DE69018250T2 - Rotorblatt. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion von Rotorblättern für eine Verwendung bei Hubschraubern und VSTOL- Fahrzeugen und insbesondere auf eine Blattkonstruktion, die für Falt-Rotorblattsysteme geeignet sind.
Hintergrund der Erfindung
• Rotorblätter für Hubschrauber sind allgemein bekannt. Rotorblätter werden auch bei Flugzeugen für Senkrecht- oder Kurzstrecken-Starten und -Landen (VSTOL) verwendet. Insbesondere werden Rotorblätter bei VSTOL-Flugzeugen verwendet, bei welchen sich das Rotorblatt bezogen auf das Flugzeug derart dreht, daß es für einen vertikalen Auftrieb sorgen kann oder gedreht wird, um einen horizontalen Schub zu liefern. Typischerweise sind Rotorblätter lang und erstrecken sich über den Rumpf des Flugzeugs hinaus. Es ist folglich vorteilhaft, wenn man in der Lage ist, für ein Blatt zu sorgen, welches während der Verladung oder Lagerung gefaltet werden kann, so daß das Blatt weniger Raum einnimmt, ohne, daß die Notwendigkeit besteht, das Blatt oder die Blätter von dem Flugzeug zu entfernen. Desgleichen haben in letzter Zeit Faserverbundstoffblätter eine weitverbreitete Anwendung erfahren und haben viele Vorteile gegenüber Metall-Rotorblättern. Jedoch weisen Verbundblätter eindeutige Probleme bei Herstellung und Gestaltung auf, um ein Blatt herzustellen, welches bei einem Faltblattsystem genutzt werden kann.
• Die Verwendung von Verbundwerkstoffen bei Rotorblättern ist deshalb attraktiv, weil sie eindeutige Eigenschaften haben und die Struktur von Verbundwerkstoffen und auch der aus den Verbundstoffen hergestellten Laminate maßgeschneidert werden können, um spezielle Leistungsanforderungen zu erfüllen. Verbundwerkstoffe basieren auf der gesteuerten Verteilung von Verstärkungsmaterial, welches aus einem oder mehreren Werkstoffen bestehen kann, in einer kontinuierlichen Phase aus Einbettungsmaterial. Die Verbundplatte wird dadurch gebildet, daß das Verstärkungsmaterial in einer gewünschten Orientierung angeordnet und die Verstärkung mit dem Einbettungssystem abgedeckt wird.
• Diese wird dann typischerweise gewalzt oder in anderer Weise behandelt, um die Verstärkung gleichmäßig auszubreiten und eine einheitliche Dicke für eine Platte zu erzeugen. Dies schafft ein durchtränktes System, welches speziell ausgehärtet wird, um die Geometrie der Platte zu fixieren, während genug Formentspannung (Reck) und Haftvermögen (Haftfestigkeit) ermöglicht wird, damit komplizierte Formen aus den auf diese Weise gebildeten Platten aufgebaut werden können. Vor dem Aushärten werden diese Verbundplatten als Prepreg-Platten (vorimprägnierte Glasfaserplatten) bezeichnet. Bei der Herstellung eines Laminatteils werden Platten aus Verbundmaterial in der gewünschten Orientierung angeordnet. Bei einer typischen Herstellung eines komplexen Teils werden mehrere Platten aus Prepreg-Material in der gewünschten Orientierung zusammengefügt. Dieser Prozeß wird Auflegen genannt. Nach dem Auflegen wird die gebildete Konstruktion ausgehärtet, was die Verbundplatten miteinander verbindet, um das fertige Laminatteil zu bilden.
• Ein Modell für Flugzeug-Faltpropellerblätter wird in US-A- 2,369,296 offenbart. Dies hat eine Befestigungsöffnung und einen Verlängerungsansatz innerhalb der Befestigungsöffnung, mit einem äußere Ende, das eine Flügelfläche aus Material bildet und ein Volumen mit einer Profilsehne und einer Holmachse bestimmt und ein Blattende ausbildet, und einem ersten Endzapfen, der das innere Ende des Rotorblattes bildet. Die Verlängerung des ersten Endzapfens definiert eine erste Befestigungsöffnung, die eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne des äußeren Bereiches verlaufende Achse hat, wobei diese Verlängerung des ersten Endzapfens über die Befestigungsöffnung hinaus nach innen erstreckt, um einen ersten Verlängerungsansatz zu bilden, der Hebelflächen aufweist, um mit der Nabenhalterung zusammenzuwirken, um einem Durchbiegen des Rotorblatts in einer senkrecht zur Holmachse des Rotorblatts verlaufenden Richtung entgegenzuwirken. Jedoch ist dieses Patent nicht auf die eindeutigen Schwierigkeiten gerichtet, die man bei Hubschrauber- und VSTOL-Flugzeug-Rotoren antrifft und auf die Erfordernisse von Blättern, die aus einem Verbundwerkstoff hergestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung sorgt für die Herstellung eines Rotorblattes, das für die Erzeugung eines Verbundstoff-Rotorblattes geeignet ist, das eine Konstruktion hat, die speziell für ein Falten der Blätter geeignet ist, um eine Lagerung ohne Entfernen des Blatts vom Flugzeug zu gestatten.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Rotorblatt, das ein äußeres Ende, welches eine Flügelfläche bildet, eine Befestigungsöffnung und einen sich bezüglich der Befestigungsöffnung am inneren Ende befindlichen Verlängerungsansatz aufweist, mit
• (a) einem äußeren Ende, das eine Flügelfläche aus Verbundwerkstoff bildet und ein Volumen mit einer Profilsehne und einer Holmachse bestimmt und ein Blattende ausbildet; und
• (b) einem ersten Endzapfen, der das innere Ende des Rotorblattes bildet, wobei der Endzapfen aus einer ersten Anzahl faserverstärkter Verbundbänder gebildet ist, die sich vom äußeren Bereich der Flügelfläche nach innen erstrecken, eine erste Zapfenverlängerung bilden, in der eine ersten Befestigungsöffnung vorgesehen ist, die eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne des äußeren Bereichs verlaufende Achse hat, wobei sich die erste Zapfenverlängerung über die Befestigungsöffnung hinaus weiter nach innen erstreckt, um einen ersten Verlängerungsansatz zu bilden, der Hebelflächen aufweist, um mit der Nabenhalterung zusammenzuwirken, um einem Durchbiegen des Rotorblattes in einer senkrecht zur Holmachse verlaufenden Richtung entgegenzuwirken, wobei der Verlängerungsansatz eine Länge hat, die, gemessen von der Befestigungsöffnung bis zum Blattende, 3 % bis 7 % der Länge des Rotorblattes beträgt.
