Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Beginnend mit Unfällen frühester Hubschrauberentwürfe wird die Problematik der Rotordynamik erkennbar. Den Grundlagen eines allgemeinen Masse-Feder-Dämpfer-Systems folgt die Behandlung der isolierten Schlag-Schwenk- und Torsionsbewegung. Die mathematischen Methoden der Behandlung von Problemen der Rotordynamik werden erläutert. Die für dynamische Probleme notwendigen Grundlagen instationärer Aerodynamik und mit ihnen die verschiedenen dynamischen Probleme der gekoppelten Bewegungsformen werden analysiert sowie die Möglichkeiten der Einflussnahme erörtert. Als Besonderheit wird ausgiebig auf die verschiedenen Möglichkeiten aktiver Rotorsteuerung eingegangen und ihre Möglichkeiten, Vibrationen, Lärm und Antriebsleistung vorteilhaft zu beeinflussen. Die Anforderungen an Modelle im Windkanalversuch werden dargestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Um die Hubschrauberdynamik zu beeinflussen, muss man das dynamische Verhalten des Hubschraubers und insbesondere des Rotors verstehen sowie die dynamischen Erregerkräfte kennen. Gründe für dynamische Anregungen an den Rotorblättern sind das Umlaufen derselben, das unsymmetrisches Strömungsfeld mit periodischen aerodynamischen Erregerkräften, Wechselwirkung mit anderen Komponenten, Strömungsabriss und Kompressibilität, sowie elastische, schwingungsfähige Rotorblätter. Grundlegende Literatur – vorwiegend in englischer Sprache – wird aufgeführt. Beispiele für Unfälle früher Hubschrauber und Autogyros, die auf dynamische Probleme – oft spezifisch für Drehflügler – werden beschrieben. Die Grundlagen der Schwingungsbewegung eines linearen Feder-Dämpfer-Masse Systems wird als Basis der Rotordynamik behandelt und die Definition der oft verwendeten, aber selten definierten „kleinen Auslenkungen“ für die Linearisierung von nichtlinearen Gleichungen wird gegeben.
Berend Gerdes van der Wall

2. Dynamik der Schlagbewegung

Die Schlagbewegung ist die Bewegung des Rotorblattes, die senkrecht zur Drehebene stattfindet. Sie wird zuerst für ein starres Rotorblatt ohne und mit Schlaggelenksabstand zum Rotorkopf behandelt. Es folgt die Schlagbewegung des einseitig fest eingespannten homogenen Biegebalkens ohne Rotation, die Dynamik des rotierenden Balkens und die Lösungsmethoden nach Galerkin, Rayleigh-Ritz und mit Hilfe der Finite Element Methode. Die Bedeutung der Eigenformen und Eigenfrequenzen wird diskutiert. Anschließend erfolgt die Lösung des dynamischen Antwortproblems des starren, gelenkig angeschlossenen und des fest eingespannten, elastischen Rotorblattes, Anwendung der Eigenformgleichungen. Lösungsmethoden mittels einer Fourierreihe und der numerischen Integration werden dargelegt. Die Ermittlung der Biegemomente und der Spannungen im Blattquerschnitt bildet den Abschluss. Mit Übungsaufgaben.
Berend Gerdes van der Wall

3. Lösungsmethoden der Differentialgleichung

Die Differentialgleichungen der Blattfreiheitsgrade Schlagen, Schwenken und Torsion des starren Rotorblattes mit Gelenk (bei der Torsion mit einer Feder an der Einspannung) sind in der Regel lineare Differentialgleichungen zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten. Im Vorwärtsflug wirken jedoch nichtlineare periodische Luftkräfte an den Rotorblättern, so dass die Behandlung des dynamischen Antwortproblems komplizierter wird. Es werden die Methoden zur Ermittlung der Eigenwerte der Rotorblatt- und der Rotorbewegung bei stehendem und drehendem Rotor mit Hilfe der Fourier-Koordinaten-Transformation (auch Mehrblattkoordinaten genannt) aufgezeigt. Es folgt die Diskussion der Eigenwerte hoher und niedriger Frequenz. Die Methoden der Analyse von Differentialgleichungssystemen hinsichtlich der Stabilität und des dynamischen Antwortverhaltens werden für Systeme mit konstanten und mit periodischen Koeffizienten in den Systemmatrizen erläutert: Zeitmittelung der periodischen Koeffizienten, das Floquet-Verfahren, sowie die numerische Integration und die Finite Element Methode in der Zeit. Übungsaufgaben.
Berend Gerdes van der Wall

