WO2004085248A1 - Drillelement für einen lagerlosen rotor - Google Patents

Drillelement für einen lagerlosen rotor Download PDF

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WO2004085248A1
WO2004085248A1 PCT/EP2003/014215 EP0314215W WO2004085248A1 WO 2004085248 A1 WO2004085248 A1 WO 2004085248A1 EP 0314215 W EP0314215 W EP 0314215W WO 2004085248 A1 WO2004085248 A1 WO 2004085248A1
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WO
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drill element
cross
drill
webs
rotor
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PCT/EP2003/014215
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French (fr)
Inventor
Ulrich Denecke
Gerald Kuntze-Fechner
Horst Bansemir
Stefan Emmerling
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Eurocopter Deutschland Gmbh
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/32—Rotors
    • B64C27/33—Rotors having flexing arms

Definitions

  • the present invention relates to a drilling element for a bearingless rotor.
  • the invention further relates to a bearingless rotor with such a drilling element and a rotary wing aircraft, in particular a helicopter, with such a rotor.
  • EP 0 323 857 B1 discloses a bending plate to be attached to a rotor mast, comprising a rotor mast fastening section, a rotor blade fastening section in the form of two bushes arranged at a free end of the bending plate, and one between the rotor mast fastening section and the rotor blade fastening section located swiveling and torsionally soft intermediate area, which forms a drilling element.
  • the drilling element has an approximately H-shaped cross section, which is formed from a central, strip-shaped element and two elements arranged laterally thereto, each of which has a cross-sectional shape in the shape of a lying Y. The legs of the Y-shaped cross-sectional area are spread apart.
  • the H-shaped cross section or its composite individual elements have an essentially constant material thickness.
  • the bending plate is largely made of fiber composite material. Due to the H-shaped cross-sectional design and the strong spreading of the legs of the Y-shaped cross-sectional area, the cross-sectional profile may be warped in an unfavorable manner if the twist element is twisted.
  • a yoke to be attached to a rotor mast comprising a rotor mast fastening section, an adjoining plate-shaped, impact-resistant region, a rotor blade fastening section in the form of two bushes arranged at a free end of the yoke, and one between the impact-free area and the rotor blade fastening section, the swiveling and torsion-soft intermediate area, which forms a drill element.
  • the drilling element has a star-shaped cross-section with six webs or arms (referred to as "flanges" there).
  • the webs which have an essentially constant material thickness, are arranged so that they are spread apart relatively to one another.
  • the yoke is largely made of fiber composite material.
  • the individual webs have An outer layer made of a fiber fabric Due to the explained cross-sectional design and the strong spreading of the webs or arms, the cross-sectional profile can be warped in an unfavorable manner if the twist element is twisted.
  • DE-OS-2917301 discloses a bearingless rotor with a structure element which is soft in terms of impact, swivel and torsion.
  • the torsional softness gives the structural element, in addition to the impact and swivel-soft properties, the property of a drill element.
  • This drill element has an essentially T-shaped or cruciform cross-sectional shape.
  • the individual webs or arms of the T-shaped or cross-shaped cross section, which have a substantially constant thickness, are slotted.
  • the drilling elements are designed to be sufficiently pivot-resistant and stable, the drilling elements would no longer be sufficiently rotatable due to the resulting excessive torsional or drilling rigidity, which can have a disadvantageous effect, in particular, on the controllability of a rotor equipped with such a drilling element.
  • such drill elements have a very high weight and a very large overall cross section, which is not desirable both for aerodynamic reasons and in view of the lowest possible empty weight of a rotary wing aircraft.
  • the object of the invention is to provide a compact drill element with a high swivel rigidity with low torsional or drill rigidity and at the same time high torsion or drill strength. Furthermore, a bearingless rotor and a rotary wing aircraft with such a drilling element are to be provided.
  • a drilling element according to the invention having the features of claim 1.
  • This drill element for a bearingless rotor which is largely made of fiber composite material, has an essentially symmetrical, flattened drill element cross-sectional shape, which has approximately the outline shape of a lying, central double conical section.
  • the outline has a shape similar to a "fly” or a lying hourglass, or the shape of two narrow, lying, essentially isosceles triangles, which are connected to each other in the area of their facing tips.
  • the outline shape as X-shaped, but the areas between two adjacent legs of the "X" are largely filled with fiber composite material.
