DE2856400C2 - Tragflügel, insbesondere für Drehflügelflugzeuge - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Tragflügel, insbesondere für Drehflügelflugzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei der Konstruktion von Flugzeugen wird der Leistungsfähigkeit der Tragflügel unter Belastung besondere Beachtung geschenkt. Die auftretenden Belastungszustände der Tragflügel sind bei Drehflügelflugzeugen besonders komplex. Beispielsweise sind die Rotorblätter eines Hubschraubers während ihres Umlaufs ständig zyklischen Belastungsschwankungen unterworfen. Diese Belastungsschwankungen verursachen Vibrationen, die auf den Rumpf des Flugzeugs übertragen werden können. Die dabei außerdem auftretenden Materialermüdungserscheinungen können besonders gefährlich sein, wenn die Rotorblätter oder ihre Befestigungen teilweise aus Metall bestehen.
• Die hohe Drehzahl moderner Hubschrauberrotoren hat transsonische Strömungszustände an den Blattspitzen der Rotorblätter zur Folge, wenn sich das betreffende Blatt in Bezug auf die Flugrichtung vorwärts bewegt. Der Blattspitzenabschnitt kann dabei einen sehr großen Widerstand induzieren. Am rücklaufenden Rotorblatt ist die Anströmgeschwindigkeit im Blattspitzenbereich sehr viel geringer als am vorlaufenden Blatt und die Strömung im Blattspitzenbereich kann abreißen, was unerwünschte Schwingungserscheinungen und Geräuschentwicklung zur Folge hat. Ein weiteres Problem liegt in der Bildung von Blattspitzenwirbeln, was in beträchtlichem Maße zur Gesamtgeräuschentwicklung beiträgt.
• Zur Vermeidung dieser Probleme sind bereits Konstruktionen vorgeschlagen worden, bei welchen der Flügelspitzenbereich aus der Spannweitenrichtung abgebogen ist. Bei Hubschrauber-Rotorblättern ist es jedoch aufgrund der miteinander im Widerstreit stehenden Forderungen im Hinblick auf die unterschiedlichen Verhältnisse am vorlaufenden und rücklaufenden Rotorblatt im Hinblick auf die Flugrichtung schwierig, eine merkliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit zu erreichen.
• Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines Flugzeugs ist es auch wünschenswert, daß die Tragflügel so leicht wie möglich ausgebildet werden. Zu diesem Zweck wird auch die Forschung nach neuen Werkstoffen für die Konstruktion von Tragflügeln weiter betrieben. Kompositwerkstoffe mit in ein Trägermaterial eingebetteten Fasern haben sich als besonders geeignet für Rotorblätter herausgestellt. Derartige Rotorblätter werden im allgemeinen als Laminat aus mehreren vorimprägnierten Schichten hergestellt. Eine sorgfältige Orientierung der einzelnen Schichten ergibt orthotrope Eigenschaften, während gleichzeitig eine im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufende Hauptbiegesteifigkeitsrichtung beibehalten wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Tragflügel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art eine Verbesserung der Blattspitzenverhältnisse zu erreichen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Die Hauptbiegesteifigkeitsrichtung kann gemäß der Erfindung zur Tragflügelvorderkante oder zur Tragflügelhinterkante hin abgelenkt sein.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern der im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufenden Tragflügelkonstruktion im Flügelspitzenbereich zu einer Tragflügelkante hin abgebogen, wobei alle so ausgerichteten Fasern vorzugsweise im gleichen Maße von der Spannweitenrichtung abweichen. Der Flügelspitzenbereich ist gepfeilt und die Hauptbiegesteifigkeitsrichtung verläuft dabei vorteilhafterweise im Flügelspitzenbereich derart, daß der zu einer Flügelkante gerichtete Verlauf die Wirkung der Flügelspitzenpfeilung von der Spannweitenrichtung abweichend vergrößert.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1a eine Draufsicht auf ein Hubschrauber-Rotorblatt aus Kompositwerkstoff,
• Fig. 1b eine Seitenansicht des Rotorblattes bei nach oben gerichteter Belastung, und
• Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Blattspitzenbereiches.
• Die Fig. 1a und 1b zeigen ein Hubschrauber-Rotorblatt 10 aus Kompositwerkstoff, der in ein Trägermaterial eingebettete Fasern 11 und 12 aufweist, die in Spannweitenrichtung durch das Rotorblatt hindurchverlaufen. In dem Blattspitzenbereich 14 ist ein Teil der blattspitzennahen Fasern aus der Spannweitenrichtung zur Rotorblattvorderkante 15 hin abgebogen, um die Hauptbiegesteifigkeitsrichtung des Rotorblattes im Blattspitzenbereich aus der Spannweitenrichtung um 15° bis 25° abzulenken.
