DE2451860A1 - Rotorblatt aus kunststoffmaterial - Google Patents

Rotorblatt aus kunststoffmaterial

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DE2451860A1 DE19742451860 DE2451860A DE2451860A1 DE 2451860 A1 DE2451860 A1 DE 2451860A1 DE 19742451860 DE19742451860 DE 19742451860 DE 2451860 A DE2451860 A DE 2451860A DE 2451860 A1 DE2451860 A1 DE 2451860A1
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Description

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Societe Nationale Industrielle Aerospatiale Paris / Frankreich
Rotorblatt aus Kunststoffmaterial
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rotorblatt mit widerstandsfähigem Aufbau, bestehend aus in Längsrichtung verlaufenden Schichtfasern, welche zur Blattwurzel zu einen Strang in Form einer starren Schleife zum Anschluß des Rotorblattes an die Blattanschlußnabe mittels einer Drehspindel bilden.
Bei Rotorblättern für Drehflügelflugzeuge ist es bereits bekannt, daß sie einen widerstandsfähigen Aufbau aus mineralischen Fasern bzw. in Längsrichtung verlaufenden Schichtfasern aufweisen, welche zum größeren Teil an der Vorderkante und an der Hinterkante des Rotorblattes angeordnet sind und einen
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FüJLlkern aus leichtem Material umschließen.
Zur Verbindung eines Rotorblattes dieser Art mit der Rotornabe wurde bereits die Verwendung fortlaufender Schichtfasern vorgeschlagen, die von der Vorder- zur Hinterkante des Blattes verlaufen, wobei diese Schichtfasern einen Strang in Form einer Schleife bilden, die eine Blattanschlußspindel zum Anschluß an der Nabe umgreift.
Wenn beim Betrieb die Schichtfasern bei einem durch Zentrifugalkraft beaufschlagten Rotorblatt somit im wesentlichen auf Zug arbeiten, wird der Anschlußbereich zwischen dem Rotorblatt und der Drehachse außerdem sowohl statisch wie auch dynamisch durch Wechselbelastungen beaufschlagt, insbesondere durch Beanspruchungen auf Biegung und Torsion.
Derartige Beanspruchungen bringen Belastungen mit sich, die sich senkrecht auf die Schichtfasern auswirken und von diesen nicht ausgehalten werden, sondern nur von dem Bindeharz, wodurch es möglich ist, daß diese Verbindung zerstört wird und die Verbindung der Blattwurzel mit der Drehachse auseinanderbricht.
Zur Verstärkung dieser Verbindung wird in der französischen Patentschrift 1 544 344 vorgeschlagen, daß der schleifenförmig verlaufende Strang von einem Metallgehäuse umhüllt wird, welches außerdem einen Teil der.Blattwurzel umschließt.
Da somit das Elastizitätsmodul der Schichtfasern anders ist als das des Gehäuses wird in der vorgenannten französischen Patentschrift vorgeschlagen, zwischen der Außenfläche des Schichtfaserstranges und der Innenfläche des Gehäuses eine Schicht aus verformbarem Material anzuordnen, welche zwischen den beiden Teilen dieser Anordnung eine relative Verschiebung ermöglicht.
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Jedoch besteht immer noch die Gefahr einer Beeinträchtigung durch andere Beanspruchungen, die nicht in Längsrichtung einwirken, und zudem ist die Ermüdung der Schichtfasern und ihrer Umhüllung am Ausgang des Gehäuses besonders groß.
Um den Widerstand dieser. Verbindung zwischen dem Blatt und der Rotordrehachse zu erhöhen, wird in der französischen Patentschrift 1 581 324 vorgeschlagen, den schleifenförmigen Strang in vier schleifenförmige Bänder zu unterteilen, die entlang der vier Ecken eines Rechtecks angeordnet und einzeln mittels Drehspindeln an der Drehachse befestigt sind.
