NO172155B - Fremgangsmaate og innretning for bestemmelse av helikopterbladers avboeyning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for bestemmelse av helikopterrotorbladers avbøyning, samt en innretning for testing av en helikopterrotor, ifølge kravinnledningene.

Når en slik fremgangsmåte benyttes for bestemmelse av helikopterbladers avbøyninger, er det hensiktsmessig at de beregnede resultater fra prøven kan fremvises på en slik måte at de meget enkelt kan forstås.

Det er viktig at en helikopterrotor er avbalansert med dens masse omkring rotasjonssentret og har ens løft for hvert blad, enten dette er hovedløfterotoren eller en halerotor. En avbalansert rotor har bladene anordnet i samme vinkelavstand rundt rotasjonsaksen og hvor rotorspissene alle roterer i samme horisontale plan og utvikler samme løftekraft over hele has-tighetsområdet. Planet vil være forskjellig ved ulike flyvings-hastigheter, men det viktige er at alle rotorspisser skal rotere i det samme ved en gitt hastighet og utvikle samme løfteevne. Det er kjent hvor mye hvert blad avbøyes i forhold til de andre ved ulike hastigheter og tidligere har slike avbøyninger vært målt visuelt eller ved forsøk og resultatene har ikke bare vært upålitelige, men det har også tatt betydelig tid å utvikle dem.

Fremgangsmåter og innretninger innenfor ovennevnte område er kjent fra US 3 856 410, US 2 913 700, GB 1 483 236 og GB 2 055 269. Å gjennomføre tester på grunnlag av enkelte av disse forslag har imidlertid i praksis vist seg å være forbundet med vanskeligheter, eksempelvis grunnet sterk påvirkning av apparaturen fra helikopterets støynivå.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse måles avstanden eksempelvis fra hver rotorbladspiss til en sender/mottaker når vedkommende blad passerer et spesielt punkt i rota-sjonsbanen, noe som har vist seg å gi overraskende nøyaktige resultater som er tilgjengelige fra en computer meget kort tid etter at de mottatte signaler er matet inn i computeren.

En foretrukket type sender/mottaker er et dobbel-dopplerradarsystem med to sendere/mottakere anordnet tett ved hverandre og som sender på frekvenser som ligger noe atskilt fra hverandre og hvor faseforskjellen for de reflekterte signaler danner et mål for avstanden til den flate fra hvilken de ble reflektert. Det er også mulig å benytte en enkeltpulssender/mottaker ved bruk av frekvensmodulerte bærebølgepulser. Slike systemer kan gi en indikasjon på avstanden mellom bladspissene og senderen/mottakeren, slik at, dersom senderen/mottakeren er plassert hensiktsmessig, kan den målte avstand benyttes som et mål for bladenes avbøyning fra et hovedplan. Senderen/mottåkeren vil generelt måtte være plassert i vesentlig avstand fra dette plan, typisk ved en vinkel på 30°. Ved å forbinde tidspunktet for mottak av den mottatte stråling med en syklisk referansepuls, kan enhver vinkel forskyvning av et blad i et horisontalt plan omkring denne rotasjonsakse også bestemmes.

Ved en annen fremgangsmåte kan senderen være en laser eller annen kilde for en målrettet strålebølge og den reflekterte stråle kan forskyves i avhengighet av de enkelte rotorbladers avbøyning, slik at dersom eksempelvis den reflekterte stråle er rettet mot en rekke mottakere, vil den spesielle mottaker i rekken som mottar den reflekterte stråle være avhengig av avbøyningens størrelse og et signal som representerer denne avbøyning kan utvikles. Et slikt system har spesiell verdi med hensyn til en halerotor hvor der vanligvis ikke foreligger noen ramme for bladenes relative bevegelse omkring rotasjonsaksen.

Tester har vist at ved å mate den mottatte informasjon i en computer som er tilsvarende programmert, kan de målte av-bøyninger være tilgjengelige meget hurtig etter at prøvene er tatt og det er naturlig nok mulig å ha en sender/mottaker montert på et helikopter for å måle hovedrotorbladenes spissers av-bøyninger og en laserstrålesender og mottaker montert på halepartiet for å måle halerotorbladets avbøyninger, og hvor en computer i kabinen mottar signalene fra begge systemer, hvoretter alle resultater fra prøvene under ulike hastigheter er tilgjengelige under selve flyvningen. Når helikopteret lander etter prøvene kan mekanikerne umiddelbart utføre nødvendige justeringer på bladkonstruksjonen. Oppfinnelsen omfatter en slik innretning og en fremgangsmåte ved dens bruk, slik som beskrevet med de i kravene anførte trekk.

