DE69931035T2

DE69931035T2 - Rotor mit optimierter drehgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE69931035T2
Application number: DE69931035T
Authority: DE
Inventors: Abraham E. Lake Forest Karem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: WO1999042360A1; US6007298A; JP4358435B2; US20010001033A1; AU3303299A; JP2002503593A; DE69931035D1; EP1056640A1; EP1056640A4; EP1056640B1

Description

Diese Erfindung betrifft Hubschrauber, die Rotoren mit veränderlicher Geschwindigkeit haben, und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades, beispielsweise durch Erreichen einer wesentlichen Erhöhung der Höchstflugdauer, Reichweite, Höhe und Geschwindigkeit und Verringerung des Geräuschniveaus und des Treibstoffverbrauchs.
Der Wirkungsgrad eines Flugzeugs, ob mit Flügel- oder Rotorantrieb, wie durch den Treibstoffverbrauch ausgedrückt, der erforderlich ist, um eine bestimmte Leistung wie zum Beispiel die Reisegeschwindigkeit, Steigflug- oder Maximalgeschwindigkeit zu erreichen, ist direkt proportional zu der Leistung, die erforderlich ist, um diese Flugleistungen zu erreichen. Die erforderliche Leistung ist umgekehrt proportional zu dem Verhältnis des Flugzeugauftriebs zum Vortrieb (L/D). Um den Flugzeugwirkungsgrad zu erhöhen, streben Designer danach, das Verhältnis von Auftrieb zu Vortrieb zu erhöhen, indem sie den Flugzeugvortrieb bei Auftriebsniveaus minimieren, die erforderlich sind, um dem Flugzeuggewicht entgegenzuwirken und Flugzeugmanövrierung zu ermöglichen.
Der Auftrieb und Vortrieb eines Flugzeuges wird jeweils durch die folgenden Formeln bestimmt, L = ½ ρ V2SCL (1) D = ½ ρ V2SCD (2)wobei ρ die Luftdichte ist, V die Luftgeschwindigkeit (Lufttempo) ist, S die Bezugsfläche der Auftriebsfläche (Flügel oder Rotorblatt) ist, C_L und C_D dimensionslose Auftriebs- und Vortriebskoeffizienten sind. Das Verhältnis von Auftrieb zu Vortrieb L/D ist gleich dem Verhältnis des Auftriebskoeffizienten zu dem Vortriebskoeffizienten C_L/C_D. Somit hat das Verhältnis des Auftriebskoeffizienten zu dem Vortriebskoeffizienten C_L/C_D eine direkte Auswirkung auf die Flugleistungen. C_L/C_D ist eine Funktion von C_L wie anhand des C_L V/C_L/C_D – Graphs zu erkennen ist, der in 1 für eine typische Tragfläche dargestellt ist. Für den besten Reisegeschwindigkeitswirkungsgrad sollte der Auftriebskoeffizient der Auftriebstragfläche bei maximalem Niveau von C_L/C_D beibehalten werden.
Für einen Hubschrauber erfüllt der Auftrieb und Vortrieb der Rotorblätter die gleiche Auftriebsformel L = ½ ρ V²SC_L wobei V die lokale Luftgeschwindigkeit bei dem Blatt ist, die bei einem schwebenden Hubschrauber ein Ergebnis der Blattdrehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute (Drehzahl) ist. Bequemlichkeitshalber bezieht sich „Drehzahl", wie es hier verwendet wird, auf die Rotorwinkelgeschwindigkeit. Außerdem umfasst der Begriff „Hubschrauber", wie er hier verwendet wird, alle Typen von Drehflüglern.
In einem schwebenden Hubschrauber, nimmt die Geschwindigkeit des Rotorblatts radial nach außen zu. Bei einem vorgegebenen radialen Abstand vom Rotormittelpunkt ist die Geschwindigkeit des Blatts durch die Gleichung gegeben:
wobei v_r die Drehgeschwindigkeit ist, und r der radiale Abstand ist, der vom Rotormittelpunkt gemessen wird.
Ein Hubschrauber mit einer wesentlichen Vorwärtsgeschwindigkeit (z.B. 100–200 mph (161–322 Km/h)) erfährt Probleme mit der Steuerung, Vibrationen und Beschränkungen der Leistung, die sich aus der Asymmetrie der Geschwindigkeiten der vorlaufenden und rücklaufenden Blätter ergeben. Beim Flug in einer Vorwärtsrichtung 8 hat das vorlaufende Blatt 10 eine Geschwindigkeit, die gleich der Drehgeschwindigkeit des Blatts plus der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers ist, während das rücklaufende Blatt 12 eine Geschwindigkeit hat, die gleich der Drehgeschwindigkeit des Blatts minus der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers ist. Die Geschwindigkeiten entlang der Länge der Blätter beim Vorwärtsflug sind in 2 gezeigt. Im Ergebnis hat das vorlaufende Blatt mehr Auftrieb als das rücklaufende Blatt. Um zu verhindern, dass sich der Hubschrauber aufgrund der Luftgeschwindigkeitsasymmetrie überschlägt, muss der Auftrieb des rücklaufenden Blatts erhöht werden, während die Geschwindigkeit des vorlaufenden Blatts verringert werden muss. Da der Auftrieb umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit (z.B. Tempo) des Blatts zum Quadrat ist (V²) ist eine wesentliche Erhöhung des Auftriebskoeffizienten (C_L) des rücklaufenden Blatts erforderlich. Der verfügbare Auftriebskoeffizient für ein vorgegebenes Blatt ist, wie in 1 gezeigt, begrenzt. Folglich muss die Asymmetrie der Geschwindigkeiten zwischen den vorlaufenden und den rücklaufenden Blättern begrenzt werden, um dadurch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers zu begrenzen.
Die Erhöhung der Drehzahl des Rotors verringert die relative Asymmetrie der Luftgeschwindigkeitsverteilung, wodurch die Auswirkungen der Vorwärtsgeschwindigkeit auf Überschlagssteuerungsbeschränkungen verringert werden. Solch eine Drehzahlerhöhung ist durch die maximal erlaubte Rotorspitzengeschwindigkeit beschränkt. Die maximal erlaubte Spitzengeschwindigkeit ist typischerweise niedriger als die Schallgeschwindigkeit (d.h. Mach 1), um so eine wesentliche Erhöhung des Vortriebs, Vibra tionen und Geräusche zu verhindern, wie sie angetroffen werden, wenn sich die Spitzengeschwindigkeit Mach 1 nähert.
