DE3614371A1 - Einrichtung zur steuerung von rotorblaettern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steue­ rung von Rotorblättern bei einem Hubschrauber, wobei jedes Rotorblatt beliebig mit dem Rotorkopf verbunden sein kann.

Bei der Konstruktion von Hubschraubern besteht neben der Notwendigkeit der Gewichtseinsparung aufgrund der vergleichsweise hohen Leistungsaufwendung die pro Gewichts­ anteil aufgebracht werden muß, die Forderung nach einer verbesserten Steuerfähigkeit aufgrund der unsymmetrischen Aerodynamik im Vorwärtsflug, die zur typischen Schüttelbe­ wegung des Hubschraubers führt. Damit hängt eine weitere Leistungssteigerung, eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit und eine Verbesserung der Flugeigenschaften zusammen.

Die übliche Steuerung der Rotorblätter erfolgt mit Hilfe einer Taumelscheibe, wobei hierbei der kollektiven Rotor­ blattansteuerung eine zyklische Rotorblattansteuerung über­ lagert wird. Diese Steuerbarkeit wird durch Transformation der Steuerbewegung des Steuerknüppels in eine sich drehende Ebene und von da aus durch Weiterleitung an die Rotor­ blätter erzielt. Die Taumelscheibe besteht im wesentlichen aus einem starren und einem sich drehenden Ringteil, wobei durch Kippen des feststehenden Teils der Taumelscheibe durch den Piloten das einzelne Rotorblatt beim Umlauf ei­ nen ständigen auf- und abschwingenden Einstellwinkel annimmt, dessen Form rein sinusförmig ist. Durch aerodyna­ misch bedingte Auftriebsstörungen an dem sich gegen und an dem sich in Flugrichtung bewegenden Rotorblatt und dadurch hervorgerufene Schwingungserscheinungen sind dieser Funk­ tion im praktischen Betrieb Grenzen gesetzt.

Ähnlich verhält es sich mit der Spinnenansteuerung, wobei die um den Mast herumgebaute Taumelscheibe entfällt und dagegen eine im Rotormastinneren befindliche zentrale Lagerstelle für die Übertragung vom drehenden in das stehende System benutzt wird.

Entfallen, wie bei modernen Rotorblättern z.T. verwendet, die Blattdrehlager, so wird zur Aufbringung der erforderli­ chen Blatteinstellwinkelposition der Blatthals des Rotor­ blattes verwunden. Hierzu wird ein Torsionsverband benutzt, der um oder neben dem elastischen Blatthals liegt und mit diesem an den Enden torsionssteif verbunden ist. Die Ansteuerung des Torsionsverbandes geschieht in üblicher Weise.

Sollen über die harmonische Steuerbewegung hinaus höherhar­ monische Steuerbeaufschlagungen stattfinden, so wird das Steuergestänge des festen Steuersystems in geeigneter Weise überlagert. Die Übertragung durch die starre Taumelscheibe in das drehende System ist aber nur bei den Schwingungen möglich, die entsprechend der Anzahl der Rotorblätter und der damit gegebenen Teilung eines Vollkreises jederzeit eine Ebene bilden. Hiernach ist z.B. die Ansteuerung einer zweifach harmonischen Schwingung bei einem 4-Blatt-Rotor nicht möglich.

Aus der DE-PS 27 56 617 ist bereits eine Einrichtung zum Einstellen des Spurlaufs von Rotorblättern bei einem Hubschrauber bekannt, wobei jedem Rotorblatt eine längen­ verstellbare Steuerstange mit einem mit der Versorgungsein­ heit für die Rotorblattsteuerung verbundenen Stellmotor zugeordnet ist. Die Verstellung jeder Steuerstange erfolgt während des Fluges mittels Fernsteuerung von einem Komman­ dogerät im Führerraum des Hubschraubers über einen in der Versorgungseinheit für die Rotorblattsteuerung auf dem drehbaren Rotorkopf befindlichen Empfängerteil zum Stellmo­ tor. Eine Rückmeldung sowohl des Verstellmaßes der Steuer­ stange über ein in dieser angeordnetes Potentiometer als auch der in der Steuerstange auftretenden Steuerkräfte durch eine in der Steuerstange installierten Meßeinrichtung erfolgt dabei auf einer Anzeigeeinrichtung im Führerraum.

Die Steuerkräfte werden über Schleifringe, eine Induktions­ strecke oder mittels Telemetrie übertragen.