• Diese Konstruktion ist insofern vorteilhaft, als sie gestattet, daß Blatt-Biegebelastungen innerhalb der Befestigungs- (Halte-) Öffnungen geführt werden können, was die Notwendigkeit vermeidet, die Rotornabe über die Öffnung hinaus zu verlängern, was eine kompaktere Anordnung ergibt, wenn das Blatt gefaltet ist.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Rotorblatts durch Ausbilden eines äußeren Bereiches, der eine Flügelfläche aus Verbundwerkstoff bildet; durch Auflegen einer ersten Anzahl faserverstärkter Verbundbänder auf die Flügelfläche, die sich vom äußeren Bereich der Flügelfläche nach innen erstrecken, um eine erste Zapfenverlängerung zu bilden, in der eine Befestigungsöffnung vorgesehen ist und die sich weiter nach innen erstreckt, um einen Verlängerungsansatz zu bilden, der Hebelflächen besitzt; und durch Aushärten des so geformten Blattes, um die faserverstärkten Verbundbänder der Flügelfläche zu laminieren, um ein fertiges Rotorblatt zu bilden. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die verstärkten Verbundbänder so zusammengelegt, daß ein oder mehrere äußere Bänder und ein oder mehrere innere Bänder gebildet werden und ist weiterhin ein Schritt enthalten, um einen inneren Bandfüllabschnitt vorzusehen und für eine Scherbahnschicht zwischen den verstärkten Bändern zu sorgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung kann nach Kenntnis der Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung, welche eine bevorzugte Ausführungsform veranschaulichen, besser verstanden werden, und andere Ausführungsformen werden jenen offensichtlich, die mit der Technik vertraut sind.
• Fig. 1 ist eine isometrische Teilansicht des Rotorblattes der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist eine isometrische Teilansicht des Rotorblattes der vorliegenden Erfindung, an eine Nabenhalterung montiert;
• Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht eines Teils von Fig. 1, die die vordere Endzapfenverlängerung zeigt;
• Fig. 4 ist eine teilweise isometrische Ansicht, die das Laminieren des Endzapfens zeigt;
• Fig. 5 ist eine isometrische Ansicht, die die Konstruktion der Scherbahnschichten und Füllelemente veranschaulicht;
• Fig. 6 ist eine Veranschaulichung der Orientierung der Verstärkungselemente in den Verbundplatten;
• Fig. 7 und 8 sind isometrische Teilansichten alternativer Ausführungsformen; und
• Fig. 9a, 9b und 9c sind isometrische Ansichten verschiedener Verstärkungsbänder, die an den Verlängerungszapfen angebracht sind.
Detaillierte Beschreibung
• Konventionelle Rotorblätter werden typischerweise an der Nabe eines Flugzeugs mit Hilfe von zwei Schrauben befestigt, die durch das Blatt ungefähr senkrecht zur Profilsehne verlaufen, und die Schrauben sind an der Blattwurzel angeordnet. Bei dieser Art der Gestaltung erfolgen alle Belastungsreaktionen über die Schrauben, wobei die Hauptbelastungen in diesem Bereich die Biegung in Holmrichtung, die Biegung in Profilrichtung, Torsions- und Zentrifugalkräfte sind, die auf den Tragflügel des Rotorblatts aufgebracht werden. Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Erfindung das Rotorblatt an der Nabenbefestigung durch eine Schraube angebracht, welche auch als Faltzapfen dienen kann und verläuft die Achse der Schraube im wesentlichen parallel zur örtlichen Profilsehne des Rotorblattes. Diese Schraube nimmt die Biegung in Profilrichtung, die Torsions- und die Zentrifugalkraft auf, kann aber keine Biegung in Holmrichtung aufnehmen, da jene Last verursachen würde, daß sich das Blatt um die Schraube herum dreht. Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Zapfenverlängerung an dem Rotorblattzapfen, welcher für eine Hebelfläche sorgt, um der Biegung in Holmrichtung entgegenzuwirken.
• Jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird dort eine isometrische Ansicht eines Rotorblattes der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, das generell mit 10 bezeichnet ist. Der außenliegende Teil 12 des Rotorblattes ist von typischer Konstruktion und bildet einen Tragflügel 14, der gestrichelt angedeutet ist. Das Blatt 10 hat eine Längsachse (Holm), die mit AA bezeichnet ist, und der durch den außenliegenden Teil des Blattes gebildete Tragflügel hat eine Profillinie, die gestreichelt als BB angedeutet ist und eine Breite CC, die als senkrecht zur Profillinie liegend angegeben ist. Am innenliegenden Ende des Blatts 10 befindet sich ein Endzapfenabschnitt 16, der einen Montageabschnitt 18 und einen Zapfenverlängerungsabschnitt 20 hat. Der Endzapfen hat bei der bevorzugten Ausführungsform zwei nach innen vorstehende Teile, den vorderen Endzapfen 22 und einen hinteren Endzapfen 24. Die Endzapfenverlängerungen 22 und 24 enthalten zwei Öffnungen 26 und 28 mit der Achse DD, welche im wesentlichen parallel zur örtlichen Profilsehne des Rotorblattes verläuft, für eine Befestigung des Blattes am Flugzeug. Die Befestigungsöffnungen 26 und 28 gestatten, daß eine Schraube durch den Endzapfenabschnitt des Blattes hindurchgehen kann, so daß es an der Nabenhalterung befestigt werden kann. Die Schraube, welche durch diese Öffnungen hindurchgeht, kann auch als Faltzapfen dienen, um welchen das Blatt gedreht werden kann, um das Blatt für eine Lagerung zu falten. Die Schraube, welche