JP2009526680A - スティッフ・イン・プレーンのジンバル式のティルトロータハブ - Google Patents
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Abstract
【課題】最適なδ3角度を保ち、4つ以上のロータブレードを取り付けることができる改良されたロータハブを提供する。
【解決手段】回転翼航空機用のロータハブが開示される。複数のヨークアーム及び複数のヨークストラップを備えるヨークを含むロータハブである。ヨークアームは、ヨークストラップによって結合され、ヨークの複数の内壁によって中央ボイドスペースが画定される。ピッチホーンが動作自在にヨークに取り付けられ、ピッチホーンの所定の部分は中央ボイドスペース内に配置される。連結シェルがヨークに固定して取り付けられる。
【選択図】図3A
【解決手段】回転翼航空機用のロータハブが開示される。複数のヨークアーム及び複数のヨークストラップを備えるヨークを含むロータハブである。ヨークアームは、ヨークストラップによって結合され、ヨークの複数の内壁によって中央ボイドスペースが画定される。ピッチホーンが動作自在にヨークに取り付けられ、ピッチホーンの所定の部分は中央ボイドスペース内に配置される。連結シェルがヨークに固定して取り付けられる。
【選択図】図3A
Description
本発明は、回転翼航空機のロータハブに関するものである。より詳しくは、本発明は、スティッフ・イン・プレーンのジンバル式のティルトロータハブに関するものである。
ロータハブは、長年使用されているものである。各種の回転翼航空機用に好適に設計されロータハブが数多くある。ロータハブは、通常、ロータブレードと回転シャフト又はマストとをつなぐ手段として設計されるものであり、したがって、ロータブレードと回転シャフト又はマストとをつなぐ手段として特に適している。
ロータハブを大きく分けると、「スティッフ・イン・プレーン」及び「ソフト・イン・プレーン」という2つのカテゴリに分類されることは、回転翼航空機を設計する当業者には周知である。スティッフ・イン・プレーンのロータハブは、回転翼航空機で用いられ、ロータブレードの面内振動/リードラグの振動の固有振動数が、ロータの回転数及びロータブレードの面外振動/フラッピング振動の固有振動数の両者よりも高い。ソフト・イン・プレーンのロータハブも用いられるが、ロータブレードの面内振動/リードラグの振動の固有振動数が、ロータの回転数及びロータブレードの面外振動/フラッピング振動の固有振動数の両者よりも低い。ロータブレードの面外振動/フラッピング振動の固有振動数と、ロータブレードの面内振動/リードラグの振動の固有振動数とが等しい値に集束していくのにつれて、回転翼航空機のロータブレード及び関連するロータハブが、より動的に不安定になることは周知である。したがって、回転翼航空機にとって、ロータブレードの面外振動/フラッピング振動の固有振動数及びロータブレードの面内振動/リードラグの振動の固有振動数が、ロータの回転数より少なくとも約25%は異なるようにして保たれるように設計されるのが一般的である。
スティッフ・イン・プレーンのシステム及びソフト・イン・プレーンのシステムのどちらかを選択する場合、回転翼航空機を設計する際、様々なことが考慮される。スティッフ・イン・プレーンの回転翼航空機のロータハブ及びロータブレードの全体の重さは、通常、ソフト・イン・プレーンの回転翼航空機のロータハブ及びロータブレードの全体の重さよりも重い。しかしながら、スティッフ・イン・プレーンの構成部品は、現在、より容易に振動の動的な安定性を保ちながら、より高速で移動するための及び/又はより大きな推力を生成するための好適な解決策になると考えられている。
スティッフ・イン・プレーンの回転翼航空機のロータハブ及びロータブレードの振動の所望の動的な安定性を実現するための様々な変数の1つとしてδ3角度がある。図1は、従来技術のロータハブを図式的に示しており、ロータシステムと関連させてδ3角度について説明を行う。ピッチホーンの一方の端部はピッチリンクで制限され、ピッチホーンのもう一方の端部はブレードに取り付けられているため、ブレードがフラッピングすると、ピッチが変化する。したがって、δ3角度はロータのフラッピングとロータブレードのピッチとの相関関係を示す。ロータブレードが上方へフラッピングしたとき、正のδ3角度を有するロータシステムは、ノーズダウンピッチとなるのに対して、負のδ3角度を有するロータシステムは、ノーズアップピッチとなる。δ3角度は、動的な安定性がもたらされるようにする他に、突風外乱及び/又はパイロットが操縦する間のロータのフラッピングの振幅を減少させるために用いられる。例えば、3つのブレードを備えるティルトロータ機のδ3角度は、通常、−15度に近い値に設定され、適切なレベルの安定性及びフラッピングの抑制がもたらされるようにする。
