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DE19528155C1 - Verdrehbares Rotorblatt aus faserverstärktem Kunstharz - Google Patents

Verdrehbares Rotorblatt aus faserverstärktem Kunstharz

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DE19528155C1
DE19528155C1 DE19528155A DE19528155A DE19528155C1 DE 19528155 C1 DE19528155 C1 DE 19528155C1 DE 19528155 A DE19528155 A DE 19528155A DE 19528155 A DE19528155 A DE 19528155A DE 19528155 C1 DE19528155 C1 DE 19528155C1
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rotor
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blade
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Andreas Bueter
Matthias Piening
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verdrehbares Rotorblatt aus faserverstärktem Kunst­ harz, dessen Profil wenigstens im Bereich der Blattspitze durch Aktuatoren um die Ro­ torblattlängsachse verdrehbar ausgebildet ist.
Bei Rotorblättern großer Längserstreckung und geringer Profiltiefe, wie sie insbesondere im rotierenden Tragwerk von Drehflüglern, insbesondere Hubschraubern, verwendet wer­ den, führen die Luftkräfte zu Rotorblattschwingungen und Vibrationen, die wesentlich zu der Geräuschabstrahlung und Schwingungen des Rumpfes führen. Bei einem Drehflüg­ ler, inbesondere Hubschrauber, wirken sich dabei weiter die unterschiedlichen Kräfte aus, die in Abhängigkeit von der Winkelstellung des jeweiligen Rotorblattes zur Rumpflängs­ achse unterschiedlich wirksam werden. Einflußgrößen für das dynamische System des Rotors sind die dynamischen Eigenschaften der Rotorblätter, ihre Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsverhältnisse sowie die Blattanschlußbedingungen.
Vorstehendes gilt sinngemäß auch für sonstige Rotoren mit Rotorblättern großer Längs­ erstreckung und geringer Profiltiefe, wie sie beispielsweise in Windrädern verwendet werden.
Aus einem Vortrag mit dem Titel "Feasibility of Arbitrary Pitching Motion Controlled by Piezoceramic Actuators to Reduce Blade-Vortex Interaction Noise", gehalten von Marc P. Amerigo und James D. Baeder auf dem American Helicopter Society 51st ist Annual Forum, Forth Worth Tx May 9-11, 1995 ist es bekannt, eine Verdrehung eines orthotrop gewic­ kelten Rotorblattes durch in die Torsionshaut des Rotorblattes integrierte streifenförmige flächige Piezoelemente herbeizuführen, und zwar an den beiden Profiloberseiten, jeweils mit entgegengesetzter Winkelrichtung. Piezoelemente dieser Art sind hinsichtlich der für die Verdrehung aufzubringenden Kräfte begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rotorblatt der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß die Verdrehung des Rotorblattes zur Veränderung der aero-elastischen Bewe­ gungsgleichungen des Rotors und des durch den Rotor angetriebenen Systems in einfa­ cherer und effektiverer Weise möglich wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Patentanspruch 1 heraus­ gestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt die Spitze eines Rotorblattes in erfindungsgemä­ ßer Ausbildung.
Fig. 2 zeigt schematisch die Blattverdrehung an der Spitze eines erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorblattes und weiter den prinzipiellen Aufbau eines mögli­ chen Regelungskonzeptes.
Das in Fig. 1 mit dem Bereich seiner Blattspitze dargestellte Rotorblatt 2 weist im rechts vom Radius dargestellten Bereich einen üblichen Aufbau mit einem durch Unidirektional­ fasern biege- und zugsteif verstärkten Holmträger 4 und einer darauf angeordneten und fest mit dem Holm verbundenen torsionssteifen Haut 6 auf. Im Bereich der Blattspitze zwischen den Radien r und R ist die Torsionshaut 6 von dem Holmträger entkoppelt. Sie kann zu diesem Zweck lose auf dem Holmträger aufliegend ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, zwischen der Torsionshaut und dem Holmträger in diesem Bereich eine schubweiche Zwischenschicht anzuordnen, über die die Torsionshaut auf dem Rotorblat­ tholm in ihrer Lage gehalten wird und die gleichzeitig als Wicklungsträger beim Wickeln der Torsionshaut dienen kann.
