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Diese Erfindung bezieht sich auf Hubschrauberrotorblätter und
befaßt sich insbesondere mit Rotorblättern der in der GB-A-
1538055 offenbarten Bauart.
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Rotorblätter nach der GB-A-1538055 zeichnen sich durch einen
gepfeilten Blattspitzenbereich aus, der einen vorwärts
gepfeilten Hinterkantenbereich, eine rückwärts gepfeilte
Vorderkante, eine rückwärts gepfeilte, äußerste Endkante sowie eine
rückwärts gepfeilte Hinterkante aufweist. Die Zone des
vorwärts gepfeilten Vorderkantenbereichs ist als Kerbzone bekannt
geworden, und in der Praxis wurde die in der Fig. 3 der GB-A-
1538055 dargestellte Übergangsanordnung bevorzugt, wobei der
Übergang aus Übergangsradien und einem zentralen, geraden
Verbindungsabschnitt unter einem Winkel von etwa 60º gegenüber
einer zur Blattverstellachse parallelen Linie besteht. Eine
innere Übergangskurve geht unmittelbar in die Blattvorderkante
über, und eine äußere Übergangskurve geht in die rückwärts
gepfeilte Vorderkante über. Außer einer kleinen verbleibenden
Verwindung, um für eine Veränderung des Tragflügelguerschnitts
über die Kerbzone hinweg auf einem ansonsten nominal um 8º
linear verwundenen Blatt zu sorgen, ist keine zusätzliche
Verwindung in der Kerbzone vorhanden, um die aerodynamischen
Eigenschaften der Kerbzone einzustellen.
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Solche Rotorblätter haben sich als sehr erfolgreich erwiesen,
um den zulässigen Rotorbetriebsbereich stark zu erweitern, und
sie waren ein bedeutender Faktor bei der Aufstellung des
absoluten Geschwindigkeitsweltrekords für Hubschrauber mit
249,10 mph (400,81 km/hr), der 1986 von einem Westland Lynx-
Hubschrauber aufgestellt wurde.
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Im Zuge weiterer Bemühungen, das Betriebsverhalten von
Hubschraubern zu verbessern, haben Windtunneltests der bekannten
Rotorblätter gezeigt, daß in einem Gebiet an der Oberseite des
Blatts hinter der Kerbzone eine Tendenz zur Strömungsablösung
besteht. Das Problem tritt bei großen Anstellwinkeln in einem
Bereich auf, in den typischerweise das rücklaufende Blatt des
Hubschraubertragrotors gelangt, und die Gräße des Gebiets mit
Strömungsablösung nimmt mit steigendem Anstellwinkel zu.
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Ein Ziel dieser Erfindung besteht daher darin, das Gebiet mit
Strömungsablösung zu verkleinern oder zu vermeiden, das hinter
der Kerbzone eines Hubschrauberrotorblatts der in der GB-A-
1538055 offenbarten Bauart auftritt.
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Die FR-A-2153253 offenbart ein Hubschrauberrotorblatt, welches
einen zentralen Abschnitt mit Tragflügelquerschnitt und mit
einer Vorderkante und einer Hinterkante aufweist, wodurch eine
Blattiefe festgelegt wird; sowie eine Blattverstellachse und
eine gepfeilte Spitze mit Tragflügelquerschnitt, die eine
vorwärts gepfeilte Vorderkante mit einem mittleren Abschnitt
aufweist, der jeweils mit der Blattvorderkante und einer
rückwärts gepfeilten Vorderkante der Spitze durch innen- und
außenliegende Übergangskurven verbunden ist, wodurch eine
Kerbzone mit Tragflügelquerschnitt festgelegt wird. Der mittlere
Abschnitt der Spitze mit einer vorwärts gepfeilten Vorderkante
verläuft unter einem Winkel von 20º ± 15º zu einer
Bezugslinie, die zur Blattverstellachse parallel ist, wobei das Blatt
eine veränderliche Verwindung aufweist, die im Bereich der
Spitze negativ und bei aufeinanderfolgenden, außenliegenden
Stationen von allmählich zunehmendem Wert ist. Die Gestaltung
der Spitze und die veränderliche Verwindung sollen die
Leistungsfähigkeit verbessern, insbesondere beim Schwebeflug.