  • the drill element according to the invention has a very high swivel rigidity with low torsional or drill rigidity and a high torsion or drill strength. It is largely free from warping when twisted. At the same time, the drill element according to the invention has a comparatively compact overall cross section with high strength. The drill element according to the invention is therefore particularly suitable for tilt rotor applications. Because the twist element according to the invention, as mentioned above, is very easy to twist, it can also be considerably shorter than previously known for a given twist angle range Drill elements are designed. The length of the drilling element according to the invention can be reduced to approximately one third of the length of a conventional, previously known drilling element.
  • the above-mentioned object is achieved by a bearingless rotor with the features of claim 14. Furthermore, the above-mentioned object is achieved according to a third aspect by an inventive rotary-wing aircraft with the features of claim 15.
  • the figure shows a schematic cross-sectional representation of a drilling element according to the invention.
  • the figure shows a schematic cross-sectional illustration of a drilling element 2 according to the invention for a bearingless rotor.
  • the drilling element 2 is largely made of fiber composite material. As can be clearly seen in the drawing, it has a symmetrical, flattened drill element cross-sectional shape, which has approximately the outline shape of a lying, central double conic section.
  • the horizontal central axis of the drill element cross section is identified by the reference symbol H and the vertical central axis by the reference symbol V.
  • the outline of the drill element cross-section has approximately the shape of two relatively narrow, lying, essentially isosceles triangles, which are aligned symmetrically to the horizontal and vertical central axis H, V and are connected to one another in the region of their mutually facing tips.
  • the longitudinal direction or longitudinal axis of the drilling element is indicated by the reference symbol A.
  • the longitudinal axis A preferably runs radially to the rotor circle of the rotor or extends essentially parallel to the longitudinal direction of a rotor blade of the rotor.
  • the previously described drill element cross-sectional shape is formed by two similar groups (s1 to S3 and S4 to S6) of webs S1 to S6 which are laterally opposite one another in mirror symmetry about the vertical central axis V.
  • the webs S1 to S6 have a common, thin, flattened root region 4, which extends in a region around the longitudinal axis A and represents a central section of the drill element cross-sectional shape.
  • the webs S1 to S6 open into this root area 4 or proceed from this.
  • the webs S1 to S6 of a respective group (S1 to S3 and S4 to S6) are arranged on each side of the vertical axis V separated from one another by narrow intermediate gaps 6.
  • the thickness of the respective webs S1 to S6 increases from the root area 4 outwards to the free lateral side edges of the drilling element 2.
  • the webs S1 to S6 have a very small spread relative to each other.
  • the webs S1 to S6 themselves each have a wedge-shaped cross-sectional shape in the manner of a lying or slightly inclined narrow triangle, the tip of which opens into the root region 4.
  • the webs S1 to S6 in this exemplary embodiment not only have unidirectional, highly stretchable reinforcing fiber packages 8, which are arranged in a suitable matrix, e.g., in the area of the lateral sides of the drill element cross-sectional shape, but essentially over their almost entire wedge-shaped cross-sectional shape. an epoxy resin, are embedded and also have a largely wedge-shaped cross-sectional shape with an outwardly increasing thickness.
  • the fibers of the unidirectional reinforcement fiber packs 8 run in the longitudinal direction A of the twist element 2 and thus in the direction of the centrifugal force of a rotor blade (not shown) associated with the twist element 2 of the rotor.
  • the unidirectional reinforcement fiber packs 8 extend to the outer contour of the drill element cross section.
  • the unidirectional reinforcing fiber packages 8 on the outer contour of the drill element cross section are therefore not covered or overlaminated by a fiber fabric cover layer or the like which has a multidirectional fiber arrangement.
  • the fibers of the unidirectional reinforcement fiber bundles 8 are preferred
  • the reinforcing fiber packs 8 can additionally contain a small proportion of other types of fiber or even be made from other types of fiber.
  • the fibers of the unidirectional reinforcing fiber bundles 8 lie in the cross-sectional areas of the twist element 2 that are most stretched during rotor operation due to pivoting movements of the rotor blade and can absorb very high loads here.
  • the previously mentioned embodiment of the drill element cross section and in particular its webs S1 to S6 and unidirectional reinforcing fiber packages 8 thus ensures that a high pivoting stiffness can be achieved despite a comparatively small width of the drill element cross section.
  • the webs S1 to S6 are each slotted in the longitudinal direction of the drilling element 2.