Fremvisning av resultatene som oppnås kan fremvises grafisk for en eller flere flyvehastigheter. Især kan plasseringen av alle bladers hovedavbøyning ved en spesiell hastighet bestemmes og fremvisningen kan relateres grafisk til denne

hovedavbøyning.

En ytterligere mulighet er å vise avbøyningene for alle bladene både med hensyn til vinklene i forhold til hverandre og perpendikulært til rotasjonsplanet i forhold til hovedavbøyningen for en gitt flyvehastighet.

Et tendensdiagram kan fremstilles for å vise en kurve for hvert blad med avbøyning ved flere hastigheter innenfor et område og det er mulig for et slikt diagram å ha kurver for alle blader i avstand langs diagrammet, eller å fremvise en kurve for et enkelt blad.

Ved å avlese uregelmessigheter over tid ved passasje av de enkelte rotorblader forbi et gitt punkt, i relasjon til turtallmerket, er det mulig å oppdage en defekt demper i et blad og å fremvise resultatet for operatøren. Hittil har dette ikke vært mulig med noen nøyaktighetsgrad.

Oppfinnelsen kan benyttes i praksis på ulike måter og en utførelse beskrives i det etterfølgende eksempelvis på grunnlag av tegningen hvor figur 1 viser et sideriss av et helikopter med følere for bane og ubalanser i henhold til oppfinnelsen, figur 2 viser et grunnriss tilsvarende figur 1, figur 3-5 viser diagrammer som grunnlag for forklaring av bane-og ubalansefølerens virkemåte, figur 6 viser signalkarakteristika som benyttes ved systemet, figur 7-12 viser ulike oppstillinger for bane og ubalanseinf ormas jon som er utviklet ved prøvene, figur 13 viser et sideriss av halen av et helikopter med halerotoren og figur 14 viser et riss ifølge pilens II på figur 13.

Et helikopters rotor krever avbalansering både ved fremstillingen og over tid slik at rotorbladene er plassert i ens vinkel sett i grunnriss og slik alt rotorbladspissene alle beveger seg i samme plan i det vesentlige perpendikulært til rotasjonsaksen. Fremgangsmåten for monteringen av bladene for således å oppnå denne balanse, kan overskues dersom størrelsen av hvert blads ubalanse er kjent, men hittil er det ikke funnet noen tilfredsstillende fremgangsmåte for nøyaktig å bestemme størrelsen av de enkelte bladers ubalanse.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er en dobbelt doppler sender/mottaker montert som vist ved 11 på en side av kabinen rett under døren 12 med sin midtre sendeakse skråstilt oppad i en vinkel på omtrent 35° for således å bli avskåret av rotorbladenes 13 spisser når disse roterer. Figur 2 viser at strålens 14 midtakse ikke bare er skråstilt oppad men også er skråstilt innad ved en foretrukket utførelse, men figur 4 som viser et skjematisk grunnriss, viser en annen mulig utførelse hvor kjeglen 13 rundt strålens midtakse er rettet i en vinkel i forhold til helikopterets lengdeakse og i en vinkel oppad. Den nøyaktige plassering vil ikke være vesentlig forutsatt at spissene av de roterende blader kan reflektere signaler til dopplermottakeren. En annen mulig plassering er vist med 11 på figur 4. Rotorbladenes spisser har festet små reflekterende flater av metall for å gi godt reflekterte signaler. Figur 1 viser hvorledes rotorbladene 13 henger ned når rotoren ikke roterer og det er underforstått at når rotasjonen starter vil bladene løftes opp og søke å strekke seg horisontalt utad, og når de starter å løfte helikopteret vil de begynne å løfte seg oppad i en konisk form som vist skjematisk ved 16 på figur 5. Figur 5 viser et skjematisk riss i et vertikalt plan gjennom rotoraksen, og med senderen/mottakeren 11. Ekstreme plasseringer av et blad i dette plan hhv. når rotoren er stasjonær og når den gir maksimalt løft, er vist ved "S"og 11L" og figur 5 viser hvorledes, på grunn av plasseringen av senderen/mottakeren 11 under det horisontale plan, gjennom navet 17, bevegelse av en bladspiss mellom "S" og "L" utvirker en merkbar differanse i avstanden Rs eller Rx fra senderen/mottakeren til bladspissen.

