DE19622834A1 - Luft- oder Schiffsschraube - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine sog. Verstell-Luft- oder Schiffsschraube mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Sie ist insbesondere für ein bemanntes Luftfahrzeug vorgesehen.

Es sind Verstell-Luftschrauben für Motorflugzeuge bekannt, deren Blätter in etwa um ihre Längsachse schwenkbar an einer Nabe angebracht sind, so daß eine Steigung der Luftschraube während des Betriebs verstellbar ist. Dadurch läßt sich die Luftschraube an unterschiedliche Luftströmungs­ geschwindigkeiten beispielsweise bei Start, Steigflug, Horizontalflug und an verschiedene Fluggeschwindigkeiten anpassen, es läßt sich über einen großen Geschwindigkeits­ bereich ein hoher Luftschrauben-Wirkungsgrad erzielen. Bei antriebslosem Flug, beispielsweise bei Motorausfall, werden die Blätter mit ihrem Querschnitt in Strömungsrichtung gestellt, um einen Luftwiderstand der stehenden Luftschraube zu senken. Die in etwa radial, also quer zur Luftströmungs­ richtung von der Nabe abstehenden Blätter haben allerdings auch wenn sie in Strömungsrichtung gestellt sind einen beachtlichen Windwiderstand. Hinzu kommt, daß die Blätter in ihrer Längsrichtung verwunden sind, um sie den dem Radius proportionalen Umlaufgeschwindigkeiten anzupassen. Dies hat jedoch für den antriebslosen Flug den Nachteil, daß die Blätter nur auf einem kurzen Längsabschnitt in Richtung der Luftströmung ausgerichtet sind und auf ihrer übrigen Länge unter einem Winkel angeströmt werden, was den Luftwiderstand erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luft- oder Schiffsschraube der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich ihr Strömungswiderstand in antriebslosem Flug oder bei antriebsloser Fahrt erheblich verringert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Blätter der erfindungsgemäßen Luft- oder Schiffsschraube sind für antriebslosen Flug oder antriebslose Fahrt so umklappbar, daß ihre Längsrichtung in etwa in Strömungsrichtung verläuft. Dadurch bieten die Blätter der nicht angetriebenen Lift- oder Schiffsschraube eine minimale Strömungsangriffsfläche, der Strömungs­ widerstand ist auf einen Bruchteil verringert. Erfindungsgemäß ist die Luftschraube insbesondere für einen Hilfsantrieb mit Elektromotor eines bemannten Segelflugzeugs vorgesehen. Um mit einem solchen Segelflugzeug überhaupt mit eigener Elektromotorkraft starten zu können und um das Segelflugzeug möglichst lange in der Luft halten zu können, ist ein guter Wirkungsgrad bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten sowie ein minimaler Strömungswiderstand bei antriebslosem Flug unerläßlich.

Vorzugsweise sind die Blätter der erfindungsgemäßen Luft- oder Schiffsschraube frei oder gedämpft um Klappachsen schwenkbar. Sie werden durch Zentrifugalkraft beim rotierenden Antrieb der Luftschraube geöffnet und in der geöffneten Stellung gehalten, wobei die Blätter durch die Zentrifugalkraft oder durch einen Anschlag gegen eine an den Blättern wirksame Vortriebskraft, die parallel zu einer Rotationsachse wirkt, in etwa senkrecht zur Rotationsachse gehalten werden. Beim Stillsetzen der Luft- oder Schiffsschraube werden die Blätter von der Strömung zusammengeklappt und von dieser oder der Verstelleinrichtung zum Verstellen des Steigungswinkels der Blätter in Strömungsrichtung ausgerichtet.