Gegenwärtige Hubschrauberrotoren drehen sich mit einer konstanten Drehzahl während des gesamten Fluges aufgrund komplexer und ernster Rotordynamikprobleme. Im allgemeinen sind Hubschrauberdesigner zufrieden, wenn sie die Entwicklung eines Rotors mit einer Geschwindigkeit erreichen, die von 0 bis zu einer entworfenen Drehzahl ohne Beanspruchung während des Starts und der Landung auf dem Boden gehen kann, ohne Vibrationsbeanspruchungen zu erfahren, die den Hubschrauber und die Rotorstruktur überbelasten. Wenn die Blätter eines gewöhnlichen Rotors Auftrieb erzeugen, kann eine beträchtliche Änderung der Drehzahl des Rotorblatts von der entworfenen Drehzahl zu katastrophalen Ergebnissen führen.
Gewöhnliche Hubschrauberrotoren sind entworfen, um natürliche Oszillationsfrequenzen für die Durchbiegung, Vorauseilen bzw. Nachlaufen und Torsion bei der Betriebsdrehzahl zu erreichen, die angemessen von den Rotoranregungsfrequenzen getrennt sind, die in Verhältnissen von 1 pro Umdrehung, 2 pro Umdrehung, 3 pro Umdrehung usw. auftreten. Für einen Rotor, der beispielsweise bei 360 Umdrehungen pro Minute betrieben wird, ist die Frequenz, die dem Auftreten einer Rotoranregungsfrequenz von 1 pro Umdrehung entspricht, 6 Hz (360 Umdrehungen pro Minute sind 6 Zyklen pro Sekunde), 2 pro Umdrehung ist 12 Hz usw. Wenn die Rotordrehzahl geändert wird, ändern sich auch die Anregungsfrequenzen. Bequemlichkeitshalber werden die Frequenzen, die diese Anregungsfrequenzen hervorrufen, hier als die Auftrittsverhältnisse der Anregungsfrequenz bezeichnet. Eine Frequenz, die beispielsweise eine Anregungsfrequenz hervorruft, die mit einem Verhältnis von 2 pro Umdrehung auftritt, wird hier als Frequenz von „2 pro Umdrehung" bezeichnet. Für gutes dynamisches Verhalten, das sowohl die Blattbeanspru chungen als auch die Hubschraubervibrationen berücksichtigt, werden gewöhnliche Rotoren mit irgendeiner Anzahl von Blättern entworfen, um Frequenzen von 1 pro Umdrehung, 2 pro Umdrehung, 3 pro Umdrehung usw. zu vermeiden. Gewöhnliche Rotorblätter sind so entworfen, dass sie bei 100% der entworfenen Drehzahl betrieben werden, wobei die Grundschwingung des Durchbiegens bei einer Frequenz von über 1 pro Umdrehung ist, die Grundschwingung des Vorauseilens bzw. Nachlaufens gewöhnlich unterhalb der Frequenz von 1 pro Umdrehung ist und manchmal zwischen Frequenzen von 1 pro Umdrehung und 2 pro Umdrehung ist, und die Blattdynamik so abgestimmt ist, dass die höheren Durchbiegungsschwingungen und Schwingungen des Vorauseilens bzw. Nachlaufens die Frequenzen von 1, 2, 3, 4, ... n pro Umdrehung vermeiden. Die gewöhnlichen entworfenen Blattschwingungen (d.h. Modalfrequenzen) müssen getrennt von den Frequenzen von 1, 2, 3, 4, ... n pro Umdrehung gehalten werden, um die Erzeugung von Vibrationsbeanspruchungen zu vermeiden, die katastrophal sein können. Zumindest werden solche Vibrationsbeanspruchungen den Hubschrauber für den Piloten und die Passagiere unakzeptable und schädlich für die Zuverlässigkeit seiner Mechanismen und Ausrüstung machen. Um solche Vibrationsbeanspruchungen zu vermeiden, ist die Rotordrehgeschwindigkeit auf einen engen Bereich um 100% der entworfenen Drehzahl beschränkt, außer für das Anlassen und Ausschalten bei niedriger oder keiner Rotorbeanspruchung und niedriger Windgeschwindigkeit.
Die Drehzahl von Hubschrauberrotoren ist normalerweise für eine maximale Vorwärtsgeschwindigkeit bei einem maximalen Gewicht bei einer bestimmten kritischen Höhe ausgelegt. Die Drehzahl des Rotors ist derart, dass bei der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit die Spitze des vorlaufenden Blatts mit Geschwindigkeiten nahe, aber unter Mach 1 vorwärtsläuft, um eine wesentliche Erhöhung des Luftwiderstands, Vibrationen und Ge räusche zu vermeiden, wie sie bei Geschwindigkeiten angetroffen werden, die sich Mach 1 annähern. Bei irgendwelchen anderen Flugbedingungen sind die Drehzahl des Rotors und somit die Leistung, die erforderlich ist, um den Rotor zu drehen, wesentlich höher als es für den effizienten Betrieb erforderlich ist.
Einige Forschungshubschrauber wie der Kombinationshubschrauber Lockheed XH 51A experimentierten mit der Verringerung der Drehzahl des Rotors bei bestimmten Flugbedingungen durch Anbringung eines Flügels, um den Großteil des erforderlichen Auftriebs zu erzeugen, und einer Düsen- oder Propellerantriebsmaschine, um den erforderlichen Vortrieb zu erzeugen. Die Verwendung der Flügel und Maschine erleichtert die Aufgabe des Rotors, Auftrieb und Vortrieb zu erzeugen, was es ermöglicht, den unbeanspruchten Rotor bei einer verringerten Drehzahl zu betreiben. In dieser Hinsicht kann ein Hubschrauber mit höheren Geschwindigkeiten fliegen, bevor die Spitze des vorauseilenden Blatts sich der Schallgeschwindigkeit annähert und auf erhöhte Niveaus von Vibrationen und Geräuschen sowie Luftwiderstand trifft.
In ein weiteres Flugzeug, den Osprey V-22, sind Neigungsrotoren mit zwei Geschwindigkeiten eingebaut. Das Flugzeug Osprey V-22 hat Flügel, um Auftrieb zu erzeugen. Die Rotoren sind typischerweise gegenüber einer ersten Position, in welcher ihre Drehachse vertikal ist und in welcher der Rotor als ein gewöhnlicher Hubschrauberrotor wirkt, zu einer zweiten Position „geneigt", in welcher ihre Drehachse relativ horizontal ist und in welcher der Rotor als ein Propeller wirkt, der den Vortrieb erzeugt. Wenn diese Rotoren in ihrer ersten Position sind, werden sie nur betrieben, um Auftrieb für ein vertikales Abheben und Landen und zum Schweben zu erzeugen.
