DE69809005T2 - Rotorblatt eines Drehflügelflugzeuges mit reduzierten, akustischen Eigenschaften - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Blatt mit reduzierter Schallsignatur für eine Luftfahrzeug-Drehflügelanordnung, wie z. B. einen Hubschrauber-Hauptrotor.
• Die Erfindung bezieht sich genauer auf ein Blatt, dessen Geometrie optimiert ist, um das Geräusch zu reduzieren, das durch einen Hubschrauber-Hauptrotor oder Verwandlungsflugzeug-Rotor, der mit solchen Blättern ausgestattet ist, hauptsächlich bei gewissen Flugphasen des Hubschraubers oder des Verwandlungsflugzeugs, insbesondere beim Sinkflug und beim Annähern für die Landung, also Flugphasen, in deren Verlauf eine erhebliche Geräuschquelle von der Wechselwirkung der Blätter des Rotors mit den Wirbeln herkommt, die sie erzeugen.
• Es ist bekannt, dass ein Blatt für eine Luftfahrzeug-Drehfügelanordnung im allgemeinen einen Strömungsteil mit aerodynamischem Profil umfasst, der sich entlang der Tiefe des Blattes zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante und entlang der Spannweite des Blattes zwischen einem Wurzelteil, der mit einem Blattfuß für seine Verbindung mit einer um eine Drehachse des Rotors drehbaren Rotornabe versehen ist, und einer Blattspitze an seinem freien Ende erstreckt.
• Im Verlauf der Drehung des Rotors werden Wirbel an der Blattspitze durch die Druckdifferenz zwischen der Unterseite und der Oberseite an der Spitze jedes Blattes erzeugt. Bei manchen Flugkonfigurationen, insbesondere in der Anflugphase bei niedriger Geschwindigkeit, können diese Wirbel in Wechselwirkung mit den Blättern treten, die dem Ausstrahlungsblatt der Wirbel folgen, und die Druckgradienten an den Blättern, die durch den Durchlauf eines Wirbels in der Ebene der Blätter geschaffen werden, erzeugen ein impulsives Geräusch, das sehr heftig sein kann.
• Diese Quelle impulsartigen Lärms entsteht deswegen, weil die Vorderkante eines Blattes praktisch entlang ihrer ganzen Spannweite gleichzeitig mit den Wirbeln, die durch wenigstens ein vorhergehendes Blatt erzeugt werden, in Berührung kommt.
• Es ist bekannt, dass sich solche Wechselwirkungen sowohl bei einem sich vorwärts bewegenden Blatt als auch bei einem sich rückwärts bewegenden Blatt ausbilden können.
• Auf der Seite des sich vorwärts bewegenden Blattes werden die Wirbel im zweiten Quadranten (Blattazimute zwischen 90º und 180º, wobei der Azimut 0º gemäß Übereinkunft der Blattposition hinten entspricht) ausgestrahlt und die Wechselwirkungen bilden sich im ersten Quadranten (Azimute zwischen 0º und 90º) aus. Die Schallausstrahlung weist unter dem Hauptrotor eine Richtwirkung in der Vorwärtsbewegungsrichtung des Hubschraubers auf.
• Auf der Seite des sich rückwärts bewegenden Blattes werden die Wirbel im dritten Quadranten (Azimute zwischen 180º und 270º) ausgestrahlt und die Wechselwirkungen bilden sich im vierten Quadranten (Azimute zwischen 270º und 360º) aus. Das erzeugte Geräusch weist unter dem Hauptrotor eine Richtwirkung vom Hubschrauber nach hinten auf.
• Das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch ist sehr lästig, da es für Sinkflugwinkel maximal ist, die denjenigen entsprechen, die von den Hubschraubern in den Anflugphasen bei den Landungen angenommen werden.
• Das der Erfindung zu Grunde liegende Hauptproblem besteht darin, das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch insbesondere in einem Sinkflugwinkelbereich zu verringern, der die Winkel abdeckt, für die das ausgestrahlte Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch maximal ist (Sinkflugwinkel von etwa 6º).
• Es sind bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen worden, um das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch zu reduzieren, das von Parametern im wesentlichen von zweierlei Art abhängt, von denen manche mit dem Wirbel selbst und andere mit der Geometrie der Blatt-Wirbel-Wechselwirkung in Zusammenhang stehen. Die verschiedenen bekannten Mittel zielen also darauf ab, entweder die Eigenschaften der ausgestrahlten Wirbel, d. h. im wesentlichen ihre Intensität und ihren viskosen Radius im Augenblick der Wechselwirkung, zu verändern oder die Geometrie der Wechselwirkung zu ändern, die im wesentlichen durch den Abstand zwischen dem Blatt und dem Wirbel und den vertikalen und horizontalen Winkeln zwischen dem Blatt und der Wirbellinie im Augenblick der Wechselwirkung bestimmt wird, wobei diese verschiedenen Parameter im wesentlichen durch die Flugbedingungen, die Leistung des Rotors und seine Drehgeschwindigkeit, die Anzahl von Blättern, die er umfasst, und ihre Geometrie (Grundrissform, Schränkung, aerodynamisches Profil und Blattspitze) bestimmt werden.
• Unter den bekannten Mitteln zum Verändern der Eigenschaften des Wirbels bei der Ausstrahlung lässt sich zwischen einer ersten Familie von Mitteln, die auf das Verringern der Wirbelintensität des an der Blattspitze erzeugten Wirbels abzielen, und einer zweiten Familie von Mitteln unterscheiden, die auf das Schaffen eines zweiten Wirbels abzielen, der weiter innen als der Wirbel der Blattspitze ist, um die Wirbelintensität zu verteilen.
• Die bekannten Mittel der ersten Familie unterteilen sich ihrerseits in passive Mittel und aktive Mittel, deren Benutzung die Verteilung der aerodynamischen Zirkulation über das Blatt in der Spannweite verändert, da die Intensität des an der Blattspitze ausgestrahlten Wirbels direkt mit dem Zirkulationsspannweitengradienten am Blatt an dieser Stelle in Zusammenhang steht, wobei dieser Gradient um so höher ist, je näher das Maximum lokaler Belastung an der Blattspitze liegt.
• Ein erstes passives Mittel besteht darin, die Blattspitze oder das Blattende zu verfeinern, um das Maximum der lokalen Zirkulation zum Inneren des Rotors hin zu verschieben, und es sind verschiedene, in der Tiefe verfeinerte Blattendeformen vorgeschlagen worden.
• Ein zweites bekanntes passives Mittel besteht darin, dem Blatt ein Schränkungsgesetz zu geben, das bei den Ausstrahlungsazimuten zu einem schwachen Zirkulationsgradienten an der Blattspitze führt.
• Weitere bekannte passive Mittel bestehen darin, eine vertikale Flosse auf dem Endprofil an der Blattspitze anzufügen, um das Herumwickeln des Wirbels zu verhindern oder zu stören, oder einen Spoiler auf der Vorderkante am Blattende hinzuzufügen, um den viskosen Radius des Wirbels zu vergrößern.
• Die bekannten aktiven Mittel bestehen darin, eine Luftmenge an der Blattspitze und zur Hinterkante hin auszustoßen, um den Wirbel zu zerstreuen, oder die Wirbelintensität mit Hilfe von geeigneten Anstellungssteuergesetzen zu reduzieren, wie z. B. die multizyklischen Steuerungen und Einzelsteuerungen der Blätter, die es ermöglichen, die Anstellung der Blätter so zu steuern, dass der Auftrieb der Blätter bei den Ausstrahlungsazimuten der Wechselwirkungswirbel möglichst schwach ist.
• Die zweite Familie bekannter Mittel, die darauf abzielt, die Wirbelintensität zu verteilen, umfasst die Anbringung eines kleinen Flügels an der Blattspitze, um die Erzeugung von zwei Wirbeln zu erzwingen, und zwar der eine an der Spitze des Blattes und der andere am Ende des kleinen zusätzlichen Flügels.
