JP5511436B2 - ヘリコプタロータ - Google Patents

Description

本発明はヘリコプタロータに関する。

機体と、機体中央部の頂部に取付けられたメインロータと、メインロータから機体に伝えられるトルクを打ち消すためのトルク平衡テイルロータとを備えたヘリコプタが知られている。

また、関節型メインロータおよび／またはトルク平衡ロータも知られている。

関節型ロータは、第１の軸周りに回転する駆動シャフトと、第１の軸周りを駆動シャフトと一体に回転するハブと、ハブから各々の第２の軸に沿って第１の軸に対して放射方向に突き出した複数枚のブレードとを備える。

各々のブレードは、空気流に対する迎え角を調整するために、ハブに対して各々の第２の軸周りに回転可能であり、また、いわゆるフラッピング運動を行うために、ハブの周囲で各々の第３の軸周りに自由に揺動可能である。より具体的には、各々の第３の軸は第１の軸および各々のブレードの第２の軸と交差している。

各々のブレードは、いわゆる“リードラグ運動”を行うために、ハブおよびその他のブレードに対して、第１の軸と平行な各々の第４の軸周りを自由に揺動することができる。

ブレードのリードラグ運動に起因する振動を制振装置を用いて抑制することが求められている。この制振装置の制振作用は遠心力の影響をほとんど受けないので、第１の軸周りの広範囲のブレード回転速度に対して有効となり、また、対応するブレードの第２の軸に沿った広範囲に及ぶ制振装置位置にとっても有効となる。

また、ブレードのリードラグ運動に起因する振動を、できるだけ軽量かつ小型の制振装置を用いて抑制することが業界内では求められている。

さらに、ブレードのリードラグ運動に起因する振動を、制振装置の構造ならびに整備を簡易化すべく、作動油などの作動液を必要とせずに適正に機能する制振装置を用いて制振することも要求されている。

本発明の目的は、上述した要求の少なくともいずれか１つを低コストでしかも容易に満たすことができるように設計されたヘリコプタロータを提供することである。

本発明によれば、請求項１に記載のヘリコプタロータが提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明を制限するものではない好ましい２つの実施形態を例として説明する。
本発明に係るロータを備えたヘリコプタの全体を示す斜視図である。 本発明に係るロータの第１の実施形態の斜視図であって、簡単のために部品類は取り去られている。 上記第１の実施形態のロータの上面図である。 ダンパの角変位を、ブレードのリードラグ運動と相関して、図２、３に示した第１の実施形態のロータにおけるブレードの角変位の関数として示したグラフである。 第２の実施形態のロータの上面図である。 ダンパの角変位を、ブレードのリードラグ運動と相関して、図５に示した第２の実施形態のロータにおけるブレードの角変位の関数として示したグラフである。

図１の符号１は、機首５を備えた機体２と、機体２の頂部に配設されたメインロータ３と、機首５とは反対側の端部で機体２から突き出した尾翼に取付けられたトルク平衡テイルロータ４とを実質的に備えたヘリコプタを表している。

より具体的には、メインロータ３はヘリコプタ１の浮揚および前進に各々必要な揚力および推力をヘリコプタ１に与え、他方、ロータ４は尾翼に力を作用させて機体２にトルク反作用を生み出し、さもなければ軸Ａ周りに機体２を回転させることとなるメインロータ３が機体２に及ぼすトルクを平衡させる。

ロータ３は関節型であり、図２および図３に示した上面図において、軸Ａ周りを反時計回りに回転する駆動シャフト１０と、シャフト１０に取付けられてシャフト１０と一体に軸Ａ周りに回転するハブ１１と、ハブ１１から軸Ａとは反対側に突き出して、軸Ａと交差する各々の軸Ｂに沿って延びる複数枚（図示例では５枚）のブレード１２（図３）とを実質的に備えている（図２および図３）。