より大きな推力、より速い速度、及びより大量の荷物の搬送を実現するため、回転翼航空機に対する要求が増加しつつある。例えば、より強力なティルトロータ機が求められている。より大きな推力を発生させるための1つの方法は、ロータブレードの数を増やすことである。現在のティルトロータ機は、通常、3つのブレードを備えるロータシステムを使用している。3つのブレードを備えるロータシステムでは、ピッチホーン及びピッチリンク(図1を参照されたい)は、通常、ロータハブと概ね同一面内にて、ロータハブの外側に配置される。しかしながら、ピッチホーン及びピッチリンクを、ハブと概ね同一面内にて、ハブの外側に配置しながら、4つ以上のブレードを有するマルチブレード式のロータのため、小さなδ3角度を実現するには(例えば、δ3角度を−15度に近い値にする)、かなりの設計的課題がある。上述のマルチブレード式のロータシステムのロータハブの構成では、構造的に干渉が生じるため、ピッチホーンを適切な位置に配置することができない。さらに、構成要素を早く故障させるような望ましくない合力を最小限にするために、ロータシステムの回転構成部品を回転軸にできる限り近づけて構成することが望ましいことは、回転翼航空機を設計する当業者にはよく知られている。
上述のロータハブの進化は、ロータハブの設計が大きく進展していることを示しているが、検討すべき課題はまだ残っている。
所定の改良がなされたロータハブが求められている。
したがって、本発明の目的は、最適なδ3角度を保ち、4つ以上のロータブレードを取り付けることができる改良されたロータハブを提供することにある。
この目的は、ピッチリンク及びピッチホーンの両者が、その内側の空間内に配置されるロータハブを提供することによって達成される。例えば、ロータハブは、以下のような構成にすることができる。(1)ヨークの上方に配置された連結シェルを備えるロータハブ。(2)ヨークの下方に配置された連結シェルを備えるロータハブ。(3)2つの連結シェルを備えるロータハブであって、一方の連結シェルがヨークの上方に配置され、もう一方の連結シェルがヨークの下方に配置されたロータハブ。
本発明が提供する重要な利点には次のようなものが含まれる。(1)ティルトロータ機のロータシステムにおいて、3つ以上のブレードを使用することができる。(2)破片又は弾によるピッチホーンの故障の可能性を減少する。(3)破片又は弾によるドライブリンクの故障の可能性を減少する。(4)冗長性のあるハブスプリングを提供する。(5)ハブスプリング及びヨーク間の力の伝達を改善する。
さらなる目的、特徴、及び利点は、以下の説明によって明らかになるであろう。
本発明に特有なものであると信じられる新規性のある特徴が、特許請求の範囲に記載される。しかしながら、本発明の構成、好適な使用モード、及び更なる目的及び利点は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明を参照することによって、最もよく理解することができるであろう。
本発明は、改良されたロータハブに関するものであり、最適なδ3角度を保ち、4つ以上のロータブレードを取り付けることができるロータハブである。本発明には、主に3つの実施形態がある。(1)ヨークの上方に配置された連結シェルを備えるロータハブ。(2)ヨークの下方に配置された連結シェルを備えるロータハブ。(3)2つの連結シェルを備えるロータハブであって、一方の連結シェルがヨークの上方に配置され、もう一方の連結シェルがヨークの下方に配置されたロータハブ。しかしながら、本発明の範囲は、本願明細書で開示され、また添付の図面で図示される特定の実施形態に制限されるわけではない。本発明のロータハブは、ティルトロータ機に4つのブレードを備えるロータシステムを組み込めるようにするものである。しかしながら、特にティルトロータ機に関して詳細な説明を行っているが、本発明は、そのほかにも、回転翼を備える他の任意の車両/船舶に対して用いられるようにすることもできる。さらに、本発明のロータハブは、そのほかにも、4つ以上又は4つより少ない数のロータブレードを有する回転システムで使用されるようにすることもできる。
