DE69000474T2

DE69000474T2 - Rotor, passend zu der erzeugung eines auftriebs und/oder eines vortriebs in einer fluessigkeit, verfahren zur ansteuerung und flugzeug, das damit ausgeruestet ist.

Info

Publication number: DE69000474T2
Application number: DE9090200875T
Authority: DE
Inventors: Pierre Servanty
Original assignee: SERVANTY BRIVES MARTHE
Current assignee: SERVANTY BRIVES MARTHE
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2010-04-11
Also published as: EP0393752A1; CA2014173A1; FR2645828B1; US5100080A; ATE82555T1; FR2645828A1; EP0393752B1; JPH0357796A; DE69000474D1

Description

Die Erfindung betrifft eine vervollkommnete Rotorbaugruppe - nachstehend als "Rotor" bezeichnet - mit mindestens einem profilierten Blatt, die bestimmt ist, in einem Fluid in Drehung versetzt zu werden, um Auftriebs- und/oder Vortriebskräfte zu entwickeln. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zur Steuerung des besagten Rotors, das es gestattet, die Bewegung der profilierten Blätter in jedem Augenblick zu regeln, um die gewünschten aerodynamischen (bzw. hydrodynamischen) Kräfte zu bewirken. Insbesondere ist die Erfindung für den Bau von Flugzeugen im aeronautischen Bereich gedacht.
Es ist bekannt, daß die Hubschrauber einen Rotor mit Blättern haben, die drehend um eine zu ihrer Längsrichtung senkrechte Achse angetrieben werden; jeder Abschnitt des Flügels wird daher mit einer relativen und zu seinem Abstand von der Rotationsachse proportionalen Lineargeschwindigkeit betrieben. Unter diesen Bedingungen bleiben die Auftriebs- und/oder Vortriebskräfte im Verhältnis zu der überstrichenen Oberfläche infolge der aerodynamischen Faktoren (Höchstgeschwindigkeit am Ende des Flügels, sehr geringe Leistung in der Nähe der Nabe ...) beschränkt und die Energieausbeute bei einem Rotor dieser Art ist daher begrenzt (spezifischer Auftrieb im Bereiche von 40 bis 50 Newton je Pferdestärke).
Ein anderer Rotortyp war der Gegenstand von Forschungen, und man kann sich zum Beispiel auf die folgenden Patente beziehen, die Beispiele davon beschreiben: Patente FR 2.375.090, FR 2.309.401, FR 2.181.486, FR 2.008.452. Diese Rotoren umfassen profilierte Flügel oder Blätter, (nachstehend infolge ihrer Anordnung im Verhältnis zu dem Stromfaden, die ähnlich ist wie bei den Tragflächen von Flugzeugen als "profilierte Blätter" bezeichnet), und zwar werden die besagten Blätter drehend um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse angetrieben. Unter diesen Bedingungen arbeitet jeder Abschnitt des profilierten Blattes unter den gleichen aerodynamischen Bedingungen (Geschwindigkeit, Anstellung und Umlauf identisch). Man könnte daher erwarten, daß ein Rotor dieser Art eine viel höhere dynamische Leistung aufweist als Hubschrauberrotoren. Bei einem Rotor dieser Art wird jedoch bewirkt, daß jedes profilierte Blatt während seiner Drehung einem Anstellungsgesetz entspricht, das die Leistungen des Rotors bestimmt, und die bekannten Rotoren dieser Art sind so beschaffen, daß sie einem konstanten Anstellungsgesetz entsprechen, d.h. einem Gesetz, das sich endlos auf sich selbst identische Weise wiederholt: angesichts der relativ willkürlichen Wahl dieses Gesetzes (die insbesondere durch technologische Einschränkungen bedingt war) ist es bei den bekannten Rotoren dieser Art in keinem Falle möglich, die Leistung bei variierenden Betriebsbedingungen (Drehgeschwindigkeit des Rotors, Vortriebsgeschwindigkeit, Angriffswinkel des Fahrtwindes ...) zu optimieren. Außerdem sind diese Rotoren mit konstanter Kinematik in der Praxis nicht verwendbar, da sie unter den gegebenen Betriebsbedingungen die Höhe und/oder die Richtung der erzeugten aerodynamischen Kraft bestimmen und nicht die Möglichkeit zum Bewirken der für wirksame Führung des Flugzeugs nötigen Modulationen bieten. Des weiteren liefern die vorstehenden Urkunden, die einen Rotor dieser Art beschreiben, selbst auf theoretischer Ebene keine Lehre, die es ermöglichen würde, das Anstellungsgesetz an die Sollkräfte anzupassen.
Die gegenwärtige Erfindung verfolgt das Ziel, die Nachteile der bekannten Rotoren der vorstehenden Art mit profilierten Blättern, die sich um eine zu der Längsrichtung der profilierten Blätter parallele Achse drehen, zu verringern. Die Erfindung soll es ermöglichen, aus den bei dem Rotor dieser Art erzielbaren Vorteilen, insbesondere der aerodynamischen Leistung, die besser ist als bei Hubschrauberrotoren, vollen Nutzen zu ziehen.
Eines der Ziele der Erfindung besteht insbesondere darin, einen vervollkommneten Rotor mit profilierten Blättern zu schaffen, deren Anstellung gemäß einem nichtkonstanten Gesetz in Echtzeit einstellbar ist.
Ein weiteres Ziel besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung des besagten Rotors zu bieten, mit dessen Hilfe das Anstellungsgesetz jedes profilierten Blattes in jedem Augenblick geregelt werden könnte, um in dem betreffenden Augenblick die gewünschten Auftriebs- und/oder Vortriebskräfte zu erzielen, und zwar in Verbindung mit optimierter Energieausbeute.
Der Rotor nach der Erfindung, der zur Anbringung an eine in einem Fluid bewegliche Zelle bestimmt ist, um Auftriebs- und/oder Vortriebskräfte auf die besagte Zelle auszuüben, ist von der Art, die eine an der besagten Zelle angeordnete Tragstruktur umfaßt, so daß er drehend um eine Rotationsachse (O) herum angetrieben werden kann und sich mindestens ein profiliertes Blatt parallel zu Rotationsachse (O) erstreckt und mit Hilfe eines Anschlußgelenks mit Achse (B) an der Tragstruktur angelenkt ist, wobei die besagte Achse (B) im wesentlichen zu Rotationsachse (O) parallel verläuft, und zwar wird der besagte Rotor zum Drehen in dem Fluid um Rotationsachse (O) und mit einer Rotationsgeschwindigkeit ω gebracht; das Steuerungsverfahren nach der Erfindung besteht :
- im Vorspeichern von Daten, die für die folgenden Strukturparameter des Rotors repräsentativ sind: n (Anzahl profilierter Rotorblätter); E (Spannweite jedes profilierten Blatts); R (Abstand zwischen Rotationsachse O und Achse B des Anschlußgelenks; r (Abstand entlang der Sehne des profilierten Blatts zwischen Achse B und einem im wesentlichen im hinteren Viertel des Profils liegenden Punkt P); a (Koeffizient der konformen Transformation des profilierten Blattes);
A = 2π(a&sub1; - a²) + S ;
B = 2π(a&sub1; + a² - S); C&sub1; =
wobei a&sub1;, a&sub2;, ...ai die Glieder der nach Laurent-Serie entwickelten konformen Transformation und A&submin;&sub1;, A&sub1;, ... Ai die Glieder des Produktes der konformen Transformation und deren nach Laurent-Serie entwickelten Konjugierten sind und S die Normaloberfläche des Profils ist,
- im Messen und Bestimmen in jedem Augenblick der relativen Geschwindigkeit V der Verlagerung der Zelle im Verhältnis zu dem Fluid, der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rotors und der Dichte des Fluids aufgrund von Meßwerten des dynamischen Drucks, des statischen Drucks und der Fluidtemperatur,
- im während der Rotation laufenden Messen und Bestimmen des aerodynamischen Azimuts φ jedes profilierten Blattes, um ein entsprechendes Meßsignal zu erzeugen, wobei das besagte aerodynamische Azimut der Winkel ist, der einerseits durch die Richtung des Fahrtwinds und andererseits durch die Ebene M gebildet wird, die Rotationsachse O und Achse B des Anschlußgelenks des betreffenden profilierten Blattes enthält,
- im Erzeugen von für die auf die Zelle einwirkenden Nennkräfte (Kräfte, wiedergegeben durch ihre Projektionen P und T in zu dem Fahrtwind lotrechter Richtung bzw. in der Richtung des besagten Fahrtwinds, wobei die besagten Kräfte P und T nachstehend als Auftrieb und Widerstand bezeichnet sind repräsentativen Sollsignalen),