  • a slot 10 is provided in this embodiment.
  • the respective slot 10 extends from a free lateral side edge of the drill element cross-sectional shape in the direction of the root region 4 and ends shortly before this.
  • the slots 10 of the upper and lower webs S1, S3 and S4, S6 have the same depth, while the slots 10 of the respective middle webs S2 and S5 have a smaller depth.
  • the slots 10 are essentially rectilinear.
  • the respective slot longitudinal axes or their extensions preferably intersect at the center (here: longitudinal axis A) of the overall cross-sectional shape of the drill element, as in the present exemplary embodiment, in the immediate vicinity of the center through the root region 4.
  • the slot 10 of a respective web S1 to S6 runs between (at least) two adjacent unidirectional reinforcing fiber packs 8.
  • a respective web S1 to S6 has at least one reinforcing fiber fabric layer 12 which, starting from a lateral slot opening, is U-shaped or loop-shaped around a slot floor 10a and the slot contour located within the web S1 to S ⁇ .
  • This U-shaped or loop-shaped reinforcing fiber fabric layer 12 is thus located between two adjacent unidirectional reinforcing fiber packs 8 and is glued or laminated to them.
  • two webs S1, S6 and S3, S4, which face each other in pairs on the top and bottom of the drill element cross-sectional shape, are equipped with at least one reinforcing fiber layer 14 that extends across the width of the respective web S1, S3 and extends continuously over the root area 4 to the other, opposite web S6, S4 and across its width.
  • the reinforcing fiber layer 14 is preferably a fiber fabric. It can be seen from the drawing that the respective reinforcing fiber layer 14 (top and bottom) in the root area 4 extends to the outer contour of the drill element cross section.
  • the lateral side surfaces of the webs S1 to S6 are chamfered above and below the horizontal central axis H towards the vertical central axis V or slightly inclined by an angle ⁇ .
  • the number of webs can vary and assume a lower or higher number than the six webs S1 to S6 described above.
  • the drill element 2 is preferably an integral part of a rotor blade, a rotor blade connecting element, a rotor blade connecting element or a rotor head element (e.g. a rotor head plate or a rotor head yoke). However, it can also be designed as a separate component.
  • the drill element 2 can have connection elements at its end regions for connecting adjacent components (e.g. for a rotor blade if the drill element is designed as a separate component or as an integral component of a rotor head element).
  • the drill element 2 according to the invention is particularly suitable as a component of a bearingless rotor.
  • a rotary wing aircraft in particular a helicopter, in particular a tilt rotor helicopter, is equipped with at least one bearingless rotor and with at least one such drilling element 2.

Abstract

Drillelement (2) für einen lagerlosen Rotor, welches weitgehendst aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, mit einer im wesentlichen symmetrischen, abgeflachten Drillelement-Querschnittsform, welche annähernd die Umrissform eines liegenden, mittigen Doppelkegelschnitts besitzt. Lagerloser Rotor, umffasend mindestens ein solches Drillelement (2). Drehflügelflugzeug, insbesondere Hubschrauber, umfassend mindestens einen Rotor mit mindestens einem solchen Drillelement (2).

Description

Drillelement für einen lagerlosen Rotor
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drillelement für einen lagerlosen Rotor. Ferner betrifft die Erfindung einen lagerlosen Rotor mit einem solchen Drillelement sowie ein Drehflügelflugzeug, insbesondere ein Hubschrauber, mit einem solchen Rotor.
STAND DER TECHNIK
Aus der EP 0 323 857 B1 ist eine an einem Rotormast anzubringende Biegeplatte bekannt, umfassend einen Rotormast-Befestigungsabschnitt, einen an einem freien Ende der Biegeplatte angeordneten Rotorblatt-Befestigungsabschnitt in Form von zwei Buchsen sowie einen zwischen dem Rotormast-Befestigungsabschnitt und dem Rotorblatt-Befestigungsabschnitt befindlichen schwenkweichen und torsionsweichen Zwischenbereich, der ein Drillelement bildet. Das Drillelement besitzt einen annähernd H-förmigen Querschnitt, der aus einen mittleren, streifenförmigen Element und zwei dazu seitlich angeordneten Elementen gebildet ist, die jeweils eine Querschnittsform in der Gestalt eines liegenden Y besitzen. Die Schenkel des Y-förmigen Querschnittsbereichs sind stark abgespreizt. Der H-förmige Querschnitt bzw. seine zusammengesetzten Einzelelemente weisen eine im Wesentlichen konstante Materialdicke auf. Die Biegeplatte ist weitgehend aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. Aufgrund der H-förmigen Querschnittsgestaltung sowie der starken Abspreizung der Schenkel des Y-förmigen Querschnittsbereichs kann es bei einer Torsion des Drillelementes zu einer ungünstigen Verwölbung des Querschnittsprofils kommen.
