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Untersuchung der Rotorblattspitzenwirbel

DLR Hubschrauber BO105

Messaufbau zur Particle Image Velocimetry am Hubschrauberhauptrotor

Gemessene Wirbeldichte eines Blattspitzenwirbels

Die Umströmung der Rotorblattspitze ist geprägt durch das dreidimensionale Einrollen der Strömung infolge des Druckunterschiedes zwischen Blattober- und –unterseite zum sogenannten Blattspitzenwirbel. Die spiralförmigen Blattspitzenwirbel sind die auffälligsten Merkmale des Nachlaufs von Rotoren und dominieren beim Hubschrauber die Interaktion des Rotornachlaufs mit weiter stromab befindlichen Bauteilen wie z.B. dem Heckausleger oder dem Heckrotor. Aufgrund ihrer Einflussnahme auf Aerodynamik, Aeroakustik und Strukturdynamik stellen Blattspitzenwirbel ein wichtiges Strömungsphänomen im Bereich der Hubschrauberumströmung dar, das auch für die Entwicklung zukünftiger Hubschrauber von großem Interesse ist.

In der Abteilung erfolgt die vorrangig experimentelle Untersuchung von Blattspitzenwirbeln sowohl mit grundlegenden Experimenten am Rotorversuchsstand in Laborumgebung als auch mit großskaligen Windkanalmessungen am voll ausgerüsteten Hubschrauber-Windkanalmodel. Die Arbeiten finden in enger Kooperation mit dem Institut für Flugsystemtechnik statt und sind in das DLR-Projekt ACTOR sowie in internationale Projekte wie z.B. GOAHEAD, HART-2 und STAR eingebunden. Darüber hinaus findet die Untersuchung der Blattspitzenwirbel auch in aufwendigen Flugversuchen mit dem DLR-Hubschrauber BO105 im europäischen Projekt AIM statt.

Ziel der zahlreichen Untersuchungen ist das Verständnis der Strömungsvorgänge bei Entstehung, Alterung und Interaktion der Blattspitzenwirbel. Hierbei ist insbesondere die Entwicklung der Wirbel im Nahfeld des Blattes von großem Interesse, da die in diesem Bereich gewonnen Erkenntnisse Rückschlüsse auf die Formgebung der Blattspitze hinsichtlich aerodynamischer oder aeroakustischer Optimierung zulassen. Die Untersuchung der Wirbel erfolgt vorrangig mit berührungslosen optischen Messmethoden. Die wichtigsten Werkzeuge sind hierbei Particle Image Velocimetry (PIV) für die Messung des Geschwindigkeitsfeldes eines Wirbels, Background Oriented Schlieren (BOS) für die Messung der Dichteverteilung und Speckle Pattern Recognition (SPR) für Deformationsmessungen der Rotorblattgeometrie. Die verschiedenen Messmethoden werden kombiniert und synchronisiert, so dass eine zeitaufgelöste Analyse von Entstehung und Evolution der Blattspitzenwirbel eines isolierten Rotors oder eines realen Hubschrauberrotors möglich ist.

Die Arbeiten zum Thema Rotorblattspitzenwirbel werden in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern durchgeführt. Neben der engen Kooperation mit dem deutsch-französischen Forschungsinstitut Saint Louis (ISL) werden u.a. auch transatlantische Kooperationen mit NASA und US-Army verfolgt.

Literatur

• M. Raffel, U. Seelhorst, C. Willert, "Vortical flow structures at a helicopter rotor model measured by LDV and PIV". The Aeronautical Journal, 102(1014):221, 1998
• M. Raffel, H. Richard, G. E. A. Meier, "On the applicability of background oriented optical tomography for large scale aerodynamic investigations". Exp. Fluids, 28(5):477, 2000
• K. Kindler, E. Goldhahn, F. Leopold, M. Raffel, "Recent developments in background oriented Schlieren methods for rotor blade tip vortex measurements". Exp. Fluids, 43:233, 2007