DE1923215A1

DE1923215A1 - Propellerblatt

Info

Publication number: DE1923215A1
Application number: DE19691923215
Authority: DE
Inventors: Spivey Richard F; Drees Jan M
Original assignee: Bell Aerospace Corp
Current assignee: Bell Aerospace Corp
Priority date: 1968-05-07
Filing date: 1969-05-07
Publication date: 1969-11-20
Also published as: US3467197A; GB1247966A; FR2007973A1

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. B E RKE N FE LD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 5. Mai 1969 Wl. Name d: Anm. Bell Aerospace Corporation

Propellerblatt

Die E ffindung bezieht sich allgemein auf die Konstruktion des außen liegenden Abschnittes eines Propellerblattes und insbesondere auf eine Technik, um die vogrdere und die hintere Pfeilung (sweep) der vorlaufenden Kante eines Hubschrauber-Propellerblattes so zu optimieren, daß die Verdichtungs-Verzögerung bei hohen Pluggeschwindigkeiten erhöht wird, und um weiter die Pfeilung an der Blattspitze zu optimieren, um die Wirbelbildung an der Blattspitze auf ein Minimum herabzusetzen.

Da der außen liegende Abschnitt eines Hubschrauber-Rotors mit höherer Geschwindigkeit als der innen liegende Abschnitt läuft, ist der Außenabschnitt wesentlich höheren Kräften ausgesetzt. Der Außenabschnitt bewirkt daher auch den größeren Anteil des Auftriebes und ist derjenige Abschnitt des Hubschraubers, an dem die Besechränkungen in bezug auf Luftwiderstand (drag), Strömungsabriß (stall) und Geräuschbildung wirksam werden, wenn sich die Geschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit annähert.

"Verdichtung" ist derjenige Ausdruck, mit dem man die unerwünschte Erscheinung bezeichnet, die dann auftritt, wenn das Propellerblatt Schallgeschwindigkeit erreicht. Bei Starrflügelflugzeugen verwendet man gepfeilte Tragflächen, um diese Verdichtungs-Verzögerung zu bewirken. Hierunter wird verstanden, daß die unerwünschten Effekte, die bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit auftreten, bis zum Erreichen von höheren Fluggeschwindigkeiten hinausgezögert werden (höhere Machzahlen).

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Man hat auch schon vorgeschlagen, daß eine Pfeilung der Rotorblattspitze wünschenswert wäre, um diese Verdichtungs-Verzögerung zu erreichen. Ganz allgemein hat man auch schon vorgeschlagen, eine Kombination von vorderer und hinterer Pfeilung zu verwenden. Im Jahre 1963 hat die Anmelderin sogar schon auf die Möglichkeit einer doppelten Pfeilung der vorlaufenden Kante eines Rotorblattes hingewiesen. Im Mai 1963 hat die Anmelderin hierzu einen Aufsatz "High Speed Helicopter Rotor Design" veröffentlicht, der in "Proceedings of the American Helicopter Society's Nineteenth Annnal National Forum" erschien.

Es war jedoch nicht möglich gewesen, die vollen Vorteile einer Rotorblattpfeilung zu erreichen, da die tatsächlichen Grundlagen einer solchen Konstruktion noch nicht geschaffen waren.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Schaffung von Richtlinien öder Grundlagen für den Entwurf von Rotorblättern mit einer gepfeilten vorlaufenden Kante.

Eine wichtige Aufgabe vorliegender Erfindung liegt in der Schaffung solcher Richtlinien, die eine Optimierung oder ungefähre Optimierung der Konstruktion einer gepfeilten vorlaufenden Kante ermöglichen, so daß maximale Verdichtungs-Verzögerung mög·=- lieh wird und sich das maximal bestmögliche Hubschrauber-Plugverhalten einstellt.

Zusätzlich zu diesem Effekt der Verdichtung tritt an der Blattspitze auch noch ein Turbulenzeffekt auf, den man Wirbelbildung an der Blattspitze nennt.. Dieser Wirbel an der Bl-attspitze ist eine unerwünschte Luftströmungum die Spitze des Rotorblattes und senkt den Auftrieb.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt daher in einer Optimierung der Pfeilung der vorlaufenden Kante, so daß die Wirbelbildung an der Blattspitze auf ein Minimum herabgesetzt wird.