Wenn die Vorwärtsbewegung erforderlich ist, werden die Rotoren „geneigt", um für den Vortrieb zu sorgen. Wenn er in einer „geneigten" Position ist, um für Vortrieb zu sorgen, kann die Drehzahl des Rotors wie für einen Propeller mit veränderlicher Geschwindigkeit stark verändert werden.
Weitere Versuche wurden unternommen, um die maximalen Vorwärtsgeschwindigkeiten von Hubschraubern zu verbessern und/oder Geräusche bei der Maximalgeschwindigkeit unter Verwendung eines Getriebes mit zwei Geschwindigkeiten zu verringern. Im US-Patent 4,632,337 ermöglichen es diese Getriebe, dass sich der Rotor mit zwei Drehzahlwerten dreht, während eine konstante Drehzahl der Maschine beibehalten wird. Der Rotor ist so eingestellt, dass er sich mit einer niedrigen Drehzahl während einer hohen Vorwärtsgeschwindigkeit dreht, um so die Rotorspitzengeschwindigkeit zu verringern. Für alle weiteren Bedingungen ist der Rotor so eingestellt, dass er sich mit einer höheren Drehzahl dreht. Jedoch verbessern diese Versuche den Wirkungsgrad des Hubschraubers durch Verringerung des Treibstoffverbrauchs nicht wesentlich.
In der europäischen Patentanmeldung Nr. 0739815 A verwendet ein Hubschrauber eine zehnprozentige Verringerung der Drehzahl des Rotors während des Abhebens und Landens, um sehr strengen Geräuschbeschränkungen zu entsprechen. Aufgrund dieser Verringerung der Drehzahl des Rotors wird die Hubschrauberleistung während des Abhebens und Landens verringert.
Während diese vorher erwähnten Bemühungen dazu dienten, die Maximalgeschwindigkeit zu erhöhen und Geräusche während des Abhebens und Landens zu verringern, diente keine dazu, um den Wirkungsgrad des Hubschraubers zu verbessern. Keine diente dazu, um den verbrauchten Treibstoff und die Leis tung zu verringern, die für eine vorgegebene Flugleistung erforderlich ist, oder diente dazu, um eine Hubschrauberflugleistung zu erhöhen, ohne den verbrauchten Treibstoff und die erforderliche Leistung zu erhöhen. Es gibt als solches eine Notwendigkeit für ein Hubschrauberrotorsystem, das die Hubschrauberreichweite, Höhe und Geschwindigkeitsleistung verbessern wird, während es den Treibstoffverbrauch und die Geräuschniveaus verringert.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Hubschraubers für eine bestimmte Flugsituation geschaffen, wobei der Hubschrauber über einen Rotor, der sich radial erstreckend Blätter hat, und einen Motor zur Bereitstellung von Leistung verfügt, um den Rotor zu rotieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bestimmen einer Rotorblattbeanspruchung zur verbesserten Wirksamkeit für die Flugsituation, wobei die Rotorblattbeanspruchung eine Funktion der Drehzahl ist, Ermitteln eines Werts der Drehzahl, um die bestimmte Blattbeanspruchung zu erreichen, und Anpassen der Drehzahl des Rotors auf die ermittelte Drehzahlhöhe.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Rotor mit veränderlicher Geschwindigkeit zur Bereitstellung von Auftrieb und Vortrieb bei einem Hubschrauber geschaffen, wobei der Rotor einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat und eine Rotornabe und mindestens zwei Rotorblätter aufweist, die radial mit der Nabe gekoppelt sind, wobei jedes Blatt in der Nähe der Nabe eine Blattwurzel und entfernt von der Nabe eine Blattspitze hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht jedes Blatts in Pfund das Produkt des 0,0015-fachen des Durchmessers des Rotors in Fuß zur dritten Potenz nicht übersteigt, und wobei die Durchbiegesteifigkeit jedes Blatts in Pfund-Zoll² bei 10% des Rotorradius nicht kleiner als das Produkt von 25mal dem Rotorradius in Fuß zur vierten Potenz oder bei 30% des Rotorradius nicht kleiner als das Produkt von 10mal dem Rotordurchmesser in Fuß zur vierten Potenz ist.
Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Rotor mit veränderlicher Geschwindigkeit und ein Verfahren zu dessen Verwendung, um die Leistung und den Wirkungsgrad des Hubschraubers zu verbessern, während der Treibstoffverbrauch verringert wird. Die Drehzahl des erfindungsgemäßen Rotorsystems kann auf vielerlei und selbst unendlich viele Einstellungen abhängig von den Flugzuständen des Hubschraubers verändert werden, um eine Blattbeanspruchung zur optimalen Leistung und Treibstoffwirkungsgrad beizubehalten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verringerte Drehzahl des Rotors bei verringerten Vorwärtsgeschwindigkeiten, wodurch eine Erhöhung des Auftriebskoeffizienten des Rotorblatts bei geringen Vorwärtsgeschwindigkeiten und ein höheres Verhältnis von Auftrieb zu Vortrieb des Blatts und somit ein höherer aerodynamischer Wirkungsgrad, niedrigere erforderliche Leistung, geringerer Treibstoffverbrauch und Geräuschniveau erreicht wird. Durch Verringern der Drehzahl des Rotors wird die Leistung, die erforderlich ist, um den Rotor bei der verringerten Drehzahl anzutreiben, auch verringert. Die Anpassung der Drehzahl des Rotors und Leistung kann manuell oder automatisch zum Beispiel durch einen Computer durchgeführt werden.
Um über einen weiten Drehzahlbereich betreibbar zu sein, ist das erfindungsgemäße Rotorsystem speziell entworfen, dass es nahe bei oder mit den Rotoranregungsfrequenzen betrieben werden kann. Um solch eine einmalige Fähigkeit zu erreichen, sind die Rotorblätter so entworfen, dass sie sehr steif und leicht sind. Die Blätter sollten wesentlich steifer und leichter als gewöhnliche Rotorblätter sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform nimmt die Durchbiegesteifigkeit, die Vorauseil- bzw. Nachlaufsteifigkeit und Torsionssteifigkeit wie auch das Blattgewicht pro Einheitslänge von der Blattwurzel zu der Blattspitze kontinuierlich ab. Um Betrieb bei einem weiten Bereich von Drehgeschwindigkeiten zu erreichen, entdeckte der Anmelder als allgemeine Regel, dass die erfindungsgemäßen Blätter eine Durchbiegesteifigkeit und ein Blattgewicht wie folgt erfordern:
Durchbiegesteifigkeit: EI_flap 25 D⁴ bei 10% des Rotorradius, der vom Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird EI_flap 10 D⁴ bei 30% des Rotorradius, der vom Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird.
