Variable rotor speed drivetrain investigation

Abstract

In dieser Dissertation wird die Entwicklung eines übersetzungsvariablen Getriebes zur Variation der Rotordrehzahl eines Drehflüglers beschrieben. Verschiedene Antriebsstrang- Technologien zur Variation der Rotordrehzahl wurden auf ihre Einsatzmöglichkeit untersucht. Das Potential der Drehzahlvariation wurde in verschiedenen Missionen unter Berücksichtigung möglicher Antriebsstrang-Technologien für verschiedene Drehflügler aufgezeigt. Diverse Getriebetechnologien wurden auf ihre Erfüllung der Anforderungen der Drehflügler an den Antriebsstrang untersucht. Für die bestgeeignete Technologie wurde eine funktionelle Fehler Analyse (FMEA) und eine Analyse der Masse und Kinematik durchgeführt und Schaltverhalten und dessen Einfluss auf den gesamten Antriebsstrang simuliert. Ziel der Dissertation war es mögliche Effizienzsteigerung und Flugbereichserweiterung durch Drehzahlvariation des Rotors mittels übersetzungsvariablem Getriebe aufzuzeigen und ein newline Getriebekonzept zu erstellen. Die vier Antriebsstrang- Technologien, Rotortechnologie, Turbinentechnologie, elektrischer Antrieb und Getriebetechnologie, wurden auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Nur die Turbinentechnologie, für kleinere Drehzhalvariationen bis ca 10%, und Getriebetechnologie, für beliebig große Drehzahländerungen besitzen in nächster Zukunft ein Potential. Die Missionsrechnungen haben gezeigt, dass Hochgeschwindigkeits- Hubschrauber, wie Kipprotorflugzeuge, eine Drehzahlvariation von 50% benötigen, aber dabei nur zwei ausgeprägte Rotordrehzahlen, eine zum Schweben, 100%, und eine zum schnellen Vorwärtsflug, 50%. Mehrzweckhubschrauber profitieren am meisten von kontinuierlicher Drehzahlvariation, bei einer Drehzahlvariation von 20% in einer Mission und bis zu 36% über mehrere Missionen. Die Anforderungsanalyse der Getriebetechnologien hat ergeben, dass kombiniertleistungsverzweigte Getriebe diese am besten erfüllen können. Durch diese Getriebe entstehen zusätzliche Risiken, welche durch entsprechende Maßnahmen, wie Freiläufe, kompensiert werden können. Verschiedene Ausführungen der kombiniertleistungsverzweigten Getriebe können anhand der Standübersetzung ihrer Planetengetriebe unterschieden werden. Die Ausführungen haben unterschiedliche Massen abhängig von der Grundübersetzung und der Spreizung des Getriebes. Sowohl Zwei-Gang-Getriebe als auch kontinuierlich übersetzungsvariable Getriebe können mit kombiniert-leistungsverzweigten Getrieben im Drehflügler realisiert werden. Kontinuierliche Übersetzungsvariation ermöglicht einen sanften Übergang zwischen den geforderten Drehzahlen mit geringeren Belastungsspitzen. Dies ist die bevorzugte Variante. Die vorgestellte Forschung ist die Grundlage für die Entwicklung von neuen übersetzungsvariablen Getrieben für Drehflügler. Sie ermöglicht verschiedenen Konfigurationen eine Steigerung der Effizienz und Einsatzenveloppe und kann somit ein Grundstein für eine umweltfreundlichere und effizientere Luftfahrt im Bereich der Drehflügler sein.

The research presented in this thesis focuses on the development of a transmission ratio variable transmission system for rotorcraft to enable a variable rotor speed. Different drivetrain technologies were investigated according to their potential for rotor speed variation. The benefits of rotor speed variation in the context of missions and under consideration of different drivetrain technologies was calculated for different rotorcraft configurations. Transmission systems were rated according to the requirements of rotorcraft on the drivetrain to find the most suitable transmission technology. A functional failure mode and effects analysis was performed for the most suitable transmission system. Furthermore, a kinematic and a mass analysis of the most suitable transmission system was carried out and the influence of the shifting process on the whole drivetrain was simulated. The investigation should show if rotorcraft rotor speed variation as performed by transmission ratio variable transmission systems can improve rotorcraft efficiency and flight envelope. Furthermore, a possible design for a transmission-variable gearbox should be defined. Four rotor speed variation technologies, rotor, electric, turbine and gearbox technology, were investigated according to their usability. Only turbine and gearbox technology are applicable in the near future, the turbine technology for small, about 10%, and the gearbox technology for large variation range. The mission analysis showed that high speed rotorcraft configurations such as tilt rotor need a large rotor speed variation range of about 50% but only two rotor speeds, one for hover and one for fast forward flight. Utility rotorcraft configurations gain most benefits from continuous rotor speed variation. The variation range within one mission is about 20% and about 36% if more missions are taken into account. Compound split transmission systems are most suitable for rotor speed variation according to the requirements analysis. The failure mode and effects analysis showed that there are additional risks with this new technology but they can be negated with additional compensation actions like free wheel clutches. The mass and kinematic analysis showed that compound split configurations can be distinguished by their stationary transmission ratio of the planetary gears and that they have a different mass depending on the basic transmission ratio and the transmission ratio variation. The simulation of the shifting process showed that in principle a two-speed and a continuous-variable transmission ratio variation is possible with a compound split. The continuous-variable transmission ratio variation enables a smooth transition and less load peaks on the drivetrain. Therefore, this is the preferable variant. The research in this thesis is the basis for the development of a new variable transmission ratio drivetrain system for rotorcraft. It enables different rotorcraft configurations to increase their flight envelope and efficiency. This could be one corner stone for a more ecologically efficient rotorcraft aviation.