DE69922251T2

DE69922251T2 - Verfahren zur bereitstellung eines signals für die steuerung von blattwirbelgeräuschen von einem drehflügler

Info

Publication number: DE69922251T2
Application number: DE69922251T
Authority: DE
Inventors: F. Peter LORBER
Original assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Current assignee: Sikorsky Aircraft Corp
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: WO2000037310A2; DE69922251D1; WO2000037310A3; EP1140620B1; JP2002532339A; EP1140620A2; US6171056B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Kontrollieren von Blatt-Wirbel-Interaktions-Geräusch (BVI)-Geräusch – (BVI – Blade Vortex Interaction) in Drehflüglern und insbesondere Signale, die für die Kontrolle derartiger BVI nützlich sind und verwendet werden.
Stand der Technik
Im Bereich der Konstruktion und des Betriebs von Drehflüglern (z. H. Hubschraubern und Drehrotorflugzeugen) wurde das Phänomen von Blatt-Wirbel-Interaktions (BVI)-Geräusch schon lange als eine unerwünschte Eigenschaft erkannt. Dieses Phänomen resultiert aus den Wirbeln, die von den Rotorblättern und den Blattspitzen abgegeben werden, wenn sie sich voranbewegen und auf ein nachfolgendes Rotorblatt treffen. Das durch BVI verursachte Geräusch ist während des Abstiegs des Drehflüglers mit niedriger Geschwindigkeit, typischerweise beim Anflug auf eine Landestelle oder ein Landefeld, am meisten ausgeprägt. Ein derartiges Geräusch kann insbesondere für Personen am Boden in der Nähe der Landestelle und/oder auf dem Flugweg störend sein. Außerdem kann das BVI-Geräusch unter militärischen Bedingungen ein Sicherheitsrisiko für den Drehflügler darstellen, weil er leichter für das menschliche Ohr und/oder andere akustische Meßgeräte detektierbar ist. Aus diesen Gründen wurde eine erhebliche Analyse durchgeführt und es wurde bereits eine Vielzahl von Techniken vorgeschlagen oder verwendet, in der Anstrengung, das Auftreten und/oder die Intensität von BVI-Geräusch während Drehflüglerbetrieb zu verringern.
Beispiele von durchgeführten Analysen und erhaltenen Daten hinsichtlich BVI sind in Veröffentlichungen des vorliegenden Erfinders, Peter F. Lorber mit dem Titel "Aerodynamic Results of a Pressure-Instrumented Model Rotor Test at the DNW", vorgestellt in Journal of the American Helicopter Society, 1990, und "Blade-Vortex Interaction Data Obtained from a Pressure-Instrumented Model Rotor at DNW", vorgestellt 1991. Diese Unterlagen beschreiben das Ausstatten von Rotorblättern mit zahlreichen Drucksensoren und das Erhalten von Blattdruckmessungen, die durch BVI unter einer Vielzahl von simulierten Betriebsbedingungen und bei verschiedenen Azimutalpositionen der derart instrumentierten Blättern verursacht sind. Diese Daten brachten signifikante Informationen über die Physik und die Aerodynamik von BVI-Geräuscherzeugung.
Anstrengungen zum Verringern von BVI-Geräusch haben weit passive und aktive Mittel beinhaltet. Die passiven Mittel haben typischerweise strukturelle Modifikationen von den Rotorblättern oder Hinzufügungen dazu, generell im Spitzenbereich, der die Wirbel erzeugt, beinhaltet. Ein Beispiel einer derartigen passiven Vorrichtung ist in dem US Patent 5,788,191 an Wake et al. für "Half-Plow Vortex Generators for Rotor Blades for Reducing Blade-Vortex Interaction Noise", welches auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, beschrieben. Dort ist eine Zusatzstruktur an jedem Hauptrotorblatt angebracht, um einen Wirbel zu erzeugen, der entgegengesetzt zu dem natürlich von der Blattspitze erzeugten Wirbel rotiert, um so jeglichen resultierenden Wirbel abzuschwächen.