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Demgemäß schafft diese Erfindung ein Hubschrauberrotorblatt
mit einem mittleren Abschnitt mit Tragflügelprofil, der eine
Vorderkante und eine Hinterkante hat, die eine Blattiefe
festlegen; sowie eine Blattverstellachse und eine gepfeilte Spitze
mit Tragflügelquerschnitt, die eine vorwärts gepfeilte
Vorderkante mit einem mittleren Abschnitt aufweist, der jeweils mit
der Blattvorderkante und einer rückwärts gepfeilten
Vorderkante der Spitze durch innen- und außenliegende Übergangskurven
verbunden ist, wodurch eine Kerbzone mit Tragflügelguerschnitt
festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere
Bereich der vorwärts gepfeilten Vorderkante unter einem Winkel
von zwischen 30 und 55º zu einer zur Blattverstellachse
parallelen Bezugslinie verläuft, und daß die Vorderkante des
Tragflügelguerschnitts in der Kerbzone einen abfallenden
Nasenbereich relativ zur Vorderkante des zentralen Bereichs des
Blatts und zur rückwärts gepfeilten Vorderkante der Spitze
beinhaltet, wobei der abfallende Nasenbereich in der Kerbzone
einen Übergang zu den Tragflügelquerschnitten des mittleren
Abschnitts des Blatts und der gepfeilten Spitze außerhalb der
Kerbzone aufweist.
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Vorzugsweise verläuft der mittlere Abschnitt der vorwärts
gepfeilten Vorderkante unter einem Winkel von zwischen 40 und
50º zu der Bezugslinie.
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Der Vorderkantenabschnitt der Kerbzone kann allmählich nach
unten und innen von der innenliegenden Übergangskurve
zulaufen, um die Blattvorderkante an einem weiter innenliegenden
Punkt des Blatts zu erreichen. Die innenliegende
Übergangskurve kann an einer radialen Blattstation von etwa 84% R in den
Vorderkantenabschnitt der Kerbzone übergehen, und der
zulaufenden Vorderkantenbereich der Kerbzone kann bei einer
radialen Blattstation von etwa 82% R in die Blattvorderkante
übergehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
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Fig. 1 eine bruchstückhafte Draufsicht auf ein
Hubschrauberrotorblatt nach dem Stand der Technik ist,
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Fig. 2 eine bruchstückhafte Draufsicht auf ein
Hubschrauberrotorblatt ist, in der Merkmale des erfindungsgemäßen Blatts mit
dem bekannten Blatt verglichen werden,
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Fig. 3 eine bruchstückhafte Schnittansicht längs Linie A-A in
Fig. 2 ist,
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Fig. 4 eine bruchstückhafte Draufsicht auf einen Teil des
erfindungsgemäßen Rotorblatts ist,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung ist, in der
Rotorblatteigenschaften gegenüber dem Blattanstellwinkel aufgetragen sind,
und
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Fig. 6 eine graphische Darstellung ist, in der der
Rotorblattauftrieb gegenüber dem Profilwiderstand aufgetragen ist.
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Wie Fig. 1 zeigt, weist ein im ganzen mit 11 bezeichnetes
Hubschraubertragrotorblatt der in der GB-A-1538055 offenbarten
Bauart eine gepfeilte Spitze 12 mit Tragflügelquerschnitt auf,
die am Ende eines mittleren Abschnitts 13 mit
Tragflügelquerschnitt befestigt ist, der eine Vorderkante 14 und eine
Hinterkante 15 aufweist, wodurch eine Blattiefenabmessung "C"
festgelegt wird. Im Betrieb erfolgen
Einstellwinkelveränderungen um die Blattverstellachse 31, die in Längsrichtung des
Blatts bei etwa 25% Blattiefe verläuft.
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Die gepfeilte Spitze 12 weist einen vorwärts gepfeilten
Vorderkantenabschnitt 16 auf, der in die Vorderkante 14 des
mittleren Abschnitts und in einen gebogenen, rückwärts gepfeilten
Vorderkantenabschnitt 17 der Spitze übergeht. Eine gepfeilte,
äußerste Endkante 18 geht in einem gebogenen Übergangsbereich
19 in den Vorderkantenabschnitt 17 der Spitze über, und eine
gebogene, rückwärts gepfeilte Hinterkante 20 geht in die
Hinterkante 15 über und verläuft bis zur Verbindung mit der
gepfeilten Endkante 18 am Punkt 20a, wodurch die Gestalt der
gepfeilten Spitze 12 vervollständigt wird. Der Punkt 20a
definiert im Betrieb die Blattradiusstation 100% (100% R).
