DE4231303A1 - Vorrichtung zum feststellen der vereisung der rotorblaetter eines luftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen der Vereisung der Rotorblätter eines Luftfahrzeuges.

Die Vereisung der Rotorblätter eines Luftfahrzeuges wie eines Hubschraubers ist ein schwerwiegendes Phänomen, wodurch eine Destabilisierung bis zum Verlust der Kontrolle eintreten kann. Es ist daher wichtig, eine Vereisung rechtzeitig festzustellen, um die Enteisungsvorrichtung in Betrieb zu setzen.

Die Feststellung der Blattvereisung kann z. B. mit Hilfe spezifischer Erfassungsgeräte erfolgen, die unmittelbar auf diesen Blättern installiert sind. Diese direkte Mothode hat allerdings den Nachteil, daß die Aufnehmer harten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und daß es schwierig ist, die Information zu den feststehenden Teilen des Luftfahrzeugs zu übertragen.

In der GB-A 20 46 690 ist zur Feststellung von Blattvereisung auch vorgeschlagen worden, das zum Rotor übertragene Drehmoment zu benutzen. Dieses Verfahren erfordert allerdings eine beträchtliche Anzahl von Rechnungen, selbst wenn die erforderliche Genauigkeit relativ gering ist.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu überwinden.

Zu diesem Zweck ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung für die Feststellung der Vereisung der Rotorblätter eines Luftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zugkraftaufnehmer und einen Drehmomentaufnehmer zur Messung der Axialkraft F und des Drehmomentes M umfaßt, welche auf die Rotorwelle wirken, Mittel zur Berechnung des Verhältnisses zwischen diesen beiden Größen, Mittel zur Bestimmung des Sollwerts dieses Verhältnisses ohne Vereisung in Abhängigkeit der Flugbedingungen, und Mittel zum Vergleich des berechneten Verhältnisses mit dem Sollverhältnis.

Die Verwendung des Verhältnisses zwischen der auf die Antriebswelle wirkenden Axialkraft und des Drehmoments als Kriterium erlaubt im allgemeinen, wie man weiter unten sehen wird, eine große Vereinfachung der Rechnungen unter Beibehaltung einer guten Genauigkeit.

Insbesondere kann man in bestimmten Fällen die Flugbedingungen aus dem Blattverstellwinkel allein ableiten.

Der Sollwert des oben bezeichneten Verhältnisses kann entweder in Realzeit in Abhängigkeit der Flugbedingungen berechnet werden oder vorab gespeichert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die besagten Aufnehmer zur Messung der in einem Torsionsrohr auftretenden Belastungen angeordnet, welches zwischen der Antriebswelle und der Rotorwelle sitzt.

Diese Aufnehmer können insbesondere in einem ringförmigen Raum zwischen dem Torsionsrohr und einem zentralen Rohr untergebracht sein.

Vorteilhaft werden umlaufende Transformatoren zur Übermittlung der Drehmoment- und Zugbelastungssignale eingesetzt, die in Form von Wicklungen einander gegenüberstehend auf dem Torsionsrohr und auf einem um besagtes Rohr herum angeordneten Stator gehalten sind.

Als in keiner Weise beschränkendes Beispiel wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Helikopters mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist,

Fig. 2 ein Blockschema dieser Vorrichtung ist und

Fig. 3 eine axiale Schnittansicht der Aufnehmer dieser Vorrichtung ist.

Der Helikopter in Fig. 1 hat einen Motor 1, der in seine Zelle 2 eingebaut und mit einer Ausgangswelle 3 versehen ist. Selbstverständlich ist ein Untersetzungsgetriebe (nicht dargestellt) zwischen Motor und Ausgangswelle vorgesehen.

Die Ausgangswelle 3 bildet ein ringförmiges Widerlager 4, das mit einem Widerlager 5 zusammenarbeitet, welches fest mit der Zelle 2 verbunden ist, um die vom Rotor 6 ausgeübte Axialkraft aufzunehmen.

Die Welle 7 dieses Rotors ist mit der Antriebswelle 3 über den Rotor 8 des Aufnehmers verbunden, der nachstehend weiter im Detail beschrieben wird, wobei der Stator 9 des Aufnehmers um den Rotor 8 herum fest mit der Zelle 2 verbunden ist.

Wie Fig. 2 zeigt, setzt sich der Aufnehmer 8, 9 aus einem Axialkraftaufnehmer 10, der die in Längsrichtung der Welle 7 des Rotors 6 wirkende Belastung mißt, und einem Drehmomentaufnehmer 11, der das auf die Welle 7 wirkende Drehmoment mißt, zusammen.

Die Messungen der Aufnehmer 10 und 11 werden an einen Rechner 12 geleitet, der feststellt, ob eine Vereisung eingetreten ist oder nicht und dessen Ausgang 13 z. B. mit einer Alarmvorrichtung in der Pilotenkanzel verbunden sein kann, oder auch unmittelbar mit Enteisungsvorrichtungen.

