JP3258075B2 - ヘリコプター回転羽根 - Google Patents
ヘリコプター回転羽根Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
- B64C27/32—Rotors
- B64C27/46—Blades
- B64C27/463—Blade tips
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Wind Motors (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
関する。
羽根の翼長方向で空力特性が異なる翼型を組み合わせて
使って後退羽根の性能を高めたヘリコプター回転羽根を
開示している。つまり、大きい迎え角をとれる性能を備
えた後部負荷の(機首下げをおこす、あるいは基本縦ゆ
れモーメント係数が負数である)翼型を中心部の反駆動
側域に使って後退羽根の性能を高め、このような翼型の
もたらすマイナス効果がリフレックスキャンパー曲線を
もった(機首上げをおこす、あるいは基本縦ゆれモーメ
ント係数が正数である)翼型を中心部の駆動側域に使う
ことによって相殺されるようになっている。
反駆動側域で見られる後部負荷の大きさ、つまり基本縦
ゆれモーメント係数の負数の大きさは(回転羽根の失速
角についてもいえることだが)、中心部の駆動側域で見
られるリフレックスキャンパーの大きさおよび反駆動側
域の羽根のモーメントに対してバランス機能を果たす駆
動側域の長さ(翼長)によって決まるものである。これ
はまた、回転羽根の回転半径でおよそ70%の測点を越
えて反駆動側域にリフレックスキャンパーがあらわれて
はならないことを決めた性能条件にもある程度支配され
る。
よれば、この従来の羽根における反駆動側域の羽根の負
の基本縦ゆれモーメント係数はおよそ−0.03までに
しかならなかった。
典型的な回転羽根は、英国特許第1538055号に従
って具体化された回転羽根における分散型の翼型として
示されている。この回転羽根は、平行で一定の翼弦長の
中心部を持ち、平面において、先端部が、中心部の反駆
動側域の前縁から前方に突き出てそこから後退角を有し
て半径方向外側に延びる前縁部と、この前縁部からより
大きな後退角で外方に延びる最先端縁部と、中心部の反
駆動側域の後縁から最先端部まで後退角を有して延びる
後縁部とを有し、そして中心部より先端部の方が翼弦長
が大きくなっていることを特徴としている。欧州特許第
0037633号のこの分散型の翼型の先端部は中心部
の駆動側域及び反駆動側域に付け加えられており、この
回転羽根はその回転ヘッドの運転許容性を大幅に増大さ
せた。また、これは1986年にウエストランド リン
クス(Westland Lynx)ヘリコプターによってなされ
た、249.10mph(400.81km/hr)なる世界最
高速度記録設立の大きな要因となった。
ようなヘリコプターの回転羽根の性能特性をさらに発展
させることである。
よれば、回転ヘッド装着用の付け根、前縁と後縁の間の
翼弦長が一定の中心部、および中心部の端部に設けられ
た先端部とからなるヘリコプターの回転羽根であって、
操作中に、前記回転ヘッドが垂直な軸の回りを回転し、
この垂直な軸と先端部との距離が回転の際の回転半径を
決定し、先端部の翼弦長が中心部の翼弦長より大きく、
中心部の先端部寄りの反駆動側域は絶対値が0.02よ
り小さくない負数の基本縦揺れモーメント係数を持ち、
中心部の付け根寄りの駆動側域は反駆動側域の基本縦揺
れモーメント係数よりプラス側の値である基本縦揺れモ
ーメント係数を持っているヘリコプターの回転羽根にお
いて、先端部が正数の基本縦揺れモーメント係数を持っ
ていることを特徴とする回転羽根が提供される。
数の基本縦揺れモーメント係数であるのがよい。この場
合、先端部の基本縦揺れモーメント係数の絶対値は、駆
動側域の基本縦揺れモーメント係数の、0.5から1.