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In kurzen Worten gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung somit ein Mittel, um die Pfeilung der vorlaufenden Kante zu optimieren, so daß der maximale Gewinn bei der Verzögerung der Verdichtung erreicht wird· Der wirkliche Parameter, der mit der Erfindung optimiert wird, 1st die Linie minimalen Druckes, die entlang der Oberseite des Rotorblattes verläuft. Bei den Misten Konstruktionen' verlaufen die Linie minimalen Druckes und die vorlaufende Kante des Rotorbfttes parallel. Für die meisten Anwendungen kann die vorliegende Erfindung daher als ein Mittel angesehen werden, um die Pfeilung der vorlaufenden Kante des Rotorblattes zu optimieren.

Diese Optimierung schließt ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Pfeilungswinkel und den verschiedenen Entwurfsparametern des Propellerblattes ein, wie z. B. den Radius des Blattes, die maximale Entwurfs-Machzahl für das Blatt, die Machzahl der Geschwindigkeit der Blattspitze und das Vorwärtsverhältnis des Blattes. Die optimalen Werte für dieses Verhältnis zwischen den verschiedenen Parametern werden in Figur 3 gezeigt.

Die Erfindung sieht weiter noch eine Pfeilung von 7o° nach hinten der vorlaufenden Kante an der Spitze des Rotorblattes vor, um die Effekte einer Luftströmungs-Wirbelbildung, die man Blattspitzenwirbel nennt,auf ein Minimum herabzusetzen.

Weitere Aufgaben und Zwecke der Erfindung ergeben sich aus der folgenden eingehenden Beschreibung und aus den Zeichnungen. Dabei let: ,

Figur 1 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Rotorblatt, wobei die Form der vorlaufenden Kante gezeigt wird, mit der die Verzögerung der Verdichtung erreicht wird,

Figur 2 eine Ansicht ähnlich Figur 1, wobei' eine weitere Verfeinerung der Pfeilung der Blattspitze gezeigt

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wird, mit der die WirbelbiHung an der Blattspitse herabgesetzt wird,

Figur 3 zeigt die mathematischen Zusammenhänge des³ Pfeilung©! an der vorlaufenden Kante und

Figur 4 ist eine grafische Darstellung zur Illustration einer Technik, mit der die Stelle bestimmt wis?d₀ an der der Pfeilungswinkel der vorlaufenden Kant© von einer Pfeilung nach vorne in eine Pfeilung nach hinten übergeht.

Die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Hubschrauberblattes und wie die erfindungsgemäßen Zwecke erreicht werden, ergibt sich am besten aus einer Kenntnis der konstruktiven Anordnung, wie sie in den Figuren gezeigt wird.

Figur 1 zeigt das Rotorblatt Io in der Aufsicht mit der vorlaufenden Kante 12 und der nachlaufenden Kante 14. Der Radius R des Rotorblattes Io ist der Abstand zu der Drehachse 16. Für einen bestimmten Hubschrauber kann dieser Radius R hier als eine gegebene Größe angesehen werden. Der Radius R des Rotorblattes wird im allgemeinen durch die Abmessungen des Hubschraubers betimmt, da-es wichtig ist, daß der Hauptrotor nicht in den Heckrotor eingreift. Für die vorliegenden Zwecke kann eine solche Konstruktion des Rotorblattes angenommen werden, daß der Radius R so groß wie möglich ist, ohne daß der Hauptrotor in den Heckrotor eingreift.

Die Steuerachse 18 liegt im allgemeinen auf etwa 1/4 der Entfernung zwischen der vorlaufenden Kante und der nachlaufenden Kante und stellt den aerodynamischen Mittelpunkt des Blattes Io dar. Im allgemeinen will man die Kippmomente um die Steuerachse 18 auf einem Minimum halten. Eine Überlegung bei der Konstruktion der Pfeilung der vorlaufenden Kante des Blattes liegt somit darin, die Kippmomente um die Steuerachse 18 auf einem Minimum oder auf

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Irgendeinem vorgegebenen Wert zu halten.~

Bei der Konstruktion von Figur 1 ist die vorlaufende Kante 12 gerade und etwa radial, wie bei einer üblichen Blattkonstruktion mit quadratischen Kanten, bis zu der Stelle P^. Zwischen dem Punkt P₁ und dem Punkt P₂ ist die vorlaufende Kante nach vorne geschwungen und bildet ein vorlaufendes Kantensegment, das mit 12P bezeichnet 1st. Zwischen dem Punkt Pp und dem Außenende des Blattes Io ist die vorlaufende Kante nach hinten gepfeilt, so daß ein vorlaufendes Kantensegment entsteht, das hier mit 12A bezeichnet ist.