Beispiele von aktiven Vorrichtungen zum Verringern von BVI-Geräusch beinhalten auch das genannte US Patent 5,788,191, da es ebenso das selektive Ausfahren und Einziehen des Wirbelerzeugers 10 entweder als eine Funktion der generellen Flugbedingungen, d. h. Abstieg, oder als eine schnellere Funktion der Azimutalposition des Rotorblatts während des Rotierens des Rotors (Spalte 6, Zeile 65 bis Spalte 7, Zeile 29) beschreibt. Ein weiteres Beispiel eines aktiven Mittels zum Abschwächen von BVI-Geräusch ist in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Effects of a Trailing Edge Flap on the Aerodynamics and Acoustics of Rotor Blade-Vortex Interactions" von B. D. Charles et al. auf den Seiten 153–161 von Vol. 1 des Proceeding of DGLR/AIAA 14. Aeroacoustics Conference vom 11–14 Mai 1992 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die aktive Kontrolle von Klappen an Rotorblättern als ein Verfahren zur BVI-Geräuschabschwächung. Das Setzen der Klappen auf verschiedene Winkel während verschiedener winkelmäßiger oder azimutaler Segmente der Blattrotation wurden für optimale Ergebnisse analysiert. Die Prinzipien der genannten Veröffentlichung scheinen auch in dem US Patent Nr. 5,711,651 für "Blade Vortex Interaction Noise Reduction Techniques for a Rotorcraft" von Charles et al. auf, das eine aktive Vorrichtung (Klappen) beschreibt, die während des Rotierens der Rotorblätter durch vorbestimmte Bereiche der Rotorazimutalposition selektiv setzbar sind.
Obwohl die passiven Vorrichtungen die Vorteile einer verringerten Komplexität und möglicherweise geringerer Kosten und Gewicht bieten, bieten sie nicht die Flexibilität von aktiven Vorrichtungen, sich an sich ändernde BVI-Bedingungen während des Flugablaufs anzupassen, wie bei Änderungen der Geschwindigkeit und der Sinkgeschwindigkeit. Beide genannten Patent 5,788,191 und 5,711,651 erwähnen die Vorteile des Setzens oder Betätigens der aktiven Vorrichtung lediglich während des Zeitraums, in dem der Drehflügler in einem Flugzustand arbeitet, wo signifikantes BVI-Geräusch wahrscheinlich erzeugt werden wird. Wie in dem US Patent 5,711,651 beschrieben, kann ein Vorbestimmungsplan verwendet werden, um die aktive Vorrichtung während des relevanten Bereichs oder während der relevanten Bereiche der Blattrotation-Aziumutalposition zu setzen.
Relativ zu einem starren passiven System oder einer starren passiven Vorrichtung bietet das Betätigen von aktiven Vorrichtungen in Reaktion auf einen vorbestimmten Plan ein größeres Maß an Flexibilität beim Erreichen einer BVI-Geräuschverringerung und verringert die Nachteile, die mit dem Widerstand einhergehen, der durch das kontinuierliche Gesetztsein einer Vorrichtung verursacht wird. Jedoch verbleiben die Ineffizienzen wegen des Erfordernisses einen Aktuierungsplan lediglich basierend auf vorangehend bestimmten BVI-Bedingungen als eine Funktion der Sinkgeschwindigkeit, Fluggeschwindigkeit, Vorrichtungsgeometrie und -charakteristik, etc. vorzubestimmen.
Benötigt wird ein Verfahren zum Erhöhen oder Optimieren der Effizienz und der Effektivität eines aktiven Systems für das Verringern von BVI-Geräusch, welches mit dem Rotor eines Drehflüglers einher geht.
Beschreibung der Erfindung
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz und/oder der Effektivität zum Kontrollieren von aktiven Vorrichtungen für das Reduzieren von zu Drehflüglern gehörendem BVI-Geräusch bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren gemäß Ansprüchen 1 und 2 und ein Drehflügler mit einem mehrblättrigen Rotor gemäß Anspruch 14 bereitgestellt.
Somit liefert die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz und/oder der Effektivität zum Kontrollieren aktiver Vorrichtungen zum Verringern vom zu dem Drehflügler gehörenden BVI-Geräusch. Insbesondere wird ein Verfahren zum Liefern eines Kontrollsignals bereitgestellt, welches repräsentativ für Blatt-Wirbel-Interaktions-Geräusch für einen Drehflügler mit einem mehrblättrigen Rotor ist, wobei das Signal zur Verwendung als eine Kontrollvariable in einem Drehflüglerkontrollsystem für die aktive Kontrolle von BVI-Geräusch bereitgestellt wird und verwendet wird. Das Signal wird bereitgestellt durch Messen des Fluid (Luft)-drucks an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen an einem Rotorblatt, während mindestens einem vorbestimmten Azimutalsegment der Blattrotation, um entsprechende Druckmessungen zu liefern, und Verarbeiten der entsprechenden Druckmessungen, um ein Signal zur Verwendung als eine Kontrollvariable zu liefern.
