DE3642422A1 - Hubschrauberhauptrotorblatt und verfahren zum verbessern der vorwaertsflugeigenschaften desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubschrauberhauptrotorblatt und ein Verfahren der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Art.

Die periodische (einmal pro Umdrehung sinusförmige) Verstel­ lung der Hubschrauberrotorblätter dient zur Fluglagerege­ lung des Hubschraubers. Die höhere harmonische Blattwinkel­ verstellung oder die nichtharmonische lokale Blattwinkel­ verstellung (im folgenden gemeinsam als Schwingungsdämp­ fungsblattwinkelverstellung bezeichnet) ist bekanntlich ge­ eignet, durch den Rotor verursachte Vibration oder Schwin­ gungen zu dämpfen. Typisch wird die Schwingungsdämpfungs­ blattwinkelverstellung der periodischen Blattwinkelverstel­ lung durch schnelle, dynamische Eingaben in die Steuerser­ vovorrichtungen, welche auf die Taumelscheibe einwirken, überlagert. Der Hauptnachteil dieser Methoden ist die ge­ ringere Zuverlässigkeit aufgrund größerer Schwingungsbe­ lastungen und Bewegungen in dem Rotorsteuersystem, der grö­ ßere hydraulische oder elektrische Leistungsbedarf für die Steuerservovorrichtungen und das Gewicht und die Kosten der Konstruktionsänderung zum Korrigieren dieser Probleme.

Einige Hubschrauberhauptrotorblätter können eine eingebaute Verwindung zum Verbessern der Schwebeflugleistung haben. Die eingebaute Verwindung kann als ein sich verändernder Anstell­ winkel des Rotorblattes aufgefaßt werden, der beispielswei­ se von 0° an der Blattwurzel auf -16° an der Blattspitze ab­ nimmt. Das Vorsehen einer großen eingebauten Verwindung, die die Schwebeflugleistung optimiert, ist nicht kompatibel mit dem Bedarf an weniger Verwindung zum Optimieren der Leistung im Vorwärtsflug und wird die Schwingungsbelastungen durch die Luft vergrößern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik zu schaffen zum Reduzieren von durch den Rotor hervorgerufenen Schwingungen während des Vorwärtsfluges. Gelöst wird das durch Verändern der eingebauten Verwindung eines Hubschrauberhauptrotorblattes während des Vorwärtsfluges.

Gemäß der Erfindung ist ein Hubschrauberhauptrotorblatt mit eingebauter Verwindung für verbesserte Schwebeflugleistung mit einem an der Hinterkante nahe der Blattspitze angeord­ neten Schlitz kurzer Spannweite zum Aufwärtsrichten eines Stroms von Druckluft versehen. Das aufwärtsgerichtete Aus­ stoßen von Luft aus dem Schlitz erzeugt ein Aufbäumkipp­ moment an dem Flügel (Rotorblatt), das zum Verringern der Verwindung des Rotorblattes dient. Dadurch wird die Vor­ wärtsflugleistung des Rotorblattes verbessert. Durch Modu­ lieren oder Beeinflussen der Druckluftströmung in Abhän­ gigkeit von dem Blattazimut werden sich ein modulierter An­ stellwinkel und ein modulierter Blattauftrieb ergeben. Durch geeignete Modulation werden durch den Rotor verursachte Schwingungen wesentlich reduziert.

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

Fig. 1 in Draufsicht ein Hubschrauberhaupt­ rotorblatt nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht nach der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittansicht eines be­ kannten Luftverteilsystems,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Systems zur Oberharmonischensteuerung un­ ter Verwendung der Erfindung, und

Fig. 5 eine Endquerschnittansicht eines Rotorblattes ähnlich dem Rotor­ blatt nach Fig. 1, aber mit einer anderen Schlitzkonstruktion.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in Draufsicht bzw. im Querschnitt ein voll gewölbtes Rotorblatt 10, wie beispielsweise das Rotorblatt Sikorsky SC1095. Gewölbte Tragflügelprofile sind in R. W. Prouty, Aerodynamics, Rotor & Wing Inter­ national, August 1984, S. 17-22, beschrieben. Das Rotor­ blatt 10 hat eine eingebaute Verwindung zur Verbesserung der Schwebeflugleistung. Das heißt, es hat wenig oder keine Verwindung (einen größeren geometrischen Blatteinstellwin­ kel) an seinem Wurzelende 12 und ist negativ verwunden (hat einen kleineren geometrischen Blatteinstellwinkel) an sei­ nem Spitzenende 14.