Gesamtblattgewicht: W 0,0015 D³,
wobei D der Rotordurchmesser ist und in Fuß (1 Fuß=0,3048 m) gemessen wird, W in Pfund (1 Pfund=0,453592Kg) ist, und EI in Pfund-Zoll² (1 Pfund-Zoll² = 2,9264 × 10^-4 Kg-m²) ist.
Hubschrauberrotoren und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Hubschraubern, die beide die vorliegende Erfindung verwenden, werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden skizzenhaften Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 veranschaulicht einen Graph des Verhältnisses des Auftriebskoeffizienten zum Vortriebskoeffizienten als Funktion des Auftriebskoeffizienten für eine typische Tragfläche;
2 ist eine Skizze einer Luftgeschwindigkeitsverteilung eines Rotors beim Vorwärtsflug;
3 ist ein Graph der Blattbeanspruchung gegen das Vorwärtsverhältnis, das eine nützliche Blattgrenzbeanspruchung und einen optimalen Bereich von Blattbeanspruchungen für einen typischen Hubschrauber zeigt;
Die 4A, 4B und 4C sind Ansichten einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Blatts von oben, von der Seite und von hinten;
5A ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Blatts, das in 4A bei einer Blattposition 20% gezeigt ist;
5B ist eine Schnittansicht des Schafts der beispielhaften Ausführungsform des Blatts, das in 4A gezeigt ist;
6 ist eine Ansicht des Schafts der beispielhaften Ausführungsform des Blatts, das in 4A gezeigt ist, gepaart mit einem gelenkfreien Rotor, teilweise im Schnitt;
7 ist eine Schnittansicht der beispielhaften Ausführungsform des Blatts, das in 4A gezeigt ist, bei der Blattposition 70%;
8 ist ein Graph der Luftgeschwindigkeit gegen die Leistung, die erforderlich ist, um den Hubschrauber mit dem erfindungsgemäßen Rotorsystem bei variabler Geschwindigkeit und 380 Umdrehungen pro Minute auf Meereshöhe mit niedrigem Gewicht von 635 Kg (1400 Pfund) zu betreiben;
9 ist ein Graph der Luftgeschwindigkeit gegen die Leistung, die erforderlich ist, um den Hubschrauber mit dem erfindungsgemäßen Rotorsystem mit veränderlicher Geschwindigkeit und bei 380 Umdrehungen pro Minute auf Meereshöhe mit einem mittleren Gewicht von 1179 Kg (2600 Pfund) zu betreiben;
10 ist ein Graph der Luftgeschwindigkeit gegen die Leistung, die erforderlich ist, um den Hubschrauber mit dem erfindungsgemäßen Rotorsystem mit veränderlicher Geschwindigkeit und bei 380 Umdrehungen pro Minute auf Meereshöhe und mit einem hohen Gewicht von 1814 Kg (4000 Pfund) zu betreiben; und
11 veranschaulicht Ansichten der zwei Blätter, die in den Tabellen II und III verglichen werden, von oben.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Rotor mit optimaler Geschwindigkeit, dessen Drehzahl auf vielerlei und sogar unendliche Einstellungen abhängig von Flugzuständen des Hubschraubers für eine optimale Flugleistung verändert werden kann. Das erfindungsgemäße Rotorsystem mit optimaler Geschwindigkeit ermöglicht eine wesentliche Verbesserung der Reichweite, Höhe und Luftgeschwindigkeit mit geringerem Treibstoffverbrauch und Geräuschniveaus, wenn es in einen Hubschrauber eingebaut ist. Zur Beschreibung wird das Rotorsystem mit optimaler Geschwindigkeit hier als Rotorsystem mit optimaler Geschwindigkeit oder als OSR bezeichnet. Das OSR kann von irgendeinem Triebwerk wie einer Kolbenmaschine oder einer Turbinenmaschine angetrieben werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verringerte Drehzahl des Rotors bei verringerten Vorwärtsgeschwindigkeiten und/oder bei einem verringerten Rotorauftrieb, wodurch eine Erhöhung des Auftriebskoeffizienten des Rotorblatts und ein höheres Verhältnis von Auftrieb zu Vortrieb des Blatts und somit ein höherer aerodynamischer Wirkungsgrad, niedrigere erforderliche Leistung, Treibstoffverbrauch und Lärmniveau erreicht werden. Das erfindungsgemäße OSR kann dies erreichen, während es vollkommen beansprucht ist, das heißt, während es Auftrieb ohne Hilfe von feststehenden Flügeln erzeugt.
Da sich der Auftriebskoeffizient eines Rotorblatts entlang der Blattlänge wie auch mit der Winkelposition des Blatts ändert, werden die Auftriebseigenschaften eines Rotorblatts gewöhnlich durch Bestimmen seiner Beanspruchung ausgewertet. Die Blattbeanspruchung (C_T σ) ist ein Parameter, der eine Funktion des durchschnittlichen Auftriebskoeffizienten (C_L) des Rotorblatts ist und wird durch die Gleichung definiert:
wobei T = Rotorvortrieb, S = Rotorscheibenfläche, V_T = Rotorspitzengeschwindigkeit ist.
T wird mit T = nW angenähert, wobei n der vertikale Manövrierungsfaktor ist und W das Hubschraubergewicht ist. Der Soliditätsfaktor σ ist das Verhältnis der gewichteten Gesamtblattfläche der Rotorscheibenfläche.
Der Ausdruck "Blattbeanspruchung" oder "Rotorblattbeanspruchung" wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf C_T/σ. Die nützliche Grenze der Blattbeanspruchung für irgendein Hubschrauberrotorsystem kann experimentell abgleitet werden, das heißt durch Testflüge. Die nützliche Grenze der Blattbeanspruchung für ein typisches Rotorsystem ist in 3 durch die Kurve 14 als Funktion des Vorlaufverhältnisses m des Hubschraubers angegeben, das heißt, das Verhältnis der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers zu der Spitzendrehgeschwindigkeit V_T der Rotorspitzen. Wie aus 3 zu erkennen ist, tritt für Vorlaufverhältnisse, die größer als 0,4 sind, eine scharte Abnahme der Blattbeanspruchungsgrenze ein. Um somit die scharfe Verringerung der Rotorauftriebsgrenze zu vermeiden, muss bei einer maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit eine bestimmte minimale Drehzahl des Rotors beibehalten werden, um zu vermeiden, dass das Vorlaufverhältnis über 0,4–0,5 erhöht wird. Ein optimaler Bereich 16 der Blattbeanspruchung kann auch durch Testflüge für ein bestimmtes Hubschrauberrotorsystem als eine Funktion des Vorlaufverhältnisses, wie in 3 gezeigt, abgeleitet werden. Für ein vorgegebenes Vorlaufverhältnis ist der optimale Blattbeanspruchungsbereich durch die Blattbeanspruchungen definiert, die erforderlich sind, um die verschiedenen Flugleistungsparameter wie die Höchstflugdauer, Reichweite und Steigrate zu optimieren.