図2は、本発明のロータハブが組み込まれたティルトロータ機を図示する。図2は、航空機のモードが飛行状態のティルトロータ機を示す。翼15、17は、ロータシステム19、21の作動に応じて、航空機の胴体13を離陸させるのに利用される。各ロータシステム19、21は、4つのロータブレード23を備えることが示されている。ナセル25、27は、実質的にロータハブ29を覆うものであり、図2ではロータハブ29は見えない。当然ながら、各ロータシステム19、21は、各ナセル25、27に実質的に収容されるエンジン(図示なし)によって駆動される。
図3Aは、本発明のロータハブ29の好適な実施形態の斜視図を図示する。ロータハブ29は、ヨークアーム33及びヨークストラップ35を備えるヨーク31を含むものとして示されている。ヨークアーム33は、ヨークストラップ35と一体的に結合される。一実施形態では、ヨーク31は複合材料から作られる。具体的には、ヨークは方向性を持たせた繊維材料の別個の層が複数接着された層で構成される。しかしながら、ヨーク31は、そのほかにも、他の任意の好適な材料で、他の任意の好適な形態で作られることもある。さらに、ヨーク31は、4つのヨークアーム33を有するものとして図示されているが、本発明に係る他のロータハブの構成が、4つ以上又は4つより少ない数のロータブレードがそれぞれ取り付けられる、4つ以上又は4つより少ない数のヨークアームを含むものであって良い。
ロータハブ29は、さらに、典型的なピッチ変化軸線37A、38Bとともに示されており、その軸線周りをロータブレード23(図2を参照されたい)のピッチが変化する。さらに、ロータハブ29は、典型的なマスト回転軸線39とともに示されており、マスト(図示なし)は、機能的に結合するトランスミッション(図示なし)によって駆動されると、その軸線を回転軸として回転する。
外側フェザリングベアリング41が、ヨークアーム33の最も外側の部分に取り付けられる。外側フェザリングベアリング41は、ロータブレード23が、ピッチ変化軸線37A、37B周りをある程度の角度の範囲内で回転することができるようにする。外側フェザリングベアリング41には、遠心力(CF)ベアリング43が取り付けられる。CFベアリング43は、ロータブレード23とロータハブ29とをつなぐ主要な中間連結デバイスである。CFベアリング43は、ロータブレード23によってマスト回転軸線39に対してしばしば発生する非常に大きな遠心力に耐えるためのものである。
図3Bは、ロータハブ29のヨーク31の簡略図を示す。中央ボイドスペース30は、ヨーク31の内壁32によって画定される。
図7で示すように、ハブスプリング45は、内側コア47を備える。内側コア47は、上側の外側連結シェル49と内側シェル51との間にサンドイッチされるようにしてはさまれた、第1の一連の交互に積み重ねられた様々なゴム要素及び金属シム要素(どちらも詳細は図示なし)と、下側の外側シェル50と別の内側シェル51との間にサンドイッチされるようにしてはさまれた、第2の一連の交互に積み重ねられた様々なゴム要素及び金属シム要素とを含む。シェル49−51は、金属で作られるものとして示されている。ハブスプリング45は、マスト及びマスト回転軸線39に対するヨークのジンバリングを可能にする。またハブスプリング45は、ロータブレード23のフラッピングを調整し、推力を伝達する。
図4では、連結シェル49のない状態のロータハブ29を図示しており、ロータハブ29が、さらに4つのピッチホーン53を含むことを、よりわかりやすく示している。ピッチホーン53は、ピッチホーン・アーム55及びピッチホーン・インボードビーム57を備えている。ピッチホーン53は、内側フェザリングベアリング61を介して、クロッチ59に回転自在に取り付けられる。内側フェザリングベアリング61は、対応するピッチ変化軸線37A、37Bが、実質的に中心となるように配置される。ピッチホーン・アーム55及びピッチホーン・インボードビーム57が合わさる部分にて、ピッチホーン53には実質的に開口が設けられ、その開口と同様の大きさを有する内側フェザリングベアリング61は、その開口と機能的に連携する。ピッチホーン・インボードビーム57にはグリップ(図示なし)が取り付けられる。