DE10052757A1

DE10052757A1 - Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10052757A1
Application number: DE10052757A
Authority: DE
Inventors: Michael Platzer
Original assignee: ZF Luftfahrttechnik GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Technik GmbH
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-08
Also published as: DE50100086D1; EP1201538A1; EP1201538B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für einen Hubschrauber-Hauptrotor mit vier Rotorblättern (6), bei dem zur Übertragung von Steuerbewegungen eine Steuerspinne (8) mit vier Armen (10, 12, 14, 16) vorgesehen ist, welche gegenüber dem Rotormast (2) axial verschiebbar und kippbar ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Steuerspinne zweiteilig auszubilden, wobei ein erster Teil (38) der Steuerspinne (8) zwei gegenüberliegende Arme (12), (16) der Steuerspinne (8) umfasst, die starr miteinander verbunden sind, und ein zweiter Teil (40) der Steuerspinne (8) die anderen beiden, sich gegenüberliegenden Arme (10), (14) der Steuerspinne (8) umfasst, die starr mit einem Schaft (26) verbunden sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Steuerspinne (8) ist ein Aktuator (42) zur axialen Verschiebung des ersten Teils (38) gegenüber dem zweiten Teil (40) entlang der Mittelachse (18) der Steuerspinne (8) angeordnet. Mit der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung können an den Rotorblättern beliebige höherharmonische Einstellwinkelbewegungen eingesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorblatt-Steuerungsvor richtung für einen Hubschrauber-Hauptrotor mit einer Steu erspinne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Mit üblichen Rotorblatt-Steuerungsvorrichtungen lässt sich der Einstellwinkel der einzelnen Rotorblätter des Hub schrauber-Hauptrotors kollektiv und zyklisch zur Rotation sebene anstellen. Um den Auftrieb zu verändern, wird der Einstellwinkel aller Rotorblätter kollektiv, das heißt gleichzeitig und um den selben Betrag verändert. Nickbewe gungen um die Querachse des Hubschraubers oder Rollbewegung um die Längsachse des Hubschraubers werden durch eine zy klische Einstellwinkelveränderung der einzelnen Rotorblät ter eingeleitet, wobei alle Rotorblätter bei ihrem Umlauf dieselbe, sinusförmige Einstellwinkelbewegung durchlaufen. Bei jeder Rotorumdrehung wird dabei ein Maximum und ein Minimum des Einstellwinkels durchlaufen, wobei bei einem stationären Steuerzustand die Lage der Extremwerte für alle Rotorblätter dieselbe ist.

Zur Übertragung der Steuerbewegungen vom stehenden System der Hubschrauberzelle ins drehende System des Hub schrauber-Hauptrotors ist es üblich, eine Taumelscheiben- oder eine Spinnensteuerung vorzusehen.

Es hat sich gezeigt, dass Verbesserungen des Rotorwir kungsgrades, der Lebensdauer des Hubschraubers sowie des Komforts erzielt werden können, indem der kollektiven und sinusförmigen, monozyklischen Einstellwinkelverstellung weitere Einstellwinkeländerungen überlagert werden, um bei spielsweise rotorblattinduzierten Schwingungen entgegenzu wirken. Um von der reinen Sinusform abweichende Stellbewe gungen zu erhalten, werden höherharmonische Steuerbewegun gen mit verschiedenen Vielfachen der Grundfrequenz bzw. der Grund-Winkelgeschwindigkeit des Hauptrotors überlagert. Mit einer üblichen Taumelscheiben- oder Spinnensteuerung können voneinander unabhängige Steuerbewegungen vom stehenden Sy stem der Hubschrauberzelle ins drehende System des Hub schrauber-Hauptrotors aber nur für maximal drei Rotorblät ter übertragen werden. Sollen mehr als drei Rotorblätter unabhängig voneinander angesteuert werden, so ist für je des, über die Anzahl von drei hinausgehende, Rotorblatt ein weiterer Freiheitsgrad im Übertragungssystem vorzusehen.