より具体的には、ハブ１１は、駆動シャフト１０を収容する筒状の穴あき台座１７を形成する本体１６と、軸Ａを基準にして筒状本体１６の半径方向外側に配された管状部１３とを備え、管状部１３は、湾曲した多角形状輪郭を有し、互いに等角度ずつ離間して放射方向に軸Ａを基準に配置された複数のスポーク１４によって本体１６に結合されている。

換言すれば、ハブ１１は、各々のブレード１２を通して固定するための、軸Ａ周りに等間隔で配置され軸Ａと平行に開口した複数の穴あき台座１５を有している。

より具体的には、各々の台座１５は隣接する２本のスポーク１４によって周方向に拘束されると共に、軸Ａを基準にして半径方向内側は本体１６によって拘束され、さらに、軸Ａを基準にして半径方向外側は管状部１３によって拘束されている。

各々のブレード１２は、ヘリコプタ浮揚／推進面を形成する（図中には一部のみを示す）本体１８と、軸Ａを基準にして本体１８の半径方向内側端３０にボルト止めされて、ブレード１２をハブ１１に結合する継手１９とを備える。

各々のブレード１２の継手１９は略Ｃ形を有し、ブレード１２の本体１８の端部３０がその間に固定される２本の平行アーム２０と、アーム２０同士を結合して各々の台座１５をハブ１１内に係合する結合部２１とを備える。

各々のブレード１２の継手１９は、エラストマ軸受２５を介在して、ハブ１１とヒンジにより結合されている。

各々の軸受２５によって、対応するブレード１２は各々の軸Ｂ周りに回転して空気流に対する迎え角を調整し、軸Ａから離間しかつそれに平行な各々の軸Ｃ周りをハブ１１およびその他のブレード１２に対して回転していわゆるリードラグ運動を行い、軸Ａに対して垂直でありかつ各々の軸Ｃと交差する各々の軸Ｄ周りに回転していわゆるフラッピング運動を行う。

各々のブレード１２は軸Ｂ，Ｃ，およびＤを中心に回転し、この軸Ｂ，ＣおよびＤはすべて一点で交わっている。

各々のブレード１２は、各々の軸Ｂに対して偏心され、軸Ａを基準にしてブレード１２の本体１８の半径方向内側端から突き出して、制御部材の作用を受けてブレード１２を各々の軸Ｂ周りに回転させて、空気流に対する迎え角を調整する突起２３を備える。

突起２３は、軸Ａと平行に互いに離間した第１の端部３２と、互いに結合された第２の端部３３および反対側の端部３２とを有する２枚の壁面２６を有する。より具体的には、壁面２６の端部３２は対応するブレード１２の本体１８の端部３０に固定されている。

壁面２６は継手１９のアーム２０の間に介在されている。

軸Ａに対向する側で、各々の突起２３の壁面２６はさらに別の壁面によって結合されている。

突起２３は対応する軸Ｂを基準にして、対応するブレード１２の同一側で対応する本体１８から突き出ている。

ロータ３は有利には、各々の軸Ｃ周りの対応するブレード１２の振動を抑制するための複数のダンパ４０を備え、これらダンパ４０は各々の軸Ｃ周りを対応するブレード１２と一体に可動である各々の部分４１と、互いに機能的に結合されるとともに各々の部分４１と弾性連結された各々の部分４２とを有する。

より具体的には（図２および図３）、各々のダンパ４０はエラストマ材料からなるとともにエラストマ材料中に埋め込まれた大量の金属材料を含んでいるため、各々のダンパ４０は荷重がかかると弾性変形可能である。

各々のダンパ４０は各々のブレード１２の突起２３の壁面２６の間に収容されており、各々のブレード１２の軸Ｃと平行な軸Ｅを中心とした略円柱形の形状を有している。

より具体的には、各々のダンパ４０は、軸Ｅに沿った両端に位置する、ダンパ４０の部分４１を形成し突起２３の各々の壁面２６に各々固定された２つの基面４３と、軸Ｅを基準として、基面４３の間に軸方向において介在する側面４４とを有する。

