DE60008519T2

DE60008519T2 - Klappenwinkelmesssystem für ein aktives rotorregelungssystem

Info

Publication number: DE60008519T2
Application number: DE60008519T
Authority: DE
Inventors: W. Fred KOHLHEPP
Original assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Current assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2020-04-05
Also published as: DE60008519D1; US6295006B1; JP2003524547A; EP1175339A1; EP1175339B1; JP4390395B2; CA2372442A1; WO2000063073A1

Description

Die Regierung hat Rechte an der Erfindung gemäß dem durch das United States Naval Research Laboratory vergebenen Regierungsauftrag N00019-96-C-2079.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorblatt, wie es in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
Hintergrund der Erfindung
Hubschrauber-Hauptrotorauftrieb und -Rotorantriebsmoment bewirken Reaktionskräfte und -momente auf das Hubschrauber-Hauptgetriebe. Zusätzlich zu den hauptsächlichen Flugbelastungen ist das Fluggerät auch Vibrationsbelastungen ausgesetzt, die auf das Hauptrotorsystem zurückgehen. Diese Vibrationsbelastungen bewirken Vibrationen und Lärm innerhalb des Fluggeräts, die äußerst lästig und ermüdend für die Passagiere sind.
Eine Vibrationsbelastung, die von besonderem Belang ist, ergibt sich aus der Wechselwirkung der Rotorblätter mit von den vorangehenden Blättern bei der Rotation entwickelten Blattwirbeln.
Während sich das Rotorblatt dreht, verbinden sich die über das und unter dem Blatt vorbeigehenden Luftströme stromabwärts der Hinterkante unter Bildung eines Wirbels. Bei gewöhnlichen Flugzuständen verursachen die Blattwirbel kein besonderes Problem. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei Rotor-Drehzahlverminderung, beispielsweise wenn das Fluggerät sinkt, kommt jedoch das hintere Blatt an den Blattwirbel, was ein heftiges Geräusch oder einen heftigen Schlag verursacht. Diese Berührung mit dem Wirbel ruft auch eine Vibration innerhalb des Rotorsystems hervor, die sich in die Kabine überträgt. Die Vibrationen können mehr als 5/Umdrehung (d. h. 5 Mal pro Umdrehung des Rotorsystems) sein. Das Geräusch und die Vibrationen, die durch die Wechselwirkung des Blattes mit den Wirbeln herbeigeführt werden, sind für die Passagiere und die Mannschaft innerhalb des Hubschraubers lästig und erzeugt ein charakteristisches Außengeräusch, das von weitem leicht erfassbar ist, was die Verwundbarkeit des Fluggeräts in einer feindlichen Umgebung erhöht.
Viele Versuche wurden über die Jahre unternommen, Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen zu beheben oder zu vermindern. Ein erheblicher Teil dieser Versuche betraf Systeme passiven Typs, bei denen das Blatt zur Schwächung des Wirbels an der Blattspitze ausgelegt ist. Siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 4 324 530, das ein Rotorblatt mit einer abgewinkelten, geschwenkten, sich verjüngenden Spitze (anhedral swept tapered tip) offenbart, die die Intensität des Spitzenhinterkantenwirbels erniedrigt und dessen Position verschiebt, damit das Auftreten von Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen vermindert wird.
Obwohl passive Lösungen die Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen etwas reduziert haben, beeinflussen diese Lösungen auch tendenziell die Flugeigenschaften des Rotorblatts negativ.
Vor kurzem wurden aktive Rotorsteuersysteme vorgeschlagen, um Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen entgegenzuwirken. Diese Systeme sind typischerweise dazu entworfen, den Gang des Rotorblatts zu ändern, um den Blattwirbel zu verfehlen oder um den Wirbel andersartig zu schneiden, damit der Kontakt mit dem Blattwirbel vermindert wird. Eines dieser Systeme wird als Higher Harmonic Blade Pitch Control bezeichnet, wobei die Blattanstellung zur Minderung des Wirbels an der Blattspitze gesteuert wird. Während der verminderte Blattspitzenwirbel zu geringerem Lärm aus Blatt-Wirbel-Wechselwirkung führt, vermindert die Änderung der Blattanstellung auch die aerodynamischen Eigenschaften des gesamten Blatts.
Ein weiteres aktives Steuersystem ist im US-Patent Nr. 5 588 800 beschrieben. Das aktive Steuersystem ist innerhalb eines Hubschrauber-Rotorblatts angebracht und umfasst steuerbare Klappen auf dem Rotor, die angesteuert werden, um die Blatt-Wirbel-Wechselwirkung zu mindern. Ein Stellantrieb wird zur Kontrolle der Bewegung der Klappen verwendet und kann entweder mechanisch, elektrisch-pneumatisch oder hydraulisch sein. Das US-Patent Nr. 5 639 215 offenbart eine ähnliche antreibbare Klappenanordnung. Bei de Anordnung ist der Stellantrieb ein mechanischer Stellantrieb, der entweder eine schubstangenartige Vorrichtung, eine Kupplung, oder eine von einem Servomotor angetriebene Zahnstange ist.
S. Straub et al., Application of smart materials to helicoptor rotor active control, Proceedings of the SPIE, Band 3044, Seiten 99–113, 4. März 1997, beschreibt ein aktives Kontrollsystem für einen Hubschrauberrotor, bei dem Hinterkanten-Klappen verwendet werden, die mittels piezoelektrischer Stellantriebe gesteuert werden.
