DE2045637A1

DE2045637A1 - Rotor mit veraenderbarer blattlaenge

Info

Publication number: DE2045637A1
Application number: DE2045637A
Authority: DE
Inventors: Evan A Fradenburgh
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1970-09-16
Publication date: 1973-10-11
Also published as: FR2173631A1; FR2173631B1; US3768923A; DE2045637C3; IT954097B; DE2045637B2; CA940513A; GB1332658A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · D i ρ I,-1 ng. H. B E RK E N FE LD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom Name d. Anm. UNITED AIRCRAFT

CORPORATION

Rotor mit veränderbarer Blattlänge

Die Erfindung betrifft Blätter mit veränderbarer Länge, die sich für Rotore mit veränderbarem Durchmesser oder für Propeller für Flugzeuge verwenden lassen. Das erfindungsgemäße Blatt ist teleskopartig ausgebildet und wird durch eine Gewindespindel-Anordnung betätigt, wobei ein äußerer Blattabschnitt über mehrere Torsionsstangen mit der Gewindespindel verbunden ist, wobei die Torsionsstangen bei der Verbindung des äußeren Blattabschnittes an mehrere auf der Gewindespindel sitzende Muttern jeweils eine weiche Feder darstellen, so daß auch bei den beim Flug im Rotor auftretenden Zentrifugalkräften die Gewinde jeder Mutter gleichmäßig belastet werden, und wobei weiter sichergestellt wird, daß der Anstellwinkel des Blattes ohne Verschiebung der Muttern auf der Gewindespindel verändert waden kann.

Es sind Rotore mit veränderbarem Durchmesser bekannt, bei denen die Blätter teleskopartig konstruiert sind und unter Verwendung eines Gewindespindel-Mechanismus ihre Länge und damit den Durchmesser des Rotors verändern können. Ein Rotor dieser Art wird in den USA-Patentschriften 2,163.481 und 2.163.482 gezeigt. Diese Konstruktion ist jedoch nicht auf die hohen Zentrifugalkräfte abgestellt, die beim Flug während einer Längenänderung der Blätter auf diese einwirken. Ebensowenig ermöglicht diese bekannte Konstruktion eine kontinuierliche Änderung des Anstellwinkels, wie es bei modernen Hubschraubern infolge der zyklischen Anstellwinkelveränderung der Fall ist. Bei der bekannten Konstruktion verbindet ein

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steifes Rohr eine einzige auf der Gewindespindel sitzende Mutter mit dem äußeren Blattabschnitt. Diese bekannte Konstruktion erfüllt die zum Zeitpunkt ihrer Entwicklung an sie gestellten Anforderungen, da Rotore damals mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten rotierten und da der Anstellwinkel der Blätter noch nicht zyklisch verändert wurde. Bei modernen Hubschraubern treten jedoch hohe Blattspitzengeschwindigkeiten auf und hohe Beanspruchungen verlangen eine extensive Verbesserung der Konstruktion. Um diese Belastungen mit der bekannten Konstruktion aufzufangen, müßte man die auf der Gewindespindel sitzende Mutter sehr lang ausbilden. Bei einer derma-

™ ßen langen Mutter wäre es jedoch ausgeschlossen, die Last gleichmäßig auf sämtliche Gewindegänge aufzuteilen. In den durch die Mutter miteinander verbundenen Teilen tritt nämlich eine elastische Verformung auf« Dies hat zur Folge, daß die an den Enden liegenden Gewindegänge sehr stark und die weiter in der Mitte liegenden Gewindegänge praktisch überhaupt nicht belastet werden. Eine derartige Lastverteilung verursacht natürlich eine übermäßige Abnutzung der an den Enden liegenden Gewindegänge. In einem extremen Fall könnte diese Belastung der an den Enden liegenden Gewindegänge zu einem Bruch dieser Gewindegänge führen. Die Belastung würde dann auf die benachbarten noch ganzen Gewindegänge ausweichen, so daß nacheinan-

) der und in rascher Folge sämtliche Gewindegänge brechen und die Mutter an der Gewindespindel entlangrutschen würde. Damit würde der äußere Blattabschnitt freigegeben.