- im laufenden Bestimmen hinsichtlich jedes profilierten Blattes, aufgrund der gespeicherten Parameter, der gemessenen Größen und der Sollsignale, des momentanen geometrischen Winkels ψ definiert durch die Sehne des profilierten Blattes und durch die Ebene M entsprechend den folgenden Beziehungen innerhalb von &mnplus; 0,2 Radianten (wobei alle Winkel im trigonometrischen Sinne definiert sind) :
- und im Einstellen des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes im Einklang mit dem Wert des hinsichtlich des besagten Blattes gewonnenen Winkels ψ.
Durch Erstellung eines Modells der momentanen aerodynamischen Erscheinungen war es möglich, eine Gruppe von Anstellgesetzen zu bestimmen, die einer maximalen Energieausbeute entsprechen und nach den Gleichungen (1), (4) und (5) definiert sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Rotationszyklus (eine Umdrehung des Rotors) in vier Sektoren verteilt, die durch die Winkel φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;, 2π - φ&sub1;&sub2;, 2π - φ&sub1;&sub1;, die sogenannten Kommutationswinkel, abgegrenzt sind. Die beiden Sektoren, die den dynamischen Azimut φ einerseits zwischen 2π-φ&sub1;&sub1; und φ&sub1;&sub1; und andererseits zwischen φ&sub1;&sub2; und 2π-φ&sub1;&sub2; entsprechen, werden nach einem Anstellgesetz durchlaufen, das eine Strömung mit konstantem Umlauf gewährleistet (die für jeden der beiden Sektoren verschieden sein kann); diese Gesetze sind dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf konstant ist und sie sind durch Differentialgleichung (1) unter den entsprechenden Bedingungen (5 a, c) wiedergegeben: infolge des Umstands, daß der Umlauf konstant ist, findet in diesen Sektoren kein Energieverlust statt. Die beiden anderen Sektoren gewährleisten die Kontinuität des Umlaufs zwischen den beiden Sektoren mit dem besagten konstanten Umlauf; diese Kontinuität ist durch Differentialgleichung (1) unter den entsprechenden Bedingungen (5 b, d) gewährleistet und ermöglicht den wirksamen Übergang von einem Anstellgesetz zum anderen. Die Richtung und die Stärke der erzeugten Kräfte werden in jedem Augenblick durch den Wert geregelt, der im Einklang mit den Gleichungen (2), (3), (6) und (7) in jedem Zyklus jedem der Kommutationswinkel vermittelt wird. Die Integrierung in jedem Augenblick der Differentialgleichung (1) unter Bedingung (5) (entsprechend dem jeweiligen Sektor) ergibt den Grundsatz, nach dem der momentane geometrische Winkel ψ jedes profilierten Blattes gesteuert wird. Man beachte, daß die Gesamtheit der vorstehenden Beziehungen (1) bis (8) die Kinematik eines profilierten Blattes definiert, wobei der aerodynamische Azimut φ zu dem besagten profilierten Blatt in Beziehung steht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der momentane geometrische Winkel ψ durch die folgenden Schritte bestimmt:
- für die Gesamtheit der profilierten Blätter :
. Vorausbestimmung einer Korrelationstafel von Werten zwischen den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;,
wobei diese Tafel dadurch bestimmt wird, daß man den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; (den sogenannten Kommutationswinkeln) getrennte, über den Variationsbereich (4) gleichmäßig verteilte Werte zuteilt und für jedes Wertepaar (φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;) die Werte von
Lösungen der Beziehungen (2), (3), berechnet,
. Speicherung der besagten Korrelationstafel,
. laufende Berechnung der Größen
und
in Abhängigkeit von den Nennkräften P und T und den bestimmten Parametern V, ω und ,
. Absuchung der Korrelationstafel zwecks Bestimmung des Paares
das den entsprechenden berechneten Größen am nächsten ist, und Auszug der entsprechenden Werte der Parameter φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; ,
- für jedes profilierte Blatt :
. Auflösung der Differentialgleichung (1), wobei den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; die aus der Tafel entnommenen Werte zugeteilt werden, um den gewünschten Wert des momentanen geometrischen Winkels ψ für das betreffende profilierte Blatt zu erhalten.
Die Bestimmung der Kommutationswinkel ausgehend von den zu erzeugenden aerodynamischen Kräften (P, T) würde zu sehr schwierigen Berechnungen führen, und zwar angesichts der inversen Beschaffenheit der Gleichungen (die ausgehend von einem Anstellungsgesetz der Gruppe leichte Berechnung der Kräfte P und T gestatten, während dagegen die Berechnung im inversen Sinne komplizierter wäre). Die vorstehend genannten Korrelationstafeln werden im voraus mit Hilfe eines Computers generiert, in dessen Speicher die Strukturparameter des Rotors enthalten sind, wobei die Gleichungen unmittelbar gelöst werden; dies gestattet dann während des Fliegens schnelle Bestimmung nach leichten und herkömmlichen Rechenmethoden der Kommutationswinkel φ&sub1;&sub1; und φ&sub1;&sub2; ausgehend von den Kräften P und T (Bestimmung mit der Steuerung in Echtzeit kompatibel). Danach ist die Integrierung der Differentialgleichung in jedem Sektor des Zyklus eine in Echtzeit durchführbare laufende Rechenoperation, die den gesuchten und als Steuerungssollwert dienenden geometrischen Winkel ψ ergibt.
Um des weiteren die Kontinuität der reellen Bewegung jedes profilierten Blattes zu gewährleisten, mißt man laufend den Istwert ψr des momentanen geometrischen Winkels des betreffenden profilierten Blattes und bedient sich dieses Istwerts bei der Lösung der Differentialgleichung als Integrationskonstante.
Bei einer vorteilhaften Durchführungsform besteht die Steuerung des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes übrigens in den folgenden Stufen :
. im Gewährleisten einer mittleren Regelung der Gesamtheit profilierter Blätter im Einklang mit einem Gesetz der mittleren periodischen Anstellung ψm = f (φ) durch eine umkehrbare kinematische Kette, die in der Lage ist, Energie je nach den Belastungsmerkmalen der profilierten Blätter zu liefern oder zu gewinnen,
. im Gewährleisten einer komplementären Regelung jedes profilierten Blattes aufgrund des berechneten Wertes des momentanen geometrischen Winkels ψ durch Hinzufügen in jedem Augenblick eines zusätzlichen Anstellwinkels ψc = ψ - ψm mit Hilfe eines Stellantriebs.
Diese summierende Regelung ermöglicht es, die Leistung, die zwecks Antrieb des Rotors und zur Regelung der Anstellung der profilierten Blätter vorzusehende Leistung auf ein Mindestmaß einzuschränken. In der Tat wirken in gewissen Augenblicken des Zyklus die profilierten Blätter als Leistungserzeuger, während sie in anderen Augenblicken hohe Leistungen erfordern. Die den profilierten Blättern gemeinsame umkehrbare kinematische Kette bewirkt Energieübertragung zwischen den verschiedenen profilierten Blättern, während der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehende komplementäre Stellantrieb genaue Einstellung des geometrischen Winkels ψ des betreffenden Blattes bewirkt: dank der Verfügbarkeit der umkehrbaren kinematischen Kette ist die von diesen Stellantrieben zu liefernde Energiemenge geringer (geringere Abmessungen, kürzere Ansprechzeit ...).
Die Erfindung erstreckt sich auf einen vervollkommneten Rotor, umfassend eine Tragstruktur, die zur Anordnung an der Zelle geeignet ist, so daß sie drehend um eine Rotationsachse (O) angetrieben werden kann, um mindestens ein profiliertes Blatt, das parallel zur Rotationsachse (O) verläuft und mit Hilfe eines Anschlußgelenks an der Tragstruktur angelenkt ist, wobei das besagte Anschlußgelenk eine Achse (B) hat, die im wesentlichen zur Rotationsachse (O) parallel ist, und zwar umfaßt der besagte Rotor in Verbindung mit den vorstehend genannten Mitteln die folgenden Einrichtungen :
. Mittel zur Speicherung der spezifischen Rotordaten,
. Mittel zum Messen und Bestimmen der relativen Geschwindigkeit V der Zellenverlagerung, der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rotors und der Dichte des Fluids ,
