-
Luftschraubenanordnung für Flugzeuge Die Erfindung betrifft eine Luftschraubenanordnung
für Flugzeuge mit in zwei Ebenen hintereinanderliegenden, um ein und dieselbe Drehachse,
in gleicher Drehrichtung und gleicher Drehzahl umlaufenden Flügelreihen, bei welcher
die Flügellängsachsen der vorderen Flügelreihe gegenüb#er den Flügellängsachsen
der hinteren Flügelreihe um einen Winkel in Drehrichtung nach vom versetzt sind
und bei welcher die einzelnen Flügelreihen so miteinander zusammenwirken können,
daß für den Horizontalflug ein großer Spalt zwischen den einzelnen Fliigeln verbleibt,
während für den Start dieser Spalt nahezu geschlossen werden kann, so daß beim Start
die einzelnen Flügel der vorderen und hinteren Flügelreihe ein einziges Profil mit
starker Wölbung bilden.
-
Es ist bekannt, den Flügeln von Luftschrauben während der verschiedenen
Betriebszustände des Flugzeuges, wobei hier nur Start- und Reise- oder Horizontalflug
betrachtet werden, auf optimale Lage einzustellen. Bei konventionellen Verstellpropellern
werden die Flügel um ihre Längsachse gedreht, wozu sie beim Start zum Erzielen höchster
Beschleunigung auf geringe Steigung eingestellt werden, damit sie eine große Luftmenge
erfassen, während sie beim Reiseflug auf große Steigung gestellt werden.
-
Die Erfahrung hat hierbei gezeigt, daß man sich bei Verwendung von
in zwei Ebenen hintereinanderliegenden Flügelreihen besser an diese verschiedenen
Forderungen anpassen kann. Durch größere Vielfalt in der Zahl der Einstellmöglichkeiten
ergeben sich bessere Wirkungsgrade für beide Betriebsbedingungen.
-
Bei einer bekannten Luftschraubenanordnung mit mehreren hintereinanderliegenden
Flügelreihen sind die Propeller der einzelnen Flügelreihen gegeneinander verdrehbar.
Bei dieser Luftschraubenanordnung haben die vornliegenden Propeller einen kleineren
Durchmesser als die hintenliegenden Propeller. Damit soll erreicht werden, daß die
vornliegenden kleineren Propeller den Vortrieb bringen, der mit den hinter ihnen
liegenden Schäften der größeren Propeller nicht erreicht wird. Es hat sich gezeigt,
daß diese Auffassung nicht zutrifft, da ein erhöhter Schub durch einen höheren Leistungsbedarf
ausgeglichen wird. Des weiteren liegen die Flügelreihen in Längsrichtung der Motorwelle
so weit auseinander, daß sie kein gemeinsames Profil bilden können. Auf ein wesentliches
Hilfsmittel, nämlich die Verdrehbarkeit der Flügelreihen um ihre eigenen Längsachsen,
hat man hierbei verzichtet. Die Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände
ist mit einer solchen Luftschraubenanordnung nicht möglich. Bei einer anderen bekannten
Luftschraubenanordnung sind drei Flügelreihen hintereinander auf einer Achse angeordnet.
Bei dieser Anordnung sind die einzelnen Propell-erblätter um ihre Längsachsen verdrehbar,
auch sind die Flügellängsachsen der hinteren und vorderen Flügelreihe gegeneinander
versetzt. Der Durchmesser der einzelnen Flügelreihen nimmt wieder von vorn nach
hinten zu. Auch diese Konstruktion geht von der heute als unrichtig erwiesenen Anschauung
aus, daß die Luftschraube sich wie ein Bohrer in die Luft hineinbahrt. Auf Grund
der gleichen Auffassung sind bei dieser Luftschraubenanordnung die einzelnen Flügelreihen
gegeneinander versetzt. Bei einer Verbindung der Blattspitzen ergibt sich dann die
Form einer Kegelfeder. Diese Form sollte sich in die Luft hineinbohren. Die falsche
Annahme der Bohrwirkung einer Luftschraube hat somit zu einer Konstruktion geführt,
die den tatsächlichen physikalischen Verhältnissen nicht gerecht wird. Diese bekannte
Luftschraubenanordnung ist nur auf einen einzigen Flugzustand abgestimmt. Bei wechselnden
Flugbedingungen kann daher kein günstiges Verhalten erzielt werden.
