DE2635241A1 - Rotorblatt fuer hubschrauberrotoren - Google Patents
Rotorblatt fuer hubschrauberrotorenInfo
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Description
Dipl. ing. E. HOLZEB
Bi1SER-STBAeSX 1«
8900 AUOSBUKO
TELEFON 5tβ* 15
TELEX 6332OS patol d
a. 587
Augsburg, den 3. August 1976
The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's
Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, S.W.I.,
England
Rotorblatt für Hubschrauberrotoren
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Hubschrauberrotoren, welches mindestens teilweise aus einem Kompositwerkstoff
hergestellt ist, der aus einem Matrixmaterial und darin eingebetteten, im wesentlichen in Spannweitenrichtung
verlaufenden Fasern besteht.
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Im allgemeinen war die Entwicklung von Hubschrauberrotorblättern während der Entwicklungsgeschichte der
Hubschrauber sehr konservativ. Die Rotorblätter vieler verschiedener Hubschrauber weisen nahezu identische
Formen auf und sind aus ähnlichen Werkstoffen hergestellt, und die Profilformen sind von nur sehr wenigen Standardformen abgeleitet.
In neuerer Zeit hat sich jedoch aufgrund des wachsenden Bedarfs an schnellen Hubschraubern für militärische
Zwecke und an komfortableren Hubschraubern für den zivilen Verkehr eine beträchtliche Aktivität bei der Untersuchung
verschiedener Profile, abgewandelter Umrißformen und verschiedener Werkstoffe entwickelt. Zu den Interesse findenden
Werkstoffen gehören die als Kompositwerkstoffe bekannten Werkstoffe, die aus einem Matrixmaterial und einer Vielzahl
von darin eingebetteten Fasern bestehen. Seine Festigkeit erhält ein aus einem solchen Kompositwerkstoff hergestelltes
Rotorblatt von den in Spannweitenrichtung verlaufenden Fasern. Das Matrixmaterial dient hingegen hauptsächlich als
Bindemittel. Die Verwendung von Kompositwerkstoffen vereinfacht die mit der Herateilung komplexer Profile und
Umrißformen verbundenen Schwierigkeiten.
Einer der Hauptnachteile von Hubschraubern ist der in der gesamten Konstruktion auftretende hohe Schwingungspegel,
zu welchem hauptsächlich die Rotorblätter mit ihren großen
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Seitenverhältnissen beitragen. Ein Rotorblatt neigt in
dreifacher Hinsicht zum Schwingen, nämlich zu Schlagschwingungen in der zur Bewegungsrichtung des Blattes senkrechten Ebene,
weiter zu Schwenkschwingungen in der Blattdrehebene, und
zu Torsionsschwingungen um die Blattachse herum. Die
wesentlichsten dieser Schwingungen sind die SchlagschwingungB
und die Schwenkschwingungen.
Es ist bekannt, daß die Rotorblätter beim Vorwärtsflug eine Schlagschwingung mit einer Frequenz von einer Schwingung
pro BlattUmdrehung ausführen. Aus diesem Grunde sind die
Rotorblätter so ausgebildet, daß ihre Biegeresonanzfrequenz geringfügig größer als die Konstruktionsdrehzahl der
Blätter ist„ Die starke aerodynamische Dämpfung verhindert
zu große Schlagschwingungsamplituden bei der Blattdrehzahl.
Nachdem die aerodynamischen Charakteristiken eines Rotorblattes und folglich die Blattform und die Biegeresonanzfrequenz
festgelegt worden sind, sind die beim gegenwärtigen Stand der Technik verfügbaren Möglichkeiten zur Beeinflussung
der anderen Blattcharakteristiken begrenzt« Es ist jedoch wesentlich, daß die Biegeresonanzfrequenz nicht in der
Nähe von Harmonischen der Blattdrehzahl liegt« Weiter ist
es wichtig, daß die Resonanzfrequenz bezüglich der Schwenk-
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schwingungen nicht in der Nähe der Blattdrehzahl liegt. Bä.
den meisten bekannten Rotorblattkonstruktionen müssen die Massenverteilung, mechanische Dämpfer oder beide Maßnahmen
angewendet werden, um annehmbar hohe Biegeresonanzfrequenzen und Schwenkresonanzfrequenzen zu erhalten.
