DE602005001948T2

DE602005001948T2 - Rotorblatt mit begrenzter doppelter Pfeilung und Verjüngung

Info

Publication number: DE602005001948T2
Application number: DE602005001948T
Authority: DE
Inventors: Danièle Falchero; Gilles Arnaud; Frederic Beroul; Joelle Bailly; Philippe Baumier; Yves Delrieux
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Eurocopter France SA; Eurocopter SA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Airbus Helicopters SAS
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: US20050158175A1; JP4551778B2; CN1644454A; DE602005001948D1; CN100376456C; US7331765B2; FR2865189B1; JP2005206148A; EP1557354A1; EP1557354B1; FR2865189A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit begrenzter doppelter Pfeilung und Verjüngung. Das Rotorblatt ist das Organ, das den Auftrieb und die Fortbewegung eines Luftfahrzeugs wie beispielsweise eines Hubschraubers ermöglicht.
Ein solches Tragwerk muss natürlich aerodynamische Leistungen liefern, die die Bewegungsfähigkeit des damit ausgestatteten Hubschraubers gewährleisten. Es muss darüber hinaus den immer höheren Anforderungen der Richtlinien zur Lärmemission genügen. Daraus folgt, dass die Geometrie eines Blatts jetzt unter Berücksichtigung dieser beiden Aspekte festgelegt wird, die sich zuweilen als antagonistisch erweisen.
Die Betrachtungen über die für die aerodynamischen Leistungen eines Blatts entscheidenden Abmessungen werden insbesondere in der FR 2 689 852 ausgeführt.
Wie sich die Geometrie eines Blatts akustisch auswirkt, darüber weiß man weit weniger.
Es ist jedoch ein Blatt mit mehreren Bereichen bekannt, siehe US 6116857 , das ausgehend von der Achse des Rotors Folgendes aufweist:

– einen inneren Bereich mit umgekehrter Verjüngung, das heißt mit zunehmender Sehne,
– einen nach vorne gepfeilten Bereich mit zunächst zunehmender und dann abnehmender Sehne und
– einen nach hinten gepfeilten Bereich mit abnehmender Sehne.

Wie üblich, sei daran erinnert, dass in einem nach vorne gepfeilten Bereich die Vorderkante in Bezug auf die Achse des Blattes einen positiven Winkel bildet, das heißt in der Drehrichtung des Rotors, während die Vorderkante in einem nach hinten gepfeilten Bereich einen negativen Winkel bildet.
Ein solches Blatt mit mehreren Bereichen ist von Vorteil, um die Lärmbelästigung zu verringern. Denn die Aufeinanderfolge von nach vorne und nach hinten gepfeilten Bereichen verhindert, dass die Vorderkante des Blatts zur Achse der von den vorhergehenden Blättern ausgesandten Wirbel entlang seiner ganzen Spannweite parallel ist. Darüber hinaus wirkt sich die Verjüngung des nach hinten gepfeilten Bereichs positiv auf die Lärmemission aus, denn

– bei einem gegebenen Profil ist die Dicke umso geringer, desto kürzer die Sehne ist, was den sogenannten „Dickenlärm" verringert, und
– die infolge der Verjüngung reduzierte Fläche des Blatts führt zu einem geringeren Auftrieb, was den sogenannten „Belastungslärm" verringert.

