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Wann zerreißt es einen Rotor ?
In letzter Zeit, werde ich immer häufiger von Piloten mit der Frage konfrontiert: " Ich möchte auf meinem großen Hubschrauber einen Rotordurchmesser von 2,20m oder mehr betreiben, welche Drehzahl würden sie mir empfehlen und hält ihr Mehrblattkopf diese Kräfte auch aus."
Das führt natürlich zu Rückfragen wie, welche Art von Rotorblätter werden genutzt, wo liegt bei welcher Masse ( Gewicht ) der Blattschwerpunkt, um über die Fliehkraftberechnung die Zugkraft in Newton zu errechnen.
F = Masse * Radius Scherpunkt * Omega ²
Beispiel: Ein Rotorblatt 820 mm lang, wiegt 260 Gramm, der balancierte Schwerpunk liegt bei 470 mm ab Bohrung plus Radius Rotorkopf = 120 mm, also ist r = 590 mm
Nun haben wir die Masse mit 0,26 kg und den Radius mit 0,59 m
Es fehlt noch Omega zum Quadrat, und so wird nun gerechnet: 2 * 3,14 * Drehzahl / 60 das Ergebnis dann mit sich selbst multipliziert.
Bei dem hier vorhandenen Rotordurchmesser von 1,88 m, sind Blattspitzengeschwindigkeiten von 100 bis 130 m/s anzustreben. Das ergibt eine Kopfdrehzahl von ca. 1.300 U/min
2 * 3,14 = 6.28 * 1.300 = 8.164 / 60 = 136 * 136 = 18.496 18.496 * 0,26 (Masse) = 4.809 * 0,59 ( Radius) = 2.837 N
Die Fliehkraft beträgt also 2.837 N bzw. 283,7 kg
Bei der Entwicklung der Rotorköpfe habe ich eine 3fache Sicherheit zugrunde gelegt, das heißt, der Kopf muss mindestens 8.500N aushalten, was man nicht von allen heute im Umlauf sich befindenden Köpfen annehmen kann.
Aber ein alter Spruch sagt: " Probieren geht über Studieren", das heißt, es müsste der Beweis für die Richtigkeit der Theorie geführt werden.
Wie geht das denn ???
Ganz einfach die komplette Einheit ( Kopf und Blatt) kommt in eine Zerreiß Maschine.
Herr Jahn vom der Firma M-Blades war so freundlich für diesen Test ein Einzelnes
Alu-Rotorblatt zur Verfügung zu stellen.
Das Ganze wurde mit einem Zweiblattkopf verschraubt und in diese mit brachialer Gewalt ziehende Maschine einerseits mit einer 12mm Rotorwelle und andererseits das arme Rotorblatt in ein Schraubstockähnliches Gerät gespannt.
Wenn die Maschine nun beginnt zu ziehen, wird in einem Diagramm die Materialdehnung und die aufgewandte Kraft aufgezeichnet und zwar so lange bis irgendetwas zerreißt.
Wie man nun erkennt, reißt erst, bei der selbst für mich verblüffenden Kraft von ca. 13 kN das Alu-Rotorblatt, das sind enorme 1.300 kg, oder 1,3 t also eine doch fast 4,5 fache Sicherheit.
Das gilt natürlich erst nur fürs Rotorblatt, die Festigkeit des Rotorkopfes wird noch deutlich höher sein, ich habe mir erlaubt diesen nicht auch noch zu zerreißen, es schmerzt zu sehr.
Die im Diagramm zu erkennenden Kraftsprünge resultieren aus einem kurzen Rutschen des Blattes in den Haltebacken.
In der Praxis wird auch das Rotorblatt später zerreißen, denn der Bruch trat kurz hinter der Einspannung auf, was an dieser Stelle zu einem Festigkeitsverlust führt.
Ich möchte an dieser Stelle gerne jedem Rotorkopf-Konstrukteur und Möchtegernerfinder dringend anraten, umfangreiche Berechnungen über Material-Art, Festigkeit und Dimensionierung anzustellen, denn allzu leicht schleichen sich zB Kommarechenfehler oder Fehlbewertungen ein.
Als Abschluss bleibt noch zu sagen, nicht ohne Grund haben alle meine Rotorköpfe ein gedämpftes Schlaggelenk das zu einem ausgewogenem Flugverhalten führt aber auch und das ist nicht unwichtig die auftretenden Wechselbiegebelastungen durch das Rotormastmoment dämpft.
Hier ist auch zu erwähnen dass fast 90% aller Schwingungen die zu beobachten sind ihre Ursache im Rotorsystem haben, Rotor- und Blattlagerwelle mit Schlag, asymmetrische und nicht richtig balancierte Paddel aber auch nicht schwerpunktoptimierte Rotorblätter.
Den Rotorblättern ist besondere Aufmerksamkeit zu schenken, sind diese in Schlagrichtung ungleich verbogen, führt das zu Spurlaufproblemen, korrigiert man diesen, laufen die Schwerpunkte der Blätter nicht mehr in einer Ebene und es setzen Schwingungen ein die schon vor dem Abheben durch Boden- Resonanz zur Selbstzerstörung führen können, und wenn nicht, ist der Trampelenten-Effekt auch nicht gerade schön anzusehen.
Die Hughes 500 ist diesbezüglich ein ganz besonders sensibles Gerät und ein erbarmungsloser Schwingungsanzeiger am Heckausleger und Leitwerk.
Hat ein Rotorkopf nun Schlaggelenke werden diese Effekte zwar nicht eliminiert aber doch erheblich reduziert, außerdem bringen sie im schnellen Vorwärtsflug noch Vorteile auf die ich hier aber nicht eingehen will, es würde zu langatmig für den Leser. Es wird immer unterschätzt das je größer unsere Helis werden, auch die gleiche Problematik wie bei unseren großen Brüder immer mehr zum Tragen kommt.
Günter Knipprath
www.peka-hughes.de
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