In dem Bereich r-R ist die Torsionshaut 6 zur Erreichung einer Zug-Drehkopplung durch eine Zusatzwicklung mit einer Wickelrichtung anisotrop ausgebildet. Damit führt eine in Längsrichtung des Rotorblattes auf die Rotorblattspitze in Richtung auf die Blattwurzel einwirkende Normalkraft in diesem Bereich zu einer Verdrehung der Torsionshaut auf dem Rotorblattholm. Durch diese Verdrehung werden die Anströmbedingungen verändert und über diese Änderung lassen sich Störgrößen, wie sie z. B. aus Luftkraft­ schwankungen, Blattbewegungen, Wirbeln und dergleichen resultieren, beeinflussen.
Zur Vermeidung von Steifigkeitssprüngen ist im Bereich des Überganges von der auf dem Holm befestigten Torsionshaut zum drehbaren Bereich der Torsionshaut ein stetiger Übergang von der anisotropen Wicklung der Torsionshaut im Bereich der Blattspitze in die Wicklung der Torsionshaut im radial einwärts davon liegenden Bereich des Rotorblat­ tes notwendig durch allmähliche Anpassung des Wickelwinkels der Zusatzwicklung.
Der Wickelwinkel der anisotropen Zusatzwicklung ist abhängig von der Kraft, die von dem gewählten Aktuator aufbringbar ist, und dem mit dem Aktuator durchführbaren Weg. Der Wickelwinkel ist um so kleiner zu wählen, je geringer der Weg bei großer Kraft ist. So kann dieser Winkel beispielsweise in der Größenordnung von 18° zur Rotorblattlängs­ achse liegen bei Verwendung eines Piezoaktuators, der bei kleinen Längenänderungen große Kräfte aufzubringen vermag. Bei einem Aktuator mit kleinen Kräften aber großen Längenänderungen kann die anisotrope Zusatzwicklung beispielsweise mit einem Winkel in der Größenordnung von 40° zur Rotorblattachse liegen. Die Zusatzwicklung kann un­ ter, aber auch über der ± 45°-Wicklung der Torsionshaut angeordnet sein.
Eine Verdrehung der Torsionshaut 6 im Bereich der Blattspitze und damit eine Änderung des Anströmwinkels wird bei der Ausführungsform nach Fig. 1 über einen Druckkräfte in Längsrichtung des Rotorblattes erzeugenden Aktuator 8 bewirkt. Dieser Aktuator kann beispielsweise ein Piezo-Aktuator, ein magnetostriktiver Aktuator, aber auch ein Aktuator in Hybridausführung mit einer Kombination verschiedener Aktuatorformen sein. Der Ak­ tuator ist auf der von der Blattspitze abgewandten Seite einer im Holm angeordneten Stützwand 10 befestigt und axial festgelegt.
An der Spitze des Rotorblattes ist eine Ankerplatte 12 angeordnet, die stirnseitig auf dem Ende der anisotropen Torsionshaut aufliegt und darüberhinaus fest mit dem Ende der anisotrop gewickelten Torsionshaut verbunden ist. Zwischen dem Aktuator 8 und der Platte 12 ist ein Zugelement 14 angeordnet, das mit seinem einen Ende auf dem von der Blattspitze abgewandten Ende des Aktuators 8 befestigt ist und mit seinem anderen En­ de fest mit der Ankerplatte 12 verbunden ist. Als Zugkraft übertragendes Mittel kann ein Strang aus hochfesten Fasern geringer Dehnung vorgesehen sein.