. Mittel zum Messen und Bestimmen des aerodynamischen Azimuts φ jedes profilierten Blattes während der Rotation,
. Mittel zum Erzeugen von für die Nennkräfte P, T repräsentativen Sollsignals,
. Mittel zur Berechnung des momentanen geometrischen Winkels ψ jedes profilierten Blattes in Abhängigkeit von den gespeicherten Daten, den bestimmten Werten und den Sollsignalen,
. Mittel zum Regeln jedes profilierten Blattes, die so beschaffen sind, daß sie in jedem Augenblick die Winkellage des Blattes im Einklang mit dem von den Rechenmitteln gelieferten berechneten Wert ψ regeln.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Regelmittel :
- eine kinematische Kette, die der Gesamtheit der profilierten Blätter gemein ist und deren mechanische Struktur so beschaffen ist, daß sie am Ausgang eine Drehung im Einklang mit einem Gesetz der mittleren periodischen Anstellung ψm erzeugt,
- einen hydraulischen Verteiler mit einem Servoventil, der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht, wobei der besagte Verteiler hinsichtlich des betreffenden profilierten Blattes ein für den Winkelabstand ψ - ψr repräsentatives Signal empfängt und so beschaffen ist, daß er eine zu dem besagten Winkelabstand in unmittelbarer Beziehung stehende hydraulische Leistung erzeugt,
- und einen drehenden hydraulischen Stellantrieb, der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht und von dem entsprechenden Verteiler die hydraulische Leistung erhält, wobei der besagte Stellantrieb einerseits einen in Drehung beweglichen Körper besitzt, der im Einklang mit dem Mittelgesetz ψm von der kinematischen Kette angetrieben wird, und andererseits eine mit dem betreffenden profilierten Blatt in Verbindung stehende Abtriebswelle zwecks Regelung der Winkellage des besagten Blattes.
Die kinematische Kette kann somit zum Beispiel eine kreisförmige Verlagerung der Gesamtheit profilierter Blätter gewährleisten, so daß jeder mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehende Stellwerkkörper eine durch das Gesetz periodischer Anstellung bedingte Feststellung im Verhältnis zu dem Fahrtwind erfährt. Dieses Gesetz ist ein für allemal durch die Struktur der kinematischen Kette festgelegt. Die Steuerung und die Optimierung des Anstellungsgesetzes (wie vorstehend definiert) werden durch Zwischenschaltung des hydraulischen Verteilers und des an jedem Blatt angebrachten Stellantriebs bewirkt, die dem besagten Blatt in jedem Augenblick seinen effektiven Anstellwinkel vermitteln. Der durch diesen hydraulischen Stellantrieb bedingte zusätzliche Winkel ist in jedem Augenblick über den hydraulischen Verteiler einstellbar. Diese hydraulische Lösung ermöglicht sehr hohe spezifische Leistungsgewichte und begrenzt die Trägheiten der beweglichen Teile, was somit die schnellen Beschleunigungen gestattet, die zur Erzielung des bereits definierten optimalen Rotorsteuerungsgesetzes erforderlich sind.
Die vorstehend genannte kinematische Kette umfaßt vorzugsweise eine Phasenänderungsstufe, die so beschaffen ist, daß sie eine bestimmte Festlegung des Ursprungs ψmo des Gesetzes der periodischen Anstellung ψm gestattet. Diese Feststellung ermöglicht es, gleichzeitig allen Stellantriebskörpern das periodische Gesetz ψm zu vermitteln, wobei die maximale Amplitude, die jeder Stellantrieb zu bewirken hat, begrenzt wird; in jedem Zyklus ist es in der Tat möglich, die Spitzenamplitude des zusätzlichen Winkels ψc, die jeder Stellantrieb zu bewirken hat, durch eine modulierbare und entsprechende Nachstellung der Winkellage der Stellantriebskörper im Verhältnis zu dem Fahrtwind auf ein Mindestmaß einzuschränken (Ursprung des Gesetzes ψm).
Des weiteren ist der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehende hydraulische Verteiler mit Servoventil vorteilhafterweise mit mindestens einer hydraulischen Speisepumpe und mindestens einem hydraulischen Speicher verbunden, die so angeordnet sind, daß der besagte hydraulische Speicher bei einem Überschuß verfügbarer Pumpenleistung Leistung aufnimmt und im umgekehrten Falle abgibt. Man verringert die vorzusehende Leistung erheblich, da, was die Pumpen anbelangt, nur die maximale Mittelleistung (und nicht die maximale momentane Leistung) vorzusehen ist.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Flugzeug mit einem Rotor der vorstehend definierten Art sowie auf eine mit seiner Zelle fest verbundene und mit dem Antriebsmotor jedes Rotors gekoppelten Motorsatz.
Da die Erfindung in ihrer allgemeinen Form erläutert wurde, bietet die nachstehende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Ausführungsform davon und veranschaulicht das Verfahren der Steuerung; in diesen Zeichnungen, die einen wesentlichen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bilden :
- ist Bild 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Flugzeugs,
- ist Bild 2 eine Halbansicht davon von unten,
- ist Bild 3 ein teilweiser und vereinfachter Schnitt eines Rotors durch eine Ebene P&sub1;,
- ist Bild 4 eine teilweise auseinandergezogene schematische Perspektivansicht davon,
- ist Bild 5 ein schematischer Querschnitt des Rotors durch eine Ebene P&sub2;,
- ist Bild 6 ein Funktionsplan, der das Steuerungsverfahren veranschaulicht,
- sind die Bilder 7, 9 und 10 Logikdiagramme, die die Berechnungsvorgänge veranschaulichen, während Bild 8 ein vereinfachtes Beispiel der im voraus angefertigten und gespeicherten Korrelationstafel ist,
- ist Bild 11 ein Funktionsdiagramm der Regelschleife,
- ist Bild 12 ein Übersichtsplan der Leistungs- und Regelkette des Rotors,
- ist Bild 13 eine allgemeine mechanische Darstellung der umkehrbaren kinematischen Kette, die das Mittelgesetz ψm gewährleistet,
- ist Bild 14 ein schematisches Teilbild der Phasenänderungsstufe dieser Kette,
- ist Bild 15 eine schematische Darstellung des Einbaus der Hydraulikleistungsmittel,
- ist Bild 16 ein teilweiser Längsschnitt des Rotors durch eine Ebene P&sub3;,
- ist Bild 17 ein teilweiser Querschnitt entlang einer gestrichelten Linie P&sub4;.
Das beispielweise in den Bildern 1 und 2 dargestellte Flugzeug umfaßt eine Zelle 1 herkömmlicher Art, an der in dem Beispiel vier der Erfindung entsprechende Rotoren wie der Rotor 2 angeordnet sind. Die beiden vorderen Rotoren mit kleineren Abmessungen sollen die Steuerung des Flugzeugs um die Querachse gestatten und erfüllen die Funktion waagerechter Querruder herkömmlicher Flugzeuge. Diese Rotoren werden nach einem Anstellungsgesetz gesteuert, das im Verhältnis zu dem Fahrtwind ausschließlich Auftrieb bedingende Kräfte bewirkt (T = O P > O). Sie sind in ihrem Aufbau mit den hinteren Hauptrotoren zur Entwicklung von Auftriebs- und/oder Vortriebskräften im Einklang mit den Steuersignalen identisch. Die Nachstellungsgesetze der beiden Hauptrotoren sind bei geradlinigem Flug und unter symmetrischen Bedingungen identisch und es wird möglich sein, sie durch die Steuersignale zu differenzieren, um die gewünschte Gier- und Rollbewegung zu erzielen.
Jeder Rotor 2 umfaßt eine der Länge nach verlaufende drehende Welle 3 (wobei sich der Ausdruck "der Länge nach verlaufend" auf die Richtung des Rotors bezieht), und die besagte Welle ist an einer Seite durch eine mit Zelle 1 in Verbindung stehende Nabe 4 und an der anderen Seite durch einen festen profilierten Träger 5 mit einem Lager abgestützt, wobei der besagte Träger rücklaufend an Zelle 1 befestigt ist. In dem Beispiel ist der profilierte Träger 5 mit einem Rad 7 ausgestattet.
Die Zelle schließt ein der Gesamtheit der Rotoren gemeines Triebwerk ein, dessen Ausgangswelle 8 in Bild 4 zu sehen ist. Diese Welle 8 ist mit Welle 3 jedes Rotors durch ein mechanisches Getriebe gekoppelt, das drehenden Antrieb des betreffenden Rotors mit einer Geschwindigkeit ω gewährleistet.