Das erfindungsgemäße OSR wird die Anpassung der Drehzahl des Rotors ermöglichen, um eine Blattbeanspruchung innerhalb des optimalen Bereichs beizubehalten. Durch Betreiben unterhalb von 100% der Drehzahl wird die Leistung, die erforderlich ist, um den Rotor anzutreiben, bei verringerter Drehzahl auch verringert. Die Anpassung der Drehzahl und Leistung des Rotors kann manuell oder automatisch wie zum Beispiel durch einen Computer durchgeführt werden. In einem manuellen OSR-System wird der Pilot die Drehzahl des Rotors und die Maschinenleistung manuell für die beste Höchstflugdauer anpassen, um den Treibstoffverbrauch zu verringern (der entweder direkt oder durch Beobachtung einer Anzeige der Maschinenleistung gemessen wird). Für die beste Reichweite wird der Pilot die Reichweite der Drehzahl und Luftgeschwindigkeit anpassen, um die Meilen zu maximieren, die pro Treibstoffeinheit zurückgelegt werden. Beim Steigflug wird der Pilot für eine vorgegebene Leistungseinstellung die Drehzahl des Rotors und die Luftgeschwindigkeit anpassen, um die Steigrate zu maximieren. Ein automatisches OSR wird auf die gleiche Weise betrieben werden. Information wie der Treibstoffverbrauch und die zurückgelegten Meilen pro verbrauchte Treibstoffeinheit werden durch den Computer überwacht werden. Der Pilot wird den Flugleistungsparameter auswählen, der optimiert werden soll, z.B. die Reichweite, Höchstflugdauer, Steigrate usw. und der Computer wird die Einstellungen der Drehzahl des Rotors, Leistung und Luftgeschwindigkeit dementsprechend anpassen, um die ausgewählte Leistung zu maximieren. Alternativ wird der optimale Blattbeanspru chungsbereich als eine Funktion des Vorlaufverhältnisses aus Testflügen vorbestimmt und in den Computer gespeichert, der wiederum die Drehzahl des Rotors und Leistungseinstellung so anpassen wird, um die Blattbeanspruchung innerhalb des vorbestimmten Bereichs für jede vom Piloten gesteuerte Luftgeschwindigkeit und Steigrate beizubehalten.
Der Anmelder entdeckte, dass er die strukturellen Dynamikprobleme, die mit wesentlichen Änderungen der Drehzahl des Rotors verbunden sind, lösen kann, indem er ein Rotorsystem baut, das aus Blättern 18 besteht, die eine verringerte Masse und erhöhte Steifigkeit haben (4A, 4B und 4C). Der Anmelder konnte ein Blatt entwerfen, das eine kontinuierlich abnehmende Durchbiegesteiftgkeit, Vorauseil- bzw. Nachlaufsteifigkeit und Torsionssteifigkeit von der Wurzel 20 zu der Spitze 22 des Blatts hat und eine kontinuierlich abnehmende Masse von der Wurzel zu der Spitze des Blatts hat. Die Durchbiegerichtung 24, Vorauseil- bzw. Nachlaufrichtung 26 und Torsionsrichtung 28 sind in den 4A, 4B bzw. 4C veranschaulicht. Wenn die Blätter an der Rotornabe angebracht sind, werden sie beträchtliche Änderungen der Drehzahl des Rotors ermöglichen, ohne den strukturellen Dynamikproblemen gewöhnlicher Blätter zu unterliegen. Eine beispielhafte Ausführungsform solch eines Blatts ist in den 4A, 4B und 4C gezeigt, und besteht aus einem weiterentwickelten Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff und Epoxydharz.
Zur Betätigung über einen weiten Drehzahlbereich ist das OSR speziell entworfen, dass es nahe bei oder mit den Rotoranregungsfrequenzen betrieben werden kann. Das OSR kann lange Zeit unter voller Rotorauftriebsbeanspruchung bei oder nahe solcher Frequenzen betrieben werden. Um diese einmalige Fähigkeit zu erreichen, sind die Rotorblätter des OSR so entworfen, dass sie sehr steif und leicht sind. Durch Erhöhen der Steifigkeit der Blätter beim Durchbiegen mit Bezug auf die Verstellachse 30 (4A) kann das Blatt besser bei oder nahe bei den Rotoranregungsfrequenzen betrieben werden. Die Vorauseil- bzw. Nachlaufsteifigkeit neigt dazu, weniger empfindlich gegenüber den Anregungsfrequenzen zu sein, aber wenn sie bei einem Verhältnis der Durchbiegesteifigkeit mit einem Mittelwert, der größer als 2 ist, beibehalten wird, hilft sie, Beanspruchungen durch Schwingungen zwischen Vorauseilen und Nachlaufen und Vibrationsniveaus des Hubschraubers zu verringern.
Die OSR-Rotorblätter sollten wesentlich steifer und leichter als gewöhnliche Rotorblätter sein. Um den Betrieb bei einem weiten Bereich von Drehgeschwindigkeiten zu ermöglichen, entdeckte der Anmelder als allgemeine Regel, dass die OSR-Blätter eine Durchbiegesteifigkeit und ein Blattgewicht wie folgt erfordern:
Durchbiegesteifigkeit: EI_flap 25 D⁴ bei 10% des Rotorradius, der vom Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird
EI_flap 10 D⁴ bei 30% des Rotorradius, der vom Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird.
Blattgesamtgewicht: W 0,0015 D³,
wobei D der Rotordurchmesser ist und in Fuß gemessen wird (1 Fuß = 0,3048m), W Pfund ist (1 Pfund= 0,453592 Kg) und EI in Pfund-Zoll² ist (1 Pfund-Zoll² = 2,9264 × 10^-4 Kg – m²).
Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes OSR-Blatt, das in den 4A, 4B und 4C gezeigt ist, hat eine Länge 32 einschließlich des Schafts 33 von ungefähr 5,44 m (17,84 Fuß), eine maximale Breite 34 von ungefähr 0,46 m (18 Zoll) und eine minimale Breite 36 bei seiner Spitze von ungefähr 0,23 m (9 Zoll) (4A).
