Bewährtes Prinzip neue Form – Warum Rotorblätter einen Knick haben

Wie bereits im vorangegangenen Beitrag [1] erwähnt, eigenen sich hierfür speziell geformte Rotorblätter mit einem Knick [2] im äußeren Bereich. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen im Bezug auf das aeroelastische Verhalten. Dabei spielt insbesondere der dynamische Strömungsabriss eine entscheidende Rolle.  Hierbei handelt es sich um ein aerodynamisches Abrissphänomen, welches an auftriebserzeugenden Flächen auftritt, wenn diese schnelle und große Änderungen des Anstellwinkels erfahren. Dieses Phänomen tritt bei Hubschraubern im Manöver und im schnellen Vorwärtsflug auf. Genauer gesagt an dem Rotorblatt, das sich gerade entgegen der Flugrichtung nach hinten bewegt. Die Folgen dieses Phänomens sind sehr hohe Werte im aerodynamischen Auftrieb, Widerstand und Nickmoment. Dadurch werden Rotorblätter und benachbarte Rotorkopfbauteile sehr hohen Torsions- und Biegemomenten ausgesetzt.

Aeroelastische Experimente an neuartigen Rotorblättern

Aeroelastische Experimente im Allgemeinen haben schon einen relativ komplexen Versuchsaufbau. Will man nun die Aeroelastik von Hubschrauberrotoren experimentell untersuchen, kommt das Messen an einem schnell rotierenden Rotorsystem erschwerend hinzu. Hier bietet die Rotortestanlage Göttingen (RTG) der Abteilung Hubschrauber vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik die Möglichkeit, den dynamischen Strömungsabriss sowie den Schwebe- und leichten Steigflug eines Hubschrauber-Rotors aeroelastisch zu untersuchen, siehe Abbildung 1. Dazu werden die neuartigen Rotorblätter in den Rotorkopf des RTGs eingespannt und mit einer konstanten Geschwindigkeit in Drehung versetzt. Um den dynamischen Strömungsabriss hervorzurufen, durchlaufen die Rotorblätter einmal pro Umdrehung eine definierte Auf- und Abnickbewegung, also ein Auf- und Zudrehen des Nick- bzw. Einstellwinkels (dynamischer Messpunkt). Zur Abbildung des Schwebeflugs oder eines leichten Steigflugs wird hingegen für alle Rotorblätter ein fester Nickwinkel Θ, kollektiver Einstellwinkel genannt, an der Rotorblatteinspannung vorgegeben (stationärer Messpunkt).

Was bisher geschah beim dynamischen Strömungsabriss

Durch Experimente und Untersuchungen mittels numerischer Strömungssimulation in der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass der dynamische Strömungsabriss aerodynamisch äußerst komplex ist. Mittlerweile kann der Wirkmechanismus dieses Phänomens für zweidimensionale Strömungen gut nachvollzogen werden [3,4]. Im dreidimensionalen Fall steigt hingegen die Komplexität deutlich an [5]. Bei Rotorblattversuchen kommen nun zusätzlich zur erhöhten dreidimensionalen Komplexität auch noch radiale Effekte hinzu [6]. Daher muss für aeroelastische Untersuchungen von Rotorblättern eine Vielzahl von verschiedensten Messtechniken kombiniert werden, um ein umfangreiches Gesamtbild der Aerodynamik und der Struktur zu bekommen. Zu den eingesetzten Messtechniken zählen Dehnungsmessstreifen (DMS), optische Marker zur Verformungsmessung, instationäre Drucksensoren, Temperatursensoren, instationäre drucksensitive Farbe, 6-komponenten Waage und Beschleunigungssensoren, genauere Informationen dazu in [7].

Wie wirkt sich der dynamische Strömungsabriss auf die Rotorblattverformung bei neuartigen Rotorblättern aus?

Durch dieses Verformungsverhalten schwingt das Rotorblatt einmal pro Rotorumdrehung auf und ab. Allerdings nicht einfach nur hoch und runter, sondern so wie es in Abbildung 2 (blaue Kurve) zu erkennen ist. Dieser Verlauf setzt sich genauer gesagt aus zwei einzelnen Schwingungen zusammen, die sich überlagern. Eine davon sieht aus wie die rote Kurve in Abbildung 2, das Rotorblatt schwingt einmal hoch und runter. Beim zweiten Schwingungsanteil schwingt das Rotorblatt zweimal hoch und runter während einer Umdrehung. Dieses Verhalten muss in der Auslegung und Konstruktion von Rotorblättern mit bedacht werden, zumal weitere aeroelastische Herausforderungen hieraus resultieren [1]. Diese, mit neuartigen Rotorblättern einhergehenden aeroelastischen Fragestellungen, werden in zukünftigen Rotorversuchen an einem geplanten Gesamthubschrauber Experiment im DLR-Projekt URBAN Rescue mit dem neuartigen Rotorblatt im Niedergeschwindigkeitskanal (NWB) Braunschweig weitergehend untersucht.

Literatur