Allerdings ist dieses Blatt mit dynamischen Einschränkungen verbunden, denn die sogenannten „bedeutenden" Zentren, nämlich der aerodynamische Mittelpunkt, der Schwerpunkt und der elastische Mittelpunkt in Bezug auf die Steigungsachse sind nicht zufrieden stellend platziert. Daraus resultieren übermäßige Steuerkräfte und eine schlechte dynamische Gesamtanpassung des Rotors.
Außerdem sind seine aerodynamischen Leistungen weniger gut als bei einem herkömmlichen Blatt mit gleicher Fläche. Insbesondere macht es beim stationären Flug eine schlechtere Figur und im Vorwärtsflug zieht das vorlaufende Blatt vorzeitig mit großer Masse über.
Die umgekehrte Verjüngung des inneren Bereichs ist insofern von Vorteil, als sie es ermöglicht, die Masse des Blatts zu verringern. Die Blattwurzel oder – anders ausgedrückt – der Beginn des inneren Bereichs muss jedoch die dort insbesondere aufgrund des nach hinten gepfeilten Bereichs erzeugten Torsionsmomente aushalten können. Das Blatt muss daher durch Erhöhen seiner Dicke in Richtung auf die Achse des Rotorblatts verstärkt werden. Das Profil des Blatts ist sehr komplex, da es sich nicht nur verjüngen, sondern außerdem in Richtung auf die Achse des Rotorblatts verdicken muss.
Der Fachmann muss nicht daran erinnert werden, welche Schwierigkeiten eine solche Komplexität mit sich bringt.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Verjüngung des inneren Bereichs das Verhalten im stationären Flug stark verschlechtert, was einen direkten Einfluss auf die Masse hat, die abgehoben werden kann.
Die Erfindung hat ein Blatt zum Gegenstand, das wenig Lärm erzeugt und ein vernünftiges dynamisches Verhalten sowie verbesserte aerodynamische Leistungen zeigt.
Erfindungsgemäß umfasst ein Rotorblatt in einem Bezugsradius, der dem Radius der Rotorscheibe, das heißt dem Radius des Rotorblatts, entspricht, nacheinander Folgendes auf: einen inneren Bereich, einen nach vorne gepfeilten Bereich, einen nach hinten gepfeilten Bereich und einen äußeren Bereich; außerdem liegt der Beginn des nach vorne gepfeilten Bereichs zwischen dem 0,47- und dem 0,65-Fachen des Bezugsradius. Die Vorderkante des äußeren Bereichs ist parabolisch und weist einen Winkel zwischen –40° und –60° in Bezug auf die Achse des Blatts senkrecht zum Bezugsradius auf.
Vorzugsweise liegt der Beginn des nach hinten gepfeilten Bereichs zwischen dem 0,75- und dem 0,90-Fachen des Bezugsradius.
Außerdem weist der nach vorne gepfeilte Bereich einen Pfeilungswinkel zwischen 5° und 10° auf.
Ebenso weist der nach hinten gepfeilte Bereich einen Pfeilungswinkel zwischen –15° und –30° auf.
Vorteilhafterweise weist der nach hinten gepfeilte Bereich eine konstante Sehne auf, die der Sehne des äußersten Abschnitts des nach vorne gepfeilten Bereichs entspricht.
Dadurch wird die Herstellung des Blattes erleichtert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart beträgt die Verjüngung des nach hinten gepfeilten Bereichs zwischen 1 und 2, das heißt das Verhältnis des am weitesten innen gelegenen Abschnitts dieses Bereichs und der äußersten Sehne dieses Bereichs beträgt zwischen 1 und 2.
Darüber hinaus weist das Blatt einen äußeren Bereich auf, der auf den nach hinten gepfeilten Bereich folgt und ebenfalls eine Verjüngung besitzt.
Die Verjüngung und die Verfeinerung des äußeren Bereichs hat zwei Vorteile: Die aerodynamischen Leistungen beim stationären Flug und beim Flug mit hoher Geschwindigkeit werden verbessert und der Überfluglärm wird verringert.
Der Beginn des äußeren Bereichs liegt beispielsweise zwischen dem 0,92- und dem 0,97-Fachen des Bezugsradius.
Vorzugsweise ist die Verjüngung parabolisch und die Vorderkante weist einen Winkel zwischen –40° und –60° in Bezug auf die Achse des Blatts senkrecht zum Bezugsradius auf. An dieser Stelle beträgt die Dicke zwischen 6 % und 8 % der Sehne.
Diese Abwinkelung der Vorderkante senkrecht zum Bezugsradius ist besonders wichtig, weil sie es ermöglicht, die Mach-Zahl senkrecht zur Vorderkante zu verringern, das heißt den Quotienten aus der Geschwindigkeit des Profils relativ zur Luft und der Schallgeschwindigkeit.
Und das aerodynamische Verhalten eines Blatts hängt direkt mit der auf dem Blatt auftretenden Mach-Zahl zusammen.
So ermöglicht es die Verringerung der am Ende des Blatts auftretenden Mach-Zahl, dass dieses immer im subsonischen Bereich funktioniert, wodurch die mit dem transsonischen Bereich einhergehenden Verdichtungsstöße vermieden werden.
Außerdem hat eine Verringerung der auftretenden Mach-Zahl eine Verringerung des Lärms zur Folge.
Darüber hinaus umfasst das Blatt einen geschränkten Abschnitt mit einem Schränkungsgesetz.
Vorteilhafterweise fällt der Beginn des geschränkten Abschnitts mit dem Beginn des inneren Bereichs zusammen.
So ist das Schränkungsgesetz vorzugsweise bis zum 0,9-Fachen des Bezugsradius linear und weist einen Koeffizienten auf, der zwischen -10° und –13° geteilt durch den Bezugsradius beträgt.
Nach einem zusätzlichen Merkmal umfasst das Blatt an seinem Ende im äußeren Bereich eine geneigte Fläche, die einen Dieder bildet.
Außerdem beträgt die Neigung δ dieser Fläche zwischen 10° und 20° senkrecht zum Bezugsradius.
Darüber hinaus liegt der Beginn des inneren Profilbereichs zwischen dem 0,15- und 0,30-Fachen des Bezugsradius.
Vorzugsweise beträgt der Bezugsradius zwischen 5,0 und 10,0 Meter.
Darüber hinaus umfasst das Blatt mindestens einen Abschnitt mit einem Dickenprofil zwischen 6 % und 8 %, der im äußeren Bereich eingeschlossen ist.
Ebenso umfasst das Blatt mindestens einen Abschnitt mit einem Dickenprofil zwischen 8 % und 10 %, der jenseits von 75 % des Bezugsradius gelegen ist. Bemerkenswerter Weise umfasst dieser Abschnitt mindestens einen Teil mit einer Dicke gleich 9 %.
Vorteilhafterweise weist der innere Bereich eine konstante Sehne auf.
Diese Sehne beträgt zwischen L und L Mal 1,1, mit
wobei L(r) das Gesetz der Entwicklung der Sehne entlang der Spannweite, R0 der Beginn des Profilabschnitts und R der Bezugsradius sind.
Ebenso weist der nach vorne gepfeilte Bereich eine konstante Sehne auf, die der Sehne des inneren Bereichs entspricht.
Weitere Details der Erfindung werden im Laufe der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, das nur der Veranschaulichung dient und auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt.
1 ist eine Draufsicht auf ein Blatt und
2 ist eine Seitenansicht des gleichen Blatts.
Die Elemente in den beiden Figuren tragen die gleichen Bezugszeichen.
Wie 1 zeigt, ist ein Blatt P durch ein Verbindungselement T mit den schematisch dargestellten Schwenk- und Schlaggelenken ART befestigt, die mit einer Antriebswelle ROT in Drehung in Bezug auf eine im Wesentlichen vertikale Achse Oz verbunden sind.
Das freie – oder äußere – Ende EE des Blatts befindet sich in einem Abstand zur Achse Oz, der gemeinhin als Bezugsradius R bezeichnet wird.
Das Blatt P weist nacheinander auf:

– einen inneren Bereich ZI, der an einem inneren Ende EI beginnt, das mit dem Verbindungselement T fest verbunden ist,
– einen nach vorne gepfeilten Bereich ZFS,
– einen nach hinten gepfeilten Bereich ZBS und
– einen äußeren Bereich.

Vorzugsweise befindet sich das innere Ende EI, das dem Beginn des Profilabschnitts des Blatts entspricht, in einem Abstand zur Rotorachse, der zwischen 15 % und 30 % und idealerweise 27 % des Bezugsradius beträgt.
Die Grenze zwischen dem inneren Bereich ZI und dem nach vorne gepfeilten Bereich ZFS liegt vorteilhafterweise zwischen 47 % und 65 % und idealerweise bei 60 % des Bezugsradius.
Die Grenze zwischen dem nach vorne gepfeilten Bereich ZFS und dem nach hinten gepfeilten Bereich ZBS liegt zwischen 75 % und 90 % und idealerweise bei 85 % des Bezugsradius.
Die Grenze zwischen dem nach hinten gepfeilten Bereich ZFS und dem äußeren Bereich ZE liegt zwischen dem 0,92- und 0,97-Fachen des Bezugsradius.
Der innere Bereich ZI weist eine konstante Sehne auf, die zwischen 1 und 1,1 Mal L beträgt, mit
wobei L(r) das Gesetz der Entwicklung der Sehne entlang der Spannweite, R0 der Beginn des Profilabschnitts und R der Bezugsradius sind.
Vorzugsweise weist der nach vorne gepfeilte Bereich ZFS ebenfalls eine konstante Sehne auf, deren Wert folglich dem der Sehne des inneren Bereichs ZI entspricht. Der Pfeilungswinkel α beträgt zwischen 5° und 10° und vorzugsweise 7°.
Vorzugsweise weist der nach hinten gepfeilte Bereich ZBS eine Sehne auf, deren Verjüngungsverhältnis zwischen den beiden Enden zwischen 1 und 2 und idealerweise 1,5 beträgt. Das Verjüngungsverhältnis ist als Verhältnis der Sehne des innersten Abschnitts, der an den nach vorne gepfeilten Bereich angrenzt, und der Sehne des äußersten Abschnitts, der an den äußeren Bereich angrenzt, zu verstehen. Der Pfeilungswinkel β beträgt zwischen –15° und –30° und vorzugsweise –25°.
Der äußere Bereich ZE besitzt eine Vorderkante, die eine Parabel beschreibt, sodass sie einen Winkel γ zwischen –40° und –60° und idealerweise von 45° senkrecht zum Bezugsradius, das heißt am äußeren Ende des Blatts aufweist.
Schließlich endet das Blatt mit einer Fläche M, die einen Dieder bildet, wie 2 zeigt. Diese Fläche M ist nach unten geneigt; ihre Neigung δ kann zwischen 10° und 20° variieren und beträgt idealerweise 16°.
Darüber hinaus ist ein Abschnitt des Blatts geschränkt. Dieser Abschnitt kann sich vom inneren bis zum äußeren Bereich erstrecken. Vorzugsweise ist das Schränkungsgesetz linear und weist einen Koeffizienten zwischen –10°/R und –13°/R auf, wobei R immer noch den Bezugsradius darstellt. Idealerweise beträgt der Koeffizient –12°/R.