Wie Figur 1 zeigt, sind der vordere gepfeilte Abschnitt 12F und der hintere gepfeilte Abschnitt 12A geschwungene Linien. Die Winkel, die der gepfeilte Abschnitt der vorlaufenden Kante 12 mit einer radialen Linie einschließt, die z. B. durch die Steuerachse 18 gebildet wird, sind mit Lambda ( J^ ) bezeichnet. Der Winkel Lambda ändert sich als Funktion der radialen Entfernung r an jeder Stelle entlang der vorlaufenden Kante 12 zum Punkt P^. Das Verhältnis zwischen dem Kosinus von Lambda und der radialen Entfernung r von der Drehachse 16 zu jeder Stelle 1 entlang des gepfeilten Abschnittes der vorlaufenden Kante 12 wird durch die Gleichung gemäß Figur 3 vorgegeben.

Der Pfeilungswinkel Lambda wird an jeder Stelle i der vorlaufenden Kante 12 des Blattes als der Winkel zwischen der radialen Linie r^, die von der Drehachse 16 durch diesen Punkt i gezogen wird, und einer Tangente am Punkt i gemessen» Die Abmessungen des Rotorblattes Io sind so, daß für praktische Zwecke eine einzige im wesentlichen radiale Linie, wie z.B. die Steuerachse 18, als Basislinie verwandt werden kann, von der aus der·Pfeilungswinkel Lambda gemessen wird. Dies liegt daran, daß die Pfeilungswinkel am Außenabschnitt des Blattes liegen und da die Tiefe des Blattes im Vergleich zu der Länge R des Blattes relativ gering ist. Das Heißt, daß die exakter durch jeden Punkt P^ auf

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der vorlaufenden Kante 12 des Blattes gezogene radiale Linie genügend parallel zu einer Linie, wie zu der Steuerachse 18 ist, so daß die Nessung des Pfeilungswinkels Lambda zu einer von diesen beiden Basislinien genügend genaue Ergebnisse liefert.

Man sieht aus Figur 3, daß der Kosinus des Pfeilungswinkels Lambda umgekehrt proportional zu der ersten Ordnungszahl des radialen Abstandes r ist. Es ist dieses Verhältnis zwischen dem Pfeilungswinkel und dem Radius r, das die Optimierung bildet, welches der Zweck vorliegender Erfindung ist.

In einer bestimmten Ausführung lag der Punkt P^, an dem die Pfeilung der vorlaufenden Kante beginnt, auf etwa 75 % des Radius R des Rotorblattes. Der vordere gepfeilte Abschnitt 12 P der vor= laufenden Kante erstreckte sich bis zu einem Punkt P„, der auf etwa 85 % des Blattradius liegt. In dieser bestimmten Ausführung wurde der Punkt P 2 so ausgesucht, daß der Pfeilungswinkel Lambda an der Stelle P₂ bei 3o° liegt. Der Pfeilungswinkel Lambda an jeder Stelle entlang des vorderen gepfeilten Abschnittes 12P der vorlaufenden Kante ist in Übereinstimmung mit der Gleichung gemäß Figur 3. Der nach hinten gepfeilte Abschnitt 12A der-vorlaufenden Kante erstreckt sich über die verbleibenden 15 % des Blattes Io· Obwohl die Richtung der Pfeilung des nach hinten gepfeilten Abschnittes 12A umgekehrt ist zu dem nacn vorne gepfeilten Abschnitt 12F wird auch der r'feilungswim ^l Lambda an jeder Stelle des nach hinten gepfeilten Abschnittes 12A dura* die Gleichung nach Figur 3 beschrieben. Es sei fe jedoch darauf hingewiesen, daß der Pfeilungswinkel Lambda des nach hinten gepfeilten Abschnittes 12A wie auch des nach vorne gepfeilten Abschnittes 12F der spitze Winkel zwischen der Tangente zu jeder Stelle auf der vorlaufenden Kante und einer radialen Linie ist₀ Wird der nach vorne geschwungene Abschnitt der vorlaufenden Karr über den Brechungspunkt Pp hinaus verlängert, würde dies ein Spiegelbild des nach hinten gepfeilten Abschnittes 12A (um eine durch den Brechungspunkt P₂ durchtretende Linie) ergeben.