Die Verstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Luft- oder Schiffsschraube läßt sich platzsparend in einer Hohlwelle unterbringen. Dies kann die Welle eines Antriebsmotors, insbesondere eines Elektromotors, die Abtriebswelle eines Getriebes oder einer sonstigen Antriebseinheit sein. Dies hat zudem den Vorteil, daß Verstellorgane nicht um den Motor herum zur Nabe der Luft- oder Schiffsschraube geführt werden müssen und außerdem geschützt sind.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung setzt die Verstelleinrichtung eine Verschiebebewegung in eine Schwenkbewegung der Blätter zum Verstellen des Steigungswinkels um. Die Verstellung kann beispielsweise mittels eines Hebelgetriebes erfolgen. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Umsetzung der Verschiebebewegung in die Verschwenkbewegung mit Hilfe einer Kulissenführung, deren Kulissenbahnen in einem - nicht notwendigerweise über die Länge der Kulissenbahnen konstanten - Winkel zur Verschieberichtung verlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Kulissenbahnen in einem spitzen Winkel zur Verschieberichtung, wodurch sich eine Kraftübersetzung ergibt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Verstelleinrichtung ein Sperrgetriebe, beispielsweise ein an sich bekanntes Spindel- oder Schneckengetriebe auf, das eine Drehbewegung in eine Verschiebebewegung umsetzt, sich jedoch durch eine Kraft in Verschieberichtung nicht verstellen läßt. Dadurch läßt sich der Steigungswinkel der Blätter ohne weitere Hilfsmittel in jeder Stellung fixieren, so daß sich der Steigungswinkel mittels der Verstelleinrichtung während des Betriebs der Luft- oder Schiffsschraube verstellen läßt, sich jedoch nicht selbsttätig infolge von Strömungs- oder sonstigen an den Blättern angreifenden Kräften verstellen kann. Mit dem Sperrgetriebe, das eine Drehbewegung in eine Verschiebebewegung umsetzt, und der Kulissenführung läßt sich eine kompakte und stielarme Verstelleinrichtung verwirklichen, die eine exakte Einstellung des Steigungswinkels ermöglicht und die geringes Gewicht aufweist.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, insbesondere ein bemanntes Segelflugzeug, das zum hilfsweisen Elektroantrieb mit einer Luftschraube der vor stehend beschriebenen Art ausgerüstet ist, wobei die Luftschraube oben an einem Seitenleitwerk angebracht ist. Dies hat den Vorteil, daß sich der Antrieb strömungsgünstig unterbringen läßt, und daß die Luftschraube bei am Boden befindlichem Luftfahrzeug frei drehen kann, ohne daß ihre Blätter mit dem Boden in Berührung gelangen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Luftschraube näher erläutert. Sie läßt sich ebensogut bei einer Schiffsschraube beispielsweise für ein Segelschiff mit Hilfsmotor, deren Strömungswiderstand bei abgeschaltetem Motor möglichst gering sein soll, verwirklichen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes, bemanntes Segelflugzeug;

Fig. 2 einen Achsschnitt durch eine Nabe einer erfindungs­ gemäßen Luftschraube zum Antrieb des in Fig. 1 dargestellten Segelflugzeugs; und

Fig. 3 eine Einzelteildarstellung einer Kulissenplatte zu Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Segelflugzeug 10 ist zum Transport eines Menschen vorgesehen. Es weist ein T-Leitwerk 12 auf, also ein Leitwerk 12, bei dem ein Höhenleitwerk 14 oben auf einem Seitenleitwerk 16 angebracht ist. Das Leitwerk 12 bietet im Kreuzungsbereich von Höhen- und Seitenleitwerk 14, 16 Einbauraum für einen Hilfsantrieb mit Elektromotor, von dem in der Zeichnung nur eine Luftschraube 18 sichtbar ist.

Der Aufbau einer Nabe 20 der erfindungsgemäßen Luftschraube 18 ist in Fig. 2 im Achsschnitt dargestellt. Die Nabe 20 weist eine Hohlwelle 22 mit großflächigen Aussparungen 24 zur Gewichtsreduktion auf. Die Hohlwelle 22 der Nabe 20 ist in eine Hohlwelle 26 eines Elektro-Antriebsmotors eingesetzt. Zur klaren Darstellung ist vom Elektro-Antriebsmotor nur ein Bruchstück seiner Hohlwelle 26 dargestellt.

Die Hohlwelle 22 der Nabe 20 weist an einem Stirnende ein mit ihr einstückiges Auge 28 auf, das in einer Ebene mit einer Längsmittelachse 29 der Hohlwelle 22 liegt. In das Auge 28 sind von beiden Seiten zwei Gleitlagerschalen 30 eingesetzt, mit denen zwei Gabelköpfe 32 drehbar um eine Achse senkrecht zur Längsmittelachse 29 der Hohlwelle 22 an letzterer gelagert sind. Die Längsmittelachse ist zugleich Rotationsachse der Luftschraube 18.