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Der Bereich der Spitze 12, der den vorwärts gepfeilten
Vorderkantenbereich 16 umfaßt, der sich innerhalb des Gebiets 21 in
Fig. 1 befindet, ist als Kerbzone derartiger Rotorblätter
bekanntgeworden und wird in der übrigen Beschreibung als solche
bezeichnet.
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Windtunnelerprobungen des Blatts nach Fig. 1 als nicht
rotierende Tragfläche bei einer Reynolds-Zahl von 0,6 x 10&sup6;, die ein
rücklaufendes Blatt darstellen sollten&sub1; haben gezeigt, daß ein
Gebiet mit abgelöster Strömung existiert, welches sich von der
Hinterkante 15 hinter der Kerbzone 21 bei großen
Anstellwinkeln nach vorn ausbreitet. Die Zone mit abgelöster Strömung
erschien erstmalig bei einem Anstellwinkel von etwa 9º in Form
einer kleinen, nierenförmigen Zone an der Hinterkante 15.
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Wenn der Anstellwinkel vergrößert wird, wurde die Zone
abgelöster Strömung ebenfalls größer und mehr dreieckförmig, wobei
sie sich längs der Hinterkante 15 nach innen ausbreitete,
während sich der Scheitelpunkt von der Hinterkante 15 aus längs
der oberen Tragflächenseite des Blatts nach vorn bewegte. Wie
in Fig. 1 mit 24 bezeichnet ist, hat die im ganzen
dreieckförmige Zone abgelöster Strömung bei einem Anstellwinkel von 13º
eine Basislänge von etwa 0,75 C und hat sich um einen
ähnlichen Betrag nach vorn ausgebreitet. Bei einem Anstellwinkel
von 15º erreicht die Zone abgelöster Strömung, wie in Fig. 1
mit 25 bezeichnet ist, bereits die Vorderkante des Blatts 11
in der Kerbzone 21, und ihre Basis hat sich auf eine Länge von
etwa 1,35 C ausgeweitet.
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Der Anstellwinkelbereich, über den solche bedeutenden Gebiete
abgelöster Strömung auftreten, liegt innerhalb eines Bereichs
von Winkeln, wie sie typischerweise vom rücklaufenden Blatt
eines Hubschraubertragrotors erreicht werden, und man hat
überlegt, daß eine Verkleinerung oder Eliminierung der Zone
abgelöster Strömung innerhalb dieses Winkelbereichs eine
nutzbringende Verbesserung der Betriebsleistungen bringen könnte
und einen unerwünschten Anstieg der Flugsteuerbelastungen
hinauszögern könnte.
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Die Folgen des Einsetzens abgelöster Strömung sind in der
graphischen Darstellung nach Fig. 5 erläutert, die den
Widerstandskoeffizienten (CD), den Auftriebskoeffizienten (CL) und
den Blattverstellmomentkoeffizienten (CM) gegenüber dem
Anstellwinkel (Θ) sowie, als ausgezogene Linie, die
Eigenschaften des bekannten Rotorblatts zeigt. Daher zeigt das bekannte
Rotorblatt bei einem Anstellwinkel von etwa 14,5º, wenn sich
die Zone abgelöster Strömung der Vorderkante des Tragflügels
nähert (Fig. 1), einen scharfen Einbruch des Auftriebs und des
Blattverstellmoments sowie einen deutlichen Anstieg des
Widerstands, was jeweils für einen Ablösezustand deutlich
repräsentativ ist.
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Diese unerwünschte Strömungsablösung und ihre mit dem
Anstellwinkel zunehmende Fläche wurde auf große, entgegengerichtete
Druckgradienten genau hinter der Vorderkante des Tragflügels
in der Kerbzone zurückgeführt, und der Erfinder prüfte
verschiedene Anderungen der Geometrie der Kerbzone, um das
Problem zu überwinden.
