DE1756125A1

DE1756125A1 - Hubverstaerkungseinrichtung fuer Hubschrauber

Info

Publication number: DE1756125A1
Application number: DE19681756125
Authority: DE
Inventors: Kelley Archibald Parmelee
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1967-04-12
Filing date: 1968-04-06
Publication date: 1970-08-20
Also published as: NL6805097A; US3455182A; SE337172B; FR1560124A; GB1219457A

Description

Dlpl.-Ing. Kurt Lengner

1 7 S fi 1 '? S ^{2 Hambur}o ²⁶' ^de" 4. April 1968 Patentanwalt ' ' ° ^{u IZ}-^J uordanstrase 7

Telefon 250 47 49 Telegrammadresse: Qermanpat

Unsere Aktet 1094/84

The Garrett Corporation

Los Angeles 9₅ California, U.S.A.

Hubverstärkungseinrichtung für Hubschrauber.

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug, und zwar insbesondere einen Hubschrauber, bei welchem die zum Starten und im g Fluge erforderlichen Hubkräfte von einem Rotor mit großen Flügelblättern erzeugt werden, die oberhalb des Flugzeugrumpfes in einer etwa horizontalen Ebene umlaufen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Einrichtung, die eine Hilfskraft zur Verfugung stellt, mit der unter gewissen Flugbedingungen die Hubkraft verstärkt werden kann, welche die normale Hauptantriebsmaschine liefert. Diese zusätzliche Einrichtung kann im Notfalle auch allein eine gewisse Hubkraft zur Verfugung stellen oder auch unter anderen Flugbedingungen als Hilfsantrieb ausgenutzt werden.

Als Hubverstärkungseinrichtung für Hubschrauber kommen zwei * verschiedenartige Typen in Betracht. Die erste Type sind zusätzliche Hubeinrichtungen und bei der zweiten Gattung wird die Leistung des Hauptrotors erhöht. Bei den zusätzlichen Hubeinrichtungen ist zu unterscheiden zwischen Maschinen, die direkt eine Hubkraft ausüben, schwenkbaren und turbinenangetriebenen Gebläsen, mechanisch angetriebenen Gobiäsen, senkrecht angeordneten Turbopropmaschinen und Raketentreibsätzen, die mit festem oder flüssigem Brennstoff

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betrieben werden. Derartige zusätzliche Hubeinrichtungen sind wenig vorteilhaft, da sie einen geringeren Wirkungsgrad als der Rotor des Hubschraubers haben und ihr bei Ausübung der Hubleistung entstehender Brennstoffverbrauch sehr viel höher ist. Allein das hohe Gewicht des von solchen Einrichtungen benötigten Brennstoffes verursacht Erschwerungen, die ihre Verwendung praktisch ausschließen.

Eine Erhöhung der Hauptrotorleistung kann entweder dadurch erreicht werden, daß an den Spitzen der Rotorblätter Schubverstärker vorgesehen werden oder daß dem Hauptrotorantrieb unmittelbar ein Drehmoment zusätzlich zugeführt wird. Die Verwendung von Schubverstärkern an den Spitzen der Rotorblätter ist nicht empfehlenswert, da die hohe Zentrifugalbeschleunigung an den Blattspitzen erhebliche mechanische Probleme und Probleme der Flugsicherheit aufwirft für den Fall, daß der Verlust eines an einer Blattspitze vorgesehenen Schubverstärkers nicht sofort kompensiert wird oder aus irgendeinem anderen Grunde eine Unbalance auftritt. In Anbetracht dieser Übelstände, die bei den verschiedenen Formen der Hubverstärkung auftreten, kann nur eine Einrichtung mit Erfolg zur Anwendung kommen, bei welcher ein zusätzliches Drehmoment dem stets vorhandenen Hauptrotorantrieb zugeführt wird.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Hubschrauber weist daher einen Hauptrotor und eine zu seinem Antrieb dienende Hauptmaschine sowie eine Hilfsantriebsmaschine auf, deren Leis+'ing geringer iat als diejenige der Hauptmasohine, wobei eine Kupplungseinrichtung vorgesehen ist« die den Antrieb des Hauptrotors entweder gemeinsam durch beide Maschinen oder von einer dieser beiden Masohinen allein ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglioh, das auf den