Der Luftdruck wird an zwei oder mehreren Stellen an dem Blatt zwischen 65% und 95% der radialen Länge des Blatts und innerhalb von 10% der Blatt-Profilsehnenlänge von der Vorderkante des rotierenden Blatts gemessen. Der Druck wird vorzugsweise mindestens während eines Azimutalsegments gemessen, in dem sich das Blatt relativ zum Vorwärtsflug des Drehflüglers nach vorne bewegt, insbesondere in dem Quadranten, der winkelmäßig 90° nach vorne von dem Heckausleger des Drehflüglers gemessen ist. Er kann zusätzlich separat während eines Azimutalsegments gemessen werden, in dem sich das Blatt relativ zum Vorwärtsflug des Drehflüglers nach hinten bewegt.
Die Druckmessungen werden verarbeitet durch Filtern, um im Wesentlichen lediglich ein Frequenzband entsprechend BVI-Quellen typischerweise zwischen 20 und 48 Mal der Rotationsfrequenz des Rotors zurückzuhalten. Die gefilterten Druckmessungen können weiter gemäß folgender Formel verarbeitet werden:
wobei

Fn₁, n₂: ist das Signal zur Verwendung als die Kontrollvariable,
fn: ist die Fourier-Amplitude über ein spezifiziertes Azimutalsegment der Blattrotation, und
n₁ und n₂: sind Frequenzgrenzen basierend auf n pro volle Umdrehung.

Die Werte von n₁ und n₂ werden anfangs bestimmt durch Windkanalmessungen für einen speziellen Satz von Testbedingungen, die Abstieg simulieren, und anschließend mit akustischen BVI Fernfeldschalldruckniveaus für den gleichen Satz von Testbedingungen korreliert. Werte von n₁ und n₂, die im Wesentlichen 24 bzw. 32 sind, wurden für ein Drehflüglersystem bestimmt.
Das sich ergebende Signal steht dann zur Verwendung als die Kontrollvariable in einem Drehflüglerkontrollsystem für die aktive Kontrolle von BVI-Geräusch, typischerweise als ein Signal vom Rückkopplungstyp, welches durch die aktive Kontrolle ausgelöscht oder minimiert werden soll, zur Verfügung und wird als solches verwendet.
Das vorangegangene und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen davon, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, besser ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf einen Drehflügler, die Blattwirbel und das BVI-Geräuschunterdrückungsverfahren der Erfindung zeigt;
2 ist eine Draufsicht auf einen Teil eines mit Instrumenten versehenen Rotorblatts gemäß der Erfindung;
3 ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm der BVI-Geräuschunterdrückungskontrolle gemäß der Erfindung;
4A ist ein graphischer Auftrag des Drucks an einem Rotorblatt als eine Funktion der Blattazimutalposition;
4B ist ein graphischer Auftrag des in 4A gezeigten Drucks im Anschluss an das Filtern zum Entfernen der niedrigeren Harmonischen der Blattrotationsfrequenz;
5A ist ein graphischer Auftrag von Blattdruckkoeffizienten über den akustischen BVI Fernfeldschalldruckniveaus für unterschiedliche Werte von Frequenzbereichen; und
5B ist ein graphischer Auftrag von Blattabschnittsdruckwerten für einen ausgewählten Frequenzbereich aus 5A über mehrere Umläufe (sweeps) des Rotors.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Dort ist ein Hubschrauber oder Drehflügler 10 gezeigt, der während des Flugs von oben betrachtet wird. In dem gezeigten Beispiel hat der Drehflügler 10 eine Rotoranordnung 12, die vier Rotorblätter 14A, 14B, 14C bzw. 14D aufweist, von denen jedes eine radiale Länge R hat. Die Rotorblätter 14A–D sind mit 90° zu jedem benachbarten Blatt angeordnet und rotieren im Gegenuhrzeigersinn, wie durch die Richtung des Pfeils 16 gezeigt. In der 1 ist der Drehflügler 10 im Vorwärtsflug gezeigt, wie durch den Flugvektorpfeil 18 repräsentiert.