グリップは、ピッチホーン53が、その対応するピッチ変化軸線37A、37Bの周りを回転するとき、それに対応してグリップに取り付けられたロータブレード23(図2で図示)が、ピッチ変化軸線37A、37Bの周りを回転するようにする。ピッチホーン53の端部63は、実質的にピッチ変化軸線37A、37Bによって作られる平面を端部63の中心の位置としており、ここでは、端部63がニュートラル/通常位置に配置されていることを示している。ピッチホーン53の端部63は、ピッチリンク65の上側端部に取り付けられる。ピッチリンク65は、棒状の構成要素であり、マスト回転軸線39に対して実質的に平行に配置される。マスト回転軸線39に対して平行な経路に沿ってピッチリンク65がいずれかの方向へ動くことにより、端部63が上方又は下方のどちらかに動き、それによって、ピッチホーン・アーム55及びピッチホーン・インボードビーム57が、そのピッチ変化軸線37A、37Bの周りを回転するようにし、最終的に、ロータブレード23のピッチを変化させる。ピッチホーン53は、実質的に中央ボイドスペース30内に配置される。中央ボイドカラムは、中央ボイドスペース30の縦方向の境界を上下両方向へ延ばすことによって画定され、中央ボイドスペース30の縦方向の範囲を表す。例えば、中央ボイドカラムは、図3Bで示すように、少なくとも上側フットプリント34Aと下側フットプリント34Bとの間の空間を占めるようなものである。この実施形態では、アーム55は、中央ボイドカラムの外側に延出する。しかしながら、本発明の他の実施形態では、アーム55は中央ボイドカラム内にあって良い。
図5では、連結シェル49及び下側の外側シェル50がない状態のロータハブ29の上面を図示しており、ロータハブ29が、さらにドライブリンク67を備える等速/ホモキネティックジョイント(全てを図示していない)を含むことを、よりわかりやすく示している。ドライブリンク67は、ピッチ変化軸線37A、37Bによって作られる平面に対して実質的に平行に配置される。各ドライブリンク67の一方の端部は、マスト/ドライブシャフト(図示なし)にスプライン結合されるトラニオン(図示なし)への結合に適合されたものである。トラニオンは、マストからドライブリンク67へ回転力を伝達する。各ドライブリンク67のもう一方の端部は、連結シェル49(図10及び11を参照されたい)のドライブレッグ68への取り付けに適合されたものである。連結シェル49は、回転力を連結シェル49からヨーク31へ伝達するため、ヨークストラップ35に沿ってヨーク31に取り付けられる。図6は、ロータハブ29の上面図である。図7は、ピッチ変化軸線37A、37Bに対応する図3Aの線7−7に沿ったロータハブ29の断面図である。
図8〜9を参照すると、本発明に係るロータハブの実施形態には、ハブスプリング45に類似するハブスプリング71が組み込まれることもある。しかしながら、ハブスプリング45の連結シェル72は、ヨーク73の下方に配置されている。図8で図示するように、ロータハブ69は、実質的にロータハブ29と同様のものであり、実質的に同様の構成要素を含むものであるが、以下のような3つの大きな違いがある。(1)連結シェル72は、ヨーク73の上側ではなく、むしろヨーク73の下側に配置されている。(2)ピッチホーン75は、曲がった棒状の構造をしており、所定の部分がピッチ変化軸線77A、77Bによって作られる平面よりわずかに上方に配置されているが、ヨーク73の内壁32によって画定される中央ボイドスペース内に配置されている。(3)ドライブリンク81は、ピッチ変化軸線77A、77Bによって作られる平面よりわずかに下方に配置されるものとして図示されているが、実質的に中央ボイドカラム内に配置されている。そのほかにも、ロータハブ69が、実質的にピッチ変化軸線77A、77Bによって作られる平面内に位置するピッチホーン53を含んでも良いことを理解されたい。図3〜7の実施形態と同様に、ハブスプリング71は、マスト及びマスト回転軸線39(図3Aで図示)に対するヨーク73のジンバリングを可能にする。またハブスプリング71は、ロータブレード23(図2で図示)のフラッピングを調整し、推力を伝達する。