Obwohl die Systeme zur aktiven Steuerung der Wechselwirkungen des Rotorblatts mit dem Blattwirbel nach dem Stand der Technik empirisch besser sind als die oben beschriebenen passiven Systeme, befassen sich diese Systeme nach dem Stand der Technik nicht mit den tatsächlichen Problemen, die mit der Anbringung eines Stellantriebssystemsinnerhalb eines Rotorblatts zur Steuerung der Klappen in der beabsichtigten Weise verbunden sind.
Es besteht darum ein Bedarf an verbesserten Stellantriebssystemen zur Verwendung in einem aktiven Rotorsteuersystem zur Steuerung der Klappen an einem Rotorblatt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Rotorblatt für einen Hubschrauber mit einem Klappenmesssystem gerichtet, wobei das Rotorblatt umfasst: eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine Klappe, die an zumindest einem Teil der Hinterkante um eine Schwenkachse angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klappenwinkelmessvorrichtung an dem Rotorblatt zur Erfassung der Winkelstellung der Klappe relativ zu der Hinterkante angebracht ist, wobei die Klappenwinkelmessvorrichtung aufweist: einen ersten Hallsensor, der an der Hinterkante des Rotorblatts angebracht ist, wobei der erste Hallsensor eine Messseite hat und ein erstes magnetisches Element, das an der Klappe an einer Stelle angebracht ist, die von der Schwenkbaren Achse entfernt angeordnet ist, wobei die Polachse des ersten magnetischen Elements parallel zur Messseite des ersten Hallsensors angeordnet ist.
Die Erfindung stellt auch einen Rotor, welcher erfindungsgemäße Rotorblätter aufweist, und Hubschrauber, welcher einen solchen Rotor aufweist, zur Verfügung.
Eine Energiequelle führt dem Hallsensor Energie zu.
Ein Steuergerät empfängt Ausgangssignale von dem Hallsensor, die die Anordnung des Magneten in Bezug auf die Messseite des Hallsensors anzeigen. Die Position der Klappe relativ zu der Hinterkante wird auf der Grundlage der vom Hallsensor empfangenen Signale bestimmt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Hallsensor an der anderen Seite der Klappe befestigt. Die Messseite des zweiten Hallsensors zeigt in eine der Messseite des ersten Hallsensors entgegengesetzten Richtung.
Die vorhergehenden und andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher in Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausgestaltungen, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. Man wird erkennen, dass die Erfindung unter verschiedenen Gesichtspunkten abwandelbar ist, ohne dabei von der Erfindung abzuweichen. Entsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung ihrer Natur nach als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten.
Kurze Beschreibung der Figuren
Zur Veranschaulichung der Erfindung stellen die Zeichnungen eine Ausbildung der Erfindung dar, die augenblicklich bevorzugt ist. Man sollte jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf die konkret in den Zeichnungen gezeigten Anordnungen und Mittel beschränkt ist.
1 ist eine Draufsicht eines Hubschrauberrotorblatts, aufweisend eine stellbare Klappe gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Perspektivansicht eines Hubschrauberrotorblatts, bei der das Blatt schemenhaft gezeigt ist, um das Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.
3A ist eine Querschnittsansicht eines Hubschrauberrotorblatts, aufweisend das Betätigungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine Querschnittsansicht des Hubschrauberrotorblatts aus 3A, das die Klappe in aufwärts gelenkter Stellung zeigt.
3C ist eine Querschnittsansicht des Hubschrauberrotorblatts in 3A, das die Klappe in abwärts gelenkter Stellung zeigt.
4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Ausgestaltung einer Klappenanbindung an die Hinterkante.
5 ist eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Betätigunssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine teilperspektivische Darstellung einer Klappe an einer Hinterkante, die eine Klappenwinkelmessvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine grafische Darstellung einer typischen Spannungsänderung, wie er mittels eines Hallsensors erfasst wird.
Die 8A bis 8C zeigen jeweilige Positionen eines Hallsensors und eines Magneten in einer Klappenwinkelmessvorrichtung beim Klappenbetrieb.
9 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, in der ein Hallsensor an jeder Seite der Klappe angebracht ist.
10A und 10B sind aufgezeichnete Ergebnisse, die die gemessene Klappenverstellung (Amplitude und Phase) zur befohlenen Klappenverstellung bei unterschiedlichen Klappenoszillationsfrequenzen in Vergleich setzen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer oder mehreren bevorzugten Ausgestaltungen beschrieben wird, wird man verstehen, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausgestaltungen zu beschränken. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, dass die Erfindung sämtliche Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente erfasst, die in deren Geist und Umfang, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, enthalten sein können.
Gewisse Begriffe werden hierin lediglich aus Gründen der Zweckmäßigkeit benutzt und sollten nicht als Begrenzung der Erfindung aufgefasst werden. Insbesondere Worte wie z. B. "oberer" "unterer" "links" "rechts" "horizontal" "vertikal" "nach oben" und "nach unten" beschreiben lediglich die in den Zeichnungen gezeigte Anordnung. Tatsächlich können die Bauteile in jede Richtung orientiert sein, und darum sollten die Begriffe dahingehend verstanden werden, dass sie derartige Variationen umfassen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Nun wird auf die Zeichnungen verwiesen, worin gleiche Bezugszeichen auf einander entsprechende oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten hinweisen. 1 zeigt ein Rotorblatt 10 für einen Hubschrauber. Das Rotorblatt 10 weist eine Vorderkante 12 und eine Hinterkante 14 auf. Das Rotorblatt 10 ist an seinem Fußende 15 an einer Hubschrauberrotornabe H befestigt und wird in Verbindung mit dieser um eine Schwenkachse gedreht. Das Blatt 10 weist ein Spitzenende 16 auf, das am radial äußersten Punkt des Blatts angeordnet ist. Das Spitzenende 16 kann eine Spitzenkappe 17 aufweisen. Zumindest eine Klappe 18 ist so an der Hinterkante 14 des Blatts 10 angebracht, dass sie in Bezug auf die Hinterkante 14 schwenkbar ist. Wie dargestellt, kann die Klappe 18 innerhalb einer Ausnehmung in der Hinterkante 14 angeordnet sein. Alternativ kann die Klappe 18 hinter der Hinterkante 14 angeordnet sein und sich ganz oder teilweise entlang der Länge der Hinterkante 14 erstrecken. Darüber hinaus können verschiedene Klappen 18 an dem Rotorblatt 10 befestigt sein, die entweder unabhängig voneinander oder gleichzeitig zur Steuerung von Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen geschwenkt werden können.