Ein weiteres Problem liegt darin, daß für Schwingungen in der Blattdrehebene keine oder nur eine geringe aerodynamische
Dämpfung vorhanden ist. Bei manchen Blattkonstruktionen bewirkt der Blattanschluß an der Rotornabe nur wenig oder
überhaupt keine Dämpfung, so daß mechanische Dämpfer in die Verbindung zwischen dem Blatt und der Nabe eingebaut
werden müssen, um Schwenkschwingungen zu dämpfen.
Bekannte Blattkonstruktionen für Hubschrauberrotoren
benützen also die Massenverteilung und mechanische Dämpfer zur Schwingungsdämpfung, was jedoch sowohl hinsichtlich
Gewicht als auch hinsichtlich Komplexität nicht wünschenswert ist. Trotz dieser Dämpfungsmaßnahmen muß jedoch in Kauf
genommen werden, daß während der Beschleunigung und der Verzögerung
der Rotorblätter beim Anfahren und Abstellen des Triebwerks gewisse Resonanzphasen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein as einem Kompositwerkstoff bestehendes Rotorblatt der eingangs
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dargelegten Art so zu verbessern, daß die eben erörterten Schwingungsprobleme verringert oder sogar beseitigt werden,
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Rotorblatt gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens
einem Blattquerschnitt im Spannweitenverlauf ein beträchtlicner
"Teil der Pasern zu einer in Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene hin verläuft.
Die genannte biegeneutrale Ebene kann die bezüglich Schlagbiegungen oder die bezüglich Schwenkbiegungen neutrale
Ebene sein.
Der genannte Blattquerschnitt kann in Blattsehnenrichtung oder unter einem Winkel zur Sehne verlaufen oder kann ein
Rotationsflächenabschnitt sein.
Es können einige oder sämtliche Fasern einwärts gerichtet sein und auf der oder nahe der neutralen Ebene verlaufen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstenend
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Hubschrauber
rotorblatt mit der Rotornabe,
7 0 9 8 0 § H 3 1 8
Pig. 2 eine geschnittene perspektivische
Ansicht des Rotorblattes,
Fig. 3 einen Längsschnitt entlang der
Linie III-III in Fig. 2,
Fig„ 4 eine graphische Darstellung der
Steifigkeit des Blattes über der Spannweite, und
die Fig. 5 und 6 Diagramme, welche die Blattresonanz
frequenzen über der Blattdrehzahl zeigen.
Ein in Fig. 1 dargestelltes, mit einer Nabe 11 verbundenes Hubschrauberrotorblatt 10 ist aus einem Matrixmaterial
und einer Vielzahl von darin eingebetteten Fasern hergestellt, die bei 12 angedeutet sind und in Spannweitenrichtung
des Blattes verlaufen. Den Hauptbeitrag zur Festigkeit des Blattes 10 liefern die am weitesten von der in
Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene 13 (Fig. 2) entfernt liegenden Fasern, d.h. die in den mit 14
und 15 bezeichneten Blattbereichen gelegenen Fasern. Gemäß der Erfindung sind die Fasern 12 im Verlauf der Spannweite
bei mit 16, 17 und 18 (Figo 1 und 3) bezeichneten BIattquerachnitten
in der in Fig. 3 gezeigten Weise vom Matrix-
7 0 9 8 0_91 <L3 1 8
material der Blattbereiche 15 und 16 weg nach innen gerichtet, so daß sie auf oder nahe der in Spannweitenrichtung verlaufenden,
bezüglich Schlagbiegungen neutralen Ebene 13 liegen. Die dadurch erhaltene Wirkung ist, wie Fig. 4 zeigt,
eine Verringerung der Blattsteifigkeit an den Blattquerschnitten 16, 17 und 18 ohne Verringerung der Zugfestigkeit
des Blattes.
Das Ausmaß der Steifigkeitsverringerung ist durch Änderung der Anzahl der einwärts verlaufenden Pasern 12 oder durch
Veränderung der Größe des Einwärtsverlaufes der Fasern 12 ve rän de r Ii ch ·
Analoge Auswirkungen sind offensichtlich auch in der
Blattdrehebene erhältlich, in dem die Fasern 12 von der Blattvorderkante und der Blatthinterkante (20 bzwa 21 in
Fig. 2) aus zu der in Spannweitenrichtung verlaufenden, bezüglich Schwenkbiegungen neutralen Ebene hin verlaufen,
welche in Fig. 2 durch die Linie 22 angedeutet ist.
