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Drehflügelflugzeug Die Erfindung betrifft ein Drehflügelflugzeug,
dessen Rotorblätter mittels eines Gelenkes zur Blattwinkelverstellung und mittels
eines mit Abstand von der Rotordrehachse angeordneten Schwenkgelenkes am Rotorkopf
angeschlossen sind und welches eine Vorrichtung zur Veränderung des Blatteinstellwinkels
besitzt, die so ausgebildet ist, daß bei einer Schwenkbewegung der Rotorblätter
der Blatteinstellwinkel nicht beeinflußt wird.
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Bei Drehflügelflugzeugen der vorgenannten Art sind zur Steigerung
der Fluggeschwindigkeit die Rotorblätter mit einer aus starren getrieblichen Mitteln
bestehenden Vorrichtung verbunden, welche den vorlaufenden Blättern eine verringerte
und den zurücklaufenden Blättern eine vergrößerte Umlaufgeschwindigkeit erteilt.
Durch Zwischenschaltung zusätzlicher Getriebeelemente ist sichergestellt, daß der
Blatteinstellwinkel von der zentralen Verstellvorrichtung, z. B. einer Taumelscheibe,
auf die Rotorblätter winkelgetreu übertragen wird. Damit werden bei einem Verstellen
des Blatteinstellwinkels und gleichzeitig erfolgender Schwenkbewegung der Blätter
Schwenkwinkelrücksteuerungen und die sich daraus ergebenden instabilen Schwingungserscheinungen
aus einer Kopplung der Schwenkbewegung mit der Blattwinkelbewegung vermieden.
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Es ist eine Eigenart der Schwenkbewegung der Rotorblätter, daß ihre
Eigenfrequenz bei den üb ic en Schwenkgelenkabständen verhältnismäßig niedrig
liegt. Dies hat zur Folge, daß die Blätter in Schwenkrichtung schwingungsträge sind
und eine Verstellung der Blätter im Rhythmus der Rotordrehzahl nur mit großen Steuerungskräften
zu erzielen ist. Dieses Schwingungsverhalten läßt sich durch eine Vergrößerung des
Schwenkgelenkabstandes e beeinflussen. Zum Beispiel wird bei einem Verhältnis Schwenkgelenkabstand
zu Rotorradius =
von etwa 0,37 bis 0,40 je nach Blattmassenverteilung die Eigenfrequenz
der Schwenkbewegung gleich der Rotordrehzahl.
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Mit einer Vergrößerung des Schwenkgelenkabstandes wird jedoch auch
der gesamte Rotorinnenteil größer und schwerer. Infolge des höheren aerodynamischen
Widerstandes und fehlenden Auftriebes dieser Teile steigen damit auch die Leistungsverluste
an.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drehflügelflugzeug der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß die geschilderten Nachteile der bekannten Drehflügelflugzeuge
vermieden sind. Insbesondere soll bei Einhaltung der Resonanzbedingung der Rotorblätter
(co e = Eigenfrequenz der Schwenkbewegung, (oR, = Kreisfrequenz
der Rotordrehung) die Schwenkbewegung der Blätter auch mit geringen Steuerkräften
erzielbar sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schwenkgelenkabstände
e der Rotorblätter auf ein kleineres Maß herabzusetzen.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Drehflügelflugzeug
der eingangs genannten Art dadurch erzielt, daß die Schwenkgelenkachse in Umlaufrichtung
des Blattes innerhalb eines Winkelbereiches von 30 bis 60' schräg
angestellt ist.
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Der optimale Neigungswinkel e der Schwenkgelenkachse ergibt sich dann,
wenn bei der Resonanzbedingung das Verhältnis der Eigenfrequenz coe
der Schwenkbewegung zur Kreisfrequenz wR, der Rotordrehung gleich der Wurzel aus
der Summe der beiden Glieder 1. Quadrat des Kosinus des Neigungswinkels e
der Schwenkachse, 2. Produkt aus dem Gelenkabstand e und aus dem Verhältnis des
Blattmassenmomentes erster Ordnung zum Blattmassenmoment zweiter Ordnung bezüglich
der Schwenkachse ist. Bei einem in dieser Weise ausgebildeten Drehflügelflugzeug
läßt sich die Schwenkbewegung schon allein durch die am Rotorblatt angreifenden
Luftkräfte erzielen, die bei einer zyklischen Veränderung des Blatteinstellwinkels
und die bei Schrägstellung des Schwenkgelenkes gleichzeitig erfolgende Schlagbewegung
auftreten. Damit ist gegenüber den bekannten Drehflügelflugzeugen der Vorteil erreicht,
daß praktisch kein besonderer Antrieb für die Schwenkbewegung mehr nötig ist bzw.