Nun wird auf 2 Bezug genommen. Gezeigt ist eine teilweise schemenhafte Ansicht des Rotorblatts 10, die das Antriebssystem 20 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie oben beschrieben wurde, wurden vor Kurzem mehrere Versuche unternommen, ein Betätigungssystem zum Steuern von Klappen an Rotorblättern zu konzipieren. Die vorliegende Erfindung erfordert ein Antriebssystem, das mit jedem Rotorsystem, das mit etwa 2/Umdrehung bis etwa 5/Umdrehung arbeitet, arbeiten kann. Das Betätigungssystem soll in der Lage sein, eine Klappenwinkelsteuerung von etwa ±10° bei ungefähr 125 Zyklen/s (Hz) bei 5/Umdrehung für das maßstabgetreue Modell bereitzustellen. Für ein Rotorblatt im Originalmaßstab beträgt die Zyklenzahl etwa 21 Hz, da sich ein Rotor im Originalmaßstab sich bei einer niedrigeren Geschwindigkeit dreht. Ferner muss das Antriebssystem in der Lage sein, eine zur Überwindung der Luftlasten, die bei normalem Flug auf die Klappe wirken, ausreichende Kraft bereitzustellen. Zum Beispiel muss, um eine 69 Inch (1,75 m) lange Klappe anzusteuern, ein Drehmoment von 864 in-Ibs (97,6 Nm) erzeugt werden, um die auf das Blatt wirkenden Luftlasten zu überwinden.
Um diesen Konstruktionsanforderungen gerecht zu werden, weist die vorliegende Erfindung ein Betätigungssystem 20 auf, das einen Fluid-Stellantrieb aufweist. Andere Arten von Systemen, wie z. B. die im Stand der Technik offenbarten, wurden in Betracht gezogen, aber sie wurden als nicht ausreichend zur Verwendung in einem Rotorsystem im Originalmaßstab befunden. Obwohl z. B. ein elektromechanischer Stellantrieb, wie z. B. ein piezoelektrischer Stellantrieb, zur Steuerung der Klappenbewegung verwendet werden könnte, würden die derzeitigen am Markt erhältlichen Vorrichtungen kein zum Steuern der Klappen ausreichendes Maß an Auslenkung (z. B. ±10°) bereitstellen. Piezoelektrische Stellantriebe sind außerdem sehr groß und schwer. Folglich sind elektromechanische und mechanische Stellantriebe nicht bevorzugt.
Das Betätigungssystem 20 weist eine Fluidzufuhr 22 auf, die z. B. eine Pumpe und eine Fluidquelle aufweisen kann. Obwohl ein pneumatisches System verwendet werden könnte, ist es nicht bevorzugt, da Luft komprimierbar ist. Hydraulische Flüssigkeit ist eher bevorzugt, da deren Komprimierbarkeit geringer ist als die von Luft und sie folglich eine bessere Steuerung der Stellantriebsbewegung ermöglicht. Die Fluidzufuhr 22 ist außerhalb des Rotorblatts 10 angeordnet gezeigt. Vorzugsweise führt eine einzige Fluidzufuhr den Stellantriebssystemen 20, die in allen Blättern 10 angeordnet sind, ein unter Druck stehendes flüssiges Mittel zu. Die Fluidzufuhr 22 ist vorzugsweise innerhalb der Rotornabe H angeordnet und dreht sich gemeinsam mit den Rotorblättern 10. Die Fluidzufuhr 22 ist mittels einer elektrischen Steuerleitung an eine (nicht gezeigte) Energiequelle und/oder ein (nicht gezeigtes) Steuergerät zum Steuern der Fluidzufuhr 22 angeschlossen. Die Energiequelle und/oder Steuereinheit kann/können innerhalb der Rotornabe angeordnet sein oder sind innerhalb des Fluggeräts angeordnet, wobei die Energie und Steuerbefehle von dem Fluggerät an die sich drehende Nabe mittels herkömmlicher Mittel, wie zum z. B. einer Schleifringverbindung, übertragen werden.
Die Fluidzufuhr 22 führt einem Ventil 24 eine Fluidströmung zu. Das Ventil 24 kann innerhalb der Rotornabe oder innerhalb des Rotorblatts 10 selbst angebracht sein. Die Art des Ventils 24 wird in Abhängigkeit von dem bevorzugten fluiden Mittel ausgewählt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventil ein hydraulisches Servoventil. Moog, Inc. ist einer von vielen Herstellern hydraulischer Servoventile, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
Das Ventil 24 ist vorzugsweise mittels einer elektrischen Steuerleitung 25 mit einer (nicht gezeigten) Energiequelle und/oder einem (nicht gezeigten) Steuergerät zur Steuerung des Betriebs des Ventils verbunden.