Durch diese bekannte Einrichtung wird der Vorteil erreicht, daß durch das vom Hubschrauber aus ferngesteuerte System für die Einstellung des Blattlaufs die bis dahin erforder­ lichen Werkstattflüge entfallen konnten, die notwendig waren, um die Rotorblätter in Spur zu bringen und den Hubschrauber während des Fluges ruhig zu halten.

Aus der DE-OS 24 47 877 ist es bekannt, zur Optimierung des Anstellwinkels eines einzelnen Rotorblattes eine Anordnung von elektrischen oder hydraulischen oder kombinierten Stellmotoren zur Betätigung der Rotorblattsteuerung in dem umlaufenden Rotorblatt vorzusehen, wobei im Falle einer hydraulischen Anlage der gesamte Steuerkraftkreislauf einschließlich Hydraulikpumpe, Überdruckventile, Hydraulik­ speicher, Servoventile in dem Rotor mit umlaufen sollen. Wie jedoch diese einen erheblichen Raum einnehmende hydraulische Anlage in dem Rotorblatt untergebracht werden soll und wie damit im einzelnen eine Verstellung des Anstellwinkels erfolgen soll, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ein­ richtung zur Steuerung von Rotorblättern anzugeben, die Einzelblattsteuerfunktionen beliebiger Art und/ oder gleichzeitig Änderungen der Blattschränkung vor­ nehmen kann, um so eine Erhöhung der Fluggeschwindig­ keit mit einer Verbesserung der Flugeigenschaft zu erzielen.

Ausgehend von einer Einrichtung der eingangs näher genann­ ten Art, wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß jedes Rotorblatt mindestens eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Rotorblatt derart verbunden ist, daß ihre Längsachse parallel zur Längsachse des Rotorblatts verläuft und daß die Steuereinheit um ihre Längsachse ohne mechani­ sche Ansteuerung Torsionsbewegungen ausführen kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit im Rotorblatt integriert und weist einen Flügelkolben auf, der in einem an einer Beschlagseite befestigten Innenring drehbar gelagert ist und dessen Flügel mit dem anderen Beschlag des zu verbindenden Ab­ schnitt des Rotorblattes fest verbunden ist und der un­ ter der Einwirkung einer Hydraulikflüssigkeit Drehbewe­ gungen ausführt, wobei die Größe des Drehversuches durch eine im Innenring vorgesehene Aussparung begrenzt ist.

Der Innenring ist dabei von einem Außenring umgeben, der an einer Seite mit dem Rotorblatt fest verbunden ist.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit außerhalb des Rotorblattes derart an­ geordnet, daß der feststehende Teil des einen Endes mit dem Blattanschlußbeschlag und der drehbare Teil des an­ deren Endes mit dem Rotorblatt verbunden ist.

Zur Erhöhung der Redundanz ist es vorteilhaft, wenn ei­ ne Vielzahl von Steuereinheiten in axialer Richtung hin­ tereinander angeordnet sind und alle Steuereinheiten entweder gleichzeitig hydraulisch oder individuell hy­ draulisch beaufschlagt werden.

Zur Vermeidung von Überhitzungen der Hydraulikflüssigkeit können jeder Zu- und Rücklaufleitung eine Nebenleitung zugeordnet sein, um so einen kontinuierlichen Durchlauf der Hydraulikflüssigkeit zu ermöglichen.

Durch diese bekannte Einrichtung wird also der Vorteil einer direkten Ansteuerung der jeweiligen Rotorblätter erzielt, womit die Verwendung der technisch aufwendigen und teuren Taumelscheibe entfallen kann. Die Einrich­ tung weist einen geringeren Luftwiderstand und einen einfacheren Aufbau des Rotorkopfes aufgrund des Wegfalls der üblichen mechanischen Steuerungsteile auf. Eine derartige Rotorblattsteuerung ermöglicht es fer­ ner auf Rückanströmungen im Rotorkreisflächenbereich und auf überlagerte Böenangriffe günstiger zu reagie­ ren. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Beein­ flussung der Rotorblattschwingungen bei den gegen die Flugrichtung laufenden Rotorblättern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele darge­ stellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß­ en Einrichtung zur Steuerung der Rotorblätter;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-B von Fig. 1;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Einbaus von Steuereinheiten in ein Rotorblatt;

Fig. 4 ein Einbaubeispiel für einen einholmigen Blatthals;

Fig. 5 ein Einbaubeispiel für einen zweiholmigen Blatt­ hals;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels und

Fig. 7 eine Draufsicht auf das in Fig. 6 gezeigte Ausfüh­ rungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische vergrößerte teilweise aufgebrochene Ansicht einer erfindungsgemäßen Steuerein­ heit, die in diesem Fall in ein Rotorblatt 2 integriert ist und zwar derart, daß die Längsachse der Steuereinheit 1 parallel zur Längsachse des Rotorblattes verläuft. Die Steuereinheit 1 weist wie auch insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, einen Flügelkolben 3 auf, der in einem fest­ stehenden Innenring 4, z.B. aus Lagermetall drehbar ange­ ordnet ist, der wiederum von einem Außenring umgeben ist. Der Innenring 4 ist in einem Anschlußbeschlag 6 oder 7 fest gelagert der mit dem Rotorblatt 2 verbunden ist.

