Smart Actuation Mechanisms for Helicopter Blades

172 Pages·2013·8.18 MB·English

by  Alexandre Paternoster

Design Case for a Mach-scaled Model Blade
SMART ACTUATION MECHANISMS
FOR HELICOPTER BLADES
DESIGN CASE FOR A MACH-SCALEDMODEL BLADE
Alexandre René Alain Paternoster
De promotiecommissie isalsvolgtsamengesteld:
Voorzitterensecretaris:
Prof.dr. F. Eising UniversiteitTwente
Promotoren:
Prof.dr.ir. A.deBoer UniversiteitTwente
Prof.dr.ir. R.Akkerman UniversiteitTwente
Leden:
Em.prof.dr.ir. J.vanAmerongen UniversiteitTwente
Prof.dr.ir. H.Hoeijmakers UniversiteitTwente
Prof.dr.ir. F.vanKeulen DelftUniversityofTechnology/3mE
Dr.ir. R.Loendersloot UniversiteitTwente
Dr.ingP.Wierach GermanAerospaceCenter
The work described in this thesis was performed at Applied Mechanics group of
the Faculty of Engineering, University of Twente, P.O. Box 217, 7500AE Enschede,
The Netherlands.
This research project was suported by the Clean Sky Joint Technology Initiative –
GRC1 Innovative Rotor Blades Integrated Technology Demonstrator (grant
number [CSJU-GAM-GRC-2008-001]9), which is part of the European Union’s 7th
FrameworkProgram(FP7/2007-2013).
SmartActuationMechanismsforHelicopterBlades
Paternoster,AlexandreRenéAlain
PhDThesis, UniversityofTwente,Enschede,TheNetherlands
February2013
ISBN978-90-365-3513-7
DOI 10.3990/1.9789036535137
Keywords: helicopter blade,piezoelectric,actuation,Gurney flap,designoptimisa-
tion, multi-domainmodelling.
Copyright c 2013byA.R.A.Paternoster,Enschede,TheNetherlands.
(cid:13)
This thesis was typeset in LATEX by the author and printed by Ipskamp Drukkers
B.V.,Enschede,The Netherlands.
Onthecover: RepresentationoftheflowaroundahelicopterbladewithaGurneyflap.
DesignbyAlexandrePaternoster&CharlèneDanoux.
SMART ACTUATION MECHANISMS
FOR HELICOPTER BLADES
DESIGNCASEFORAMACH-SCALEDMODELBLADE
PROEFSCHRIFT
terverkrijgingvan
degraadvandoctoraandeUniversiteitTwente,
opgezagvanderectormagnificus,
prof.dr. H.Brinksma,
volgensbesluitvanhetCollege voorPromoties
inhetopenbaarteverdedigen
op donderdag28februari2013om12.45uur
door
Alexandre René Alain Paternoster
geborenop28september1985
teLomme inFrankrijk
Ditproefschriftisgoedgekeurddoordepromotoren
Prof.dr.ir. A.deBoer
Prof.dr.ir. R.Akkerman
Summary
Today’s helicopters are the result of collaborative work in mechanical engineering
and aeronautics. The European project “Clean Sky” aims at improving the
efficiency and the global transport quality of aircraft. In the field of rotorcraft, the
research in this project is currently focussing on active blade systems to adapt
the aerodynamic properties of the blade to the local aerodynamic conditions.
Fuel-efficiency, reduction of vibration and noise and increase of the helicopter
maximum speed are the benefits expected from these new technologies. To
envision the implementation of these innovative blade concepts, this thesis
investigatestheselectionprocessforactuators,themethodstodesignandoptimise
actuation systems and the procedures to validate them through simulations and
testing.
Integratinganactuationsysteminhelicoptersisespeciallydifficultbecauseofa
combination of challenges. To begin with, these include the tremendous loads
due to the rotation of the blade, the limited space available, and constraints
regarding durability. Secondly, the impact that the actuation system will have on
the rotor blade behaviour has to be taken into account. And lastly, integrating
the component inside the actual structure of a rotor blade should be feasible. A
system basedon piezoelectricactuatorsprovidesa potentialsolution tomeetthese
challenges. A selection process has been established in Chapter 2 to match an
actuation technology to application requirements. For the actuation of helicopter
active systems, high performance “Macro Fibre Composite” actuators and Physik
Instrumente patch d actuators turned out to be the best choice. The tests
33
discussed in Chapter 3 showed the superior properties of the d patch actuator
33
v
vi SUMMARY
fromPhysikInstrumente forthepurpose ofintegrationinsidearotorblade.