Das Rotorblatt 10 hat einen inneren, radialen Luftkanal 16, der sich von dessen Wurzelende 12 in Längsrichtung fast bis zu dessen Spitzenende 14 erstreckt. Ein kurzer, schmaler Schlitz 18 ist nahe dem Spitzenende 14 des Ro­ torblattes 10 vorgesehen, beispielsweise bei 80% des Ra­ dius. Der Schlitz 18 erstreckt sich in Sehnenrichtung in das Rotorblatt 10, so daß er mit dem radialen Luftkanal 16 in Luftströmungsverbindung ist. Ein flexibler Empfangs­ kanal 20 an dem Wurzelende 12 des Rotorblattes 10 empfängt Druckluft aus einer Kammer, die an der Rotorwelle angeord­ net ist (im folgenden noch näher beschrieben) und leitet die Druckluft über den Luftkanal 16 zu dem Schlitz 18.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2, die einen Querschnitt nach der Linie A-A durch den Schlitz 18 zeigt, ist der Schlitz 18 so ausgebildet, daß er Luft 22 mit einem Aufwärtswinkel von der Hinterkante 24 des Rotorblattes 10 aus ausstößt.

Das aufwärts gerichtete Ausstoßen der Luft 22 an der Hinter­ kante 24 des Rotorblattes 10 wird den Auftrieb verringern. Mit anderen Worten, es scheint, daß das Blasen in der fal­ schen Richtung erfolgt, um die Leistung zu steigern. Durch Aufwärtsblasen von der Hinterkante des Rotorblattes aus wird jedoch die Hinterkante 24 nach unten gedrückt, die ne­ gative eingebaute Verwindung wird wegen der Torsionsflexi­ bilität des Rotorblattes verringert, und eine positive Blatt­ verstellung (größerer Anstellwinkel) wird hervorgerufen, wo­ durch der Auftrieb vergrößert wird. Durch geeignetes Ausbil­ den des Schlitzes, der Lage desselben in Richtung der Spann­ weite und durch Steuern der Stärke des Blasens kann die Auf­ triebsvergrößerung, die aus der positiven Blattverstellung resultiert, die Auftriebsverringerung, die aus dem Blasen "in der falschen Richtung" resultiert, übersteigen, bei­ spielsweise um einen Faktor fünf. Es zeigt sich, daß sehr wenig Blasen, in der Größenordnung von 0,34-0,69 bar (5-10 psi), die gewünschte Größe der Verwindungsänderung ergeben wird. Das Gesamtergebnis des beschriebenen Blasens besteht dann darin, daß die Verwindung des Blattes an dem Spitzenende 14 verringert wird, beispielsweise um 1 bis 2°, mit entsprechender proportionaler Verringerung der Verwin­ dung über der Länge des Rotorblattes als Funktion der Blatt­ torsionsweichheit, was die Leistung steigert und die Bean­ spruchungen des Rotorblattes beim Vorwärtsflug verringert. Beim Schwebeflug erfolgt jedoch kein Blasen, und eine gu­ te Leistung wird durch die eingebaute starke Verwindung und durch die Rotorblattprofilwölbung erzielt.

Das Verringern der Verwindung eines Rotorblattes im Flug ist an sich nicht neu. Beispielsweise benutzt die Kaman Corporation eine Servoklappe an der äußeren Hinterkante des Rotorblattes zur periodischen und kollektiven Steue­ rung. Es ist jedoch ohne weiteres klar, daß das mechanische Steuersystem von Kaman auf einen ganz anderen Zweck als der Luftausstoßschlitz nach der Erfindung, d.h. die ver­ besserte Vorwärtsflugleistung und die Schwingungsdämpfungs­ steuerung, gerichtet ist.