Bei Verwendung einer kurzen Mutter müßten sowohl deren Gewindegänge als auch die Gewindegänge der Gewindespindel sehr groß und schwer ausgebildet werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte und Abmessungen verbieten eine Anwendung.

Zusätzlich verlangen moderne Hubschrauber eine fast kontinuierliche zyklische Änderung des Anstellwinkels ihrer Blätter und das steife Rohr der bekannten Konstruktion würde daher bedingen, daß die einzige vorhandene große Mutter kontinuierlich auf der Gewindespindel verschoben würde. Dies würde sei-

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nerseits eine unzulässig hohe Abnutzung und eine Wärmeerzeugung bedingen, ebenso wie auch unerwünschte radiale Einwärts- und Auswärtsbewegungen der äußeren Blattabschnitte in einer asymmetrischen Form.

Man hat schon versucht, bei den bekannten Konstruktionen mit einer einzigen Mutter eine gleichmäßige Abnutzung der Gewindegänge dadurch zu erzielen, daß man eine Schleifpaste auf sie aufgetragen und sie dann unter einer simulierten Zentrifugalkraft belastet hat. Die Gewindegänge haben sich dabei selbst abgenutzt oder geläppt bis zu einem Punkt, an dem sie gleich belastet werden. Dieses Läppverfahren ist jedoch nicht erfolgreich, da die während des Auseinanderfahrens und Zusammenziehens der Blätter auftretenden hohen Zentrifugalkräfte zu hohen Temperaturen in den Gewindegängen und damit zu deren thermischer Deformation führen, so daß das sorgfältige Läppen und die damit verbundene Vergleichmäßigung der Lastverteilung infolge dieser thermischen Deformation wieder verloren geht und erneut eine ungleiche Lastverteilung auftritt. Es kommt hinzu, daß dieser Läppvorgang zu einer Vergleichmäßigung der Belastung der einzelnen Gewindegänge nur bei demjenigen Zustand sorgt, der mit den simulierten Zentrifugalkräften nachgeahmt wurde.

Da sich die auf die Blätter während des Fluges einwirkende Zentrifugalbelastung jedoch ständig ändert, bringt eine Vergleichmäßigung der Belastung für nur einen Betriebszustand keinen großen Vorteil.

Die USA-Patentschrift 3.128.829 zeigt ein weiteres teleskopartig aufgebautes Rotorblatt, das den beiden obigen Konstruktionen sehr ähnlich ist. Auch diese Konstruktion hat aber die gleichen betrieblichen Beschränkungen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausbildung eines Blattes mit veränderbarer Länge, bei dem unter Verwendung einer Gewinaespindel und einer Anordnung aus Muttern eine teleskopar-

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tige Verschiebung zwischen den inneren und den äußeren Blattabschnitten bewirkt wird und wobei die einzelnen Gewindegänge gleichmäßig belastet werden und der Durchmesser des Rotorblattes durch eine Änderung des Anstellwinkels nicht beeinflußt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sitzen zahlreiche kurze Muttern auf der Gewindespindel und sind einzeln durch Torsionsstangen mit dem äußeren Blattabschnitt verbunden.

Die Anwendung von mehreren Muttern führt zu der Forderung, ^ daß die die Muttern mit der Blattspitze verbinderfen Torsionsstangen die Last gleichmäßig auf·* jede einzelne Mutter aufteilen. Erfindungsgemäß sind die Torsionsstangen daher ausreichend lang und ihre physikalischen Eigenschaften sind im Hinblick auf die Muttern so ausgebildet, daß sie während der durch die Rotation der Blätter bedingten Zentrifugalbelastung in bezug auf die Muttern eine weiche Feder darstellen. Die durch die Zentrifugalbelastung in den Torsionsstangen bedingte Längenänderung ist im Vergleich mit möglichen Änderungen im Abstand der einzelnen Gewindegänge sehr groß. Dies bedeutet, daß jede Mutter ihren proportionalen Anteil an der gesamten Zentrifugalbelastung innerhalb eines kleinen Prozentbereiches übernimmt und daß die sich dadurch ergebende gleich- ψ mäßige Verteilung der Belastung bei sämtlichen Lastzuständen beibehalten wird.