• Die bekannten Mittel zum Ändern der Eigenschaften der Geometrie der Blatt-Wirbel-Wechselwirkung, um das Geräusch zu verringern, unterteilen sich ebenfalls in aktive Mittel und passive Mittel.
• Die aktiven Mittel umfassen die bereits erwähnten multizyklischen Steuerungen, die für diese Anwendung die Anstellung der Blätter steuern, damit sie auf der Seite des sich vorwärts bewegenden Blattes zwischen den Wechselwirkungsazimuten und den Ausstrahlungsazimuten maximal ist, um die Belastung und die nach unten induzierten Geschwindigkeiten zu vergrößern und folglich die Konvektion der Wirbel nach unten zu beschleunigen, um es so einzurichten, dass die folgenden Blätter nicht oder geringstmöglich in Kollision mit den ausgestrahlten Wirbeln treten.
• Die passiven Mittel bestehen darin, die Geometrie der Vorderkante oder der Linie zu ändern, die durch die aerodynamischen Mittelpunkte der aufeinanderfolgenden profilierten Elementarquerschnitte des Blattes entlang der Spannweite verläuft, d. h. der sogenannten Vierteltiefenlinie (denn die aerodynamischen Mittelpunkte sind im allgemeinen jeweils beim vorderen Viertel der Tiefe des entsprechenden Blattelementarquerschnittes gelegen). Das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch ist nämlich um so höher, je gleichphasiger die durch die verschiedenen Blattabschnitte ausgestrahlten akustischen Spitzen an einem Beobachtungspunkt ankommen. Wenn sich das Blatt bei einem gegebenen Azimut parallel zu einer Wirbellinie befindet, treten also die verschiedenen Blattabschnitte mit dem Wirbel zum gleichen Zeitpunkt in Kollision. Um die Parallelität zwischen einem Blatt und einer Wirbellinie aufzulösen und somit die akustischen Quellen phasenmäßig zu verschieben, ist ein Blatt vorgeschlagen worden, dessen äußerer Teil vorwärts gepfeilt ist, während ein weiter innen befindlicher, nach hinten gepfeilter Teil das Blatt ins Gleichgewicht bringt.
• Das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch kann durch die Änderung der Sinkflugbedingungen und/oder der Anflugbahn des Hubschraubers reduziert werden, indem der Sinkflugwinkel und/oder die Geschwindigkeit des Hubschraubers vergrößert werden, um von der lautesten Konfiguration wegzukommen.
• Diese Lösung ist indessen schwierig anwendbar, denn aus Annehmlichkeits- und Sicherheitsgründen ist es nicht in Betracht zu ziehen, Sinkflugwinkel von mehr als 8º zu benutzen, wogegen der optimale Sinkflugwinkel von 6º, der dem Zertifierungssinkflugwinkel der Hubschrauber entspricht, derjenige in der Nähe dessen ist, bei dem das Maximum an Geräusch ausgestrahlt wird.
• Die Lärmbelästigung eines Rotors kann auch durch die Verringerung der Drehgeschwindigkeit und/oder die Vergrößerung der Anzahl von Blättern reduziert werden, jedoch hängen die erhaltenen Gewinne stark von den wirklichen Flugbedingungen ab, in deren Verlauf die Sinkflugsteigungs-, Wind- und Geschwindigkeitsschwankungen Lösungen aufzwingen, die von den verschiedenen vorher erwähnten Parametern relativ unabhängig sind.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, die Schallausstrahlung zum einen durch eine Dämpfung des Impulscharakters der Geräuschquelle zu verringern, die ausgeprägter als mit den zu diesem Zweck bekannten Mitteln und darüber hinaus unabhängig vom Sinkflugwinkel ist, indem das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch durch Änderung der Wechselwirkungsgeometrie reduziert wird und indem die Parallelität, insbesondere die horizontale, zwischen der Wirbellinie und der Vorderkante des Blattes durchbrochen wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Geräusch eines sich drehenden Blattes zu reduzieren, indem außerdem der Endwirbel, den es erzeugt, verändert wird und indem der Blatt-Wirbel-Abstand verändert wird, insbesondere indem die vertikale Parallelität zwischen den Wirbellinien und dem Blatt durchbrochen wird.
• Die Erfindung hat noch die Aufgabe, eine Verringerung des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches ohne Einbuße beim aerodynamischen Verhalten des Blattes im Flugbereichkomplex zu erreichen.
• Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Blatt für eine Luftfahrzeug-Drehflügelanordnung der vorher dargelegten Art vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sein profilierter Strömungsteil einen in bezug auf die Achse des Rotors äußeren und an die Blattspitze angrenzenden Endteil umfasst, wobei sich dieser Endteil entlang der Spannweite über eine Entfernung von wenigstens 0,2 R erstreckt, worin R der zwischen der Drehachse des Rotors und der Blattspitze gemessene Radius ist, und wobei dieser Endteil über eine Entfernung entlang der Spannweite von wenigstens 0,15 R rückwärts gepfeilt ist, wobei der genannte profilierte Strömungsteil des Blattes auch einen vorwärts gepfeilten und unmittelbar an das Innenende des rückwärts gepfeilten Endteils angrenzenden Teil umfasst, wobei der Strömungsteil mit aerodynamischem Profil außerdem einen Teil mit fortschreitend anwachsender Tiefe umfasst, der durch einen Teil mit fortschreitend abnehmender Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze verlängert wird.
• Bei einem solchen Blatt bewirkt das Vorhandensein einer Rückwärtspfeilung im äußeren Endteil des Blattes, der eine Zone mit maximalem Schallbeitrag ist, das Auflösen der horizontalen Parallelität zwischen der Wirbellinie und der Vorderkante des Blattes. Die Besonderheit des rückwärts gepfeilten Endteiles des Blattes nach der Erfindung besteht darin, dass er sich über wenigstens 20% des Radius R erstreckt, der zu mehr als 80% zum abgestrahlten Geräusch beiträgt, wogegen sich die rückwärts gepfeilten Blattspitzen bekannter Blätter meistens über 5 bis 10% des Radius R erstrecken und niemals 18% von R überschreiten. Eine andere Besonderheit des Blattes nach der Erfindung ist sein vorwärts gepfeilter Teil, der unmittelbar an das Innenende des rückwärts gepfeilten Endteils angrenzt und der nicht nur die Gleichgewichtseinstellung des Blattes um die Vierteltiefenlinie sicherstellt, sondern auch zur Verringerung des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches beiträgt, indem die durch die verschiedenen Blattabschnitte ausgestrahlten Druckspitzen phasenverschoben werden. Die Geometrie der Blatt-Wirbel-Wechselwirkung kann somit durch die Form verändert werden, die der Vorderkante des Blattes zumindest in ihren benachbarten rückwärts gepfeilten und vorwärts gepfeilten Teilen gegeben wird.
• Zum Verändern des Blatt-Wirbel-Abstandes und Auflösen der vertikalen Parallelität zwischen dem Blatt und den Wirbellinien in Wechselwirkung weist das Blatt nach der Erfindung überdies eine neuartige Tiefenverteilung entlang der Spannweite auf Grund der Tatsache auf, dass sein profilierter Strömungsteil einen Teil mit entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze fortschreitend anwachsender Tiefe umfasst. Dieser Teil mit anwachsender Tiefe kann wenigstens eine Zone, in der die Vorderkante entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze in der Rotorebene zur Blattvorwärtsseite hin orientiert ist, und/oder eine Zone umfassen, in der die Hinterkante immer entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze in der Rotorebene zur Blattrückwärtsseite hin orientiert ist. Dieser Blattteil mit anwachsender Tiefe induziert eine Variation der vertikalen Konvektionsgeschwindigkeit der Wirbel entlang der Spannweite des Blattes, was das Auflösen der Parallelität in der vertikalen Ebene als Effekt hat.