Der Innenring 4 weist einen Öffnungssektor auf, der größer als der in ihn ragende Teil des Flügelkolbens 3 ist, so daß letzterer Drehbewegungen in beiden Richtungen ausführen kann und der Drehweg durch die Summe der Winkel +α und -α (Fig. 2) bestimmt ist. Um nun derartige Drehbewegungen durchführen zu können, sind gemäß Fig. 1 Hydrauliklei­ tungen 8, 9 mit den Steuereinheiten derart verbunden, daß der eine oder der andere zwischen dem Flügel des Flügelkol­ bens und dem Innenring 4 bestehende Spalt mit Hydraulik­ flüssigkeit beaufschlagt wird. Da der Flügelkolben 3 fest mit dem Rotorblatt 2 verbunden ist, erfolgt also im Bereich der Steuereinheit 1 eine Verwindung des mit dieser Steuereinheit verbundenen Abschnitts des Rotorblatts 2 nach unten oder nach oben, je nachdem welcher der Spalte mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Anstelle eines Flügelkolbens mit einem Flügel (wie dargestellt) können auch Flügelkolben mit mehreren Flügeln verwendet werden. Dabei sind Länge und Durchmesser der Flügelkolben frei wählbar und nur eine Funktion vom Leistungsbedarf und den möglichen baulichen Gegebenheiten des Rotorblattes.

Wegen der auftretenden hohen Fliehkraft ist es zweckmäßig den Außenmantel derart aufzubauen, daß er in Fliehkraft­ richtung als geschlossenes Gefäß wirkt. Damit wird eine kraftschlüssige Holmanlehnung in Fliehkraftrichtung am Außenmantel und entgegengesetzt über den Kolbenflügel er­ zielt. Die maximale Verdrehung, die dem Rotorblattholm er­ teilt wird, wird so gewählt, daß die Verdrehspannungen keine kritischen Werte annehmen.

Um ein Überhitzen der Hydraulikflüssigkeit zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn zwischen Zu- und Rücklaufleitung eine Nebenleitung (Bypas) gelegt wird um einen kontinuier­ lichen Weitertransport der Hydraulikflüssigkeit zu gewähr­ leisten.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines modernen Rotor­ blattes, das ohne Blattdrehlager direkt mit dem Rotorkopf 10 verbunden ist. Dieses Rotorblatt 2 weist eine Mehrzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Steuerein­ heiten 11, 12, 13, 14, 15 auf, um so eine Verwindung des Rotorblattes 2 über einen größeren Längenbereich zu erzie­ len. Die Steuereinheiten sind jeweils über eigene Hydrau­ likleitungen mit einem gemeinsamen Kanal verbunden, so daß unter Verwendung geeigneter Hydraulikventile beliebige Steuereinheiten ansteuerbar sind um so eine oder mehrere Rotorblattverwindungen zu erzeugen. Die Steuereinheiten können jedoch auch über eine gemeinsame Hydraulikleitung gleichzeitig betätigt werden um so eine bestimmte Rotor­ blattverwindung über einen größeren Bereich zu erzielen. Mit 19, 20 sind Hydraulikleitungen bezeichnet, die das Ro­ torblatt mit dem Rotorkopf 10 verbinden. Da sich diese Hydraulikleitungen mit dem Rotorkopf drehen ist innerhalb des Rotorkopfes ein an sich bekannter Anschluß zwischen den sich drehenden Hydraulikleitungen und den hubschrauber­ festen Hydraulikleitungen vorhanden.