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Für die Zwecke cies? ^e^zogenaszg der Verdichtung ist es nicht besonders wichtig., ©ä üer Winkel stach vorne ©der nach hinten gepfeilt ist» Ua $e&QQh sie iCIppisoiEgiite um die Steuerachse 18 auf sinem Minimum Otis taltess sdeis in ^esfciaaaters Fällen, auf einem vorgegebenen %®&&₀ wm& eine IScacdsation aus einer Pfeilung nach ©lass» Ei"idX";ing aasä mmisn ^es?s

Figur 2 untarssiäeMs's sieh vsa figai⁵ 1 In erster Linie dadurch, daß die" äußerste Spitze des Slattes an äer Stelle P*, durch einen Schnitt abgetrennt ist_s der anter einem Pfeilungswinkel von 7o° verläuft, um einen endgültigen vorlaufenden Kantenabschnitt 12c* zu bilden. Ein Hauptgrund für diesen unter 7o° verlaufenden Schnitt liegt darin, die AuftriebsVerluste, die durch Blattspitzenwirbel entstehen, auf einem Minimum zu halten. Versuche haben gezeigt, daß ein Pfeilungswinkel der vorlaufenden Kante von etwa 7o° am Außenabschnitt des Rotorblattes zu einer besten Herabsetzung der Auftriebsveduste durch Blattspitzenwirbel führt. Offensichtlich bewirkt diese Pfeilung um 7o°, daß die Wirbel nach hinten zu der Spitze des Blattes wandern und damit die Auftriebsverluste auf ein Minimum herabdrücken.

Auf diese Welse wird eine zusätzliche Optimierung der Pfeilung der vorlaufenden Kante erreicht, mit der der Wirbeleffekt auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Sowohl der Wirbeleffekt wie auch die Verdichtung führen zu einem Auftriebeverlust und zu einem Verlust des Auftrieb/Durchmesserverhältnisses · Obgleich die Erklärung dieser beiden Effekte verschieden ist und die betroffenen tatsächlichen Erscheinungen verschieden zu sein scheinen, lassen sich die unerwünschten Effekte dieser beiden Erscheinungen durch eine optimierte Konstruktion der Pfeilung der vorlaufenden Kante herabsetzen. Der wichtigste Effekt, nämlich die Verdichtung, wird herabgesetzt, das heißt, verzögert, durch eine Pfeilung der vorlaufenden Kante gemäß der in Figur 3 gegebenen Gleichung, während der Wirbel an der Blattspitze durch eine Pfeilung der vorlaufenden

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Kante von etwa 7o° nach hinten auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Bei einer tatsächlich gebauten und geprüften Ausführungsform nach Figur 2 war die Anordnung der Punkte P¹^ und P'₂ tatsächlich wie oben beschrieben, das heißt, bei 75 % und 85 % des radialen Abstandes R zu der Drehachse 16. Zusätzlich lag der Punkt P¹, bei etwa 97 % des Blattradius R von der Achse 16 und ergab ein vorlaufendes Kantensegment 16' mit einem Pfeilungswinkel von 7o° nach hinten. Wie Figur 2 zeigt, verläuft die Pfeilung des Segmentes 12A' nach hinten, die der Gleichung nach Figur

Lur
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folgt, von einem Pfeilungswinkel Lambda von 3o° bis zu einem Pfeilungswinkel von 4o an der Stelle P¹,,

Der Brechungspunkt P« zwischen dem nach vorne gepfeilten Abschnitt 12F und dem nach hinten gepfeilten Abschnitt 12A wird im allgemeinen so ausgewählt, daß sich ein minimales Kippmoment um die Steuerachse 18 einstellt. Der Aufbau der Blattfläche vor der normalen geraden vorlaufenden Kante 12 führt zu einem übermäßigen positiven Kippmoment um die Steuerachse. Auf ähnliche Weise vermindert ein Wegschneiden der normalen geraden vorlaufenden Kante 12, um eine Pfeilung nach hinten zu ergeben, die Blattfläche hinter der Steuerachse 18 mehr als die Blattfläche vor der Steuerachse 18 herabgesetzt wird und führt damit zu übermäßigen negativen Kippmomenten. Eine Kombination einer Pfeilung nach vorne und einer Pfeilung nach hinten wird zum Ausgleich dieser beiden Effekte verwandt. Es wurde bereits ausgeführt, daß der Brechungspunkt Pp zwischen dem nach vorne gepfeilten Abschnitt 12F und dem nach hinten gepfeilen Abschnitt 12A bei einer Blattkonstruktion so ausgewählt wurde, daß der Pfeilungswinkel 3o° beträgt, da dies den gewünschten Ausgleich zwischen den positiven und den negativen Kippmomenten ergibt.

