DE19837802C1

DE19837802C1 - Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers

Info

Publication number: DE19837802C1
Application number: DE1998137802
Authority: DE
Inventors: Rupert Pfaller; Bernhard Enenkl
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: EP0980824B1; EP0980824A3; DE59914139D1; EP0980824A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers, bestehend aus einem auftrieberzeugenden Blatt und mindestens einem zum Rotorkopf und in Rotorblattlängsrichtung angeordneten Strukturelement, wobei am Strukturelement ein schlag-, schwenk- und torsionsweicher Bereich ausgebildet ist. DOLLAR A Bei einem Hubschrauber mit lagerlosem Rotor ist es Aufgabe der Erfindung, den Schlaggelenkabstand beim Rotorblatt unter den vorhandenen Rotorblattbeanspruchungen deutlich zu verkürzen, um die Flugeigenschaft zu verbessern und die Vibrationen zu reduzieren. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die gleiche Aufgabe wird in einer anderen Variante nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. DOLLAR A Mit der Erfindung wird es möglich, den Schlaggelenkabstand bei einem Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor optimal auszubilden. Die Erfindung verbessert die Flugeigenschaften des Hubschraubers und reduziert Vibrationen am Hubschrauber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers, bestehend aus einem auftrieberzeugenden Blatt und mindestens einem zum Rotorkopf und in Rotorblattlängsrichtung angeordneten Strukturelement, wobei am Strukturelement ein schlag-, schwenk- und torsionsweicher Bereich ausgebildet ist.

Rotorblätter für Hubschrauber werden überwiegend aus Faserverbund- Werkstoff hergestellt. Die Rotorblätter werden im Betrieb in verschiedenen Richtungen ausgelenkt und dadurch stark belastet.

Das Rotorblatt bei einem lagerlosen Rotor besitzt am inneren Ende zum Rotorkopf hin ein Strukturelement mit einem schlag- und schwenkweichen Bereich sowie mit einem torsionsweichen Bereich, das Bewegungen in Schlag- und Schwenkrichtung sowie die Winkelauslenkung um die Torsionsachse zuläßt. Dieses Strukturelement wird im Fachgebiet auch als Flexbeam bezeichnet. Schlag- und/oder schwenkweicher Bereich des Strukturelements werden auch zusammenfassend als biegeweicher Bereich bezeichnet. In Richtung Blattlängsachse hat das Strukturelement an seinem Ende zum Rotorkopf hin einen Blattanschluß ausgebildet, der eine Verbindung zum Rotorkopf hin ermöglicht. Der Übergang vom Blattanschluß in den biege- bzw. torsionsweichen Bereich ist zu einem Hals (auch Blatthals genannt) ausgebildet. Das Strukturelement überträgt das Antriebsmoment vom Rotorkopf und überträgt die Fliehkräfte des Blattes auf den Rotorkopf. Damit das Strukturelement separat gefertigt bzw. bei Beschädigung ausgetauscht werden kann, wird oft eine Trennstelle zwischen Strukturelement und dem auftrieberzeugenden Blattbereich eingebaut. Der auftrieberzeugende Blattbereich erstreckt sich von dieser Trennstelle bis zum äußersten Ende des Rotorblattes (Blattspitze genannt).

Der Blatthals des Strukturelements besitzt in der Regel den schlagweichen Bereich, der ein Schlagen des Blattes in vertikaler Richtung ermöglicht. Somit bildet der schlagweiche Bereich eine fiktive, horizontal orientierte Achse (auch Schlaggelenk genannt), um welche das Rotorblatt Schlagbewegungen ausführt. Der Abstand zwischen dieser fiktiven Achse d. h. dem sogenannten Schlaggelenk bis zur Mittellängsachse des Rotormastes wird als Schlaggelenkabstand bezeichnet. Bei einem lagerlosem Rotor ist dieser Schlaggelenkabstand relativ groß. Der Schlaggelenkabstand beträgt etwa 9% der Gesamtlänge gemessen von der Mittellängsachse des Rotormastes in radialer Richtung bis zur Blattspitze. Dieser relativ hohe Schlaggelenkabstand beim lagerlosen Rotor ist verantwortlich für eine relativ hohe Momentübertragung. Der relativ hohe Schlaggelenkabstand ist nachteilig für die Flugeigenschaften des Hubschraubers. Blattanschluß und Blatthals müssen entsprechend stark dimensioniert sein, um der damit verbundenen Beanspruchung zu widerstehen.