Ein einfaches EIN/AUS-System zum Blasen unter Verwendung irgendeines bekannten geeigneten Systems zur Zufuhr von Druckluft zu dem Rotorblatt wird die Vorwärtsflugeigen­ schaft eines Rotorblattes mit eingebauter Verwindung ver­ bessern (bei eingeschalteter Luft) und eine verbesserte Schwebeflugleistung aufrechterhalten (bei abgeschalteter Luft). Ein System, das modulierten Luftdruck als Funktion der Fluggeschwindigkeit und des Blattazimuts liefert, hat jedoch den zusätzlichen Vorteil, daß es in der Lage ist, die durch den Rotor verursachten Schwingungen zu verrin­ gern, indem die Verwindung des Blattes auf kontrollierte Weise verringert wird.

Eine Vorrichtung zum Modulieren der Luftzufuhr zu einem Hubschrauberhauptrotorblatt ist in den US-Patentschriften 44 93 612 und 45 07 050 beschrieben, die sich mit Systemen befassen, welche zur Verwendung bei dem "X-Flügel"-Flug­ zeug von Sikorsky bestimmt sind.

In der Anordnung nach Fig. 3 ist eine sich nicht drehende, unter Druck stehende, ringförmige Kammer 30 koaxial um eine Rotorwelle 32 angeordnet. Öffnungen 34 sind in regelmäßi­ gen Abständen um die innere Umfangswand 36 der Kammer 30 angeordnet. Die Empfangskanäle 20 aus dem Wurzelende je­ des Rotorblattes werden den Öffnungen 34 der Reihe nach dargeboten, wenn sich der Rotor dreht, um aus diesen Druck­ luft zu empfangen. Zum Verringern von Übergangsvorgängen von einer Öffnung zur anderen kann der Empfangskanal 20 zwei Öffnungen überspannen. Eine Klappe 38 ist jeder Öffnung zum Regulieren des Druckes zugeordnet, der dem Empfangskanal 20 jedes Rotorblattes zugeführt wird.

Die vorgenannten X-Flügel-Patentschriften beschreiben zwei Gruppen von Klappen, eine Gruppe für einen Vorderkanten­ schlitz und eine Gruppe für einen Hinterkantenschlitz, und geben außerdem an, daß sich die Schlitze in dem Rotorblatt des X-Flügel-Flugzeuges im wesentlichen über die Länge des Rotorblattes erstrecken. Die vorliegende Erfindung erfor­ dert nur eine Gruppe von Klappen für einen an der Hinter­ kante am Spitzenende angeordneten Schlitz kurzer Spannwei­ te. Weiter wird bei dem X-Flügel-Flugzeug das Blasen be­ nutzt, um den scheinbaren Blattanstellwinkel in der Blatt­ umgebung zu verändern, wogegen gemäß der Erfindung das Bla­ sen benutzt wird, um den tatsächlichen Blattanstellwinkel zu verändern.

Zur Vereinfachung der Beschreibung gleicht die Kammeranord­ nung nach Fig. 3 am stärksten der Anordnung gemäß der vorge­ nannten US-PS 45 07 050. Die Kammeranordnung nach der vor­ genannten US-PS 44 93 612 kann jedoch zu bevorzugen sein. Wenn sämtliche Klappen 38 im Gleichlauf arbeiten würden, könnte ein einfaches System der Drehzahl über dem Druck wie vorgeschlagen realisiert werden. Bekanntlich kann jedoch jede Klappe der Kammer gemäß ihrer Umfangsposition (Azimut) unabhängig gesteuert werden. Bei dem X-Flügel-Flugzeug er­ möglicht das die periodische Steuerung durch Zuführen von azimutal modulierter Luft zu den Rotorblättern aufgrund ei­ ner gewünschten Fluglage. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die azimutale Modulation des jedem Rotorblatt 10 zuge­ führten Luftdrucks benutzt werden, um Oberharmonischen (mehr als 1/U sinusförmiges)-Blasen oder Blasen nur bei ge­ wählten Azimuts zu realisieren.