Die DE 11 62 7869 A1 zeigt eine Rotorblatt- Steuerungsvorrichtung, bei der für jedes, über die Anzahl von drei hinausgehende, Rotorblatt ein Stellglied zwischen einem drehbaren Teil der Taumelscheibe und den Rotorblatt- Aufnahmen vorgesehen ist. Nachteilig bei diesem System ist der unsymmetrische Aufbau, bei dem die durch die zusätzli chen Stellglieder verursachte Unwucht ausgeglichen werden muss. Darüber hinaus hat das System einen erhöhten Raumbe darf und bedarf eines aufwendigeren Sicherungssystems.

Aus der US 4,930,988 ist eine Taumelscheiben-Steuerung für einen Vierblatt-Rotorkopf bekannt, bei welcher ein wei teres Stellglied vorgesehen ist, das zwei sich gegenüber liegenden Rotorblättern eine zusätzliche Steuerbewegung überlagert. Für die Grundsteuerung ist dabei ein übliches Taumelscheiben-System vorgesehen, das durch eine aufwendige Mechanik erweitert wurde.

Die US 3,926,536 zeigt eine Rotorblatt-Steuerungs vorrichtung für einen Hubschrauber-Hauptrotor mit vier Ro torblättern, die gleichmäßig am Umfang einer Rotornabe an geordnet sind. Die Rotornabe ist Teil eines Rotormasts, der von einem Hauptgetriebe antreibbar ist. Zur Übertragung der Steuerbewegungen vom nichtdrehenden ins drehende System ist eine Steuerspinne mit vier Armen vorgesehen, wobei jeder Arm einen Anlenkpunkt aufweist, der über eine Steuerstange an ein Blatthorn eines Rotorblatts gekoppelt ist. Die Steu erspinne weist entlang einer Mittelachse einen zentralen Schaft mit einem Fußpunkt auf, wobei die Steuerbewegungen am Fußpunkt eingeleitet werden. Zum Kippen der Steuerspinne gegenüber dem Rotormast wird der Fußpunkt horizontal durch Stellglieder aus der Drehachse des Rotormasts verschoben. Damit wird eine zyklische Einstellwinkelbewegung der Rotor blätter eingesteuert. Zur kollektiven Einstellwinkelbewe gung wird die Steuerspinne durch Stellglieder parallel zur Drehachse des Rotormasts, also vertikal, verschoben. Gegen über einer Taumelscheiben-Steuerung weist eine Spinnen steuerung den Vorteil eines einfacheren mechanischen Auf baus auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotor blatt-Steuerungsvorrichtung für einen vierblättrigen Hub schrauber-Hauptrotor mit einer Steuerspinne so weiterzubil den, dass an den Rotorblättern beliebige höherharmonische Einstellwinkelbewegungen eingesteuert werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine, auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende, Ro torblatt-Steuerungsvorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen sind durch die Unteransprüche gegeben.

Erfindungsgemäß ist die Steuerspinne also zweiteilig ausgebildet, wobei ein erster Teil zwei gegenüberliegende Arme der Steuerspinne umfasst, die starr miteinander ver bunden sind und ein zweiter Teil der Steuerspinne die ande ren beiden sich gegenüberliegenden Arme der Steuerspinne umfasst, die starr mit dem Schaft verbunden sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Steuerspinne ist ein Aktuator zur axialen Verschiebung des ersten Teils gegen über dem zweiten Teil entlang der Mittelachse der Steuer spinne angeordnet. Während bei blockiertem Aktuator die Steuerfunktionen einer herkömmlichen Steuerspinne möglich sind, d. h. kollektive und monozyklische Rotorblatt- Verstellung durch vertikale bzw. horizontale Verschiebung des Fußpunkts der Steuerspinne, wird durch die Bewegung des Aktuators ein weiterer Freiheitsgrad geschaffen. Damit sind nicht nur die höherharmonischen, deren Ordnung den ganzza lig Vielfachen der Rotorblattanzahl Vier und deren Nachba rordnungen einsteuerbar, also die dritte, vierte, fünfte, siebte, achte, neunte usw. Ordnung, sondern auch die zwei te, sechste, zehnte usw. Ordnung. Ein weiterer Vorteil be steht darin, dass der Aktuator praktisch im Drehzentrum des Rotormasts angeordnet ist, und daher nur geringen Zentrifu galkräften ausgesetzt ist. Die Ansteuerung und Versorgung des Aktuators gestaltet sich durch im oder entlang des Schafts verlaufende Leitungen einfach.