durch die Öffnungen 26 und 28 verläuft, nimmt die Biegung in Profilrichtung, Torsions- und Zentrifugalkräfte auf, kann aber keine Biegung in Holmrichtung aufnehmen, da ja jene Belastung das Blatt um die Schraube drehen würde. Um eine Drehung in Holmrichtung zu verhüten, ist der Zapfenverlängerungsabschnitt 20 vorgesehen. Vorzugsweise hat jede der vorderen und der hinteren Endzapfenverlängerungen 22 und 24 Verlängerungsansätze 30 und 32, welche sich nach innen von den Befestigungsöffnungen 26 und 28 um eine ausreichende Entfernung erstrecken, um eine Wechselwirkung der Verlängerungsansätze 30 und 32 der Zapfen 22 und 24 mit Haltekonstruktionen an der Nabenhalterung zu gestatten. Die Verlängerungen sorgen für ein Zusammenwirken mit der Haltekonstruktion. Diese Hebelflächen 36, 34 können mit einem selbstschmierenden Kunststoff, wie beispielsweise Tetrahydrofuran (Teflon) oder anderen selbstschmierenden Kunststoffen beschichtet sein. Die Flächen können weiterhin durch Bänder oder Kästen verstärkt sein.
• Fig. 2 veranschaulicht das Blatt 10, das an der Nabenhalterung 40 mit Hilfe eines Zapfens 42 befestigt ist, der durch die Befestigungsöffnung 26 und in dem vorderen Zapfenabschnitt 22 hindurchgeht und auch durch die Öffnung 28 von Zapfenabschnitt 24 (nicht gezeigt) hindurchgeht. Der Zapfen 42 geht durch Befestigungsöffnungen hindurch, die in der Nabenhalterung 40 am vorderen und hinteren Verlängerungsende 44 und 46 der Halterung 40 vorgesehen sind. Ein Biegen oder Drehen von Blatt 10 um den Zapfen 42 wird durch Anschläge 48 und 50 verhütet, die an der Blatthalterung durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Schrauben 52 und 54 montiert sind. Die Verlängerungsansätze 30 und 32 der Zapfen 22 und 24, bei 60 und 62 gestrichelt angedeutet gezeigt, werden durch Anschläge 48 und 50 fest an Ort und Stelle gehalten, um eine Drehung oder eine Biegung des Rotorblattes 10 um den Stift 42 in Holmrichtung zu verhüten. Das Rotorblatt kann einfach dadurch gefaltet werden, daß man die Anschläge 48, entweder manuell oder mit einem automatisierten Mechanismus entfernt und so gestattet, daß das Blatt um den Zapfen 42 geschwenkt wird. Folglich können die Blätter eines aus mehreren Blättern bestehenden Rotors gegeneinander gefaltet werden, um den Lagerungsraum zu minimieren.
• Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht eines Teils von Rotorblatt 10, das innerhalb des eingekreisten Teils F von Fig. 1 enthalten ist. Der Endzapfenverlängerungsansatz 30 des vorderen Zapfens 22 veranschaulicht die laminare Bauweise der vorliegenden Erfindung und zeigt die Enden einer Reihe innerer Bänder 70 und 72 mit Scherbahn 62, die zwischen den äußeren Bändern und angrenzend an die Bänder eingelagert ist. Äußere Bänder 84 werden gestrichelt angedeutet gezeigt. Eine ähnliche Konstruktion wird für den Zapfen am hinteren Ende benutzt.
• Fig. 4 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Teils von Fig. 3, um die Konstruktion des vorderen Zapfens 22 zu veranschaulichen. Die Zapfenverlängerung 22 ist aus einer Reihe von Laminierungen aufgebaut, von denen nur drei repräsentative Lagen 80, 82 und 84 veranschaulicht sind. Die Innenbandlage 80 besteht aus inneren Bändern 70 und 72. Die innenliegenden Enden dieser Bänder 76 und 78 sind vorzugsweise so orientiert, daß der breiteste Teil das Bandes senkrecht zum Holm des Rotors liegt. Die außenliegenden Teile 81 und 83 der Bänder 70 und 72 sind vorzugsweise so orientiert, daß der breiteste Teil parallel zum Holm des Rotors liegt. Die Bänder werden dann so zueinander zugeschärft, wie in Abschnitt 74 von Fig. 3 veranschaulicht, um ein durchlaufendes Band zu bilden, das sich nach außen über den Holm des Rotorblatts erstreckt. Vorzugsweise werden diese Bänder so aufgebaut, daß die Verstärkungsfasern 86 im wesentlichen parallel zur Holmachse des Rotorblattes verlaufen.
• Zwischen den inneren Bändern ist ein innerer Füllelementabschnitt 88 eingelagert. Der Innenband-Füllelementabschnitt 88 besteht aus einem Laminat aus verstärktem Verbundmaterial, das abwechselnde Schichten aus Verbundmaterial hat, wobei die Verstärkungsfasern in verschiedenen Richtungen orientiert sind. Vorzugsweise verläuft die Orientierung der Verstärkungselemente von ungefähr ± 15º bis zu ungefähr ± 90º vom Holm des Rotorblattes aus.
• Die Scherbahnschicht 82 besteht aus einer Scherbahn 62, welche aus einem Laminat aus alternierenden Verbundstoffschichten hergestellt ist, die in verschiedenen Richtungen orientiert sind. Auch hier wieder sollte diese Orientierung von ungefähr ± 15º bis zu ungefähr ± 90º vom Holm des Rotorblattes aus verlaufen.
• Angrenzend an die Scherbahnschicht 82 befindet sich die Außenbandschicht 84. In der Außenbandschicht 84 befindet sich das äußere Band 94, welches um den Außenschleifen-Füllelementabschnitt 94 herum verläuft. Die Litzen von Verstärkungselementen 96 in dem äußeren Band 92 liegen in einer Ebene, die im wesentlichen Parallel zum Holm des Rotorblatts verläuft, ausgenommen des Abschnitts des äußeren Bandes, welches als Schleife um das Außenschleifen-Füllelement 94 herum läuft. Angrenzend an das äußere Band liegt das innere Füllelement 98. Die Füllelemente 94 und 98 sind aus Verbundstoff-Laminaten mit alternierender Orientierung der Verstärkungsfasern aufgebaut, vorzugsweise von ungefähr ± 15º bis zu ungefähr ± 90º vom Holm des Rotorblattes aus. Die Füllelemente 94 und 98 sind so gestaltet, daß sie mit dem äußeren Band und mit der Form des Zapfenendes in Übereinstimmung stehen und dazu passen.