• Die neuartige Tiefenverteilung entlang der Spannweite ist darüber hinaus so, dass sich der Teil des Blattes mit anwachsender Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze durch einen Teil mit in Richtung zur Blattspitze fortschreitend abnehmender Tiefe fortsetzt, was den Vorteil hat, dass die Zirkulationsgradienten am Ende reduziert werden und folglich die Intensität des am Blattende ausgestrahlten Wirbels verringert wird. Außerdem kommt diese Tiefenverteilung zur Wirkung der Rückwärts- und Vorwärtspfeilung hinzu, um die Impulsivität des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches zu reduzieren.
• Entsprechend einer bevorzugten Geometrie des Blattes umfasst sein vorwärts gepfeilter Teil einen inneren Teil und einen äußeren Teil, die entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze zueinander benachbart sind, wobei der innere Teil eine fortschreitend anwachsende Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zum äußeren Teil hat und der äußere Teil einerseits an den rückwärts gepfeilten Endteil angrenzt und andererseits eine fortschreitend abnehmende Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zu diesem rückwärts gepfeilten Endteil hat. Dieser rückwärts gepfeilte Endteil hat außerdem vorteilhaft entlang der Spannweite bis zur Blattspitze eine fortschreitend abnehmende Tiefe.
• In vorteilhafter Weise kann das Blatt außerdem eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
• - sein rückwärts gepfeilter Endteil fängt mit einem Blattelementarquerschnitt an, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,5 R und 0,8 R liegt, wobei sich dieser rückwärts gepfeilte Teil vorzugsweise zwischen 0,8 R und R erstreckt und der Rückwärtspfeilungswinkel zwischen 10º und 40º liegt und vorzugsweise im wesentlichen 21º beträgt;
• - sein vorwärts gepfeilter Teil fängt mit einem Blattelementarquerschnitt an, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,35 R und 0,65 R liegt, und erstreckt sich bis zu einem Blattelementarquerschnitt, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,5 R und etwa 0,8 R liegt, und der Vorwärtspfeilungswinkel ist kleiner als oder gleich 20º und liegt bevorzugt in der Größenordnung von 3,8º;
• - sein profilierter Strömungsteil umfasst einen inneren Teil, der nicht gepfeilt ist und sich vom Wurzelteil des Blattes zu seinem vorwärts gepfeilten Teil erstreckt;
• - der Blattelementarquerschnitt maximaler Tiefe liegt in einer Zone etwa zwischen 0, 45 R und 0, 75 R und der Wert der maximalen Tiefe liegt zwischen etwa 105% und etwa 150% der Tiefe bei der Wurzel bei 0,2 R des Blattes;
• - sein profilierter Strömungsteil weist eine Tiefe auf, die fortschreitend entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze von etwa 0,2 R bis etwa 0,67 R zunimmt, wo die Tiefe einen Maximalwert von etwa 133% der Tiefe bei der Wurzel annimmt, wobei der Blattelementarquerschnitt, der die maximale Tiefe hat, näher bei der Wurzel liegt als der Elementarquerschnitt maximalen Vorwärtsversatzes im vorwärts gepfeilten Teil, wobei die Tiefe danach entlang der Spannweite bis zur Blattspitze reduziert wird, wo die Tiefe im wesentlichen gleich der Hälfte der Tiefe bei der Wurzel ist;
• - das Blatt weist ein Dicke-Tiefenverhältnis auf, das entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze abnimmt, zumindest im rückwärts gepfeilten Endteil, und das sich vorzugsweise von etwa 12% im Wurzelteil bis etwa 7% an der Blattspitze ändert;
• - das Blatt weist ein lineares Schränkungsgesetz auf, wobei sich die Schränkung um etwa -10º vom Zentrum des Rotors zur Blattspitze ändert;
• - der rückwärts gepfeilte Endteil weist eine im wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Grundrissform oder einen parabolischen Verlauf der Rückwärtspfeilung auf; und
• - die Blattspitze, die vom rückwärts gepfeilten Endteil aus nach außen hin vorsteht, ist nicht gepfeilt oder vorwärts gepfeilt oder von parabolischer Grundrissform.
• Die Erfindung hat auch eine Luftfahrzeug-Drehflügelanordnung zum Gegenstand, die einen Rotor mit wenigstens zwei Blättern umfasst, die durch ihren Fuß mit einer Nabe verbunden sind, die um eine Drehachse des Rotors drehangetrieben werden soll, wobei diese Flügelanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes Blatt des Rotors ein Blatt ist, so wie es vorstehend festgelegt worden ist.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend abgegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in nicht einschränkender Weise unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung beschrieben sind, in der:
• - die einzige Figur eine Grundrissansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Blattes ist.
• In der Figur umfasst das Hubschrauber-Hauptrotorblatt einen profilierten Strömungsteil 21, der sich zwischen einem Wurzelteil 25, der mit einem Blattfuß 26 versehen ist, durch den das Blatt in bekannter Weise mit einer Rotor-Nabe 27 verbunden ist, die um die Achse Z-Z des Rotors drehangetrieben werden soll, und einer Blattspitze 28 am freien Ende des Blattes erstreckt. Das Blatt kann in der Anstellung um eine geradlinige und bezüglich der Achse Z-Z des Rotors im wesentlichen radiale Anstellungsverstellachse 29 gesteuert werden. Die Streckung des Blattes, das Verhältnis des Radius des Rotors zur Tiefe bei der Wurzel, hat einen Wert zwischen 13 und 17.
• Der profilierte Strömungsteil 21 umfasst einen in Bezug auf die Achse Z-Z des Rotors äußeren Endteil 31, der unmittelbar an die Blattspitze 28 angrenzt, wobei dieser Endteil 31 ein über seine ganze Länge rückwärts gepfeilter Teil ist und sich entlang der Spannweite über eine Entfernung erstreckt, die größer oder gleich 0,2 R ist, wobei R der zwischen der Drehachse Z-Z des Rotors und der Blattspitze 28 gemessene Radius des Rotors ist. Der profilierte Strömungsteil 21 umfasst auch einen vorwärts gepfeilten Teil 32, der unmittelbar an den rückwärts gepfeilten Teil 31 und zwar an das innere Ende des letzteren angrenzt, um das Gleichgewicht des Blattes sicherzustellen.
• Schließlich umfasst der profilierte Strömungsteil 21 zwischen dem vorwärts gepfeilten Teil 32 und dem Wurzelteil 25 einen inneren Teil 33, der nicht gepfeilt ist.
• Man muss den vorwärts gepfeilten oder rückwärts gepfeilten Teil gemäß der Erfindung als einen Teil verstehen, in dem die Vierteltiefenlinie 24 entlang der Spannweite in Richtung zum Blattende 28 in Bezug auf die Anstellungsachse 29 in der Rotationsebene des Blattes nach vorne bzw. nach hinten orientiert ist.
• Infolge des rückwärts gepfeilten Teiles 31 und des vorwärts gepfeilten Teiles 32 ist zu begreifen, dass die horizontale Parallelität zwischen einer Wirbellinie und der Vorderkante 22 des Blattes in der Rotorebene durchbrochen ist. Im rückwärts gepfeilten Teil 31 und im vorwärts gepfeilten Teil 32 treten nämlich die Blattabschnitte in Wechselwirkung mit dem Wirbel und zwar manche früher und andere später als die im inneren Teil 33 des Blattes liegen Abschnitte, so dass die akustischen Spitzen bei verschiedenen Abschnitten zu verschiedenen Ausstrahlungszeitpunkten ausgestrahlt werden und zu einem gleichen Beobachtungszeitpunkt nach verschiedenen Laufzeiten und also mit einer Phasenverschiebung gelangen, durch die der impulsive Geräuschpegel sehr reduziert wird. Es ist wesentlich, dass sich der rückwärts gepfeilte Teil 31 über wenigstens 20% des Radius R erstreckt, d. h. über eine Zone, die zu mehr als 80% zum ausgestrahlten Geräusch beiträgt.