-
In Weiterentwicklung der obengenannten Gedanken liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, mit geringem technischem Aufwand bestes Flugverhalten in sämtlichen
Betriebszuständen zu erreichen. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß
durch die Kombination folgender bekannter Merkmale gelöst: -a) Die Steigung der
Flügel der vorderen Flügelreihe ist verstellbar; b) die Flügel der hinteren
Reihe weisen - eine unveränderliche Steigung auf; c) die in Drehrichtung
nach vom vorhandene Versetzung der Flügellängsachsen der vorderen Flügelreihe gegenüber
den Flügellängsachsen der hinteren Flügedreilie beträgt 25 bis
30'.
-
Die Verstellung der Flügel der vorderen Flügelreihe erfolgt mit elektrischen,
hydraulischen oder mechanischen Antriebsmitteln. Gleichzeitig mit der Änderung der
Steigung der Flügel erfolgt auch die Veränderung der wirksamen Wölbung der Flügel.
-
Ausführliche Versuche haben gezeigt, daß die Verstellbarkeit -einer
Flügelreihe während der Rotation ausreicht, einmal beim Start ein großes gemeinsames
Profil aus beiden Flügelreihen zu bilden und zum anderen beim Reiseflug durch Erzeugung
eines großen Spaltes zwischen den einzelnen Flügeln hohen Vortrieb zu erzielen.
-
Es wurden Versuche durchgeführt im Windkanal, Standversuche, und praktische
Flugversuche. Diese Versuche haben die überlegenlieit der erfindungsgemäßen Propelleranordnung
gegenüber üblichen Propellern gezeigt.
-
Bei einem Versuch wurde die beim Start erzielte Leistung in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit ermittelt. Es zeigte sich, -daß mit der erfindungsgemä-Ben
Propelleranordnung höhere Leistungswerte erreicht werden können. Bei einem weiteren
Versuch wurde der Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Propellerdurchmesser gemessen.
Auch hier zeigte sich die überlegenheit der erfindungsgemäßen Propelleranordnung
mit veränderlicher Wölbung gegenüber einem Propeller mit konstanter Wölbung. Der
mit der erfindungsgemäßen Propelleranordnung erreichbare Wirkungsgrad liegt in einem
breiten Durchmesserb--r--ich über dem Wirkungsgrad, der mit einem üblichen Propeller
erbracht wird.
-
Weitere Versuche bezogen sich auf die Geräuscherzeugung und das spezifische
Gewicht. Auch hier zeigte die erfindungsgemäßePropelleranordnungVorteile gegenüber
einem üblichen Propeller mit konstanter Wölbung.
-
Schließlich wurde auch noch ein Versuch durchgeführt, bei dem der
statische Vorschub in Abhängigkeit von der Flächenbelastung ermittelt wurde. Auch
hier zeigte die erfindungsgemäßePropelleranordnung höhere und bessere Werte als
ein üblicher Propeller.
-
Die obigen Versuche wurden sowohl mit üblichen als auch mit Kurzstart-
und Senkrechtstart-Flugzeugen durchgeführt. Als Vergleichspropeller diente eine
Luftschraube mit einer Flügelreihe.
-
Die vorstehend genannten Versuchsergebnisse waren im Hinblick auf
die bekannten Luftschraul),enanordnungen, bei denen mehrere Flügelreihen hintereinander
und teilweise verstellbar angeordnet sind, nicht zu erwarten.
-
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführung wird die Erfindung
näher erläutert. Dabei zeigen F i g. 1 und 2 die Darstellung von Abschnitten
der Flügel von üblichen Luftschrauben, wobei die Luftströmung bei der Reiseflug-
und Startstellung bel geringen Wölbungen gezeigt wird, F i g. 3 und 4 die
Darstellung von Flügelabschnitten von üblichen Luftschrauben mit großer Wölbung
in der Reisellug- und Startstellung; - F i g. 5 und
6 sind Darstellungen der erfindungsgemäßen Luftschraubenanordnung und zeigen
die Luftströmung in der Start- und Reiseflugstellung; F i g. 7 ist die Seitendarstellung
der Luftschraubenanordnung; F i g. 8 ist die Vorderansicht entsprechend F
i g. 7;
F i g. 9 ist die Aufsicht auf einen Luftschraubenabschnitt
in der Startstellung der Flügel;
F i g. 10 ist F i g. 9 ähnlich,
zeigt aber eine Zwischenstellung der Flügel, und F i g. 11 ist den
F i g. 9 und 10 ähnlich und zeigt die Stellung der Flügel beim Reiseflug.
