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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern eines
Hubschraubers gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Herkömmliche
Steuerungsvorrichtungen insbesondere für die Rotorblätter eines
Hauptrotors eines Hubschraubers zeichnen sich durch eine mechanische
Verbindung zwischen dem nichtdrehenden Teil einer Primärsteuerung
des Hubschraubers und dem drehenden Teil desselben mit den Rotorblättern aus.
Die Primärsteuerung
dient dabei hauptsächlich zur
Erzeugung von Kräften
für Auftrieb
und Vortrieb, sowie von Drehmomenten zur Durchführung von Roll- und Nickbewegungen
der Fluggerätzelle.
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Überwiegend
erfolgt die Steuerung dabei über
eine sogenannte Taumelscheibe, die aus einem unteren nicht rotierenden
Teil und einem mit diesem über
ein Lager verbundenen oberen Teil besteht. Der untere Teil der Taumelscheibe
wird durch den Piloten mittels Steuerstangen angesteuert, wogegen
der obere Teil ebenfalls über
Steuerstangen mit den Rotorblättern
wirkverbunden ist. Der Einstellwinkel der Rotorblätter kann
demgemäss
durch heben bzw. senken und durch kippen kollektiv und zyklisch
derart eingestellt werden, dass jedes Rotorblatt beim Umlauf einen
ständigen
auf- und abschwingenden Einstellwinkel annimmt, wobei dieser Einstellwinkelverlauf
rein sinusförmig
ist (siehe hierzu
DE
198 41 853 A1 ,
DE
198 41 855 A1 und
DE
101 25 178 A1 ).
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Des
Weiteren ist aus der
DE
100 52 757 A1 eine sogenannte Spinnenansteuerungen bekannt, bei
der die Verstellung der Rotorblätter über eine
im Rotormast befindliche zentrale Lagerstelle einer mit dem Rotormast
umlaufenden Steuerspinne erfolgt.
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Ferner
offenbart die
US 4,555,219 ein
Rotorsystem mit einer kollektiven Blattverstellung, bei dem Drehstellantriebe
vorgesehen sind, die ihrerseits zwischen benachbarten Rotorblättern angeordnet
und zumindest über
ein Kegelradgetriebe mit einer koaxial zur Rotorwelle angeordneten
Antriebswelle wirkverbunden sind. Hierbei greift jeder Drehstellantrieb gleichzeitig
im Rotorblattwurzelbereich an der Vorderkante des einen und an der
Hinterkante des anderen benachbarten Rotorblattes an.
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Durch
die unsymmetrische Anströmung
infolge der Überlagerung
der Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors mit der Vorwärtsgeschwindigkeit
im Vorwärtsflug
ergeben sich hinlänglich
bekannte Vibrationen und Geräuschbelastungen.
Um diese verringern zu können,
werden seit geraumer Zeit individuelle Rotorblatt-Steuerungsvorrichtungen
in Form von mittels Hilfsenergie betreibbaren Aktuatoren vorgeschlagen,
die geeignet sind, jedes einzelne Rotorblatt mit beliebigen Frequenzen
sozusagen höherharmonisch
anzusteuern, um die genannten Vibrationen und Lärmabstrahlungen zu mindern
(
DE 198 41 853 A1 ,
DE 198 41 855 A1 ,
DE 101 25178 A1 ).
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Neuere
Entwicklungstendenzen zur Verbesserung der Rotorblattansteuerung
sehen in einer Abkehr von den oben beschriebenen mechanischen Steuerungsprinzipien
eine Einzelblattsteuerung vor, wobei mittels eines oder mehrerer
Aktuatoren pro Rotorblatt die erforderlichen Winkeländerungen
desselben vorgenommen werden.
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Durch
die
DE 36 14 371 A1 ist
eine solche Steuerung offenbart, deren zumindest eine Steuereinheit
mit dem Rotorblatt derart verbunden ist, dass ihre Längsachse
parallel zur Längsachse
des Rotorblattes verläuft
und ohne mechanische Ansteuerung eine Torsionsbewegung ausführen kann
sowie im Ergebnis eine Verwindung bzw. Winkeländerung des Rotorblattes bewirkt.
Die Steuereinheit wird dabei hydraulisch betrieben.
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Schließlich ist
es aus der
US 6,530,542
B2 bekannt, Winkeländerungen
der Rotorblätter
durch eine Vielzahl von sogenannten Hinterklappen zu erzeugen, die
ihrerseits am Flügelprofil
des Rotorblattes angeordnet und mittels elektrischer Betätigungsvorrichtungen
(Aktuatoren) betätigbar
sind.