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Hauptrotor wirkende Drehmoment zu verstärken, so daß das Plugzeug rascher startet oder auch bei Überbelastung starten kann. Sollte die Hauptantriebsmaschine versagen, so kann der Hubschrauber doch allmählich bis auf den Landeboden absinken. Andererseits kann die am Rotoy^espeicherte und beim Landen ausgenutzte Energie erhöht werden, so daß das Absinken des Hubschraubers kurz vor der Bodenberührung gestoppt wird. Die neue Einrichtung ermöglicht auch ein rascheres Anlassen der Hauptantriebsmaschine bei Verwendung leichterer Startbatterien. Außerdem kann mit der Hilfsantriebsmaschine elektrische Energie erzeugt werden, wenn sich der Hubschrauber am Boden befindet und die Hauptantriebsmaschine ausgeschaltet ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die neue Hubverstärkungseinrichtung eine in sich geschlossene, unabhängige Starthilfe bietet, ohne daß hierzu eine nennenswerte bauliche Verwicklung in Kauf genommen werden müßte.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung einer auf der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform der neuen Einrichtung hervor.

Pig. 1 zeigt schematisch einen mit der neuen Hubverstärkungseinrichtung ausgestatteten Hubschrauber»

J?ig. 2 veranschaulicht schaubildlich ein bei dem Hubschrauber nach Fig. 1 verwendetes Getriebe, das mit der neuen Hubverstärkungseinrichtung versehen ist.

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Figo 3 zeigt schematisch die Hauptantriebsmaschine, die Hilfsverstärkungseinrichtung und das Getriebe, über das die Antriebskräfte auf den Hauptrotor des Hubschraubers übertragen werden.

Fig. 4 veranschaulicht wie der ausnutzbare Landebereich bei Anwendung der Hubverstärkungseinrichtung vergrößert wird.

Der in Fig. 1 veranschaulichte Hubschrauber 10 besteht im wesentlichen aus dem Flugzeugrumpf 11, einem Hauptrotor bzw. einem Tragpropeller 12 und einem am Schwanz des Flugzeugrumpfes vorgesehenen Rotor 13, der dazu dient, eine Drehbewegung des in der Luft befindlichen Flugzeugs unter der Einwirkung des vom Hauptrotor ausgeübten Drehmomentes zu verhindern.

Der Hubschrauber weist im wesentlichen die übliche Bauweise auf, besitzt also eine senkrechte Antriebsachse 12 A, die von einem Getriebe 14 aus nach oben ragt, welches unmittelbar hinter der Flugzeugkabine 15 vom Rahmen des Hubschraubers getragen wird. Das Getriebe steht über die Achse 16 A (Fig. 3) des Hauptgetrieberades mit einer Gasturbine 16 in Verbindung, die die Hauptantriebsmaschine des Hubschraubers bildet.

Die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Hubverstärkungseinrichtung ist mit 17 bezeichnet und ist so ausgebildet, daß sie leicht am Getriebegehäuse 14 eines vorhandenen Hubschraubers anmontiert werden kann. Die Habverstärkungseinrichtung besteht aus einer Hilfsantriebs-

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maschine 18, die gegenüber der Hauptmaschine eine geringere leistung hat, einem Generator 19 und einem zusätzlichen Getriebe 20. Die Teile 17 bis 20 bilden eine Hilfsantriebsvorrichtung, die unmittelbar an das Gehäuse des Getriebes anmontiert werden kann. Bei der Neukonstruktion eines Hubschraubers kann die Hubverstärkungseinrichtung natürlich auch an einer anderen Stelle angeordnet sein als der auf der Zeichnung dargestellten. Im vorliegenden .Falle ist die Hubverstärkungseinrichtung an dem Getriebegehäuse befestigt und mit dem Hauptantrieb gekuppelt. Durch besondere am Übersetzungsgetriebe vorgesehene Träger 21 wird die Hauptantriebseinrichtung unterstützt. Natürlich kann die Antriebsverbindung zwischen der Hilfsantriebseinrichtung und dem Hauptgetriebe auch in anderer Weise durchgeführt sein. Beispielsweise können hydraulische pneumatische oder elektrische Kupplungsglieder zur Anwendung kommen, wenn eine mechanische Kupplung zwischen der Hilfsantriebseinrichtung und dem Hauptgetriebe unerwünscht oder unzweokmäßig erscheint.