Infolge der hohen Belastungen des Rotorblattes beim lagerlosen Rotor und der damit zu gewährleistenden Festigkeit des Rotorblattes ist es äußerst schwierig, den Schlaggelenkabstand zu reduzieren. Eine solche Materialreduktion am Strukturelement könnte einerseits den Schlaggelenkabstand wesentlich verbessern, andererseits würde sich jedoch die Lebensdauer reduzieren.

Im Stand der Technik ist ein lagerloser Rotor bekannt, der am Rotorkopf eine Rotorkopfplatte befestigt hat. Die Rotorkopfplatte hat, entsprechend der Anzahl der Rotorblätter, ausgebildete Blattanschlußarme, die jeweils mit einem sogenannten Strukturgrundelement eines Rotorblattes verbunden sind. Das Strukturgrundelement ist ein Teil eines Strukturelements und hat mindestens einen schwenk- und torsionsweichen Bereich. In einem solchen Fall bilden ein Blattanschlußarm der Rotorkopfplatte und ein Strukturgrundelement das bekannte (zusammengesetzte) Strukturelement. Auch für diesen Fall existieren die bekannten Nachteile.

Es ist also unerheblich, ob das Strukturelement einstückig ausgebildet ist oder ob es in Richtung der Blattlängsachse aus mehreren nacheinander angeordneten Teilstücken besteht (zusammengesetztes Strukturelement), die das Strukturelement bilden.

Bei einem Hubschrauber mit lagerlosem Rotor ist es Aufgabe der Erfindung, den Schlaggelenkabstand beim Rotorblatt unter den vorhandenen Rotorblattbe anspruchungen deutlich zu verkürzen, um die Flugeigenschaften zu verbessern und die Vibrationen zu reduzieren.

Die Aufgabe wird gelöst nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Platte im schlagweichen Bereich des Strukturelements vom Rotorblatt zu verbinden. Vorteilhafterweise wird damit die Einstellung eines Neigungswinkels β₀ erreicht. Die Verbindung der Platte mit dem Rotorblatt kann auch im torsionsweichen Bereich des Strukturelements realisiert werden.

Die Platte ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß sie radial nach außen in Richtung zum Strukturelement erstreckende Blattanschlußarme ausgebildet hat, die eine Verbindung mit dem jeweiligen Strukturelement ermöglichen. Die Platte kann in ihrer Biegesteifigkeit variierbar sein. Sie ist damit auf unterschiedliche Flugeigenschaften einstellbar. Vorteilhafterweise ist die Platte biegeweich.

Die gleiche Aufgabe kann gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 gelöst werden.

Diese Lösung beinhaltet ein Strukturelement, welches von seinem Ende am Rotorkopf bis mindestens in den schlagweichen Bereich hinein zumindest zweigeteilt ist. Die durch die Teilung gebildeten Arme des Strukturelements sind in Richtung der Längsachse des Rotormastes, d. h. in axialer Richtung, gestaffelt. Das Strukturelement ist somit Y-förmig ausgebildet. Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das in axialer Richtung dem Rotorkopf zugewandte Armelement mit dem Rotorkopf verbunden. Das in axialer Richtung dem Rotorkopf abgewandte Armelement ist mit einer Grundplatte verbunden, die in axialer Richtung freitragend oberhalb des Rotorkopfes koaxial positioniert ist. Mit der Erfindung wird eine Verbesserung der Flugeigenschaft erreicht und Vibrationen werden deutlich reduziert.

Ausführungsbeispiele zur Erfindung sind in nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisierte Seitenansicht einer Anordnung der Platte gegenüber dem Rotorkopf und dem Rotorblatt beim lagerlosen Rotor

