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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verstellpropeller oder dergleichen
mit einem oder mehreren an einer Propellernabe um eine radiale Verstellachse
verstellbar gelagerten Propellerblättern oder dergleichen, und
mit einer Verstelleinrichtung zum Verstellen der Propellerblätter.
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Der
Begriff "Verstellpropeller" steht in der hier
beschriebenen Erfindung ganz allgemein für Strömungsmaschinen, bei denen Blätter, Schaufeln oder
Flügel
hinsichtlich ihres Anstellwinkels bzw. ihrer Steigung verstellbar
an einer drehenden Nabe gelagert sind. Als Beispiele seien Luftschrauben, Schiffsschrauben,
Windräder
und Turbinenlaufräder genannt.
Kennzeichnend für
Propellerblätter
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, dass sie über eine Lageranordnung
um die Verstellachse drehbar, ansonsten jedoch starr mit der Propellernabe
verbunden sind, so dass sie bei stehendem und rotierendem Propeller
im wesentlichen die gleiche Ausrichtung zur Propellernabe haben.
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Propellers für Luftfahrtzeuge erläutert, ist
jedoch keineswegs auf diese Anwendung beschränkt.
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Eine Änderung
der Steigung bzw. des Anstellwinkels der Propellerblätter erlaubt
es, diese an die jeweilige Anströmrichtung
bzw. -geschwindigkeit anzupassen, so dass sie in einem günstigen
Bereich ihrer Strömungspolare
arbeiten. Ein Propeller für Luftfahrzeuge
lässt sich
auf diese Weise an unterschiedliche Bedingungen beim Start, beim
Steigflug und bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten im Horizontalflug
anpassen, so dass sich über
einen großen
Geschwindigkeitsbereich ein hoher Propellerwirkungsgrad erzielen
lässt.
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Propellerblätter sind
grundsätzlich
möglichst starr
aufgebaut und stehen im allgemeinen etwa senkrecht zur Propellerachse.
Sie sind am Blattfuß z. B.
durch Gleit- oder Wälzlager,
welche die Verstellbewegung um die Verstellachse ermöglichen,
mit der Propellernabe verbunden. Auf diese Lager wirken im Betrieb
die Zentrifugalkraft der Propellerblätter sowie die Momente aus
der auf die Propellerblätter
wirkenden Luftkraft, d. h. Schubkraft und Widerstandskraft. Insbesondere
bei mit hoher Drehzahl umlaufenden Propellern sind diese Kräfte und
Momente sehr hoch, so dass große
und schwere Lager für
die Aufnahme dieser Kräfte
und Momente sowie leistungsstarke Verstelleinrichtungen zum Verstellen
der Propellerblätter
erforderlich sind. Bei herkömmlichen
Verstellpropellern beispielsweise für kleinere Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt wirkt bei den üblichen
Propellerdrehzahlen und -durchmessern an der Stelle des Propellerblattschwerpunktes
eine Zentrifugalbeschleunigung von circa dem Tausendfachen der Erdbeschleunigung
(1 000 g). Bei einem Propellerblattgewicht von beispielsweise 3
kg wirkt demnach eine Zentrifugalkraft von etwa 30 000 N auf das
Propellerblatt-Verstelllager. Dazu kommen noch die Kräfte und Momente
aus der Schubkraft und der Widerstandskraft, die an den Propellerblättern ein
Biegemoment erzeugen. Selbst wenn Wälzlager mit kleinem Reibungskoeffizient
verwendet werden, sind die erforderlichen Verstellkräfte sehr
groß.
Wälzlager,
die diese hohen Kräfte
aufnehmen können,
sind groß und schwer.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verstellpropeller
der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, bei
welchem die zur Aufnahme der Kräfte
und Momente vorgesehenen Lageranordnungen kleiner und leichter und
die zur Verstellung der Propellerblätter erforderlichen Kräfte geringer
als bei den herkömmlichen Verstellpropellern
sind.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst.