Somit werden die Biegemomente in den beiden Hauptebenen durch die Schichtfaserbänder aufgenommen, welche parallel verlaufen und von denen die einen unter Druckbeanspruchung und die anderen unter Zugspannung stehen. Die Bänder sind im Abstand voneinander angeordnet, wodurch der Widerstand der gesamten Anordnung gegenüber diesen Biegemomenten erhöht wird. Tatsächlich stellen zwei im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnete Bänder eine Art Träger oder Balken dar, dessen Widerstandskraft proportional zum Abstand ist.
Jedoch wurde zur Aufrechterhaltung der unter Druck und der unter Zug stehenden Bänder keinerlei Vorkehrung getroffen, so .daß die Anordnung in dieser Form durch Scherbeanspruchung zerstört werden kann; zudem bilden die vier Anschlußpunkte die schwachen Punkte der Verbindung dar, die unweigerlich verschieden stark beansprucht werden.
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und ein Rotorblatt zu schaffen, welches die Übertragung jeglicher Beanspruchungen, denen das Rotorblatt an seinem Anschluß mit der Drehachse unterliegt, ermöglicht^ und außerdem ein Aufnehmen dieser Kräfte im Verbindungsbereich zwischen dem Anschluß und dem Rotorblatt gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Rotorblatt der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Anschlußarmierung vorgesehen ist, welche aus einer Hülse besteht, durch welche die Drehspindel verläuft und welche von der starren Schleife umschlossen ist und in ihrem Mittelabschnitt fest mit einer spitz zulaufenden seitlichen Verlängerung verbunden ist, welche zwischen die durch die starre'Schleife verbundenen Strangabschnitte eingebunden und mit diesen mittels einer kompakten Füllung verbunden ist, welche aus einem mineralischen Füllmaterial und einem Bindemittel besteht und mit dem Kern des Rotorblattes verbunden ist, wobei die Strangabschnitte an der kompakten Füllung befestigt sind und sich zur Außenseite des Rotorblattes erstrecken.
Vorzugsweise weist die Verlängerung in Richtung des Faserstranges des Rotorblattes einen flachen Abschnitt auf, welcher die Hülse umgreift und eine zur Hülsenachse senkrecht verlaufende Platte bildet, wobei sich der flache Abschnitt in Längsrichtung des Rotorblattes verjüngt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorzugsweise vorgesehen, daß der flache Abschnitt auf jeder Seite eine Mittelrippe aufweist, welche an der Hülse befestigt ist und sich von dieser weg so verjüngt, daß der Querschnitt der Verlängerung der Hülse unter Verjüngung in Längsrichtung des Rotorblattes kreuzförmig ist.
Zur Sicherstellung einer guten Verbindung zwischen den Schichtfasern, der Füllung und der Armierung ist die letztere vorzugsweise mit einer Zwischenschicht, aus Schichtmaterial überzogen, welches aus einem Gewebe aus Kunstfasern und Harz besteht, und beim Formen der gesamten Anordnung sowohl mit der Armierung wie auch mit der Füllung und den Schichtfasern verklebt wird.
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Bei einer derartigen Ausführungsform übernehmen die Armierung und die Füllung die Rolle von Abstandshaltern zwischen den Schichtfaserbändern, die unter der Einwirkung der Biegemomente sowohl unter Druck- wie auch unter Zugbeanspruchung stehen, wodurch es möglich wird, daß zwei Stränge bzw. Faserpelze, die mittels solcher Abstandhalter voneinander getrennt sind, jeweils einen Träger mit größtmöglicher Widerstandskraft gegenüber Biegebeanspruchungen bilden, der auch den in Querrichtung einwirkenden Scherkräften widersteht.