Die Auswirkungen einer Fehlfunktion bzw. eines Aus falls des Aktuators zwischen den beiden Teilen der Steuer spinne können in Grenzen gehalten werden. Einerseits durch eine mechanische Begrenzung des maximalen Stellwegs des Aktuators auf eine freigegebene Autorität. Außerdem wirkt sich ein Ausfall des Aktuators nur auf den kollektiven Blatt-Einstellwinkel von zwei gegenüberliegenden Rotorblät tern aus. Es werden geringe aerodynamische Unwuchten er zeugt und die Auswirkungen können durch Veränderung des kollektiven Blatt-Einstellwinkels vom Piloten kompensiert werden. Es kommt zu einem Spurlaufunterschied, bei dem ge genüberliegende Blätter gleiche Einstellwinkel aufweisen. Bisherige Untersuchen haben gezeigt, dass bei hinreichend kleiner Differenz des Einstellwinkels ein solcher Zustand tolerabel ist. Daher ist es möglich, auf eine Redundanz der Aktuator-Funktion zu verzichten, wodurch das Gesamtsystem weniger komplex wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verriegelungsvorrichtung für den Aktuator vorgesehen, womit bei Funktionsstörungen eine starre Verbindung des ersten und des zweiten Teils der Steuerspinne hergestellt werden kann. Ist der Aktuator ein hydraulischer Aktuator, der einen Hydraulikzylinder mit einem darin geführten Kol ben aufweist, wobei an den Hydraulikzylinder mindestens eine hydraulische Zuleitung angeschossen ist, kann der Ak tuator durch Absperren der hydraulischen Zuleitung verrie gelt werden. Hierzu weist die Verriegelungsvorrichtung also mindestens ein in einer hydraulischen Zuleitung angeordne tes Sperrventil auf. Mit einer derartigen Verriegelungsvor richtung ist der Aktuator in jeder Position verriegelbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestal tung ist der Kolben im Hydraulikzylinder von zwei Seiten mit Hydraulikmedium beaufschlagt, wobei für beide Seiten hydraulische Zuleitungen mit jeweils einem Sperrventil vor gesehen sind.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Verriegelungsvor richtung ist der Kolben im Hydraulikzylinder von einer Sei te mit Hydraulikmedium und von der anderen Seite durch ein vorgespanntes elastisches Element, z. B. eine Feder oder Druckgas beaufschlagt. Bei einer Funktionsstörung ist der Kolben des Hydraulikzylinders durch das elastische Element in einer Endlage verriegelbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Verrie gelungsvorrichtung weist einen vorgespannten Riegel auf, der bei einer Fehlfunktion ausgelöst werden kann und in einer Verriegelungsposition in eine zugeordnete Ausnehmung eines Aktuatorteils einfällt. Mit einer derartigen Verrie gelungsvorrichtung ist auch eine Mittenverriegelung mög lich.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei

Fig. 1 schematisch eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Rotorblatt-Steuerungsvor richtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verrie gelungsvorrichtung

zeigen.

In Fig. 1 ist mit 2 ein von einem nicht dargestellten Hauptgetriebe antreibbarer Rotormast bezeichnet. Am Umfang einer Rotornabe 4 sind vier Rotorblätter 6 gleichmäßig ver teilt angeordnet. Mit 8 ist eine Steuerspinne bezeichnet.