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Die
Funktion der Verbindungselemente ist es insbesondere, die im Betrieb
des Propellers auftretenden Zentrifugalkräfte aufzunehmen und dabei eine
Verdrehung um die Verstellachse, die im allgemeinen in einer Größenordnung
von unter 90° liegt, zu
erlauben. Diese Funktion kann in idealer Weise etwa durch Seile,
Lamellen oder Lamellenpakete aus zugfestem Stahl oder durch Schlaufen
aus modernen Faserverbundwerkstoffen erfüllt werden, wobei sich gegenüber herkömmlichen
Gleit- oder Wälzlagern
erheblich geringere Gewichte ergeben und geringere Verstellkräfte erforderlich
sind. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass derartige Verbindungselemente
weitgehend wartungsfrei sind. Die oben genannten Momente aus Schub-
und Widerstandskraft könnten grundsätzlich durch
geeignete Strukturen, beispielsweise ein den Propellerfuß und das
Verbindungselement aufnehmendes, mit der Propellernabe fest verbundenes
Rohr oder dergleichen aufgenommen und in die Propellernabe eingeleitet
werden.
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Um
die Verbindungsstrukturen vom Propellerblatt zu Propellernabe jeodch
von derartigen Momenten frei zu halten, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, dass zwischen Propellerblatt und Propellernabe,
d. h. also beispielsweise an dem nabensseitigen oder propellerblattseitigen
Ende des Verbindungselementes eine eine Schwenkbewegung des Propellerblattes
in Umlaufrichtung und/oder in Schubrichtung erlaubende Gelenkanordnung
vorgesehen ist. Diese erlaubt es dem Propellerblatt, sich im Betrieb
unter der Wirkung der an diesem angreifenden Kräfte in Umlauf- und/oder Schubrichtung
frei auszurichten, so dass das Verbindungselement gegebenenfalls
nur noch durch Zugkräfte
belastet wird.
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Die
Gelenkanordnung kann beispielsweise ein Kardangelenk mit senkrecht
aufeinander und auf der Verstellachse stehenden Schwenkachsen sein, so
dass sich das Propellerblatt in Umlaufrichtung und in Schubrichtung
frei ausrichten kann.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gelenkanordnung
ein Kugelgelenk ist, welches praktisch eine freie Ausrichtung im
Raum ermöglicht.
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Auf
eine Gelenkanordnung der oben beschriebenen Art kann dann verzichtet
werden, wenn gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Verbindungselement selbst
in Umlaufrichtung und/oder in Schubrichtung biegeweich ausgebildet ist,
wie das insbesondere für
seil- oder kettenartige Verbindungselemente zutrifft. Auch in diesem
Fall können
sich die Propellerblätter
entsprechend den an diesen angreifenden Zentrifugalkräften und
Luftkräften
sowie gegebenenfalls vorhandenen geringen Biegewiderstandskräften frei
ausrichten, wobei derartige Biegewiderstandskräfte beispielsweise bei einer
Seil- oder Kettenverbindung völlig
vernachlässigbar
sind.
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Um
den Propellerblättern
beim Stillstand des Propellers Halt zu geben, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen,
dass die wegen der oben genannten Gelenkanordnungen grundsätzlich möglichen Schwenkbewegungen
des Propellerblattes durch Anschläge begrenzt werden. Diese Anschläge sind
bei einem Luftfahrzeug-Propeller
vorzugsweise so gestaltet, dass sie einerseits die freie Ausrichtung
im Betrieb nicht behindern, jedoch beispielsweise ein Durchdrehen
des Motors mittels des Propellers von Hand und ein Rangieren des
Flugzeuges am Boden durch Ziehen bzw. Schieben am Propeller möglich ist.
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Bei
einem Luftfahrzeug-Propeller kann es weiterhin sinnvoll sein, dass
das Propellerblatt eine vorgegebene, gegenüber einer zur Propellernabe
radialen Stellung in Umlaufrichtung und/oder Schubrichtung ausgelenkte
feste Ausrichtung hat, die einem vorgegebenen Betriebspunkt des
Propellers entspricht. In diesem Betriebspunkt ist das Propellerblatt
bzw. das zugeordnete Verbindungselement dann von Momenten frei.