Wenn der Rotor 12 um eine Achse 20 rotiert, erzeugen die Spitzen der Rotorblätter 14A–D Wirbel 14A', 14B', 14C' bzw. 14D'. Die Wege der Wirbel 14A'–D', welche die Blätter verlassen, wenn die Blätter sich voranbewegen, variieren als eine Funktion der Vorwärtsfluggeschwindigkeit, des Rotorschubs und des Abstiegwinkels neben anderen Dingen. Man kann aus den Wegen der Wirbel 14A–D in der 1 erkennen, dass sie sich scheinbar von oben betrachtet in einem schraubenförmigen Muster radial nach innen relativ zu nachfolgenden Blättern 14A–D mindestens in den zwei Quadranten mit nach vorne laufendem Blatt, die als ausgehend von 0° (über dem Drehflüglerheckausleger) über 90° (nach rechts von dem Drehflügler) bis 180° (vor dem Drehflügler) gezeigt sind, bewegen. Die Azimutalposition eines Blatts 14A–D wird einfacherweise in einem Winkelbezugssystem referenziert, bei dem 0° über dem Heckausleger des Drehflüglers 10 liegt.
Bei manchen Zuständen innerhalb des Betriebs des Drehflüglers 10 kann der Aufprall von Wirbeln auf nach vorne laufende Blätter insbesondere im ersten Quadranten von 0° bis 90°, beispielsweise die annähernd parallele Interaktion des Wirbels 14B' und des Blatts 14A, sehr signifikant sein und ein signifikantes unerwünschtes hörbares BVI-Geräusch in dem Fernfeld erzeugen, wo Personen oder Lauschvorrichtungen positioniert sein können. Wie erwähnt, beinhalten solche Betriebszustände typischerweise Abstieg und/oder Manöver des Drehflüglers 10.
Die Physik und aerodynamische Forschungsergebnisse, die in den genannten Veröffentlichungen des vorliegenden Erfinders beschrieben sind, werden hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Insbesondere kann etwas von der darin entwickelten Information verwendet und verfeinert werden, um ein Kontrollsignal gemäß der Erfindung zu liefern. Dieses Kontrollsignal steht dann zur Verwendung als verfeinerte Kontrolle von verschiedenen aktiven Vorrichtungen zum Sichern einer verbesserten Abschwächung oder Unterdrückung von BVI-Geräusch, welches in dem Fernfeld akustisch erfasst werden kann, zur Verfügung.
Es wird weiter auf die 1 und zusätzlich auf die 2 Bezug genommen. Die Rotoranordnung 12 ist als mindestens zwei Drucksensoren S₁ und S₂ aufweisend gezeigt, die an der Oberfläche eines Blatts, z. B. des Blatts 14A relativ in Richtung auf die Vorderkante hin und auf den radial äußeren Bereich hin angebracht sind. Außerdem weist jedes Blatt 14A–D eine entsprechende aktive Vorrichtung (AD – active device) 22A–D auf, welches für eine Betätigung zwischen verschiedenen Zuständen zum Abschwächen der Erzeugung von Blattspitzenwirbeln 14A'–D' und/oder zum Bewegen der Blätter 14A–D relativ aus der Ebene, befähigt ist, um so die Blatt-Wirbel-Interaktion zu verringern. Diese letztere Art von Steuerung kann durch aktive Vorrichtungen des Typs geliefert werden, die in dem genannten US Patent 5,711,651 beschrieben sind, z. B. unabhängig kontrollierte Klappen.
Ferner ist in 1 gezeigt, dass ein Kontrollsystem 24 mindestens Druckmessungen von Sensoren S₁ und S₂ erhält und ein Signal liefert, welches druckabhängige BVI-Geräuscheigenschaften reflektiert, wobei das Signal dann verwendet wird als eine Kontrollvariable bei der Kontrolle und Betätigung der aktiven Vorrichtungen 22A–D.