Among many of the smart blade concepts under development, the active Gur-
ney flap is considered in the framework of the Clean Sky Innovative Technology
Development project “Green Rotor Craft”, for its potential impact on the blade
performance and technology readiness. Activelydeploying the Gurney flap on the
retreating side of the helicopter increases the lift of the rotorcraft and its overall
performances. To validate this technology, numerical studies and wind-tunnel
testing on reduced-scale rotor blades are necessary. The procedures detailed in
this work are applied to the design of an actuation system to fold and deploy a
Gurney flap for a Mach-scaled rotor blade. Additional challenges arose due to the
reduction in size: the centrifugal acceleration is increased and the space available
inside thebladeisdrasticallyreduced.
Computational Fluid Dynamic simulations are performed in the first step of
the design procedure to obtain the aerodynamic loads on the Gurney flap for
variousrealisticcombinationsofdeploymentlevels,orientationsofthebladeinthe
flow and airspeeds (Chapter 4). Secondly, the design of the actuation mechanism
is performed using a two-step approach: (1) computer generated topologies are
analysed to find a suitable initial geometry; (2) an optimisation is carried out to
maximise the displacement and force of the structure integrating a piezoelectric
patch actuator. The resulting structure presents the characteristic shape of a “Z”
(Chapter 5). It converts the strains generated by the piezoelectric actuator into
relatively large displacements and delivers sufficient mechanical work at the
trailing edge, where the Gurney flap is positioned. Finally, Chapter 6 describes
how the mechanism is refined and connected to the Gurney flap to fully deploy
andretracttheflap.
A multi-domain numerical validation of the mechanism is done in Chapter 7.
The aerodynamic modeliscombined witha multi-bodysimulation and anelectro-
mechanical finite element simulation to assess the performance of the mechanism
during actual operation. The mechanism achieves sufficient authority to fold and
deploy the Gurney flap under external loads caused by the rotation of the blade
and the aerodynamic loads. Chapter 8 concludes this work with the prototyping
of a z-shaped structure and a successful experimental verification of the geometry
motion.
Thez-shapedactuationmechanismdevelopedinthisthesisdemonstratedgreat
capabilities and ease of integration, while highlighting the potential of piezo-
electric components in actuation systems. The development of these innovative
technologies providessolutions forimplementingactuationintheverydemanding
environmentsencounteredintheaeronauticfieldandwillhelpthenextgeneration
of smartrotorcrafttotakeoff.
Samenvatting
Moderne helikopters zijn het resultaat van een nauwe samenwerking tussen de
disciplines werktuigbouwkunde en luchtvaarttechniek. Het Europese project
“Clean Sky” heeft als doel het verbeteren van de efficiëntie en de algemene
transportprestaties van vliegtuigen en helikopters. Het onderzoek op het gebied
van helikopters is in dit project momenteel sterk gericht op actievesystemen in de
rotorbladen. Deze systemen zijn in staat om de aerodynamische eigenschappen
aan te passen aan de lokale stromingscondities. De verwachting is dat deze
ontwikkeling zal leiden tot een reductie in het brandstofverbruik, geluids- en
trillingsonderdrukking eneen toename van de maximale snelheid van helikopters.
Het doel van dit proefschrift is een methode aan te reiken om deze innovatieve
systemen te kunnen implementeren. Er wordt ingegaan op de selectieprocedure
van actuatoren, het ontwerp en het optimaliseren van het actieve systeem en het
uitvoerenvanvalidatieentestprogramma’s.
De integratie van actieve systemen in helikopter rotorbladen is bijzonder
uitdagend door een combinatie van factoren. Hiertoe behoren onder andere
de enorme krachten als gevolg van de rotatie van het blad, de zeer beperkte
ruimte die ter beschikking staat en de eisen ten aanzien van de duurzaamheid
en betrouwbaarheid van de systemen. Tevens moet het effect van het actieve
systeem op de prestaties van het blad worden meegenomen en dient deze, in
het ideale geval, minimaal te zijn. Vervolgens moet een dergelijk systeem goed
zijn te integreren in de bestaande structuur van het blad. Op piezoelektrisch
materiaal gebaseerde actuatiemechanismen hebben de potentie om aan deze
eisen te voldoen. Hoofdstuk 2 beschrijft een selectieprocedure die dient om
vii
viii SAMENVATTING
de beste actuatortechnologie te koppelen an een gegeven pakket van eisen.
