Untersuchung der Anwendbarkeit verschiedener Getriebetechnologien in Drehflüglern

Abstract

Hubschrauber sind derzeit nur für eine bestimmte Rotordrehzahl ausgelegt. Einige Studien versprechen bei einer Veränderung der Rotordrehzahl eine Steigerung der Effizienz und die Erweiterung der Einsatzenvelope des Hubschraubers. Zwei Technologien, die Turbinen- und Getriebetechnologie, bieten das Potential die Rotordrehzahl, um bis zu 50 %, zu variieren. Diese Arbeit dient dazu, übersetzungsvariable Getriebetechnologien aus verschiedenen Bereichen und mit unterschiedlichen Wirkprinzipien zu ermitteln. Es wurden ausgeführte Getriebe, die auf Formschluss, Kraftschluss, Hydrodynamik, Hydrostatik und Elektrik basieren, recherchiert und deren Eigenschaften bzw. Vor- und Nachteile ermittelt. Anschließend wurden ausgeführte Getriebe auf die Leistung eines CS29 Hubschraubers skaliert und anhand der Parameter Leistung und Gewicht bewertet. Um einen funktionalen Zusammenhang zwischen Leistung und Gewicht herzustellen, wurde die Methode der Regressionsanalyse verwendet. Der Extrapolationspunkt liegt weit außerhalb der zugrunde liegenden Datenpunkte und ist daher nicht zuverlässig. Jedoch wird ein erster Trend ersichtlich und es konnten bereits kraftschlüssige und P.I.V.-Getriebe aufgrund des hohen Massenzuwachses ausgeschlossen werden. Formschlüssige Getriebe eignen sich aufgrund des geringen Gewichts für den geplanten Einsatz in Hubschraubern. Für den Betrieb im Hubschrauber ist es essentiell, dass die Leistungsübertragung im Flug nicht unterbrochen wird, auch nicht im Schaltvorgang. Aufgrund dessen wurden zwei Getriebe, ein Stufenlos- und ein Doppelkupplungsgetriebe, in MATLAB bzw. Simulink modelliert und der Schaltvorgang simuliert. In der Simulation traten hohen Drehzahlschwankungen im Schaltvorgang auf. Während des Gangwechsels im Doppelkupplungsgetriebe, wird bei langer Schaltdauer sehr viel Reibenergie in Form von Wärme in die Kupplungen eingebracht. Das stufenlose Getriebemodell ermöglicht einen sanfteren Übergang zwischen den Übersetzungen. Zum Schluss wurden alle Technologien auf ihre Anwendbarkeit in Drehflüglern untersucht. Parallel dazu wurde die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau mit der Recherche zu einem Stufenlos- und Stufengetriebe für den Einsatz in Hubschraubern beauftragt. In einem gemeinsamen Workshop wurden leistungsverzweigte Getriebe, die auf Planetengetrieben basieren und Zwei-Gang-Planetengetriebe als jene mit dem größten Potential für die Anwendbarkeit in Hubschraubern bewertet. Die gesamten Ergebnisse mit den Bewertungen wurden in einer Matrix zusammengefasst. Bei allen Konzepten spielt die Ausfallsicherheit eine große Rolle. Dies ist ein wesentlicher Aspekt für die Zertifizierung.

Helicopters are currently designed for one certain rotor speed only. Some studies promise an increase in efficiency and the expansion of the helicopters' flight envelope if the rotor speed is variable. Two technologies, turbine and transmission technology, offer the potential to vary the rotor speed up to 50 %. This work is intended to identify variable speed transmission technologies used in different areas based on various principles. Positive-fit, force-fit, hydrodynamic, hydrostatic and electric transmissions were investigated and their characteristics with all their advantages and disadvantages were determined. Afterwards the transmissions were scaled to the performance of a CS29 helicopter and evaluated against the parameters power and weight. In order to draw a functional relationship between power and weight, the method of regression analysis was used. The extrapolation point is far beyond the used data set and it is therefore not reliable. However, a first trend is apparent and force-fit and P.I.V. transmissions were excluded due to the high mass increase. Positive-fit transmissions are suitable due to the low weight for the intended use in helicopters. For the operation in a helicopter it is essential that the power transfer is not interrupted during flight or during the switching process. As a result two transmissions, a continuous variable and a double clutch transmission, were built in MATLAB's Simulink Environment and the process of shifting gears was simulated. During the simulation high speed fluctuations occurred in the switching process. Long shifting durations caused very high friction energy dissipated as heat in both clutches. The continuous variable transmission allows a smooth transition. Finally, all technologies have been investigated for their applicability in rotorcraft. At the same time the Gear Research Centre (FZG) was instructed to identify staged and continuous variable concepts for the use in helicopters. During a workshop power-split transmissions, based on planetary gears and two-speed planetary gearboxes were evaluated as those with the greatest potential for applicability in helicopters. The whole results were summarized in a matrix. For every concept the reliability plays a major role. This is an essential aspect for the certification.