Sie weist vier Arme 10, 12, 14, 16 auf, die von einer Mit telachse 18 radial nach außen weisen. An ihrem äußeren Ende weisen sie jeweils einen Anlenkpunkt 20 auf. Jeder der An lenkpunkte 20 ist über eine Steuerstange 22 mit einem Blatthorn 24 eines Rotorblatts 6 gekoppelt. Die Steuerspin ne weist entlang der Mittelachse 18 einen zentralen Schaft 26 mit einem Fußpunkt 28 auf. Der zentrale Schaft verläuft durch den hohlen Rotormast 2. Der Fußpunkt 28, der sich mit sich Rotormast 2 drehenden Steuerspinne 8, ist drehbar in einem Lager 30 gelagert. Der Fußpunkt 28 ist durch Stellglieder 32, 34, die auf das Lager 30 wirken, aus der Drehachse des Rotormasts 2 horizontal verschiebbar. Dabei wird die Steuerspinne 8 um einen Drehpunkt, der in der Nähe des von den vier Anlenkpunkten 20 gebildeten Mit telpunkts liegt gegenüber dem Rotormast gekippt. Hierdurch wird eine sinusförmige, monozyklische Einstellwinkelbewe gung der Rotorblätter 6 bewirkt. Außerdem ist ein Stell glied 36 vorgesehen, mit dem die Steuerspinne parallel zur Drehachse des Rotormasts vertikal verschoben wird, was eine kollektive Einstellwinkel-Änderung an allen Rotorblättern 6 zur Folge hat.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Steuerspin ne 8 zwei gegeneinander bewegliche Teile auf. Der erste Teil 38 der Steuerspinne 8 umfasst die beiden starr mitein ander verbundenen, gegenüberliegenden Arme 12, 16. Der zweite Teil 40 der Steuerspinne umfasst die anderen beiden, sich gegenüber liegenden Arme 10, 14 der Steuerspinne 8, die starr mit dem Schaft 26 verbunden sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Steuerspinne ist ein Aktua tor 42 zur axialen Verschiebung des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil entlang der Mittelachse 18 der Steuerspinne angeordnet. Außer der axialen Bewegung zwischen den bei den Teilen der Steuerspinne werden keine Relativbewegungen dieser Teile zugelassen. Insbesondere ist gewährleistet, dass eine Kippbewegung, die ja über den Fußpunkt zunächst auf den zweiten Teil der Steuerspinne übertragen wird, auch auf den ersten Teil der Steuerspinne übertragen wird.

Der gezeigte Aktuator 42 weist einen Hydraulikzylinder und einen darin geführten Kolben 44 auf, der mit einer Kol benstange 46 verbunden ist, die starr mit den beiden Ar men 12, 16 verbunden ist und zusammen mit diesen und dem Kolben 44 den ersten Teil 38 der Steuerspinne bildet. Der zweite Teil 38 der Steuerspinne ist entlang der Mittelachse der Steuerspinne um den Betrag Δh verschiebbar, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad der Rotorblatt-Steuerungs vorrichtung geschaffen ist. Innerhalb der durch die maxima len Stellwege der Stellglieder 32, 34, 36 und des Aktua tors 42 vorgegebenen Grenzen ist mit dieser Anordnung für jede Drehstellung entlang eines Rotorumlaufs jede beliebige Kombination der Steuerpositionen der vier Anlenkpunkte 20 realisierbar. Die Positionen der vier Anlenkpunkte 20 sind also linear unabhängig, so dass mit der erfindungsgemäßen Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung auf einfache Weise die vollständige Reihe der höherharmonischen Ordnungen einge steuert werden kann. Jede Kombination der Positionen der vier Anlenkpunkte 20 entspricht dabei einer Kombination von Steuerstellungen der Stellglieder 32, 34, 36 und des Aktua tors 42.

Fig. 2 zeigt eine Verriegelungsvorrichtung für die Kolbenstange 46 des Aktuators. Die Verriegelungseinrichtung weist einen durch eine Feder 52 vorgespannten Riegel 50 auf, der im Falle einer Fehlfunktion durch eine Auslösevor richtung 54 ausgelöst wird und in eine zugeordnete Ausneh mung 48 in der Kolbenstange 46 einfällt.