Senderen/mottakeren bruker et radarsystem med flerfre-kvens-bærebølge av den type som er beskrevet av Skolnik i "Introduction to Radar Systems", side 106. I henhold til dette er to sendere/mottakere vist med 18 og 19 på figur 3, som kontinuerlig sender ved frekvenser f1 og f2. De reflekterte signaler fra en bladspiss til mottakerne er fx+ fdx og f2 + fd2 hvor fdx og fd2 er dopplerfrekvenskomponenter avledet av bladspissens hastighetskomponent mot senderen/mottakeren. Fasedifferansen mellom de reflekterte signaler er et direkte mål for lengden mellom bladspissen og senderen/mottakeren og vil således tilnærmelsesvis være et direkte mål for avstanden ut fra banen. Hver bladspiss vil gi et reflektert signal til hver mottaker slik at der vil foreligge tre par med reflekterte signaler i hver rotoromdreining, som vist generelt med 22 på figur 6.

Dersom forskjellen mellom frekvensene fx og f2 er meget liten i forhold til flr kan fdx betraktes å være lik fd2 og kvotienten t/T er direkte proporsjonal med avstanden til bladspissen hvor t er faseforskjellen mellom de reflekterte signaler, som vist på figur 6 og T er fasedifferansen mellom de to signaler, idet begge differanser uttrykkes over tid.

Denne fremgangsmåte for måling av avstanden av rotorbladspissene fra senderen/mottakeren 11 når disse roterer, er funnet å være overraskende nøyaktig og det er mulig på grunnlag av en analyse av de mottatte signaler å fastslå temmelig nøyaktig hvor mye hver bladspiss befinner seg over eller under det gjennomsnittlige rotasjonsplan for alle rotorbladspisser ved en posisjon i omdreiningen som dekkes av kjeglen 15 fra senderen/mottakeren.

Videre vil det ses av figur 6 hvorledes sentrene i de reflekterte strålingsbunter kan relateres til de sykliske referansepulser 21 slik at analysen vil avsløre om bladene er fordelt ensartet i vinkel horisontalt, eller om avstanden mellom ett blad og bladet foran er større eller mindre enn gapet mellom dette blad og bladet bak.

Når denne informasjon først er kjent er det forholdsvis enkelt å justere monteringen av bladene for å korrigere for enhver feil i forbindelse med avvik fra banen eller plassering foran eller bak den ideelle av bladspissen.

Oppfinnelsen går ut fra at helikopteret har elektronisk opptaks- og beregningsutstyr om bord for opptak av testresultater som fremkommer når rotoren roterer på jorden og når helikopteret heves eller flyr ved ulike hastigheter, på grunn av at bladenes oppførsel meget vel kan være ulik ved ulike rotor- og flyvehastigheter.

Computeren i nedtegningsutstyret kan være programmert til å fremvise informasjon på en slik måte at den er lett forståelig.

Eksempelvis viser figur 7 tre VDU diagrammer for et spesielt helikopter med fire blads rotor, ved hastigheter på hhv 100, 120 og 140 knop. Den horisontale linje 24 er beregnet som rotorbladspissenes gjennomsnittshøyde hvor disse overskjærer strålekjeglen og hver bladspiss høyde er vist i relasjon til dette. Koordinaten er kalibrert i tommer, som vist ved 25 og identifikasjonen er vist med 26. Diagrammet for 120 knop viser at blad nummer 2 er høyt oppe ved denne hastighet, mens den befinner seg lavt nede ved 100 knop. Ved diagrammene på figur 7 er alle blader korrekt plassert i vinkel, men ved et alternativt diagram med 60 knop, vist på figur 8, selv om det andre blad er plassert korrekt i vinkel, kan det sees at bladene 1 og 4 er for tidlig ute i forhold til deres korrekte vinkelstilling, mens blad 3 er for sent ute. Mekanikeren som studerer dette diagram kan enkelt tilsvarende korreksjoner i monteringen av bladene.

Computeren er også programmert til å innsamle resultater for alle fire blader ved ulike flyvehastigheter og å fremvise disse i et totaldiagram vist på figur 9. For hvert av de fire blader er verdier ved hver testhastighet fremvist langs en egen vertikal linje hvor disse befinner seg på linjen eller til en eller annen side av linjen ettersom bladspissen befinner seg ved gjennomsnittsnivået eller over eller under dette nivå under prøven. Eksempelvis viser figur 9 hvorledes blad nummer 1 befinner seg lavt under heving, men gradvis kommer opp mot middelnivået ettersom flyvehastigheten øker inntil den befinner seg noe under gjennomsnittsnivået i område 120 til 140 knop.