Wie aus Pig. 3 zu erkennen ist, weist die Hilfsantriebseinrichtung 17 eine Kupplung 22 auf, die in der Antriebswelle zwischen der Hilfsmaschine und dem Hauptgetriebe 14 liegt. Die Kupplung 22 ist willkürlich ein- und ausrückbar, ( so daß die Hilfsantriebsmaschine und der Generator 19 jederzeit mit dem Getriebe 14 gekuppelt bzw. von ihm abgekuppelt worden können. Zwisohen dem Getriebe 14 und der Hauptantriebsmaschine 16 befindet sioh eine freilaufkupplung 23 (tfig. 3). Diese Kupplung 23 löst die Verbindung zwischen der Hauptantriebemaschine und dem Getriebe 14 immer dann, wenn die Maaohinengeschwindigkeit geringer ist als die Geschwindigkeit des Getriebes. Gegebenenfalls kann

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zwischen der Hauptantriebsmaschine und dem Getriebe eine willkürlich zu bedienende Kupplung 23 A vorgesehen sein, um unter bestimmten Betriebsbedingungen des Hauptrotors eine Drehmomentübertragung von der Hauptantriebsmaschine auf das Getriebe und den Hauptrotor 12 verhindern zu können. So wäre es beispielsweise möglich, die Kupplung 23 A zu betätigen, um die Hauptantriebsmaschine beim Anlassen von dem Getriebe zu trennen. Um die Hauptantriebsmaschine anlassen zu können, ist sie mit einem Elektromotor 24 oder einer anderen geeigneten Startvorrichtung ausgestattet. Ist die Hauptantriebsmaschine angelassen worden und die W Kupplung 23 A richtig bedient worden, so sorgt die Freilaufkupplung 23 dafür, daß das von der Hauptantriebsmaschine erzeugte Drehmoment auf das Getriebe 14 übertragen wird, so daß der Hauptrotor 12 in Umlauf gesetzt wird. Um während dieses Vorganges eine Belastung der Hilfsantriebsmaschine durch den Hauptrotor zu vermeiden, kann die Kupplung 22 ausgerückt und damit eine Übertragung der Bewegung durch die Welle 25 verhindert werden. Die Hilfsantriebsmaschine 18 kann überdies mit einer Überlaufkupplung 26 ausgestattet werden, so daß die Welle 25 vom Hauptrotorgetriebe angetrieben werden kann, wenn es darauf ankommt, den Generator 19 anzutreiben.

Abgesehen von dem Vorgang des Anlassens der Hauptantriebsmaschine kann es unter bestimmten Umständen zweokmäöig sein, die Kupplung 22 zu betätigen, um eine Übertragung der Drehbewegung von der Hilfsantriebsmaschine auf das Getriebe 14 zu verhindern, und zwar dann, wenn der Generator Iy angetrieben werden soll. Dieser Fall kann z.B. dann gegeben sein, wenn bei stillstehendem Hubschrauber Strom benötigt wird, um elektrische Geräte bzw. Einrichtungen

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zu betreiben oder zu kontrollieren. Es kann auoh beim Anlassen der Hauptantriebsmaschine notwendig werden, mit Hilfe der Kupplung 22 die Hauptantriebsmaschine vom Getriebe abzukuppeln. In diesem Augenblick wird unter Umständen die Hilfsantriebsmaschine gebraucht, um den Generator 19 anzutreiben, so daß elektrischer Strom für den Betrieb des Starters 24 zur Verfügung steht. Im allgemeinen ist es üblich, Hubschrauber mit Batterien auszustatten, aus denen der für den Anlaßvorgang erforderliche Strom bezogen wird. Ist der Hubschrauber aber mit einer Hubverstärkungseinrichtung ausgestattet, so können

schwächere Batterien zur Anwendung kommen, die dann zum J

Anlassen der Hilfsantriebsmaschine verwendet werden; die Batterien werden dann von dem Generator 19 unterstützt, sobald die Hauptantriebsmaschine angelassen wird. Es ist natürlich auch möglich, die Hauptantriebsmaschine allein mit Hilfe des Generators zu starten.

YJie bereits eingangs dargelegt, ist die Hilfsmaschine vorgesehen, um die durch den Hauptrotor des Hubschraubers geleistete Hubkraft zu verstärken« Diese Verstärkung der Hubleistung kann beim Starten des Hubschraubers stattfinden oder natürlich auch bei jeder anderen während des Fluges auftretenden Notwendigkeit. In solchen Fällen sind alle Kupplungen 22, 23, 23 A und 26 eingerückt, um die Hilfsantriebsmaschine und die Hauptantriebsmaschine mit dem Getriebe 14 zu verbinden.

Sollte während des Fluges des Hubschraubers die Hauptantriebsmaschine aus irgendwelchen Gründen versagen, so schaltet die Kupplung 23 die Hauptantriebsmaschine vom Getriebe ab. Von diesem Augenblick an wird der Hauptmotor

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allein von der Hilfsantriebsmaschine angetrieben. Diese Kraftleistung reicht jedoch nicht aus, um den Flugzustand des Hubschraubers aufrecht zu erhalten, sie genügt aber, um die Absinkgeschwindigkeit des Hubschraubers zu verringern und damit die mögliche Landefläche entsprechend zu vergrößern wie dies in Pig» 4 bei den Hinweiszeichen A und B veranschaulicht ist. Während dieses Vorganges treibt die Hilfsantriebsmaschine auch den Generator 19 an, so daß die notwendige elektrische Energie zur Verfügung steht.