Die vorliegende Erfindung erlaubt mit einem sehr ein fachen mechanischen Aufbau eine höherharmonische Steuerung eines Vierblattrotors, wobei sämtliche Ordnungen eingesteu ert werden können.

Bezugszeichen

2

Rotormast

4

Rotornabe

6

Rotorblatt

8

Steuerspinne

10

Arm

12

Arm

14

Arm

16

Arm

18

Mittelachse

20

Anlenkpunkt

22

Steuerstange

24

Blatthorn

26

Schaft

28

Fußpunkt

30

Lager

32

Stellglied

34

Stellglied

36

Stellglied

38

erster Teil der Steuerspinne

40

zweiter Teil der Steuerspinne

42

Aktuator

44

Kolben

46

Kolbenstange

48

Ausnehmung

50

Riegel

52

Feder

54

Auslösemechanismus

Claims

1. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung für einen Hub schrauber-Hauptrotor mit folgenden Merkmalen:

- ein Rotormast (2) ist von einem Hauptgetriebe um eine Drehachse drehantreibbar,
- vier Rotorblätter (6) sind gleichmäßig am Umfang einer Rotornabe (4) angeordnet,
- eine Steuerspinne (8) weist vier Arme (10, 12, 14, 16) mit jeweils einem Anlenkpunkt (20) auf, mit denen je weils ein Einstellorgan (24) der Rotorblätter (6) gekop pelt ist,
- die Steuerspinne (8) weist entlang einer Mittelach se (18) einen zentralen Schaft (26) mit einem Fuß punkt (28) auf,
- der Fußpunkt (28) ist
- durch Stellglieder (32, 34) aus der Drehachse des Ro tormasts (2) verschiebbar, wobei die Steuerspinne (8) gegenüber dem Rotormast (2) gekippt wird,
- durch Stellglieder (36) parallel zur Drehachse des Ro tormasts (2) verschiebbar, wobei die Steuerspinne (8) parallel zur Drehachse des Rotormasts (2) verschoben wird,

gekennzeichnet, durch folgende Merkmale:

- ein erster Teil (38) der Steuerspinne (8) umfasst zwei gegenüberliegende Arme (12, 16) der Steuerspinne (8), die starr miteinander verbunden sind,
- ein zweiter Teil (40) der Steuerspinne (8) umfasst die anderen beiden, sich gegenüberliegenden Arme (10, 14) der Steuerspinne (8), die starr mit dem Schaft (26) ver bunden sind,
- zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Steuerspin ne (8) ist ein Aktuator (42) zur axialen Verschiebung des ersten Teils (38) gegenüber dem zweiten Teil (40) entlang der Mittelachse (18) der Steuerspinne (8) ange ordnet.

2. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verrie gelungsvorrichtung für den Aktuator (42) vorgesehen ist zur starren Verbindung des ersten und des zweiten Teils der Steuerspinne (8).

3. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktua tor (42) ein hydraulischer Aktuator mit einem an mindestens eine hydraulische Zuleitung angeschlossenen Hydraulikzylin der und einem darin geführten Kolben (44) ist, und dass die Verriegelungsvorrichtung mindestens ein in einer hydrauli schen Zuleitung angeordnetes Sperrventil aufweist.

4. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (44) im Hydraulikzylinder von einer Seite mit Hy draulikmedium und von der anderen Seite durch ein vorge spanntes elastisches Element beaufschlagt ist, wobei der Kolben durch das elastische Element in einer Endlage ver riegelbar ist.

5. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kol ben (44) im Hydraulikzylinder von zwei Seiten mit Hydrau likmedium beaufschlagt ist, und dass für beide Seiten hydraulische Zuleitungen mit jeweils einem Sperrventil vorge sehen sind.

6. Rotorblatt-Steuerungsvorrichtung nach einem der An sprüche 2 bis 5, dass die Verriegelungsvorrichtung einen vorgespannten Riegel (50) aufweist, der bei einer Fehlfunk tion ausgelöst werden kann und in einer Verriegelungsposi tion in eine zugeordnete Ausnehmung (48) eines Aktuator teils (46) einfällt.