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Aus
der Praxis ist es ferner bekannt, dass einzelne Aktuatoren eine
deutlich höhere
Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen als konventionell ausgeführte mechanische
Primärsteuerungen,
wie beispielsweise Taumelscheiben-Steuerungen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern eines Hubschraubers zu schaffen,
die eine ausreichende Redundanz beziehungsweise Ausfall- bzw. Betriebssicherheit
auch für ein
taumelscheibenloses Rotorsystem gewährleistet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen
entnehmbar sind.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einer Einrichtung zur Steuerung von Rotorblättern eines Hubschraubers,
welche gegenüber
einem Rotormast mit Rotorkopf jeweils drehwinkelbeweglich ausgebildet
und angeordnet sind, wobei jedem Rotorblatt im Rahmen einer Primärsteuerung
zumindest ein angesteuerter und mittels Hilfsenergie betreibbarer
Aktuator zur kollektiven und zyklischen Verstellung des Blatteinstellwinkels
der Rotorblätter
zugeordnet und mit dem Rotorblatt derart verbunden ist, dass seine Längsachse
parallel zur Längsachse
des Rotorblattes verläuft,
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Um
aufgabengemäß die Ausfall-
bzw. Betriebssicherheit zu gewährleisten,
sind die genannten Aktuatoren untereinander mechanisch zwangsgekop pelt
verbunden ausgebildet, wodurch auch beim Ausfall eines Aktuators
die verbleibenden funktionsfähigen
Aktuatoren eine sichere Winkelverstellung aller Rotorblätter in
ausreichendem Maße
gewährleisten.
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Zweckmäßigerweise
können
die Aktuatoren auch derart ausgebildet sein, dass diese sowohl eine kollektive
und zyklische Verstellung des Blatteinstellwinkels der Rotorblätter als
auch eine höherharmonischen
Ansteuerung mit der Vibrationshauptfrequenz (n/rev) gestatten, wodurch
eine Minderung von störenden
Vibrationen und Geräuschen
zu verzeichnen ist.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die mechanische Zwangskoppelung der Aktuatoren untereinander nach
Art einer Spinnensteuerung realisiert ist, die ihrerseits lediglich
eines geringen Aufwandes bedarf und demgemäss vergleichsweise einfach
sowie kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Spinnensteuerung ist danach durch einen weitestgehend zentral angeordneten
Spinnenkopf mit entsprechend der Anzahl der Aktuatoren für die Primärsteuerung
zugeordneten Gelenkgetrieben gebildet. Zudem ist der Spinnenkopf über ein
Kardangelenk auf einer sich in Grenzen zumindest innerhalb des Rotorkopfes
axial beweglichen, jedoch gegenüber
dem Rotorkopf drehfesten Linearführung
abgestützt.
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Jedes
Gelenkgetriebe der Spinnensteuerung ist vorzugsweise durch drei
Steuerstangen gebildet, wobei gemäß einer ersten vorteilhaften
Ausführungsform
eine erste Steuerstange fest am Spinnenkopf angeordnet und über eine
zweite mittlere Steuerstange mit einer dritten, quer zur Längsachse
des Rotorblattes am Aktuator fest angeordneten Steuerstange wirkverbunden
ist.
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Gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführungsform
ist dagegen die erste Steuerstange in axialer Richtung des Spinnenkopfes
in Grenzen schwenkbeweglich ausgebildet.
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Dieser
schwenkbeweglich am Spinnenkopf befestigten Steuerstange ist vorteilhafterweise
ein Verriegelungsmittel zur Fixierung derselben am Spinnenkopf beim
Defekt bzw. Ausfall eines oder mehrerer der Aktuatoren für die Primärsteuerung
zugeordnet, so dass ein Zustand des Systems erzielbar ist, der dem
Zustand gemäß der ersten
Ausführungsform entspricht.
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In
erfinderischer Fortbildung ist vorgesehen, dass der Spinnenkopf
im Normalbetrieb vorzugsweise über
Federn oder eine andere geeignete Vorrichtung in einer definierten
Position lotrecht recht zum Rotormast und frei beweglich gehalten
ist.
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Weiter
wird im Sinne der Erfindung vorgeschlagen, dass die Steuerstangen
eines jeden Gelenkgetriebes untereinander mittels Gelenklager aus einem
Elastomer oder einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften
verbunden sind, wobei dieselben vorzugsweise über eine definierte, progressive Federkennlinie
in radialer Richtung in Bezug zum Rotorkopf verfügen. Durch diese Maßnahme werden
etwaige Zwangskräfte
im Normalbetrieb minimiert, da kleine Abweichungen zum sinusförmigen Ideallauf des
Blatteinstellwinkels zugelassen werden.