Es ist verständlich, daß aus dieser besonderen Form einer vorlaufenden Kante ein besonderer Vorteil gezogen werden kann, um ein vorgegebenes Kippmoment zu erzeugen. Die Konstruktion würde dann auf der Grundlage erfolgen, die Abweichung vor vorgegebenen

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Wert des Kippmomentes auf ein Minimum herabzudrücken.

Figur 4 zeigt eine Technik zum Bestimmen des Brechungs- oder Wendepunktes P₂, der übermäßige negative oder positive Kippmomente -vermeidet. Dabei.soll im Augenblick der in Figur 2 gezeigte überlagerte Pfeilungswinkel von 7o° vernachlässigt werden. Die Linie 0 stellt die in Figur 3 gezeigte Gleichung der Pfeilungswinkel dar, die für ein Rotorblatt unter Berücksichtigung der Tatsache gewünscht werden, wenn die Pfeilung insgesamt nach hinten verläuft. Die Linie O¹ stellt dann die äquivalente Pfeilung nach vorne dar und würde ein Spiegelbild um die vorlaufende Kante 12 der Linie 0 sein. Während eine Blattspitze, die mit einer Pfeilungslinie 0 nach hinten konstruiert ist, übermäßige negative Kippmomente hat, hat eine Blattspitze, die mit einer Pfeilungslinie O¹ in Vorwärtsrichtung konstruiert ist, übermäßige positive Kippmomente,

Es soll die Kombination der beiden Pfeilungen ermittelt werden, die zu einem Blattspitzenabschnitt ohne übermäßige negative oder positive Kippmomente führt. Dies läßt sich mit verschiedenen nach hinten gepfeilten Linien erreichen, z. B. mit den Linien 1, 2, 3, 4 und 5» Alle diese Linien enthalten die richtige radiale Winkelaufteilung und jede Linie schneidet die nach vorne gepfeilte Linie O¹ an einer anderen Stelle. Für jede der verschiedenartigen Kombinationen von Pfeilungen nach vorne und nach hinten (z. B. für die durch x, y und ζ gebildete Linie), können die aerodynamischen Momente um die Steuerachse 18 berechnet werden und die Kombination der Pfeilungen nach vorne und nach hinten, die das gewünschte Moment ergibt, läßt sich auswählen.

Zusätzlich zu der Vermeidung der Kippmomente vergrößert die Vielfachpfeilung die Verzögerung der Verdichtung und erhöht die Blattspitzenfläche. Dieser letzte Punkt, der die Vergrößerung der Blattspitzenfläche betrifft, ist auch ein wichtiger Grund, warum eine Pfeilung allein nach hinten unerwünscht ist.

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Der maxiamle Auftrieb, der von einem Hubschrauber-Propellerblatt bewirkt wird, erfolgt in der Nähe der Blattspitze, da die Blattspitze die höchste Geschwindigkeit hat. Ein Abschneiden eines größeren Teiles der Blattspitze würde daher das Auftriebs-Durchmesserverhältnis sehr ernsthaft gefährden. Diese Abnahme des Auftriebs-Durchmesserverhältnisses wird auf ein Minimum herabgesetzt, wenn der vordere gepfeilte Abschnitt 12P in Verbindung mit dem hinteren gepfeilten Abschnitt 12A genommen -wird. Das Verhältnis von Auftrieb zu Durchmesser wird sogar noch erhöht, da die resultierende Verzögerung in der Verdichtung größere Blattgeschwindigkeiten und damit erhöhten Auftrieb zuläßt.

Figur 3 zeigt die Näherungsgleichung für eine optimale Pfeilung der vorlaufenden Kante des Rotorblattes. Dies ist ein wichtiger Grund für die Bedeutung von Figur 3, der im Auge behalten werden sollte und besagt, daß eine Linie minimalen Druckes eingeführt worden ist. Im Betrieb hat das Druckprofil entlang jeder Sehne des Rofcorblattes starke Schwankungen. Auf jeder Sehne befindet sich ein Punkt, an demÜies-erDruck ein Minimum ist. Eine Linie, die diese Punkte minimalen Druckes verbindet, wird hier Linie des minimalen Druckes genannt. Bei normalen Rotorblättern ist diese Linie minimalen Druckes im allgemeinen eine gerade Linie, die parallel zu der vorlaufenden Kante verläuft.