Das Ventil 24 ist, mit zumindest einer Zuführungsleitung 26 fluidmäßig verbunden. Die Zuführungsleitung 26 stellt druckbeafuschlagtes Fluid zum Betätigen der Klappe 18 bereit. Gemäß einer bevorzugteren Ausgestaltung gibt es zwei Fluidzuführleitungen 26_A und 26_B . Eine Zuführleitung stellt Fluid zum Aufwärtsstellen der Klappe, und die zweite Zuführleitung stellt Fluid zum Abwärtsstellen der Klappe bereit. Die Verbindung zwischen dem Ventil 24 und den Zuführleitungen 26_A , 26_B kann aus jedweden herkömmlichen Mitteln bestehen. Falls das Ventil 24 jedoch innerhalb der Rotornabe angebracht ist, sollte die Verbindung mit den Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B so sein, dass das Rotorblatt leicht entfernt werden kann. Folglich sollte die Verbindung eine lösbare Fluidkupplung sein. Das Ventil 24 steuert die Strömung des flüssigen Mittels entlang den Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B , wie unten genauer beschrieben wird.
Die Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B erstrecken sich vom Wurzelende 15 auswärts durch das Rotorblatt zum Spitzenende 16. Die Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B dienen als Leitungen zur Übertragung des fluiden Mittels von dem Ventil 24 zu einem oder mehreren Stellantrieben 28_A , 28_B . Die Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B sind vorzugsweise aus hochfestem Stahl hergestellt, mit einer dünnen Wandung, zum Reduzieren des Gewichts der Zuführleitungen. Die Zuführleitungen 26_A , 26_B müssen immer noch ausreichend fest sein, um dem durch das fluide Mittel verursachten inneren Druck zu widerstehen. Beim Fliegen erzeugt das Rotieren des Rotorkopfes eine sehr hohe Zentrifugallast auf die Zuführleitungen 26_A , 26_B . Dies führt zu einem inneren Druck, der mehr als einige tausend psi (1000 psi = 7 MN) und mehr erreichen kann. Zum Beispiel betragen in einem Versuchsmodell des Betätigungssystems im Maßstab 1/6 die Zentrifugallasten des Betätigungssystems etwa 2300 psi (16 MN). Zu diesem großen Zentrifugaldruck kommt der Fluiddruck hinzu, den das System 20 aufbringen muss, um die Klappen anzutreiben. Dieser zusätzliche Druck beträgt von 300 psi (2 MN) bis etwa 1400 psi (10 MN) in dem maßstabgetreuen Versuchsmodell. Die Zuführleitungen 26_A , 26_B müssen in der Lage sein, diesem inneren Druck zu widerstehen. In dem maßstabgetreuen Versuchsmodell waren die Zuführleitungen aus Metall mit einem äußeren Durchmesser von etwa 0,156 Inch (3,96 mm) und einer Dicke von etwa 0,010 Inch (0,25 mm) ausgebildet. Die Zuführleitungen 26_A , 26_B werden vorzugsweise mittels eines Silikonmaterials innerhalb des Blatts gehalten, wie z. B. RTV, das von Dow Chemical vertrieben wird. Das Silikon gestattet den Zuführschläuchen 26_A , 26_B , sich innerhalb des Blatts 10 zu bewegen, wodurch die Übertragung von Fluglasten auf die Zuführleitungen minimiert wird. Die Stellantriebe 28_A , 28_B sind innerhalb des Rotorblatts angebracht gezeigt und sind in der Nähe von und zusammenwirkend mit der Klappe 18 angeordnet. Es wird auf 3A verwiesen. Gezeigt ist eine Querschnittsansicht des Rotorblatts 10, die eine Ausgestaltung der Stellantriebe 28_A , 28_B genauer zeigt. Wie dargestellt, sind die Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B vorzugsweise in Nachbarschaft zu einem Mittelstück oder Holm S innerhalb des Rotorblatts 10 angeordnet. Obwohl nicht notwendig, ist es bevorzugt, dass sämtliche Stellantriebe 28_A , 28_B ähnlich aufgebaut sind. Der Stellantrieb 28_A umfasst einen Stellantriebskopf 30, der in einen Teil der Klappe 18 eingreift. Der Stellantriebskopf 30 kann an der Klappe 18 befestigt oder einfach so angebracht sein, dass er in Kontakt mit der Klappe 18 ist, so dass ein Verlagern des Stellantriebskopfes 30 die Bewegung der Klappe 18 in einer vorgeschriebenen Art bewirkt, wie unten genauer beschrieben.
Der Stellantrieb 28_A umfasst auch ein Verdrängungsglied 32, das zur Verlagerung des Kopfes 30 mit dem Stellantriebskopf 30 zusammenwirkt. Das Verdrängungselement 32 kann verbunden sein mit, kann integral ausgebildet sein mit, oder kann einfach in Kontakt sein mit dem Stellantriebskopf 30. Das Verlagerungselement 32 wird durch die Zufuhr fluiden Mittels entlang der Fluidzuführleitung 26_A gesteuert. In der gezeigten Ausgestaltung ist das Verlagerungselement 32 ein hohler Balg oder eine Druckdose, der in Fluidverbindung mit der Fluidzuführleitung 26_A ist. Der Balg hat ein geschlossenes Ende 34, das eine innere Fläche 36 auf dem Stellantriebskopf 30 kontaktiert. Es ist auch vorgesehen, dass der Stellantriebskopf 30 und der Balg vollständig integral ausgebildet sein können, so dass die innere Fläche 36 als das geschlossene Ende des Balgs 32 dient. Das verschlossene Ende 34 des Balgs 32 gestattet den Aufbau von Druck innerhalb des Balgs 32, der diesen dazu zwingt, sich nach außen zu bewegen. Der Balg 32 ist ausgelegt, dem Stellantriebskopf 30 eine ausreichende Verlagerung bereitzustellen, um die Klappe über den gewünschten Winkelbereich zu bewegen, der in der bevorzugten Ausgestaltung etwa ±10° beträgt. Um diese ±10° Klappenbewegung im maßstabsgetreuen Rotorblattmodell bereitzustellen, liefert der Balg etwa ±0,010 Inch (0,25 mm) Bewegung und etwa 70 Pfund (300 M) Kraft auf den Stellantriebskopf 30. Der Balg ist vorzugsweise aus Nickel-Werkstoff ausgebildet und hat eine Dicke von etwa 0,0028 Inch (0,07 mm).