Es liegt im Rahmen moderner Computersimulation und -steue­ rung, einem System zur Oberharmonischensteuerung die not­ wendigen Eingangssignale zuzuführen. Was bislang gefehlt hat, ist eine ausführbare mechanische Realisierung. Die vorliegende Erfindung ist eine elegante Mischung aus be­ kannter Technologie (der X-Flügel-Kammeranordnung) mit ei­ nem leicht zu realisierenden neuen Blattaufbau (dem an der Hinterkante Luft nach oben ausstoßenden Schlitz nach der Erfindung), um eine Schwingungsdämpfungssteuerung zusammen mit den oben beschriebenen verbesserten Schwebeflug/Vor­ wärtsflug-Eigenschaften zu erzielen.

Fig. 4 zeigt an der Zelle befestigte Sensoren 40 zum Er­ fassen von Vibration oder Schwingungen des Flugzeuges. Die Ausgangssignale der Sensoren 40 werden an einen Computer 42 abgegeben, der die Klappen 38 steuert, so daß kleine schwingungsdämpfende Anstellwinkeländerungen in jedem Ro­ torblatt 10 durch Blasen wie in einem geschlossenen Regel­ kreis hervorgerufen werden. Das ist eine sehr flugzeugab­ hängige Funktion, es ist aber eine Funktion, die leicht verständlich ist und durch jeden Fachmann ohne weiteres re­ alisiert werden kann.

Fig. 5 zeigt eine weitere Rotorblattkonstruktion, die der Konstruktion nach den Fig. 1 und 2 vorzuziehen ist. Gemäß der Querschnittdarstellung eines Rotorblattes 50 hat dieses einen radialen Luftkanal 52, der sich von dessen Wurzelende in Längsrichtung nahezu bis zu dem Spitzenende des Rotor­ blattes erstreckt (ähnlich dem Luftkanal 16 in Fig. 1). Ein Schlitz 54 kurzer Spannweite ist in der unteren Oberfläche 56 der Hinterkante 58 des Rotorblattes 50 vorgesehen und stößt Luft 60 um eine Coanda-Oberfläche 62 aus, um einen ähnlichen Effekt wie der oben beschriebene Schlitz 18 zu erzeugen.

Ein ähnliches Ergebnis könnte mit einem nach unten gerich­ teten Luftstrahl erzielt werden, das würde aber eine uner­ wünschte Vergrößerung der Blattverwindung verursachen. Der nach oben gerichtete Strahl ergibt eine mittlere Verringe­ rung der Blattverwindung.

Es sei erwähnt, daß ein Rotorblatt typisch eine Eigentor­ sionsfrequenz von etwa sieben Schwingungen pro Umdrehung hat. Im Zusammenhang mit der Oberharmonischensteuerung könnte das sehr gut ein Vorteil sein, da kleinere Eingangs­ signale und daher kleinere Steuerkräfte erforderlich sein können, um eine gewünschte Anstellwinkeländerung bei einem Rotorblatt zu erzielen.

Claims (3)

1. Hubschrauberhauptrotorblatt, gekennzeichnet durch einen Längsschlitz (18, 54) kurzer Spannweite, der nahe dem Spitzenende (14) des Rotorblattes (10, 50) angeordnet und so ausgerichtet ist, daß Druckluft (22, 60) aufwärts von der Hinterkante (24) des Rotorblattes aus ausgestoßen wer­ den kann, um ein Aufbäumkippmoment zu erzeugen und den tat­ sächlichen Blattanstellwinkel zu vergrößern.

2. Verfahren zum Verbessern der Vorwärtsflugeigenschaften eines Hubschrauberhauptrotorblattes unter Beibehaltung von verbesserten Schwebeflugeigenschaften, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellen eines Hauptrotorblattes mit eingebauter nega­ tiver Verwindung; und
Ausstoßen von Druckluft aufwärts von der Hinterkante des Rotorblattes aus in der Nähe des Blattspitzenendes, um die eingebaute negative Verwindung des Rotorblattes im Vor­ wärtsflug zu verringern.

3. Verfahren zur Schwingungsdämpfungssteuerung eines Hub­ schrauberhauptrotorsystems, gekennzeichnet durch:
die Schritte nach Anspruch 2;
Abfühlen von durch den Rotor verursachten Schwingungen der Zelle; und
Modulieren des Ausstoßens von Druckluft aus dem Rotorblatt gemäß der Blattdrehposition in bezug auf die Rotorwelle auf die abgefühlten Schwingungen hin, um so die durch den Rotor verursachten Schwingungen zu reduzieren.