Figur 10 viser et diagram tilsvarende figur 9 av et valgt blad, i dette tilfelle blad nummer 4 og da det er vist en tendenskurve for kun ett blad, er det mulig å kalibrere koordinaten i forhold til målsatt avbøyning, som vist ved 28. Under prøven vil der foreligge mange omdreininger av rotoren og avlesningen for hver rotasjon registreres og lagres og gjen-nomsnittsverdier akkumuleres.

Det er mulig å utvikle tester for hver enkelt av flere ulike helikopterkonstruksjoner for å fremstille en karakteristikk av denne helikopterkonstruksjon som frembringer et sammensatt bilde av de roterende masser. Således kan et typisk diagram for karakteristiske vibrasjoner ved en bestemt lufthastighet for en bestemt helikopterkonstruksjon være som vist på figur 11. Denne karakteristikk kan nedtegnes og mates inn i computeren før målinger utføres på et bestemt helikopter og deretter kan de vibrasjoner som er blitt målt på det spesielle helikopter fremvises som vist i figur 12. Det ville være mulig ved program-mering å gjøre det mulig for brukeren som observerer den målte karakteristikk, på stedet å avgjøre om rotoren eller en annen komponent som måles, er tilfredsstillende eller ikke på grunnlag av inntegnede bokser 28 som viser den maksimalt tillatelige vibrasjonsstørrelse for hver komponent. Eksempelvis strekker vibrasjonstoppen 29 seg forbi boksen 28 og det vil ikke være akseptabelt, mens toppen 31 ikke strekker seg bak boksen 28, noe som indikerer et akseptabelt nivå for vibrasjonsstørrelsen for hovedrotorbladene.

For å kunne avbalansere halerotoren på et helikopter er det nødvendig å utføre en prøve ved en eller flere flyvehastigheter for å måle avbøyningen av hvert blad i forhold til gjennomsnittsplanet for hver bladspissrotasjon. Figur 13 viser rotoren med to blader 111 og som det er vanlig ved de fleste halerotorer for helikoptere, har bladene ingen frihet for bevegelse omkring rotasjonsaksen 112 slik at ethvert avvik fra rotorens bane bare vil være representert som en avbøyning av spissen av et blad mot eller bort fra halepartiet 113.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse måles bladspissens avbøyning når rotoren roterer, ved hjelp av en laserstråle og en oppstilling av flere fotodioder. Disse inneholdes i en lysboks 114 som er montert få halepartiet slik at en laserstråle 115 fra en laserdiode 116 avbrytes av bladene når disse roterer som vist skjematisk ved 117 på figur 14. Hvert blad 111 har en reflekterende strimmel 118 nær spissen, som kan være en aluminiumstrimmel festet til spissen, eller eksempelvis et område med reflekterende glasskorn. Lys som reflekteres fra området 118 mottas av en av flere fotodioder 115 montert i lysboksen, idet oppstillingen av disse strekker seg innenfor det område som er vist med de to piler 121.

Et ikke avbøyd rotorblad 111, dvs. et blad som roterer i det korrekte teoretiske plan, er vist heltrukken på figur 14 og det kan ses at den reflekterte laserstråle 122 mottas av en fotodiode i midten av rekken med dioder.

Dersom på den annen side bladet avbøyes mot halepartiet 113 med en avstand "D" som vist stiplet ved 111, vil den reflekterte laserstråle 123 mottas av en fotodiode som befinner seg nærmere en kant av rekken 119. Dette kan være ganske enkelt på grunn av at refleksjonspunktet 124 befinner seg nærmere lysboksen 114 enn refleksjonspunktet 125 for ved ikke avbøyde blad 111, eller det kan også være på grunn av at avbøyningen "D" avhenger av vinkelavbøyning av bladet omkring navets akse 112, slik at den reflekterende flates 118 plan befinner seg i en vinkel til det ikke avbøyde blads plan.

For eksemplet vist på figur 14 er noen spesielle dimensjoner anført. Rotorbladspissene befinner seg i en radius på 185 cm fra navets akse 112 og det ikke avbøyde bladplan befinner seg i en avstand på 300 cm fra fronten av lysboksen 114 og omtrent 10 cm fra siden av halepartiet 113. Den type avbøyning som kan forventes er formodentlig ikke over 3 til 4 cm, men det optiske arrangement kan være slik at den spesielle fotodiode i rekken 119 med dioder, som mottar den reflekterte stråle 122 eller 123, kan gi en nøyaktig indikasjon på størrelsen av bladets avbøyning.