Es wird weiter auf die 2 Bezug genommen. Der radial äußere Bereich des mit Instrumenten versehenen Blatts 14A von 1 ist vergrößert gezeigt und zeigt die Plazierung von mindestens den zwei Drucksensoren S₁ und S₂ in einem Bereich, der als eine starke BVI-Quelle ausgemacht wurde. Insbesondere mindestens diese zwei Drucksensoren und vorzugsweise auch sämtliche wei tere Drucksensoren S_n sind an der Oberfläche des Blatts 14a in einem Bereich zwischen etwa 65% und 95% des Blattradius R und innerhalb von 10% der Blattprofilsehnenlänge von der Vorderkante des Blatts positioniert. Die Vorderkante des Blatts 14A in der 2 zeigt, dass die Station r des Sensors S₁ etwa 0,75 oder 75% des Blattradius R ist und die Station r des Sensors S₂ etwa 0,85 oder 85% des Blattradius R ist. Die optional weiteren Drucksensoren S_n sind auch in dem gleichen Bereich zwischen 65% und 95% R. Außerdem sind die Sensoren S₁ und S₂ (und S_n) gezeigt, dass sie bei entsprechenden Stationen c sind, die innerhalb von 10% der Blattprofilsehnenlänge C von der Vorderkante von Blatt 14A sind oder mit einer Meßöffnung an der Oberfläche in das Blatt eingebaut sind. Die Drucksensoren S₁ und S₂ sind vorzugsweise von einem bekannten Typ mit guter Sensitivität und sehr kleiner Größe und niedrigem Profil. Die Sensoren S₁ und S₂ sind beispielsweise durch irgendeine Verbindung, an einer Oberfläche von Blatt 14A befestigt. Obwohl hier als an der oberen Oberfläche von Blatt 14A befestigt gezeigt, was eine Abrasion durch Schmutz von unten verringert, können die Sensoren S₁ und S₂ alternativ an der unteren Oberfläche von Blatt 14A angebracht sein.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Die Drucksensoren S₁, S₂ ... S_n geben ihre entsprechenden Signale an das Kontrollsystem 24, und insbesondere zu einem Drucksignalprozessor 30, der einen Teil davon bildet. Der Drucksignalprozessor 30 analysiert die Drucksignale von den Sensoren S₁, S₂ in einer Weise, die nachfolgend beschrieben werden wird, und liefert einen resultierenden Wert oder Signal, P_CV an Leitung 32, die als zu der Kontrolleinrichtung 34 verlaufend gezeigt ist. Die Kontrolleinrichtung 34 bildet auch einen Teil des Kontrollsystems 24. Der Drucksignalprozessor 30 und die Kontrolleinrichtung 34 können separate, zugewiesene Elemente sein oder sie können strukturell in ihrer Form integriert sein. Außerdem ist es bevorzugt, dass die meiste oder sämtliche elektronische Verarbeitung durch einen digitalen Prozessor durchgeführt wird, der geeignet programmiert ist, um die erforderlichen Funktionen zu bewerkstelligen. Die Kontrolleinrichtung 34 ist auch so gezeigt, dass sie einen Betriebszustand-Eingabewert an Leitung 36 und einen Rotorazimutalposition-Eingabewert an Leitung 38 erhält. Diese Eingabewerte können alternativ oder zusätzlich zu dem Drucksignalprozessor 30 geleitet werden. Der Ausgabewert oder die Ausgabewerte von der Kontrolleinrichtung 34 und somit von dem Kontrollsystem 24 werden an die entsprechenden aktiven Vorrichtungen 22A –D geleitet, um die befohlene Aktion zu bewirken. Die Drucksignale von den Sensoren S₁, S₂... S_n zu dem Kontrollsystem 24 und die Signale von dem Kontrollsystem 24 zu den aktiven Vorrichtungen 22A–D verlaufen zwischen den Rotorblättern 14A–D und dem Rumpf des Drehflüglers 10 über eine geeignete Gleitringanordnung (nicht gezeigt).
Man erkennt, dass die Kontrolleinrichtung 34 geeignete Kontrollalgorithmen für die speziellen aktiven Vorrichtungen 22A–D ausführen kann, jedoch sind diese speziellen Algorithmen nicht innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Stattdessen sind die Kontrolleinrichtung 34 und die aktiven Vorrichtungen 22A–D programmiert oder tabellarisch festgelegt, dass sie auf das Kontrollvariabelsignal P_CV auf eine Weise reagieren, die eine Verringerung oder Auslöschung dieses Signals durch Verringern des BVI-Geräuschs beabsichtigt. Beispielsweise können der Betriebszustands-Eingabewert an der Leitung 36 und der Rotorazimutalposition-Eingabewert an Leitung 38 zum Ansteuern und Kontrollieren einer grundlegenden oder primären Planung von Kontrollsignalen zum Verringern von BVI dienen; jedoch dient das Kontrollvariabelsignal P_CV zum Verfeinern dieser Tabelle.