Das Blatt hat eine Schaftlänge 40 von ungefähr 35,5 cm (14 Zoll) und einen Schaftdurchmesser 42 von ungefähr 9,5 cm (3,75 Zoll). Das beispielhafte Blatt hat die Abmessungen, Steifigkeit und Gewicht pro Einheitslänge, die in Tabelle 1, die unten gezeigt ist, veranschaulicht sind.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, hat das beispielhafte Blatt eine sich kontinuierlich verringernde Durchbiegesteifigkeit und Vorauseil- bzw. Nachlaufsteifigkeit von dem Nabenmittelpunkt bis zu der Blattspitze. Der Blattquerschnitt s bei der Blattposition 20% 5C–5C und bei der Blattposition 70% 5D–5D sind in den 5A bzw. 7 veranschaulicht. Die Positionen 20% und 70% sind bei 20% bzw. 70% des Rotorradius, wie vom Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen. Der Querschnitt des Blattschafts ist in 5B veranschaulicht. Das Blatt ist aus einem Holm/Schaft aus Kohlenstoff und Epoxydharz und aus einer Vorderkante aus Kohlenstoff und Epoxydharz aufgebaut. Die Vorderkante ist ein leichter Abschnitt, der aus einem dünnen Oberteil aus Kohlenstoff und Epoxydharz und einer Unterschale und einem Wabenvollkern besteht.
Für die beispielhaften OSR-Blätter wurde eine geeignete Torsionssteifigkeit einfach erreicht. Bei steiferen OSR-Blätter sorgt die Verwendung eines Nabenbiegestabs für ein Durchbiegen und Vorauseilen bzw. Nachlaufen bewirkende Feder in der Verstellachse 30, um die Beanspruchung und Vibrationsniveaus, die für steife Rotorblätter typisch sind, zu verringern. Aber die Federgröße solcher Biegestäbe ist nicht „abgestimmt", um die natürlichen „Frequenz/Drehzahl-Kreuzungen", das heißt Rotoranregungsfrequenzen, zu vermeiden.
Die Blätter können in irgendeinem Typ einer Rotornabe, wie einem gelenkfreien, wippenartigen oder gelenkigen, angebracht werden, um das Rotorsystem zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Blätter jedoch in einem gelenkfreien Rotorsystem angebracht. Ein gelenkfreier Rotor ist aus dem Stand der Technik bekannt. Er besteht aus Muffen 59 zum Anbringen der Blätter 18. Die Muffen sind relativ zu dem Nabenmast 61 befestigt. Wenn die Blätter an der gelenkfreien Rotornabe 60 angebracht werden, können sich die Blätter nicht in der Durchbiegerichtung und der Voreil- bzw. Nachlaufrichtung relativ zu der Nabe drehen (6). Die bevorzugte Ausführungsform eines gelenkfreien Rotors besteht aus Stahl. Die Rotornabenstruktur wird so gewählt, dass sie beim Durchbiegen und Voreilen bzw. Nachlaufen eine Nabensteifigkeit hat, die zu der entsprechenden Steifigkeit des Blatts bei der Blattwurzel passt. Das Lagersystem 62 schließt ein inneres Rollenlager 62A ein und ein äußeres Nadelrollenlager 62B ist zur Neigungsänderung des Blatts um die Verstellachse eingebaut und muss auch Momenten widerstehen, die wesentlich größer als diejenigen für ein gelenkiges Rotorsystem sind. Ein Drucknadellager 64 befindet sich zwischen dem Lager 62A und einem Spannstift 65. Ein Blattwurzelholm 66 mit kreisförmigem Querschnitt, der sich im Inneren einer Nabenstruktur 59 befindet, liegt zwischen einer verbundenen inneren Muffe 68 aus Titanium und einer Blattaufnahmemuffe 69 aus Titanium. Das Blatt 18 wird von einem Blattschnelllösestift 79 gehalten. Eine Fettdichtung 67 befindet sich neben dem Lager 62B.
Tabelle II bzw. Tabelle III, die unten gezeigt sind, vergleichen Abmessungen und Designparameter des beispielhaften OSR-Blatts, das in einem gelenkfreien Rotor eingebaut ist, mit einem gewöhnlichen Blatt eines gelenkigen Rotorsystems.
Tabelle II
Tabelle III

*bei 20% des Radius

11 veranschaulicht einen skalierten Vergleich zwischen dem OSR-Blatt 18 und dem gewöhnlichen Blatt 70, die in den Tabellen II und III verglichen werden.
Das verglichene gewöhnliche Blatt 70 hat eine Länge 72 von ungefähr 4,01 m (13,17 Fuß) und eine konstante Breite 74 von ungefähr 17,1 cm (6,75 Zoll) und eine Schaftlänge 76 von ungefähr 48,3 cm (19 Zoll). Wie in Tabelle II zu sehen ist, sind die OSR-Blätter 85-mal steifer bei ungefähr 10% des Radius als die gewöhnlichen gelenkigen Rotorblätter, die bei der Wurzel in der Durchbiegerichtung (hoch-runter), Voreil- bzw. Nachlaufrichtung (voraus-hinterher in der Ebene des Rotors) gelenkig verbunden sind. Die gewöhnlichen Blätter müssen schwer genug sein, um angemessene Zentrifugalkräfte zu erreichen, um ein übermäßiges Nach-Oben-Biegen („Coning-Winkel") zu vermeiden. Trotz ihrer 85-fachen Erhöhung der Steifigkeit ist das Gewicht der OSR-Blätter pro Blattfläche geringer als die Hälfte desjenigen des gewöhnlichen Blatts. Die Zunahme der Steifigkeit und Verringerung des Gewichts pro Blattfläche wird für die OSR-Blätter durch die 3,5-fache Erhöhung der maximalen Blattdicke unter Verwendung einer konischen Form, großen Flügeltiefe und dicken Wurzeltragflächen und unter Verwendung von Kohlenstoff- Epoxydharz-Werkstoffen mit hoher Steifigkeit/Gewicht erreicht. Die steifen leichten OSR-Blätter erfordern keine Gewichte bei ihren Spitzen wie gewöhnliche Blätter.
Ein erfindungsgemäßes Rotorsystem kann von 0 bis 100% Drehzahl unter voller Auftriebsbeanspruchung ohne Verringerung der strukturellen Rotorintegrität betrieben werden. Außerdem sind die Vibrationsniveaus, die von dem erfindungsgemäßen Rotor erzeugt werden, innerhalb annehmbarer Niveaus mit Bezug auf die Ermüdung der Besatzung, das Wohlbefinden der Passagiere und die Nutzlastleistung. Das erfindungsgemäße Rotorsystem kann die Probleme bezüglich der strukturellen Stabilität, Beanspruchungen und Vibrationen vermeiden, die mit dem Betrieb des Rotors über einen weiten Drehzahlbereich verbunden sind.
