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Luftschraube mit verstellbarer Blattverwindung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Luftschraube mit verstellbarer Blattverwindung, insbesondere für senkrecht
startende und landende Flugzeuge, bei der jedes Blatt aus einem radial von der Luftschraubennabe
ausgehenden Stab und einer elastischen Hülse von Tragflächenform besteht, die den
Stab umgibt und an ihm gegen Längsverschiebung gesichert angebracht ist, mit Organen
für die Übertragung eines Drehmomentes auf die Hülse und den Stab zwecks Winkelverdrehung
und Verwindung der Hülse im Verhältnis zum Stab und Drehung des Blattes um seine
Längsachse.
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Bei der Verstellung der Blätter von bekannten, konventionellen Luftschrauben
wird jedes Blatt um seine Längsachse so gedreht, daß das ganze steife Blatt die
gleiche Änderung des Blattwinkels erhält. Wenn die geometrische Steigung entlang
der äußeren Hälfte des Blattes bei Einstellung der Luftschraube zum Arbeiten bei
dem Fortschrittsgrad, für den sie konstruiert ist, gleichförmig ist, wird die Steigung
nach Verstellung der Luftschraube nicht mehr gleichförmig sein. Durch die über die
Spannweite erfolgende gleiche Winkelverstellung wird an einem Blattelement an der
Blattspitze eine größere Änderung der geometrischen Steigung hervorgerufen als an
einem weiter innen liegenden Blattelement. Die Steigung ist dann entlang dem Blatt
nicht mehr gleichförmig. Wenn eine solche Luftschraube mit sehr unterschiedlichen
Fortschrittsgraden arbeiten muß, ist es deshalb nicht möglich, einen zufriedenstellenden
Kompromiß zu erzielen, der einen hohen Wirkungsgrad innerhalb des ganzen Bereiches
ergibt.
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Um eine möglichst gleichmäßige geometrische Steigung entlang dem Blatt
bei seinen verschiedenen Einstellungen zu erreichen, ist es notwendig, die Verwindung
des Blattes so zu ändern, daß jedes Element möglichst den optimalen Anstellwinkel
erhält, der das maximale Verhältnis zwischen Auftrieb und Widerstand am ganzen Blatt
und dadurch höchste Leistung sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Fortschrittsgrad
ergibt.
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Bei der eingangs erwähnten Art von bekannten Luftschrauben, bei der
diese Forderung erfüllt ist, hat sich gezeigt, daß die konstruktiven und aerodynamischen
Probleme nur mit Schwierigkeiten gleichzeitig zu lösen sind.
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Die Erfindung hat deshalb eine Luftschraube zum Ziel, die sowohl konstruktiv
als auch aerodynamisch befriedigende Resultate liefert.
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Gemäß der Erfindung sind entlang der Hülse und dem Stab Anschläge
zur Begrenzung der Verdrehung der Hülse in verschiedene Winkeleinstellungen und
zur Ermöglichung verschiedener Verstellungsgrade verschiedener Querschnitte der
Hülse im Verhältnis zum Stab angeordnet.
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Dadurch ist es möglich, in Weiterbildung der Erfindung die Anschläge
auf verschiedene geometrische Steigungen des Blattes einzustellen, die im äußeren,
aerodynamisch wirksamen Bereich des Blattes konstant und gegen die Wurzel des Blattes
hin stetig abnehmend verteilt sind. Diese Verteilung der geometrischen Steigung
kann auch dann vorliegen, wenn die Hülse und der Stab keinem Drehmoment ausgesetzt
sind.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die Anschläge
des Blattes so verteilt sein, daß das Blatt eine geometrische Steigungsverteilung
hat, die nach der Gleichung
definiert ist, worin ß der örtliche Blatteinstellwinkel, x der dimensionslose
Radius rlR des Blattes ist und a. und d Konstanten sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Anschläge durch
eine am Stab angebrachte durchlaufende Längsrippe gebildet, deren Seitenflächen
an den entsprechenden Flächen der Innenwandung der Hülse zum Anliegen kommen.
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Vorzugsweise ist die Längsrippe des Stabes über ein elastisches Band
mit der Hülse verbunden, so daß zwei voneinander druckdicht abgeschlossene Hohlräume
entstehen
und ein unter Druck eingeführtes Medium die Verdrehung des Stabes: im Verhältnis
zur Hülse bewirkt.