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Wie
die Erfindung weiter vorsieht, kann jedem Rotorblatt zumindest ein
weiteres Mittel zur höherharmonischen
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels, nämlich zur höherharmonischen Ansteuerung
des Blatteinstellwinkels außerhalb
der Vibrationshauptfrequenz (n/rev) zugeordnet sein.
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Dieses
weitere Mittel zur höherharmonischen
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels außerhalb der Vibrationshauptfrequenz
(n/rev) kann beispielsweise durch zumindest einen weiteren zwischen
dem Aktuator der Primärsteuerung
und der Blattwurzel angeordneten Aktuator gebildet sein.
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Denkbar
ist es auch und wird durch die Erfindung mit erfasst, dass dieses
Mittel durch eine oder mehrere mittels Aktuatoren betätigbare
Hinterklappen gebildet ist.
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Ebenso
ist es möglich,
dass die höherharmonische
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels außerhalb der Vibrationshauptfrequenz
(n/rev) in den Aktuator für
die Primärsteuerung
integriert beziehungsweise durch denselben funktionell mit erfasst
ist.
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Wie
die Erfindung schließlich
noch vorsieht, können
die Aktuatoren sowohl für
die Primärsteuerung
inklusive einer höherharmonischen
Ansteuerung mit der Vibrationshauptfrequenz (n/rev), als auch die
Aktuatoren für
eine höherharmonische
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels außerhalb der Vibrationshauptfrequenz
(n/rev) hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch antreibbar ausgebildet
sein.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt.
In dieser zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Rotorsystems eines Hubschraubers mit
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Einrichtung zur Steuerung der Rotorblätter in einer ersten Ausführungsvariante,
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2 ein
Diagramm bezüglich
des Verhaltens von Gelenklagern eines im Rotorsystem verwendeten
Gelenkgetriebes,
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3 das
Rotorsystem gemäß 1 mit
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Einrichtung zur Steuerung der Rotorblätter in einer zweiten Ausführungsvariante,
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4 das
Rotorsystem gemäß 1 mit
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Einrichtung zur Steuerung der Rotorblätter in einer dritten Ausgestaltungsvariante
im Normalzustand befindlich, und
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5 das
Rotorsystem gemäß 4 im Notbetrieb.
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1 zeigt
schematisch den Kopfbereich eines taumelscheibenlosen Rotorsystems
des Hauptrotors eines Hubschraubers mit vier Rotorblättern 1, die
am Rotorkopf 2 eines nicht näher gezeigten Rotormastes jeweils
drehwinkelbeweglich angeordnet sind. Jedem Rotorblatt 1 ist
dabei im Rahmen einer an sich bekannten Primärsteuerung zumindest ein ansteuerbarer
und mittels Hilfsenergie betreibbarer Aktuator 3 zugeordnet.
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Die
Aktuatoren 3 sind bekanntermaßen primär vorgesehen zur kollektiven
und zyklischen Verstellung des Blatteinstellwinkels der Rotorblätter 1 und
demgemäss
zur Erzeugung von Kräften
betreffend den Auftrieb und Vortrieb des Hubschraubers, sowie zur
Erzeugung von Drehmomenten an demselben, die zu Roll- und Nickbewegungen
der Fluggerätzelle
führen.
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Als
zweckmäßig hat
es sich auch erwiesen, wenn die Aktuatoren 3 neben der
kollektiven und zyklischen Verstellung des Blatteinstellwinkels
der Rotorblätter 1 auch
eine höherharmonische
Ansteuerung mit einer Vibrationshauptfrequenz "n/rev" gestatten, wobei "n" für die Rotorblattanzahl
und "rev" für Revolution
(Umdrehung) steht. Die Vorteile daraus wurden bereits oben ausführlich geschildert.
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Des
Weiteren sind die Aktuatoren 3 jeweils derart mit dem zugehörigen Rotorblatt 1 verbunden, dass
ihre Längsachse
parallel zur Längsachse 4 des jeweiligen
Rotorblattes 1 verläuft.
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Die
Aktuatoren 3 sind in der Regel hydraulisch betreibbar ausgebildet,
wobei auf die nähere Darstellung
des Hydrauliksystems, welches vorzugsweise im drehenden System angeordnet
ist, zur besseren Übersicht
verzichtet wurde.