• Außerdem trägt der vorwärts gepfeilte Teil 32, der die Gleichgewichtseinstellung des Blattes um die Vierteltiefenlinie 24 sicherstellt, seinerseits auch zur Verringerung des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches aus dem vorstehend erläuterten Grund bei, d. h. indem ebenfalls die durch die verschiedenen Blattabschnitte in diesem Teil 32 ausgestrahlten Druckspitzen phasenverschoben werden.
• Vom rein geometrischen Standpunkt aus ist es bekannt, dass ein vorwärts gepfeilter äußerer Blattabschnitt wirksamer als ein rückwärts gepfeilter äußerer Abschnitt ist, um das Blatt- Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch auf Seiten des sich vorwärts bewegenden Blattes zu reduzieren, denn im ersten Quadranten kann ein vorwärts gepfeilter Blattendteil nicht parallel zu den Wirbellinien sein. Dagegen ist ein rückwärts gepfeilter Blattendteil dazu in der Lage, für Azimute nahe bei 90º parallel zu den Wirbellinien zu sein. Allerdings weist ein Blatt mit vorwärts gepfeiltem Endteil eine geringere aeroelastische Stabilität als das Blatt nach der Erfindung auf und darüber hinaus sind mit einem vorwärts gepfeilten Endteil die Torsionskräfte sehr beträchtlich, insbesondere auf der Seite des sich vorwärts bewegenden Blattes. Außerdem verstärkt ein vorwärts gepfeilter äußerer Blattendteil die Parallelität zwischen diesem Blattendteil und den Wirbellinien auf der Seite des sich nach hinten bewegenden Blattes im vierten Quadranten, was in erheblicher Weise den Pegel des Blatt-Wirbel- Wechselwirkungsgeräusches steigert. Dagegen vergrößert ein Blatt gemäß der Erfindung mit einem rückwärts gepfeilten äußeren Blattendteil den Winkel zwischen den Wirbellinien und der Vorderkante 22 auf der Seite des sich nach hinten bewegenden Blattes und ermöglicht das Reduzieren des entsprechenden Wechselwirkungsgeräusches.
• Beim bevorzugten Blattbeispiel der Figur findet sich ein profilierter Strömungsteil 21, der sich zwischen einer Blattspitze 28 und einem Wurzelteil 25 erstreckt, der durch seinen Blattfuß 26 mit der Nabe 27 des Rotors mit der Achse Z-Z verbunden ist, und der einen rückwärts gepfeilten äußeren Endteil 31, einen vorwärts gepfeilten Teil 32, der unmittelbar an den rückwärts gepfeilten Teil 31 und zwar an das Innenende dieses letzteren angrenzt, und einen nicht gepfeilten inneren Teil 33 umfasst, der den vorwärts gepfeilten Teil 32 mit dem Wurzelteil 25 verbindet.
• Genauer umfasst der vorwärts gepfeilte Teil 32 einen inneren Teil 32a und einen äußeren Teil 32b, die entlang der Spannweite und in Richtung zur Blattspitze 28 aneinander angrenzen. Der innere Teil 32a hat eine fortschreitend anwachsende Tiefe entlang der Spannweite und in Richtung zum äußeren Teil 32b, welcher direkt an den rückwärts gepfeilten Teil 31 angrenzt und entlang der Spannweite und in Richtung zu diesem rückwärts gepfeilten Teil 31 eine fortschreitend abnehmende Tiefe hat. Dieser rückwärts gepfeilte Teil 31 hat seinerseits eine fortschreitend abnehmende Tiefe entlang der Spannweite bis zur Blattspitze 28. Überdies hat der innere Teil 33, obwohl nicht gepfeilt, ab dem Wurzelteil 25 bis zum inneren Teil 32a des vorwärts gepfeilten Teiles 32 auch eine fortschreitend anwachsende Tiefe.
• Der profilierte Strömungsteil 21 des Blattes umfasst somit außerhalb des Wurzelteiles 25 einen Teil, dessen Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze 28 fortschreitend anwächst und der den Teilen 33 und 32a entspricht, und dieser Teil mit fortschreitend anwachsender Tiefe wird entlang der Spannweite und in Richtung zur Blattspitze 28 durch einen Teil mit fortschreitend abnehmender Tiefe fortgesetzt, der dem Teil 32b und dem rückwärts gepfeilten Teil 31 entspricht.
• Der Teil mit anwachsender Tiefe, der durch die Teile 33 und 32a festgelegt wird, ist eine Zone, in welcher die Vorderkante 22 entlang der Spannweite und in Richtung zum Blattende 28 in der Rotorebene in Vorwärtsrichtung des Blattes ausgerichtet ist, während die im nicht gepfeilten Teil 33 gelegene Zone der Hinterkante 23 entlang der Spannweite und zur Blattspitze 28 hin in der Rotorebene in Rückwärtsrichtung des Blattes orientiert ist im vorwärts gepfeilten Teil 32 und rückwärts gepfeilten Teil 31 ist die Vierteltiefenlinie 24 vor bzw. hinter die Anstellungsachse 29 hin orientiert, wobei die Vorderkante 22 und die Hinterkante 23 alle beide im Teil 32b vorwärts gepfeilt und im rückwärts gepfeilten Teil 31 rückwärts gepfeilt sind. Deswegen weist dieser rückwärts gepfeilte Teil 31 eine im wesentlichen trapezförmige Grundrissgestalt auf.
• Infolge des vorwärts gepfeilten Teiles 32 und des rückwärts gepfeilten Teiles 31 hat das Blatt der Figur den Vorteil, die Impulsivität des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches durch Auflösen der horizontalen Parallelität zwischen den Wirbellinien und der Vorderkante 22 des Blattes zu reduzieren. Das Blatt der Figur ermöglicht es aber außerdem dank seiner neuartigen Tiefenverteilung entlang der Spannweite, den Blatt- Wirbel-Abstand nicht nur zu verändern, indem die Wirbellinie vom Blatt im Ganzen entfernt wird, sondern auch indem die vertikale Parallelität durchbrochen wird, indem der Blatt- Wirbel-Abstand in einer vertikalen Ebene bei den verschiedenen in Wechselwirkung befindlichen Blattabschnitten verändert wird, im Gegensatz zu dem, was bei einem herkömmlichen rechteckigen Blatt beobachtet wird, bei dem die in Wechselwirkung befindlichen Wirbellinien nicht nur in der Rotorebene parallel sind, sondern auch in einer vertikalen Ebene quasiparallel verlaufen.
• Mit dem Blatt nach der Erfindung wird die Parallelität in der vertikalen Ebene auf Grund seines Gesetzes zur Tiefenvariation entlang der Spannweite durchbrachen, gemäß dem die Tiefe bis zu einem Blattquerschnitt anwächst, der bei etwa 0,7 R gelegen ist, wobei R der Radius des Rotors ist, und sich dann die Tiefe bis zur Blattspitze 28 verringert, um den Schub des Rotors zu erhalten. Diese Tiefenverteilung ermöglicht das Anwachsen des Auftriebes, also der nach unten induzierten Geschwindigkeiten im Spannweitenbereich in der Nähe des Tiefenmaximums und folglich in dieser Zone das Absenken der Wirbel nach unten. Die ausgestrahlten Wirbellinien werden somit durch den Durchlauf der folgenden Blätter im Bereich der Rotorscheibe zwischen dem Ausstrahlungsazimut und dem Wechselwirkungsazimut verformt. Dieser Effekt kommt zum Effekt der Vorwärtspfeilung des Teiles 32 und der Rückwärtspfeilung des Teiles 31 hinzu, um die Impulsivität des Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusches zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil dieser Tiefenverteilung ist das Reduzieren der Zirkulationsgradienten in Höhe der Blattspitze 28, indem das Auftriebsmaximum zum Blattinneren hin verschoben wird, was die Intensität des ausgestrahlten Wirbels am Blattende 28 reduziert.
