Design of an active mast vibration absorber

The problem of vibrations in helicopters and the correlated phenomena are known issues which have been widely studied in recent years. Such vibrations are mainly due to the variable loads exchanged between the rotor blades and the incident airflow, giving rise not only to high levels of noise but also to many detrimental effects in terms of rotor structural integrity, fatigue life of mechanical components, passengers discomfort and efficiency of electronic devices. For this reasons, it is understandable the desire to find an effective way to counteract the generated vibrations. Indeed, great efforts have been made to devise a systems able to accomplish this task. The analysis proposed in the present thesis has been developed in the frame of a collaboration between Politecnico di Milano and Leonardo Helicopters. The aim is to design a vibration absorber to be eventually mounted on the main rotor of a five blades helicopter to actively reduce in-plane induced vibrations. This device, connected to the mast by means of a mechanical transmission, relies on a controlled positioning of eccentric masses to counterbalance the effects of external variable loads, whose main harmonics are analysed through a suitable identification technique able to guarantee a real time estimation of its amplitude and phase. A control algorithm is then designed to drive such positioning exploiting the informations acquired by encoders to generate a motion law for each mass, which is the actuated by means of electric motors. The mechanical design is addressed first, based on the system requirements and the imposed constraints. Hence, structural assessments are carried out to check the integrity of the components. The dynamic performances of the proposed device are then evaluated through numerical simulations based on available experimental data provided by Leonardo Helicopters, with the aim of assessing the capability of the absorber to effectively attenuate the induced vibrations.

Le vibrazioni negli elicotteri ed i fenomeni ad esse correlati costituiscono un problema noto ed ampiamente studiato negli anni recenti. Tali vibrazioni sono principalmente imputabili ai carichi variabili che le pale del rotore ed il flusso d’aria incidente scambiano tra loro, dando luogo non solo ad elevati livelli di rumore ma anche a effetti deleteri in termini di integrità strutturale del rotore, fatica dei componenti meccanici, disagio per i passeggeri ed inefficienza dei dispositivi elettronici. Per queste ragioni, è comprensibile il desiderio di individuare un modo efficace per contrastare le vibrazioni generate e, di fatto, enormi sforzi sono stati compiuti per ideare sistemi in grado di eseguire questo compito. L’analisi proposta in questa tesi è stata sviluppata nell’ambito di una collaborazione tra Politecnico di Milano e Leonardo S.p.A. Divisione Elicotteri. L’obiettivo è quello di progettare un assorbitore dinamico applicabile al rotore principale di un elicottero a cinque pale allo scopo di ridurre le vibrazioni indotte nel piano normale all’asse di rotazione. Tale dispositivo, connesso all’albero del rotore per mezzo di una trasmissione meccanica, sfrutta il posizionamento controllato di masse eccentriche per controbilanciare gli effetti dovuti ai carichi variabili esterni, le cui componenti armoniche sono analizzate attraverso opportune tecniche di identificazione in grado di fornire una stima di fase ed ampiezza in tempo reale. Un algoritmo di controllo è quindi progettato per gestire il posizionamento delle masse, sfruttando le informazioni derivanti da encoder per generare le leggi di moto che verranno attuate da motori elettrici. In primo luogo viene affrontata la progettazione meccanica del dispositivo, sulla base dei requisiti di sistema e dei vincoli imposti. Segue dunque la verifica dell’integritá strutturale dei componenti. Le prestazioni dinamiche del sistema progettato sono valutate per mezzo di simulazioni numeriche basate sui dati sperimentali a disposizione, allo scopo di determinare la capacità dell’assorbitore di attenuare in maniera efficace le vibrazioni indotte.