より具体的には、各々の部分４２は同様に、ダンパ４０の側面４４の各々別個の区域によって形成される第１および第２の区域４６ａ，４６ｂを含む。

各々の区域４６ｂは軸Ａと各々のダンパ４０の軸Ｄとの間に介在され、各々の区域４６ａは対応するブレード１２の軸Ｂの側方に配置されている。

各々のブレード１２の軸Ｂは、対応する区域４６ａではなく、対応する区域４６ｂを通って延びている。

より具体的には、各々のダンパ４０の区域４６ａ，４６ｂの重心と対応する軸Ｅとを結び、軸Ｅに対して半径方向に引かれた線は、９０°から１３５°の角度をなしている。

ロータ３は、ブレード１２ならびに対応するダンパ４０と交互に配置された複数（図示例では５本）のロッド４５を備えている。

より具体的には、ロッド４５は軸Ａの周りにおいてブレード１２ならびに対応するダンパ４０と交互に配置されている。

各々のロッド４５は好ましくは剛性材料からなり、１つのダンパ４０の区域４６ａを隣接するダンパ４０の区域４６ｂと結合している。

より具体的には、各々のロッド４５は、１つのダンパ４０の区域４６ａと隣接するダンパ４０の区域４６ｂとから各々突き出した各々のねじピン５５，５４により係合する各々の台座を形成する各々のピン継手５０，４９を収容する２つの軸方向端部４７，４８を備えている。

各々のロッド４５の端部４８は軸Ａと対応するダンパ４０の軸Ｄとの間に介在され、端部４７は対応するブレード１２の軸Ｂの片側に配置されている。

継手５０，４９によって、ピン５５，５４は軸Ａに対して垂直な面内における位置を調整する。

図４の一点鎖線６０は対応する軸Ｅ周りのダンパ４０の角変位を、軸Ａ周りのハブ１１の回転とは反対方向の、対応する軸Ｃ周りの対応するブレード１２の角変位の関数として示している。換言すれば、一点鎖線６０は対応するブレード１２のラグ運動に関係している。

図４の実線６１は対応する軸Ｅ周りのダンパ４０の弾性角変位を、軸Ａ周りのハブ１１の回転と同一方向の、対応する軸Ｃ周りの対応するブレード１２の剛性角変位の関数として示している。換言すれば、実線６１は対応するブレード１２のリード運動に関係している。

図４は、対応する軸Ｃを基準としたブレード１２の回転角の全範囲に及ぶ、ロータ３の対応するブレード１２のリードラグ振動を抑制する各々のダンパ４０の制振効果を示している。

また、図４は、ダンパ４０の弾性ねじれが対応する軸Ｄ周りのブレード１２の回転変化に比例して増加する様子も明瞭に示している。

実際の使用においては、シャフト１０は軸Ａ周りにハブ１１を回転させる。

同様に、ハブ１１の回転によって、ブレード１２が全体として軸Ａ周りに回転する。

一般にブレード１２は軸Ａと平行な方向に異なった成分を有し、ハブ１１に対してブレード１２を各々の軸Ｄ周りに傾斜させ、その結果ブレード１２のフラッピング運動を生ずる、異なった空力荷重を受ける。

各々のブレード１２のフラッピング運動はブレードの重心と軸Ａとの間の距離を変化させる。

各々のブレード１２は、その重心が軸Ａの方向に動くと、軸Ａを基準としたその角運動量を保持するために、軸Ａを基準としたその回転速度を増大させるべく各々の軸Ｃ周りに回転する。つまり、各々のブレードはリード運動を行う。

逆に、各々のブレード１２は、その重心が軸Ａから離間するように動くと、軸Ａを基準としたその回転速度を減少させるべく各々の軸Ｃ周りに回転する。つまり、各々のブレードはラグ運動を行う。