Durch eine Längenänderung des Aktuators 8 wird über das Zugelement 14 und die An­ kerplatte 12 auf die Stirnseite der Torsionshaut eine Druckkraft übertragen, die eine von der Anisotropie der Torsionswicklung abhängige Verdrehung des Rotorblattprofils - Winkel α - hervorruft, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Um die die Torsion be­ wirkende Bewegung durchführen zu können, ist zwischen der Ankerplatte 12 und der Stirnseite 16 des Holms ein Abstand a vorzusehen.
Durch eine Kürzung des Aktuators können sich die auf die Blattspitze wirkenden Zentri­ fugalkräfte im Sinne einer Verdrehung mit entgegengesetztem Verdrehwinkel auswirken.
Der anisotrop gewickelte Abschnitt der Torsionshaut wird durch die aufgebrachte Druck­ kraft elastisch verformt. Die dabei in die Torsionshaut induzierten Kräfte können als Rückstellkräfte genutzt werden. Zusätzlich dazu können auch Fliehkräfte zur Rückdre­ hung der Torsionshaut verwendet werden. So kann an der Ankerplatte 12 eine Masse 18 befestigt sein, die über die Ankerplatte, die in diesem Fall schubfest mit dem Ende der anisotropen Torsionshaut zu verbinden ist, auf die anisotrope Torsionshaut wirkt. Hierfür kann die vielfach am Ende von Rotorblättern ohnehin angebrachte Masse, z. B. von An­ bauteilen, verwendet werden.
Durch eine Verkürzung des Aktuators 8 kann über die Masse 18 der Abschnitt der aniso­ trop gewickelten Torsionshaut durch die Zentrifugalkraft auf Zug beansprucht werden, was eine von der Anisotropie der Torsionswicklung abhängige entgegengesetzte Ver­ drehung des Rotorblattprofils - Winkel α - hervorruft.
Als Aktuatoren finden vorzugsweise solche Verwendung, die elektrisch steuerbar sind. In diesem Fall brauchen dann über die Länge des Rotorblattes von der Rotorblattwurzel bis zum Aktuator nur elektrische Leiter verlegt zu werden.
Bei Verwendung elektrisch betätigter Aktuatoren ist die Änderung des Anstellwinkels des Profils im Bereich der Blattspitze in einfacher Weise strom- oder spannungsabhängig variierbar.
In Fig. 2 ist das Rotorblatt Teil eines Rotors mit der Drehachse 20. An dem Rotorblatt lassen sich durch Dehnungsmeßstreifen in bekannter Weise die Biegebeanspruchungen erfassen, die u. a. durch Luftkraftschwankungen aber auch Rotorblattschwingungen be­ einflußt werden. In einer Struktur, die durch den Rotor angetrieben wird, beispielsweise einem Hubschrauber, stehen Referenzquellen für die Stellung der Rotorblätter relativ zur Rumpflängsachse zur Verfügung, beispielsweise am Rotorkopf oder am Antrieb. Eine weitere Referenzquelle ist beispielsweise die Lage der die Blattdrehbewegungen steu­ ernden Taumelscheibe.
So lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorblattspitze über eine Variation des Anstellwinkels (regelbare Blattverwindung) zusätzliche Luftkräfte erzeugen, die die aeroelastischen Bewegungsgleichungen verändern. Die damit verbundene Be­ einflussung der dynamischen Blattbewegungen des Rotors (Schlag-, Schwenk- und Tor­ sionsbewegung) ermöglicht so eine gezielte Änderung des effektiven Anstellwinkels, der sich aus dem geometrischen Anstellwinkel (Anstellwinkel aus: kollektiver Blattverstellung, zyklischer Blattverstellung und regelbarer Blattverwindung) und einem aus den Blattbe­ wegungen induzierten Anstellwinkel zusammensetzt. Diese Beeinflussung der Rotor­ dynamik ermöglicht die folgende Einflußnahme:
  • 1. eine Kontrolle der aeroelastischen Instabilitäten (durch Regelung),
  • 2. eine gezielte Beeinflussung der Luftkräfte, um durch das Strömungsfeld induzierte Störungen direkt zu kompensieren (durch Regelung) und
  • 3. eine Beeinflussung der dynamischen Blattbewegungen des Rotors, mit dem Ziel, ört­ liche Strömungseffekte wie z. B. den Strömungsabriß beim rücklaufenden Blatt zu ver­ meiden (durch Regelung).