Die Gabelköpfe 32 haben U-Form, sie sind an ihrer Grundfläche 34 im Auge 28 gelagert und mit einem Durchsteckschraubbolzen 36 mit aufgeschraubter und gegen Verdrehen gesicherter Kronenmutter (in der Zeichnung verdeckt) am Auge 28 gehalten. Von den Grundflächen 34 stehen je ein Paar Laschen 38 rechtwinklig ab. Die Laschenpaare 38 der beiden Gabelköpfe 32 stehen in einander entgegengesetzte Richtungen von der Hohlwelle 22 der Nabe 20 ab. In den Laschen 38 sind Lagerbohrungen angebracht, die in Tangentialebenen zur Hohlwelle 22 liegende Klappachsen 40 definieren, welche tangential oder in einem Winkel zu Tangenten der Hohlwelle 22 verlaufen. Mit Durchsteckbolzen 42 sind Blätter 44 aus faserverstärktem Kunststoff schwenkbar in den Gabelköpfen 32 gelagert.

Auf diese Weise klappen die Blätter 44 bei rotierendem Antrieb der Hohlwelle 22 in eine Rotationsebene in etwa senkrecht zur Rotationsachse auseinander (vgl. Fig. 1), sie stehen also etwa senkrecht von der Hohlwelle 22 ab. In dieser offenen Stellung werden die Blätter 44 durch Zentrifugalkraft gehalten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen sie keinen Anschlag oder dgl. auf, der sie in der geöffneten Stellung halten würde. Sie können einen nicht dargestellten Anschlag aufweisen, der sie in der geöffneten Stellung hält bzw. stabilisiert.

Wird der Elektro-Antriebsmotor stillgesetzt, werden die Blätter 44 der erfindungsgemäßen Luftschraube 18 bei fliegendem Segelflugzeug 10 von der Luftströmung um ca. 90° nach hinten umgeklappt (Strichlinien in Fig. 1), wodurch sie minimalen Windwiderstand haben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Luftschraube 18 als Druckluftschraube vorgesehen. Es ist genausogut möglich, die erfindungsgemäße Luftschraube 18 als Zugluftschraube zu verwenden, wobei dann ggf. Vorkehrung getroffen werden muß, daß die klappbaren Blätter 44 das Segelflugzeug 10 nicht beschädigen oder von diesem beschädigt werden.

Mit jedem Gabelkopf 32 ist ein Hebel 46 verschraubt, der in die Hohlwelle 22 hinein ragt. Zwischen den beiden Hebeln 46 ist eine Kulissenplatte 48 in axialer Richtung verschiebbar in der Hohlwelle 22 gelagert. Die Verschiebeführung erfolgt mit Längsschlitzen 50 in einer Wandung der Hohlwelle 22, in die die Kulissenplatte 48 hineingreift. Die Hohlwelle 26 des Elektro-Antriebsmotors, die die Hohlwelle 22 der Nabe 20 umgibt, verhindert ein radiales Verschieben der Kulissenplatte 48.

Die Kulissenplatte 48 ist in Ansicht in Fig. 3 dargestellt. Von beiden Seiten sind diagonal und in einem spitzen Winkel zur Verschieberichtung Nuten in der Kulissenplatte 48 angebracht, die Kulissenbahnen 52 bilden. (in Fig. 2 verläuft der Ausbruch der Kulissenplatte 48 durch eine ihrer beiden Kulissenbahnen 52, also in einem Winkel zum Achsschnitt durch die Nabe 20). In den Kulissenbahnen 52 sind Kulissensteine 54 verschiebbar geführt, die drehbar mit von den Gabelköpfen 32 abstehenden Enden der Hebel 46 verschraubt sind. Durch Verschiebung der Kulissenplatte 48 hin und zurück in Längsrichtung in der Hohlwelle 22 werden die von den Gabelköpfen 32 abstehenden Enden der Hebel 46 seitlich in der Hohlwelle 22 hin- und herbewegt, wobei die Enden der Hebel 46 stets einander entgegengesetzte Bewegungen ausführen. Auf diese Weise werden die Gabelköpfe 32 um ihre Schwenkachse senkrecht zur Längsmittelachse 29 der Hohlwelle 22 verschwenkt, d. h. ein Steigungswinkel der Blätter 44 der Luftschraube 18 ist durch Verschieben der Kulissenplatte 48 verstellbar.