各々の軸Ｃ周りのブレード１２の連続する周期的揺動は振動を生じ、この振動はダンパ４０によって抑制される。

さらに具体的には、ある瞬間に、空気流に対する速度の差の結果として、ブレード１２は各々の軸Ｄ周りを、ハブ１１に対して各々異なった角度で傾斜するため、各々のブレード１２は各々の軸Ｃ周りにかつその他のブレード１２に対して各々のリード角またはラグ角を有している。

以下、ロータ３の動作を、１枚のブレード１２ならびに各々のダンパ４０と関連させて説明する。

ダンパ４０の部分４１は軸Ｃ周りをブレード１２と一体に回転し、ダンパ４０の区域４６ａは、対応するロッド４５を介して、隣接する２つのダンパ４０の一方の区域４６ｂと一体に動き、ダンパ４０の区域４６ｂは、対応するロッド４５を介して、隣接する２つのダンパ４０の他方の区域４６ａと一体に動く。

それゆえ、ダンパ４０の部分４２の区域４６ａ，４６ｂは部分４１に向かうまたはそれから離れる弾性運動を行い、よって、対応する軸Ｅ周りのダンパ４０の弾性ねじれを生じ、これがダンパ４０の内部抑制と相まって軸Ｃ周りのブレード１２の振動を抑制する。

図５の符号３´は全体として、本発明の別途の実施形態に係るヘリコプタロータを表している。ロータ３´はロータ３と同様であるため、ロータ３，３´の各々対応するもしくは同一の部品については可能であれば同一の符号を使用して、両者の間の相違点についてのみ説明することとする。

ロータ３´は、各々のダンパ４０の区域４６ａ，４６ｂが軸Ａからそれた方向を向く面４４の半分によって形成されている点でロータ３と異なっている。

換言すれば、各々のダンパ４０の区域４６ａ，４６ｂは、軸Ａに対して対応する軸Ｄの反対側に位置している。

ロッド４５´は、軸Ａに対して対応するダンパ４０の軸Ｅの反対側に全体として延設されている点でロッド４５と相違している。

図６の一点鎖線６０´は対応する軸Ｅ周りのロータ３´のダンパ４０の弾性角変位を、軸Ａ周りのハブ１１の回転とは反対方向の、対応する軸Ｃ周りの対応するブレード１２の角変位の関数として示している。換言すれば、一点鎖線６０´はブレード１２のラグ運動に関係している。

図６の実線６１´は対応する軸Ｅ周りのロータ３´のダンパ４０の弾性角変位を、軸Ａ周りのハブ１１の回転と同一方向の、対応する軸Ｃ周りの対応するブレード１２の剛性角変位の関数として示している。換言すれば、実線６１´はブレード１２のリード運動に関係している。

図６は、対応する軸Ｃを基準としたブレード１２の回転角の全範囲に及ぶ、ロータ３´の対応するブレード１２のリードラグ振動を抑制する各々のダンパ４０の制振効果を示している。

図６はまた、ダンパ４０の弾性ねじれが対応する軸Ｄ周りのブレード１２の回転変化と共に比例的に増加する様子も明瞭に示している。

ロータ３´の動作はロータ３の動作と同じであることから、詳細には述べない。

本発明に係るロータ３，３´の利点は上記説明から明らかであろう。

特に、ブレード１２のリードラグ振動は対応するダンパ４０が対応する軸Ｅ周りに弾性ねじれを生ずることによって抑制されるが、これは、軸Ａに対して半径方向に運動するピストンを備えたダンパとは異なって、ダンパ４０の制振動作は遠心力の影響を受けないために、軸Ａ周りのシャフト１０の広範囲の回転速度に対して有効であることを意味している。

