DE3614371C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern bei einem Hubschrauber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Konstruktion von Hubschraubern besteht neben der Notwendigkeit der Gewichtseinsparung aufgrund des vergleichsweise hohen Leistungsauf­ wandes, der pro Gewichtsanteil aufgebracht werden muß, die Forderung nach einer verbesserten Steuerfähigkeit aufgrund der unsymmetrischen Aerodynamik im Vorwärtsflug, die zur typischen Schüttelbewegung des Hub­ schraubers führt. Damit hängt eine weitere Leistungssteigerung, eine Er­ höhung der Fluggeschwindigkeit und eine Verbesserung der Flugeigenschaf­ ten zusammen.

Die übliche Steuerung der Rotorblätter erfolgt mit Hilfe einer Taumel­ scheibe, wobei hierbei der kollektiven Rotorblattansteuerung eine zyklische Rotorblattansteuerung überlagert wird. Diese Steuerbarkeit wird durch Transformation der Steuerbewegung des Steuerknüppels in eine sich drehende Ebene und von da aus durch Weiterleitung an die Rotorblät­ ter 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 einen ständigen auf- und abschwingenden Einstellwinkel annimmt, dessen Form rein sinusförmig ist. Durch aerodynamisch bedingte Auf­ triebsstörungen an dem sich gegen und an dem sich in Flugrichtung bewe­ genden Rotorblatt und dadurch hervorgerufene Schwingungserscheinungen sind dieser Funktion im praktischen Betrieb Grenzen gesetzt.

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

Entfallen, wie bei modernen Rotorblättern z. T. verwendet, die Blattdreh­ lager, so wird zur Aufbringung der erforderlichen Blatteinstell­ winkelposition der Blatthals des Rotorblattes verwunden. Hierzu wird ein Torsionsverband benutzt, der um oder neben dem elastischen Blatthals liegt und mit diesem an den Enden torsionssteif verbunden ist. Die An­ steuerung des Torsionsverbandes geschieht in üblicher Weise.

Sollen über die harmonische Steuerbewegung hinaus höherharmonische 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 57 617 ist bereits eine Einrichtung zum Einstellen des Spurlaufs von Rotorblättern bei einem Hubschrauber bekannt, wobei jedem Rotorblatt eine längenverstellbare Steuerstange mit einem mit der Ver­ sorgungseinheit für die Rotorblattsteuerung verbundenen Stellmotor zuge­ ordnet ist. Die Verstellung jeder Steuerstange erfolgt während des Flu­ ges mittels Fernsteuerung von einem Kommandogerät im Führerraum des Hub­ schraubers über einen in der Versorgungseinheit für die Rotorblattsteue­ rung auf dem drehbaren Rotorkopf befindlichen Empfängerteil zum Stell­ motor. Eine Rückmeldung sowohl des Verstellmaßes der Steuerstange über ein in dieser angeordnetes Potentiometer als auch der in der Steuer­ stange auftretenden Steuerkräfte durch eine in der Steuerstange instal­ lierte Meßeinrichtung erfolgt dabei auf einer Anzeigeeinrichtung im Führerraum.

Die Steuerkräfte werden über Schleifringe, eine Induktionsstrecke 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 erforderlichen Werkstückflüge entfallen konn­ ten, 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 Anstell­ winkels 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 ein­ schließlich Hydraulikpumpe, Überdruckventile, Hydraulikspeicher, Servo­ ventile in dem Rotor mitumlaufen sollen. Wie jedoch diese, einen erheb­ lichen Raum einnehmende hydraulische Anlage in dem Rotorblatt unterge­ bracht werden soll und wie damit im einzelnen eine Verstellung des An­ stellwinkels erfolgen soll, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus der GB-PS 20 90 214 ist eine Steuervorrichtung bekannt, wobei jedes Rotorblatt gegenüber dem Rotorkopf drehwinkelbeweglich ist. Die Steuer­ einheiten sind dabei derart mit den Rotorblättern verbunden, daß ihre Längsachsen parallel zur Rotorblattachse verlaufen. Hierbei ist nun jedes Rotorblatt über ein Getriebe und einen Elektromotor mit dem Rotor­ kopf verbunden. Es ist klar, daß, um ausreichend schnelle und kräftige Verwindungen der einzelnen Rotorblätter um deren gesamte Längsachse zu erzielen, leistungsfähige, d. h. große und teure Elektromotoren erforder­ lich sind. Ferner wird mit dieser bekannten Einrichtung nur eine voll­ ständige Verdrehung des Rotorblattes um seine Längsachse ermöglicht, nicht jedoch die Verwindung einzelner Abschnitte.