Die OSR-Blätter der beispielhaften Ausführungsform, die an einem gelenkfreien Rotor angebracht werden, der ein beispielhaftes OSR bildet, wurden analysiert, optimiert und ihre Leistung wurde unter Verwendung von neun integrierten, dynamischen Analysewerkzeugen für die rechnergestützte Fluiddynamik, Struktur, Strukturdynamik und Steuerungsdynamik überprüft. Das wichtigste von diesen Werkzeugen ist CAMRAD II (das auf Wayne Johnson zurückgeht und über die Analytical Methods Inc., Redmond, WA zu beziehen ist), welches umfangreich verwendet wurde, um die Rotorstabilität, Beanspruchungen, Vibrationen, Leistung und Steuerung einschließlich der Steuerung von Oberschwingungen auszuwerten. Alle Leistungsdaten und strukturellen dynamischen Daten, die dargestellt wurden, sind Ergebnisse von CAMRAD II und laufen mit uneinheitlichem Zustrom. In der ausgedehnten Analyse mit CAMRAD II wies das beispielhafte OSR keine Rotordynamikinstabilität irgendwo in dem entworfenen Drehzahlbereich auf.
Die Analyse mit CAMRAD II offenbarte, dass das beispielhafte OSR seine Winkelgeschwindigkeit bis auf 150 Umdrehungen pro Minute (Mach-Höchstzahl von 0,25) oder irgendeine weitere Drehzahl dazwischen verringern kann, um das Verhältnis Auftrieb/Vortrieb zu optimieren, die Leistung zu verringern und eine längere Höchstflugdauer und Reichweite zu erreichen oder eine höhere Höhe und Vorwärtsgeschwindigkeit für das gleiche Leistungsniveau zu erreichen. Es ist zu erwarten, dass die Drehzahl des Rotors eines OSR um bis zu 40% der entworfenen Drehzahl des Rotors verringert werden kann, während für den erforderlichen Auftrieb für einen Hubschrauber bei seinem Minimalgewicht gesorgt wird.
Die 8 bis 10 veranschaulichen Leistungsanforderungen während des Betriebs des OSR der beispielhaften Ausführungsform, die aus drei Blättern und einer gelenkfreien Nabe besteht, unter Verwendung eines unbemannten Hubschraubersrumpfs mit geringem Vortrieb bei verschiedenen Drehzahlwerten für einen verbesserten Wirkungsgrad (Kurve 50), und während des Betriebs des gleichen Rotors mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit von 380 Umdrehungen pro Minute (Kurve 52) bei einem Hubschraubergewicht von 635 Kg (1400 Pfund), 1179 Kg (2600 Pfund) und 1814 Kg (4000 Pfund) jeweils auf Meereshöhe. Die 8 bis 10 wurden aus Daten erzeugt, die aus der Analyse mit CAMRAD II erhalten wurden.
Der Vorteil des OSR ist bei niedrigen Geschwindigkeiten und leichten Gewichtsbereichen ungeheuerlich (Trödeln am Treibstoffende mit leichter Nutzlast). Die Verringerung von 60% bis 70% der Leistung, die für 635 Kg (1400 Pfund) bei 74 bis 148 km/h (40 bis 80 Knoten) (8) erforderlich ist, sorgt für einen gleichen Einfluss auf den Treibstoffverbrauch. Die Verringerung der Mach-Höchstzahl (ungefähr 40% bis 50%) des vorlaufenden Blatts kann zu einer Verringerung des Rotorgeräuschniveaus von 10 bis 15 dBA sorgen. Die Geschwindigkeitserhöhung von 27,8 km/h (15 Knoten) bei konstanter Leistung von 201,3 kW (270 PS) und die Erhöhung um 92,6 km/h (50 Knoten) bei konstanter Leistung von 84,9 kW (120 PS) sind dramatisch und bezeichnend für das Niveau der Ineffizienz eines gewöhnlichen Rotors mit konstanter Drehzahl, insbesondere für einen Hubschrauber mit geringem Gewicht, der mit niedriger Geschwindigkeit trödelt.
9 zeigt die Leistungsgewinne bei einem durchschnittlichen Gewicht von 1179 Kg (2600 Pfund). Wie aus 8 zu ersehen ist, wird die 45-prozentige Verringerung der erforderlichen Leistung und des Treibstoffverbrauchs bei einer Trödelgeschwindigkeit von ungefähr 111 km/h (60 Knoten) für eine 82-prozentige Erhöhung der maximalen Höchstflugdauer für die gleiche Treibstoffgesamtkapazität sorgen. Ähnlich sollte die 38-prozentige Verringerung der erforderlichen Leistung bei 148 km/h (80 Knoten) für eine 61-prozentige Erhöhung der maximalen Reichweite sorgen.
10 zeigt, dass selbst bei einem Überlastgewicht von 1814 Kg (4000 Pfund) die Verringerung der Leistung von ungefähr 25%, die bei 120 bis 148 km/h (65 bis 80 Knoten) erforderlich ist, und die Erhöhung der Geschwindigkeit bei einem konstanten Leistungsniveau wesentlich sind.
Eine ähnliche Analyse der erforderlichen Leistung wurde für das Schweben durchgeführt. Der Über-dem-Boden-Effekt (OGE) zeigte an, dass das OSR eine 23-prozentige Erhöhung des Abhebegewichts mit konstanter Maschinenleistung (was für eine Verdopplung der Nutzlast für die meisten Hubschrauber sorgen kann) und eine 30-prozentige Verringerung der Flügelspitzengeschwindigkeit (was das Geräuschniveau um 8 dBA verringern kann) ermöglicht. Die Verringerung der erforderlichen Leistung ermöglicht eine Erhöhung der OGE-Steighöhe um 2133m (7000 Fuß) mit der gleichen Maschine.
In einer alternativen Ausführungsform kann das OSR so ausgeführt sein, dass er bei zwei oder mehr Drehgeschwindigkeiten an Stelle eines weiten Drehzahlbereichs betrieben werden kann. Für solch einen OSR wird die Verbesserung des Wirkungsgrad wesentlich sein, aber nicht so groß wie die Verbesserung, die durch Verwendung eines OSR erreicht wird, das über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden kann.