さらに、油圧作動式ダンパとは異なって、たとえば、ロータ３，３´は対応する軸Ｃ周りのブレード１２のリードラグ運動に起因する振動を油圧部品を必要とせずに抑制することを可能にする。

こうして、ロータ３，３´はブレード１２のリードラグ運動と関連した振動を大幅に低下させるだけでなく、その構成および／または整備もまた極めて容易である。

最後に、ダンパ４０が軽量かつ小型であれば、ロータ３，３´の総重量はダンパ４０の効果を損なうことなく大幅に減少させられる。

ただし、添付請求項に記載の保護範囲を逸脱することなく、本願明細書に説明、例示したロータ３，３´に種々の変更を加えることができることは明白である。

具体的には、ロータ３，３´はヘリコプタ１のテイルロータとしても採用可能である。

Claims (12)

1. 第１の軸周りに回転する駆動シャフトと、
   前記第１の軸周りに前記駆動シャフトと角度的に一体であるハブと、
   該ハブから前記第１の軸とは反対側に突き出して、前記第１の軸と交差する複数の第２の軸に沿って延びる少なくとも２枚のブレードと、
   を備え、
   各該ブレードは各前記第２の軸と交差する複数の第３の軸周りを前記ハブおよびその他の前記ブレードに対して可動であるヘリコプタ用ロータであって、
   各前記第３の軸周りを各前記ブレードと一体に可動である複数の第１の部分を備えるとともに、各前記第３の軸周りの各前記ブレードの振動を抑制するための少なくとも２つのダンパを備え、
   該ダンパは各前記第１の部分と弾性結合されかつ機能的に互いに結合された複数の第２の部分を有し、
   前記ダンパの前記第２の部分は互いに剛性結合され、
   前記ダンパの前記第２の部分間に介在された剛性ロッドを備えたロータ。
2. 各前記ダンパは少なくとも部分的に弾性変形可能な材料からなり、第４の軸に対して管状体形状を有し、
   前記第１の部分を備えるとともに、前記第４の軸に沿って離間した各前記ブレードの両壁面に固定された２つの基面と、
   前記第２の部分を有し、前記第４の軸を包囲する側面と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 各前記ブレードは、これに対応する前記第２の軸に対して偏心された突起を有し、該突起は前記壁面を備えるとともに、外部部材の作用を受けて各前記ブレードを各前記第２の軸周りに回転させることを特徴とする請求項２に記載のロータ。
4. 前記第１および前記第４の軸は互いに平行であることを特徴とする請求項２又は３に記載のロータ。
5. 複数の前記ブレードならびに前記ダンパと、前記第１の軸の周囲に前記ブレードと交互に配置された複数の前記ロッドと、を備え、
   各前記ダンパは２つの前記第２の部分を有するとともに、２つの隣接するダンパと結合され、
   各ダンパの各前記第２の部分は、これに対応するロッドによって前記隣接するダンパの一方の各前記第２の部分に結合されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ。
6. 各前記ダンパの前記第２の部分は、前記第１の軸に対して、対応する前記第４の軸の反対側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のロータ。
7. 前記ロッドは、前記第１の軸に対して前記第４の軸の反対側に延びていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のロータ。
8. 前記第２の部分の少なくとも一方は、前記第１の軸と対応する前記ダンパの前記第４の軸との間に介在されていることを特徴とする請求項７に記載のロータ。
9. 各々の前記ダンパの前記第２の部分の他方は、これに対応するブレードの前記第２の軸の側方に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のロータ。
10. 各前記ロッドは、これに対応するダンパの前記第２の部分の前記一方を、前記隣接するダンパの前記第２の部分の前記他方に結合することを特徴とする請求項９に記載のロータ。
11. トルク平衡テイルロータと、請求項１から１０のいずれか１項に記載のメインロータとを備えたヘリコプタ。
12. メインロータと、請求項１から１１のいずれか１項に記載のトルク平衡テイルロータとを備えたヘリコプタ。

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