• Alternierende Schichten können dann dadurch aufgebaut werden, daß man eine weitere Scherbahnschicht 82 auf der anderen Seite von Schicht 84 anordnet und dann Schichten wiederholt, die den Schichten 80, 82 und 84 entsprechen, so, wie in Fig. 3 als Beispiel dargestellt. Die Schichten müssen nicht in einer speziellen Reihenfolge angebracht werden, und die Reihenfolge des äußeren Bandes, der Innenbandschicht und der Scherbahnschicht können variiert werden. Die Anzahl jeder verwendeten Schicht kann ebenfalls schwanken, wie sie für die Größe des Rotorblattes benötigt wird. Diese Schichten werden dann miteinander verbunden, um die vordere und die hintere Endzapfenverlängerung zu bilden, und jede Schicht ist mit einer Öffnung 100 versehen, welche die Befestigungsöffnung des Endzapfens bildet, wie beispielsweise Befestigungsöffnung 26. Alternativ kann auch ein massiver laminierter Endzapfen gebildet und können Befestigungsöf fnungen in die Endzapfen gebohrt werden.
• Fig. 5 veranschaulicht die Konstruktion von Scherbahn 62. Die Herstellung der Füllelemente 88, 95 und 98 erfolgt in ähnlicher Weise. Für Zwecke der Veranschaulichung hat die Scherbahn 62 vier Schichten aus verstärktem Verbundwerkstoff, welche miteinander laminiert sind. Diese vier Schichten sind die Schichten 120, 122, 124 und 126. Generell werden mehr als vier Schichten verwendet, und vier werden hier nur zur Veranschaulichung verwendet. Typischerweise werden zehn oder mehr Schichten miteinander laminiert. Vorzugsweise hat jede Schicht eine Orientierung der Verstärkungsfasern in einer Richtung. Die Schichten werden so miteinander laminiert, daß aneinandergrenzende Schichten in verschiedenen Richtungen orientiert sind. Die Anzahl der laminierten Schichten hängt von der gewünschten Festigkeit und auch der erforderlichen Dicke des Teils ab. Generell hat sich herausgestellt, daß Scherbahnen, die 4 bis 30 Schichten Laminat enthalten, sich als nützlich herausgestellt haben. Im allgemeinen sollten mindestens 18 Schichten miteinander laminiert werden, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen.
• Fig. 6 zeigt zwei Teilschnitte von Verbundschichten 120 und 122 mit den Verstärkungselementen 132 und 136. Die Orientierung der Achse der Verstärkungselemente 132 und 136 wird bezogen auf Linie 130 gezeigt, welche eine Achse parallel zum Holm des Rotorblatts darstellt. Die Linien 132 veranschaulichen die lange Achse der Verstärkungsfasern einer Verbundmateriallage mit einem Orientierungswinkel 134, der sich auf den Winkel zwischen der Längsachse der Verstärkungsfasern und dem Holm des Rotorblattes bezieht. Dieser Winkel (gemessen als der kleinste Winkel, der mit der Holmlinie gebildet wird) liegt vorzugsweise zwischen 15º und 90º. Noch stärker vorzugsweise liegt der Winkel zwischen ungefähr 25º und ungefähr 50º. Wie veranschaulicht, sollte eine zweite Lage eine Längsachse so haben, wie sie durch 136 veranschaulicht wird, welche in einer entgegengesetzt zu der anderen Schicht verlaufenden Richtung verläuft. Vorzugsweise sollte der Orientierungswinkel zwischen ungefähr ± 25 - 35º liegen, weil sich herausgestellt hat, daß eine Orientierung von ± 30º annähernd ebenso gut bei Scherung wie eine Orientierung von ± 45º ist, aber einen besseren Widerstand gegen Biegung bietet.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 4 erstrecken sich äußere Bänder 92 und innere Bänder 70 und 72 von dem Endzapfen über die Oberseite und die Unterseite des Tragf lügels und bilden einen Bestandteil der Verbundkonstruktion des Tragflügels bei der bevorzugten Ausführungsform. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Vielzahl solcher Bänder verwendet. Die äußeren Bänder dienen dazu, die Zentrifugalbelastung aufzunehmen, wohingegen die inneren Bänder eine Biegung in Holmrichtung übertragen. Die Bänder sind vorzugsweise aus verstärktem Verbundmaterial aufgebaut, und generell können die Abmessungen der Bänder je nach der gewünschten Festigkeit und Konstruktionsweise verändert werden. Desgleichen schwankt der Querschnitt des Bandes in Abhängigkeit von verschiedenen Stellen entlang des Rotorblattes. Bänder mit einer Breite von ungefähr 33 mm (1,3 Zoll) bis zu ungefähr 109 mm (4,3 Zoll) und einer Dicke von ungefähr 7,6 mm (0,3 Zoll) bis zu ungefähr 2,3 mm (0,09 Zoll) haben sich als geeignet für eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im allgemeinen werden die Bänder stärker quadratisch am inneren Ende und stärker abgeflacht am äußeren Ende des Holms sein. Beispielsweise hat es sich als nützlich herausgestellt, Bänder, die eine Abmessung von ungefähr 33 x 7,6 mm (1,3 x 0,3 Zoll) haben, in der Nachbarschaft des inneren Ende des Rotorblattes zu verwenden und solche, welche an dem äußeren Ende des Rotorblattes auf eine Breite von ungefähr 109 mm (4,3 Zoll) und eine Dicke von ungefähr 2,3 mm (0,09 Zoll) abgeflacht sind. Das Verbundmaterial, das verwendet wird, um Blatt und Endzapfen herzustellen, kann insgesamt vom selben Verbundmaterialtyp sein, oder es können Kombinationen von Verbundmaterial unter Verwendung verschiedener Verstärkungselemente benutzt werden. Das einzige Erfordernis ist, daß die Verbundschichten derart sind, daß sie sich beim Aushärteprozeß miteinander verbinden. Die Ansatzverlängerung des Rotorblattes wird im allgemeinen auf eine gewünschte Form maschinell bearbeitet, nachdem der Bindungs- und Aushärteprozeß abgeschlossen ist. Bei einem Herstellungsverfahren können die äußeren Bänder als einziges Band zusammengefaßt werden, welches als Schleife um das Ende des Blattes herum läuft und einen rohen Endansatz bildet. Nach dem Aushärten kann das Endstück des Endansatzes abgeschnitten werden, wodurch obere und untere Außenbänder geschaffen werden. Der Teil des aufgelegten Materials, welcher abgeschnitten wird, kann dann zurückgewonnen und einer Scherprüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, daß die Verbundkonstruktion die erforderliche Festigkeit hat und Qualitätskontrollstandards erfüllt.