Auch aus der DE-OS 26 25 327 ist nur ein Hydromotor bekannt, mit dem z. B. der Anstellwinkel eines Rotorblattes verändert werden kann, d. h. ebenfalls nur eine Verdrehung des gesamten Rotorblattes um dessen Längs­ achse, nicht jedoch eine Verwindung einzelner Abschnitte. Damit soll z. B. eine automatische Notlandeeigenschaft eines Hubschraubers beim Ausfall des Propellerantriebes erzielt werden, wobei der Propeller um seine Achse in die Stellung des kleinsten Anstellwinkels verdreht wird, der der Notlandeeigenschaft während des Autorotationszustandes ent­ spricht. Durch den im Rotor angeordneten Hydromotor kann ferner während des Fluges der Anstellwinkel des Propellers verstellt werden.

Aus der US-PS 45 34 704 schließlich ist eine Steueranordnung für einen Helikopter bekannt, bei dem die herkömmliche Taumelscheibe durch einen Rotorkopf ersetzt wird, in dem eine hydromechanische oder elektrohydrau­ lische Stellvorrichtung für jedes Rotorblatt vorgesehen ist. Auch hier ist es also nur möglich, den Anstellwinkel des gesamten Rotorblattes über dessen Länge zu verändern, indem das Rotorblatt verstellbar bezüg­ lich des Rotors an diesem angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern anzugeben, mit der Steuerbewegungen der Rotorblätter möglich sind, die von der rein sinusförmigen Steuerbewegung abweichen, mit der also eine multizyklische Rotorblattsteuerung ermög­ licht wird bei gleichzeitiger Verringerung des baulischen Aufwandes, um so eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit mit einer Verbesserung der Flugeigenschaften zu erzielen.

Ausgehend von einer Einrichtung der eingangs näher genannten Art, wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß die Steuereinheit einen in einem Innenring angeordneten Flügelkolben aufweist, dessen Flügel mit einem Abschnitt des Rotorblattes fest verbunden ist, wobei der Flügel­ kolben unter der Einwirkung einer Hydraulikflüssigkeit Drehbewegungen um seine Längsachse ohne mechanische Ansteuerung ausführen kann und damit den zugehörigen Abschnitt des torsionsweichen Rotorblattes um dessen Längsachse verwindet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit im Rotorblatt integriert und der Innenring mit einer Beschlagseite fest verbunden, und der Flügel mit der anderen Beschlagseite des zu verwin­ denden Abschnitts des Rotorblatts fest verbunden, wobei der Verdreh­ winkel (±α) 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 Steuerein­ heit außerhalb des Rotorblattes derart angeordnet, daß der feststehende Teil des einen Endes mit dem Blattanschlußbeschlag und der drehbare Teil des anderen Endes mit dem Rotorblatt verbunden ist.

Zur Erhöhung der Redundanz ist es vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Steuereinheiten in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und alle Steuereinheiten entweder gleichzeitig hydraulisch oder individuell hydraulisch beaufschlagt werden.

Zur Vermeidung von Überhitzungen der Hydraulikflüssigkeit kann 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 auf aufgrund des Wegfalls einer 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 zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemä­ ßen 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 wird. 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 (Bypass) 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 insbeson­ 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 (2)

1. Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern bei einem Hub­ schrauber, wobei jedes Rotorblatt gegenüber dem Rotorkopf drehwinkel­ beweglich ist und jedes Rotorblatt mindestens eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Rotorblatt derart verbunden ist, daß ihre Längs­ achse parallel zur Längsachse des Rotorblattes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (1) einen in einem Innenring (4) angeordneten Flügelkolben (3) aufweist, dessen Flügel mit einem Ab­ schnitt des Rotorblattes fest verbunden ist, wobei der Flügelkolben unter der Einwirkung einer Hydraulikflüssigkeit Drehbewegungen um seine Längsachse ohne mechanische Ansteuerung ausführen kann und damit den zugehörigen Abschnitt des torsionsweichen Rotorblattes um dessen Längs­ achse verwindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (1) im Rotorblatt integriert ist, daß der Innenring (4) mit einer Beschlagseite fest verbunden ist und der Flügel mit der anderen Beschlagseite des zu verwindenden Abschnitts des Rotorblatts (2) fest verbunden ist und daß der Verdrehwinkel (±α) durch eine im Innen­ ring (4) vorgesehene Aussparung begrenzt ist.