Infolge der Verdrehbarkeit und Biegsamkeit dieser langen Torsionsstangen können die äußeren Blattabschnitte ihren Anstellwinkel kollektiv oder zyklisch ändern, ohne daß die auf der Gewindespindel sitzenden Muttern hierbei verschoben werden.

Durch die Verwendung der zahlreichen dünnen Torsionsstangen zwischen den einzelnen Muttern und dem äußeren Blattabschnitt führt die Erfindung zu einer konstruktiven Redundanz im Gegensatz zu der einzigen Verbindung zwischen einer einzigen Mutter und dem äußeren Blattabschnitt, wie dies beim Stand

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der Technik der Fall ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die auf der Gewindespindel sitzenden Muttern Flügelmuttern sein, wobei die Torsionsstangen an die sich auf jeder Mutter gegenüberliegenden Flügel angeschlossen sind. Die Muttern können miteinander identisch und etwas gegeneinander versetzt sein, so daß die Torsionsstangen nebeneinander liegen können. Die Muttern können verstiftet sein, um eine Relativdrehung untereinander zu vermeiden. Die Stiftachse liegt dabei parallel zu der Achse der Gewindespindel, so daß eine axiale Verschiebung zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Belastung möglich bleibt, Da sich die Gewindegänge der Gewindespindel infolge der Blattbelastung längen und da diese Längung über der gesamten Länge der Gewindespindel, auf der die Muttern befestigt sind, veränderlich ist, ist eine axiale Verschiebbarkeit zwischen den einzelnen Muttern erforderlich und die Verstiftung läßt diese Verschiebbarkeit in Axialrichtung zu.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die auf der Gewindespindel sitzenden Muttern von gleicher Größe und miteinander ausgerichtet. Jede Torsionsstange tritt durch eine Bohrung in der ihr zugeordneten Mutter durch und läuft an allen anderen zwischen dieser Mutter und der Blattspitzen sitzenden Muttern vorbei. In diesen Muttern und in einer an der Blattspitze angeordneten Platte werden die Torsionsstangen durch eine Gewindebolzenanordnung und andere übliche Mittel gehalten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung haben sowohl die Muttern als auch der innere Blattabschnitt einen langgestreckten Querschnitt, so daß die Muttern sich gegenüber dem inneren Blattabschnitt um ein begrenztes Maß verdrehen können, bevor sie anschlagartig an diesem anliegen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Anschläge vorgesehen, um die Teleskopverschiebung des äußeren Blattabschnit-

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tes auf dem inneren Blattabschnitt zu begrenzen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind sowohl der innere Blattabschnitt als auch der äußere Blattabschnitt so miteinander verbunden, daß eine Anstellbewegung möglich ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Erfindung sind Lagerblökke vorgesehen, die den äußeren Blattabschnitt abstützen, aber dessen Teleskopverschiebung auf dem inneren Blattabschnitt ermöglichen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben. Dabei isti

Fig. 1 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, eines Rotors oder Propellers mit veränderbarem Durchmesser für ein modernes Flugzeug, zum Beispiel einen Hubschrauber,

Fig. 2 eine Aufsicht, teilweise geschnitten, eines erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorblattes mit veränderbarer Länge,

Fig. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 3 - 3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht entlang der Schnittlinie 4 - 4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine Ansicht entlang der Schnittlinie 5 - 5 in Fig. 2,

Fig. 5A und 5B je eine Teilansicht ähnlich Fig. 5, wobei die Mutter in ihren beiden Endstellungen ihrer Drehbewegung gegenüber dem Blatt gezeigt wird,

Fig. 6 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform eines Rotorblattes mit veränderbarer Länge,

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Fig. 7 und 8 je eine Darstellung von auf einer Gewindespindel sitzenden Flügelmuttern verschiedener Ausführung und der mit diesen verbundenen Torsionsstangen,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer einzigen, langen auf einer Gewindespindel sitzenden Mitter,

Fig.10 eine grafische Darstellung der Belastung der Gewindegänge der in Fig. 9 gezeigten Mutter,

Fig.11 eine schematische Darstellung einer Mutter, wobei die Torsionsstangen an sich gegenüberliegenden Seiten der Mutter befestigt sind,

Fig.12 eine grafische Darstellung der Belastung der Gewindegänge der in Fig. 11 gezeigten Mutter,

Fig.13 eine schematische Darstellung einer anderen Verbindungsart zwischen einer Torsionsstange und einer Mutter,

Fig.14 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 14 - 14 in Fig. 13 und

Fig.15 eine Stirnansicht der in Fig. 13 gezeigten Mutter und Torsionsstange.