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Die
Ansteuerung der Aktuatoren 3 erfolgt vom Cockpit des Hubschraubers
aus über
diesbezügliche
Stellglieder, Regel- und Steuereinheiten und elektrische Leitungen,
jedoch kann die Signalübertragung
auch drahtlos erfolgen. Dabei werden entsprechend dem gewünschten
Flugzustand mittels einer elektronischen Regel- und Steuereinheit
Signale generiert und über
eine geeignete Sendeeinheit Stellmotoren mit Signalempfängereinheiten
zur Betätigung
von Hydraulikventilen des Hydrauliksystems zugeführt.
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Neben
hydraulisch betreibbaren Aktuatoren 3 können an sich auch elektrisch
oder pneumatisch betreibbare Aktuatoren zur Anwendung kommen und sind
demgemäss
durch die Erfindung mit erfasst.
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Wie
der 1 weiter zu entnehmen ist, sind die Aktuatoren 3 nicht
nur mit der an sich bekannten gemeinsamen Regel- und Steuereinheit
verbunden, sondern auch untereinander mechanisch zwangsgekoppelt
ausgebildet. Diese Maßnahme
hat den Vorteil, dass auch beim Ausfall einer der Aktuatoren 3 die
Winkelverstellung des korrespondierenden Rotorblattes 1 dennoch
gewährleistet
und zumindest eine sichere Landung des Hubschraubers möglich ist.
Demnach wird die Steuerung des betreffenden Rotorblattes 1 durch
noch funktionsfähige
Aktuatoren 3 mit übernommen,
wodurch eine ausreichende Redundanz der Rotorblattsteuerung gegeben
ist.
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Die
mechanische Zwangskoppelung der Aktuatoren 3 ist vorliegend
nach Art einer Spinnensteuerung 5 realisiert, und weitestgehend
durch einen zentral angeordneten Spinnenkopf 6 mit einer
entsprechend der Anzahl der Aktuatoren 3 für die Primärsteuerung
zugeordneten Gelenkgetrieben 7 gebildet.
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Der
Spinnenkopf 6 stützt
sich dabei über
ein nicht näher
gezeigtes, jedoch an sich bekanntes Kardangelenk auf einer sich
in Grenzen zumindest innerhalb des Rotorkopfes 2 axial
beweglichen und gegenüber
dem Rotorkopf 2 beziehungsweise dem Rotormast drehfesten
Linearführung 8 ab.
Zur Gewährleistung
der Drehfestigkeit der Linearführung 8 ist diese
im Querschnitt als Polygon, vorliegend viereckig ausgebildet.
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Die
Gelenkgetriebe 7 sind ihrerseits jeweils durch vorzugsweise
drei Steuerstangen 9a, 9b, 9c gebildet,
wobei gemäß 1 eine
erste Steuerstange 9a fest am Spinnenkopf 6 angeordnet
und über eine
zweite mittlere Steuerstange 9b mit der dritten, quer zur
Längsachse 4 des
Rotorblattes 1 am Aktuator 3 fest angeordneten
Steuerstange 9c wirkverbunden ist.
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Die
Verbindung der Steuerstangen 9a, 9b, 9c untereinander
ist mittels Gelenklager 10a, 10b realisiert, die
ihrerseits aus einem Elastomer oder einem Werkstoff mit vergleichbaren
Eigenschaften bestehen. Durch diesen Aufbau erweist sich das Rotorsystem
als vergleichsweise vibrations- und geräuscharm.
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Im
wesentlichen sollen diese Gelenklager 10a, 10b über eine
definierte und progressive Federkennlinie in radialer Richtung des
Rotorkopfes 2 verfügen,
deren Verlauf 2 zu entnehmen ist.
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Zur
weiteren Minderung störender
Vibrationen und Geräusche
können
neben der höherharmonischen
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels der Rotor blätter 1 mit der Vibrationshauptfrequenz "n/rev" mit Hilfe der Aktuatoren 3 weitere
Mittel zur höherharmonischen
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels außerhalb der Vibrationshauptfrequenz "n/rev" vorgesehen werden.
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Diese
Mittel sind vorliegend durch zumindest einen weiteren, zwischen
dem Aktuator 3 der Primärsteuerung
und der Blattwurzel eines jeden Rotorblattes 1 angeordneten
Aktuator 11 gebildet, der sich durch eine an sich bekannte
IBC-Funktion (Individual Blade Control) beziehungsweise Einzelblattsteuerung
auszeichnet. Durch diese Maßnahme
kann nunmehr jedes Rotorblatt 1 mit beliebigen Frequenzen einzeln
angesteuert werden. Die genannten Aktuatoren 11 können ebenfalls
hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch betreibbar ausgebildet
sein.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur höherharmonischen
Ansteuerung des Blatteinstellwinkels außerhalb der Vibrationshauptfrequenz "n/rev" ist beispielsweise
auch durch die Anordnung einer oder mehrerer mittels hydraulisch,
elektrisch oder pneumatisch betriebener Aktuatoren 12 betätigbarer
sogenannter Hinterklappen 13 gegeben, die alleine durch
eine Veränderung
der Strömungsverhältnisse am
Flügelprofil
des jeweiligen Rotorblattes 1 eine Winkelverstellung desselben
bewirken können (3).