Zum seitlichen Stützen des Balgs weist die vorliegende Erfindung eine Hülse 38 auf, die um den Balg 32 angeordnet ist, und die vorzugsweise integral mit dem Stellantrieb 30 ausgebildet ist oder an dem Stellantrieb 30 angebracht ist. Der Balg 32 ist zum Gleiten in der Hülse 38 konstruiert. Die Hülse 38 kann aus jedem geeigneten Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt sein, vorausgesetzt, die Hülse weist zum Aufnehmen von Blattbiegung eine geringe Steifheit auf.
Obwohl eine Balganordnung als eine bevorzugte Ausgestaltung zum Betreiben der Klappe gezeigt und beschrieben ist, können andere Arten von durch fluidmäßig gesteuerten Stellantrieben in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Z. B. kann das druckbeaufschlagte fluide Mittel in eine Kammer, in der ein beweglicher Kolben angeordnet ist, geleitet werden. Der Kolben kann ein Kolbenstangenglied (Stellantriebskopf) aufweisen, das mit der Klappe zusammenwirkt. Wenn das druckbeaufschlagte Fluid die Kammer füllt, bewegt der Kolben das Kolbenstangenglied unter Bereitstellung einer gleichzeitigen Bewegung der Klappe.
Die Klappe 18 ist über ein Scharnier an dem Rotorblatt 10 befestigt, so, dass die Klappe 18 durch den gewünschten Winkelbereich (z. B. ± 10°) hindurch geschwenkt werden kann. In der dargestellten Ausgestaltung verbindet ein Scharniermechanismus 40 die Klappe 18 mit der Hinterkante 14 des Blatts 10. Der Scharniermechanismus 40 stellt ein Mittel zum Drehen der Klappe 18 in Bezug auf das Rotorblatt 10 zur Verfügung. In einer Ausgestaltung weist der Scharniermechanismus 40 ein flexibles Scharnier 42 auf, das vorzugsweise ein Kunststoftwerkstoffteil ist, das an der Hinterkante 14 und der Klappe 18 befestigt ist. Wenn die Klappe in Bezug auf die Hinterkante 14 bewegt wird, biegt sich das flexible Scharnier 42 unter Ausbildung eines Scharnierpunkts. Ein zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignetes Scharnier ist ein Stoff-Scharnier, das unter dem Handelsnamen Pro Hinge von Radiosouth, Florida vertrieben wird. Das flexible Scharnier 42 ist an Abstützhaltern 44, 46 in der Klappe 18 und der Hinterkante 14 befestigt. Die Abstützhalter 44, 46 sind dazu bestimmt, das flexible Scharnier 42 mit der Klappe 18 und der Hinterkante 14 zu verbinden.
Obwohl ein flexibles Plastikscharnier das bevorzugte Scharnier in einer Ausgestaltung der Erfindung ist, können andere Scharniere und Werkstoffe in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann das Scharnier aus einem Metall- oder Verbundwerkstoff hergestellt sein oder kann ein herkömmliches, zweigliedriges, drehbares Scharnier sein. Folglich kann der Stellantriebskopf 30 mit der Klappe 18 mittels jedweder herkömmlicher Mittel, die eine Schwenkbewegung der Klappe 18 gestatten, verbunden sein. Der Fachmann wird die verschiedenen Scharniermechanismen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, unschwer erkennen.
Der Stellantriebskopf 30 jedes Stellantriebs 28_A , 28_B erstreckt sich durch in der Hinterkante 14 ausgebildete Löcher und berührt die Klappe 18. Insbesondere kontaktiert in der bevorzugten, in 4 gezeigten Ausgestaltung, in der zwei Fluidzuführleitungen 26_A , 26_B mit entsprechenden Stellantrieben 28_A , 28_B sind, der Stellantriebskopf (der als 30_A gekennzeichnet ist) des ersten Stellantriebs 28_A an der ersten Fluidzuführleitung 26_A die Klappe 18 an einem Punkt unterhalb der Scharnier- oder Schwenkachse 48 (d. h. der Achse, um die die Klappe sich schwenkt). Der Stellantriebskopf 30_B des zweiten Stellantriebs 28_B an der zweiten Fluidzuführleitung 26_B kontaktiert die Klappe 18 an einem Punkt oberhalb der Scharnier- oder Schwenkachse 48. Wenn dem ersten Stellantrieb 28_A druckbeaufschlagtes Fluid zugeführt wird, wird der Stellantriebskopf 30_A nach außen zur Klappe 18 getrieben. Da der Stellantriebskopf 30_A die Klappe 18 unterhalb der Scharnierachse 48 kontaktiert, veranlasst die durch den Stellantriebskopf 30_A auf die Klappe 18 wirkende Kraft die Klappe 18, nach oben zu schwenken, wie in 3B dargestellt. Zur selben Zeit, zu der der erste Stellantrieb 28_A druckbeaufschlagt wird, wird der zweite Stellantrieb 28_B druckentlastet, was das Ausfließen von Fluid aus dem zweiten Stellantrieb 28_B zu der Fluidzufuhr 22 ermöglicht. Dies gestattet dem Stellantriebskopf 30 des zweiten Stellantriebs 28_B , sich von der Klappe 18 weg zu bewegen oder bewegt zu werden.