Aus der US-P-5 358 381 ist ein an einem Rotormast anzubringendes Joch bekannt, umfassend einen Rotormast-Befestigungsabschnitt, einen sich daran anschließenden plattenförmigen schlagweichen Bereich, einen an einem freien Ende des Jochs angeordneten Rotorblatt-Befestigungsabschnitt in Form von zwei Buchsen sowie einen zwischen dem schlagweichen Bereich und dem Rotorblatt- Befestigungsabschnitt befindlichen schwenk- und torsionsweichen Zwischenbereich, der ein Drillelement bildet. Das Drillelement besitzt einen sternförmigen Querschnitt mit sechs Stegen oder Armen (dort als „flanges" bezeichnet). Die Stege, die eine im wesentlichen konstante Materialdicke besitzen, sind relativ zueinander stark abgespreizt angeordnet. Das Joch ist weitgehend aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. Die einzelnen Stege besitzen eine Außenlage aus einem Fasergewebe. Aufgrund der erläuterten Querschnittsgestaltung sowie der starken Abspreizung der Stege bzw. Arme kann es bei einer Torsion des Drillelementes zu einer ungünstigen Verwölbung des Querschnittsprofils kommen.
Die DE-OS-2917301 offenbart einen lagerlosen Rotor mit einem schlag-, schwenk- und torsionsweichen Strukturelement. Die Torsionsweichheit verleiht dem Strukturelement neben den schlag- und schwenkweichen Eigenschaften die Eigenschaft eines Drillelementes. Dieses Drillelement besitzt eine im wesentlichen T-förmige oder kreuzförmige Querschnittsgestalt. Die einzelnen Stege bzw. Arme des T-förmigen oder kreuzförmigen Querschnitts, die eine im wesentlichen konstante Dicke besitzen, sind geschlitzt ausgebildet.
Für bestimmte Anwendungen, wie z.B. Kipprotoren für ein als Kipprotorhubschrauber ausgestaltetes Drehflügelflugzeug, ist es erforderlich, den Anschluss eines Rotorblattes möglichst schwenksteif auszugestalten. Aufgrund der am Rotor auftretenden hohen Belastungen ist hierbei eine hohe Festigkeit des Drillelementes erforderlich. Würden man für einen solchen Einsatzzweck die konventionellen Drillelemente in unveränderter Form verwenden, so würde dies zu einer zu schwenkweichen Anbindung eines Rotorblattes an einem Rotorkopf führen. Ferner wäre die Festigkeit des Drillelementes nicht mehr hinreichend gewährleistet. Falls man hingegen die vorbekannten Drillelemente hinreichend schwenksteif und stabil ausgestaltete, so wären die Drillelemente aufgrund der daraus resultierenden, zu hohen Torsions- bzw. Drillsteifigkeit nicht mehr genügend verdrehbar, was sich insbesondere auf die Steuerbarkeit eines mit einem solchen Drillelement ausgestatteten Rotors nachteilig auswirken kann. Darüber hinaus besäßen solche Drillelemente ein recht hohes Gewicht und einen sehr großen Gesamtquerschnitt, was sowohl aus aerodynamischem Gründen als auch im Hinblick auf ein möglichst geringes Leergewicht eines Drehflügelflugzeugs nicht erstrebenswert ist. Schließlich sind die vorbekannten Drillelemente auch sehr lang, was aus aerodynamischer Sicht nachteilig ist, da der Gesamtluftwiderstand des Drillelementes recht hoch ist und darüber hinaus ein relativ großer Bereich eines Rotorradius nicht für einen aerodynamisch wirksamen Bereich eines Rotorblattes genutzt werden kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Drillelement mit einer hohen Schwenksteifigkeit bei geringer Torsions- bzw. Drillsteifigkeit und gleichzeitig hoher Torsions bzw. Drillfestigkeit zu schaffen. Ferner soll ein lagerloser Rotor und ein Drehflügelflugzeug mit einem solchen Drillelement bereit gestellt werden.