Für den Fachmann ist es leicht ersichtlich, wie diese Konstruktionsweise zur Erzielung annehmbarer Resonanzfrequenzen
des Blattes 10 ausgenützt werden kann. Weitere Ausnützungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Konstruktion werden nachstehend erläutert.
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Die Resonanzfrequenzen des Rotorblattes 10 hängen von der Steifigkeit des Blattes und von den darauf wirkenden
Fliehkräften ab. Dies ist in Figo 5 gezeigt, wo die erste und zweite Schwenkresonanzfrequenz WLl und WL2 über der
Drehzahl<T2 aufgetragen sind. Die Resonanzfrequenzen WLl
und WL2 dürfen bei der KonstruktionsrotordrehzahlΛ .
nicht in der Nähe der Rotordrehzahl oder von Harmonischen der Rotordrehzahl liegen, wie in Fig. 5 bei 23 und 24
angedeutet ist»
Beim Anlauf aus dem Stillstand oder beim Auslauf muß das Rotorblatt 10 jedoch Resonanzfrequenzen durchlaufen,
wie in Fig. 5 bei 25 und 26 dargestellt isto Indem man die Fasern 12 einwärts zur oder in die Nähe der bezüglich
Schwenkbiegungen neutralen Ebene 22 verlaufen läßt, um die
elastische Steifigkeit des Blattes praktisch Null werden zu lassen, können die Resonanzfrequenzen ausschließlich von der
auf das Blatt 10 wirkenden Fliehkraft abhängig gemacht werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Auf diese Weise können die
Rotordrehzahl und ihre Harmonischen von den Resonanzfrequenzen getrennt werden und Resonanzphasen während des Rotoranlaufs
oder des Rotorauslaufs können vermieden werden.
Wenn man den Querschnitt, längs dessen die Fasern 12
einwärts verlaufen, unter einem Winkel zur Sehne des Blattes legt, wie in Fig. 1 bei 18 oder 16 gezeigt ist, ergibt sicn
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aus einer Schlagschwingung eine Sciiwenkscnwingungskomponente.
In gleicher Weise ergibt eine Schwenkschwingung eine
Schlagschwingungskomponente. Da die Schlagscnwingung aerodynamisch
gedämpft wird, ergibt sich daraus die wöglichKeit der aerodynamischen Dämpfung von Schwenkschwingungen, so daß
die bisher erforderlichen mechanischen Dämpfungsmittel weggelassen oder verringert werden können.
Die Erfindung ist in Verbindung mit jeder Faserart anwendbar, beispielsweise mit Kohlefasern oder Glasfasern.
Es braucht nicht das gesamte Blatt aus dem Kompositwerkstoff zu bestehen, sondern es reicht aus, wenn in
Spannweitenrichtung ein beträchtlicher Teil des Blattes als Kompositkonstruktion ausgebildet ist. Die Blattwurzel und
die Blattspitze können beispielsweise als Metallkonstruktion ausgebildet sein. Außerdem kann die Blattvorderkante aus
Metall hergestellt sein, um den Verschleiß durch Berührung mit Fremdkörpern wie beispielsweise Sand oder Staub zu verringern,
wobei diese Metallvorderkante zur Blattsteifigkeit beitragen oder auch nicht beitragen kann.
- 9 709809/0318
Claims (8)
- Patentansprüche..!Rotorblatt für Hubschrauberrotoren, welches mindestens teilweise aus einem Kompositwerkstoff hergestellt ist, der aus einem Matrixmaterial und darin eingebetteten, im wesentlichen in Spannweitenrichtung verlaufenden Pasern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Blattquerschnitt (16, 17, 18) im Spannweitenverlauf ein beträchtlicher Teil der Pasern (12) zu einer in Spannweitenrichtung verlaufenden biegeneutralen Ebene (13; 22) hin verläuft.
- 2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil der Pasern (12) zur bezüglich Schlagbiegungen neutralen Ebene (13) hin verläuft.
- 3o Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil oder ein Teil der Pasern (12) zu der bezüglich Schwenkbiegungen neutralen Ebene (22) hin verläuft.
- 4, Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt in Blattsehnenrichtung verläuft.- 10 -709809/0318
- 5. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt unter einem Winkel zur Blattsehnenrichtung verläuft,
- 6. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis J dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Blattquerschnitt durch eine, einen Rotationsflächenabschnitt darstellende Schnittfläche gebildet ist.
- 7. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Kompositwerkstoffes Kohlefasern sind.
- 8. Rotorblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern des Kompositwerkstoffes Glasfasern sind.- 11 -709809/0318
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