Auf ähnliche Weise wird, wenn dem zweiten Stellantriebskopf 28_B druckbeaufschlagtes Fluid zugeführt wird, der Stellantriebskopf 30_B nach außen zur Klappe 18 getrieben. Da der Stellantriebskopf 30_B die Klappe 18 oberhalb der Scharnierachse 48 kontaktiert, veranlasst die durch den Stellantriebskopf 30_B auf die Klappe 18 wirkende Kraft die Klappe 18, nach unten zu schwenken, wie in 3C dargestellt. Zur selben Zeit, zu der der zweite Stellantriebskopf 28_B druckbeaufschlagt wird, wird der erste Stellantriebskopf 28_A druckentlastet.
Es ist anzumerken, dass, wenn sich unterschiedliche Stellantriebe an einer Zuführleitung befinden, die mit einer einzelnen Klappe, wie in 2 gezeigt, verbunden sind, die Stellantriebe jeder Zuführleitung vorzugsweise zum selben Zeitpunkt betrieben werden. Falls in der vorliegenden Erfindung jedoch mehr als eine Klappe verwendet wird, wird das druckbeaufschlagte Fluid zu den Stellantrieben zugeführt, die die Klappe steuern, die betrieben werden soll.
Es ist vorgesehen, dass die Stellantriebe 28_A , 28_B an radial unterschiedlichen Stellen innerhalb des Blatts angeordnet sein können, so, dass in deren nicht angetriebener Stellung der auf Zentrifugalkräfte zurückgehende hydrostatische Druckunterschied die Klappe 18 dazu veranlasst, einen zum Aufnehmen stationärer Fluglasten geeigneten Winkel einzunehmen. Wenn z. B. bei normalem (stationärem) Betrieb gewünscht ist, eine einen Winkel von 5° einnehmende Klappe zu haben, können die Stellantriebe so angebracht sein, dass die Klappe diesen 5°-Winkel einnimmt, wenn die Stellantriebe nicht druckbeaufschlagt werden. Dies mindert die Luftlastmomente auf das Betätigungssystem bei stationärem Flug.
5 ist eine schematische Darstellung des Betätigungs-Steuersystems 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein oberhalb des Rotorkopfes angebrachter Sammler 50 führt einem Klappenstellungs-Steuergerät 52 Ausgleichsfluid zu. Das Klappenstellungs-Steuergerät 52 weist einen Motor 54 auf, der die Stellung eines hydraulischen Zylinders 56 steuert. Der hydraulische Zylinder 56 ist mit den Zuführleitungen 26_A , 26_B verbunden. Eine Bewegung des hydraulischen Zylinders 56 verändert den Druck in den Zuführleitungen 26_A , 26_B und veranlasst dementsprechend die Stellantriebe 28_A , 28_B , die Klappenstellung zu ändern.
Das obige Betätigungssystem stellt ein neues Mittel zum Antreiben einer Klappe in einem aktiven Steuersystem für ein Rotorblatt zur Verfügung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das aktive Steuersystem eine Messvorrichtung zum Erfassen der Winkelstellung der Klappe 18 bei Betrieb auf. Die gemessene Winkelstellung wird dem Steuergerät zum genauen Steuern des Betätigungs-Steuersystems 20 und insbesondere der Stellung der Klappe 18 zugeführt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung überwacht oder verfolgt die Messvorrichtung die physikalische Anordnung der Klappe 18 relativ zu der Hinterkante 14. Es wird auf 6 verwiesen. Genauer gezeigt ist eine an einen Teil der Hinterkante 14 angebrachte Klappe 18. Die Anbringung der Klappe ist so, dass die Klappe 18 sich um eine Schwenkachse 48 schwenkt. Eine Klappenwinkelmessvorrichtung 100 ist an der Klappe 18 und an der Hinterkante 14 angebracht. Die Klappenwinkelmessvorrichtung 100 weist einen Hallsensor 102 und ein magnetisches Element 104 auf. Der Hallsensor 102 ist vorzugsweise an der Hinterkante 14 angebracht, und der Magnet 104 ist vorzugsweise an der Klappe 18 angebracht. Der Magnet 104 ist mit seiner Polachse parallel liegend zur Messfläche oder der Fläche bzw. Seite des Hallsensors 102 angebracht. Elektrische Leitungen 106 gehen von dem Hallsensor 102 weg und stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Hallsensor 102 und einer Steuerung 108 und/oder einer (nicht gezeigten) Energiequelle her.
Hallsensoren sind der Technik bekannt und arbeiten generell, indem sie eine Spannung abgeben, die sich in Abhängigkeit von der Dichte eines dem Sensor benachbarten magnetischen Felds rechtwinklig zur Sensorfläche ändert. Hallsensoren ignorieren magnetische Feldkomponenten, die parallel zur Fläche des Hallsensors sind. Siehe z. B. US-Patente Nr. 4 319 236 und 4 107 604, auf die beide hierin in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird dem Hallsensor 102 ausgehend von der Energiequelle oder der Steuerung 108 eine Spannung zugeführt. Der Hallsensor 102 gibt eine Spannung an die Steuerung 108, die zu der Dichte des durch den Magneten 104 bewirkten magnetischen Felds proportional ist, das parallel zu der Fläche des Hallsensors angeordnet ist. Die Dichte des magnetischen Felds ändert sich in Abhängigkeit von der Stellung des Magneten 104 in Bezug auf den Sensor 102. 7 ist eine grafische Darstellung einer typischen Spannungsänderung, die von einem Hallsensor erfasst wird, wenn sich das magnetische Feld in Bezug auf den Sensor bewegt. Die X-Achse gibt den Abstand von dem Sensor (von dem Zentrum des Sensors) wieder, bei dem der Magnet positioniert ist. Die Y-Achse gibt den entsprechenden Spannungswert an dieser Position wieder.