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Die
Ausgestaltungsvariante gemäß 4 unterscheidet
sich von den vorbeschriebenen Varianten im wesentlichen dadurch,
dass die erste Steuerstange 9a eines jeden Gelenkgetriebes 7 nicht
fest, sondern in axialer Richtung des Spinnenkopfes 6 in Grenzen
schwenkbeweglich an demselben angeordnet ist.
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Der
kardanisch gelagerte Spinnenkopf 6 selbst wird dabei im
Normalbetrieb vorzugsweise über
Federn oder eine andere geeignete Vorrichtung in einer definierten
Position lotrecht zum Rotormast und frei beweglich gehalten.
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Durch
diese Maßnahmen
in Kombination mit den besonders ausgebildeten Gelenklagern 10a und 10b werden
etwaige störende
Einflüsse
aus einer mechanischen Zwangskoppelung auf die Steuerung der Rotorblätter 1 weitestgehend
ausgeschlossen.
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Aufgrund
dieser abgewandelten Ausbildung der mechanischen Zwangskoppelung
sind in besonders vorteilhafter Weise die Voraussetzungen gegeben,
solche Aktuatoren 14 an der Rotorblattwurzel zu nutzen,
die neben der herkömmlichen
Primärsteuerung
(kollektive und zyklische Winkelverstellung der Rotorblätter 1 gleichzeitig
auch die genannte IBC-Steuerung gestatten, so dass separate Maßnahmen,
wie beispielsweise Hinterklappen 13 an sich entbehrlich
sind.
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Erfindungsgemäß dienen
die Aktuatoren 14 bei normalem Betrieb der zyklischen,
kollektiven und beliebigen höherharmonischen
Verstellung des Blatteinstellwinkels der Rotorblätter 1.
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Gesetzt
den Fall, dass ein Defekt eines Aktuators 14 eintritt,
so müssen
jedoch nunmehr Mittel vorgesehen sein, die geeignet sind, den Spinnenkopf 6 und
die ersten Steuerstangen 9a der Gelenkgetriebe 7 derart
untereinander zu fixieren, dass im Sinne der oben beschriebenen
Ausgestaltungsvarianten eine Winkelverstellung des zum defekten
Aktuator 14 korrespondierenden Rotorblattes 1 gewährleistet
ist, indem die entsprechende Steuerung durch noch funktionsfähige Aktuatoren 14 übernommen
wird.
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Um
diesem Erfordernis gerecht zu werden, sind den schwenkbeweglich
am Spinnenkopf 6 befestigten Steuerstangen 9a Verriegelungsmittel 15 zugeordnet,
die sich vorliegend am Spinnenkopf 6 abstützen und
mittels beliebiger nicht näher
gezeigter ansteuerbarer Betätigungsmittel
im Störungsfall entlang des
Umfangs des Spinnenkopfes 6 in eine Verriegelungsstellung
bewegen lassen. Dieser Verriegelungszustand ist in 5 dargestellt.
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Diese
Konfiguration entspricht hinsichtlich ihrer Wirkung der ersten beschriebenen
Ausgestaltungsvariante, bei der lediglich kollektive, zyklische und "n/rev"-Einsteuerungen vorgenommen
werden können.
Im wesentlichen bedeutet dies aber auch, dass eine mechanische Koppelung
vorteilhafterweise erst im Störfall
zur Wirkung kommt und ansonsten, also im Normalbetrieb, ohne Einfluss
auf die Steuerung der Rotorblätter 1 bleibt.
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- 1
- Rotorblätter
- 2
- Rotorkopf
- 3
- Aktuator
- 4
- Längsachse
(Rotorblatt 1)
- 5
- Spinnensteuerung
- 6
- Spinnenkopf
- 7
- Gelenkgetriebe
- 8
- Linearführung
- 9a
- Steuerstange
- 9b
- Steuerstange
- 9c
- Steuerstange
- 10a
- Gelenklager
- 10b
- Gelenklager
- 11
- Aktuator
- 12
- Aktuator
- 13
- Hinterklappe
- 14
- Aktuator
- 15
- Verriegelungsmittel