Als allgemeine Regel läßt sich sagen, daß die Linie minimalen Druckes parallel zu der vorlaufenden Kante des Rotorblattes verläuft. Bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten, das heißt, demjenigen Flugzustand, bei dem die maximale Machzahl erreicht wire für die das Propellerblatt entworfen ist, ist ein niedriger Angriffswinkel typisch. Unter diesen Bedingungen verläuft die Linie minimalen Druckes sehr dicht neben der Linie maximaler Dicke des Blattes. Bei höheren Angriffswinkeln verschiebt sich die Linie minimalen Druckes in Richtung auf die vorlaufende Kante. In beiden Fällen sind die vorlaufende Kante, die Linien minimalen Druckes und die Linie maximaler Dicke parallel.

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Eb sollte möglich sein, die Linie minimalen Druckes durch eine Pfeilung der Linie maximaler Stärke nach hinten zu verändern. Es gibt viele praktische Gründe, warum dort eine wirkliche Begrenzung der Größe einer jeden solchen Pfeilung nach hinten vorhanden ist und damit wirkliche Begrenzungen für das Ausmaß, um das die Linie minimalen Druckes von einer Linie abweichen kann, die parallel zu der Steuerachse vezLäuft, Da solche Änderungen in der Konstruktion des Rotorblattes jedoch zu einer Hicht-Parallelität zwischen der Linie minimalen Druckes und der normalerweisen geraden vorlaufenden Kante führen könnten, sollte diese wichtige Eigenschaft der Gleichung von Figur 3 im Auge behalten werden·

Die obige Beschreibung und J Hskussion der Gleichung von Figur 3 sind von der Annahme ausgegangen, daß der Pfeilungswinkel Lambda der spitze Winkel zwischen der Tangente zu einem Punkt auf der vorlaufenden Kante 12 des Rotorblattes und einer radialen Linie zu diesem Punkt ist· Der maßgebende Grund vom Gesichtspunkt der Verdichtung ist jedoch die Linie minimalen Luftdruckes, die jede Sehne des Rotorblattes Io schneidet. Somit 1st es exakter zu sagen, daß die Gleichung von Figur 3 eine Gleichung des Pfeilungswinkels der Linie minimalen Druckes ist.

Hat die Linie maximaler dicke zum Bebpiel eine geringe Pfeilung nach hinten, kann die vorlaufende Kante des Rotorblattes etwas von derjenigen Form abweichen, die durch die Gleichung gemäß Figur 3 vorgegeben wird· Eine optimale Konstruktion verlangt in diesem Fall, daß die Linie minimalen Druckes der Gleichung nach Figur 3 genügt. Die anfängliche Konstruktion des Rotorblattes mit einer vorlaufenden Kante, die der Gleichung nach Figur 3 genügt, würde zu einer guten Annäherung an die endgültige voll optimierte Form führen. In solchen Fällen würde die anfängliche Blattkonstruktion in einem Windkanal überprüft, um die tatsächliche Linie minimalen Druckes zu bestimmen und dann die Kontur des Rotorblattes, das so modifiziert wird, daß diese Linie minimalen Druckes der Gleichung nach Figur 3 genügt.

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Die maximale Entwurfsmachzahl M. für das Rotorblatt wird als eine Funktion der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit ausgewählt, bei der der Plugkörper fliegen kann und die maximal zulässige Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter erreicht wird. Die Auswahl dieser Zahl M. ist bekannt. Soweit die Gleichung von Figur 3 betroffen ist, ist die maximale Machzahl so klein wie möglich, so daß die Stelle P₁, bei der der Pfeilungswinkel Lambda wirksam wird, so weit wie möglich nach innen verschoben wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Punkt P₁ auf der vorlaufenden Kante des Rotorblattes diejenige Stelle ist, an der der Begrenzungseffekt der Verdichtung zuerst bemerkt wird. Grob gesprochen werden Punkte außerhalb von P₁ nach Maßgabe der Gleichung von Figur 3 berechnet und haben damit eine Verdichtungs-Verzögerung, mit der die Tatsache überwunden wird, daß sie sich wegen ihrer Lage weiter außen auf dem Rotorblatt mit höheren Geschwindigkeiten bewegen. Punkte innerhalb von P₁ bewegen sich natürlich mit geringeren Geschwindigkeiten als P₁ und erzeugen' daher nicht den Verdichtungseffekt, wie dies für P₁ gilt. Je weiter man somit P₁ legen kann, um so wirksamer wird die erfindungsgemäße Konstruktion.