0倍であるのが好ましい。反駆動側域の負数の基本縦揺
れモーメント係数がおおよそ−0.09であるのがよ
い。
ら0.03までの正数の基本縦揺れモーメント係数を持
ち、前記駆動側域がおおよそ+0.03の正数の基本縦
揺れモーメント係数を持ち、そして反駆動側域がおおよ
そ−0.09の負数の基本縦揺れモーメント係数をもっ
ているとよい。
中心をなす垂直な軸と先端部間の距離である回転半径の
おおよそ0.65Rの測点まで延びており、反駆動側域
はおおよそ0.65Rと0.86Rの測点間に延びてお
り、先端部は0.86Rと0.95Rの測点間に伸びてい
るとよい。
に装着用の付け根、前縁と後縁との間の翼弦長が一定の
中心部および中心部の端部に設けられた先端部とからな
るヘリコプターの回転羽根であって、操作中に、前記回
転ヘッドに装着された回転羽根の前縁を先行させて垂直
な軸の回りを回転し、この垂直な軸と先端部との距離が
回転の際の回転半径を決定し、先端部が、中心部の先端
部寄りの反駆動側域の前縁から前方に突き出た第1前縁
部とそこから後退角を有して半径方向外側に延びる第2
前縁部、この第2前縁部からより大きな後退角でさらに
外方に延びる最先端部、および中心部の反駆動側域の後
縁から最先端部まで後退角を有して外方に延びる後縁部
とを有し、中心部の先端部寄りの反駆動側域は絶対値が
0.02より小さくない負数の基本縦揺れモーメント係
数を持ち、中心部の付け根寄りの駆動側域は反駆動側域
の基本縦揺れモーメント係数よりプラス側の値である基
本縦揺れモーメント係数を持っているヘリコプターの回
転羽根において、先端部が正数の基本縦揺れモーメント
係数を持っていることを特徴とする回転羽根が提供され
る。
ながら説明していくこととする。図1から明らかなよう
に、ヘリコプターの回転羽根は、付け根12、中心部1
3、先端部14を備えている。付け根12は運転中に回
転ヘッド(図示せず)装着用に使われ、一般的に垂直な
軸15を中心とした回転が行われる。中心部13は一定
の翼弦長Cを持ち、半径上の測点e1までの駆動側域16
と半径上の測点e2 までの反駆動側域17からなる。
号に開示された翼型の通り構成され、中心部13の反駆
動側域17の前縁から前方に突き出た第1前縁部18と
そこから後退角を有して半径方向外側に延びる第2前縁
部19と、この第2前縁部19からより大きな後退角で
さらに外方に延びる最先端縁部20と、中心部13の反
駆動側域17の後縁から最先端部14まで後退角を有し
て外方に延びる後縁部21とを有し、中心部13の翼弦
長Cより大きな翼弦長CTを有している。回転羽根は、欧
州特許第0037633号の開示の通り構成され、中心
部13はヘリコプターの縦ゆれモーメント(Cm )の大
きい翼型から成っている。但し、この縦揺れモーメント
は一般的な翼型でいえば通常のレベルである。典型的な
ものとしては−0.03という負の基本縦ゆれモーメン
ト係数(Cmo2)を持つ翼型を中心部13の先端部寄りの
反駆動側域17に形成し、これは+0.03という基本
縦ゆれモーメント係数(Cmo1)を持つ付け根寄りの駆動
側域16の翼型によってバランスが保たれるため、羽根
の付け根12ではターゲットモーメントがゼロとなる。
このように、従来の回転羽根においては、Cmo2/Cmo1比
は−1となる。
径上の測点e3間の先端部14は、伝統的に基本縦ゆれ
モーメント係数(Cmo)がおおよそゼロとなるような翼
型14となり、このような回転羽根を利用し高い効果を
得、前述の世界速度記録の設立にも必須の貢献をなし
た。
成される性能をさらに高めるために思考を重ね、特にプ
ランフォーム上で後退モードとすることで、大きな迎え
角においてもすぐれた性能をもたせる意向で、先端部1
4の構造的特徴を検討した。前縁の前方への突き出しと
関連して翼弦長(CT)が増大するので、局所誘導流れ効
果のために部分的に翼の取付け角が顕著に減少してい
る。また、英国特許第1538055号に述べられたよ
うに、気流の剥離が起きても先端部14が後退羽根の失
速プロセスに巻き込まれないように、プランフォームは
確実に気流を安定し組織化されたものにするようになっ
ている。つまり迎え角を大きくしたときの気流の剥離現
象を支配するのは翼型形状ではなくプランフォームであ
る。そこで、後退羽根の性能を損なうことなく前進羽根
で高いマッハ数のすぐれた性能を達成するために、先端
部14では翼弦長に対する翼厚の比率が小さい。
見ると、先端部14のプランフォーム上で達成される大
きい迎え角のもつ特性と後部負荷の翼型すなわち基本縦
ゆれモーメント係数が負数であるような翼型の高い性能