• Die für die Herstellung der Erfindung verwendeten Verbundmaterialien sind beliebige aus jenen Materialien, die für eine Verwendung bei der Flugzeugherstellung geeignet sind. Solche Materialien sind u.a. vorimprägnierte mit Faserglas verstärkte Epoxidharzmaterialien und auch andere vorimprägnierte verstärkte Verbundmaterialien. Typische Verstärkungsmaterialien sind neben Glasfasern Kohlenstoff-, Graphit-, Aramid- (Kevlar-) Fasern, Bor und verschiedene polymere Materialien. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Vielzahl von aus Fäden gewickelten Bändern, die bei der Herstellung des Rotors verwendet werden. Vorzugsweise werden acht oder mehr aus Fänden gewickelte Bänder benutzt. Es hat sich herausgestellt, daß es zu bevorzugen ist, daß diese Bänder über die volle Länge der Blätter verlaufen und in zwei Gruppen von vier Bändern unterteilt sind. Die vorderen vier Bänder bilden einen Bestandteil der vorderen Blattwurzelverlängerung. Von diesen vier Bändern verlaufen zwei um die Blatt-Montageöffnung herum, und die beiden restlichen Bänder bilden den Haupt-Biegebelastungsverlauf der Wurzelverlängerung. Füllelemente und Scherbänder werden zwischen den Bändern verwendet, um die Konstruktion der gesamten Zapfenverlängerung zu komplettieren.
• Bei einer typischen Konstruktion hat der Verlängerungsansatz 20 jede beliebige gewünschte Länge. Es hat sich herausgestellt, daß eine Verlängerung, welche gemessen von der Befestigungsöffnung bis zum Blattende 3 % bis 7 % der Länge des Rotorblattes hat, verwendbar ist. Die hintere Verlängerung wird in ähnlicher Weise aus Bändern hergestellt, wie sie für die vordere Verlängerung benutzt werden. Vorzugsweise gibt es auch vier Bänder bei der hinteren Verlängerung, die in ähnlicher Weise befestigt sind.
• Bewegungsisolatoren können an der Blattwurzel befestigt werden, um zu gestatten, daß Durchbiegungen in der Blattwurzel und der Nabe in axialer und in Holmrichtung auftreten können, ohne, daß nennenswerte Lasten in jenen Richtungen übertragen werden. Bewegungsisolatoren können aus irgendwelchen selbstschmierenden Kunststoffen, wie beispielsweise Teflongewebe, sein. So kann die Blattwurzel mit einem Teflongewebe beschichtet sein, das auf ein Verstärkungsband oder auf den Anschlag aufgebracht wird. Es können auch eine Teflonoberfläche oder andere Oberflächen aus selbstschmierendem Kunststoff auf der Innenseite der Zapfen-Befestigungsöffnung verwendet werden, um eine Bewegung zu erleichtern.
• Wie veranschaulicht, hat der Endzapfen zwei Verlängerungen. Jedoch kann, wie in Fig. 7 gezeigt, das Rotorblatt 150 mit einer einzigen Endzapfenverlängerung 152, die eine Montageöffnung 154 definiert und einem Verlängerungsansatz 156 hergestellt werden, der sich innerhalb der Öffnung erstreckt. Desgleichen kann das Rotorblatt so konstruiert sein, daß es zwei Endzapfenverlängerungen hat, welche beide eine Befestigungsöffnung definieren, von denen aber nur eine einen Verlängerungsansatz hat, der sich innerhalb der Befestigungsöffnung erstreckt, um für eine Hebelfläche zu sorgen. Das Zapfenende kann auch so konstruiert sein, daß er mehr als zwei Zapfenendverlängerungen hat. Eine solche Ausführungsform kann für eine Anzahl möglicher Kombinationen von Endzapfenverlängerungen sorgen. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 8 ein Rotorblatt 160, das zwei Zapfenverlängerungen 162 und 164 hat, die nur für die Montageöffnungen 166 und 168 sorgen, die koaxial zueinander fluchten. Eine dritte Verlängerung 170 sorgt für einen Verlängerungsansatzteil 172, das sich innerhalb der Befestigungsöffnungen 166 und 168 erstreckt. Wenn es gewünscht wird, kann auch für eine Befestigungsöffnung in Endzapfenverlängerung 170 gesorgt werden.
• Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Verlängerungsansatz vor einem Kontakt mit dem Naben-Verriegelungsmechanismus (Anschlag) dadurch geschützt werden, daß seine Paß- (Hebel-) Fläche durch ein Verstärkungsband abgedeckt wird. Fig. 9a veranschaulicht ein Polymer-Verstärkungsband 182, welches aus irgendeinem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise Teflon, hergestellt sein kann. Fig. 9b veranschaulicht ein Metall-Verstärkungsband 184, das durch eine Schraube 186 an Ort und Stelle gehalten wird, oder das Band kann die Form eines Kastens 188 (Fig. 9c) über dem Ende des Verlängerungszapfens haben. Dieses Verstärkungsband oder dieser Verstärkungskasten kann auf dem Verlängerungsanstz in Preßpassung angebracht sein und durch eine Schraube gehalten werden. Das Verstärkungsband dient dazu, das Auslösen einer örtlichen Auflagerung oder eines Scherbruchs in dem Ansatzende zu verzögern. Das Verstärkungsband kann aus Metall, Verbundmaterial oder einem elastomeren Material hergestellt werden. Vorzugsweise wird Metall verwendet, um den größtmöglichen Schutz vor einer örtlichen Deformation des Verlängerungsansatzes zu bieten.
• Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in der vorstehenden detaillierten Beschreibung beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht worden ist, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform begrenzt ist, sondern daß man zahlreiche Modifikationen bei Teilen und Elementen vornehmen kann, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht wird, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (15)

