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Die im Folgenden dargestellte Erfindung ist eine Weiterentwicklung aus dem Gebiet der Luftfahrttechnik, insbesondere der Strömungsmaschinen, es handelt sich um einen Propeller.
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Es ist bekannt auch heute noch Propeller zum Antrieb von Leichtflugzeugen, und von Gasturbinen angetrieben auch im Kurzstreckenpassagierflugzeugen, sowie militärischen Transportflugzeugen zu verwenden.
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Hierbei wird aus der Wellenleistung eines Flugmotors oder einer Wellenturbine Schub erzeugt. Das benötigte Drehmoment eines Propellers steigt dabei mit dem Quadrat der Drehzahl, die Leistungsaufnahme in der 3. Potenz der Drehzahl. Der Wirkungsgrad der hierbei erreicht wird, und sich aus dem Verhältnis des Produktes aus Geschwindigkeit und Schub, zur aufgenommenen Wellenleistung ergibt, kann dabei bei Luftfahrzeugen bis zu 90 Prozent erreichen. Möglich wird das durch die Änderung der Steigung des Propellers in Anpassung an unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten, sowie in manchen Fällen erst durch die zusätzliche Verwendung eines Getriebes zur Anpassung der Antriebsdrehzahl an die optimale Propellerdrehzahl. Der gegenüber Strahltriebwerken höhere Wirkungsgrad eines von einem Flugmotor oder einer Wellenturbine über einen Propeller angetriebenen Flugzeuges, sinkt jedoch bei Geschwindigkeiten jenseits von ca. 200 m/s unter die erreichbaren Wirkungsgrade gleichartiger Flugzeuge mit Strahlantrieb ab. Der Grund hierfür liegt darin dass die Geschwindigkeit der Propellerenden sich bei diesen Geschwindigkeiten bereits im transsonischen Bereich (ca. 0,8–1,2 Mach)(ca. 239-358m/s bei 223,16 Kelvin für 10000 Meter Flughöhe über Normalnull) befindet, was zu Verdichtungsstößen führt die den aerodynamischen Widerstand deutlich ansteigen lassen, und darüber hinaus zusätzlich durch die aufgrund dieser weiteren strukturellen Belastung erforderlichen stabileren, und damit massiveren Propellerteile, während für einen hohen Wirkungsgrad gerade dünne Profilstärken angestrebt werden müssen. Bisherige Lösungen für dieses Problem sind zum einen sogenannte Sichelpropeller (z. B. die Ratier FH-386 Propeller an den Triebwerken des militärischen Transportflugzeuges Airbus A 400M), die durch ihre Biegung die Intensität der Verdichtungsstöße nahe der Schallgeschwindigkeit reduzieren können, allerdings auf Kosten eines höheren Gewichtes der Propeller, zum anderen die Verwendung zweier gegenläufiger Propeller hoher Steigung hinter, oder vor dem Triebwerk (z. B. bei dem Propellerturbinenluftstrahlverkehrsflugzeug Tupolew Tu-114) die hierdurch hohen Schub bei relativ geringen Drehzahlen erreichen und dadurch die Intensität der Verdichtungsstöße reduzieren, oder die hintereinander Anordnung von Zug- und Druckpropellern (z. B. bei dem Kampfflugzeug Dornier Do 335), um auf diese Weise den Luftwiderstand eines zweimotorigen Flugzeuges annähernd auf den Wert eines einmotorigen Flugzeuges abzusenken. Trotz dieser Verbesserungen können allerdings nie die wirtschaftlichen Reisegeschwindigkeiten modernen Passagierflugzeuge mit Mantelstromtriebwerken erreicht werden. Bei all diesen Möglichkeiten werden darüber hinaus besonders bei zugleich relativ schnellen und schweren Flugzeugen, besonders große Propellerdurchmesser verwendet um die hohen Leistungen umsetzen zu können, diese können bis zu über 5 Metern betragen (z. B. bei erwähnten Ratier FH-386 Propellern). Allerdings kann der Propellerdurchmesser nicht problemlos immer weiter gesteigert werden, insbesondere bei sehr großen mehrmotorigen Flugzeugen aufgrund der dann immer ungünstiger werdenden Anbringung der Propeller an die Tragflächenbreite, um eine zu starke gegenseitige Beeinflussung mehrerer Propeller zu vermeiden. Darüber hinaus werden durch höhere Propellerdurchmesser auch höhere Fahrwerke erforderlich, wodurch der Rumpf schwieriger beladen oder entladen werden kann. Aus diesen Gründen stellt auch die Vergrößerung des Propellerdurchmessers an einem Motor fester Leistung kein probates Mittel dar um die Flugleistungen propellerbetriebener Flugzeuge noch weiter zu steigern.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Schub eines Propellers festen Durchmessers an einem Motor zu steigern, und die dabei auftretenden Verdichtungsstöße nahe der Schallgeschwindigkeit zu reduzieren.