Die Hilfsantriebsmaschine ermöglicht es also nicht nur, die Sinkgeschwindigkeit des Hubschraubers bei abgeschalteter Hauptantriebsmaschine zu verringern, vielmehr kann darüber hinaus die Hilfsantriebsmaschine benutzt werden, um die Umlaufgeschwindigkeit des Hauptrotors und damit die in ihm gespeicherte kinetische Energie zu erhöhen, die zur Verfügung steht bzw. notwendig ist, um den Vorgang des Absinkens des Haubschraubers unmittelbar vor Landeberührung zu unterbrechen. Dieser Vorgang des Stoppens der Absinkbewegung wird dadurch eingeleitet, daß der Plugzeugführer plötzlich den Anstellwinkel der Rotorflügel vergrößert, kurz bevor der Hubschrauber mit dem Boden in Berührung komm*. Die Hilfsantriebsmaschine bietet also während dieses letzten Teiles des Landevorganges den Vorteil, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors während der Ausnutzung der kinetisohen Rotorenergie nicht so rasch absinkt. Es steht dem Plugzeugführer also eine erheblich größere Bremsleistung während dieses letzten Abschnittes des Landevorganges zur Verfügung.

Dieser letzte Vorteil, den die Hilfsantrieb8maschine bietet, indem sie die am Rotor zur Verfügung stehende kinetieohe Energie vergrößert, könnte auch erzielt werden mittels einer

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Maschine, die nur für kurze Zeit ein Drehmoment zur Verfügung stellt, beispielsweise durch einen Brennstoffmotor» Der Vorteil einer ständigen Bereitschaft während des ganzen kritischen Vorganges, bei welchem der Rotor selbsttätig umläuft, ist jedoch nur erzielbar bei Anwendung einer ständig arbeitenden Maschine. Außerdem werden bei Anwendung einer solchen ständig arbeitenden Maschine die Anforderungen an die Geschicklichkeit des Flugzeugführers, der ja genau zu bestimmen hat, in welchem Augenblick eine kurzzeitig arbeitende Maschine in Gang zu setzen ist, erheblich verringert.

Sollten während des Fluges beide Maschinen aussetzen, so kann die Kupplung 23 ausgerückt werden, so daß die Hauptantriebsmaschine vom Getriebe abgekuppelt wird. Der Hauptrotor läuft dann leer um und betreibt aber gleichzeitig noch den Generator 19· Die Überlaufkupplung 26 verhindert dabei eine Übertragung des Drehmomentes auf die Hilfsantriebsmaschine. Als Hilfsantriebsmaschine findet zweckmäßig eine Gasturbine Anwendung, die vollständig unabhängig von der Hauptantriebsmaschine arbeiten kann.

Als eine besondere Sicherung ist in der Welle 25 zwischen der Kupplung 22 und dem Hauptgetriebe eine Scheereinrichtung vorgesehen. Diese Scheereinrichtung besteht aus einem geschwächten oder leicht brechenden Abschnitt der Welle, die dann an dieser Stelle bricht, falls der Generator oder die Hilfsantriebamaschine festfahren oder aua irgendeinem anderen Grunde dem von der Hauptaniriebsmasohine erzeugten Drehmoment einen übermäßig hohen Widerstand entgegenaetzen sollten. Tritt die Scheereinrlohtung in Wirkung, bo kann

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die Hauptantriebsmaschine den Hauptrotor weiter in Umlauf halten, so daß der Hubschrauber unbehindert weiterfliegen kann.

