Moderne Helikopter werden in der Regel von einem Wellenleistungstriebwerk angetrieben. Dessen Ausgangsleistung dient nicht unmittelbar der Schuberzeugung, sondern wird mechanisch über ein Getriebe an den Rotor übertragen. Ein Wellenleistungstriebwerk besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Gasgenerator und der Leistungseinheit. Die Leistungseinheit besteht mindestens der Nutzleistungsturbine und einer Transmissionswelle, der je nach Hubschrauber-Konfiguration und Solldrehzahl der Antriebswelle ein Untersetzungsgetriebe nachgeschaltet ist. Abhängig vom Entwurf können auch die Zusatzgeräte (Kraftstoff- und Ölpumpen, Starter, Generator) entweder direkt durch den Gasgenerator oder durch die Nutzleistungsturbine über ein gesondertes Getriebe für Hilfsgeräte betrieben werden. Die wesentlichen Randbedingungen für die Entwicklung von Turbinenwellen für Helikopter sind Betriebskosten, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistung. Vom Standpunkt der Kraftübertragung ist die mechanische Leistungsdichte (Leistung pro Gewicht) eines der wichtigsten Entwurfskriterien. In den siebziger Jahren konnte die Leistungsdichte durch das Konzept der Freifahrtturbine (Arriel) sowie durch die Entwicklung neuer Technologien und Materialien um 40% gegenüber den Turbinen der ersten Generation erhöht werden, bei denen Generator und Nutzleistungsturbine fest aneinander gekoppelt waren (Maschinen von Artouste und Astazou). Die Drehzahl der Freifahrturbine ist ein wichtiger Parameter zur Leistungssteigerung von Wellenleistungsturbinen. In darauf folgenden 20 Jahren konnte die Leistungsdichte von Wellenleistungsturbinen unter anderem durch folgende Maßnahmen um weitere 20% gesteigert werden: verbesserter Überdrehzahlschutz, höhere Drehmomentgenauigkeit, integrierter Öltank. Aktuelle F & E-Aktivitäten zielen auf eine Steigerung der Leistungsdichte um mehr als 10%. Allerdings ist die Turboleistungsdichte auch vom von der Ausgangsleistung abhängig. Bei Wellenleistungsturbinen mit geringerer Leistung machen sich nichtlineare Größeneffekte (Gehäusewandstärke, vorgegebener Mittenabstand, Abmessungen der Zusatzgeräte ...) negativ zu Buche. Der Entwurf des Getriebes einer Wellenleistungsturbine besteht in einem Kompromiss zwischen zahlreichen Anforderungen und Randbedingungen. So muss der Entwurf zahlreichen unterschiedlichen Spezifikationen und Betriebsbedingungen des jeweiligen Hubschraubers und einer Reihe von Flugtauglichkeitskriterien genügen. Außerdem ist die Auswirkung von Reparaturen auf das Betriebsverhalten beim Entwurf zu berücksichtigten. Wegen der Beanspruchung der Getriebekomponenten durch Zentrifugalkräfte und Wechsellasten sowie der Notwendigkeit der Gewichtsminimierung können standardisierte Entwurfsmethoden nicht angewandt werden; hier muss auf Betriebserfahrungen zurückgegriffen werden. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen wurde ein einstufiges Untersetzungsgetriebe für Hubschrauber mit Wellenleistungsturbinen konzipiert. Auf Basis des Konzepts wurde ein Demonstrator zur Erprobung neuer, ausgereifter Technologien und Materialien für die neue Generation von Hubschrauberantriebssystemen entwickelt, wie: Magnesiumgehäuse (WE43), Titan-Antriebswellen, verbesserte aufgekohlte und nitrierte Zahnradwerkstoffe, Optimierung von einstufigen Getrieben und Lagern Der Demonstrator wurde umfassend getestet (Vibrations- und Temperaturmessungen, Zertifizierungstest über 150 Stunden, Überdrehmoment, AMT-Dauertest). Die erfolgreich erprobten Technologien wurden bei der Entwicklung neuer Antriebe verwendet (ARDIDEN und ARRANO).
Power transmission of turboshaft engines for helicopters. An overview of the state of the art
Leistungsübertragung bei Wellenleistungsturbinen in Helikoptern. Überblick über den Stand der Technik
2013
9 Seiten, Bilder
Conference paper
English
The Control of Turboshaft Engines in Helicopters
SAE Technical Papers | 1965
|To a Question about Helicopters Turboshaft Engines Sand Erosion Protection
British Library Conference Proceedings | 1995
|Turbofan/Turboshaft Powerplant for Composite Helicopters
SAE Technical Papers | 1967
|Contingency power for small turboshaft engines
AIAA | 1989
|Contingency power for small turboshaft engines
NTRS | 1989
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