図10〜11を参照すると、本発明に係る2つの連結シェル86からなるハブスプリング85を有するロータハブの実施形態を図示している。図10で示すように、ロータハブ83は、実質的にロータハブ29と同様のものであり、2つの連結シェル86がロータハブ83に含まれることを除いて、実質的に同様の構成要素からなるものである。1つの連結シェル86が、ヨーク87の下側に取り付けられ、別の連結シェル86が、ヨーク87の上側に取り付けられる。ロータハブ83の重要な利点は、連結シェル86が冗長性を有することである。例えば、連結シェル86の1つが、弾による攻撃により又はその他の理由により故障して損傷を受けたとしても、残りの連結シェル86は、正常に作動し続けることができる。2つの連結シェル86を有する実施形態の別の重要な利点は、ハブスプリング85からヨーク87へ伝達される力の配分が、結果として改善されることである。図3〜7の実施形態と同様に、ハブスプリング85は、マスト及びマスト回転軸線39(図3Aで図示)に対するヨーク87のジンバリングを可能にする。またハブスプリング85は、ロータブレード23のフラッピングを調整し、推力を伝達する。
本発明の重要な利点は、1つのロータハブに4つ以上のロータブレードを使用したとしても、大部分の構成要素が、実質的にヨークストラップ内側のボイドスペース内にコンパクトにまとめられることである。このような配置にすることにより、本発明のロータハブは、敵方にとってより強固な標的となり、また破片が偶然当たる可能性を少なくする。さらに、本発明は、ピッチホーンの動きに複数の変化を与えることができる。例えば、連結シェルがヨークの上側だけに配置される場合、ピッチホーンの下方への移動のために、より多くのスペースが与えられる。同様に、連結シェルがヨークの下側だけに配置される場合、ピッチホーンの上方への移動のために、より多くのスペースが与えられる。また、連結シェルがヨークの上下両側に配置される場合、ピッチホーンの上下両側への動きが、より均等な動きとなるようにすることができる。最後に、上述の各実施形態では、一般に、CFベアリングの故障により、ロータブレードが損傷を受けるということはないであろう。むしろ、故障したCFベアリングと関連するピッチホーンが、関連するヨークのクロッチのほうへ引き寄せられ、少なくとも一時的に航空機が安全に操縦されるようにすることができるであろう。
有意な利点を有する本発明について明瞭な説明及び図示を行ってきた。制限された数の形態で本発明を説明しているが、本発明はこれらの形態だけに制限されるものではなく、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変更及び変形をすることができる。
Claims (20)
- 回転翼航空機用のロータハブであって、
複数のヨークアームを有するヨークと、
ピッチホーン・インボードビーム及びピッチホーン・アームを有する少なくとも1つのピッチホーンと、
等速ジョイントとを含み、
前記ヨークにおいて、
隣接するヨークアームが、ヨークストラップによって結合され、
前記ヨークアーム及び前記ヨークストラップによって中央ボイドスペースが画定され、
前記中央ボイドスペースが、前記中央ボイドスペースを貫通する中央シャフトを受容するように構成され、
前記ピッチホーンが、前記ヨークにピボット自在に取り付けられ、
前記ピッチホーン・インボードビームが、実質的に前記中央ボイドスペース内に配置され、
前記等速ジョイントが、前記中央シャフトから前記ヨークへ力を伝達するように構成され、実質的に中央ボイドカラム内に配置されることを特徴とするロータハブ。 - 前記ヨークが、方向性を持たせた繊維材料の別個の層で構成されることを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 前記ヨークに弾性的に取り付けられる第1の外側連結シェルを有するハブスプリングを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 前記ヨークに弾性的に取り付けられる第2の外側連結シェルを有する第2のハブスプリングを更に含むことを特徴とする請求項3に記載のロータハブ。
- 前記等速ジョイントが、実質的に前記中央ボイドスペース内に配置されたドライブリンクを含むことを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 前記ピッチホーンが、約―15度のδ3角度を形成するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 前記ヨークが、少なくとも4つのロータブレードに適合するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 前記ロータハブが、ティルトロータ機用に構成されることを特徴とする請求項1に記載のロータハブ。