Jeder Rotor umfaßt fünf profilierte Blätter wie 9, die in einem Winkelabstand von jeweils 72º um die Mittelwelle 3 angeordnet sind. -E- bezeichnet die Spannweite jedes profilierten Blattes.
Die profilierten Blätter 9 sind durch eine Tragstruktur mit zwei Seitenplatten 10 und 11 abgestützt, an denen sie durch Wellen wie 12 angelenkt sind, wobei diese ein Anschlußgelenk mit Achse B bilden. Das an der Seite der Zelle befindliche Ende der Welle 12 wird, wie dies nachstehend erläutert ist, drehend gesteuert, um dem profilierten Blatt eine bestimmte Anstellung zu vermitteln, während die andere Welle ausschließlich als Lager dient.
In Bild 5 ist ein Schnitt des Rotors durch eine zu seiner Achse senkrechte Ebene P&sub2; dargestellt. In dem Beipiel sind die profilierten Blätter 9 bikonvexe symmetrische Profile insbesondere der Art "KARMAN-TREFTZ", doch können sie je nach den gewünschten Leistungsmerkmalen anderer Art sein. Die Innenverrippung jedes profilierten Blattes ist herkömmlicher Art mit Kassettenaufbau oder anderer Bauweise.
Das profilierte Blatt ist um seine Wellen 12 im wesentlichen im vorderen Viertel seiner Sehne angelegt; dieser Punkt bildet annähernd den aerodynamischen Mittelpunkt des Profils, und die aerodynamischen Kräfte erzeugen im Verhältnis zu diesem Punkt das geringste auf das Blatt einwirkende mittlere Drehmoment.
In Bild 5 sind für eines der profilierten Blätter die verschiedenen kennzeichnenden Parameter des besagten Blattes und seiner Lage im gegebenen Augenblick eingetragen :
- R : Abstand zwischen der Drehachse O (Achse der Welle von Rotor 3) und Achse B des Anschlußgelenks,
- r : Abstand zwischen Achse B des Anschlußgelenks und Punkt P, der sich im wesentlichen im hinteren Viertel des Profils befindet,
- momentaner geometrischer Winkel ψ, definiert durch die Sehne des profilierten Blattes und eine Ebene M, die Drehachse O und Achse B des Anschlußgelenks enthält,
- Winkelazimut φA, gebildet durch eine mit der Zelle verbundene Bezugsebene, zum Beispiel Achse -Cel- der Zelle und Ebene M,
- aerodynamischer Azimut φ, gebildet durch die Richtung des Fahrtwinds V (und zwar durch die Projektion des Fahrtwinds auf eine Querebene, die zu der Ebene M senkrecht ist) und durch Ebene M,
- Anstellwinkel des profilierten Blattes θ = φ - ψ,
- Anstellwinkel der Zelle i = φA - φ .
Die nachstehend unter Bezugnahme auf die Bilder 6 bis 13 beschriebenen Mittel ermöglichen es, bei jedem profilierten Blatt 9 den momentanen geometrischen Winkel ψ des besagten Blattes so einzustellen, daß die Nennkräfte P und T erzielt werden, die der betreffende Rotor auf die Zelle ausübt, wobei diese Kräfte von den gegebenen externen Bedingungen und den für das Flugzeug angestrebten Flugbedingungen abhängen. Diese Mittel sind so beschaffen, daß sie den Winkel ψ jedes Blattes im Einklang mit den bereits angeführten Beziehungen (1) bis (8) definieren.
Die algebraischen Größen P und T sind Projektionen der durch den Rotor auf die Zelle unter Einwirkung von Fluid auszuübenden aerodynamischen Kraft bzw. im Einklang mit einer zu dem Fahrtwind senkrechten Richtung (Auftrieb) sowie im Einklang mit der Richtung des besagten Fahrtwinds (Widerstand).
Bild 6 zeigt das Funktionsdiagramm der Rotorsteuerung, das die folgenden Stufen umfaßt :
- Mittel zur Speicherung der spezifischen Daten des Rotors, bestehend in einem Totspeicher 13, in dem eine Korrelationstafel von Werten zwischen den Kommutationswinkeln φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; und den Größen
der im voraus gespeichert wurde
- Mittel zum Messen und zum Bestimmen der relativen Verlagerungsgeschwindigkeit V der Zelle und der Fluiddichte in der Form einer anemometrischen Zentrale 14,
- Mittel zur Erzeugung von für die Nennkräfte P, T repräsentativen Sollsignalen, in der Form einer herkömmlichen Flugzeugsteueranlage 15 (Trägheitszentrale, Selbststeueranlage, Flugsteuerung und die entsprechende Elektronik).
Die Korrelationstafel wird in einer früheren Berechnungsphase mit Hilfe eines nicht an Bord befindlichen Computers angefertigt, in dessen Speicher die folgenden Strukturparameter eingeben wurden :
- nE : äquivalente Spannweite, gleich dem Produkt der Anzahl n profilierter Blätter (fünf bei dem in dem Beispiel beschriebenen Rotor) mit deren Spannweite E,
- R : Abstand zwischen Rotationsachse O und Achse B des Anschlußgelenks jedes profilierten Blattes,
- r : Abstand entlang der Sehne des profilierten Blattes zwischen Achse B und Punkt P, der im wesentlichen im hinteren Viertel des Profils liegt (in dem Beispiel entspricht r im wesentlichen der halben Sehnenlänge),
- a : Koeffizient der konformen Transformation des profilierten Blattes (herkömmlicher Wert des betreffenden Profils, und in dem Beispiel eines KARMAN-TREFTZ Profils einer relativen Dicke von 17 % entsprechend, d.h. in dem Beispiel gleich
(in dem Beispiel C&sub1; = 6,233.10&supmin;³m³), wobei a&sub1;, a&sub2;, ...ai die Glieder der nach Laurent-Serie entwickelten konformen Transformation und A&submin;&sub1;, A&sub1;,... Ai die Glieder des Produktes der konformen Transformation und deren nach Laurent-Serie entwickelten Konjugierten sind und S die Normaloberfläche des Profils ist.
Des weiteren mißt eine Gesamtheit von Sensoren 16 in jedem Augenblick die Istparameter der Rotorkonfiguration (φA : Winkelazimut eines profilierten Bezugsblattes, ψr : reeller momentaner geometrischer Winkel, der in jedem Augenblick jedes profilierte Blatt kennzeichnet).
Außerdem umfaßt das System Mittel zur Berechnung in der Form eines ersten Computers 17, der die Aufgabe hat, in jedem Augenblick die Kommutationswinkel φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; zu bestimmen und der Gesamtheit profilierter Blätter gemein ist, sowie eines zweiten Computers 18, der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht und die Aufgabe hat, den momentanen geometrischen Winkel ψ des besagten profilierten Blattes zu berechnen.
In diesem Sinne ist im Totspeicher 13 eine Korrelationstafel von Werten zwischen den Kommutationswinkeln φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; und den Größen
gespeichert.
Ein vereinfachtes Beispiel der besagten Tafel ist hinsichtlich des betreffenden Rotors und KARMAN-TREFTZ-Profils in Bild 8 wiedergegeben.
Diese Tafel wird in der Vorstufe der besagten Berechnung mit Hilfe des nicht an Bord befindlichen Computers festgelegt, wobei den Winkeln φ&sub1;&sub1; und φ&sub1;&sub2; diskrete Werte erteilt werden, und zwar in dem Beispiel mit einem Intervall von 10 Graden zwischen 90º und 180º, während für jedes Wertepaar φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; die Werte der Größen
mit Hilfe der Beziehungen (2) (2) und (3) berechnet werden. Man beachte, daß 90º ≤ φ&sub1;&sub1; < φ&sub1;&sub2; ≤ 180º Kräfte positiven Auftriebs (tragende Kraft) und negativen Widerstands (Vortrieb) entspricht. Bild 7 enthält das Logikdiagramm der Berechnung dieser Tafel.
Die Korrelationstafel kann somit in Speicher 13 in der Form einer Matrix mit vier den Werten von
φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; entsprechenden Kolonnen gespeichert werden.
Computer 17 erhält die Parameter V, , ω, P und T der Zentrale 14, der Sensoren 16 und der Generationsmittel 15. Er berechnet laufend die Größen
die Konstante
wird aufgrund der von dem Computer empfangenen Werte V, ω und des numerischen Wertes R, einer mit der Gesamtlogik des besagten Computers 17 integrierten Konstante, bestimmt. Dieser Computer sucht dann die in Speicher 13 gespeicherte Korrelationstafel ab, wobei er die beiden Kolonnen
liest, um das den berechneten Werten am nächsten liegende Paar herauszustellen, wobei er die entsprechenden Werte von φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; in den beiden anderen Kolonnen entnimmt. Alle der vorstehend genannten Größen sind der Gesamtheit profilierter Blätter gemein, und es ist daher ein einziger Computer 17 vorgesehen.