Außerdem wird der Unterschied zwischen dem jeweiligen Elastizitätsmodul des durch die Schichtfasern armierten Schichtmaterials, der Füllung und der Armierung für die Übertragung dieser Transversalkräfte vom Rotorblatt zu seinem Anschluß hin allmählich dadurch ausgeglichen, daß die Verlängerung sich verjüngt, so daß sie in ihrem verjüngten Bereich den Verformungen mit relativ großer Amplitude in dem Schichtaufbau (d.h. den Schichtfasern, dem Harz und in der Füllung) folgen kann und durch ihre in Richtung des Kerns in dessen Innerem verlaufende Starrheit allmählich diese Verformungen verringern kann, wobei die diese Verformungen hervorrufenden Beanspruchungen auf die Drehspindel übertragen werden.
Somit lassen sich die Gefahr einer Auflösung der zusammengeformten und geklebten Teile Hind eine besondere Ermüdung eines der Bestandteile der Verbindung vermeiden, da die Anordnung diesen Beanspruchungen wie ein einziges homogenes Teil unterliegt.
Im folgenden wird nun zum besseren Verständnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf die Wurzel eines Rotorblattes eines Drehflügelflugzeugs, welches aus Kunststoff besteht, der mittels hochwiderstandsfähiger Kunstfasern verstärkt ist;
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Fig. 2 bis 6 jeweils Schnittansichten entlang der Schnittlinien H-II, IH-III VI-VI durch das aus Fig. 1 ersichtliche Rotorblatt,
und
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Wurzel des Rotorblattes teilweise im Schnitt.
Die Wurzel 1 des in den Figuren dargestellten Rotorblattes besteht im wesentlichen aus Kunstharz, das mit Glasfasergewebe verstärkt ist. Der Endbereich, der zum Zentrum des Rotors hin gerichtet ist, ist zu einem Gelenk 2 ausgeformt. Die Verbindung eines derartigen Rotorblattes mit dem entsprechenden (nicht dargestellten) Teil der Nabe wird in bekannter Art und Weise mittels einer zylinderförmigen Hauptdrehspxndel erreicht, welche in das Gelenk eingreift, und mit einer Nebendrehspindel, deren Durchmesser kleiner ist als der der Hauptdrehspindel und die in einer Bohrung 4 eines seitlichen Ansatzes 22 an der Wurzel des Rotorblattes eingesetzt ist. Dieser Ansatz mit der Bohrung ist dazu vorgesehen, eine Drehung des Rotorblattes um die Hauptdrehspindel zu verhindern.
Der Endholm des Rotorblattes (vgl. Fig. 6 und 7) weist die Form eines Tragflügelprofils auf. Er besteht in bekannter Art und Weise aus in Längsrichtung bezüglich der Hauptachse des Rotorblattes angeordneten und in zwei Gruppen unterteilten Schichtfasern. Die größere Schichtfasergruppe 5, die die Form eines "C" aufweist, bildet die Vorderkante, während die zweite Schichtfasergruppe 6 sich, an der Hinterkante des Blattes befindet. Der Raum zwischen den beiden Schichtfasergruppen ist mit einer Füllung 7 aus leichtem zellförmigen Material gefüllt, beispielsweise mit Polyurethanschaum oder auch mit wabenförmigem Metall- oder Kunststoffmaterial. Das Rotorblatt wie auch die gesamte Blattwurzel ist mit einer Außenhaut 8 aus Schichtfasermaterial umhüllt, welches die das Blatt bildenden Teile dicht umschließt und einen Arbeits.mantel bzw. eine Schale darstellt. Die beiden Kanten der Außenhaut, die gegeneinander angelegt sind, bilden den Endgrat 8a der Hinterkante.