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Fig. 2 und 3 vergleichen die Geometrie der Kerbzone 21 des
bekannten Rotorblatts (ausgezogen dargestellt) mit der der
Kerbzone 21 eines erfindungsgemäßen Rotorblatts (gestrichelt
dargestellt).
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Der nach vorn verlaufende Vorderkantenabschnitt 16 des
bekannten Rotorblatts beinhaltet einen kurzen mittleren geraden
Abschnitt 16a, der bei dem untersuchten Blatt unter einem Winkel
α von 64,4º zu einer Bezugslinie 26 verläuft, die parallel zur
Blattverstellachse 31 ist. Der Abschnitt 16a geht vermittels
einer innenliegenden Übergangskurve 16b in die Vorderkante 14
über, beginnend bei einer radialen Blattstation 27 von etwa
84% R, und vermittels einer außenliegenden Übergangskurve 16c
in den gepfeilten Vorderkantenabschnitt 17 bei einer radialen
Blattstation 28 von etwa 87% R.
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Der Tragflügelquerschnitt verändert sich von RAE 9645 beim
Punkt 84% R zu RAE 9634 beim Punkt 87% R. Außer einer kleinen,
verbleibenden Verwindung von etwa 0,30, um die Veränderung des
Tragflügelprofils auf einem ansonsten nominal mit 8,32º linear
verwundenen Blatt zu bewerkstelligen, ist keine zusätzliche
Verwindung in der Kerbzone 21 vorhanden, um die
aerodynamischen Eigenschaften der Kerbe einzustellen.
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Das erfindungsgemäße Rotorblatt ist durch eine modifizierte
Kerbanordnung gekennzeichnet, die in der Ausführungsform nach
Fig. 2 und 3 eine vorwärts gepfeilte Vorderkante 16
beinhaltet, die einen mittleren geraden Abschnitt 16d aufweist, der
unter einem Winkel β von 50º zur Bezugslinie 26 verläuft. Der
Abschnitt 16d geht mittels der außenliegenden Übergangskurve
16c ähnlich wie das bekannte Blatt bei einer radialen
Blattstation 28 (87% R) in den gepfeilten Vorderkantenabschnitt 17
der Spitze über. Beim erfindungsgemäßen Blatt wird die
Blattiefe über die Vorderkante 14 hinaus bei der Blattstation 27
(84% R) um einen Betrag von etwa 6% C vergrößert, so daß die
vorwärts gepfeilte Vorderkante 16 einen Vorderkantenabschnitt
14a in der Kerbzone umfaßt, der über die innere Übergangskurve
16e allmählich in den mittleren geraden Abschnitt 16d
übergeht. Innerhalb der Station 27 (84% R) läuft der
Vorderkantenabschnitt 14a der Kerbzone allmählich nach unten und innen zu,
um
sich mit der Blattvorderkante 14 bei einer inneren radialen
Blattstation 29 von etwa 82% R zu vereinigen.
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Die modifizierte Kerbzone 21 dieser Erfindung besitzt eine
zusätzliche Tragflächenwölbung, die hauptsächlich an der
innenliegenden Zone im Vorderkantenbereich 14a in der Kerbzone
konzentriert ist, aber nicht notwendigerweise darauf
beschränkt ist, und die in die Wölbungslinien der
Tragflügelquerschnitte innerhalb und außerhalb der Kerbzone übergeht.
Auf diese Weise beinhaltet die modifizierte Kerbzone 21 eine
Verwindung mit der Nase nach unten, die sich hauptsächlich auf
das bezüglich des Vorderkantenabschnitts 14a der Kerbzone
innenliegende Gebiet konzentriert, wobei die Verwindung verteilt
ist und in die nominale Verwindung des Blatts übergeht. Die
vergrößerte Wölbung oder Verwindung mit der Nase nach unten
gibt der Kerbzone 21 einen abfallenden Nasenverlauf im
Vorderkantenbereich 14a der Kerbzone von etwa 1%, wie in Fig. 3 mit
30 bezeichnet, wobei auch ein vergrößerter Vorderkantenradius
dargestellt ist, der sich auf die bezüglich der Kerbzone
innenliegende Zone konzentriert und in die nominalen
Tragflügelquerschnitte innerhalb und außerhalb dieses Gebiets übergeht.