4. Gekoppelte Schlag-, Schwenk- und Torsionsbewegung

Das Ziel dieses Kapitels ist, die Bewegungsdifferentialgleichungen eines simultan schlagenden, schwenkenden und Torsionsbewegungen ausführenden Rotorblattes zu verstehen. Daher wird zunächst die Schwenkbewegung des starren Rotorblattes ohne und mit Schwenkgelenksabstand zum Rotorkopf behandelt, danach die Schwenkbewegung des einseitig fest eingespannten homogenen Biegebalkens ohne und mit Rotation. Ein wichtiges Ergebnis ist die Berechnung der Eigenformen und Eigenfrequenzen. Es folgt die Torsionsbewegung des starren Rotorblattes mit Federeinspannung am Rotorkopf sowie die Torsionsbewegung des einseitig fest eingespannten homogenen Balkens ohne und mit Rotation mit dem Ziel der Berechnung der Eigenformen und Eigenfrequenzen. Anschließend erfolgt die Kombination der Schlag- und Schwenkbewegung und Darlegung der Bedeutung der gegenseitigen Wechselwirkungen für gelenkig gelagerte starre und starr angebundene elastische Rotorblätter. Gleiches für die Kombination der Schlag- und Torsionsbewegung. Kinematische Koppeleffekte wie Schlag-Torsions- und Schwenk-Torsionskopplung werden diskutiert. Die gekoppelte Schlag-, Schwenk- und Torsionsbewegung des starren und des elastischen Rotorblattes bildet den Abschluss mit den Reaktionskräften und –momenten am Rotorkopf im nicht drehenden System. Übungsaufgaben.
Berend Gerdes van der Wall

5. Instationäre Aerodynamik

In der Rotordynamik spielen neben Massenkräften und elastischen Kräften im Allgemeinen auch die Luftkräfte eine wichtige Rolle. Da es sich bei dynamischen Prozessen, insbesondere beim Rotor, um Schwingungen in einer großen Bandbreite von Frequenzen handelt – vor allem im Vorwärtsflug – sind folglich auch die dynamischen, also instationären, Luftkräfte von Bedeutung. Dazu werden die Grundgleichungen der Fluidmechanik, die Profiltheorie und die Traglinientheorie von Prandtl skizziert. Die stationäre Aerodynamik des Profils, der Einfluss der instationären Profilbewegung, die Lösung für die harmonische Profilbewegung sowie die quasistationäre Näherung sind Elemente des Kapitels. Im Rahmen der instationären Strömung wird das Böenproblem anhand der periodischen Vertikalböe behandelt und Näherungslösungen gegeben. Spezielle Probleme des Rotors wie wiederkehrender Nachlaufund periodische Änderung der Anströmgeschwindigkeit werden behandelt, aber auch globale dynamische Durchflussmodelle des Gesamtrotors. Übungsaufgaben.
Berend Gerdes van der Wall

6. Aeroelastische Stabilität im Schwebe- und Vorwärtsflug

Der Begriff der aeroelastischen Stabilität umschreibt alle statischen und dynamischen Instabilitäten, die in einem Freiheitsgrad wie Schlagen, Schwenken oder Torsion alleine, meistens aber durch Kopplung zweier davon oder aller drei zusammen, auftreten können. Zunächst erfolgt die Differenzierung zwischen dem dynamischen Antwortproblem einerseits und dem Flattern als aeroelastische Instabilität andererseits. Es folgt die Behandlung des Schlag-Schwenk-Flatterns im Schwebeflug und dessen Stabilitätsanalyse. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Stabilität wird diskutiert. Das Schlag-Torsions-Flattern im Schwebeflug mit der Torsionsdivergenz als statisches Problem wird anschließend analysiert und die Besonderheiten des Zweiblattrotors aufgezeigt. Ferner wird das Schlag-Schwenk-Torsionsflattern im Schwebeflug behandelt und die Grundlagen der Flatteranalyse im Vorwärtsflug aufgezeigt. Übungsaufgaben.
Berend Gerdes van der Wall

7. Boden- und Luftresonanz im Schwebeflug

Mit Bodenresonanz wird eine dynamische Instabilität bezeichnet, die aus der Kopplung der regressiven Schwenkbewegung des Rotorblattes mit der translatorischen Rotorkopfbewegung in der Drehebene entsteht. Sie tritt meist auf, wenn der Hubschrauber auf dem Boden steht und der Rotor vom Stillstand auf Betriebsdrehzahl gebracht wird; kann aber auch nach der Landung beim Herunterfahren der Drehzahl in Erscheinung treten. Die Beschreibung der Bodenresonanz als selbsterregte mechanische Instabilität bildet den Einstieg in die Materie. Ausgehend von der Schwenkbewegung des nicht drehenden Rotorblattes erfolgt die Aufstellung der Bodenresonanzgleichungen für Rotoren mit drei oder mehr Blättern als gekoppelte Bewegung der Hubschrauberzelle und der Rotorblätter. Die Eigenwerte der Gleichungen werden ermittelt und diskutiert. Eine Besonderheit stellt die Bodenresonanz des Zweiblattrotors dar. Am Ende erfolgt die Aufstellung der Luftresonanzgleichungen mit Einführung der Luftkräfte sowie der zusätzlich beteiligten Freiheitsgrade der Schlagbewegung. Übungsaufgabe.
Berend Gerdes van der Wall