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Das Gelenk 2 am Ende des Rotorblattes besteht seinerseits aus der von den kontinuierlich um die Hauptspindel geführten Schichtfasern gebildeten Schleife. Innerhalb dieser Schleife ist zwischen den Schichtfasern, die in vier im wesentlichen gleiche Bänder 9, 10, 11 und 12 unterteilt sind, eine Armierung 13 eingeschlossen. Diese Armierung umfaßt eine Hülse 14 mit einem Innenring 15 zur Aufnahme für die Hauptdrehspindel, sowie eine kreuzförmige, sich verjüngende Verlängerung, die fest mit der Hülse verbunden ist. Diese Verlängerung umfaßt eine senkrecht zur Hülse in deren Mitte verlaufende Platte 16, sowie zwei rechtwinklig an der Platte angeordnete Rippen 18, die fest mit dieser und mit der Hülse 14 verbunden sind, und zwar nur auf der Seite des Rotorblattes.
Die sich verjüngende Platte trennt die vier Bänder 9 bis 12 der Schleife. Die Breite und Dicke der Rippen 18 nehmen allmählich ab, wie sich aus Fig. 3 bis 6 und Fig. 7 entnehmen läßt.
Um die Hülse und gegen die Flügel der Armierung 13 sind unter Berührung mit den Bändern 9, 10, 11 und 12 der Schichtfasern Zwischenlagen 20 eingesetzt, die aus einer Schichtung von Glasgewebe bestehen, das ,mit Kunstharz imprägniert ist. Diese Zwischenlagen weisen ein sehr großes Adhäsionsvermögen und einen hohen Widerstand gegenüber Scherbeanspruchungen auf.
Im Mittelbereich zwischen der Nabe und dem Rotorblatt verlaufen die Schichtfasern in den Bändern 9 und 11 geradlinig und bilden den Mittelbereich 5a des C-förmigen Profils 5. Die beiden Endabschnitte 5b und 5c dieses Profils gehen von den Abschnitten 10a und 12a der Stränge 10 und 12 aus, die jweils allmählich auf den Flächen des Rotorblattes abgeflacht werden. Auf diese Weise kann die Masse der fest mit der Vorderkante verbundenen Schichtfasern sehr viel größer sein als die Masse der mit der Hinterkante verbundenen Schichtfasern, auch wenn die vier Bänder im wesentlichen den selben Querschnitt aufweisen.
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Schließlich bilden nach entsprechender Krümmung die Schichtfasern der Abschnitte 10b und 12b die Hinterkante 25 des Zwischenbereiches und des Endholms 6 des Rotorblattes.
In diesem Zwischenbereich ist in den freien Raum, der den sich verjüngenden Abschnitt der Armierung zur Mitte des Rotorblattes hin umhüllt, sowie in den freien Raum innerhalb der Außenhaut 8 und den freien Raum zwischen den Bändern 9 bis 12 eine Füllung 21 eingefüllt. Diese Füllung kann Druck- und Scherbeanspruchungen widerstehen und besteht beispielsweise aus kurzen Fasern oder auch aus verknäulten Glasspänen bzw. Glaswolle in einer Harzmasse.
Diese verschiedenen Teile, nämlich die Armierung 13", die Zwischenlagen 20, die Schichtfaserbänder 9 bis 12, und die Schichtstoff-Außenhaut 8 werden miteinander verklebt, unter Druck geformt und unter Hitzeeinwirkung polymerisiert.
Bei einer derartigen Anordnung erfolgt die Übertragung der Zugkräfte und der Biegemomente, sowie der Beanspruchungen auf Torsion zur Armierung hin, die von dem Rotorblatt kommen, allmählich fortschreitend, ohne daß zwischen den Schichtfasern, den Zwischenlagen und der Armierung eine Reibung bzw. eine Gleitbewegung auftritt. Der sich verjüngende Abschnitt der Armierung stellt den Übergang zwischen dem relativ elastischen Wurzelbereich nahe des Rotorblattes und der Befestigung mittels der Hauptdrehspindel an der Nabe sicher.
Je nach dem, welche Kräfte auf die Armierung 13 übertragen werden, nimmt der von den Zwischenlagen aufzunehmende Dehnungsunterschied ab, bis er in Höhe der Schleife um die Hülse 14 völlig verschwunden ist. Zudem werden die Biegemomente übei; die Füllung 21 und durch Kompression derselben gleichmäßig verteilt durch Abstützung übertragen.