Unter Bezug auf Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Rotor 8 des Aufnehmers einen Hauptteil 14 umfaßt, der im wesentlichen aus einem Torsionsrohr besteht, dessen Längsenden Flansche 15 zur Befestigung am unteren Abschnitt der Rotorwelle 7 und am oberen Abschnitt der Antriebswelle 3 bilden.

Auf diese Weise werden die Kräfte zwichen der Rotorwelle 7 und der Antriebswelle 3 über das Torsionsrohr übertragen. Unter der Wirkung des zu messenden Drehmoments M erfährt das Rohr eine Torsionsverformung, und unter der Wirkung der zu messenden Zugkräfte F erfährt das Rohr eine Dehnung.

Im Innern des Torsionsrohrs 14 ist der kapazitive Mikrowegaufnehmer 11 angeordnet, der die Messung von Torsionsverformungen gestattet. Ein für diese Messung geeigneter Aufnehmer ist z. B. in der französischen Patentanmeldung Nr. 89 04 402 beschrieben und wird daher hier nicht weiter im Detail beschrieben.

Wenn die geometrischen und mechanischen Eigenschaften des Torsionsrohres 14 bekannt sind, kann aus den Torsionsverformungen unmittelbar das übertragene Drehmoment abgeleitet werden.

Der Dehnungsaufnehmer 10 ist gleichfalls im Innern des Torsionsrohrs 8 angeordnet.

Dieser Aufnehmer besteht im wesentlichen aus einem elastischen Stab 18, der mit seinen beiden Längsenden starr mit den beiden Flanschen 15 des Torsionsrohrs verbunden ist, so daß er der gleichen Dehnung wie letzteres unterworfen ist. Die auf diese Weise im Stab 18 erzeugten Spannungen werden mittels einer auf dem Stab angebrachten Spannungsmeßbrücke 19 gemessen. Die Meßstreifen können insbesondere als dünne metallische Schicht aufgrund der großen Genauigkeit und der geringen Abweichungen dieser Technologie ausgeführt werden. Eine fachgerechte Montage der Meßstreifen 19 erlaubt eine von der Torsion unabhängige Dehnungsmessung.

In Fig. 3 sind auch 3 umlaufende Transformatoren 20 ersichtlich, die jeweils aus zwei Magnetkreisen 21 und zwei Wicklungen 22 gebildet sind, wobei einer der Magnetkreise und eine der Wicklungen auf dem Stator 9 jeweils dem auf dem Rotor 8 montierten anderen Magnetkreis und der anderen Wicklung gegenüberliegend angebracht ist.

Einer der Transformatoren gestattet die Übertragung einer elektrischen Versorgung zum Rotor 8 des Aufnehmers, der zweite die Übertragung von Informationen der Drehmomentmessung und der dritte die Übertragung von Informationen der Zugkraftmessung.

Aus Fig. 3 ist auch ersichtlich, daß die Meßvorrichtung den zentralen Raum in der Nähe der Rotorachse nicht benutzt. Auf diese Weise ist es möglich, diesen Raum auf der gesamten Länge des Aufnehmers freizulassen.

Ein zentrales Rohr 23 und ein Verschluß 24 gestatten, die Meßelemente von der äußeren Umgebung abzuschotten.

Diese Anordnung ist besonders interessant bei Helikoptern mit hohler Rotorwelle, da der zentrale Teil für die Übertragung zugehöriger Steuerungen zum Rotor benutzt wird, z. B. der Steuerung der Blattverstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt daher die Übertragung dieser Steuerungen.

Schließlich kann der zwischen dem Torsionsrohr 14 und dem Verschlußrohr 23 noch verbleibende ringförmige Raum 25 zur Installation elektrischer Versorgungs- und Aufbereitungsschaltungen verwendet werden.

Es ist bekannt, daß die dynamischen Kräfte F und M, die auf der Rotorwelle 7 durch die Rotation der Blätter erzeugt werden, im wesentlichen eine Funktion folgender Parameter sind:

• - Der Geometrie der Blätter und insbesondere deren Profil,
• - des Anstellwinkels der Blätter und ihrer Rotationsgeschwindigkeit Ω,
• - der Luftdichte ϕ, und
• - der Geschwindigkeit des Helikopters bezüglich der Luft ν.

Ohne Blattvereisung ist das Verhältnis M/F eine Funktion diese Parameter, also:

M/F = f (ρ, Ω, ϕ, ν),

welche berechnet oder experimentell bestimmt und gespeichert werden kann.

Die Bildung eines Eisansatzes auf den Blättern verschlechtert schnell deren dynamisches Profil und kommt, wenn die übrigen Bedingungen gleichbleiben, in einer Vergrößerung des Widerstandsmomentes auf Grund einer Zunahme des Widerstands der Blätter und in einer Verminderung des Auftriebs, d. h. letztendlich in einer Vergrößerung des Verhältnisses M/F zum Ausdruck.