Fig. 2 schematisierte Draufsicht zu Fig. 1

Fig. 3 Auslenkung des Rotorblatts ohne Auftrieb mit biegeweicher Platte

Fig. 4 Auslenkung des Rotorblatts ohne Auftrieb mit biegesteifer Platte

Fig. 5 Blattanschlußarme von Platte und Rotorkopfplatte scherenförmig angeordnet

Fig. 5a Draufsicht zu Fig. 5

Fig. 6 axial angeordnetes Zwischenstück zwischen Platte und Rotorkopfplatte

Fig. 6a Zwischenstück mit differierenden Durchmessern

Fig. 6b Zwischenstück aus Kreuzwicklungen in Faserverbundwerkstoff

Fig. 7 Strukturelement mit zwei Armelementen

Der Rotormast 4 trägt gemäß Fig. 1 einen Rotorkopf 3. Der Rotormast 4 überträgt das Antriebsmoment, welches mittels Kraftübertragungsmittel vom Antriebsaggregat des Hubschraubers auf den Rotormast 4 übertragen wird und von dort weiter auf die Rotorblätter. Die Rotorblätter 8 sind am Rotorkopf 3 befestigt. Im allgemeinen besteht das einzelne Rotorblatt 8 aus einem Strukturelement 7 und einem nachfolgend in Längsachse des Strukturelements 7 liegenden, auftrieberzeugenden Blatt 6. Das entspricht einer grundlegenden Konstruktion eines Rotorblattes. Das Strukturelement 7 ist an seinem Ende zum Rotorkopf 3 hin zu einem Blattanschluß ausgebildet, der den Anschluß an den Rotorkopf 3 ermöglicht. Der Blattanschluß des Strukturelements ist in Form eines Blatthalses in einen biege- und torsionsweichen Bereich übergeleitet. An einer lösbaren Trennstelle ist das Strukturelement 7 mit dem auftrieberzeugenden Blatt 6 verbunden.

Fig. 1 zeigt insbesondere ein Strukturelement 7, welches aus 2 Teilstücken zusammengesetzt ist. Das schränkt die Erfindung nicht ein. Ein Strukturelement 7 wird gebildet von einem Blattanschlußarm 2.3 einer Rotorkopfplatte 2 und einem Strukturgrundelement 5. Der Blattanschlußarm 2.3 kann in einem solchen Fall den schlagweichen Bereich und das Strukturgrundelement 5 den schwenk- und torsionsweichen Bereich haben. Der schwenk- und torsionsweiche Bereich kann aber auch bereits im Blattanschlußarm 2.3 enthalten sein. Die Rotorkopfplatte 2 ist mit dem Rotorkopf 3 mittels einer Verbindung V₂ verbunden.

Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, ist das Rotorblatt 8 mit Strukturelement 7 mittels einer zusätzlichen Platte 1 positioniert. Nachfolgend wird dieses Merkmal erläutert.

Mit der Rotation des Rotorblattes 8 entsteht aus Fliehkraft und Auftrieb bekannterweise eine resultierende Kraft, welche ein bisher nicht im Winkel α fixiertes Rotorblatt um den Winkel α gegenüber der Horizontalen h leicht anhebt. Das Rotorblatt 8 bewegt sich nicht mehr in einer horizontalen Ebene h, sondern folgt bei der Rotation der Kontur eines fiktiven Kegelmantels. Aufbauend auf diesem Sachverhalt ist die Verbindung zwischen Rotorblatt 8 und der Platte 1 besonders vorteilhaft.

Die Verbindung der Platte 1 mit dem Rotorblatt 8 ermöglicht nämlich bereits im Stillstand des Rotorblattes einen Neigungswinkel β₀ für jeweils einen Blattanschlußarm 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 der Rotorkopfplatte 2. Es gilt β_o ≧ 0⁰. Da im vorliegenden Fall das Strukturelement 7 aus den beiden Teilstücken Blattanschlußarm 2.3 und Strukturgrundelement 5 besteht, erfolgt eine Verbindung V₁ von Blattanschlußarm 1.3 der Platte 1 mit Strukturgrundelement 5 und mit Blattanschlußarm 2.3 der Rotorkopfplatte 2.

Mit dieser Maßnahme wird bei Blattrotation die Beanspruchung des fiktiven Schlaggelenks S reduziert. S kennzeichnet den Ort des Gelenks, nicht die Lage. Im vorliegenden Beispiel nach Fig. 1 kann das Schlaggelenk S vorzugsweise im Blattanschlußarm 2.3 der Rotorkopfplatte 2 liegen.

Bemerkenswert bezüglich der Platte 1 ist, daß die Platte 1 in axialer Richtung freitragend oberhalb des Rotorkopfes 3 koaxial positioniert ist. Wie im weiteren Fig. 2 erkennen läßt, besitzt die Platte 1 beispielsweise vier Blattanschlußarme 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4. Sie kann als "Sternplatte" ausgebildet sein. Die Anzahl der Blattanschlußarme der Platte 1 richtet sich nach der Anzahl der vorhandenen Rotorblätter 8. Eine Verbindung V₁ zwischen einem Blattanschlußarm der Platte 1 sowie einem Blattanschlußarm der Rotorkopfplatte 2 und dem Strukturgrundelement 5 erfolgt beispielsweise durch die Bolzenverbindung V10 und V11, die die Verbindung V₁ bilden. Vorteilhafterweise wird das Rotorblatt 8 im schlagweichen Bereich des Strukturelements 7 mit der Platte 1 verbunden. Unter bestimmten, gewünschten konstruktiven Belangen ist es auch möglich das Rotorblatt bis über den torsionsweichen Bereich des Strukturelements 7 mit der Platte 1 zu verbinden. Die Platte 1 besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff mit einstückig angeformten, sich radial nach außen erstreckenden Blattanschlußarmen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