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Die Platte 16 der Armierung 13 weist an der Stelle, an der die Hauptdrehspindel eingesetzt wird, einen seitlichen Ansatz 22 auf, der in der Verstärkung 23 endet, durch welche die Bohrung 4 geführt ist. Dieser seitliche Ansatz ermöglicht eine Übertragung der von dem Rotorblatt kommenden Luftwiderstandsmomente auf die Rotornabe.
Das Gelenk 23 kann mit der Nabe direkt verbunden sein, wenn keinerlei Drehbewegung des Rotorblattes um die Hauptspindel erwünscht ist, oder mittels eines Dämpfers, wenn das Rotorblatt frei beweglich um die Hauptdrehspindel angelenkt ist, oder auch mittels eines Frequenzadapterts, wenn die Schwingungen des Luftwiderstandes des Rotorblattes um diese Drehspindel durch eine elastische gedämpfte Rückstellung gehemmt sind.
Die Erfindung findet ihre praktische Anwendung insbesondere bei Drehflügelflugzeugen.
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Claims (7)

Patentansprüche
1. J Rotorblatt mit widerstandsfähigem Aufbau, bestehend aus ängsrichtung verlaufenden Schichtfasern, welche zur Blattwurzel zu einen Strang in Form einer starren Schleife zum Anschluß des Rotorblattes an der Blattanschlußnabe mittels einer Drehspindel bilden, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anschlußarmierung (13) vorgesehen ist, welche aus einer Hülse (14) besteht, durch welche die Drehspindel verläuft und welche von der starren Schleife (2) umschlossen ist und in ihrem Mittelabschnitt fest mit einer spitz zulaufenden seitlichen Verlängerung verbunden ist, welche zwischen die durch die starre Schleife (2) verbundenen Strangabschnitte (5,6) eingebunden und mit diesen mittels einer kompakten Füllung (21) verbunden ist, welche aus einem mineralischen Füllmaterial und einem Bindemittel besteht und mit dem Kern des Rotorblattes verbunden ist, wobei die Strangabschnitte (6,7) an der kompakten Füllung (20 befestigt sind und sich zur Außenseite des Rotorblattes erstrecken.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung in Richtung des Faserstranges des Rotorblattes einen flachen Abschnitt (16) aufweist, welcher die Hülse (14) umgreift und eine zur Hülsenachse senkrecht verlaufende Platte bildet, und daß sich die Verlängerung in Längsrichtung des Rotorblattes verjüngt.
3. Rotorblatt nach Anspruch 2, dadurch geken nzeich net, daß der flache Abschnitt (16) auf jeder Seite eine Mittelrippe (18) aufweist, welche an der Hülse (14) befestigt ist und sich von dieser weg so verjüngt, daß der Querschnitt der Verlängerung der Hülse (14) unter Verjüngung in Längsrichtung des Rotorblftttes kreusförnig ist»
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2A5186Q -yt- //
4. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (13) mit einer Zwischenlage (20) aus Schichtmaterial mit hoher Adhäsionskraft und großem Widerstand gegenüber Scherbeanspruchungen überzogen ist.
5. ' Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Füllung (21) aus Kunstharz und kleinen Glasstücken besteht.
6. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der von der Schleife (2) ausgehenden Strangabschnitte, welcher zur Hinterkante (25) des Rotorblattes verläuft, zur Oberfläche der kompakten Füllung (21) in Richtung auf die Vorderkante des Rotorblattes geführt ist.
7. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Armierung (13) einen in einer zur Bohrung der Hülse (14) parallel verlaufenden Bohrung (4) endenden Ansatz (22) aufweist, in welcher Bohrung (4) eine zweite Drehspindel zusätzlich einsetzbar ist, welche die Drehbewegung des Rotorblattes um die Hauptdrehspindel in der Hülse .(14) verhindert. ·
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