Die vorhergenannte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein erfindungsgemäßes Drillelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dieses Drillelement für einen lagerlosen Rotor, welches weitgehendst aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, verfügt über eine im wesentlichen symmetrische, abgeflachte Drillelement-Querschnittsform, welche annähernd die Umrissform eines liegenden, mittigen Doppelkegelschnitts besitzt. Man kann auch sagen, die Umrissform besitzt eine Gestalt ähnlich einer „Fliege" oder einer liegenden Sanduhr, oder die Form von zwei schmalen, liegenden, im wesentlichen gleichschenkligen Dreiecken, die im Bereich ihren einander zugewandten Spitzen miteinander verbunden sind. Im weitesten Sinne könnte man die Umrissform auch noch als X-förmig bezeichnen, wobei jedoch die Bereiche zwischen zwei benachbarten Schenkeln des „X" weitestgehend durch Faserverbundwerkstoffmaterial ausgefüllt sind.
Das erfindungsgemäße Drillelement besitzt eine sehr hohe Schwenksteifigkeit bei gleichzeitig geringer Torsions- bzw. Drillsteifigkeit und einer hohen Torsions bzw. Drillfestigkeit. Es ist bei einer Verdrehung weitgehend verwölbungsfrei. Das erfindungsgemäße Drillelement weist gleichzeitig einen vergleichsweise kompakten Gesamtquerschnitt bei hoher Festigkeit auf. Das erfindungsgemäße Drillelement ist damit besonders für Kipprotoranwendungen geeignet. Weil das erfindungsgemäße Drillelement, wie zuvor erwähnt, sehr verdrehweich ist, kann es bei einem vorgegebenen Verdrehwinkelbereich auch erheblich kürzer als vorbekannte Drillelemente ausgestaltet werden. Die Länge des erfindungsgemäßen Drillelementes ist bis auf ca. ein Drittel der Länge eines konventionellen, vorbekannten Drillelementes reduzierbar. Daraus resultieren in Verbindung mit dem kompakten Gesamtquerschnitt wiederum erhebliche aerodynamische Vorteile: im Rotorbetrieb wird der Gesamtluftwiderstand des Drillelementes reduziert, und die durch die mögliche Verkürzung des Drillelementes gewonnene Anteil einer Rotorradiuslänge kann für aerodynamisch wirksame Rotorblattbereiche eines Rotorblattes genutzt werden. Dies reduziert wiederum den Gesamtwiderstand des Rotors und erhöht dessen aerodynamische Güte.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Drillelementes sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch einen lagerlosen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Darüber hinaus wird die oben genannte Aufgabe gemäß einem dritten Aspekt gelöst durch ein erfindungsgemäßes Drehflügelflugzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Die mit dem erfindungsgemäßen lagerlosen Rotor und dem erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeug erzielbaren Vorteile sind im wesentlichen die gleichen, wie Sie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drillelement erläutert wurden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Figur zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Drillelementes. DARSTELLUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
In der Figur ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Drillelementes 2 für einen lagerlosen Rotor dargestellt. Das Drillelement 2 ist weitgehendst aus Faserverbundwerkstoff hergestellt. Wie in der Zeichnung deutlich erkennbar, besitzt es eine symmetrische, abgeflachte Drillelement-Querschnittsform, welche annähernd die Umrissform eines liegenden, mittigen Doppelkegelschnitts besitzt. Die horizontale Mittelachse des Drillelement-Querschnitts ist mit dem Bezugszeichen H und die vertikale Mittelachse mit dem Bezugszeichen V gekennzeichnet. Man kann auch sagen, der Umriss des Drillelement-Querschnitts besitzt annähernd die Gestalt von zwei relativ schmalen, liegenden, im wesentlichen gleichschenkligen Dreiecken, die symmetrisch zur horizontalen und vertikalen Mittelachse H, V ausgerichtet und im Bereich ihrer einander zugewandten Spitzen miteinander verbunden sind. Diese Umriss- oder Querschnittsform ist nahezu vollständig mit Faserverbundmaterial ausgefüllt, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Die Längsrichtung bzw. Längsachse des Drillelementes ist mit dem Bezugszeichen A angedeutet. Die Längsachse A verläuft vorzugsweise radial zum Rotorkreis des Rotors bzw. erstreckt sich im wesentlichen parallel zu der Längsrichtung eines Rotorblattes des Rotors.