Zusammengefaßt bietet also die Hubverstärkungseinrichtung folgende Vorteile: Sie vergrößert die Hubkraft, so daß das Starten des Hubschraubers beschleunigt oder bei seiner Überlastung unterstützt wird» Die zusätzliche Hubkraft verringert die Sinkgeschwindigkeit des Hubschraubers bei sonst normaler Betriebsweise. Auch wenn die Hauptmaschine ausgefallen ist und der Rotor gewissermaßen antriebslos umläuft, wird die Sinkgeschwindigkeit des Hubschraubers verringert. Das während des Selbstumlaufs des Rotors ständig von der Hilfsantriebsmaschine auf den Hauptrotor übertragene Drehmoment erhöht während der kritischen Anfangs- und Endphase dieses Betriebszustandes die zur Verfügung stehende kinetische Energie. Der hierduroh erzielbare Vorteil ist erheblich größer als die einfache Verringerung der Absinkgeschwindigkeit während des Fluges bei abgeschaltetem Antrieb. Steht der Hubschrauber am Boden oder wird die Hauptantriebsmaschine angelassen, so steht immer elektrische Energie zum Prüfen der elektrischen Geräte zur Verfügung. Infolge der Möglichkeit, kleinere Batterien verwenden zu können, verringert sich die durch das Batteriegewioht verursachte Belastung. Läuft der Rotor beim Ausfall beider Antriebsmaachinen leer um, so kann dennoch elektrische Energie erzeugt werden.

Patentansprüche ι

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Claims

Patentansprüche:

1. Hubschrauber mit einem Hauptrotor und einer zu seinem Antrieb dienenden Hauptmaschine, gekennzeichnet durch eine Hilfsantriebsmaschine (18) deren Leistung geringer ist als diejenige der Hauptantriebsmaschine, wobei eine Kupplungseinrichtung (22, 23 A) vorgesehen ist,

die den Antrieb des Hauptrotors entweder gemeinsam |

durch beide Maschinen oder von einer dieser beiden Maschinen allein ermöglichte

2. Hubschrauber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Generator (19) der mittels der Haupt- oder der Hilfsantriebsmaschine antreibbar ist.

3. Hubschrauber nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Kupplung (22, 23 A) der Generator von der Hauptantriebsraaschine abkuppelbar ist, wenn letztere vom Rotor abgekuppelt ist, wobei

jedoch der Generator mit der Hilfsantriebsmaschine \

gekuppelt bleibt.

4. Hubschrauber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (23 A) derart bedienbar ist, daß sie die Hauptantriebsmaschine sowohl vom Rotor als auch vom Generator abzukuppeln gestattet.

bo Hubschrauber nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mittels eines Getriebes

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antreibbar ist, das für jede der beiden Maschinen eine eigene Antriebsverbindung aufweist, wobei in jeder dieser Antriebsverbindungen je ein einen Teil der Kupplungseinrichtung bildendes Kupplungsorgan vorgesehen ist und der Generator zwischen Kupplung und Rotor an den von der Hilfsmaschine bewegten Antrieb angeschlossen isto

6. Hubschrauber nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen für die Hauptantriebsmaschine vorgesehenen Anlasser (24), wobei die Kupplungsanordnung so ausgebildet ist, daß die Hilfsantriebsmaschine bei abgeschaltetem Rotor den Generator antreibt, so daß er für den Anlaßvorgang elektrische Energie zur Verfügung stellt.

7. Hubschrauber nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Paar wahlweise zu bedienender Kupplungen, von denen die eine (23 A) zwischen der Hauptantriebsmaschine und dem Rotor und die andere (22) zwischen dem Rotor und der Hilfsantriebsmaschine liegt.

8. Hubschrauber nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Uberlaufkupplung (26), die zwischen der Hilfsantriebsmaschine und dem Generator liegt, so daß die Hauptantriebsmaschine den Rotor und den Generator antreiben kann, auch wenn die Hilfsantriebsmaschine außer Betrieb ist, wobei der Generator bei Abschaltung beider Maschinen von dem Rotor angetrieben wird, wenn dieser selbsttätig umläuft.

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9. Hubschrauber nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine in der Antriebsverbindung zwischen der Hilfsantrieb smaschine und dem Generator einerseits und dem Rotor andererseits vorgesehene Scheereinrichtung (22), die bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmoments den Antrieb unterbricht, so daß die Hauptantriebsmaschine den Hauptrotor antreiben kann auch wenn die Hilfsantriebsmaschine oder der Generator blockiert sein, sich also nicht drehen sollten.

10. Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor über ein Getriebe antreibbar ist, das für jede Antriebsmaschine eine besondere Antriebsverbindung aufweist und daß in beiden Antriebsverbindungen eine Überlaufkupplung vorgesehen ist, wobei die Überlaufkupplung (23) in der Antriebaverbindung zwischen der Hauptantriebsmaschine und dem Rotor die Möglichkeit bietet, eine Übertragung von Drehmoment vom Hauptrotor auf die Hauptantriebsmasohine und die Überlaufkupplung (26) in der Antriebsverbindung zwischen der Hilfsantriebsmaschine und dem Rotor in der Lage ist, eine Übertragung eines Drehmomentes vom j Hauptrotor auf die Hilfsantriebsmasohine au") verhindern.

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