1. Rotorblatt, das ein äußeres Ende, welches eine Flügelfläche bildet, eine Befestigungsöffnung und einen sich bezüglich der Befestigungsöf fnung am inneren Ende befindlichen Verlängerungsansatz aufweist, mit:

(a) einem äußeren Ende (12), das eine Flügelfläche aus Verbundwerkstoff bildet und ein Volumen mit einer Profilsehne (BB) und einer Holmachse (AA) bestimmt und ein Blattende ausbildet; und

(b) einem ersten Endzapfen (16), der das innere Ende des Rotorblattes (10) bildet, wobei der Endzapfen aus einer ersten Anzahl faserverstärkter Verbundbänder (80, 82, 84) gebildet ist, die sich vom äußeren Bereich der Flügelf läche nach innen erstrecken, eine erste Zapfenverlängerung bilden, in der eine erste Befestigungsöffnung (26, 154) vorgesehen ist, die eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne des äußeren Bereiches verlaufende Achse hat, wobei sich die erste Zapfenverlängerung (22) über die Befestigungsöffnung (26, 154) hinaus weiter nach innen erstreckt, um einen ersten Verlängerungsansatz (20, 30, 32, 156) zu bilden, der Hebelflächen aufweist, um mit der Nabenhalterung zusammenzuwirken, um einem Durchbiegen des Rotorblattes in einer senkrecht zur Holmachse des Rotorblattes verlaufenden Richtung entgegenzuwirken, wobei der Verlängerungsansatz eine Länge hat, die, gemessen von der Befestigungsöffnung bis zum Blattende, 3 % bis 7 % der Länge des Rotorblattes beträgt.