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Bei
Verwendung einer Gelenkanordnung der oben beschriebenen Art bzw.
eines biegeweichen Verbindungselementes wird das Propellerblatt
dann durch Anschläge
in dieser einem vorgegebenen Betriebspunkt des Propellers entsprechenden Schwenkstellung
fixiert.
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Die
Anschläge
können
bei einem Luftfahrzeug-Propeller beispielsweise durch Ausschnitte
in einer die Propellernabe umgebenden Verkleidung gebildet sein.
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Wie
bereits weiter vorne erwähnt
wurde, kann das Verbindungselement ein Zugseil sein. Da dieses keine
Druckkräfte
aufnehmen kann, muss dafür
Sorge getragen werden, dass das Propellerblatt bei stehendem Propeller
in zentripetaler Richtung gehalten wird.
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Diese
Maßnahme
ist dann nicht erforderlich, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung das Verbindungselement eine Lamelle bzw. ein Lamellenpaket
aus Metall oder eine Schlaufe aus einem Faserverbundwerkstoff ist,
da diese Verbindungselemente auch die geringen Kräfte aus
dem Propellerblattgewicht des jeweils nach oben weisenden Propellerblattes
aufnehmen können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 schematisch
einen Teil-Längsschnitt durch
einen Luftfahrzeug-Propeller;
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2 eine
Draufsicht auf einen Propeller gemäß der 1;
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3 ein
Propellerblattprofil mit den daran angreifenden Luftkräften;
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4 eine
Ansicht eines Propellers in einer Darstellung etwa gemäß der 1 mit
am Propellerblatt angreifenden Luftkräften;
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5 eine
Ansicht des Propellers der 4 von vorne
mit am Propellerblatt angreifenden Luftkräften.
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Der
in der 1 dargestellte Propeller 2 umfasst eine
von einem nicht dargestellten Antriebsmotor angetriebene Propellernabe 4,
an der ein oder mehrere Propellerblätter angeordnet sind, von denen in 1 nur
ein Propellerblatt 6 dargestellt ist. Das Propellerblatt 6 ist über ein
drillweiches, zugkraftaufnehmendes Verbindungselement 8,
beispielsweise ein Lamellenpaket, mit der Propellernabe 4 verbunden.
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Im
Betrieb, d. h. bei drehendem Propeller, wird das Verbindungselement 8 vor
allem durch eine im Schwerpunkt des Propellerblattes 6 angreifende Zentrifugalkraft
belastet und ist für
eine Aufnahme dieser Kraft ausgelegt.
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Da
das Verbindungselement 8 drillweich ist, erlaubt es eine
Verdrehung des Propellerblattes um die Verstellachse 9.
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An
dem Propellerblattfuß 10 ist
eine Hebelanordnung 12 vorgesehen, über die das Propellerblatt 6 um
seine Verstellachse 9 verdreht und die Propellerblattsteigung
damit verändert
werden kann. Die Hebelanordnung 12 ist mit einem nicht
dargestellten Stellantrieb verbunden, welcher diese in Richtung des
in 2 dargestellten Doppelpfeils 13 verschwenken
kann.
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Die
aus der Propellernabe 4 und den daran angeordneten Propellerblättern gebildete
Baugruppe ist von einer bei Luftfahrzeugen als Spinner bezeichneten
Abdeckung 14 umgeben. Diese Abdeckung ist mit Ausschnitten 16 für den Durchtritt
des Propellerblattes bzw. des Propellerblattfußes versehen, wie insbesondere
auch aus 2 ersichtlich ist.
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Im
Betrieb des Propellers wird das Propellerblatt 6 außer durch
die bereits weiter vorne erwähnte Zentrifugalkraft
auch durch an dem Propellerblatt angreifende Luftkräfte belastet. 3 zeigt
schematisch eine durch die Luftströmung 17 auf das Propellerblatt
wirkende Luftkraft L, deren Größe und Richtung
u. a. von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers und der Fluggeschwindigkeit
des Luftfahrzeuges abhängt.
