Aeroelastisches Verhalten einer doppelt gepfeilten Rotorblattspitze bei kollektiven Schubpolaren und Dynamic Stall

Abstract

Lange Zeit waren Rotorblätter mit rechteckiger Planform und parabolischem Endbogen der Standard für kommerzielle Hubschrauber. Allerdings gestaltet es sich mittlerweile schwierig, diese Geometrie hinsichtlich Leistung, Lärm und Vibrationen zu optimieren. Daher wurden in jüngerer Vergangenheit innovative Rotorblatt-Geometrien entwickelt, die kommerziellen Rotorblättern in puncto Leistung ebenbürtig sind, zugleich aber ein geringeres Lärm- und Vibrationsniveau aufweisen. Ein markantes Merkmal der Planform dieser Rotorblätter ist die Doppelpfeilung (Vorwärts- und Rückwärtspfeilung), die für eine Lärm- und Vibrationsreduktion sorgt. Allerdings bringt diese neuartige Planform auch ein verändertes aeroelastisches Verhalten bei kollektiven und zyklischen Einstellwinkeln mit sich. Dieses Verhalten muss untersucht werden und bekannt sein, damit die daraus resultierenden Lasten bei der Auslegung der Rotorblätter sowie am Rotorkopf berücksichtigt werden können. Im Rahmen dieser Dissertation wird das aeroelastische Verhalten eines doppelt gepfeilten Rotorblattes an einem 4-Blatt Rotor bei kollektiven Schubpolaren und unter Dynamic Stall Bedingungen untersucht. Die Messungen wurden in der Rotor Testanlage Göttingen durchgeführt. Dazu wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit ein neuer Rotorblattsatz entwickelt. Die Rotorblätter wurden mit unterschiedlicher Sensorik ausgestattet. Dabei wurden instationäre Drucksensoren zur Messung instationärer Oberflächendrücke eingebaut und Dehnungsmessstreifen zur Messung integraler Blattlasten verwendet. Zudem wurde während der Testkampagne die Blattspitzendeformation (optisch) mit retroreflektierenden Markern ermittelt sowie die flächige instationäre Oberflächendruckverteilung mittels instationärer drucksensitiver Farbe gemessen. Des Weiteren wurde die Entwicklung des Strömungsfeldes und der Blattspitzenwirbel mit Particle Image Velocimetry vermessen. In den verschiedenen Testkampagnen wurden kollektive und zyklische Einstellwinkel in unterschiedlichen Konfigurationen angefahren, um das Strömungsabrissverhalten der Rotorblätter zu verstehen und darauf aufbauend, in Kombination mit Deformations- und integralen Lastdaten, auf das aeroelastische Verhalten schließen zu können. Hierbei hat sich gezeigt, dass das Rotorblatt bei kollektiven Einstellwinkeln einen zweistufigen Strömungsabriss aufweist. Zudem führt das Abrissverhalten bei hohen kollektiven Einstellwinkeln zunächst zu einem Abfall und anschließend zu einem starken Anstieg des Nickmoments. Unter Dynamic Stall Bedingungen zeigt sich ein nicht-lineares Schwingungsverhalten des Rotorblattes in der Schlagbewegung, dies lässt sich auf den phasenverschobenen Strömungsabriss zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Pfeilung zurückführen. Wobei die Nichtlinearität im Schwingungsverhalten als Änderung des qualitativen Blattschlagverlaufs im Vergleich zum Einstellwinkelverlauf beschrieben werden kann. Somit wurde im Rahmen dieser Dissertation festgestellt, dass der aerodynamische Mechanismus für das nicht-lineare Schwingungsverhalten des Rotorblattes in der Schlagbewegung sehr unterschiedlich zum Vorderkanten Dynamic Stall Mechanismus (sich bildender Omega-Wirbel) ist.