Der Vergleich zwischen den erhaltenen Werten des Verhältnisses M/F:

• - auf der einen Seite auf Grund der Berechnung der Funktion f (ρ, Ω, ϕ, ν)
• - auf der anderen Seite auf Grund der mit dem vorstehend beschriebenen Lastaufnehmer gemessenen Werte von M/F

erlaubt festzustellen, ob eine Blattvereisung eingetreten ist oder nicht.

Der Rechner 12 erhält demgemäß an seinem Eingang auf der einen Seite die wie vorstehend beschrieben gemessenen Werte von F und M und auf der anderen Seite die von spezifischen Aufnehmern gemessenen Werte von ρ, Ω, ϕ und ν.

Der Rechner 12 verfügt in seinem Speicher über ein mathematisches Modell, über welches er in der Lage ist, den Wert der Funktion f (ρ, Ω, ϕ , ν) zu berechnen, und vergleicht diesen Wert mit dem des Verhältnisses M/F, den er gleichfalls bestimmt.

Der erhaltene Unterschied, oberhalb einer bestimmten Unsicherheitsschwelle, die an die Meßunsicherheit der verschiedenen Aufnehmer und an die Geschwindigkeit des mathematischen Modells zur Berechnung von f gebunden ist, erlaubt es, eine Blattvereisung festzustellen und sie dem Piloten mitzuteilen.

Die Größe des Abstandes gibt eine Vorstellung davon, wie schwerwiegend die Vereisung ist.

Es ist möglich, dieses Modell zu vereinfachen, wenn man berücksichtigt, daß die auf ein Profil wirkenden dynamischen Kräfte proportional zum Quadrat seiner Geschwindigkeit in der Luft (also zu Ω², wobei der Vektor der Geschwindigkeit ν nur als Korrekturterm eine Rolle spielt) und zur Dichte der Luft ϕ ist. Folglich ist die Funktion f (ρ, Ω, ϕ, ν) ohne Vereisung weitgehend unabhängig von den Parametern Ω und ϕ.

Der Vektor der Geschwindigkeit ν des Hubschraubers gegenüber der Luft spielt ebenfalls nur als Korrekturterm bezüglich des Anstellwinkels jedes Blattelements eine Rolle, ein Parameter, der global durch den Blattverstellwinkel ρ dargestellt wird. Man wird daher häufig mit ausreichender Genauigkeit mit einer Funktion f (ρ) arbeiten können, wobei lediglich der Blattverstellwinkel ρ einen Einfluß hat.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt.

Beispielsweise könnte die Messung der Axialkraft nicht auf der Rotorwelle, sondern auf der Höhe des Widerlagers 5 erfolgen.

Ebenso könnte die Messung des Drehmoments am Ausgang oder sogar im inneren des Antriebs erfolgen, in dem Maße, wie die zwischengeschalteten mechanischen Teile, die bis zur Rotorwelle führen (Untersetzungsgetriebe, Lager, Abzweigungen von Antrieben . . .) keine bedeutenden Fehler verursachen.

Ebenso könnte der Rechner 12 nicht die Berechnung der Funktion f ausführen, sondern die Werte dieser Funktion, die vorab in Funktion der verschiedenen Parameter abgespeichert wurden, einfach aus einem Speicher lesen.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Feststellen der Vereisung der Rotorblätter eines Luftfahrzeuges, gekennzeichnet durch einen Zugkraftaufnehmer (10) und einen Drehmomentaufnehmer (11) zur Messung der Axialkraft und des Drehmoments, die auf die Rotorwelle wirken, Mittel (12) zur Berechnung des Verhältnisses zwischen diesen beiden Größen, Mittel (12) zur Bestimmung des Sollwerts dieses Verhältnisses ohne Vereisung in Funktion der Flugbedingungen, und Mittel (12) zum Vergleich des berechneten Verhältnisses zum Sollverhältnis.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Berechnung des Sollwertes des Verhältnisses in Abhängigkeit der Flugbedingungen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Speicherung des Sollwertes des Verhältnisses in Abhängigkeit der Flugbedingungen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugbedingungen durch den Blattverstellwinkel festgelegt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Aufnehmer zur Messung der Kräfte bestimmt und angeordnet sind, welche in einem zwischen der Antriebswelle (3) und der Rotorwelle (7) angeordneten Torsionsrohr (14) wirken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Aufnehmer in einem ringförmigen Raum (25) zwischen dem Torsionsrohr und einem zentralen Rohr (23) untergebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch umlaufende Transformatoren (20) zur Übertragung der Drehmoment- und Zugkraftsignale, bestehend aus einander gegenüberliegend auf dem Torsionsrohr und auf einem um besagtes Rohr herum angeordneten Stator (9) angebrachten Wicklungen.