Massenoptimierung eines Antriebsstrangs mit Compound-Split-Getriebe für drehzahlvariable Drehflügler

Abstract

Die Diplomarbeit ist Teil des transnationalen Forschungsprojekts VARI-SPEED. Ziel des Projekt ist die Entwicklung von Helikoptern mit drehzahlvariablem Hauptrotor um den Leistungsbedarf im Betrieb zu verringern und dadurch einen Beitrag zu einer modernen und ökologisch effizienten Luftfahrt zu leisten. Dafür wird an einem drehzahlvariablen Antriebsstrang und einem dafür geeigneten Rotorsystem für verschiedene Rotorkonfigurationen geforscht. Die Massenoptimierung des drehzahlvariablen Antriebsstrangs unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads ist Gegenstand dieser Arbeit. Ein Masseabschätzungsmodell für zwei unterschiedliche Sikorsky UH-60A Black Hawk Antriebsstrangarchitekturen wurde kreiert, welches die Verzahnungsmasse der Antriebsstrangkomponenten von Freilauf bis Hauptrotor berechnet. Die Verzahnung des Heckrotorabtriebs im Hauptgetriebe wurde ebenso in das Modell inkludiert. Die Architektur 1 besitzt ein Modul zur Drehzahlbzw. Übersetzungsvariation, genannt "Variationsmodul". Es ist im Antriebsstrang direkt nach der Kegelradstufe in Hauptrotornähe positioniert. Die Architektur 2 arbeitet mit zwei Variationsmodulen direkt vor der Kegelradstufe, also in Turbinennähe. Diese Variationsmodule sind Getriebe mit Leistungsverzweigung in Compound Split Konfiguration bestehend aus zwei Planetengetrieben mit hydraulischen Maschinen als Variatoren. Unterschiedliche Übersetzungskombinationen der Getriebestufen und der Variationsmodule wurden untersucht um die minimalen Massen der Antriebsstränge beider Architekturen zu finden. Beide optimierten Architekturen wurden im Detail modelliert um die Ergebnisse zu validieren. Die Diplomarbeit soll die Frage beantworten, ob die Masse des Variationsmoduls einen dominierenden Einfluss auf die Antriebsstrangmasse hat, oder ob die Massen anderer Getriebekomponenten in die Massenoptimierung miteinbezogen werden müssen. Weiters soll untersucht werden ob sich Verzahnungswirkungsgrad oder Masse stärker auf die Gesamteffizienz auswirken. Es konnte gezeigt werden, dass ein massenoptimierter Compound Split nicht zwangsläufig einen massenoptimierten Antriebsstrang bedingt. In vielen Fällen besitzt der Compound Split im Massenminimum des Antriebsstrangs nicht die minimal mögliche Masse. Die Architektur hat ebenfalls Einfluss auf die Masse. Weiters konnte eruiert werden, dass die Massenoptimierung des mechanischen Pfads nicht zwangsläufig zur besten Lösung führt. Auch die Komponenten des Variatorpfads müssen in die Massenoptimierung miteinbezogen werden. Außerdem ist die Betrachtung des Verzahnungswirkungsgrads wichtig für den Optimierungsprozess. Der Verzahnungswirkungsgrad kann mehr Einfluss auf die Effizient des Helikopters haben als die Antriebsstrangmasse.

The research described in this paper is part of the international research project VARISPEED. The aim of the project is to enable main rotor speed variation for helicopters to reduce the required propulsion power, which enables a modern and ecologically efficient aviation. Therefore a transmission-ratio-variable drivetrain and a suitable rotor system for different rotorcraft configurations are under investigation with respect to certification requirements. The mass optimisation of the transmission-ratio-variable drivetrain is the focus of this thesis. A mass estimation model for two different Sikorsky UH-60A Black Hawk transmission system architectures was set up, calculating the mass of gear wheel sets from the free wheel clutch of the main-gearbox-input-shaft to the rotor-shaft and the taildrive-shaft. The first architecture includes a single module for transmission ratio/speed variation, called “variation module”. It is located close to the main rotor shaft. The second architecture contains two variation modules, each located directly after the free wheel clutch and therefore close to the turboshaft engine. These variation modules for ratio respectively speed variation are based on a continuously variable compound split transmission system, consisting of epicyclic gear sets in the power path and hydrostatic engines in the variator path. Various transmission ratios of the gear wheel sets and the variation module were examined to obtain the minimal mass of the transmission system architectures. Each optimised architecture was designed in detail to validate the results. The research should answer the question, if the mass of the variation module variant is the dominating factor for mass optimisation or if other transmission elements of the transmission system architecture have a higher impact. Furthermore it should be discussed, if the changes in the efficiency of the transmission system architecture have a higher impact than the differences in mass of the transmission system architecture. It could be shown that a mass optimised variation module is not equal to a mass optimised transmission system architecture. In some cases it is better to choose a heavier variation module to reach a transmission system architecture with the lowest mass. Also the transmission system architecture has an inuence on the result. Furthermore, it was figured out that the optimisation of the variation modules power path does not necessarily lead to the optimal solution. The variator path and its components must also be considered in the mass optimisation. Moreover, the efficiency must be considered in the optimisation process. Even if the mass of one variant of the transmission system architecture is smaller, the helicopter performance could be lower than with a heavier architecture because of the additional power losses in the transmission.