Claims

Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Hubschraubers für eine bestimmte Flugsituation, wobei der Hubschrauber über einen Rotor, der sich radial erstreckende Blätter (18) hat, und einen Motor zur Bereitstellung von Leistung verfügt, um den Rotor zu rotieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen einer Rotorblattbeanspruchung (14, 16) zur verbesserten Wirksamkeit für die Flugsituation, wobei die Rotorblattbeanspruchung eine Funktion der Drehzahl ist, Ermitteln eines Werts der Drehzahl, um die bestimmte Blattbeanspruchung zu erreichen, und Anpassen der Drehzahl des Rotors auf die ermittelte Drehzahlhöhe.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens den Schritt des Bestimmens eines Bereichs der Blattbeanspruchungen (14, 16) für den verbesserten Wirkungsgrad für die Flugsituation aufweist, und wobei der Schritt des Ermittelns den Schritt des Ermittelns eines Bereichs der Drehzahl aufweist, um eine Blattbeanspruchung innerhalb des bestimmten Bereichs der Blattbeanspruchungen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anpassens den Schritt des Anpassens der Drehzahl des Rotors in einem Bereich von 40 % bis 100 % der maximalen Rotordrehzahl aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, der ein gelenkfreier Rotor (55) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, für den jedes Blatt eine Blattwurzel (20) und eine Blattspitze (22) hat, und wobei die Blattsteifigkeit gegenüber Durchbiegen, Vorauseilen bzw. Nachlaufen und Torsion kontinuierlich von der Blattwurzel (20) zu der Blattspitze (22) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotorblatt (18), das eine Blattwurzel (20) und eine Blattspitze (22) hat, und wobei das Gewicht pro Längeneinheit für jedes Blatt kontinuierlich von der Blattwurzel (20) zu der Blattspitze (22) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, für den der Rotor einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat, und wobei die Blätter eine Durchbiegesteifigkeit aufweisen, und wobei bei 10 % des Rotorradius die Durchbiegesteifigkeit des Blatts in Pfund-Zoll² nicht kleiner als das 25-fache des Durchmessers des Rotors in Fuß zur vierten Potenz ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, der einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat, und wobei die Blätter eine Durchbiegesteifigkeit haben und wobei bei 30 % des Rotorradius die Durchbiegesteifigkeit des Blatts in Pfund-Zoll² nicht kleiner als das 10-fache des Durchmessers des Rotors in Fuß zur vierten Potenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, der einen Durchmesser hat, und wobei das Gesamtgewicht jedes Blattes in Pfund das 0,0015-fache des Durchmessers des Rotors in Kubikfuß nicht überschreitet.
Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines Hubschraubers während einer Flugsituation durch Verringern des Treibstoffverbrauchs, wobei der Hubschrauber einen Rotor aufweist, der in einem Bereich von Drehzahlhöhen betrieben wird, wobei das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines Rotors, der von einem Antrieb, der Treibstoff verbraucht, angetrieben wird, um sich zu drehen, des Betreibens des Rotors, um für Auftrieb zu sorgen, des Überwachens des Treibstoffverbrauchs, und des Änderns der Rotordrehzahl auf eine Höhe aufweist, die zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs des Antriebs für die Flugsituation erforderlich ist, während ausreichend Auftrieb für die Flugsituation bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens den Schritt des Vorsehens eines gelenkfreien Rotors (55) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Änderns außerdem den Schritt des Änderns der Leistungsabgabe des Antriebs aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Änderns das Ändern der Rotordrehzahl auf eine von zumindest drei Drehzahlhöhen aufweist, um den Treibstoffverbrauch durch den Antrieb zu verringern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens das Vorsehen eines Rotors aufweist, der Blätter (18) umfasst, die eine Blattwurzel (20) und eine Blattspitze (22) haben, und wobei die Blattsteifigkeit gegenüber Durchbiegen, Vorauseilen bzw. Nachlaufen und Torsion kontinuierlich von den Blattwurzeln (20) zu den Blattspitzen (22) abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens das Vorsehen eines Rotors aufweist, der Blätter (18) umfasst, die jeweils eine Blattwurzel (20) und eine Blattspitze (22) haben, und wobei das Gewicht pro Längeneinheit von jedem Blatt kontinuierlich von der Blattwurzel (20) zu der Blattspitze (22) abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens das Vorsehen eines Rotors aufweist, der sich radial erstreckende Blätter (18) umfasst, wobei der Rotor einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat, und wobei die Blätter eine Durchbiegesteifigkeit haben und wobei bei 10 % des Rotorradiusses die Durchbiegesteifigkeit des Blatts in Pfund-Zoll² nicht kleiner als das 25-fache des Durchmessers des Rotors in Fuß zur vierten Potenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens das Vorsehen eines Rotors aufweist, der sich radial erstreckende Blätter umfasst, wobei der Rotor einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat, und wobei die Blätter eine Durchbiegesteifigkeit haben und wobei bei 30 % des Rotorradius die Durchbiegesteifigkeit der Blätter in Pfund-Zoll² nicht kleiner als das 10-fache des Durchmessers des Rotors in Fuß zur vierten Potenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Vorsehens das Vorsehen eines Rotors aufweist, der sich radial erstreckende Blätter und einen Durchmesser hat, und wobei das Gesamtgewicht jedes Blattes in Pfund das 0,0015-fache des Durchmessers des Rotors in Kubikfuß nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Änderns das Ändern der Rotordrehzahl auf eine Höhe im Bereich von 40 % bis 100 % der maximalen Rotordrehzahl aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch den Schritt des Versehens des Hubschraubers mit einem Rotor, der ein gelenkfreier Rotor (55) ist.
Rotor mit veränderlicher Geschwindigkeit zur Bereitstellung von Auftrieb und Vortrieb bei einem Hubschrauber, wobei der Rotor einen Radius, der von einem Mittelpunkt der Rotordrehung gemessen wird, und einen Durchmesser hat und eine Rotornabe (60) und wenigstens zwei Blätter (18) aufweist, die radial mit der Nabe gekoppelt sind, wobei jedes Blatt in der Nähe der Nabe (60) eine Blattwurzel (20) und entfernt von der Nabe (60) eine Blattspitze (22) hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht jedes Blattes in Pfund das Produkt des 0,0015-fachen des Durchmessers des Rotors in Fuß zur dritten Potenz nicht übersteigt und wobei die Durchbiegesteifigkeit jedes Blattes (18) in Pfund-Zoll² bei 10 % des Rotorradius nicht kleiner als das Produkt von 25 mal dem Rotordurchmesser in Fuß zur vierten Potenz oder bei 30 % des Rotorradius nicht kleiner als das Produkt von 10 mal dem Rotordurchmesser in Fuß zur vierten Potenz ist.
Rotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht jedes Blattes pro Längeneinheit von der Blattwurzel zu der Blattspitze kontinuierlich abnimmt.
Rotor nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiege-, Vorauseil- bzw. Nachlauf- und Torsionssteifigkeit jedes Blattes (18) kontinuierlich von der Blattwurzel (20) zu der Blattspitze (22) abnimmt.