8. Mechanismen zur Vibrations- und Lärmreduzierung

Die Vibrationen eines Hubschraubers sind ein Hauptproblem, aber auch die Lärmerzeugung – vor allem im Landeanflug – und sein im Vergleich zum Flugzeug hoher Leistungsbedarf sind Anlass genug, sich über die Reduktion dieser drei Gedanken zu machen. Da der Rotor selbst eine wesentliche Quelle dieser Probleme ist, liegt es nahe, die Steuerung der Rotorblätter zu verwenden, um diese Reduktion zu bewerkstelligen. Dazu muss man zunächst die Ursachen von Vibrationen und Lärm verstehen. Die Isolation und Absorption von Vibrationen sowie aktive Vibrationsunterdrückungssysteme werden beschrieben und ausgeführte Beispiele gezeigt. Die Technik der aktiven Rotorsteuerung wird anhand der höherharmonische Steuerung, der Einzelblattsteuerung, der lokalen Blattsteuerung und der aktiven Verwindung beschrieben. Mögliche zukünftige Systeme werden dargelegt: die taumelscheibenlose Primär- und aktive Steuerung an der Blattwurzel im drehenden System und Mehrfachtaumelscheibensysteme zur Primär- und Einzelblattsteuerung in der Hubschrauberzelle. Beispiele aktiver Rotorsteuerung zur Reduktion von Vibrationen und Lärm werden ausgiebig diskutiert und die Anforderung an die numerische Simulation aktiver Rotorsteuerung dargelegt.
Berend Gerdes van der Wall

9. Weitere Themenbereiche der Rotordynamik

Die Entwicklung von Drehflügelflugzeugen ist ein außerordentlich komplexes Gebiet und aufgrund der Vielzahl von vor allem dynamischen Problemen und Wechselwirkungen numerisch nicht in allen Details simulierbar. Daher zeigt oft erst die Flugerprobung mit Prototypen die noch vorhandenen Probleme auf; dann allerdings sind Änderungen am Design sehr zeitaufwändig und kostspielig. Daher kommt hier der Modellversuchstechnik eine besondere Rolle zu, welche die Statik, die Dynamik und die Aerodynamik des Originals richtig abbildet, womit viele der Probleme bereits im Entwurfsstadium zu erkennen und zu beheben sind. Allerdings erfordert dies die Konstruktion von sinnvoll skalierten Modellen. Verschiedene Möglichkeiten der Skalierung werden dargelegt und die Anforderungen an die Instrumentierung der Modelle und die Messtechnik dargelegt, außerdem die Durchführung der Windkanalversuche beschrieben. Heutige Rotoren werden aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt, welche verschiedene Materialien miteinander verbinden. Dies eröffnet aufgrund der damit ermöglichten Inhomogenitäten der Materialeigenschaften neue Wege, gezielt die aeroelastische Optimierung von Rotoren im Hinblick auf Kopplungen, aeroelastische Stabilität, aber auch hinsichtlich Vibrationsreduktion zu betreiben. Damit entworfene neue Rotorblattgeometrien können wiederum gefahrlos als skaliertes Modell im Windkanal erprobt werden. Ein kurzer Abriss dieser Thematik, sowie eine Betrachtung der Besonderheiten von zirkulationsgesteuerten Rotoren, bildet den Abschluss dieses Kapitels.
Berend Gerdes van der Wall

Backmatter

Weitere Informationen

Premium Partner

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Zur B2B-Firmensuche

Whitepaper

- ANZEIGE -

Und alles läuft glatt: der variable Federtilger von BorgWarner

Der variable Federtilger von BorgWarner (VSA Variable Spring Absorber) ist in der Lage, Drehschwingungen unterschiedlicher Pegel im laufenden Betrieb effizient zu absorbieren. Dadurch ermöglicht das innovative System extremes „Downspeeding“ und Zylinderabschaltung ebenso wie „Downsizing“ in einem bislang unerreichten Maß. Während es Fahrkomfort und Kraftstoffeffizienz steigert, reduziert es gleichzeitig die Emissionen, indem der VSA unabhängig von der Anzahl der Zylinder und der Motordrehzahl immer exakt den erforderlichen Absorptionsgrad sicherstellt.
Jetzt gratis downloaden!

Sonderveröffentlichung

- ANZEIGE -

AVL analysiert im Serien Batterie Benchmark Programm als neueste Fahrzeuge den Jaguar I-Pace und den Hyundai Kona

Das AVL Battery Benchmarking Programm analysiert auf Basis unterschiedlicher Faktoren die Wettbewerbsfähigkeit von Großserienbatterien. Kürzlich wurden die Tests des Tesla Model S abgeschlossen. Neu auf dem Prüfstand sind der Jaguar I-Pace, sowie der Hyundai Kona.
Mehr dazu erfahren Sie hier!

Bildnachweise