とは互いに矛盾しないものであることを見いだした。さ
らに本発明者は、もしプランフォーム上の工夫により、
リフレックスキャンパーの翼型(すなわち基本縦ゆれモ
ーメント係数が正数である翼型)で通常生ずる迎え角が
大きいときの性能上のロスを補填できれば、先端部14
における機首上げモーメントをゆるやかにするために、
リフレックスキャンパーの翼型の導入も可能であると考
えた。
ト係数(Cmo1)が正数である翼型に、同型の翼型を先端
部14にさらに付け加えることで、反駆動側域17での
負数の基本縦ゆれモーメント係数(Cmo2)を大幅に増加
させることができ、羽根の反駆動側域における許容最大
迎え角をさらに大きくすることができる。先端部14の
翼弦長(CT)が中心部13の翼弦長(C)より大きくダ
イナミックヘッドがきわめて高いので、リフレックスキ
ャンパー(正数の基本縦ゆれモーメント係数)が適度に
ありさえすれば反駆動側域17との境界上での負数の基
本縦ゆれモーメント係数(Cmo2)の実質的な増加は相殺
される。
示されたモーメントバランス方式と組み合わせて、正数
の基本縦ゆれモーメント係数をもつ翼型を先端部14に
使用することにより、より高いモーメントに耐えられる
ならば、回転羽根の中心部13の反駆動側域17の境界
上で大幅な性能の向上が達成される。この境界部分は後
退羽根の失速の全面的な始まりを決定するところであ
る。
示す)に示されたように、許容モーメントレベルは単純
な空力モーメントのバランスモデルから得られる。欧州
特許第0037633によれば、反駆動側域17におけ
る先端部14の駆動側との境界上の負数のつまり機首下
げをおこす基本縦ゆれモーメント係数(Cmo2)のモーメ
ントバランスは、正数のつまり機首上げをおこす基本縦
ゆれモーメント係数(Cmo1)をもつリフレックスキャン
パーの翼型を駆動側域16に設けたことで、保たれる。
つまり機首上げをおこす基本縦ゆれモーメント係数(Cm
o1)をもつ駆動側域16、負数のつまり機首下げをおこ
す基本縦ゆれモーメント係数(Cmo2)をもつ反駆動側域
17、および正数のつまり機首上げをおこす基本縦ゆれ
モーメント係数(CmoT)をもつ先端部14から構成され
ているのが好ましい。
記のように定義される。 Ψ−アジマス角 μ−進行率 V/ΩR V−前進速度 Ω−回転体回転速度 R−羽根半径 r−半径長(変数) ρ−空気密度 Ω−回転体先端速度 x−r/R 無次元半径 e−羽根の半径上の測点(無次元) α−迎え角 M∞−自由流れのマッハ数 M−空力モーメント γ−先端部の後退角 C−羽根の翼弦長 CT−先端部の翼弦長 CL−揚力係数 CLMAX−最大揚力係数 Cm−縦揺れモーメント係数(正数、機首上げ) Cmo−基本縦揺れモーメント係数(正数、機首上げ) CmRES−残存縦揺れモーメント係数(正数、機首上げ)
されているように、回転羽根の翼型の縦揺れモーメント
は次式で表される。
数(1−M2 ∞)1/2で補正される低マッハ数における基
本縦揺れモーメント係数であり、ΔCmRES(M∞)とΔCm
(α)は、迎え角とマッハ数のみで決まる増分である。
欧州特許第0037633号によれば、設計上で制御で
きる項は基本縦ゆれモーメント係数(Cmo )でそれ以外
の項は基本的原理を説明するときには代数的に簡素化で
き、以下の例からは無視している。
根にそって積分された局所ダイナミックヘッドをCmo倍
したものである。
並べかえると、次のような式ができる。
は、バランスを保ってワンス・パー・レボリュウション
項(sin Ψ)についてほぼ縦ゆれモーメントゼロの羽根
にしているが、付け根から先端にいたるまでは均一のプ
ランフォームをもつ回転羽根と低モーメントの翼型でよ
り全般的な比較を行う。そこで本発明による新しい分散
型の翼型の回転羽根ではモーメントは従来データのもの
より大きくならないように調整できる。
ピッチと同様に回転羽根をねじるということで、ワンス
・パー・レボリュウション項(sin Ψ)である。式4
で、Cmoを参照基本縦揺れモーメント係数CmoRと等しく
またe1=1であるという仮定をすると、参照ワンス・パ
ー・レボリュウションモーメント式が誘導される。式を
整理すると、
参照モーメントに対するモーメントの成分の比率は常に
一定で前進速度(μ進行率)とは無関係であることに留
意すべきである。モーメント(M)の大きさは、羽根の
構造的比率によって決まる。特に、e1、e2、e3 とCT/C
そして縦揺れモーメント係数Cmo1、Cmo2とCmoTである。
CT/C =1.4、e2 =0.86、e3=0.95Rおよびγ=
25°であり、後退羽根失速性の向上のためにe1は0.