Claims

Rotorblatt (P), das nacheinander entlang einem Bezugsradius (R) einen inneren Bereich (ZI), einen nach vorne gepfeilten Bereich (ZFS), einen nach hinten gepfeilten Bereich (ZBS) und einen äußeren Bereich aufweist, wobei der Beginn des nach vorne gepfeilten Bereichs (ZFS) zwischen dem 0,47- und 0,65-Fachen des Bezugsradius (R) liegt und wobei die Vorderkante des äußeren Bereichs des Blatts parabolisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante des äußeren Bereichs einen Winkel (γ) zwischen –40° und –60° in Bezug auf die Achse des Blatts senkrecht zum Bezugsradius (R) aufweist.
Blatt (P) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des nach hinten gepfeilten Bereichs (ZBS) zwischen dem 0,75- und dem 0,90-Fachen des Bezugsradius (R) liegt.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nach vorne gepfeilte Bereich (ZFS) einen Pfeilungswinkel zwischen 5° und 10° aufweist.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nach hinten gepfeilte Bereich (ZBS) einen Pfeilungswinkel zwischen –15° und –30° aufweist.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nach hinten gepfeilte Bereich (ZBS) eine konstante Sehne aufweist, die der Sehne des äußersten Abschnitts des nach vorne gepfeilten Bereichs (ZFS) entspricht.
Blatt (P) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des nach hinten gepfeilten Bereichs (ZBS) zwischen 1 und 2 beträgt.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen äußeren Bereich (ZE) aufweist, der auf den nach hinten gepfeilten Bereich (ZBS) folgt und eine Verjüngung aufweist.
Blatt (P) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des äußeren Bereichs (ZE) zwischen dem 0,92- und dem 0,97-Fachen des Bezugsradius (R) liegt.
Blatt (P) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung parabolisch ist.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen geschränkten Abschnitt mit einem Schränkungsgesetz aufweist.
Blatt (P) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des geschränkten Abschnitts mit dem Beginn des inneren Bereichs (ZI) zusammenfällt.
Blatt (P) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schränkungsgesetz linear ist.
Blatt (P) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schränkungsgesetz einen Koeffizienten aufweist, der zwischen -10° und –13° geteilt durch den Bezugsradius (R) beträgt.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinem äußeren Ende eine geneigte Fläche (M) aufweist, die einen Dieder bildet.
Blatt (P) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung (δ) der Fläche (M) zwischen 10° und 20° senkrecht zum Bezugsradius entspricht.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des inneren Bereichs (ZI) zwischen dem 0,15- und dem 0,30-Fachen des Bezugsradius (R) liegt.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugsradius zwischen 5,0 und 10,0 Meter beträgt.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Abschnitt mit einem Dickenprofil zwischen 6 % und 8 % besitzt, wobei dieser Abschnitt im äußeren Bereich (ZE) eingeschlossen ist.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Abschnitt mit einem Dickenprofil zwischen 8 % und 10 % aufweist, wobei der Abschnitt jenseits von 75 % des Bezugsradius (R) gelegen ist.
Blatt (P) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mindestens einen Teil mit einer Dicke gleich 9 % aufweist.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (ZI) eine konstante Sehne aufweist.
Blatt (P) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehne des inneren Bereichs (ZI) zwischen L und L Mal 1,1 beträgt, mit
wobei L(r) das Gesetz der Entwicklung der Sehne entlang der Spannweite, R0 der Beginn des Profilabschnitts und R der Bezugsradius sind.
Blatt (P) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nach vorne gepfeilte Bereich (ZFS) eine konstante Sehne aufweist.
Blatt (P) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehne des nach vorne gepfeilten Bereichs (ZFS) der Sehne des inneren Bereichs (ZI) entspricht.