Die Klappachsen 40 der Blätter 44 sind also in einer Tangentialebene zur Hohlwelle 22 der Nabe 20 verschwenkbar, sie verlaufen je nach eingestelltem Steigungswinkel der Blätter 44 unter einem Winkel zu Tangenten der Hohlwelle 22. Beim Zusammenklappen der Blätter 44 der Luftschraube 18 werden die Gabelköpfe 32 so verschwenkt, daß die Klappachsen 40 der Blätter 44 tangential zur Hohlwelle 22 verlaufen, die Blätter 44 also in Richtung der Luftströmung stehen und dadurch minimalen Luftwiderstand haben.

An einer den Gabelköpfen 32 abgewandten Stirnseite ist ein Kardangelenk 56 an die Kulissenplatte 48 angeschraubt. Das Kardangelenk 56 weist einen Kugellagerhalter 58 auf, der zum Einsetzen eines nicht dargestellten Kugellagerpaares vorgesehen ist, über das eine Drehentkopplung zwischen einem nicht dargestellten Verschiebegestänge zum axialen Verschieben der Kulissenplatte 48 in der Hohlwelle 22 und der mit der Hohlwelle 22 mitrotierenden Kulissenplatte 48 erfolgt.

Die Kulissensteuerung 48, 52, 54 ist reibungsarm und nahezu spielfrei, sie erlaubt eine präzise Einstellung des Steigungswinkels der Blätter 44 der erfindungsgemäßen Luftschraube 18. Durch den spitzwinkligen Verlauf der Kulissenbahnen 52 zur Verschieberichtung der Kulissenplatten erfolgt eine Kraftübersetzung von der Kulissenplatte 48 auf die von den Gabelköpfen 32 abgewandten Enden der Hebel 46. Die Hebel 46 bewirken ein hohes Stellmoment beim Verstellen der Luftschraubensteigung.

Claims (8)

1. Luft- oder Schiffsschraube, insbesondere Luftschraube für ein bemanntes Luftfahrzeug, mit einem oder mehreren Blättern, mit einer Verstelleinrichtung zum Verstellen eines Steigungswinkels der Blätter während des Betriebs, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Klappeinrichtung (32, 42) aufweist, mit der die Blätter (44) in eine in etwa zu einer Rotationsachse (29) der Luftschraube (18) parallele Lage klappbar sind.

2. Luft- oder Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (44) um Klappachsen (40) frei schwenkbar an einer Nabe (20) der Luftschraube (18) gelagert sind, wobei die Klappachsen (40) ungefähr in Richtung von Tangenten zur Rotationsachse (29) der Luftschraube (18) verlaufen.

3. Luft- oder Schiffsschraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (46, 48, 52, 54) innerhalb einer Hohlwelle (26) eines Antriebsmotors angeordnet ist, mit der die Nabe (20) der Luftschraube (18) drehfest verbunden ist.

4. Luft- oder Schiffsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (46, 48, 52, 54) eine Verschiebebewegung in Richtung der Rotationsachse (29) der Luftschraube (18) in eine Schwenkbewegung zum Verstellen des Steigungswinkels der Blätter (44) umsetzt.

5. Luft- oder Schiffsschraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung eine Kulissenführung (48, 52, 54) zum Umsetzen der Verschiebebewegung in Richtung der Rotationsachse (29) der Luftschraube (18) in eine Schwenkbewegung der Blätter (44) zum Verstellen ihres Steigungswinkels aufweist.

6. Luft- oder Schiffsschraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kulissenbahnen (52) in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse (29) der Luftschraube (18) verlaufen.

7. Luft- oder Schiffsschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung ein Sperrgetriebe aufweist.

8. Luftfahrzeug mit einer Luftschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (20) der Luftschraube (18) oben an einem Seitenleitwerk (16) angeordnet ist.