2. Rotor nach Anspruch 1, der außerdem eine zweite Anzahl faserverstärkter Verbundbänder aufweist, die sich vom äußeren Bereich nach innen erstrecken, eine hintere Zapfenverlängerung (24) bilden, die von der ersten Zapfenverlängerung (22) in einer Richtung entlang der Profilsehne beabstandet ist und ein Befestigungsöffnung (28) vorsieht, die eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne und zum äußeren Bereich verlaufende Achse hat, und sich die hintere Zapfenverlängerung über die dadurch gebildete Befestigungsöffnung hinaus weiter nach innen erstreckt, um einen zweiten Verlängerungsansatz zu bilden, der Hebelflächen aufweist, um mit der Nabenhalterung zusammenzuwirken, um einem Durchbiegen des Hubschrauber-Rotorblattes in einer senkrecht zur Rotorebene verlaufenden Richtung entgegenzuwirken.

3. Hubschrauber-Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbundwerkstoff aus Schichten mit verstärkten Elementen ausgewählt ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Kohlenstoff, Graphit, Bor, Glasfasern, polymere Fasern und Kombinationen aus diesen aufweist.

4. Hubschrauber-Rotorblatt nach Anspruch 1, das außerdem einen Verstärkungsring aufweist, der am Verlängerungsansatz der ersten Zapfenverlängerung angebracht ist.

5. Hubschrauber-Rotorblatt nach Anspruch 2, das außerdem einen Verstärkungsring aufweist, der am Verlängerungsansatz der hinteren Zapf enverlängerung angebracht ist.

6. Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei der erste Verlängerungsansatz aus einem Laminat gebildet ist, welches aufweist:

(a) eine Innenbandschicht mit zwei sich vom äußeren Ende erstreckenden Innenbändern, die durch ein Innenbandfüllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff voneinander beabstandet sind;

(b) eine Scherbahnschicht aus Verbundwerkstoff, die benachbart zur Innenbandschicht angeordnet ist und in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Profilsehne des äußeren Endes verläuft;

(c) eine Außenbandschicht, die durch ein Außenband, das in einer Schlaufe um die erste Befestigungsöffnung herum verläuft, wobei die Schlaufe durch ein Füllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff in beabstandeter Anordnung gehalten wird, und durch ein inneres Füllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff gebildet ist, das sich vom inneren Ende des Außenbandes nach innen erstreckt, um einen Teil des ersten Verlängerungsansatzes zu bilden; und

(d) zumindest eine weitere Schicht, wie in (a), (b) oder (c) bezeichnet, die in vorbestiinmter Anordnung angebracht und zusammen mit anderen Schichten laminiert ist.

