DES die gewünschte maximale Schlitzöffnung, P_Q die Vorspanndruckeinstellung und P.. der Druck ist, bei dem die maximale öffnung auftritt. Die in dem Diagramm gezeigte kleine Vergrößerung der Schlitzöffnung, die auftritt, wenn der Druck über P. ansteigt, gibt die geringfügige Biegung der Platte 18 wieder, die an der Kante 58 außerhalb der Schraubverbindung 38 auftritt. Die Steigung der Kennlinie zwischen den Punkten P_Q und P₁ wird gemäß den Leistungserfordernissen festgelegt und steht in Beziehung zu den Biegeeigenschaften des Plattenbereiches 62 und kann durch diese Biegeeigenschaften verändert werden.

Gemäß der Draufsicht in Fig. 4, die ein Rotorblatt nach der Erfindung zeigt, hat das Rotorblatt 10, welches eine Wurzel 66 und eine Spitze 68 hat, flexible Platten 18 und 70 an seiner Vorder- bzw. Hinterkante. Die Platte 18 ist an dem Rotorblatt 10 durch parallele Reihen von Schrauben 24 und 26 einwärts von der Blattvorderkante befestigt, und die

Platte 70 ist an dem Rotorblatt 10 durch parallele Reihen von Schrauben 72 und 74 einwärts von der Blatthinterkante befestigt. Eine Reihe von Schraubverbindungen 36 längs eines Mittelteils der Platte 18 dient zum Festlegen der Schlitzvorspannung an Stellen längs der Plattenlänge, und ebenso dient eine Reihe von Schraubverbindungen 76 längs eines Mittelteils der Platte 70 zum Festlegen der Schlitzvorspannung an Stellen längs dieser Plattenlänge. Die Schraubverbindungen 38 längs der Außenkante der Platte 18 gestatten das Einstellen der maximalen öffnung des Schlitzes zwischen der Platte und der Vorderkanten-Coanda-Oberfläche 16, und Schraubverbindungen 78 längs der Außenkante der Platte 70 gestatten das Einstellen der maximalen öffnung des Schlitzes zwischen der Platte und der Hinterkanten-Coanda-Oberflache Die Platte 18 und die Platte 70 erstrecken sich wie dargestellt nicht notwendigerweise über die volle Länge der Blattspannweite. Es kann eine Anzahl zusätzlicher Platten längs der Spannweite vorgesehen werden, wie hier die Platte 82 neben der Platte 18 und die Platte 84 neben der Platte 70. Ein Hauptgrund für einen Mehrplattenaufbau ist die leichte Austauschbarkeit von Plattenabschnitten im Falle von Verschleiß oder Beschädigung. Der Abstand in Richtung der Spannweite zwischen benachbarten Schrauben steht in Beziehung zu deren Auswirkung auf die Luftströmung durch den Schlitz und zu der Druckluftbelastung der Platten.

Leerseite

Claims

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

1. Rotorblatt für ein Zirkulationssteuerungsflugzeug, gekennzeichnet durch eine Coanda-Oberflache (16) längs einer Blattkante, durch einen Kanal (14) innerhalb des Blattes (10) zur Aufnahme von Druckluft, durch eine Einrichtung (18), die in Zusammenwirkung mit der Coanda-Oberflache (16) einen Schlitz (20) längs der Blattkante begrenzt, durch den Druckluft aus dem Kanal (14) abgegeben werden kann, wobei die mit der Coanda-Oberflache zusammenwirkende Einrichtung (18) eine Doppelbiegeeinrichtung (60, 62) hat, welcher Einrichtungen (36, 38) zum Festlegen eines Mindestluftdruckes zum öffnen des Schlitzes (20) und zum Begrenzen der maximalen Größe des Schlitzes (20) zugeordnet sind.

2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Schlitz (20) längs der oberen Oberfläche des Blattes (10) erstreckt.

3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Coanda-Oberfläche (16) zusammenwirkende Einrichtung im wesentlichen eine rechteckige Platte (18) ist.

4. Rotorblatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (18) an dem Blatt (10) längs einer Kante der Platte befestigt ist und daß die entgegengesetzte Kante (58) die Größe des Schlitzes (20) steuert.

5. Rotorblatt für ein Zirkulationssteuerungsflugzeug, gekennzeichnet durch einen aus einer Coanda-Oberflache (16) bestehenden Randabschnitt längs eines Teils seiner Spannweite, durch einen Kanal (14), der innerhalb des Randabschnitts angeordnet ist, zum Liefern von Druckluft, um diese nahe des oberen Endes der Coanda-Oberflache (16) zum Umströmen der Außenseite der Coanda-Oberflache (16) abzugeben, und durch eine flexible Plattenvorrichtung (18) zum Steuern der Druckluftabgabe, wobei die Platte (18) eine erste Kante (22) hat, die mit der oberen äußeren Oberfläche des Randabschnitts starr verbunden ist, und eine zweite Kante (58), welche mit einem oberen Teil der Coanda-Oberflache (16) einen sich in Richtung der Spannweite erstrekkenden Schlitz (20) begrenzt, durch den Druckluft abgegeben wird, wobei die Platte (18; 70, 82, 84) außerdem eine erste Biegeeinrichtung (60) hat, welcher eine erste Einrichtung (36; 76) zum Festlegen einer Vorspannung an der zweiten Plattenkante (58) zugeordnet ist, so daß der Schlitz (20) geschlossen ist, bis ein Mindestluftdruck in dem Kanal (14) erreicht ist, und eine zweite Biegeeinrichtung (62), der eine zweite Einrichtung (38; 78) zugeordnet ist, zum Begrenzen der Bewegung der zweiten Plattenkante (58) auf den Luftdruck in dem Kanal (14) hin, um eine maximale Schlitzöffnung festzulegen.

6. Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Festlegen der Vorspannung eine Differenzgewindeeinstelleinrichtung (36; 76) aufweist.

7. Rotorblatt nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbegrenzungseinrichtung eine Einstellschraube (38; 78) aufweist.

8. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Pestlegen der Vorspannung und zum Begrenzen der Bewegung Einstelleinrichtungen (36, 38; 76, 78) sind, welche in sich in Richtung der Spannweite erstreckenden und gegenseitigen Abstand aufweisenden Reihen längs des Rotorblattes (10) angeordnet sind;

9. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Festlegen der Vorspannung eine Einstelleinrichtung (36; 76) aufweist, die in der Nähe des Mittelteils der flexiblen Plattenvorrich- tung (18) zwischen der ersten und der zweiten Plattenkante (22, 58) angeordnet ist, und daß die Bewegungsbegrenzungseinrichtung eine Einstelleinrichtung (38; 78) zwischen der ersten Einrichtung und der zweiten Kante (58) der flexiblen Platte aufweist.

10. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch mehrere flexible Platten (18, 70, 82, 84) längs seiner Spannweite, wobei jede Platte die Einrichtungen (36, 38; 76, 78) zum Einstellen der Vorspannung und zum Begrenzen der Bewegung hat.

11. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Festlegen der Vorspannung Differenzgewindeeinrichtungen (36; 76) aufweist, die dieselbe Richtung und unterschiedliche Stei-

gungen haben.

12. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet/ daß die erste Biegeeinrichtung (60) einen Verbundplattenlängenbereich besonderer Dikke und besonderen Aufbaus aufweist, der die gewünschten Biegeeigenschaften ergibt, und daß die zweite Biegeeinrichtung (62) einen Verbundplattenlängenbereich anderer besonderer Dicke und anderen besonderen Aufbaus aufweist, der andere Biegeeigenschaften als die der ersten Biegeeinrichtung ergibt.