Wie aus der Figur des weiteren hervorgeht, ist die zuvor beschriebene Drillelement- Querschnittsform durch zwei einander um die vertikale Mittelachse V spiegelsymmetrisch seitlich gegenüberliegende gleichartige Gruppen (s1 bis S3 und S4 bis S6) von Stegen S1 bis S6 gebildet. Die Stege S1 bis S6 besitzen einen gemeinsamen dünnen, abgeflachten Wurzelbereich 4, der sich in einem Bereich um die Längsachse A herum erstreckt und einen Mittenabschnitt der Drillelement- Querschnittsform darstellt. Die Stege S1 bis S6 münden in diesen Wurzelbereich 4 bzw. gehen von diesem aus.
Die Stege S1 bis S6 einer jeweiligen Gruppe (S1 bis S3 und S4 bis S6) sind auf jeder Seite der vertikalen Achse V durch schmale Zwischenspalte 6 voneinander getrennt übereinander angeordnet. Die Dicke der jeweiligen Stege S1 bis S6 nimmt ausgehend vom Wurzelbereich 4 nach außen zu den freien lateralen Seitenrändern des Drillelementes 2 hin zu. Die Stege S1 bis S6 besitzen eine sehr geringe Spreizung relativ zueinander. Die Stege S1 bis S6 selbst weisen jeweils eine keilförmige Querschnittsform in der Art eines liegenden oder geringfügig schräg gestellten schmalen Dreiecks auf, dessen Spitze in den Wurzelbereich 4 mündet.
Darüber hinaus weisen die Stege S1 bis S6 in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur im Bereich der lateralen Seiten der Drillelement-Querschnittsform, sondern im wesentlichen über ihre nahezu gesamte keilförmige Querschnittsform hinweg unidirektionale, hoch dehnbare Verstärkungsfaserpakete 8 auf, die in eine geeignete Matrix, z.B. ein Epoxydharz, eingebettet sind und ebenfalls eine weitgehend keilförmige Querschnittsform mit einer nach außen hin zunehmenden Dicke besitzen. Die Fasern der unidirektionale Verstärkungsfaserpakete 8 verlaufen in Längsrichtung A des Drillelementes 2 und damit in Flieh kraftrichtung eines dem Drillelement 2 zugeordneten Rotorblattes (nicht gezeigt) des Rotors.
Die unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete 8 erstrecken sich bis zur Außenkontur des Drillelement-Querschnittes. Anders als beim Stand der Technik sind die unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete 8 an der Außenkontur des Drillelement- Querschnittes also nicht durch eine Fasergewebedeckschicht oder dergleichen, die über eine multidirektionale Faseranordnung verfügt, abgedeckt bzw. überlaminiert. Die Fasern der unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete 8 sind vorzugsweise
Kohlefasern. Je nach Anwendungsfall können die Verstärkungsfaserpakete 8 jedoch zusätzlich einem geringen Anteil anderer Faserarten enthalten oder sogar aus anderen Faserarten hergestellt sein.
Die Fasern der unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete 8 liegen in den im Rotorbetrieb durch Schwenkbewegungen des Rotorblattes am stärksten gedehnten Querschnittsbereichen des Drillelementes 2 und können hier sehr hohe Belastungen aufnehmen. Die zuvor genannten Ausgestaltungsform des Drillelement-Querschnittes und insbesondere seiner Stege S1 bis S6 und unidirektionale Verstärkungsfaserpakete 8 stellt somit sicher, dass trotz einer vergleichsweise geringen Drillelement-Querschnittsbreite eine hohe Schwenksteifigkeit erzielbar ist.