• Als Ergänzung zu diesem Tiefenvariationsgesetz weist das Blatt eine Profildickenverteilung auf, die festgelegt wird, um das Dickengeräusch beim Sinkflug, aber auch beim Normalflug bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten zu verringern. Zu diesem Zweck entspricht das Dickenverteilungsgesetz einer Verringerung des Dicke-Tiefenverhältnisses der Profile der Blattquerschnitte ab dem Blattfuß 26, wo das Dicke-Tiefenverhältnis etwa 12% der Tiefe des betrachteten Querschnittes ist, bis zur Blattspitze 28, wo das Dicke-Tiefenverhältnis etwa 7% der Tiefe des betrachteten Querschnittes ist. Die Wahl von Profilen, deren Dicke sich mit der Spannweite verringert, ermöglicht es, ein gutes aerodynamisches und akustisches Verhalten zu erreichen.
• Diese Profile ermöglichen das Annehmen eines linearen Schränkungsgesetzes für das Blatt mit einer aerodynamischen Schränkung, die vom Rotorzentrum, d. h. von der Höhe der Achse Z-Z, um etwa -10º bis zur Blattspitze 28 abnimmt. Die Schränkung wird in herkömmlicher Weise negativ gemessen, wenn sich die Vorderkante 22 beim Zurücklegen der Blattabschnitte ab dem Zentrum Z-Z des Rotors zur Blattspitze 28 hin absenkt, wobei die endgültige geometrische Einstellung erhalten wird, indem die Nullauftrieb-Rückwirkung des betrachteten Profils auf die aerodynamische Schränkung hinzugefügt wird.
• Die Vierteltiefenlinie 24 (entsprechend dem Ort der aerodynamischen Mittelpunkte der aufeinanderfolgenden profilierten Blattquerschnitte) ist pro Segment linear. Der rückwärts gepfeilte Teil 31 fängt bei einem in der Spannweite zwischen 0,5 R und 0,8 R gelegenen Blattquerschnitt an und weist einen Rückwärtspfeilungswinkel zwischen 10º und 40º auf. Bei einer optimierten Ausführung erstreckt sich der rückwärts gepfeilte Teil 31 zwischen 0,8 R und R mit einem Pfeilungswinkel von 21º. Der vorwärts gepfeilte Teil 32 kann bei einem Blattelementarquerschnitt anfangen, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,35 R und 0,65 R liegt, und erstreckt sich bis zu einem Blattelementarquerschnitt, dessen Position entlang der Spannweite etwa zwischen 0,5 R und 0,8 R liegt, mit einem Vorwärtspfeilungswinkel, der kleiner oder gleich 20º ist. Bei der optimierten Ausführung erstreckt sich der vorwärts gepfeilte Teil 32 von 0,45 R bis 0,8 R mit einem Vorwärtspfeilungswinkel von 3,8º. Dieser Vorwärtspfeilungswinkel ist so festgelegt worden, dass die Torsionskräfte auf dem Blatt und die Anstellungssteuerungskräfte minimiert werden. Der nicht gepfeilte Teil 33 erstreckt sich vorzugsweise vom Wurzelteil 25 bis zu einem Blattquerschnitt, der in der Spannweite bei 0,45 R gelegen ist.
• Der Blattquerschnitt maximaler Tiefe ist in der Spannweite zwischen 0,45 R und 0,75 R gelegen, wobei der Wert der maximalen Tiefe zwischen 105% und 150% der Tiefe bei der Wurzel (bei 0,2 R) liegt. In der optimierten Ausführung ist die Tiefe c in der Wurzel bis zum Anfang des Teiles 33, also bei 0,2 R in der Spannweite, konstant und die Tiefe nimmt dann fortschreitend bis auf den Wert 1,1c am Anfang des Teiles 33a bei 0,45 R zu und die Tiefe erreicht den Wert 1,3c bei dem bei 0,67 R gelegenen Querschnitt, welcher der Grenze zwischen den Teilen 32a und 32b entspricht. Es ist festzustellen, dass der Querschnitt maximaler Tiefe von 1,3c oder 1,33c näher beim Wurzelteil 25 gelegen ist als der Querschnitt maximalen Vorwärtsversatzes der Vierteltiefenlinie 24, wobei sich dieser Querschnitt bei 0,8 R beim Übergang zwischen dem vorwärts gepfeilten Teil 32 und dem rückwärts gepfeilten Teil 31 befindet. Im rückwärts gepfeilten Teil 31 wird die Tiefe bis zur Blattspitze 28 verringert, wo sie gleich 0,5c (Hälfte der Tiefe bei der Wurzel) ist.
• Als Variante kann die Vorderkante 22 im rückwärts gepfeilten Teil 31 einen parabolische Verlauf aufweisen, zumindest in ihrem der Blattspitze 28 am nächsten liegenden Teil. Es ist aber auch möglich, dass der äußere Endteil 31 einen parabolischen Verlauf seiner Rückwärtspfeilung aufweist.
• Bei einem solchen Blatt verschafft die Rückwärtspfeilung seines äußeren Endteiles 31, die anfänglich aus akustischen Gründen vorgenommen wurde, gleichzeitig eine Verbesserung des aerodynamischen Verhaltens bei hoher Geschwindigkeit. Für die sehr hohen Geschwindigkeiten kann der äußere Endteil 31 eine optimierte Form erhalten, z. B. parabolisch mit sich wandelnder Pfeilung und mit einer Stellung als Dieder nach unten. Diese Art von Ende erscheint für das impulsive Geräusch bei großer Geschwindigkeit günstig. Was das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch beim Sinkflug angeht, so weist eine solche Form den Vorteil auf, das Auflösen der Parallelität zwischen dem Blatt und dem Wirbel in Wechselwirkung zu verstärken, und ermöglicht überdies eine Reduzierung der Intensität des Wirbels.
• Ebenfalls als Variante kann die Geometrie der Blattspitze 28 verschieden von derjenigen sein, die in der Figur dargestellt ist. Die Blattspitze kann insbesondere ein vom rückwärts gepfeilten Endteil 31 entlang der Spannweite nach außen vorstehendes, nicht gepfeiltes oder vorwärts gepfeiltes Flügelchen enthalten oder kann auch eine Blattspitze mit parabolischer Grundrissform sein. Aber diese Blattspitze erstreckt sich niemals über mehr als 5% von R, so dass der äußere Endteil 31, der sich über wenigstens 20% von R erstreckt, über wenigstens 15% von R rückwärts gepfeilt ist.
• Das Blatt wird optimiert, um das Blatt-Wirbel-Wechselwirkungsgeräusch für Sinkflugwinkel von etwa 6º und für Fluggeschwindigkeiten in der Nähe von 125 km/h zu reduzieren. Im Vergleich zu einem Referenzblatt von rechteckiger Grundrissform mit einer parabolischen Blattspitze, die sich als Dieder nach unten über 5 bis 8% in der Spannweite erstreckt, verschafft das Blatt einen Gewinn von mehr als 6 dBA. Seine Schallpegelkurve als Funktion des Sinkflugwinkels weist im Gegensatz zur entsprechenden Kurve des Referenzblattes kein hohes Maximum für einen genauen Sinkflugwinkel auf und tritt in den Normalflug und den Sinkflug bei 12º ein, der Schallpegel des Blattes nach der Erfindung variiert um nicht mehr als 6 dBA und nimmt für größere Sinkflugwinkel rasch ab, wobei im nutzbaren Bereich der Sinkflugwinkel der Schallpegel deutlich unter dem Schallpegel des Referenzrotors bleibt. Dank des Blattes nach der Erfindung erzeugen also die Steigungsvariationen oder die Wechsel der atmosphärischen Bedingungen, die bei der Realflugsituation unvermeidlich sind, keine starke Anhebung des Schallpegels. Bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit lässt das Blatt überdies einen Gewinn von mehr als 5 dBA im. Normalflug bei 210 km/h und von 4 dBA bei 250 km/h zu, wobei diese akustischen Gewinne von einer Reduzierung der beim stationären Flug und beim Normalflug verbrauchten Leistung begleitet sind, unabhängig davon, wie die Vorwärtsbewegungsgeschwindigkeit ist. Schließlich bleiben die Vibrationspegel des Blattes nach der Erfindung niedriger als diejenigen des Referenzblattes.
• Aus diesen verschiedenen Gründen ist es also sehr vorteilhaft, einen Hubschrauber-Hauptrotor mit Blättern gemäß der Erfindung auszustatten.