Andererseits umfaßt jedes Blatt einen Computer 18. Er enthält in seinem Programm numerische Werte r und R und empfängt in jedem Augenblick :
. die von Computer 17 gelieferten Kommutationswinkel φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;,
. Winkelazimut φA und den reellen momentanen geometrischen Winkel ψr, die von den Sensoren 16 geliefert werden (Azimut und Winkel für das betreffende profilierte Blatt),
die von Zentrale 14 gelieferte relative Geschwindigkeit V,
. die von den Sensoren 16 gelieferte Rotationsgeschwindigkeit ω.
Ausgehend von diesen Werten löst Computer 18 für jedes profilierte Blatt die Differentialgleichung (1), um den gesuchten Wert des momentanen geometrischen Winkels ψ zu berechnen.
Die Lösung dieser Differentialgleichung wird in jedem Augenblick durch eine Berechnung mit den folgenden Stufen bewirkt:
. Vergleich des gemessenen Wertes φ mit den Kommutationswinkeln φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; zwecks Bestimmung des Wertes von φi im Einklang mit den Beziehungen (5),
. Verwendung des Wertes von φi und den gemessenen, berechneten oder gespeicherten Parametern C, ω, r, R zwecks Lösung der besagten Differentialgleichung nach einer Methode von RUNGE-KUTTA.
Der von einem der Sensoren 16 gemessene Istwert ψr des geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes wird in jedem Augenblick in den Computer 18 eingespeist, wo er als Integrationskonstante dient.
Die Logikdiagramme der Bilder 9 und 10 veranschaulichen die in den Computern 17 bzw. 18 angewandten Berechnungsalgorithmen.
Das Programm wird dank den durch einen Zeitgeber 20 erzeugten Zeitgeberimpulsen auf sequentielle Weise durchgeführt, wobei die Frequenz des Zeitgebers 20 im Verhältnis zu der Anzahl Umdrehungen pro Sekunde des Motors hoch ist (z.B. 2000 Hz bei Drehzahlen im Bereiche von 5 Umdrehungen/s). Bei jedem Zeitgeberimpuls lesen die Computer 17 und 18 die Soll- und Meßwertsignale, worauf die Berechnungen in der zwei Zeitgeberimpulse trennenden Zeit t durchgeführt werden, um den neuen Wert des momentanen geometrischen Winkels ψ zu bestimmen, der dann als Regelsollwert dient.
Das Winkelintervall h der Integration ist gleich tω, der Zunahme des Winkelazimuts φA zwischen zwei Zeitgeberimpulsen.
Bild 11 ist ein Funktionsdiagramm der zu jedem profilierten Blatt des Rotors gehörenden geschlossenen Regelschleife, die, von dem durch den Computer 18 gelieferten momentanen geometrischen Winkel ψ und dem Wert der relativen Geschwindigkeit V ausgehend, die Winkellage der profilierten Blätter so steuert, daß der Abstand zwischen dem berechneten momentanen geometrischen Wert ψ und dem reellen momentanen geometrischen Winkel ψr in jedem Augenblick reduziert wird.
In diesem Sinne wird die reelle Bewegung jedes profilierten Blattes (Winkellage ψr) durch Addition einer mittleren Bewegung (mittlerer periodischer Anstellwinkel ψm) und einer komplementären Bewegung (zusätzlicher Anstellwinkel ψc berechnet).
Die mittlere Bewegung wird durch eine kinematische Kette 22 gewährleistet, die der Gesamtheit profilierter Blätter gemein ist, wobei deren Festlegung des Ursprungs ψmo durch eine geregelte Phasenänderungsstufe 28 gewährleistet ist. In dem Beispiel ist das Gesetz mittlerer periodischer Anstellung so gewählt, daß es einer kreisförmigen Verlagerung des profilierten Blattes entspricht, und zwar hat das besagte Gesetz die folgende Form: ψm = + φA + ψmo . Der Winkel φA ist der aerodynamische Azimut jedes profilierten Blattes und wird mit Hilfe eines Sensors 30 bestimmt, der an Seitenplatte 10 (gegenüber dem nachstehend beschriebenen festen Zahnkranz 42) angebracht ist. In dem beschriebenen Beispiel wird Winkel ψmo so gewählt, daß er -i gleich ist und die Spitzenamplitude des zusätzlichen Anstellwinkels ψc daher während einer Umdrehung schwach ist. Dies gestattet es, Stellantriebe 25 mit relativ geringer Bewegungsamplitude zu verwenden.
Man beachte, daß Sensor 30, der insbesondere durch ein phonisches Rad gebildet wird, auch ein für die Rotationsgeschwindigkeit ω repräsentatives Signal liefert.
Die komplementäre Bewegung wird durch mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehende Hydraulikmittel 23 gewährleistet, die einen durch die Sollgröße ψ geregelten hydraulischen Stellantrieb 25 umfassen.
Regelung des hydraulischen Stellantriebs 25 durch die Sollgröße ψ wird in geschlossener Schleife bewirkt, und zwar so, daß in jedem Augenblick der Winkelabstand ψ - ψr wobei ψr der Istwert des Winkels ψ ist. Dieser Wert ψr wird durch einen mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehenden Sensor 27 geliefert; in dem Beispiel sind die Sensoren 27, wie dies später erläutert wird, an Seitenplatte 10 angeordnete Sensoren mit phonischem Rad.
Bild 12 ist eine Übersicht der Leistungs- und Regelkette des Rotors. In diesem Bild sind die Wege der Leistungsübertragung in der kinematischen Kette 22 und die hydraulischen Mittel 23 durch fette Linien bezeichnet, während die Signal- und Leistungsübertragungswege in den Leistungseinheiten, den Sensoren und den Berechnungsmitteln durch dünnere Linien bezeichnet sind (bei 50 ist die Erzeugung von elektrischem Strom herkömmlicher Art dargestellt).
Das bei 21 symbolisch dargestellte Triebwerk liefert die Leistung :
- einerseits, durch Zwischenschaltung der Rotordrehung in mechanischer Form an kinematische Kette 22, die umkehrbar und der Gesamtheit profilierter Blätter gemein ist und deren mechanische Strukur (nachstehend eingehend behandelt) so beschaffen ist, daß am Ausgang eine Drehung im Einklang mit dem Gesetz mittlerer periodischer Anstellung ψm generiert wird,
- andererseits, nach wie vor unter Zwischenschaltung der Rotordrehung, an Hydraulikmittel 23 mit den hydraulischen Speisepumpen 26, einem mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehenden hydraulischen Verteiler mit Servoventil 24, der durch die Pumpen 26 gespeist wird, und dem drehbaren hydraulischen Stellantrieb 25, der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht und von dem Verteiler 24 mit Leistung versorgt wird, wobei die (nachstehend eingehend behandelte) Hydraulikanlage dieser Mittel so beschaffen ist, daß sie die vorstehend erwähnte komplementäre Bewegung ψc bewirkt.
Ein für den Winkelabstand ψ - ψr repräsentativer Strom wird an den hydraulischen Verteiler 24 des betreffenden Blattes geliefert und der besagte Verteiler moduliert die von den Pumpen 26 erhaltene Hydraulikleistung so, daß in Richtung des entsprechenden Stellantriebs 25 eine unmittelbar zu dem Wert des besagten Abstands in Beziehung stehende hydraulische Leistung erzeugt wird, und zwar eine unmittelbar von dem besagten Abstand abhängige Durchflußmenge, die in dem Beispiel von einem Stellantrieb in der Form einer Rotationswinde ausgeht.
Jeder Stellantrieb 25 umfaßt einerseits einen in Drehung beweglichen Körper 25a, der durch kinematische Kette 22 nach dem Mittelgesetz ψm angetrieben wird, und andererseits eine Abtriebswelle 25b, die mit dem betreffenden profilierten Blatt gekoppelt ist, um dessen Winkellage zu regeln.
Da somit die relative Winkellage der Welle 25b im Verhältnis zu Körper 25a durch Winkel ψc bestimmt ist, findet in Höhe des profilierten Blattes Summierung der Winkel wie folgt statt : ψr = ψm + ψc.
Bild 13 ist die allgemeine mechanische Darstellung der kinematischen Kette 22, Bild 14 die schematische Darstellung allein der Phasenänderungsstufe 28 dieser Kette und Bild 15 die schematische Darstellung der Anordnung der Hydraulikmittel.
In dem Beispiel umfaßt die kinematische Kette 22 im wesentlichen :
- eine Antriebswelle 8, die so angeordnet ist, daß sie zum Antrieb des Rotors eine Antriebsleistung erhält,
- eine Rotorwelle 3, die im Einklang mit der Rotationsachse des Rotors angeordnet und durch ein erstes Getriebe 31 mit Antriebswelle 8 gekoppelt ist, um den Rotor in Drehung anzutreiben,