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Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin dass der Schub durch die Propellerblätter zwischen den mit der Nabe direkt verbundenen Propellerblättern, die beide durch einen Ring verbunden werden, erhöht wird, und dabei anders als durch eine Erhöhung der Drehzahl, oder bei gleicher Drehzahl einer Vergrößerung des Propellerdurchmessers, die Intensität der Verdichtungsstöße nicht durch eine der Schallgeschwindigkeit sich noch weiter annähernde Propellerspitzengeschwindigkeit verstärkt wird. Anders als bei bisherigen Propeller wird hierbei die Verschlechterung des Wirkungsgrades durch die gegenseitige Beeinflussung der Luftströmungen um eine immer weiter gesteigerte Anzahl an Propellerblättern, durch die Reduktion dieser auf die wirksamsten Propellerblattabschnitte nahe den Rändern des Propellers, die aufgrund des längeren Dreharmes um die Nabe höhere Geschwindigkeiten, und damit höhere Schubkräfte im Vergleich zu dem Drehzentrum näheren Abschnitten erreichen, eingeschränkt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. In dieser werden die zusätzlichen Propellerblätter hoher Steigung nicht genau mittig an dem im folgenden Tragring genannten Ring, sondern so angebracht, dass das Verhältnis der Schubkräfte bei maximaler Fluggeschwindigkeit. der relativ zur umgebenden Luft schnelleren außen am Tragring liegenden Propellerblattteile, annähernd den Schubkräften der innen am Tragring liegenden Propellerblattteile entspricht, so kann die Belastung des Tragrings, und der mit ihm verbundenen mit der Nabe verbundenen Propellerblätter durch Torsionsmomente deutlich reduziert werden, was erst eine entsprechend wenig massive, und damit einen hohen Wirkungsgrad in Luft erlaubende Auslegung ermöglicht. Hierdurch wird ein weiterer Vorteil gegenüber deutlich schwereren Sichelpropellern erzielt.
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Die Eigenschaft der hohen Schubabgabe bei relativ dazu niedriger Drehzahl, und vor allem niedrigem Propellerdurchmesser ist darüber hinaus wertvoll für Anwendungen in denen ein reduzierter Propellerdurchmesser erwünscht ist, ohne dass die erwähnten Probleme bei der Annäherung an die Schallgeschwindigkeit in der Luft eine Rolle spielen müssen. (Die Erfindung könnte hierbei eine vorteilhafte Kompromisslösung zwischen schweren aber schubstarken Mantelpropellern, und frei stehenden Propeller darstellen.) Bei der Anwendung für den Antrieb schnell fliegender Flugzeuge ist auch die Kombination der Erfindung mit bisherigen Lösungen möglich, besonders unkompliziert in Kombination mit der Zug- und Druckpropellerlösung, sowie der Lösung durch zwei gegenläufige Zug- oder Druckpropeller.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Patentanspruch 1 und 2 ist in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:
Das Drehmoment an der Nabe (1) wird bei Rotation gegen den Uhrzeigersinn nach Zeichnung 1 auf die Propellerblätter (2–5) übertragen. An jedem von diesen ist im Abstand von 1570,05 mm zum maximalen Nabenradius der Nabe (1) der Tragring (6) angebracht, der das Drehmoment auf die Außenpropellerblätter (7–14) überträgt. Da der Tragring (6) des Propellers aufgrund seiner geringen Stirnfläche, wie aus Zeichnung 1 ersichtlich, und seiner relativ großen Tiefe nur einen relativ geringen Luftwiderstand erzeugt, beeinträchtigt er die Möglichkeit hoher Fluggeschwindigkeiten nicht. Die Außenpropellerblätter (7–14) verfügen über eine hohe Steigung, wodurch sie besonders für den schnellen Flug für den der dargestellte Propeller optimiert ist, ausgelegt sind. Sie ähneln sowohl an den Außenseiten, als auch an den in Richtung Nabe (1) zeigenden Enden den Propellerspitzen der anderen Propellerblätter (2–5), um zu großen aerodynamischen Widerstand an diesen Enden zu verhindern, durch ihren weiter als der der anderen Propellerblätter (2–5) von der Nabe entfernten Radius zwischen dem Radius der äußeren Propellerspitzen, und der inneren Propellerspitzen, bzw. dem Ansatzpunkt der Propellerblätter (2–5), steigern sie bei einer bestimmten Drehzahl gegenüber einem üblichen Propeller dieses Durchmessers den Schub bei gleicher Leistung, ohne diese Steigerung vollständig aufgrund unwirksamerer Propellerabschnitte der Außenpropeller (7–14) die sich zwischen den Abständen vom maximalen Nabenradius 0 mm–1570,05 mm befinden würden, durch erhöhten Luftwiderstand nicht in höhere Fluggeschwindigkeiten umsetzen zu können.