65Rを越えて反駆動側にでてはならないことが知られ
ている。参照縦ゆれモーメント係数をCmoR=−0.01
5とし、駆動側域の基本縦揺れモーメント係数を実際と
同じにすると、つまりCmo1=+0.03とすると、Cmo1/
CmoR =−2となる。
mo1 の任意の値に対してCmo2/Cmo1の最大値と、e1はで
きるかぎり駆動側から離れた点を示すことが好ましい
(必須ではない)と同時に前述したようにこのe1は0.
65Rを越えて反駆動側にでてはならずこれらを満たし
たe1を算出することである。
係数に関して2種類の仮定がなされた。すなわち先端部
14の翼型は駆動側域と同じ機首上げ基本縦ゆれモーメ
ント係数を持つ(CmoT/Cmo1 =1、つまりCmoT=+0.
03)あるいは、もし先端部翼型の失速特性が先端部1
4の大きい迎え角の特性に付け加わるならば、駆動側域
の係数の半分となる(CmoT/Cmo1 =0.5、つまりCmoT
=+0.015)というものである。これらの仮定は設
計上極めて穏当なものである。
径の測点r/R1をワンス・パー・リボリュウションモーメ
ント項M/MREF(sin Ψ)に対してプロットしたもので、
それぞれの率に対してCmoT/Cmo1=1のときは実線でCmo
T/Cmo1 =0.5のときは破線で示している。e1の位置
の好ましい範囲は22で示され、先端部14の位置は2
3で示されている。矢印24はCmo2 がどのように変化
するのが望ましいかを示したものである。
されている。 これより、CmoT/Cmo1 =1のときは、e1=0.61 お
よび CmoT/Cmo1 =0.5のときは、e1=0.63 Cmo2/Cmo1 の最大値は従来の羽根では−1であるがこの
場合は共に−3となっている。言い換えれば、本発明に
よれば回転羽根の反駆動側域17の境界付近で用いられ
ている翼型の基本的機首下げつまり負数の基本縦揺れモ
ーメント係数Cmo2は、従来の回転羽根の反駆動側域で用
いられている翼型のおおよそ3倍にまでなる。これは従
来の回転羽根の駆動側域16で用いられている翼型に付
け加えて適切な機首下げ基本縦揺れモーメント係数をも
つ先端部14を組み合わせることで達成できる。
値について、羽根の反駆動側域17の基本縦揺れモーメ
ント係数(Cmo2)を揚力係数(CL)に対して図4にプロ
ットし、モーメントの制約が緩和されたときの有効揚力
係数値(CL1)の効果を示している。CL1は、本発明の羽
根を備えた回転体において、任意の前進速度で後退羽根
の失速が始まった時点での推進能力に正比例する。26
は、従来の回転羽根の反駆動側域で用いられていた、負
数の基本縦揺れモーメント係数が−0.03の翼型の場
合である。27は、本発明のもので負数の基本縦揺れモ
ーメント係数が−0.09の翼型の場合である。
03から−0.09まで増加すると、この発明のモーメ
ントバランス方式を取り入れた回転羽根において、図4
の28で示されたように、後退羽根の失速で限定される
飛行許容範囲が従来の羽根に比べ20パーセント増加す
るという利点をもたらすことがわかる。
常とテュワイス・パー・レボリュウションモーメント項
(2cos Ψ)それぞれの図3で確立された2種の設計解
に対する結論は図5に示されている。ここでもやはりCm
oT/Cmo1 =1のときは実線でCmoT/Cmo1 =0.5のとき
は破線で示されいる。図3と同様に定常とテュワイス・
パー・レボリュウションのモーメント比をとっていく
と、これら2つのモーメントは参照用のモーメントと比
較できる。図5のAによると機首下げひねり定常モーメ
ントは参照用の低モーメントの羽根より大きく(M/MREF
定常>1)速度の増加につれ減少していく。こういう
状況は操作上なんら問題なく、ホーバ飛行にもどちらか
といえば有利となろう。図5のBにも示したようにテュ
ワイス・パー・レボリュウションのモーメントは、参照
用の低モーメントの回転羽根と比較して小さく(M/MREF
2Ψ=−0.2)、従ってやはり操作上なんら問題な
い。
は、英国特許第1538055号の回転羽根の様に、大
きい迎え角の特性を良好に示すプランフォームの先端部
14を備えたいかなる回転羽根にも適用できる。
ように、駆動側域のリフレックスキャンバーのつまり機
首上げ基本縦揺れモーメント係数の翼型に、さらに同型
の翼型を先端部に付け加えるという本発明の回転羽根に
よれば、通常、ヘリコプターの回転羽根の後退羽根失速