- ein Zahnrad 32, das mittig an Rotorwelle 3 angeordnet und durch ein zweites Getriebe 33 mit Phasenänderungsstufe 28 verbunden ist, wobei das besagte Zahnrad Körper 25a des mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehenden drehenden Stellantriebs antreibt,
- eine Seitenplatte 10 der Tragstruktur, die mit Rotorwelle 3 in Verbindung steht und die Körper 25a der Stellantriebe sowie die die profilierten Blätter tragenden Wellen 12 abstützt,
- die Phasenänderungsstufe 28, eine mechanische Einrichtung, die so angeordnet ist, daß sie eine relative Winkelversetzung ψmo zwischen dem ersten Getriebe 31 und dem zweiten Getriebe 33 gewährleistet.
Die Phasenänderungsstufe wirkt somit auf kollektive Weise auf die Festlegung der Gesamtheit profilierter Blätter, während die kinematische Kette, unter Zwischenschaltung von Seitenplatte 10 und Zahnrad 32, Übertragung der mechanischen Leistung von den profilierten Antriebsblättern zu den profilierten Aufnahmeblättern bewirkt. Diese Anordnung ermöglicht eine raumsparende Konstruktion und entspricht den übertragenen Kräften.
Außerdem umfaßt die beispielsweise in Bild 14 veranschaulichte mechanische Phasenänderungsstufe 28 im wesentlichen folgende Teile :
- eine umkehrbare Kugelumlaufspindel 34, die an Antriebswelle 8 so angeordnet ist, daß sie sich gemeinsam mit dieser dreht und entlang der besagten Antriebswelle verschoben werden kann,
- eine Mutter 35 für die Kugelumlaufspindel, wobei die besagte Mutter mit einem zweiten Getriebe 33 in Verbindung steht und mit Kugelumlaufspindel 34 so zusammenarbeitet, daß Drehung der besagten Mutter im Einklang mit der Verschiebung der Kugelumlaufspindel bewirkt,
- eine Schraubwinde 36, die über Kugelschublager 37 mit Kugelumlaufspindel 35 in Verbindung steht, so daß die besagte Kugelumlauf spindel entlang der Antriebswelle verschoben werden kann,
- eine Schnecke 38, die mit Schraubwinde 36 zwecks Betätigung der besagten Schraubwinde in Verbindung steht, wobei die besagte Schnecke mit einem Motor zum Steuern der Phasenänderung 39 versehen ist.
Der Steuermotor der Phasenänderungsstufe 39 ist ein Elektromotor, der die Winkellage der Phasenänderungsstufe in Abhängigkeit von dem von den Rechenmitteln 29 gelieferten Festlegungswinkel ψmo und von dem reellen Winkel ψmor regelt, der aufgrund des Meßwerts eines an der Phasenänderungsstufe angeordneten Sensors 40 bestimmt wird. Der Motor regelt die Winkellage der Phasenänderungsstufe, wobei er in jedem Augenblick den Winkelabstand ψmo - ψmor verringert.
Außerdem ist, wie dies Bild 15 veranschaulicht, der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehende Hydraulikverteiler mit Servoventil 24 in dem Beispiel mit zwei hydraulischen Speisepumpen 26 verbunden, wobei der Hubraum der besagten Pumpen veränderlich ist und sie mit konstantem Druck gesteuert werden. Jede Pumpe steht mit einem Hydraulikspeicher 41 in Verbindung, und zwar so, daß der besagte hydraulische Speicher bei einem Überschuß verfügbarer Pumpenleistung Leistung aufnimmt und im umgekehrten Falle abgibt.
Die Pumpen, deren Anzahl fünf beträgt und die so angeordnet sind, daß jede davon zwei benachbarte Verteiler speist, werden durch Seitenplatte 10 abgestützt, so daß sie sich mit dieser gemeinsam drehen, und sie sind mechanisch mit einem festen Zahnkranz 42 gekoppelt, der mit Zelle 1 in Verbindung steht, so daß jede der besagten Pumpen drehend angetrieben wird.
Diese hydraulische Anlage ist des weiteren in herkömmlicher Weise gestaltet, und zwar verfügt sie über an Seitenplatte 10 befestigte raumsparende Wärmetauscher 43, einen unter Druck befindlichen ringförmigen Behälter 44 sowie ein Ölfilter 45. Ein solcher Aufbau bedingt eine Hydraulikanlage, die für den Betrieb bei den Drehgeschwindigkeiten des Rotors geeignet ist. Aus Zuverlässigkeitsgründen setzt sich jeder Verteiler 24 aus zwei überzähligen Verteilereinheiten zusammen, von denen jede die durch den in der Mitte in Verbindung stehenden Hydraulikgenerator gelieferte Leistung moduliert. Die Anordnung der Pumpen rings um Seitenplatte 10 ermöglicht deren Antrieb mit den erforderlichen Drehzahlen (im Bereiche von 3500 Umdrehungen pro Minute), und zwar ausgehend von der bedeutend geringeren Drehzahl des Rotors.
Bild 16 ist ein teilweiser Schnitt des Rotors durch eine der Länge nach verlaufende Ebene P&sub3;, die durch die Achse von Rotor 3 durch Antriebsachse 8 und Achse 12 eines profilierten Blattes verläuft, wobei angenommen wird, daß die Winkellage des Rotors so beschaffen ist, daß sich die drei Achsen in der gleichen Ebene befinden. Bild 17 ist ein Orthogonalschnitt der gleichen Baugruppe entlang einer gestrichelten Linie P&sub4;.
In diesen Bildern sind folgende Teile zu sehen:
. die Welle von Rotor 3, die hohl ist und zwecks Abstützung und Verbindung der verschiedenen Baugruppen mit hohlen und erhabenen Strukturen versehen ist,
. Antriebswelle 8, die zu der erstgenannten Welle senkrecht steht, selbst hohl ist und über eine flexible Kupplung 46 die Antriebsleistung des Triebwerks erhält,
. Welle 12 des betreffenden profilierten Blattes,
. das zweite Getriebe 33, das durch ein Ritzelpaar gebildet wird,
. die zwischen den Ritzeln 33 und der Antriebswelle 8 mit ihrer Kugelumlaufspindel 34, ihrer Kugelumlaufspindelmutter 35, ihrer Schraubwinde 36, ihren Kugelschublagern 37, ihrer Schnecke 38, ihrem Sensor 40, der es ermöglicht den Festlegungswinkel ψmor zu bestimmen, und dem Steuermotor 39 angeordnete Phasenänderungsstufe 28,
. das erste Getriebe 31 der kinematischen Kette, das in einem Ritzelpaar besteht,
. das durch die Ritzel 33 mit Kugelumlaufspindelmutter 35 der Phasenänderungsstufe in Verbindung stehende Zahnrad 32,
. Die Seitenplatte 10, die die Tragstruktur des Rotors an der Zellenseite bildet und fest mit der Rotorwelle 3 verbunden ist,
. Stellantrieb 25 in der Form einer Rotationswinde und einer Welle 25b, wobei die besagte Rotationswinde in einem Körper 25a besteht, der in das Zahnrad 32 eingreift,
. ein Paar Zahnräder 47 zwischen der besagten Welle 25b des Stellantriebs und Welle 12 des profilierten Blattes,
. Verteiler 24, der hydraulisch mit Winde 25 durch ein in Drehung befindliches Verbindungsglied angeschlossen und durch ein Lager am Körper der Winde 25a abgestützt ist,
. eine von zwei Hydraulikpumpen 26, die mit dem betreffenden profilierten Blatt in Verbindung steht, durch Seitenplatte 10 abgestützt wird und in den festen Zahnkranz 42 eingreift, wobei die besagte Pumpe mit Verteiler 24 verbunden ist,
. Hydraulikspeicher 41, der mit Pumpe 26 in Verbindung steht, durch Seitenplatte 10 abgestützt wird und mit Verteiler 24 in hydraulischer Verbindung steht,
. Wärmetauscher 43, der durch Seitenplatte 10 abgestützt und an dem rücklaufenden Abschnitt des Hydraulikkreises angeordnet ist,
. Druckbehälter 44, der in dem Beispiel ringförmig und durch Seitenplatte 10 abgestützt ist,
. Filter 45, an dem Kreis der Pumpe 26 angeordnet,
. Sensor 27 zum Messen des reellen momentanen geometrischen Winkels ψr,
. Sensor 30 zum Messen des aerodynamischen Azimuts φ,
. ein festes Schutzgehäuse 48, das Speicherung des Schmieröls gewährleiset, wobei die besagte Schmierung durch einen Hochdruckstrahl von Öl mit Hilfe herkömmlicher, nicht dargestellter Mittel bewirkt wird.
Die Übertragung der von Sensoren gelieferten elektrischen Informationen, von an Stelltriebe gerichteten elektrischen Befehlen und von Speisestrom für die Sensoren wird auf an sich bekannte Weise durch einen drehenden Kommutator am Ausgang der Rotorwelle 3 bewirkt, wobei die besagte Übertragung Verbindung mit den entsprechenden, in Zelle 1 eingebauten elektronischen Mitteln gewährleistet (Computer 17, 18 und 29 und Quellen für die Versorgung mit elektrischem Strom).