Mit der Platte 1 und ihrer Anordnung zu den Rotorblättern wird es möglich, das mit dem Rotorkopf 3 zu verbindende Strukturelement 7 in seiner bisher üblichen Materialstärke zu reduzieren, da es andererseits durch die Verbindung mit der Platte 1 zusätzlich gegen mechanische Beanspruchung unterstützt wird. Somit wird es zulässig beispielsweise den Blatthals des Strukturelements dünner zu gestalten bzw. den Blattanschlußarm der Rotorkopfplatte kostengünstiger zu konstruieren. Damit kann der biegeweiche Bereich im Strukturelement 7 näher in Richtung Rotormast 4 geführt werden, so daß sich der Schlaggelenkabstand deutlich verkürzt. Er erreicht den optimal anzustrebenden Wert.

Fig. 3 zeigt schematisch beim lagerlosen Rotor eine Seitenansicht zu einer Auslenkung zweier gegenüberliegender Rotorblätter ohne Auftrieb. Die dabei eingesetzte Platte 1 ist biegeweich. Fig. 3 verdeutlicht ein Schlagen zweier Rotorblätter 8 in angegebener Pfeilrichtung. Die durch Fliehkraft und Schlagwinkel vorgegebene Winkelstellung der Rotorblätter wird durch Einzelbiegung sowohl von Platte 1 als auch von der Rotorkopfplatte 2 übertragen. Der Blattanschluß kann somit "weicher" d. h. elastischer gemacht werden. Die Zwangsverformungen erzeugen kleinere Materialspannungen als dies bei der bekannten Konstruktion der Fall ist. Es kann folglich nach der Erfindung das Rotorblatt im Bereich des Strukturelements 7 leichter gebaut werden. Die Platte 1 hat den Vorteil, daß die Fliehkraft eines Rotorblattes 8 teilweise über die Platte 1 aufgefangen und übertragen wird. Die Gesamtheit der an der Platte 1 angreifenden Fliehkräfte, beispielsweise eines vierblättrigen Rotors, brauchen nicht abgesetzt zu werden.

Die Querkraft aus Auftrieb kann auch durch einen vorgegebenen, fixierten Neigungswinkel β₀ für das Strukturelement auf Zugkraft umgelenkt werden. Somit kann der Schub aus Querkraft (nachteilig bei Faserverbundwerkstoff) deutlich gemindert werden.

Da die Platte 1 lösbar mit den Rotorblättern 8 verbunden ist, kann sie gegen eine Platte veränderter Steifigkeit getauscht werden. Es besteht somit die Möglichkeit entsprechend den gewünschten Flugeigenschaften eines Hubschraubers, die Platte 1 am Rotor zu tauschen.

Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3 die Möglichkeit, durch Wechsel der Materialeigenschaft zwischen der Platte 1 und der Rotorkopfplatte 3 ein Verhalten des Rotors zu erzeugen, welches in dem weiten Bereich zwischen lagerlosem Rotor und Gimbal-Rotor beliebig variiert werden kann. Diese Möglichkeit ist realisierbar indem beispielsweise die Platte 1 biegesteifer als Rotorkopfplatte 2 konstruiert wird. Fig. 4 zeigt hierzu eine Ansicht einer Rotorblattauslenkung ohne Auftrieb.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß Fig. 5 sind schematisch die Blattanschlußarme der Platte 1 und der Rotorkopfplatte 2 zueinander scherenförmig angeordnet, ohne sich zu berühren (Fig. 5a). In einem solchen Fall ist die erzielbare geringere Bauhöhe zwischen Platte 1 und Rotorkopfplatte 2 von Vorteil.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung nach Fig. 6 ist zwischen Rotorkopfplatte 2 und Platte 1 formschlüssig ein elastisches Zwischenstück 9 als sogenannte "Mastspitze" angeordnet. Das Zwischenstück 9 ist mittels der Verbindungen V₂ und V₃ befestigt. Dieses elastische Zwischenstück 9 erfüllt eine passive Funktion gegenüber der Platte 1. Je nach Grad der Elastizität des Zwischenstücks 9 kann Einfluß auf das Biegeverhalten der Platte 1 genommen werden. Beispielsweise bei einer biegeweichen Platte 1 können durch Einstecken des Zwischenstückes 9 zeiteffektiv und kostengünstig die biegeweichen Eigenschaften der Platte verändert werden, d. h. die Platte kann in ihrem Verhalten biegesteifer gemacht werden. Somit ist mittels Zwischenstück 9 die Steifigkeit der Platte 1 sehr schnell veränderbar, d. h. die Flugeigenschaften sind ohne großem Aufwand veränderbar.

