Investigation of Cyclic Rotor Blade Control via Hub Speed Modulation Considering Blade Bending Elasticity

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde ein Simulationsablauf zur Untersuchung der zyklischen Steuerung eines Rotors mittels Modulation der Antriebswinkelgeschwindigkeit entworfen.Anhand eines zweiblättrigen Rotors mit einem Radius von 0.15 m mit passiven, geneigten Schwenkgelenken wurde untersucht, wie sich Gelenksneigung, -exzentrizität, -steifigkeit und -dämpfung auf die Kontrollantwort im Schwebeflug auswirken.Die aerodynamischen Lasten wurden mithilfe von tabellierten Kraftbeiwerten der diskretisierten Rotorblattelemente und eines Pitt-Peters Anströmungsmodells berechnet.Berücksichtigung der Biegeelastizität der Rotorblätter erfolgte durch deren Modellierung als lineare Euler-Bernoulli-Balken.In der Simulation wurden jeweils die ersten vier Biegeeigenformen der Balken als elastische Freiheitsgrade inkludiert.Die Simulation wurde im Mehrkörpersystemdynamikprogramm SIMPACK durchgeführt und die Bestimmung der aerodynamischen Lasten erfolgte durch Kopplung mit dem Aeromechanikprogramm MAECOsim des DLR.Optimale Parametersätze wurden durch Parameterstudien und anschließender Mehrzieloptimierung in Bezug auf Empfindlichkeit auf Steuervorgaben und die resultierenden Schwingungen in den Gelenkskräften an der Rotornabe identifiziert.Außerdem wurde eine Methode zur Trimmung des Rotorsystems entworfen, um Asymmetrien der Schubkraft im statischen Schwebeflug auszugleichen.Die Simulationen ergaben, dass ein zentrales, geneigtes Schwenkgelenk mit einer strukturellen Feder im Gegensatz zu exzentrischen Gelenken geringere Schwankungen in den Kräften an der Rotornabe aufweist, die Qualität der Trimmung sich abseits der Entwurfswinkelgeschwindigkeit allerdings deutlich verschlechtert.Bei exzentrischen Schwenkgelenken liegen höhere Schwankungen in den Kräften an der Rotornabe vor, jedoch bleibt die Qualität des Trimmzustandes annähernd konstant mit variierender Winkelgeschwindigkeit.

In this thesis, a workflow is developed to investigate the method of cyclic rotor control through modulation of the angular velocity of the rotor hub.In particular, a two-bladed rotor of radius 0.15 m, suitable for unmanned aerial vehicle (UAV) applications with passive lag/pitch hinges and a central flap hinge was used to analyse the effect of lag/pitch hinge inclination, eccentricity, stiffness, and damping on the resulting cyclic control response in hover flight.The aerodynamic loads were determined using tabulated force coefficients for the discretised rotor blade elements and a Pitt-Peters inflow model.Bending elasticity of the rotor blades was modelled by abstraction as linear Euler-Bernoulli beams considering the first four bending eigenmodes as respective elastic degrees of freedom.The simulations were conducted in the multibody dynamics (MBD) solver SIMPACK coupled with the aeromechanics tool MAECOsim of DLR.Optimal sets of the considered parameters were identified with regard to responsiveness and minimisation of the oscillations present in the rotor hub reaction forces and moments by means of parameter studies and subsequent multi-objective optimisation.Furthermore, a trimming procedure was devised to reduce thrust asymmetry in hover and thus improve hover performance.The simulations showed that designs featuring a central lag/pitch hinge resulted in lower oscillations of the hub reaction forces but deficiencies in maintaining trim for off-design angular velocities.Designs with eccentric lag hinges were able to maintain trim in off-design conditions at the cost of higher oscillations in the hub reaction forces.