Folglich kann, wenn das System einmal kalibriert ist, eine gemessene Spannung leicht einer Magnetposition zugeordnet werden.
Der Bereich, innerhalb dessen eine genaue und verhältnismäßig lineare Messung erzielt werden kann, ist in 7 mit dem Buchstaben A bezeichnet. Dieser Bereich verändert sich in Abhängigkeit davon, wie die Vorrichtung 100 angebracht ist. Insbesondere ist die Breite des Bereichs A (d. h. des linearen Bereichs) um so größer, je weiter axial vom Sensor entfernt der Magnet angeordnet ist. Die größte Entfernung, in die der Magnet von dem Sensor weg bewegt werden kann, hängt von der Stärke des Magneten und der Empfindlichkeit des Sensors ab. Der Magnet darf außerdem nicht zu weit entfernt zur Seite (seitlich) der Scharnierachse 48 angebracht sein, da die Winkelbewegung der Klappe dann außerhalb des linearen Bereichs A gemessene Signale ergeben kann.
Unter Bezugnahme auf die 8A bis 8C ist die Relativposition des Magneten 104 relativ zu dem Hallsensor 102 für drei beispielhafte Positionen der Klappe 18 gezeigt. In 8A befindet sich die Klappe 18 in einer nicht ausgelenkten Position. In dieser Position ist die Fläche 102_A des Hallsensors 102 parallel zu der Polachse 104_A des Magneten 104 angeordnet. Wenn die Klappe 18 nach oben ausgelenkt wird, ist die Achse des Magneten 104 oberhalb des Hallsensors 102 angeordnet (8B). Wenn die Klappe 18 nach unten ausgelenkt wird, ist die Achse des Magneten 104 unterhalb des Hallsensors 102 angeordnet (8C). Für jede Position gibt der Hallsensor einen anderen Spannungswert ab, der einer Klappenposition zugeordnet werden kann. Folglich verfolgt der Hallsensor 102 genau die Stellung der Klappe 18 in Bezug auf die Hinterkante 14.
Eine zweite Positions- oder Stellungsmessvorrichtung 100 ist vorzugsweise an dem anderen Ende der Klappe so angeordnet, dass die Polarität der Ausgangsspannung für den zweiten Sensor gegenüber derjenigen der ersten umgekehrt ist. Dies wird erreicht, indem der zweite Hallsensor mit seiner Fläche in entgegengesetzter Richtung zum ersten Hallsensor angeordnet wird. 9 zeigt diese Ausgestaltung der Erfindung. Durch Vergleich des Spannungs unterschieds beider Sensoren werden zwei Vorteile erzielt. Erstens wird die augenscheinliche Empfindlichkeit der Winkelmessung verdoppelt, da die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sensoren zwei Mal so groß ist wie bei einem einzelnen Sensor. Zweitens werden Unterschiede der radialen Stellung der Klappe ausgemittelt, da die Klappe sich näher zu einem Sensor hin bewegt, während sie sich eine dementsprechende Strecke von dem anderen Sensor weg bewegt.
Ein brauchbarer Hallsensor zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein HE-503-Sensor, vertrieben durch Cherry Electronics, Waukegan, Illinois.
Während in der obigen Beschreibung eine Stellungsmessvorrichtung, die an der Klappe und der Hinterkante angeordnet ist, zum Bestimmen der Klappenstellung verwendet wurde, ist auch angedacht, dass ein Stellungssensor in Nachbarschaft zu dem Stellantrieb zum Verfolgen der Stellung des Stellantriebs angeordnet sein kann. Die Stellung des Stellantriebs (d. h. das Maß des Ausführens) kann zum Berechnen des Klappenwinkels verwendet werden.
Eine Stellungsmessvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung wurde zur Bestimmung der Genauigkeit der Vorrichtung getestet. Zwei Hallsensoren wurden an jeder Seite einer Klappe angebracht, um die Klappenstellung zu verfolgen. Servostellantriebe wurden verwendet, um die Klappe durch verschiedene Winkel anzutreiben. Die 10A und 10B zeigen die sich ergebenden Übertragungswerte (d. h. den Unterschied zwischen befohlenem Wert und tatsächlich gemessenem Wert) für die Testvorrichtung. 10A verdeutlicht das Verhältnis zwischen befohlener und tatsächlicher Winkeländerung der Klappe, ausgehend von 0° bis 2,07° über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 150 Hz. 10B zeigt die Phasendifferenz zwischen der befohlenen und der tatsächlichen Winkelbewegung über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 150 Hz. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der vorliegenden Winkelstellungsmessvorrichtung eine sehr gute Korrelation zwischen den befohlenen und den tatsächlichen Bewegungen erzielt werden kann.