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Als Abdichtungen für das Medium zwischen Hülse und Stab sind in einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung Bälge angebracht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Hülse quer zur Längsachse
unterteilt und aus Scheiben zusammengesetzt. Hierbei ist jede mit den benachbarten
Scheiben verbunden. Vorzugsweise haben die Scheiben unterschiedliche Dicke und Elastizität.
Auch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die aus Scheiben zusammengesetzte
Hülse mit einem elastischen und zähen Material überzogen ist.
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Während der zyklischen Steigungsänderung des Rotors eines Hubschraubers
oder eines ähnlichen Flugzeuges beim Vorwärtsflug muß nicht nur der Blattwinkel
bei der Bewegung des Blattes nach hinten vergrößert werden, sondern es ist auch
eine stärker verwundene Blattform während dieser Rückwärtsbewegung erforderlich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und nachstehend beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt einen Aufriß eines Luftschraubenblattes mit weggeschnittenen
Teilen sowie Querschnitte des Luftschraubenblattes.
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Jedes Blatt besteht aus einem steifen Stab 1 und ist in einer Hülse
2 eingeschlossen, die wie eine verwundene -Tragfläche ausgebildet ist.- Der Stab.
steht radial aus dem Nabenteil, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, heraus,
und die Hülse 2 ist auf dem Stab 1 angebracht und in begrenztem Maße auf ihm vierdrehbar.
Zwischen der Hülse 2 und dem Stab 1
kann ein Drehmoment angesetzt werden;
um die Hülse im Verhältnis zum Stab zu verwinden und das Luftschraubenblatt um seine
Längsachse zu drehen. Eine solche Drehung läßt sich durch Anbringung eines Drehmomentes
am Stab 1 erzielen. Der Stab 1 hat mindestens eine durchlaufende Rippe 5 mit Seitenflächen,
die Anschlagflächen 3 für das Zusammenwirken mit entsprechenden Anschlagflächen
4 im Inneren der Hülse 2 bilden.
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Wenn kein Drehmoment auf die Hülse 2 ausgeübt wird, befindet sie sich
in einer neutralen Stellung 0 der Schnitte I bis IH. In jeder der Endstellungen
t bzw. f liegt eine der beiden Seitenflächen 3 der Rippe 5 an der entsprechenden
Fläche 4 der Innenwandung der Hülse 2 an und verhindert eine weitere Bewegung im
Verhältnis zum Stab 1. Da die Anschlagflächen 3 und 4 so geformt und angeordnet
sind, daß die Querschnitte HI der Hülse 2, die näher an der Blattwurzel liegen,
eine größere Winkelbewegung aus der neutralen Stellung 0 ausführen können als die
Querschnitte I in der Nähe der Blattspitze, verändert sich die Form der Hülse 2
durch Verwindung um ihre Längsachse, wenn das Drehmoment angesetzt wird.
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In der neutralen Stellung 0 kann die Hülse 2 für bestimmte Arbeitsverhältnisse
eine verwundene Form aufweisen, und die Endstellung t weist eine stärker verwundene
Form für höhere Fluggeschwindigkeiten auf, während die Form der Hülse 2 in der anderen
Endstellung f platter und für niedrige Anblasgeschwindigkeiten geeignet ist. Der
Kontakt zwischen den Anschlagflächen 3 und 4 entlang der ganzen aktiven Länge des
Blattes in einer der Endstellungen t und f ergibt eine stabile und genau bestimmte
Blattform. Die in der Zeichnung dargestellte Konstruktion des Blattes schließt Einrichtungen
ein, mit deren Hilfe ein Druckmedium zur Einwirkung auf die Hülse 2 und den Stab
1 gebracht wird, um diese Bauteile einem Drehmoment auszusetzen. Hierzu ist eine
Dichtmembran 10 in Schlitzen 11 und 12 an der Hinterkante der
Rippe 5 und entlang dem Boden einer entsprechenden Längsnut an der Innenwand der
Hülse 2 angeordnet, und es sind Bälge 13 zwischen Hülse 2, Stab 1 und Membran 10
am Nabenende des Blattes angebracht, um die Kammern 8 und 9 gegeneinander abzudichten
und ein Lecken des Druckmediums aus einer Kammer in die andere zu verhüten. Die
Bohrungen 6 und 7 im Nabenende der Hülse 2 stehen in Verbindung mit einem Behälter
für Druckflüssigkeit, der unabhängig von den Bewegungen des Blattes montiert und
in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Die Bohrungen 6 bzw. 7 münden in die Kammern
8 bzw. 9 zwischen der Hülse 2 und dem Stab 1 und gestatten der Flüssigkeit, einen
Druck auf die Anschlagflächen 3 und 4 auszuüben.