Claims

1/ - Verfahren zur Steuerung eines mit einer in einem Fluid beweglichen Zelle verbundenen Rotors zwecks Ausübung der gewünschten Auftriebs- und/oder Vortriebskräfte auf die besagte Zelle in jedem Augenblick, wobei der besagte Rotor eine auf der besagten Zelle (1) angeordnete Tragstruktur (5, 10, 11) umfaßt, so daß er in Drehung um eine Rotationsachse (O) angetrieben werden kann, sowie mindestens ein profiliertes Blatt (9), das sich parallel zu der Rotationsachse (O) erstreckt und mit Hilfe eines Anschlußgelenks mit Achse (B), die im wesentlichen parallel zu der besagten Rotationsachse (O) verläuft, an der Tragstruktur angelenkt ist, und zwar ist das besagte Steuerverfahren der Art, bei der man den Rotor in dem Fluid zum Drehen um Rotationsachse (O) mit einer Rotationsgeschwindigkeit (ω) veranlaßt, und dadurch gekennzeichnet, daß es in folgenden Stufen besteht:

- im Vorspeichern von Daten, die für die folgenden Strukturparameter des Rotors repräsentativ sind: nE (äquivalente Spannweite gleich dem Produkt der Anzahl n profilierter Rotorblätter mit Spannweite E jedes profilierten Blattes); R (Abstand zwischen Rotationsachse O und Achse B des Anschlußgelenks); r (Abstand entlang der Sehne des profilierten Blattes zwischen Achse B und einem Punkt P, der im wesentlichen im hinteren Viertel des Profils liegt); a (Koeffizient der konformen Transformation des profilierten Blattes);

A = 2π(a&sub1; - a²) + S ;

B = 2π(a&sub1; + a² - S); C&sub1; =

wobei a&sub1;, a&sub2;, ... ai die Glieder der nach Laurent-Serie entwickelten konformen Transformation und A&submin;&sub1;, A&sub1;, ... Ai die Glieder des Produktes der konformen Transformation und deren nach Laurent-Serie entwickelten Konjugierten sind, und S die Normaloberfläche des Profils ist,

- im Messen und Bestimmen in jedem Augenblick der relativen Geschwindigkeit (V) der Verlagerung der Zelle im Verhältnis zu dem Fluid, der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rotors und der Dichte des Fluids aufgrund von Meßwerten des dynamischen Drucks, des statischen Drucks und der Fluidtemperatur,

- im während der Rotation laufenden Messen und Bestimmen des aerodynamischen Azimut φ jedes profilierten Blattes, um ein entsprechendes Meßsignal zu erzeugen, wobei das besagte aerodynamische Azimut der algebraische Winkel ist, der einerseits durch die Richtung des Fahrtwinds und andererseits durch die Ebene M gebildet wird, die Rotationsachse (O) und Achse (B) des Anschlußgelenks des betreffenden profilierten Blattes enthält,

- im Erzeugen von für die Nennkräfte an der Zelle (algebraische Kräfte, wiedergegeben durch ihre Projektionen P und T in zu dem Fahrtwind lotrechter Richtung bzw. in Richtung des Fahrtwinds) repräsentativen Sollsignalen,

- im laufenden Bestimmen hinsichtlich jedes profilierten Blattes, aufgrund der gespeicherten Parameter, der gemessenen und bestimmten Größen und der Sollsignale, des momentanen geometrischen Winkels ψ definiert durch die Sehne des profilierten Blattes und durch die Ebene M entsprechend den folgenden Beziehungen innerhalb von &mnplus; 0,2 Radianten (wobei alle Winkel im trigonometrischen Sinne definiert sind) :

- und im Einstellen des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes im Einklang mit dem Wert des hinsichtlich des besagten Blattes gewonnenen Winkels ψ.

2/ - Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den momentanen geometrischen Winkel ψ durch die folgenden Schritte bestimmt:

- für die Gesamtheit der profilierten Blätter :

. Vorausbestimmung einer Korrelationstafel von Werten zwischen den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; und den Größen

wobei diese Tafel dadurch bestimmt wird, daß man den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; (den sogenannten Kommutationswinkeln) diskrete, über den Variationsbereich (4) gleichmäßig verteilte Werte zuteilt und für jedes Wertepaar (φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;) die Werte von

Lösungen der Beziehungen (2),(3) berechnet,

. Speicherung der besagten Korrelationstafel,

. laufende Berechnung der Größen

und

in Abhängigkeit von den Nennkräften P und T und den bestimmten Parametern V, ω und ,

. Absuchung der Korrelationstafel zwecks Bestimmung des Paares

das den entsprechenden berechneten Größen am nächsten ist, und Auszug der entsprechenden Werte der Parameter φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2;,

- für jedes profilierte Blatt :

. Auflösung der Differentialgleichung (1), wobei den Parametern φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; die aus der Tafel entnommenen Werte zugeteilt werden, um den gewünschten Wert des momentanen geometrischen Winkels ψ für das betreffende profilierte Blatt zu erhalten.

3/ - Steuerverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gesamtheit der profilierten Blätter

. die Korrelationstafel in der Form einer Matrix mit vier den Werten von

φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; entsprechenden Kolonnen gespeichert wird,

. Absuchung der besagten Korrelationstafel im Lesen der zwei Kolonnen

besteht, um das den berechneten Größen am nächsten befindliche Paar zu bestimmen, sowie im Auszug der entsprechenden Werte von φ&sub1;&sub1; und φ&sub1;&sub2; in den beiden anderen Kolonnen.

4/ - Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinsichtlich jedes profilierten Blattes die Auflösung der Differentialgleichung (1) in jedem Augenblick durch eine Berechnung bewirkt wird, die die folgenden Stufen umfaßt:

. Vergleich des gemessenen Wertes φ mit den Kommutationswinkeln φ&sub1;&sub1;, φ&sub1;&sub2; zwecks Bestimmung des Wertes von φi im Einklang mit den Beziehungen (5),

. Verwendung des Wertes von φ, φi und den gemessenen, berechneten oder gespeicherten Parametern C, ω, r, R, zwecks Lösung der besagten Differentialgleichung nach einer Methode von RUNGE-KUTTA.

5/ - Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man laufend den Istwert ψr des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes mißt und diesen Istwert in den Computer eingibt, so daß er bei der Auflösung der Differentialgleichung als Integrationskonstante dient.

6/ - Steuerverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des momentanen geometrischen Winkels ψ laufend in sequentieller Form durchgeführt wird, indem Zeitgeberimpulse, deren Frequenz im Verhältnis zu der Anzahl von Umdrehungen pro Sekunde des Rotors hoch ist, erzeugt, die Meß- und Sollsignale zu jedem Zeitgeberimpuls gelesen und zwischen zwei Zeitgeberimpulsen die Berechnungen zur Bestimmung des Wertes des momentanen geometrischen Winkels ψ durchgeführt werden.

7/ - Steuerverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes in den folgenden Stufen besteht:

. im Gewährleisten einer mittleren Regelung der Gesamtheit profilierter Blätter im Einklang mit einem Gesetz der mittleren periodischen Anstellung ψm = f (φ) durch eine umkehrbare kinematische Kette, die in der Lage ist, Energie je nach den Belastungsmerkmalen der profilierten Blätter zu liefern oder zu gewinnen,

. im Gewährleisten einer komplementären Regelung jedes profilierten Blattes aufgrund des berechneten Wertes des momentanen geometrischen Winkels ψ durch Hinzufügen in jedem Augenblick eines zusätzlichen Anstellwinkels ψc = ψ - ψm mit Hilfe eines Stellantriebs.