Die Aufmerksamkeit wird nun der Entwicklung des Signals P_CV gemäß der Erfindung zugewandt. Es wird auf die 4A Bezug genommen. Dort ist ein Auftrag des Drucks über die Blattazimutalposition gezeigt, wie er durch einen Drucksensor, beispielsweise S₁ oder S₂, die an dem Blatt 14A wie vorangehend beschrieben positioniert sind, gemessen wird. Gemäß der 4A war der Drucksensor bei etwa 77% der radialen Länge R von Blatt 14A und etwa 5 Blattprofilsehnenlänge von der Vorderkante des Blatts positioniert. Das sich ergebende Drucksignal wurde normalisiert, um Effekte des freien Strömungsdrucks und des Drucks der dynamischen Rotation zu berücksichtigen.
Es wird auf die 4B Bezug genommen. Das Drucksignal von 4A wurde gefiltert, um das als eine BVI-Quelle für das spezielle Drehflüglersystem wichtige Frequenzband zurückzuhalten oder zu erhalten. Die BVI-Geräuschquelle besteht typischerweise aus einem schmalen Frequenzband, typischerweise zwischen 20 und 48 mal der Rotor-Rotationsfrequenz. Wenn beispielsweise der Rotor 12 bei 5 Hz rotiert, umfasst das BVI-Quellenband 100 bis 240 Hz. Somit zeigt das in 4B dargestellte Signal die Ergebnisse des digitalen Filterns des Drucksignals von 4A und stellt klar die signifikante Aktivität im ersten Quadranten für das nach vorne laufende Blatt bei etwa 70° Azimutalposition und im vierten Quadranten für das nach hinten laufende Blatt bei etwa 275° Azimutalposition heraus. Es ist bevorzugt, das Signal der nach vorne laufenden Seite von dem Signal der nach hinten laufenden Seite zu trennen, so dass jedes die erforderliche Kontrolle zu der passenden Zeit oder an der passenden Position während des Rotierens des Rotors 12 liefern kann. Außerdem ist es wünschenswert, weil es mindestens zwei Drucksignale von den Sensoren S₁ bzw. S₂ gibt, diese Werte zu mitteln, um das Drucksignal für die Signalverarbeitung zu liefern.
Nach dem Filtern des Rohdrucksignals definiert der Drucksignalprozessor 30 als das Maß P_CV die Summe von Fourier-Amplituden des am Blatt 14A gemessenen Blattdrucks über die relevanten Frequenzgrenzen n₁ und n₂. Diese Addition kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei

F_n1, n₂: ist das Signal zur Verwendung als Kontrollvariable,
fn: ist die Fourier-Amplitude über ein spezifiziertes Azimutalsegment der Blattrotation; und
n₁ und n₂: sind die Frequenzgrenzen basierend auf n pro voller Umdrehung.

Es ist bevorzugt, auch eine Fensterfunktion vor dem Berechnen der finiten Fourier-Transformation (FFT; finite Fourier Transform) anzuwenden, da die Signale über einen Teilazimutalbereich nicht periodisch sind. Im vorliegenden Fall wurde ein Welch-Fenster wie folgt verwendet: Die Druckdaten P(t_n) wurden mit der Fensterfunktion multipliziert
vor der Berechnung der Fourier-Transformation, wobei P der Mittelwert der verwendeten Druckdaten ist.
Um die effektivsten Werte von n₁ und n₂ zur Verwendung bei der Addition der Fourier-Transformation zu identifizieren, können Modelltests während Windkanaltests oder am tatsächlichen Drehflügler unter Bedingungen, die Abstieg simulieren, durchgeführt werden, um wahrscheinliche Werte zu identifizieren, die die effizientesten Ergebnisse liefern. Außerdem werden diese Testdaten mit den Messungen von tatsächlichen akustischen BVI-Fernfeldschalldruckniveaus (BVISPL – BVI far field accoustic sound pressure levels) unter den gleichen Bedingungen korreliert. Die Ergebnisse derartiger Windkanaltests für eine einzige Vorwärtsfluggeschwindigkeit und fünf verschiedene simulierte Abstiegswinkel für einige Bereiche von n₁ und n₂ Werten sind in der 5A gezeigt, wo P_CV unter Verwendung von Druckmessungen berechnet ist, die aus zwei Sensoren bei 77% und 92% R gemittelt sind, und Adv Side BVISPL stellt das BVI-Geräusch von dem Blatt an der nach vorne laufenden Seite dar, wie es tatsächlich im Fernfeld gemessen wurde. Die bevorzugten Bereiche von n₁, n₂ Werten sind die, die nur positive Neigungen haben und es gilt, dass je mehr sie bezogen auf die Fernfeldmessungen linear sind, um so besser sind sie. In der getesteten und hier beschriebenen Ausführungsform für einen UH–60A Black Hawk Hubschrauber im Maßstab 1/6 scheint der Bereich, in dem n₁ 24 ist und n₂ 32 ist, die besten Ergebnisse zu liefern. Das ist zusätzlich in der 5B bestätigt, die einen Auftrag von P_CV über das gemessene Fernfeldgeräusch für einige andere Vorwärtsfluggeschwindigkeiten und Abstiegswinkel zeigt. Die Linearität scheint erhalten zu sein.