bei Beibehaltung eines Zwangsantriebes die getrieblichen Mittel so dimensioniert
sein können, daß eine erhebliche Vereinfachung und Einsparung an Baugewicht
die
Folge ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schwenkgelenkabstände
kleiner werden. Dadurch werden auch die auf das starre Rotormittelteil einwirkenden
Luftwiderstände in günstiger Weise verringert. Außerdem können die Blätter länger
ausgebildet sein, wodurch bei gegebener Amplitude der Schwenkbewegung größere tangentiale
Schwenkgeschwindigkeiten erzielt werden.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Hieran sind die vorgenannten und weitere sich aus der Erfindung ergebende Vorteile
näher erläutert. Alle nicht unmittelbar zum Erfindungsgegenstand gehörenden Teile
eines Drehflügelflugzeuges sind aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nicht
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 in einer perspektivischen, teilweise schematischen
Darstellung ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Drehflügelflugzeug mit einem Vierblattrotor;
die Figur zeigt die bei schräggestellter Schwenkachse typische Blattstellung im
Vorwärtsflug, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Rotorkopf des Drehflügelflugzeuges
gemäß F i g. 1,
F i g. 3 den Rotorkopf mit der Verstellvorrichtung
für den Blatteinstellwinkel in Seitenansicht, F i g. 4 in einer Draufsicht
und teilweise im Schnitt den Anschluß eines Rotorblattes am Rotorkopf mit einem
in Umlaufrichtung des Blattes unter einem Winkel von 45' schräg angestellten Schwenkgelenk,
F i g. 5 in schematischer Darstellung in Seitenansicht einen Schnitt durch
das Schwenkgelenk gemäß Schnitt V-V der F i g. 4, F i g. 6 in einer
graphischen Darstellung den Verlauf des Neigungswinkels e in Abhängigkeit
für eine konstante und eine angenommene lineare Massenverteilung.
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In den F i g. 1 bis 3 ist mit 1 der Rumpf eines
Drehflügelflugzeuges bezeichnet, in dem in an sich bekannter Weise eine Rotorwelle
2 und konzentrisch dazu eine Taumelscheibe 3 zur Verstellung des Blatteinstellwinkels
gelagert ist. Die Bewegung der Taumelscheibe wird über je eine jeweils einem
Rotorblatt zugeordnete Stoßstange 4 bis 7 auf je einen Hebel
8
bis 11 übertragen, welcher mit je einer im Innern der Rotorarme
12 bis 15 senkrecht zur Schwenkgelenkachse der Rotorblätter 16 bis
19 gelagerten Welle 20 bis 23 drehfest verbunden ist. Am rotorblattseitigen
Ende dieser Welle ist je ein Arm 24 bis 27
ausgebildet, an welchem
in einem Gelenk je ein Lenker 28 bis 31 schwenkbar gelagert
ist.
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An den Rotorblättern 16 bis 19 greift an je einem
senkrecht zum Blatt stehenden Anschlußteil 16a bis 19a ebenfalls je ein Lenker
32 bis 35 an, der mit dem korrespondierenden Lenker 28 bis
31 mittels eines Kugelgelenkes verbunden ist. Da die Lenker 28 bis
31
und 32 bis 35 gleiche Längen aufweisen und die Gelenkachsen
an den Anschlußteilen der Lenker parallel zueinander stehen und jeweils gleichen
Ab-
stand von der Schwenkachse der Rotorblätter aufweisen, ist sichergestellt,
daß bei einer Schwenkbewegung der Blätter der Blatteinstellwinkel nicht beeinflußt
wird.
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Wie bereits erwähnt und aus den Figuren ersichtlich, sind die Rotorblätter
16 bis 19 an den Rotorarmen 8 bis 11 mittels
je eines Schwenkgelenkes 36
bis 39 angeschlossen, das gemäß
der Erfindung in der durch Pfeilrichtung (F i g. 4) gekennzeichneten Umlaufrichtung
der Rotorblätter innerhalb eines Winkelbereichs von 30 bis 60c schräg angestellt
ist. Hierdurch werden die eingangs erwähnten Vorteile erzielt.
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Da die Neigung der Schwenkachse einen bestimmten, vom Gelenkabstand
und von der Massenverteilung über die Blattlänge abhängigen Wert aufweist, der durch
die Beziehungen
mit der Resonanzbedingung
gegeben ist, kann fürjeden praktisch vertretbaren Schwenkgelenkabstand e ein innerhalb
des obengenannten Winkelbereichs liegender optimaler Schwenkachsenanstellwinkel
e ermittelt werden. so daß c) e RO erfüllt ist.
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In der vorgenannten Gleichung ist, wie bereits erwähnt, mit (oe die
Eigenfrequenz der Schwenkbewegung, mit (,)R, die Kreisfrequenz der Rotordrehung,
mit e der Neigungswinkel der Schwenkachse und mit e der Gelenkabstand bezeichnet-,
rn" ist die Blattmasse je Längseinheit des Blattes.
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Wenn das Rotorblatt über die in Umlaufrichtung schräg angestellte
Achse am Rotorkopf angelenkt wird, ist bei einer Schlagbewegung eine Abwärtsbewegung
des Blattes mit einem Vorlaufen im Rotordrehsinn, eine Aufwärtsbewegung mit einem
Zurücklaufen des Blattes zwangsweise verbunden. Auf diese Weise wird erreicht, daß
bei entsprechender zyklischer Blattwinkelsteuerung der Fahrtwind die Blattschwenkbewegung
bewirkt, solange eine mit der Rotordrehzahl übereinstimmende Eigenfrequenz eingehalten
wird.