Claims

Rotorblatt für einen Hubschrauber mit einem Klappenmesssystem, wobei das Rotorblatt (10) aufweist: eine Vorderkante (12); eine Hinterkante (14); und eine Klappe (18), die an zumindest einem Teil der Hinterkante (14) um eine Schwenkachse (48) schwenkbar angebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine Klappenwinkelmessvorrichtung (100) an dem Rotorblatt (10) zur Erfassung der Winkelstellung der Klappe (18) relativ zu der Hinterkante (14) angebracht ist, wobei die Klappenwinkelmessvorrichtung (100) aufweist: – einen ersten Hallsensor (102), der an der Hinterkante (14) des Rotorblatts angebracht ist, wobei der erste Hallsensor eine Messseite (102_A ) hat, und – ein erstes magnetisches Element (104), das an der Klappe (18) an einer Stelle angebracht ist, die von der Schwenkachse (48) entfernt angeordnet ist, wobei die Polachse des ersten magnetischen Elements (104_A ) parallel zu der Messseite (102_A ) des ersten Hallsensors (102) angeordnet ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei der erste Hallsensor (102) benachbart zu einer ersten radialen Seite der Klappe (18) angebracht ist und das erste magnetische Element (104) an der Klappe (18) an der ersten radialen Seite angebracht ist, wobei das Rotorblatt außerdem einen zweiten Hallsensor (102) aufweist, der an der Außenkante (14) benachbart zu einer zweiten radialen Seite der Klappe (18) angebracht ist, wobei der zweite Hallsensor (102) eine Messseite(102_A ) aufweist, und ein zweites magnetisches Element (104), das an der Klappe (18) an einer Stelle angebracht ist, die beabstandet von der Schwenkachse (48) und an der zweiten radialen Seite angeordnet ist, wobei die Polachse (104_A ) des zweiten magnetischen Elementes (104) parallel zu der Messseite (102_A ) des zweiten Hallsensors angeordnet ist.
Rotorblatt nach Anspruch 2, wobei die Messseite (102_A ) des ersten Hallsensors (102) in eine Richtung zeigt, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, in die die Messseite (102_A ) des zweiten Hallsensors (102) zeigt.
Rotorblatt nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Messseite (102_A ) des ersten Hallsensors (102) im wesentlichen nach oben zeigt, und die Messseite (102_A ) des zweiten Hallsensors (102) im wesentlichen nach unten zeigt.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend: eine Energiequelle zum Zuführen von Energie an den ersten und den zweiten Hallsensor (102); und eine Steuerung (108) zum Empfangen von Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Hallsensors (102), die die Anordnung der jeweiligen Magneten (104) in Bezug auf die Hallsensoren (102) anzeigen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: eine Energiequelle zum Zuführen von Energie an die Klappenmessvorrichtung; und eine Steuerung (108) zum Empfangen von Ausgangssignalen von dem ersten Hallsensor (102), die die Anordnung des ersten magnetischen Elements (104) in Bezug auf die Messseite des ersten Hallsensors (102) anzeigen.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem aufweisend einen ersten und einen zweiten Fluid-Stellantrieb (28_A , 28_B ) innerhalb des Rotorblatts, wobei der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) quer zum zweiten Fluid-Stellantrieb (28_B ) ist.
Rotorblatt nach Anspruch 7, wobei der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) einen ersten Stellantriebskopf (30) und der zweite Fluid-Stellantrieb (28_B ) einen zweiten Stellantriebskopf (30) aufweist, wobei der erste und der zweite Stellantriebskopf in Kontakt mit der Klappe (18) sind.
Rotorblatt nach Anspruch 8, wobei der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) einen ersten Stellantriebskopf (30) und der zweite Fluid-Stellantrieb (28_B ) einen zweiten Stellantriebskopf (30) aufweist, wobei der erste Stellantriebskopf (30) an einer ersten Seite von dem Scharnier (42) in Kontakt mit der Klappe (18) ist, und der zweite Stellantriebskopf (30) an einer zweiten Seite von dem Scharnier (42) in Kontakt mit der Klappe (18) ist.
Rotorblatt nach Anspruch 7, wobei der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) einen ersten Stellantriebskopf (30) und der zweite Fluid-Stellantrieb (28_B ) einen zweiten Stellantriebskopf (30) umfasst, wobei der erste und der zweite Stellantriebskopf mit der Klappe (18) verbunden sind.
Rotorblatt nach Anspruch 8, wobei der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) einen ersten Stellantriebskopf (30) und der zweite Fluid-Stellantrieb (28_B ) einen zweiten Stellantriebskopf (30) aufweist; wobei der erste Stellantriebskopf (30) an der Klappe (18) an einer ersten Seite von dem Scharnier (42) angebracht ist, und der zweite Stellantriebskopf (30) an der Klappe (18) an einer zweiten Seite von dem Scharnier (42) angebracht ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, außerdem aufweisend einen ersten Fluid-Stellantrieb (28_A ) mit einem ersten Stellantriebskopf (30), und einen zweiten Fluid-Stellantrieb (28_B ) mit einem zweiten Stellantriebskopf (30), wobei der erste und der zweite Stellantrieb (30) vollständig innerhalb des Rotorblatts (14) angeordnet sind, so dass der erste Fluid-Stellantrieb (28_A ) quer zum zweiten Fluid-Stellantrieb (28_B ) angebracht ist, der erste Stellantriebskopf (30) an einer ersten Seite von einem Scharnier (42) in Kontakt mit der Klappe (18) ist, und der zweite Stellantriebskopf (30) an einer zweiten Seite von dem Scharnier (42) in Kontakt mit der Klappe (18) ist.
Rotorblatt nach einem der Ansprüche 9, 11 oder 12, wobei das Scharnier (42) ein flexibles Scharnier ist.
Hubschrauberrotor aufweisend eine Mehrzahl von Rotorblättern (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
Hubschrauberrotor nach Anspruch 14, aufweisend eine Nabe (H) und wobei die Stromquelle und die Steuerung in der Rotornabe (H) sind.
Hubschrauber mit einem Rotor gemäß Anspruch 14 oder 15.