Claims (15)

1. Blatt für eine Luftfahrzeug-Drehfügelanordnung, das einen Strömungsteil (21) mit aerodynamischem Profil umfasst, der sich entlang der Tiefe des Blattes zwischen einer Vorderkante (22) und einer Hinterkante (23) und entlang der Spannweite des Blattes zwischen einem Wurzelteil (25), der mit einem Blattfuß (26) für seine Verbindung mit einer um eine Drehachse (Z-Z) des Rotors drehbaren Rotornabe (27) versehen ist, und einer Blattspitze (28) an seinem freien Ende erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Strömungsteil (21) einen in bezug auf die Achse (Z-Z) des Rotors äußeren und an die Blattspitze (28) angrenzenden Endteil (31) umfasst, wobei sich dieser Endteil (31) entlang der Spannweite über eine Entfernung von wenigstens 0,2 R erstreckt, worin R der zwischen der Drehachse (Z-Z) des Rotors und der Blattspitze (28) gemessene Radius ist, und wobei der genannte Endteil (31) über eine Entfernung entlang der Spannweite von wenigstens 0,15 R rückwärts gepfeilt ist, wobei der genannte profilierte Strömungsteil (21) auch einen vorwärts gepfeilten und unmittelbar an das Innenende des rückwärts gepfeilten Endteils (31) angrenzenden Teil (32) umfasst, wobei der Strömungsteil (21) mit aerodynamischem Profil außerdem einen Teil (33-32a) mit fortschreitend anwachsender Tiefe umfasst, der durch einen Teil (32b-31) mit fortschreitend abnehmender Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) verlängert wird.

2. Blatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Teil mit anwachsender Tiefe (33-32a) entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) wenigstens eine Zone umfasst, in der die Vorderkante (22) in der Rotorebene zur Blattvorwärtsseite hin orientiert ist.

3. Blatt nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Teil mit anwachsender Tiefe (33-32a) entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) wenigstens eine Zone (33) umfasst, in der die Hinterkante (23) in der Rotorebene zur Blattrückwärtsseite hin orientiert ist.

4. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte vorwärts gepfeilte Teil (32) einen inneren Teil (32a) und einen äußeren Teil (32b) umfasst, die entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) zueinander benachbart sind, wobei der innere Teil (32a) eine fortschreitend anwachsende Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zum äußeren Teil (32b) hat und der äußere Teil (32b) einerseits an den rückwärts gepfeilten Endteil (31) angrenzt und andererseits eine fortschreitend abnehmende Tiefe entlang der Spannweite in Richtung zum rückwärts gepfeilten Endteil (31) hat.

5. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rückwärts gepfeilte Endteil (31) mit einem Blattelementarquerschnitt anfängt, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,5 R und 0,8 R liegt, wobei sich der rückwärts gepfeilte Teil (31) vorzugsweise zwischen 50,8 R und R erstreckt und der Rückwärtspfeilungswinkel zwischen 10º und 40º liegt und vorzugsweise im wesentlichen 21º beträgt.

6. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorwärts gepfeilte Teil (32) mit einem Blattelementarquerschnitt anfängt, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,35 R und 0,65 R liegt, und sich bis zu einem Blattelementarquerschnitt erstreckt, dessen Position entlang der Spannweite zwischen 0,5 R und etwa 0,8 R liegt, und der Vorwärtspfeilungswinkel kleiner als oder gleich 20º ist und bevorzugt in der Größenordnung von 3,8º liegt.

7. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das profilierte Strömungsteil (21) einen inneren Teil (33) umfasst, der nicht gepfeilt ist und sich vom Wurzelteil (25) des Blattes zu seinem vorwärts gepfeilten Teil (32) erstreckt.

8. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Blattelementarquerschnitt maximaler Tiefe in einer Zone etwa zwischen 0,45 R und 0,75 R liegt und der Wert der maximalen Tiefe zwischen etwa 105% und etwa 150% der Tiefe bei der Wurzel des Blattes liegt.

9. Blatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in seinem profilierten Strömungsteil eine Tiefe aufweist, die fortschreitend entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) von etwa 0,2 R bis etwa 0,67 R zunimmt, wo die Tiefe einen Maximalwert von etwa 133% der Tiefe bei der Wurzel (25) annimmt, wobei der Blattelementarquerschnitt, der die maximale Tiefe hat, näher bei der Wurzel (25) liegt als der Elementarquerschnitt maximalen Vorwärtsversatzes im vorwärts gepfeilten Teil (32), wobei die Tiefe danach entlang der Spannweite bis zur Blattspitze (28) reduziert wird, wo die Tiefe im wesentlichen gleich der Hälfte der Tiefe bei der Wurzel (25) ist.

10. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Dicke-Tiefenverhältnis aufweist, das entlang der Spannweite in Richtung zur Blattspitze (28) abnimmt, zumindest im rückwärts gepfeilten Endteil (31), und das sich vorzugsweise von etwa 12% im Wurzelteil (25) bis etwa 7% an der Blattspitze (28) ändert.

11. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein lineares Schränkungsgesetz aufweist, wobei sich die Schränkung um etwa -10º vom Zentrum (Z-Z) des Rotors zur Blattspitze (28) ändert.

12. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rückwärts gepfeilte Endteil (31) eine im wesentlichen rechteckige oder trapezförmige Grundrissform aufweist.

13. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rückwärts gepfeilte Endteil (31) eine parabolische Entwicklung der Rückwärtspfeilung aufweist.

14. Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattspitze (28), die vom rückwärts gepfeilten Endteil (31) aus nach außen hin vorsteht, ungepfeilt oder vorwärts gepfeilt oder von parabolischer Grundrissform ist.

15. Luftfahrzeug-Drehflügelanordnung, die einen Rotor mit wenigstens zwei Blättern umfasst, die durch ihren Fuß (6, 26) mit einer Nabe (7, 27) verbunden sind, die um eine Drehachse (Z-Z) des Rotors drehangetrieben werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blatt des Rotors ein Blatt nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ist.