Nach Fig. 6a wird eine Elastizität des Zwischenstückes 9 vorzugsweise durch dessen radial unterschiedliche Durchmesser erreicht. Nach Fig. 6b wird ein Zwischenstück 9 aus Kreuzwicklungen in Faserverbundwerkstoff gezeigt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann bei gleichem Erfindungsgegenstand auch mit den Merkmalen einer anderen Variante gelöst werden.

Fig. 7 zeigt, daß das Strukturelement 7 mindestens bis zum biegeweichen Bereich in mindestens zwei Armelemente 7.1, 7.2 aufgespalten ist. Die Armelemente 7.1, 7.2 sind in axialer Richtung zur Längsachse L des Rotormastes 4 gestaffelt. Die Teilung des Strukturelements 7 kann bei Bedarf auch in radialer Richtung bis in den torsionsweichen Bereich fortgesetzt sein. Das in axialer Richtung dem Rotorkopf 3 zugewandte Armelement 7.2 ist mit dem Rotorkopf 3 verbunden. Das in axialer Richtung dem Rotorkopf 3 abgewandte Armelement 7.1 übernimmt die Funktion eines Blattanschlußarmes und ist mit einer Grundplatte G verbunden, die ebenfalls freitragend, aber beispielsweise ohne zusätzliche Blattanschlußarme ausgebildet ist. Die Grundplatte G ist mittels einer Verbindung V₃ mit dem Armelement 7.1 verbunden.

Die Armelemente der restlichen Rotorblätter sind ebenfalls mit der Grundplatte G verbunden.

Claims

1. Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers, bestehend aus einem auftrieberzeugenden Blatt und mindestens einem zum Rotorkopf und in Rotorblattlängsrichtung angeordneten Strukturelement, wobei am Strukturelement ein schlag-, schwenk- und torsionsweicher Bereich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (8) im Bereich des Strukturelements (7) mit einer Platte (1) verbunden ist, die in axialer Richtung (L) freitragend oberhalb des Rotorkopfes (3) koaxial positioniert ist.

2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (8) im schlagweichen Bereich des Strukturelements (7) mit der Platte (1) verbunden ist.

3. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (8) im torsionsweichen Bereich des Strukturelements (7) mit der Platte (1) verbunden ist.

4. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) einen radial nach außen in Richtung zum Strukturelement (7) erstreckenden Blattanschlußarm (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) ausgebildet hat, der eine Verbindung (V₁) mit dem Strukturelement (7) bildet.

5. Rotorblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zwischen Platte (1) und Strukturelement (7) so erfolgt, daß der Blattanschlußarm (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) der Rotorkopfplatte (2) in einem Neigungswinkel (β₀) gegenüber einer Horizontalen (h) gehalten ist.

6. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) biegeweich ist.

7. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) in ihrer Biegesteifigkeit variierbar ist.

8. Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers, bestehend aus einem auftrieberzeugenden Blatt und mindestens einem zum Rotorkopf und in Rotorblattlängsrichtung angeordneten Strukturelement, wobei am Strukturelement ein schlag-, schwenk- und torsionsweicher Bereich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturelement (7) von dem Rotorkopf (3) zugewandten Ende bis mindestens in den schlagweichen Bereich hinein zumindest zweigeteilt ist, wobei die durch eine Teilung gebildeten Arme (7.1, 7.2) des Strukturelements (7) in Richtung der Längsachse (L) des Rotormastes (4) gestaffelt sind.

9. Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in axialer Richtung (L) dem Rotorkopf (3) zugewandte Armelement (7.2) mit dem Rotorkopf (3) verbunden ist.

10. Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in axialer Richtung (L) dem Rotorkopf (3) abgewandte Armelement (7.1) mit einer Grundplatte (G) verbunden ist.