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Die Flüssigkeit kann auf diese Weise die Kammern 8, 9 auf der ganzen
Länge des Blattes ausfüllen und unerwünschte Deformationen und Verwerfungen weitgehend
ausschalten.
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Wenn die Hülse in ihrer neutralen Stellung 0 steht und die Flüssigkeit
durch die Bohrung 6 in die Kammer 8 gedrückt wird, um einen Druck auf die Anschlagflächen
3 und 4 auszuüben, so wird die Hülse 2 verwunden. Während sich die Form der Hülse
2 ändert, verläßt die Flüssigkeit, die sich schon auf der anderen Seite der Rippe
5 befindet, die Kammer 9 und fließt durch die Bohrung in den Behälter zurück, solange
Flüssigkeit in die Kammer 8 eintritt und bis die Anschlagflächen 3, 4 aneinander
anliegen, wenn die Hülse 2 die eine Endstellung f erreicht und das Blatt eine platte
Form angenommen hat. Der ganze Vorgang läuft in umgekehrter Reihenfolge ab, um die
andere Endstellung t zu erreichen- und eine stark verwundene Blattform zu erzielen.
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Das Luftschraubenblatt besitzt eine in Scheiben unterteilte Hülse
2, was nicht die Möglichkeit ausschließt, die Hülse auch aus ein und demselben Material
als ungeteiltes Bauteil des Blattes herzustellen. Die Hülse 2 besteht aus Scheiben
von unterschiedlicher Dicke und Elastizität. Es sind abwechselnd dünne, steife Scheiben
14r und dicke, elastische Scheiben 14e am Blatt entlang angeordnet. Benachbarte
Scheiben 14r, 14e sind fest miteinander verbunden.
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An der Blattspitze besteht die Hülse 2 aus zwei gezahnten Teilen,
die durch Niete 15 zusammengehalten werden und in entsprechende, an der Spitze des
Stabes 1 eingeschnittene Zähne 16 eingreifen.
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Der Stab 1 hat am Nabenende einen kreisrunden Querschnitt. Eine Gewindebuchse
18h ist an diesem Ende des Stabes 1 befestigt und in ein ähnliches Gewindeteil am
Nabenende der Hülse 2 eingeschraubt. Die Buchse wird bis zu einem Ringflansch 17
am Stab 1 eingeschraubt.
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Eine Anzahl von Axiallagern 18 m sind in Abständen am Stab 1 angebracht
und greifen in Ringnuten an der Innenwand der Hülse 2 ein. Die Axiallager sind drehbar
mit den Oberflächen der Ringnuten verbunden.
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Die Buchse 18 h, die Axiallager 18 m und die
Spitze der Hülse 2 haben zusammen die Aufgabe, eine axiale Verschiebung der Hülse
2 im Verhältnis zum Stab 1
infolge der bei der Drehung der Luftschraube
auf die Hülse einwirkenden Zentrifugalkräfte zu verhindern.
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Die Hülse 2 ist mit elastischem und zähem Material 19 überzogen. Daraus
ergibt sich, daß für die Vorwärtsbewegung ein verhältnismäßig plattes Blatt und
für die Rückwärtsbewegung ein stärker verwundenes Blatt erforderlich ist, damit
jeder Querschnitt des ganzen Blattes während der ganzen Umdrehung wirksamer arbeitet.
Die bekannte Erscheinung des Abreißens der Strömung an den Spitzenabschnitten während
der Rückwärtsbewegung wird mit der Erfindung reduziert oder verhütet. Die Luftschraube
nach der Erfindung ist deshalb besonders gut geeignet für den Einsatz zusammen mit
herkömmlichen zyklischen Verstelleinrichtungen für die Steigung von Hubschrauber-Rotorblättern.