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In F i g. 6 ist der Neigungswinkel e in Abhängigkeit von
jeweils für eine angenommene konstante und für eine lineare Massenverteilung aufgetragen.
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Für die konstante Massenverteilung ergibt sich daraus
Für die lineare Massenverteilung, bei der angenommen ist, daß die Masse an der Blattwurzel
dreimal so groß wie an der Blattspitze ist, gilt die Beziehung
Aus der graphischen Darstellung gemäß F i g. 6
und den vorstehend genannten
Formeln ist ersichtlich, daß nach Festlegung des Gelenkabstandes e des Hubschraubers
ein ganz bestimmter Neigungswinkel e, und umgekehrt, bei Annahme eines innerhalb
des Winkelbereichs von 30 bis 60' liegendem Neigungswinkel ein bestimmter
Gelenkabstand e eingehalten werden muß, wenn Resonanz vorhanden sein soll. Ein zwangläufiger
Schwenkantrieb erübrigt sich praktisch,
da im Geschwindigkeitsflug
die am Blatt angreifenden Luftkräfte in bezug auf die Schwenkachse eine Momentenkomponente
besitzen, die das Blatt im richtigen Sinne verschwenken.
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Im Ausf ührungsbeispiel ist, wie die F i g. 5 zeigt, eine Schwenkachsenneigung
e = 45' angenommen. In dieser Figur ist mit 0 der Blatteinstellwinkel
bezeichnet. Bei konstanter Blattmassenverteilung und einem Rotordurchmesser
D = 2R = 10 m ergibt sich .aus den vorgenannten Formeln
und dem Diagramm in F i g. 6 ein Schwenkgelenkabstand e von 1,25 m
und Würde e beispielsweise bei dem gleichen
Rotor 64' betragen, so ergäbe sich bereits ein Schwenkgelenkabstand e von
1,75 m. Aus diesem Vergleich ergibt sich eindeutig, daß sich durch die Schrägstellung
der Schwenkachse innerhalb des genannten Winkelbereichs gegenüber einer senkrecht
stehenden Schwenkachse bei herkömmlichen Schwenkrotoren eine erhebliche Verkürzung
des Schwenkgelenkabstandes unter Beibehaltung der Resonanzbedingung erzielen läßt.
Bei linearer Blattmassenverteilung ändert sich bei gleichen e und
der Neigungswinkel e nur geringfügig auf 48,2'.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das
die Schwenkbewegung bewirkende Luftkraftmoment durch Veränderung der Größe des Neigungswinkels
e beeinflußt werden kann. Zu diesem Zweck ist, wie in F i g. 4 am Rotorarm
9 gezeigt, der rotorkopfseitige Gelenkteil 9a mittels Kugellager
60, 51 in ähnlicher Weise wie das Blatteinstellwinkelgelenk 62 drehbar
aufgenommen und in axialer Richtung durch eine Mutter 63 gesichert. Die Veränderung
des Neigungswinkels e erfolgt unmittelbar durch eine Schnecke 64, die in einem am
Rotorarm 9
ausgebildeten Lagerteil 9b auf einer Welle 65 gelagert
und mit dieser auf Drehmitnahme fest verbunden ist. Die Schnecke 64 greift in ein
am Gelenk7-teil 9a befestigtes Schneckenrad 66 ein. Der Antrieb des Schneckenrades
66 und damit die Verstellung des Winkels e des Schwenkgelenkbolzens
67 kann in nicht näher gezeigter Weise für jedes Schneckenrad einzeln von
Hand oder mittels einer entsprechenden Vorrichtung durch den Piloten erfolgen. Die
vorstehend beschriebene Verstellbarkeit der Schwenkachse besitzt außer der Möglichkeit
einer leichten Justierbarkeit der Schwenkachsen den Vorteil, daß beispielsweise
bei einem Einfall von Böen, wobei die Schlagbewegung oft einen anderen Verlauf nimmt
als sie im stationären, ungestörten Flug gesteuert werden kann, die Schlagbewegung
und damit die Schwenkbewegung der Rotorblätter aufrechterhalten werden kann.
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Für den Fall, daß zur Erreichung noch höherer Fluggeschwindigkeiten
die einander zugeordneten Werte gemäß F i g. 6 nicht eingehalten werden können,
läßt sich die freie Schwenkbewegung der Rotorblätter durch mechanische Antriebsmittel
unterstützen, z. B. mittels einer zusätzlichen Taumelscheibe und eines entsprechenden
Steuerungsgestänges. Dabei besitzt jedoch dieser zusätzliche Zwangsantrieb gegenüber
den bekannten mechanischen Schwenkantrieben den Vorteil, daß in den Steuerungsorganen
und Übertragungsteilen kleinere Kräfte auftreten, als beim rein mechanischen Schwenkrotor,
da im Falle des erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeuges der Schwenkantrieb primär
durch die am Rotorblatt angreifenden Luftkräfte erfolgt.