Et signal kan oppnås ved refleksjon fra en sort flekk eller annen reflekterende flate på rotoren for å kunne virke som et referansesignal til indikering av hver rotoromdreining slik at uttaket fra rekken med fotodioder kan relateres til disse referansesignaler og det kan utføres en identifikasjon av de blader som gir signalene.

Et akselerometer 127 er montert på navlageret og dettes uttak, etter filtrering for å utelukke komponenter ovenfor og nedenfor den grunnleggende frekvens for rotasjonen, kan benyttes for å frembringe en referansesinusbølge som kan relateres til de sykliske pulssignaler fra den sorte flekk eller annen referanse-flate og deretter kan undersøkes av fasevinkelen mellom sinusbøl-getoppene og signalene fra den sorte flekk, gi en indikasjon på størrelsen av den dynamiske ubalanse for halerotoren, ved kjente fremgangsmåter.

Innretningen for måling av størrelsen av ubalansen for en halerotor kan benyttes i kombinasjon med innretningen på figur 1-6 for måling av ubalanse i en helikopter-hovedrotor og for visuell fremvisning av resultatene. Den beskrevne computer kan således motta inngangssignaler fra lysboksen 114 og akselerome-teret 127.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i sammenheng med måling av avbøyningen av bladspisser på en rotor, er det underforstått at den kan benyttes til måling av avbøyninger ved ulike punkter i enhver roterende masse. Eksempelvis kan signalene mottas fra en propellers blader, en viftes blader eller en roterende turbinrotor, eller signalene kunne oppnås fra posisjoner langs en roterende aksel som utsettes for avbøyninger på grunnlag av sentrifugalkrefter og kritiske hastigheter.

Oppfinnelsen er videre vist på figur 3 og 6 i sammenheng med bruk av en dobbelt dopplerfremgangsmåte for å oppnå et signal med fasedifferanse som representerer størrelsen av den komponent som gir reflekser men det vil også være mulig å benytte et pulsfrekvensmodulert bærebølgesignal hvor frekvensen i hver puls er modulert fra starten til slutten av pulsen og amplituden også er modulert. Ved bruk av signaler fra reflekterte pulser ved starten og avslutningen av pulsene, kan størrelsen også fastleg-ges.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av helikopterrotorbladers avbøyning, på grunnlag av signaler som mottas fra bladene (13), hvor signaler som under flyving mottas etter refleksjon fra bladene (13) analyseres av en mottaker (11), for deretter å angi bladenes posisjon, KARAKTERISERT VED at signalene er refleksjoner fra bladene av en elektromagnetisk stråle som er utsendt mot bladene fra helikopterkroppen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å la den reflekterte elektromagnetiske stråle utgjøre inngangen til en computer som beregner bladenes posisjoner under flyvingen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED å benytte et dopplerradarsystem.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED å benytte en laser eller en annen kollimert stråling.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, KARAKTERISERT VED visuelt å fremvise resultatene fra analysen i helikopteret under flyvingen i form av et enkelt bilde (figur 7) som viser alle bladers avbøyninger, eller et enkelt bilde (figur 19) som viser minst ett blads avbøyninger ved ulike lufthastigheter.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED å registrere resultatene slik at det visuelle bilde er tilgjengelig etter avsluttet flyvning, for bruk ved justering av rotoren.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5-6, KARAKTERISERT VED å la de viste posisjoner utgjøre gjennomsnittsposisjoner for de enkelte blader over et antall omdreininger.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 5-7, KARAKTERISERT VED å lagre informasjonen vedrørende helikopteret før flyvningens start og å benytte denne under analysen.

9. Innretning for testing av en helikopterrotor, omfattende en mottaker (11) for stråling som er reflektert fra rotorbladene (13) og en computer innrettet til å beregne de enkelte bladers avbøyninger under rotasjon på grunnlag av mottatt stråling, KARAKTERISERT VED at den omfatter en sender for målrettet elektromagnetisk stråling fra helikopteret mot bladene for refleksjon fra disse.

10. Innretning ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at den omfatter en skjerm for visuell fremvisning, som styres av computeren, for fremvisning av alle bladers avbøyninger i et enkelt bilde (figur 7) eller minst et blads avbøyning ved ulike lufthastigheter i et enkelt bilde (figur 10).