Einer der wichtigen Aspekte bei der Verwendung einer doppelten Pfeilung liegt darin, daß es damit möglich wird, den Punkt P₁ weiter nach innen zu bringen als wenn nur eine einzige Pfeilung nach hinten verwandt wird. Der Aufbau der Pfeilung nach vorne vor dem Beginn der Pfeilung nach hinten macht es möglich, daß diese Pfeilung weiter verlängert wird. Eine doppelte Pfeilung gleicht daher nicht nur die Momente aus, sondern gestattet auch eine wirkungsvollere Pfeilung, da der Punkt P₁., an dem die Pfeilung beginnt, weiter innen liegt als dies sonst möglich wäre.

Wie oben ausgeführt, ist die Wirksamkeit der Optimierung, die die Gleichung nach Figur 3 ermöglicht, maßgeblich davon abhängig, wie weit innen die gleichung angewandt werden kann. Bei Verwendung von schmalen Blättern muß mit der Gleichung nach Figur

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3 ein Kompromiß verwandt werden. Bei einem Rotorblatt, das einen Radius R von 15 m und eine Tiefe £ von o,5 m hat, würde eine exakte Befolgung der Gleichung von Figur 3 zu einer großen Pfeilung nach vorne führen, der eine Pfeilung nach hinten folgen würde, die hinter der Steuerachse nur so wenig in das Rotorblatt hineinschnaldet, daß die Kippmomente in ein gefährliches Ungleichgewicht geraten. Unter diesen Umständen ergibt die Gleichung von Figur 3 eine erste Annäherung an die Form und die Lage des Pfeilungswinkels der vorlaufenden Kante, In diesen Fällen kann es notwendig werden, den Pfeilungswinkel weiter außen beginnen zu lassen als dies sonst erwünscht würde und die Pfeilung mit einem Anfangswinkel zu beginnen, der größer als 0° ist, welchen Wert der Winkel haben würde, falls er weiter innen beginnen könnte. In solchen Fällen ist es somit nur ein Teilbereich^ der in Figur 3 beschriebenen Form, der verwandt werden würde.

Aus den obigen Erläuterungen zu denjenigen Fällen, in denen die Gleichung nach Figur 3 angenähert oder >.in etwa befolgt wird, erkenntman, daß diese Gleichung in den meisten Fällen eine enge Annäherung an die optimale Form bildet. In allen diesen Fällen liefert Figur 3 eine Anfangskonstruktion, die man mit empirisch ermittelten Werten nur geringfügig ändern muß, um die endgültige Optimierung zu erhalten.

Auf diese Weise erhält man eine Konstruktion, die die Aufgaben dieser Erfindung erfüllt, Ein auf diese Weise hergestelltes Rotorblatt zeigte im Versuch ein merkbar verbessertes Verhalten. Insbesondere zeigte sich eine starke Geräuschdämpfung.

Die obige Beschreibung bezog sich auf das Blatt eines Hauptrotors. Die Erfindung kann jedoch ebenso auf den Heckrotor wie auch auf andere rotierende Propellerblätter angewandt werden.

Pat entansprüche :

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Claims

Or. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-fng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom Named. Anm. Bell AeiOSpSlCe ΟθΓρ ·

Patentansprüche

I)/ Drehbares Propellerblatt mit einer Linie minimalen Drukfces, die gebildet ist durch Verbindung der Punkte minimalen Luftdruckes entlang der Tiefe jedes Blattes, mit einem innen liegenden Abschnitt und einem außen liegenden gepfeilten (swept) Abschnitt entlang dieser Linie minimalen Druckes, wobei der äußere gepfeilte Abschnitt einen vorderen und einen hinteren gepfeiltenAbschnitt enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß

der vordere gepfeilte (swept) Abschnitt eine konkave Form hat,

der hintere gepfeilte Abschnitt eine konvexe Form hat, und der Kosinus des spitzen Pfeilwinkels an jeder Stelle entlang der gepfeilten Abschnitte der Linie minimalen Druckes umgekehrt proportional zu im wesentlichen der ersten Ordnungszahl der radialen Entfernung zu jeder Stelle entlang der Linie minimalen Druckes ist.
2) Propellerblatt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen außen liegenden hinteren gepfeilten Abschnitt der vorlaufenden Kante des Propellerblattes, wobei der spitze Pfeilwinkel des hinteren gepfeilten Abschnittes der vorlaufenden Tante im wesentlichen 7o° beträgt.
3) Propellerblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Pfeilwinkel und der radialen Entfernung im wesentlichen durch folgende Gleichung gegeben ist

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Mb

/UL

rl

dabei ist:

ri s radiale Entfernung zur Stelle i auf der Linie minimalen Dnuckes,

R = Blattradius bis zur äußersten Spitze,

A i = spitzer Pfeilwinkel an der Stelle i auf der Linie minimalen Druckes,

Mb = Entwurfsmachzahl für das Blatt,

= Machzahl an der Blatt spitze (bei maximaler Drehgeschwindigkeit ohne Vorwärtsgeschwindigkeit),