-
Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Flügel 10 mit geringer
Wölbung in der Reisellug- und Startstellung. Es wird hierbei gezeigt, daß die Luftströmung
bei einem Flügelelement einer konventionellen, für bestes Reiseflugverhalten ausgelegten
Luftschraube mit niedriger Wölbung beim Start ungünstig verläuft. Mit einer solchen
Luftschraube erhält man bei Reiseflug- geringe Turbulenz und entsprechend einen
hohen Wirkungsgrad. Eine solche Luftschraube nimmt jedoch eine ungünstige Stellung
gegenüber der Luftströmung ein, wenn ihre Steigung so eingestellt wird, daß die
höchste Triebwerkleistung beim Start möglich ist. Die an den einzelnen Flügelabschnitten
vorbeiströmende Luft wird deshalb einer beträchtlichen Wirbelbildung unterworfen,
woraus sich ein schlechtes Verhalten beim Start ergibt.
-
Die F i g. 3 und 4 zeigen, wie dieses schlechte Verhalten beim
Start durch Verwenden von Flügeln 12 mit hoher Wölbung vermieden werden kann. In
der Aerodynamik ist es ein allgemein bekanntes Prinzip, daß Flügel mit hoher Wölbung
ein großes Umwälzen der Luft und entsprechend einen großen Auftrieb bei geringstmöglicher
Turbulenz hervorrufen. Umgekehrt ist jedoch ein stark gewölbter Flügel bei geringen
Auftriebsforderungen beim Reiseflug weniger günstig, wobei dann auch größere Turbulenz
auftritt.
-
F i g. 5 zeigt, wie ein Flügel 16 einer Reihe gemäß
der Erfindung mit einem Flügel 18 der hinteren Reihe zusammenarbeitet. In
der Startstellung bieten die Flügel 16 und 18 dem auftreffenden Luftstrom
eine im wesentlichen kontinuierliche Fläche mit verhältnismäßig hoher wirksamer
Wölbung. Der Flügel 16
nimmt gegenüber der Drehachse einen niedrigeren Winkel
als der Flügel 18 ein. Deshalb wird der Flügel 16 die Luft in größerer
Menge bewegen als der Flügel 18. Würde der Flügel 18 in dieser Stellung
mit höherer Steigung unabhängig arbeiten, würde er dem Luftstrom einen zu großen
Angriffswinkel bieten und infolgedessen den Luftstrom auftrennen und ein schlechtes
Verhalten zeigen. Die durch den Flügel 16
hervorgerufene Umwälzung der Luft
reicht jedoch aus, um diese auf den Flügel 18 zu lenken. In der Startstellung
bilden die beiden Flügel 16 und 18 zusammen deshalb einen stromlinienförmigen
Körper mit verhältnismäßig hoher Wölbung. In der gezeigten Ausführung steht der
Flügel 18 fest, während der Flügel 16 eine veränderliche Steigung
aufweist. Würde die aus den Flügeln 16 und 18 zusammengesetzte Einheit
mit hoher Wölbung dem auftreffenden Luftstrom bei hohen Fluggeschwindigkeiten, wie
z. B. beim Reiseffug, ausgesetzt, so würde ihr Strömungswiderstand zu groß sein.