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Eine Windtunnelerprobung des nicht rotierenden Rotorblatts
nach Fig. 2 und 3 zeigte, daß die neue Kerbengestaltung
äußerst wirksam zum Unterdrücken der Ausbreitung der
Strömungsablösung und zum Verzögern des Ablösens des Rotorblatts
war. Dies ist in Fig. 4 gezeigt, die ein Rotorblatt 11 mit
einer erfindungsgemäßen Kerbzone 21 darstellt und zeigt, daß
die Zonen abgelöster Strömung bei Anstellwinkeln sowohl von
13º (mit 24 bezeichnet) als auch bei 15º (mit 25 bezeichnet)
im Vergleich zu denen des bekannten Rotorblatts nach Fig. 1
signifikant verkleinert sind.
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Diese Vorteile stammen von geschickten Veränderungen des
aerodynamischen Profils in der erfindungsgemäßen Kerbzone 21, die
eine verbesserte Kontrolle der entgegengerichteten
Druckgradienten und somit des Grenzschichtverhaltens in der Kerbzone
21 ermöglichen.
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Das Ergebnis der beträchtlichen Verkleinerung der Fläche
abgelöster Strömung bei großem Anstellwinkel ist in Fig. 5
dargestellt, in der die Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Rotorblatts gestrichelt dargestellt sind. Der Einbruch im
Auftriebsverlauf ist somit oberhalb eines Anstellwinkels für
maximalen Auftrieb beträchtlich verzögert, und die
Auftriebseigenschaften nach Beginn der Ablösung sind stark verbessert.
Der starke Zuwachs des Widerstands wird verzögert, und eine
allmählichere Divergenz der Blattverstellmoment- und
Widerstandseigenschaften ist offensichtlich.
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Die Verzögerung des Anstiegs des Widerstandsverlaufs sorgt für
eine Verminderung der für das erfindungsgemäße Rotorblatt
erforderliche Leistung, und die Verzögerung des Abfalls des
Blattverstellmoments zögert den Anstieg der
Steuerungsbelastung im Vorwärtsflug an den Grenzen der rücklaufenden
Blätter hinaus. Durch das Hinauszögern des Abfalls des Auftriebs
wird auch die Leistungsfähigkeit bei großem Anstellwinkel
verbessert.
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Fig. 6 stellt den Verlauf des Auftriebskoeffizienten (CL)
gegenüber dem Profilwiderstandskoeffizienten (CD) dar, um die
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Blatts bei kleineren
Anstellwinkeln klarer zu erläutern. Die Eigenschaften des
erfindungsgemäßen Blatts sind wie oben gestrichelt dargestellt. Es
sei bemerkt, daß die erfindungsgemäße, modifizierte Kerbzone
21 bei geringen Auftriebskoeffizienten unterhalb etwa 0,75
keine oder nur eine geringe Auswirkung auf den
Profilwiderstand hat. Bei einem mittleren Auftriebskoeffizienten von etwa
0,9 zeigt sich indessen eine nutzbare Verminderung des
Profilwiderstands, wie mit 22 angegeben. Die Darstellung bezieht
sich auf einen Anstellwinkel zwischen 8 und 9º Bei hohem
Auftrieb, beispielsweise bei einem Auftriebskoeffizienten von
1,2, ist die Verminderung des Profilwiderstands auf den in
Fig. 6 mit 23 angegebenen Wert angestiegen und bezieht sich
auf einen Anstellwinkel von etwa 12º.
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Fig. 6 bestätigt, daß das Gebiet mit Strömungsablösung bei
kleineren Anstellwinkeln als die, für die die Daten in Fig. 1
und 4 erhalten wurden, vollständig eliminiert ist.
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Während eine Ausführungsform beschrieben und erläutert wurde,
ist offensichtlich, daß zahlreiche Modifikationen vorgenommen
werden können, ohne den durch die beigefügten Ansprüche
festgelegten Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
kann der Winkel des vorwärts gepfeilten Vorderkantenabschnitts
16d einen anderen Wert als 50º haben, obwohl erwartet wird,
daß er innerhalb des Bereichs von 30 bis 55º und vorzugsweise
innerhalb des Bereichs von 40 bis 50º liegen wird.