M- s Vorwärtsverhältnis = maximale Vorwärtsfieschwindlpjkelt

maximale Drehgeschwindigkeit an Blattspitze
4) Propellerblatt nach Anspruch 3,. gekennzeichnet durch einen zusätzlichen außen liegenden nach hinten gepfeilten vorlaufenden Kantenabschnitt des Propellerblattes mit einem Pfeilwinkel, der wesentlich größer als durch die Gleichung verlangt ist.
5) Propellerblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfeilwinkel des hinteren Pfeilabschnittes der vorlaufenden Kante im wesentlichen 7o° beträgt.
6) Propellerblatt nach Anspruch 1, dessen vorlaufende Kante einen innen und einen außen liegenden gepfeilten Abschnitt aufweist, und dessen außen liegender gepfeilter Abschnitt einen vorderen gepfeilten Abschnitt und einen hinteren gepfeilten Abschnitt aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

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der vordere gepfeilte Abschnitt der vorlaufenden Kante konkave Form hat,

der hintere gepfeilte Abschnitt der vorlaufenden Kante konvexe Form hat

und der Kosinus des spitzen Pfeilwinkels an jeder Stelle entlang des vorderen und des hinteren Pfeilabschnittes der vorlaufenden Kante umgekehrt proportional ist zu Im wesentlichen der ersten Ordnungszahl der radialen Entfernung zu jeder Stelle entlang der vorlaufenden Kante.
7) Propellerblatt nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen außen liegenden zweiten hinteren gepfeilten vorlaufenden Kantenabschnitt mit einem Pfeilwinkel, der wesentlich größer ist als es die Vorschrift nach Anspruch 6 verlangt.
8) Propellerblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfeilwinkel des zweiten hinteren vorlaufenden Kantenabschnittes im wesentlichen 7o° beträgt.
9) Propellerblatt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Pfeilwinkel und der radialen Entfernung Im wesentlichen durch folgende Gleichung gegeben ist

Cos

dabei ist:

Mb ι R

M,

TIP

ri

ri = radiale Entfernung zur Stelle 1 auf der vorlaufenden Kante, R = Blattradius bis zur äußersten Spitze,

= spitzer Pfeilwinkel an der Stelle i auf der vorlaufenden Kante des Blattes,

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Mb = Entwurfsmachzahl für das Blatt

•TIP = Machzahl an der Blattspitze (bei maximaler Drehgeschwindigkeit ohne Vorwärtsgeschwindigkeit)

= Vorwärtsverhältnis =

maximale Drehgeschwindigkeit an Blattspitze.
10) Propellerblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher außen liegender nach hinten gepfeilter vorlaufender Kantenabschnitt vorgesehen ist, der zu der Blattspitze führt und einen Pfeilwinkel aufweist, der wesentlich größer ist als die Gleichung verlangt.
11) Propellerblatt nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfeilwinkel des zweiten nach hinten gepfeilten vorlaufenden Kantenabschnittes im wesentlichen 7o° beträgt.
12) Propellerblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

der vordere Pfeilabschnitt von einer ersten Stelle ausgeht, an der der Pfeilwinkel Null außenbords ist, und zu einer zweiten Stelle verläuft, an der der Pfeilwinkel etwa 3o° beträgt,

und der hintere Pfeilabschnitt von der zweiten Stelle ausgeht, an der der hintere gepfeilte Abschnitt einen Pfeilwinkel von etwa 3o außenbords beträgt, und zu einer dritten Stelle verläuft, an der der Pfeilwinkel etwa 4o° beträgt.
13) Propellerblatt nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen geraden hinteren gepfeilten Abschnitt der vorlaufenden Kante, wobei dieser geradliniage Abschnitt von der dritten Stelle außenbords zu der äußersten Spitze des Propellerblattes verläuft und der dritte Abschnitt einen Pfeilwinkel von etwa 7o° aufweist.

Propellerblatt nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Stelle auf einer Sehne liegt, die auf unge-

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1 * J

fähr 75 % des Propellerradius gerechnet von der Drehachse liegt,

die zweite Stelle auf einer Sehne liegt, die auf etwa 85 % des Propellerradius gerechnet von der Drehachse liegt, und

die dritte Stelle auf einer Sehne liegt, die auf etwa 97 % des Propellerblattradius gerechnet von der Drehachse liegt.

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