Fig. 4 zeigt ein Einbaubeispiel eines Rotorblattes mit ei­ nem einholmigen Blatthals, in dem z.B. fünf Steuereinhei­ ten 11, 12, 13, 14, 15 unmittelbar nebeneinander angeord­ net sind, während in weiterer Verlängerung des Rotorblatts 2 noch drei in Abstand voneinander angeordnete Steuerein­ heiten 16, 17, 18 vorgesehen sind um an diesen Stellen je­ weils eine Verwindung des Rotorblatts 2 zu erzeugen, wobei die Ansteuerung der einzelnen Steuereinheiten wie oben be­ schrieben gleichzeitig oder individuell erfolgt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen An­ ordnung von Steuereinheiten ist in den Fig. 6 und 7 dar­ gestellt. Hier ist die Steuereinheit 1 nicht in den Rotor­ flügel integriert, sondern neben diesem und parallel zur Achse des Rotorblattes 2 angeordnet. Dabei zeigt insbesond­ dere Fig. 7, daß der drehfeste Teil der Steuereinheit 1 d.h. der Innenring 4, an seinem einen Ende 21 mit dem Blatt­ anschluß 23 fest verbunden ist, während das andere Ende der Steuereinheit 1 über den Flügelkolben 3 und eine Verbin­ dungseinrichtung 22 mit dem Holm des Rotorblattes 2 derart verbunden ist, daß bei Verschwenkung des Flügelkolbens 3 im feststehenden Innenring 4 eine Verwindung des Rotorblattholmes bewirkt wird. Auch hier können wieder meh­ rere Steuereinheiten axial hintereinander angeordnet sein. Auch kann hier durch Einbringung der Steuereinheiten in den äußeren Teil des Rotorblattes 2 eine Blattschwenkung während des Blattumlaufes linear oder nichtlinear erfolgen. Mit der Erfindung wird also der Vorteil erzielt, höherhar­ monische Steuerbeaufschlagungen der Rotorblätter zu erzie­ len und damit auch die Ansteuerung einer zweifach harmoni­ schen Schwingung bei einem Rotorkopf mit vier Rotorblät­ tern zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Steuereinheit innerhalb des sich drehenden Systems benötigt keine weitere mechanische Ansteuerungen der Rotorblätter um eine oder mehrere Blattverwindungen erzeugen zu können und diese direkt dem Blattholm mitzuteilen. Ferner können auch Ver­ windungen über den Blatthals hinaus im Rotorblatt erzeugt werden, wobei anstelle der Erzeugung der erforderlichen Torsionskraft durch Hydrauliköl auch andere Energieübertra­ gungsformen denkbar sind.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern bei einem Hubschrauber, wobei jedes Rotorblatt gegenüber dem Rotorkopfdrehwinkel beweglich ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Rotorblatt mindestens eine Steuer­ einheit (1) aufweist, die mit dem Rotorblatt (2) der­ art verbunden ist, daß ihre Längsachse parallel zur Längsachse des Rotorblattes verläuft und daß die Steu­ ereinheit um ihre Längsachse ohne mechanische Ansteu­ erung Torsionsbewegungen ausführen kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit im Rotorblatt integriert ist und einen Flügelkolben (3) aufweist, der in einem an der einen Beschlagseite fest verbundenen Innenring (4) drehbar gelagert ist und dessen Flügel mit der anderen Beschlagseite des zu verwindenden Abschnitts des Rotor­ blatts (2) fest verbunden ist und unter der Einwirkung einer Hydraulikflüssigkeit Drehbewegungen ausführt, wobei der partielle Einstellwinkel ( ± α ) durch eine im Innenring vorgesehene Aussparung begrenzt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (4) von einem Außenring (5) umgeben ist, der mit dem Rotorblatt fest verbunden ist und daß jede Steuereinheit (1) in mindestens zwei Anschluß­ beschlägen (6, 7) gelagert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit außerhalb des Rotorblattes der­ art angeordnet ist, daß der feststehende Teil des einen Endes (21) mit dem Blattanschluß des Rotorkop­ fes (10) und der drehbare Teil des anderen Endes (3) über den Parallelausgleich (22) mit dem Rotorblatt (2) verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Steuereinheiten (11, 12, 13, 14, 15) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und daß alle Steuereinheiten gleichzeitig hydrau­ lisch beaufschlagbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Steuereinheiten in axialer Rich­ tung hintereinander angeordnet sind und daß jede Steu­ ereinheit mindestens ein Ventil aufweist zur indivi­ duell hydraulischen Beaufschlagung ausgewählter Steuer­ einheiten.

7. Einrichtung nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere parallele Reihen von in axialer Richtung hintereinander angeordneter Steuereinheiten vorgesehen sind, wobei jede Reihe eine eigene hydrau­ lische Zu- und Rückleitung aufweist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zu- und Rücklaufleitung eine Nebenleitung zum kontinuierlichen Durchlauf der Hydrau­ likflüssigkeit zugeordnet ist.