• Wird das Rotorblatt beispielsweise durch eine Auftriebskraft 16 wie in Fig. 1b angedeutet, belastet, biegt sich das Rotorblatt durch. Diese Durchbiegung, zur besseren Übersicht nur im Blattspitzenbereich dargestellt, bewirkt Spannungen im Werkstoff des Rotorblattes. Beispielsweise werden die im Bereich der Blattoberseite liegende Fasern 17 dann auf Druck beansprucht, während an der Blattunterseite verlaufende Fasern 18 auf Zug beansprucht werden. Diese Situation ist in Fig. 2 mehr im einzelnen gezeigt, in welcher das Rotorblatt in der Ebene X-X&min; in den Fig. 1a und 1b geschnitten ist.
• Die in Fig. 2 an der Blattoberseite verlaufenden Fasern 17 sind in Richtung einer Kraft 19 auf Druck beansprucht. Diese Druckkraft 19 ist in eine Komponente 20 in Spannweitenrichtung und in eine zur Spannweitenrichtung senkrechte Komponente 21 zerlegbar. Die in Fig. 2 an der Blattunterseite verlaufenden Fasern 18 sind in Richtung einer Kraft 22 auf Zug beansprucht, und diese Kraft 22 ist wiederum in zwei Komponenten 23 und 24 zerlegbar. Es ist also ersichtlich, daß ein durch die Komponenten 21 und 24 gebildetes Kräftepaar erforderlich ist, um eine Verwindung des Blattspitzenbereiches zu verhindern. Beim Fehlen dieses Kräftepaars hätte eine auf den Blattspitzenbereich wirkende gleichförmige Biegekraft eine Verwindung T des Blattspitzenbereiches zur Folge.
• Bei einem in der Richtung R umlaufenden Rotorblatt 10 tritt nun bei einer nach oben auf den Blattspitzenbereich 14 einwirkenden Kraft eine Verwindung T derart auf, daß der Anstellwinkel im Blattspitzenbereich verringert wird. Wirkt eine abwärts gerichtete Kraft auf den Blattspitzenabschnitt 14 ein, so wird der Anstellwinkel im Blattspitzenbereich durch eine Verwindung T im entgegengesetzten Drehsinn verringert. Demzufolge kann der Blattspitzenabschnitt eines Rotorblattes so konstruiert werden, daß der Anstellwinkel im Blattspitzenbereich während des gesamten Rotorblattumlaufs im wesentlichen Null ist, wodurch der Widerstand im Blattspitzenbereich, insbesondere bei transsonischen Strömungszuständen, vorteilhaft herabgesetzt wird.
• Bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Tragflügel tritt eine Verwindung auf, welche die Blattspitzenbelastung abzuschwächen versucht, wenn der Tragflügel einer Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, so daß Schwingungen und die Wahrscheinlichkeit von Werkstoffermüdungen herabgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die sich einstellende Flügelspitzenverwindung die sich an der Flügelspitze ablösenden Wirbel abschwächt, wodurch eine Geräuschverminderung erzielt wird.
• Durch Auswahl des Werkstoffs und Auslegung des Tragflügels kann eine Vielfalt von Verwindungscharakteristiken erreicht werden. Beispielsweise kann diese Wirkung auf den äußersten Blattspitzenbereich beschränkt werden oder auch auf einem größeren Bereich der Flügelspitze ausgedehnt werden. Die Verwindung ist in beiden Richtungen erzeugbar, und der Grad der Verwindung ist in linearer Abhängigkeit von der angreifenden Last wählbar.
• Bei der Konstruktion eines Tragflügels nach der Erfindung ist jede beliebige Art von Fasern oder ein Fasergemisch, beispielsweise Kohlefasern und/oder Glasfasern anwendbar.
• Außerdem braucht nicht der gesamte Tragflügel aus Kompositwerkstoff hergestellt zu sein. Beispielsweise können auch Teile des Tragflügels aus Metall bestehen, um die Flügelsteifigkeit zu beeinflussen und um einen Verschleiß des Tragflügels durch Fremdkörpereinwirkung, beispielsweise von Sand oder Staub, zu vermindern.

Claims (4)

1. Tragflügel, insbesondere für Drehflügelflugzeuge, mit im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufender Hauptbiegesteifigkeitsrichtung und mit einem mindestens teilweise als faserverstärkte Kompositkonstruktion ausgebildeten Flügelspitzenabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Kompositkonstruktion des Tragflügels, die sonst im wesentlichen radial in Spannweitenrichtung verlaufen, im Flügelspitzenbereich zu einer Flügelkante hin abweichend verlaufen und wobei die sonst im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufende Hauptbiegesteifigkeitsrichtung des Tragflügels im Flügelspitzenabschnitt zu einer Flügelkante hin abweicht.

2. Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelspitzenabschnitt gepfeilt ist.

3. Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompositkonstruktion des Tragflügels Kohlefasern enthält.

4. Tragflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompositkonstruktion des Tragflügels Glasfasern enthält.