Wie in der Zeichnung des weiteren dargestellt, sind die Stege S1 bis S6 in Längsrichtung des Drillelementes 2 jeweils geschlitzt ausgebildet. Pro Steg S1 bis S6 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Schlitz 10 vorgesehen. Grundsätzlich können im Drillelement-Querschnitt zusätzlich zu geschlitzten Stegen S1 bis S6 jedoch auch Stege vorhanden sein, die keine Schlitze aufweisen. Bei den gezeigten Stegen S1 bis S6 erstreckt sich der jeweilige Schlitz 10 ausgehend von einem freien lateralen Seitenrand der Drillelement-Querschnittsform in Richtung zu dem Wurzelbereich 4 und endet kurz vor diesem. Im vorliegenden Fall sind die Schlitze 10 der oberen und unteren Stege S1 , S3 und S4, S6 gleich tief, während die Schlitze 10 der jeweils mittleren Stege S2 und S5 demgegenüber eine geringere Tiefe aufweisen. Die Schlitze 10 sind im wesentlichen geradlinig ausgebildet. Die jeweiligen Schlitzlängsachsen bzw. deren Verlängerungen überkreuzen sich vorzugsweise im Mittelpunkt (hier: Längsachse A) der Drillelement-Gesamtquerschnittsform, wie im gegebenen Ausführungsbeispiel, in unmittelbarer Nähe des Mittelpunktes durch den Wurzelbereich 4.
Der Schlitz 10 eines jeweiligen Steges S1 bis S6 verläuft zwischen (mindestens) zwei benachbarten unidirektionalen Verstärkungsfaserpakten 8. In unmittelbarer Nähe seines Schlitzes 10 weist ein jeweiliger Steg S1 bis S6 mindestens eine Verstärkungsfasergewebelage 12 auf, die ausgehend von einer lateralen Schlitzöffnung U-förmig oder schlaufenförmig um einen Schlitzboden 10a und die innerhalb des Steges S1 bis Sβ befindliche Schlitzkontur herum verläuft. Auch diese U-förmige oder schlaufenförmige Verstärkungsfasergewebelage 12 befindet sich somit zwischen zwei benachbarten unidirektionalen Verstärkungsfaserpakten 8 und ist an diese angeklebt bzw. anlaminiert.
Wie aus der Figur überdies hervorgeht, sind jeweils zwei Stege S1 , S6 und S3, S4, die sich an der Ober- und Unterseite der Drillelement-Querschnittsform paarweise gegenüberliegen, mit mindestens einer Verstärkungsfaserlage 14 ausgestattet, die sich über die Breite des jeweils einen Steges S1 , S3 und über den Wurzelbereich 4 hinweg durchgehend zu dem jeweils anderen, gegenüberliegenden Steg S6, S4 und über dessen Breite erstreckt. Bei der Verstärkungsfaserlage 14 handelt es sich vorzugsweise um ein Fasergewebe. Aus der Zeichnung ist erkennbar, dass die jeweilige Verstärkungsfaserlage 14 (oben und unten) im Wurzelbereich 4 bis an die Außenkontur des Drillelement-Querschnitts reicht. Die lateralen Seitenflächen der Stege S1 bis S6 sind oberhalb und unterhalb der horizontalen Mittelachse H zu der vertikalen Mittelachse V hin abgeschrägt bzw. um einen Winkel α geringfügig geneigt.
Je nach Anwendungsfall kann die Anzahl der Stege variieren und eine geringere oder höhere Anzahl als die oben beschriebenen sechs Stege S1 bis S6 annehmen.
Das erfindungsgemäße Drillelement 2 ist vorzugsweise integraler Bestandteil eines Rotorblattes, eines Rotorblatt-Verbindungselementes, eines Rotorblatt- Anschlusselementes oder eines Rotorkopfelementes (z.B. eine Rotorkopfplatte oder ein Rotorkopfjoch). Es kann jedoch auch als separates Bauteil ausgestaltet werden. Das Drillelement 2 kann an seinen Endbereichen Verbindungselemente zum Anschließen von angrenzenden Bauteilen (z.B. für ein Rotorblatt, falls das Drillelement als separates Bauteil oder als integrales Bauteil eines Rotorkopfelementes ausgestaltet ist) aufweisen.
Das erfindungsgemäße Drillelement 2 ist besonders als Komponente eines lagerlosen Rotors geeignet. Erfindungsgemäß ist ein Drehflügelflugzeug, insbesondere ein Hubschrauber, insbesondere ein Kipprotorhubschrauber, mit mindestens einem lagerlosen Rotor und mit mindestens einem solchen Drillelement 2 ausgestattet.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Bezugszeichenliste
Es bezeichnen:
2 Drillelement
4 Wurzelbereich / Mittenabschnitt von 2
6 Zwischenspalte
8 Unidirektionale Verstärkungsfaserpakete 10 Schlitze
10a Schlitzboden
12 U-förmige oder schlaufenförmige Verstärkungsfasergewebelagen
14 Durchgehende Verstärkungsgewebelagen
S1 Steg
S2 Steg
54 Steg
55 Steg S6 Steg
α Neigungswinkel / Abschrägung

Claims

Patentansprüche
1. Drillelement (2) für einen lagerlosen Rotor, welches weitgehendst aus Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, mit einer im wesentlichen symmetrischen, abgeflachten Drillelement-Querschnittsform, welche annähernd die Umrissform eines liegenden, mittigen Doppelkegelschnitts besitzt.