の始まりが定まる、駆動側域とその先端部側に近接した
反駆動側域との境界部分においてより大きな縦ゆれモー
メントに耐えることが可能になる。そのため、回転羽根
の後退羽根失速性が改善され、後退羽根失速許容範囲に
およそ20パーセントの増加をもたらすことができた。
つまりこの羽根が装着されたヘリコプターの性能は大幅
に進歩した。
ルを算出するためのモーメントバランスモデルの概略図
である。
対してプロットしたグラフである。
性を比較したグラフである。
増加分 e 測点 CT 翼弦長 Cmo モーメント係数 CL 揚力係数 M モーメント
Claims (7)
- 【請求項1】 回転ヘッド装着用の付け根(12)、翼
弦長が一定の中心部(13)およびこの中心部の端部に
設けられた先端部(14)とからなるヘリコプターの回
転羽根であって、操作中に、前記回転ヘッドが垂直な軸
(15)の回りを回転し、この垂直な軸(15)と先端
部(14)との距離が回転の際の回転半径を決定し、先
端部(14)の翼弦長が中心部(13)の翼弦長より大
きく、中心部(13)の先端部(14)寄りの反駆動側
域(17)は絶対値が0.02より小さくない負数の基
本縦揺れモーメント係数を持ち、中心部(13)の付け
根(12)寄りの駆動側域(16)は反駆動側域(1
7)の基本縦揺れモーメント係数よりプラス側の値であ
る基本縦揺れモーメント係数を持っているヘリコプター
の回転羽根(11)において、前記先端部(14)が正
数の基本縦揺れモーメント係数を持っていることを特徴
とする回転羽根。 - 【請求項2】 上記中心部(13)の駆動側域(16)
の基本縦揺れモーメント係数が、正数の基本縦揺れモー
メント係数であることを特徴とする請求項1記載の回転
羽根。 - 【請求項3】 上記先端部(14)の基本縦揺れモーメ
ント係数の絶対値が、中心部(13)の駆動側域(1
6)の基本縦揺れモーメント係数の0.5から1.0倍
であることを特徴とする請求項2記載の回転羽根。 - 【請求項4】 上記中心部(13)の反駆動側域(1
7)の負数の基本縦揺れモーメント係数が、おおよそ−
0.09であることを特徴とする請求項1から3のいず
れか1項に記載の回転羽根。 - 【請求項5】 上記先端部(14)が+0.015から
0.03までの正数の基本縦揺れモーメント係数を持
ち、中心部(13)の駆動側域(16)がおおよそ+
0.03の正数の基本縦揺れモーメント係数を持ち、そ
して反駆動側域(17)がおおよそ−0.09の負数の
基本縦揺れモーメント係数を持っていることを特徴とす
る請求項1から4のいずれか1項に記載の回転羽根。 - 【請求項6】 上記中心部(13)の駆動側域(16)
は、上記回転半径のおおよそ0.65Rの測点まで延び
ており、反駆動側域(17)はおおよそ0.65Rと
0.86Rの測点間に延びており、先端部(14)は
0.86Rと0.95Rの測点間に延びていることを特徴
とする請求項1から5のいずれか1項に記載の回転羽
根。 - 【請求項7】 回転ヘッド装着用の付け根(12)、前
縁と後縁との間の翼弦長が一定の中心部(13)および
この中心部(13)の端部に設けられた先端部(14)
とからなるヘリコプターの回転羽根であって、操作中
に、前記回転ヘッドに装着された回転羽根の前縁を先行
させて垂直な軸(15)の回りを回転し、この垂直な軸
(15)と先端部(14)との距離が回転の際の回転半
径を決定し、前記先端部(14)が、中心部(13)の
先端部寄りの反駆動側域(17)の前縁から前方に突き
出た第1前縁部(18)およびそこから後退角を有して
半径方向外側に延びる第2前縁部(19)と、この第2
前縁部(19)からより大きな後退角でさらに外方に延
びる最先端部(20)と、そして中心部(13)の反駆
動側域(17)の後縁から最先端部(20)まで後退角
を有して外方に延びる後縁部(21)とを有し、中心部
(13)の先端部(14)寄りの反駆動側域(17)は
絶対値が0.02より小さくない負数の基本縦揺れモー
メント係数を持ち、中心部(13)の付け根(12)寄
りの駆動側域(16)は反駆動側域(17)の基本縦揺
れモーメント係数よりプラス側の値である基本縦揺れモ
ーメント係数を持っているヘリコプターの回転羽根にお
いて、前記先端部(14)が正数の基本縦揺れモーメン
ト係数を持っていることを特徴とする回転羽根。
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