8/ - Rotor für drehenden Einsatz in einem Fluid zwecks Entwicklung der gewünschten Auftriebs- und/oder Antriebskräfte (P, T) auf eine Zelle (1), umfassend eine Tragstruktur (5, 10, 11), die zur Anordnung an der Zelle geeignet ist, so daß sie drehend um eine Rotationsachse (O) angetrieben werden kann, und mindestens ein profiliertes Blatt (9), das parallel zur Rotationsachse (O) verläuft und mit Hilfe eines Anschlußgelenks an der Tragstruktur angelenkt ist, wobei das besagte Anschlußgelenk eine Achse (B) hat, die im wesentlichen zu Rotationsachse (O) parallel ist, und zwar ist der besagte Rotor dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Einrichtungen umfaßt:

. Mittel (13) zur Speicherung der spezifischen Rotordaten,

. Mittel (14, 30) zum Messen und Bestimmen der relativen Geschwindigkeit (V) der Zellenverlagerung, der Rotationsgeschwindigkeit (ω) des Rotors und der Dichte des Fluids ( ),

. Mittel (14, 30) zum Messen und Bestimmen des aerodynamischen Azimuts (φ) jedes profilierten Blattes während der Rotation,

. Mittel (15) zum Erzeugen von für die Nennkräfte (P, T) repräsentativen Sollsignalen,

. Mittel (17, 18) zur Berechnung des momentanen geometrischen Winkels (ψ) jedes profilierten Blattes in Abhängigkeit von den gespeicherten Daten, den bestimmten Werten und den Sollsignalen,

. Mittel (22, 23, 28) zum Regeln jedes profilierten Blattes, die so beschaffen sind, daß sie in jedem Augenblick die Winkellage des Blattes im Einklang mit dem von den Rechenmitteln gelieferten berechneten Wert (ψ) regeln.

9/ - Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sensor (27) zum Messen des Istwertes ψr des momentanen geometrischen Winkels jedes profilierten Blattes umfaßt, sowie Regelmittel der Art mit geschlossener Schleife, die so beschaffen sind, daß sie den Istwert ψr und einen mit dem berechneten Wert ψ in Verbindung stehenden Parameter empfangen und Regelung der Winkellage des betreffenden profilierten Blattes gewährleisten, wobei in jedem Augenblick die Tendenz zur Reduktion des Winkelabstandes ψ - ψr besteht.

10/ - Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel folgende Stufen umfassen:

- eine kinematische Kette (22), die der Gesamtheit der profilierten Blätter (9) gemein ist und deren mechanische Struktur so beschaffen ist, daß sie am Ausgang eine Drehung im Einklang mit einem Gesetz der mittleren periodischen Anstellung ψm erzeugt,

- einen hydraulischen Verteiler mit Servoventil (24), der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht, wobei der besagte Verteiler hinsichtlich des betreffenden profilierten Blattes ein für den Winkelabstand ψ - ψr repräsentatives Signal empfängt und so beschaffen ist, daß er eine zu dem besagten Winkelabstand in unmittelbarer Beziehung stehende hydraulische Leistung erzeugt,

- und einen drehenden hydraulischen Stellantrieb (25), der mit jedem profilierten Blatt in Verbindung steht und von dem entsprechenden Verteiler (24) die hydraulische Leistung erhält, wobei der besagte Stellantrieb einerseits einen in Drehung beweglichen Körper (25a) besitzt, der im Einklang mit dem Mittelgesetz ψm von der kinematischen Kette (22) angetrieben wird, und andererseits eine mit dem betreffenden profilierten Blatt in Verbindung stehende Abtriebswelle (25b) zwecks Regelung der Winkellage ψ des besagten Blattes.

11/ - Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte kinematische Kette (22) eine Phasenänderungsstufe (28) umfaßt, die so beschaffen ist, daß sie eine bestimmte Festlegung des Ursprungs des Gesetzes der periodischen Anstellung ψm gestattet.

12/ - Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kinematische Kette die folgenden Teile umfaßt:

- eine Antriebswelle (8), die so angeordnet ist, daß sie zum Antrieb des Rotors eine Antriebsleistung erhält,

- eine Rotorwelle (3), die im Einklang mit der Rotationsachse des Rotors angeordnet und durch ein erstes Getriebe (31) mit Antriebswelle (8) gekoppelt ist, um den Rotor in Drehung anzutreiben,

- ein Zahnrad (32), das mittig an Rotorwelle (3) angeordnet und durch ein zweites Getriebe (33) mit Phasenänderungsstufe (28) verbunden ist, wobei das besagte Zahnrad Körper (25a) des mit jedem profilierten Blatt in Verbindung stehenden drehenden Stellantriebs antreibt,

- eine Seitenplatte (10) der Tragstruktur, die mit Rotorwelle (3) in Verbindung steht und die Körper (25a) der Stellantriebe sowie die die profilierten Blätter tragenden Wellen (12) abstützt,

- die Phasenänderungsstufe (28), eine mechanische Einrichtung, die so angeordnet ist, daß sie eine relative Winkelversetzung ψmo zwischen dem ersten Getriebe (31) und dem zweiten Getriebe (33) gewährleistet.

13/ - Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Phasenänderungsstufe die folgenden Teile umfaßt:

- eine umkehrbare Kugelumlaufspindel (34), die an Antriebswelle (8) so angeordnet ist, daß sie sich gemeinsam mit dieser dreht und entlang der besagten Antriebswelle verschoben werden kann,

- eine Mutter (35) für die Kugelumlaufspindel, wobei die besagte Mutter mit einem zweiten Getriebe (33) in Verbindung steht und mit der Kugelumlaufspindel (34) so zusammenarbeitet, daß Drehung der besagten Mutter im Einklang mit der Verschiebung der Kugelumlaufspindel bewirkt wird,

- eine Schraubwinde (36), die über Kugelschublager (37) mit der Kugelumlaufspindel (35) in Verbindung steht, so daß die besagte Kugelumlaufspindel entlang der Antriebswelle verschoben werden kann,

- eine Schnecke (38), die mit Schraubwinde (36) in Verbindung steht, so daß die besagte Schnecke, die mit einem Motor zum Steuern der Phasenänderung (39) versehen ist, betätigt wird.

14/ - Rotor nach einem der Ansprüche 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Verteiler mit Servoventil (24), der zu jedem profilierten Blatt (9) gehört, mit mindestens einer hydraulischen Speisepumpe (26) in Verbindung steht, die mit einem hydraulischen Speicher (41) zusammenarbeitet, wobei diese beiden Einheiten so angeordnet sind, daß der besagte hydraulische Speicher bei einem Überschuß verfügbarer Pumpenleistung Leistung aufnimmt und im umgekehrten Falle abgibt.

15/ - Rotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Speisepumpen (26) auf Tragstruktur (10) angeordnet sind, so daß sie sich gemeinsam mit dieser drehen, sowie dadurch, daß sie mechanisch mit einem festen Zahnkranz (42) in Verbindung stehen, so daß jede der besagten Pumpen drehend angetrieben wird.

16/ - Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet,

. das die profilierten Blätter (9) an zwei Seitenplatten (10, 11) angelenkt sind, wobei sich die beiden Seitenplatten zur einen und zur anderen Seite befinden und die vorstehend genannte Tragstruktur bilden,

. daß die besagten Seitenplatten mit Rotorwelle (3) in Verbindung stehen und mit dieser drehend gekoppelt sind,

. daß jedes profilierte Blatt (9) zur einen und zur anderen Seite durch Wellen (12) abgestützt ist, wobei die besagten Wellen durch Seitenplatten (10, 11) gehalten und drehend mit einem Getriebe (47) gekoppelt sind, während das besagte Getriebe selbst mit dem hydraulischen Stellantrieb (25) des betreffenden Blattes gekoppelt ist.

17/ - Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 16, umfassend fünf profilierte Blätter (9), die rings um Rotorwelle (3) des besagten Rotors verteilt sind.

18/ - Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 17, angeordnet an einer Zelle des Flugzeugs (1), bei dem Rotorwelle (3) an der einen Seite durch eine Nabe (4), die mit der Zelle des Flugzeugs in Verbindung steht, abgestützt und andererseits durch einen mit einem Lager versehenen festen profilierten Träger (5) gehalten wird, wobei der besagte Träger rücklaufend an der Zelle befestigt ist.

19/ - Flugzeug mit mindestens einem Rotor nach Anspruch 18, und einem mit seiner Zelle integrierten und mit Antriebswelle (8) jedes Rotors gekoppelten Triebwerk.