2. Drillelement (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drillelement-Querschnittsform durch zwei einander seitlich gegenüberliegende gleichartige Gruppen von Stegen (S1 bis S6) gebildet ist, wobei die Stege (S1 bis S6) einer jeweiligen gleichartigen Gruppe (S1 bis S3 und S4 bis S6) ausgehend von einem gemeinsamen dünnen Wurzelbereich (4), der einen Mittenabschnitt der Drillelement-Querschnittsform bildet und in den die Stege (S1 bis S6) beider Gruppen münden, durch schmale Zwischenspalte (6) voneinander getrennt übereinander angeordnet sind und die Dicke der jeweiligen Stege (S1 bis S6) zu den freien lateralen Seitenrändern des Drillelementes (2) hin zunimmt.
Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1 bis S6) jeweils eine keilförmige Querschnittsform besitzen, deren Spitze in den Wurzelbereich (4) mündet.
4. Drillelement (2 nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1 bis S6) zumindest im Bereich der lateralen Seiten der Drillelement-Querschnittsform unidirektionale Verstärkungsfaserpakete (8) aufweisen, deren Fasern in Längsrichtung (A) des Drillelementes (2) verlaufen.
5. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete (8) bis zur Außenkontur des Drillelement-Querschnittes erstrecken.
6. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der unidirektionalen Verstärkungsfaserpakete (8) Kohlefasern sind.
7. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1 bis S6) in Längsrichtung des Drillelementes (2) jeweils mindestens einmal geschlitzt (10) sind, wobei sich der jeweilige mindestens eine Schlitz (10) ausgehend von einem freien lateralen Seitenrand der
Drillelement-Querschnittsform in Richtung zu dem Wurzelbereich (4) erstreckt.
8. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (10) im wesentlichen geradlinig ausgebildet sind und sich die jeweiligen Schlitzlängsachsen oder deren Verlängerungen im Mittelpunkt (A) der Drillelement-Querschnittsform überkreuzen oder in unmittelbarer Nähe des Mittelpunktes (A) durch den Wurzelbereich (4) verlaufen.
9. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schlitz (10) eines Steges (S1 bis S6) jeweils zwischen mindestens zwei benachbarten unidirektionalen Verstärkungsfaserpakten (8) verläuft.
10. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Steg (S1 bis S6) in unmittelbarer Nähe seines Schlitzes (10) mindestens eine Verstärkungsfasergewebelage (12) aufweist, die ausgehend von einer lateralen Schlitzöffnung U-förmig oder schlaufenförmig um einen Schlitzboden (10a) und die innerhalb des Steges (S1 bis S6) befindliche Schlitzkontur herum verläuft und sich zwischen zwei benachbarten unidirektionalen Verstärkungsfaserpaketen (8) befindet.
11. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Stege (S1 , S6; S3, S4), die sich an der Ober- und Unterseite der Drillelement-Querschnittsform paarweise gegenüberliegen, mindestens eine Verstärkungsfaserlage (14) aufweisen, sich über die Breite des jeweils einen
Steges (S1 ; S3) und über den Wurzelbereich (4) hinweg durchgehend zu dem jeweils anderen, gegenüberliegenden Steg (S6; S4) und über dessen Breite erstreckt.
12. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen Seitenflächen der Stege (S1 bis S4) oberhalb und unterhalb einer horizontalen Mittelachse (H) des Drillelement-Querschnitts zur einer vertikalen Mittelachse (V) des Drillelement-Querschnitts hin abgeschrägt (α) sind.
13. Drillelement (2) nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses integraler Bestandteil eines Rotorblattes, eines Rotorblatt- Verbindungselementes, eines Rotorblatt-Anschlusselementes oder eines Rotorkopfelementes ist.
14. Lagerloser Rotor, umfassend mindestens ein Drillelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Drehflügelflugzeug, insbesondere Hubschrauber, umfassend mindestens einen lagerlosen Rotor mit mindestens einem Drillelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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