Wesentlich ist, daß Regelgrößen entsprechend den jeweiligen Anforderungen schnell in die erforderlichen Blattverdrehungen umgesetzt werden können.

Claims (16)

1. Rotorblatt aus faserverstärktem Kunstharz, dessen Profil wenigstens im Bereich der Blattspitze durch Aktuatoren um die Rotorblattlängsachse verdrehbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionshaut (6) des Rotorblattes (2) im Bereich der Blattspitze (r-R) anisotrop im Sinne einer Zug-Drehkopplung ausgebildet und im Rotorblattholm (4) ein in Längsrichtung des Rotorblattes auf die Rotorblattspitze wir­ kender steuerbarer Aktuator (8) angeordnet ist.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung der Anisotropie der Torsionshaut (6) eine einseitige Wicklung mit einem Wickelwinkel zur Rotorblattlängsachse, der vom Kraft-Weg-Verhältnis des Aktuators abhängig kleiner als 45° ist, vorgesehen ist.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Blattspitze (r-R) die anisotrop ausge­ bildete Torsionshaut (6) lose auf dem Rotorblattholm (4) aufliegend angeordnet ist.
4. Rotorblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Torsionshaut (6) und dem Rotorblatt­ holm (4) eine schubweiche Zwischenschicht angeordnet ist.
5. Rotorblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (8) so ausgebildet und angeordnet ist, daß auf die Stirnseite der Rotorblattspitze eine gesteuerte Normal kraft in Blatt­ längsrichtung aufbringbar ist.
6. Rotorblatt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (8) im Rotorblatt (2) so abgestützt ist, daß er in seiner Länge veränderbar und über Zug kraft übertragende Mittel (14) mit der Stirnseite der Torsionshaut (16) an der Blattspitze verbunden ist.
7. Rotorblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (8) durch eine Vergrößerung seiner Län­ ge eine Blattverdrehung in die eine Richtung (+ α) und durch eine Verkleinerung seiner Länge eine Blattverdrehung in die andere Richtung (- α) erzeugen kann.
8. Rotorblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Kräfte für die Blattverdrehung in die eine Richtung durch Aktuatorkräfte erzeugbar und die notwendigen Kräfte für die Blattverdrehung in die andere Richtung durch die Zentrifugalkraft erzeugt werden.
9. Rotorblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zugkraft übertragendes Mittel ein Strang (14) aus hochfesten Fasern geringer Dehnung vorgesehen ist, der mit einer stirnseitig auf der Rotorblattspitze aufliegenden Ankerplatte (12) verbunden ist, die stirnseitig auf dem Ende der anisotropen Torsionshaut aufliegt und mit dieser fest verbunden ist.
10. Rotorblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (12) als eine Fliehkraft erzeugende Masse (18) ausgebildet ist.
11. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktuator (8) ein Piezoaktuator vorgesehen ist.
12. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktuator (8) ein magnetostriktiver Aktuator vorge­ sehen ist.
13. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel der Steuerung der die Verdrehung der Torsions­ haut bewirkenden Aktuatoren in Abhängigkeit von der Rotorblattlage in einem System mit einem Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt vorgesehen sind.
14. Rotorblatt nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Rotor mit wenigstens zwei Rotorblättern.
15. Rotorblatt nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß das System ein Drehflügler ist.
16. Rotorblatt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren für die auf die Rotorblätter einwirkenden Kräfte vorgesehen sind und daß ein Regelkreis vorgesehen ist, mit dem die Änderung der Anströmbedingungen durch Verdrehung des Profils in Abhängigkeit von den auf die Rotorblätter wirkenden Kräften und der Lage der Rotorblätter relativ zum Rumpf des Drehflüglers gesteuert werden.
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