Die Luftkraft L kann in bekannter Weise in eine Auftriebskraft A
und eine Widerstandskraft W zerlegt werden, wobei die Auftriebskraft
A den Vorwärtsschub
des Propellers liefert. Die etwa in der Schubrichtung wirkende Auftriebskraft
A belastet das Propellerblatt in Schubrichtung, die etwa in der Umlaufrichtung
des Propellers wirkende Widerstandskraft W belastet das Propellerblatt
in Umlaufrichtung. Bei herkömmlichen
Propellerkonstruktionen werden durch diese Belastungen entsprechende
Momente auf das Propellerblattlager aufgebracht, so dass dieses
zusätzlich
für eine
Aufnahme dieser Momente ausgelegt sein muss.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, zwischen dem Propellerblatt 6 und
der Propellernabe 4 zusätzlich
eine eine Schwenkbewegung des Propellerblattes in Umlaufrichtung und/oder Schubrichtung
erlaubende Gelenkanordnung vorzusehen, die es dem Propellerblatt
erlaubt, sich unter den auf dieses wirkenden Kräften in Umlaufrichtung und/oder
Schubrichtung frei auszurichten. Eine derartige Gelenkanordnung
könnte
beispielsweise am propellerwellenseitigen Ende oder am propellerblattseitigen
Ende des Verbindungselementes vorgesehen sein, wie hier nicht im
einzelnen dargestellt wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist das
Verbindungselement selbst biegeweich ausgebildet, so dass es die Funktion
einer Gelenkanordnung übernimmt.
Auf diese Weise werden die Verbindung vom Propellerblatt zur Propellernabe
belastende Momente ausgeschaltet.
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4 zeigt,
wie das Propellerblatt 6 unter der Wirkung der in Schubrichtung
wirkenden Kraftkomponente der Luftkraft L um einen Winkel α nach vorne
verschwenkt wird, während 5 erkennen lässt, wie
das Propellerblatt 6 unter der Wirkung der in Umlaufrichtung
wirkenden Kraftkomponente der Luftkraft L um einen Winkel β entgegen
der durch den Pfeil 18 gekennzeichneten Drehrichtung nach
hinten verschwenkt wird. Wie die Figuren, insbesondere 2,
erkennen lassen, sind die Ausschnitte 16 für den Durchtritt
der Propellerblätter
jeweils so dimensioniert und ausgerichtet, dass die Propellerblätter in diesen
Schwenkbewegungen nicht behindert werden.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Ausschnitte 16 auch
so angeordnet und dimensioniert sein können, dass sie die Propellerblätter in
einer in Schubrichtung und/oder in Umlaufrichtung verschwenkten
Stellung fixieren, die einem optimalen Betriebspunkt des Propellers
entspricht, welcher beispielsweise durch eine optimale Fluggeschwindigkeit in
einer optimalen Flughöhe
vorgegeben ist. Für
diesen Haupt-Betriebspunkt ergeben sich optimal niedrige Blattverstellkräfte, während für außerhalb
dieses Betriebspunktes liegende Betriebspunkte die Verstellkräfte infolge
Reibung an dem als Anschlag dienenden Ausschnitt wegen der durch
falsche Ausrichtung auftretenden Momente etwas höher sind. Eine solche besondere
Ausführungsform
mit festgelegten Blättern
des erfindungsgemäßen Propellers
berücksichtigt
den Wunsch nach einer robusten, verschleißarmen Konstruktion, da hier
eine dauernde Relativbewegung zwischen den Propellerblättern und
der Propellernabe nicht gegeben ist. Auch diese besondere Ausführungsform
kommt bei allen Betriebspunkten mit kleineren Blatt-Verstellkräften aus
als eine herkömmliche
Luftschraube mit Wälzlagern.
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Um
in diesem Fall eine die Blattverstellung erschwerende und einen
Reibungsverschleiß am
Ort des Durchtritts des Propellerfußes durch den zugeordneten
Ausschnitt verursachende Reibung zu verringern, kann der Propellerfuß am Ort
dieses Durchtritts von einem Drehlager gehalten sein, wie nicht
im einzelnen dargestellt ist.