Nachdem so die die geeignete Anordnung von Sensoren S₁, S₂ ... S_n und die geeigneten Frequenzgrenzen zum Addieren der Fourier-Amplituden bestimmt sind, bestimmt der Drucksignalprozessor 30 die metrische Kontrollvariable, die mit P_CV bezeichnet ist. Dieses Signal, typischerweise in Verbindung mit der durch den Betriebszustands-Eingabewert und den Rotorazimutalpositions-Eingabewert gelieferten Planung oder Tabelle, dient zum Kontrollieren der entsprechenden aktiven Vorrichtungen 22A–D als eine Funktion von deren Azimutalpositionen und in einer Weise zum Reduzieren von BVI-Geräusch. Das Vorsehen und die Verwendung des Signals P_CV als eine Kontrollvariable in einem Betrieb, der eine präzise Messung des BVI-Geräuschs, wie es im Fernfeld auftritt, rückkoppelt, stellt das optimale Minimieren dieses Geräuschs sicher.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Signals, das für das Blatt-Wirbel-Interaktions (BVI)-Geräusch eines Drehflüglers (10) mit einem mehrblättrigen Rotor (12) repräsentativ ist, wobei das Verfahren aufweist: a) Messen (S₁, S₂, ... S_n) des Fluiddrucks an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen (r/R) an einem Blatt (14A, 14B, 14C, 14D) des Rotors über mindestens ein vorbestimmtes Azimutalsegment der Rotation des Blattes während eines Betriebs, um entsprechende Druckmessungen (S₁, S₂, ... S_n) bereitzustellen; b) Verarbeiten (30) der entsprechenden Druckmessungen (S₁, S₂, ... S_n), um ein Signal (P_CV) durch Filtern der Druckmessungen bereitzustellen, um im Wesentlichen nur ein Frequenzband entsprechend den BVI-Quellen zurückzuhalten, wobei das Band der zurückbehaltenen Frequenzen etwa zwischen dem 20-fachen und 48-fachen der Rotationsfrequenz des Rotors (12) ist; und c) Bereitstellen des Signals (P_CV) zur Verwendung als eine Kontrollvariable in einem Kontrollsystem (24) zum aktiven Kontrollieren von BVI-Geräusch.
Verfahren zum Bereitstellen eines Kontrollsignals, das für ein Blatt-Wirbel-Interaktions (BVI)-Geräusch eines Drehflüglers (10) mit einem mehrblättrigen Rotor (12) repräsentativ ist, wobei das Verfahren aufweist: a) Messen (S₁, S₂, ... S_n) des Fluiddrucks an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen (r/R) an dem Blatt (14A, 14B, 14C, 14D) des Rotors über mindestens ein vorbestimmtes Azimutalsegment der Rotation des Blattes während des Betriebs, um entsprechende Druckmessungen (S₁, S₂, ... S_n) zur Verfügung zu stellen; b) Verarbeiten (30) der entsprechenden Druckmessungen (S₁, S₂, ... S_n) und Bereitstellen eines Kontrollvariablen-Signals (P_CV) daraus; und c) Bereitstellen des Signals (P_CV) als eine Kontrollvariable an ein Kontrollsystem (24) für die aktive Kontrolle von BVI-Geräusch.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Druckmessungen (S₁, S₂, ... S_n) durch Filtern der Druckmessungen verarbeitet werden, um im Wesentlichen nur ein Frequenzband zurückzubehalten, das BVI-Quellen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Band der zurückbehaltenen Frequenzen zwischen dem 20-fachen und 48-fachen der Rotationsfrequenz des Rotors (12) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gefilterten Druckmessungen weiter verarbeitet werden, um das Signal zur Verwendung als die Kontrollvariable bereitzustellen, wobei das weitere Verarbeiten geschieht gemäß:
Fn₁, n₂ das Signal zur Verwendung als Kontrollvariable ist, f_n die Fourier-Amplitude über ein spezifiziertes Azimutalsegment der Blattrotation ist, und n₁ und n₂ die Frequenzgrenzen sind, basierend auf n pro vollständiger Umdrehung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Werte von n₁ und n₂ (5A) anfänglich durch Windkanalmessungen für einen bestimmten Satz von Test bedingungen, die einen Sinkflug simulieren, bestimmt werden und nachfolgend mit akustischen Geräusch-Druckniveaus des BVI-Fernfelds für den gleichen Satz von Testbedingungen korreliert werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei n₁ und n₂ im Wesentlichen 24 bzw. 32 sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Messens und der Schritt des Konditionierens wiederholt, mehrfach für jede Umdrehung des Blattes, ausgeführt werden, um ein im Wesentlichen kontinuierliches Signal zur Verwendung als die Kontrollvariable bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Fluiddruck an zwei oder mehreren Stellen (r/R) an dem Blatt zwischen 65 und 95% der radialen Länge (R) des Blattes gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Luftdruck innerhalb 10% der Blatt-Profilsehnenlänge (C) von der Vorderkante des rotierenden Blattes (14A–14D) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eines des mindestens einen Azimutalsegments der Blattrotation einen Blatt-Vorwärtsbewegungbereich bezogen auf Vorwärtsflug des Drehflüglers (10) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das eine des mindestens einen Azimutalsegments sich in dem Quadranten befindet, der gemessen in Winkelrichtung 90° nach vorne von dem Heck des Drehflüglers (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein anderes des mindestens einen Azimutalsegments der Blattrotation einen separaten Blatt-Rückwärtsbewegungsbereich relativ zum Vorwärtsflug des Drehflüglers (10) aufweist.
Drehflügler (10) mit einer mehrblättrigen Rotoranordnung (12) mit einer Mehrzahl von Rotorblättern (14A, 14B, 14C, 14D), aufweisend eine Blatt-Wirbel-Interaktions-Geräuschabschwächungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Drucksensor (S₁; S₂; ... S_n), der an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen (r/R) an einem Blatt (14A, 14B, 14C, 14D) des Rotors zum Messen des Fluiddrucks angeordnet ist; eine aktive Einrichtung (22A, 22B, 22C, 22D), die auf einem Blatt (14A, 14B, 14C, 14D) vorgesehen ist und die in der Lage ist, zwischen mehreren Zuständen betätigt zu werden, um die Erzeugung von Blattspitzenwirbeln abzuschwächen und/oder um die Blätter aus der Ebene zu bewegen, um so die Blatt-Wirbel-Interaktion zu verringern; ein Kontrollsystem (24), das daran angepasst ist, die Druckmessungen von dem Drucksensor (S₁; S₂; ... S_n) zu empfangen und der aktiven Einrichtung (22A, 22B, 22C, 22D) ein Signal basierend auf den Druckmessungen zum Kontrollieren der Betätigung der aktiven Einrichtung (22A, 22B, 22C, 22D) bereitzustellen.
Drehflügler (10) nach Anspruch 14, aufweisend mindestens zwei Drucksensoren (S₁; S₂; ... S_n) an einem Blatt (14A, 14B, 14C, 14D), die an dem Blatt zwischen 65 und 95% der radialen Länge (R) des Blattes angeordnet sind.
Drehflügler (10) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Drucksensor (S₁; S₂; ... S_n) innerhalb 10% der Blatt-Profilsehnenlänge von der Vorderkante des Blattes (14A, 14B, 14C, 14D) angeordnet ist.
Drehflügler (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Kontrollsystem (24) einen Signalprozessor (30) zum Empfangen und Verarbeiten der Drucksignale und eine Kontrolleinrichtung (34) zum Empfangen der verarbeiteten Signale von dem Signalprozessor (30) und zum Bereitstellen von Kontrollsignalen für die aktive Einrichtung (22A, 22B, 22C, 22D) aufweist.
Drehflügler (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Kontrollsystem (24) einen Eingang für die Rotor-Azimutalposition aufweist.
Drehflügler (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Steuersystem (24) einen Eingang für Daten, betreffend den Betriebsbereich des Drehflüglers, aufweist.