Deshalb
ist, wie es in F i o,. 6 gezeigt ist, die Steigung des Flügels 16a auf einen
größeren Wert gestellt, so daß seine Sehne mit der Drehachse einen Winkel einschließt,
der im wesentlichen gleich oder etwas kleiner als der Winkel zwischen der Sehne
des Flügels 18a und der Drehachse ist. Beim Reiseflug hängt die Einstellung der
günstigsten Steigung davon ab, welche Wölbung die einzelnen Flügel aufweisen, so
daß eine vergrößerte Wölbung einen größeren Unterschied in der Einstellung der Steigung
zwischen den verschiedenen Flügelreihen erfordert. In dieser Stellung liegen die
Sehnen der Flügel 16 a und 18 a
im wesentlichen parallel und
schließen mit der Drehachs#e im wesentlichen den gleichen Winkel ein. Bei dieser
Einstellung wird die Luftströmung des vorderen Flügels 16a nicht ausreichend beeinflußt,
um den auf den Flügel 18 a auftreffenden Luftstrom zu stören. In dieser Stellung
wirken die Flügel 16a und 18 a wie zwei getrennte Flügel, die eine niedrige
Wölbung und einen verhältnismäßig hohen Steigungswinkel besitzen. Es ergibt sich
daraus, daß der Strömungswiderstand beim Reiseflug wesentlich geringer ist als derjenige,
der durch einen Flügel mit hoher Wölbung hervorgerufen wird, während beim Start
durch die große wirksame Wölbung des Flügels ein zusätzlicher Auftrieb erzielt wird.
-
Die Luftschraubenanordnung der F i g. 7 weist eine Nabe 20
auf, die zwei Reihen der Flügel 16 und 18 trägt, wobei die Flügel
einer Reihe unmittelbar hinter den Flügeln der anderen Reihe angeordnet sind. Ein
Triebwerk 22 treibt die Luftschraube, und ein Regler 24 von bekannter Bauart kann
einen Steigungsverstellmechanismus für die Steigung der vorderen Flügel
16 in der Haube 26 betätigen. Die Flügel 18 bleiben auf einem
verhältnismäßig großen positiven Steigungswinkel fest eingestellt, der der
üb-
lichen Einstellung der Steigung des Flugzeuges beim Reiseflug entspricht.
-
Die Einstellung der Flügel ergibt sich klarer aus den F i
g. 8 bis 11. Wie in F i g. 8 gezeigt, sind die Flügel einer
Reihe gegenüber den Flügeln der anderen Reihe um einen bestimmten Betrag von
25 bis 30c' versetzt. Bei einem außerhalb dieses Bereiches liegenden Winkel
reicht die Wirkung eines Flügels nicht aus, um die Strömung über dem nächsten danebenliegenden
Flügel maßgeblich zu ändern.
-
Wie F i g. 5 zeigt, sind die Hinterkante 36 des Flügels
16 und die Vorderkante des Flügels 18 hintereinander angeordnet, so
daß mindestens bei einer Einstellung der Neigung der Flügel diese Kanten nahe beieinanderliegen.
Dies ist im allgemeinen die Startstellung, bei der die wirksame Wölbung der beiden
zusammenwirkenden Flügel verhältnismäßig groß ist.
-
Als Beispiel zeigt F i g. 9, wie der Flügel 18 gegenüber
der Drehachse auf einen Winkel von annähernd 2011 eingestellt ist, während der Flügel
16 auf einen Winkel von 45' eingestellt ist, wodurch sich zwischen den beiden
Flügeln ein Stellwinkel von 251 ergibt und die wirksame Wölbung der Flügel
16 und 18 verhältnismäßig groß ist. Dies ergibt eine hohe Wölbung
und einen hohen Auftrieb beim Start. Man erkennt hier, daß der Spalt 40 zwischen
den Flügeln 16 und 18 verhältnismäßig schmal und über der Breite der
Flügel konstant bleibt.
-
F i g. 10 zeigt die Flügel 16 und 18 in einer
Zwischenstellung zwischen Start und Reiseflug. Infolgedessen wird diese Anordnung
im Vergleich zu der Anordnung in der Startstellung einen etwas geringeren Wirkungsgrad
in der Zusammenwirkung jedes Flügelabschnittes ergeben. Auf diese Weise entspricht
die hieraus folgende Mittelstellung in der wirksamen Wölbung der Forderung nach
einem stetig abnehmenden Wert der wirksamen Wölbung zwischen der Start- und Reiseflugstellung.
-
In F i g. 11 ninunt der Flügel 16 einen Steigungswinkel
von 45' ein, so daß er gegenüber der Drehachse den gleichen Winkel wie der Flügel
18 einnimmt. Bei dieser Stellung der Flügel kann der freie Luftzug einzeln
über jeden Flügel 16 und 18 strömen, ohne daß dabei die Strömung von
dem vorderen Flügel 16 die Strömung über dem hinteren Flügel 18 merklich
verändert.