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In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die Innenseite der Außenpropeller (7–14) einen höheren Schub als die Außenseite, was sich dahingehend positiv auswirkt das im Vergleich mit dem ansonsten optimalen Verhältnis gleicher Schubkräfte von 51,9 zu 48,1 bei diesem Beispiel (nach Patentanspruch 2), der Abstand der Luftströme der Innenseite, zu den Luftströme der Außenseite erhöht ist, und die Stärke der Luftströme der Außenpropeller an den Außenseiten ausgehend von den Außenpropellerspitzen mit dem gleichen Radius der Propellerspitzen (2–5), reduziert wird, was die gegenseitige Beeinflussung und damit Störung der Luftströme abmindert.
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Legende der Zeichnungen:
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Zeichnung 1, Zeichnung 2
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- Nabe (1)
- Nummerierung der Propellerblätter an der Nabe im Uhrzeigersinn, ausgehend von dem von der Nabe aus nach oben zeigenden Propellerblatt:
- Oberes Propellerblatt (2), Rechtes Propellerblatt (3), Unteres Propellerblatt (4), Linkes Propellerblatt (5)
- Im Folgenden als Tragring bezeichneter, die Außenpropellerblätter mit den Propellerblättern verbindender Ring:
- Tragring (6)
- Nummerierung der, im Folgenden Außenpropellerblätter genannten Propellerblätter ohne direkte Verbindung mit der Nabe im Uhrzeigersinn, ausgehend von dem ersten Außenpropellerblatt im Uhrzeigersinn ausgehend von Oberes Propellerblatt (2):
- Erstes Außenpropellerblatt (7), Zweites Außenpropellerblatt (8), Drittes Außenpropellerblatt (9), Viertes Außenpropellerblatt (10), Fünftes Außenpropellerblatt (11), Sechstes Außenpropellerblatt (12), Siebentes Außenpropellerblatt (13), Achtes Außenpropellerblatt (14)
Durchmesser des Propellers: 4500 mm
Länge der Propellerblätter (2–5) ohne Nabenradius: 1928,4 mm
Maximale Tiefe der Propellerblätter (2–5) in Zeichnung 1: 360 mm
Maximale Höhe der Propellerblätter (2–5) in Zeichnung 2: 210 mm
Profillänge der Propellerblätter (2–5): (ca.) 400 mm
Maximale Profildicke der Propellerblätter (2–5): 30 mm
Außendurchmesser des Tragrings (6): 3903,3 mm
Innendurchmesser des Tragrings (6): 3783,3 mm
Länge der Außenpropellerblätter (7–14): 736,6 mm
Maximale Tiefe der Außenpropellerblätter (7–14): 240 mm
Maximale Höhe der Außenpropellerblätter (7–14): 180 mm
Profillänge der Außenpropellerblätter (7–14): (ca.): 270 mm
Maximale Profildicke der Außenpropellerblätter (7–14): 20 mm
Durchmesser der Nabe (1): 643,2 mm
Höhe der Nabe (1): 1531,8 mm