7. Rotorblatt nach Anspruch 6, welches außerdem aufweist:

(a) eine zweite Anzahl von in Wickeltechnik hergestellten Verbundbändern, die sich vom äußeren Ende nach innen erstrecken und einen zweiten Zapfen ausbilden, der vom ersten Endzapfen beabstandet ist und eine zweite Befestigungsöffnung vorsieht, die sich in Ausrichtung mit der ersten Befestigungsöffnung befindet, und einen zweiten Verlängerungsansatz bilden, der sich von der zweiten Befestigungsöffnung nach innen erstreckt, wobei die zweite Befestigungsöffnung eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne des äußeren Endes verlaufende Achse hat, wobei der zweite Verlängerungsansatz aus einem Laminat gebildet ist, das aufweist:

(i) eine Innenbandschicht mit zwei sich vom äußeren Ende erstreckenden Innenbändern, die durch ein Innenbandfüllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff voneinander beabstandet sind;

(ii) eine Scherbahnschicht aus Verbundwerkstoff, die benachbart zur Innenbandschicht angeordnet ist und in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Profilsehne des äußeren Endes verläuft;

(iii) eine Außenbandschicht, die durch ein Außenband gebildet ist, welches in einer Schlaufe um die zweite Befestigungsöffnung herum verläuft, wobei die Schlaufe durch ein Füllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff in beabstandeter Anordnung gehalten wird, und durch ein inneres Füllelement aus verstärktem Verbundwerkstoff, das sich vom inneren Ende des Außenbandes nach innen erstreckt, um einen Teil des zweiten Verlängerungsansatzes zu bilden; und

(iv) zumindest eine weitere Schicht, wie in (i), (ii) oder (iii) bezeichnet, die in einer vorbestimmter Anordnung angebracht und zusammen mit den anderen Schichten laminiert ist.

8. Rotorblatt nach Anspruch 6 oder 7, wobei das verstärkte Verbundmaterial Verstärkungselemente aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Kohlenstoff, Graphit, Bor, Aramid-Fasern und Kombinationen aus diesen aufweist.

9. Rotorblatt nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Füllelemente so ausgerichtet sind, daß die Verstärkungselemente bezüglich der Holmachse des Rotorblattes von ± 15º bis ± 90º ausgerichtet sind.

10. Rotorblatt nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Füllelemente und zumindest eine Scherbahnschicht so ausgerichtet sind, daß die Verstärkungselemente bezüglich der Holmachse des Rotorblattes unter ± 25º bis ± 35º liegen.

11. Rotorblatt nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Füllelemente und Scherbahnschichten so ausgerichtet sind, daß die Verstärkungselemente bezüglich der Holmachse des Rotorblattes unter ± 25º bis ± 35º liegen.

12. Rotorblatt nach Anspruch 6, das außerdem einen Verstärkungsring aufweist, der am ersten Verlängerungsansatz angebracht ist.

13. Rotorblatt nach Anspruch 7, das außerdem einen Verstärkungsring aufweist, der am zweiten Verlängerungsansatz angebracht ist.

14. Verfahren zum Ausbilden eines Rotorblattes durch:

(a) Ausbilden eines äußeren Bereiches, der eine Flügelfläche aus Verbundwerkstoff bildet;

(b) Auflegen einer ersten Anzahl faserverstärkter Verbundbänder (80, 82, 84) auf die Flügelf läche, die sich vom äußeren Bereich der Flügelfläche nach innen erstrecken, eine erste Zapfenverlängerung bilden, in der eine Befestigungsöffnung vorgesehen ist, die eine im wesentlichen parallel zur Profilsehne des äußeren Bereiches verlaufende Achse aufweist, wobei sich die erste Zapfenverlängerung über die Befestigungsöffnung hinaus weiter nach innen erstreckt, um einen Verlängerungsansatz zu bilden, der Hebelflächen besitzt, um mit der Nabenhalterung zusammenzuwirken, um einem Durchbiegen des Hubschrauber-Rotorblattes entlang der Holmachse entgegenzuwirken; und

(c) Aushärten des auf diese Weise gebildeten Blattes, um die faserverstärkten Verbundbänder mit der Flügelfläche zu laminieren, um ein fertiges Rotorblatt auszubilden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Anzahl faserverstärkter Verbundbänder zusammengelegt werden, um ein oder mehrere äußere Bänder und ein oder mehrere innere Bänder (70, 72) zu bilden, und das außerdem die Schritte umfaßt, einen Innenbandfüllabschnitt (88) vorzusehen und Scherbahnschicht (62) zwischen den faserverstärkten Bändern anzuordnen.