- 回転翼航空機用のロータハブであって、
少なくとも4つのヨークアームを有するヨークと、
ピッチホーン・インボードビーム及びピッチホーン・アームを有するピッチホーンと、
ホモキネティックジョイントとを含み、
前記ヨークにおいて、
隣接する2つのヨークアームがそれぞれ、ヨークストラップによって結合され、
前記ヨークアーム及び前記ヨークストラップによって中央ボイドスペースが画定され、
前記中央ボイドスペースが、前記中央ボイドスペースを貫通する中央シャフトを受容するように構成され、
前記ピッチホーンが、前記ヨークにピボット自在に取り付けられ、
前記ピッチホーン・インボードビームが、実質的に前記中央ボイドカラム内に配置され、
前記ホモキネティックジョイントが、前記中央シャフトから前記ヨークへ力を伝達するように構成され、実質的に前記中央ボイドカラム内に配置され、
前記ピッチホーンが、約―15度のδ3角度を形成するように構成されることを特徴とするロータハブ。 - 前記ヨークが、方向性を持たせた繊維材料の別個の層で構成される複合材料から形成されることを特徴とする請求項9に記載のロータハブ。
- 前記ヨークに弾性的に接続される第1のハブスプリングを更に含むことを特徴とする請求項9に記載のロータハブ。
- 前記ヨークに弾性的に接続される第2のハブスプリングを更に含むことを特徴とする請求項11に記載のロータハブ。
- 回転翼航空機であって、
機体と、
或るトルクを提供するための前記機体に取り付けられた少なくとも1つのエンジンと、
少なくとも1つの回転翼部材と、
前記トルクを前記回転翼部材へ伝達するための中央シャフトと、
前記中央シャフト及び前記回転翼部材の間に取り付けられたロータハブとを備え、
前記ロータハブは、
複数のヨークアームを有するヨークと、
ピッチホーン・インボードビーム及びピッチホーン・アームを有するピッチホーンと、
第1の外側連結シェルを備える第1のハブスプリングと、
ホモキネティックジョイントとを含み、
前記ヨークにおいて、
隣接するヨークアームが、ヨークストラップによって結合され、
前記ヨークアーム及び前記ヨークストラップによって中央ボイドスペースが画定され、
前記ボイドスペースが、前記ボイドスペースを貫通する中央シャフトを受容するように構成され、
前記ピッチホーンが、前記ヨークにピボット自在に取り付けられ、
前記ピッチホーン・インボードビームが、実質的に前記中央ボイドスペース内に配置され、
前記第1のハブスプリングが、前記ヨークに固定して取り付けられ、
前記ホモキネティックジョイントが、前記中央シャフト及び前記ヨークの間に取り付けられ、実質的に中央ボイドカラム内に配置されることを特徴とする回転翼航空機。 - 前記ヨークが、方向性を持たせた繊維材料の別個の層で構成されることを特徴とする請求項13に記載の回転翼航空機。
- 第2の外側連結シェルを備える第2のハブスプリングを更に含み、
前記第2の外側連結シェルが、前記ヨークに固定して取り付けられることを特徴とする請求項13に記載の回転翼航空機。 - 前記ピッチホーンが、約―15度のδ3角度を形成するように構成されることを特徴とする請求項13に記載の回転翼航空機。
- 前記ヨークが、少なくとも4つのロータブレードと機能的に結合することを特徴とする請求項13に記載の回転翼航空機。
- 前記回転翼航空機が、ティルトロータ機であることを特徴とする請求項13に記載の回転翼航空機。
- ロータブレードのピッチを調整する方法であって、
複数のヨークアームを有し、隣接するヨークアームがヨークストラップによって結合されたヨークを準備するステップと、
中央ボイドカラム内でピッチリンクが動くことによって、前記中央ボイドカラム内に配置されたピッチホーンを回転させるステップとを含み、
前記ピッチホーンの回転によって、ロータブレードのピッチを調整することを特徴とする方法。 - 前記中央ボイドカラム内に配置される、ドライブリンクを備える等速ジョイントを準備するステップを更に含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
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