In het geval van actieve systemen in rotorbladen van helikopters bleken de
“Macro Fibre Composite” actuator en de zogenaamde d -patch-actuatoren van
33
Physik Instrumente de beste keus ten opzichte van andere actuatietechnologiën.
Hoofdstuk 3 beschrijft een experimentele evaluatie van deze patch-actuatoren
waaruit blijkt dat de d -actuator van Physik Instrumente de beste keuze is voor
33
gebruikineenrotorblad.
Van alle actieve-bladsystemen die momenteel in ontwikkeling zijn, is de
“Active Gurney Flap” geselecteerd in het kader van het Clean Sky Innovative
Technology Development project “Green Rotor Craft”, vanwege de positieve
invloed op het aerodynamisch gedrag van het blad en omdat deze techniek zich
in een vergevorderd stadium van ontwikkeling bevindt. Het uitklapen van de
Gurney Flap tijdens de teruggaande beweging van het blad verbetert de lift van
het blad en de algehele prestatie ervan. Numerieke studies en windtunnel
experimentenvaneenschaalmodelzijnnodigomdezetechniektevalideren. Dein
dit proefschrift aangedragenprocedures worden toegepast op een actuatiesysteem
dat een Gurney Flap bedient op een Mach-geschaald rotorblad. Extra uitdagingen
ontstaan door het verkleinen van het rotorblad: de centrifugale belastingen nemen
toe tot extreme waardesen de beschikbare ruimte binnen het blad wordtdrastisch
verkleind.
Numerieke aerodynamicamodellen zijn gebruikt in de eerste stap van de
ontwerpprocedureomdeaerodynamischekrachtenteverkrijgendieopdeGurney
Flap werken onder verschillende realistische combinaties van uitklapniveau’s
van het mechanisme, stromingsrichtingen en vliegsnelheden (Hoofdstuk 4).
Vervolgens wordt in een tweestapsbenadering een mechanisme ontworpen: (1)
Talloze door de computer gegenereerde configuraties worden geanalyseerd
om een geschikte topologie te krijgen; (2) Een optimalisatie van het ontwerp
wordt uitgevoerd om de verplaatsing en de actuatiekracht te maximaliseren,
gebaseerd op een geïntegreerde piezoelektrische patch-actuator. Het resultaat is
een constructie in de vorm van een “Z” (Hoofdstuk 5). Dit mechanisme vergroot
de door het piezoelementgegenereerderektot een relatiefgrote verplaatsingen is
in staat om voldoende arbeid te leveren op de locatie waar de Gurney Flap is
gepositioneerd. Als laatste wordt in Hoofdstuk 6 nader uitgelegd hoe de details
van het mechanisme zijn ontworpen en hoe het mechanisme is verbonden met de
GurneyFlap,zodatdezevolledigkanwordenin- enuitgeklapt.
Een multi-domein numerieke validatie van het mechanisme wordt besproken
in Hoofdstuk 7. Het aerodynamische model is gecombineerd met een multi-body
simulatie en een electro-mechanisch eindiger-elementensimulatie om de prestaties
van het mechanisme te beoordelen in een werkelijke situatie. Het mechanisme
presteert voldoende om de Gurney Flap in- en uit te klappen, terwijl deze
onderhevig is aan de krachten die worden opgewekt door de luchtstroom en de
hoge centrifugaleversnellingen. InHoofdstuk8wordtditwerkafgeslotenmeteen
prototype ontwerp van het z-vormige mechanisme. De verplaatsingen binnen het
ix
mechanisme wordenzoopexperimentelewijzegevalideerd.
Het z-vormige mechanisme dat in dit werk is ontworpen vertoont uitstekende
prestaties en is eenvoudig in het blad te integreren. Tevens demonstreert het de
potentie van piezoelektrisch materiaal in actuatiemechanismen. Het ontwikkelen
van dergelijke innovatieve technologiën biedt oplossingen voor de implementatie
vanactuatiesystemenindeveeleisendeluchtvaartindustrieenzalmedezorgdragen
datdevolgendegeneratieslimme helikoptershetluchtruimzalkiezen.