Fig. 1 zeigt ein Blatt mit veränderbarer Fläche in einem Rotor 10 mit veränderbarem Durchmesser, wie er zum Beispiel in einem modernen Hubschrauber verwendet wird. Der Rotor 10 könnte aber auch ein Propeller für ein Flugzeug mit festen Tragflächen sein. Der Rotor 10 besteht aus mehreren gleich weit auseinanderliegenden Blättern 12, die von einer Rotornabe 14 ausgehen und sich mit dieser um die Rotordrehachse 16 drehen.

"Oie Blätter 12 werden in nicht dargestellten Lagern gehalten, die eine Verstellbewegung um eine Blatt-Verstellachse 26 zu-

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lassen, so daß die Blätter ihren Anstellwinkel sowohl kollektiv als auch zyklisch verändern können. Die Blätter 12 können diejenige Bauart aufweisen, die in der USA-Patentschrift Nr. 2.163.482 beschrieben wird.

Eine Taumelscheiben-Anordnung 30, wie sie zum Beispiel in der USA-Patentschrift 2.925.130 beschrieben wird, sitzt auf einem Kugelgleitlager 32 und einem Standrohr 34, das von dem Gehäuse einer Getriebeeinheit 24 ausgeht. Blattsteuerungen 36, die von üblicher Bauart sind und in der USA-Patentschrift Nr. 3.199.601 im einzelnen beschrieben werden, bewirken, daß sich die Taumelscheiben-Anordnung 30 an der Drehachse 16 entlangbewegt und über eine Blattsteigungs-Stellstange 38 und einen Blattsteigungs-Arm 40 bewirkt, daß die Blätter 12 ihren Anstellwinkel kollektiv ändern. Die Blattsteuerung 36 bewirkt weiter, daß die Taumelscheiben-Anordnung 30 gegenüber der Drehachse 16 kippt und die Blätter ihren Anstellwinkel damit zyklisch verändern. Diese zyklische Änderung des Anstellwinkels erfolgt während der Drehung der Blätter 12.

Der Rotor 10 wird am Rumpf oder einer Tragfläche 18 abgestützt und über ein Untersetzungsgetriebe 22 und eine Getriebeeinheit 24 von einem Motor 20 angetrieben. Ausführungsformen eines solchen Motors 20 werden in den USA-Patentschriften 2.711.631 und 2.747.367 gezeigt. Das Reduktionsgetriebe 22 kann die in der USA-Patentschrift 2.911.851 gezeigte Bauart aufweisen. Die Zeichnung zeigt einen starren Rotor. Ebenso läßt sich die Erfindung aber auch bei einem Gelenkrotor verwenden, wie er in der USA-Patentschrift 2.925.130 gezeigt wird. Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß ein (nicht gezeigtes) Universalgelenk auf die Gewindespindel 66 aufgesetzt wird.

Der Motor 20 dreht die Antriebswelle 42, auf deren einem Ende ein Kegelrad 44 sitzt. Das Kegelrad 44 treibt ein weiteres Kegelrad 48 an, das mit der Rotorantriebswelle 51 verbunden ist und diese antreibt, so daß schließlich der Rotor 10 um seine Drehachse 16 rotiert.

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Es soll nun der Mechanismus betrachtet werden, der die Veränderung des Durchmessers des Rotors 10 bewirkt. Fig. 1 zeigt, daß zwei Wellen 50 und 52 durch nicht dargestellte Lager koaxial zueinander und zu der Drehachse 16 gehalten werden. Jede Welle 50 und 52 trägt an einem Ende Kegelräder 54 und 56, die zusammen mit Ritzeln .60 und 62 ein Differentialgetriebe bilden. Für jedes Blatt 12 des Rotors 10 ist ein Ritzel 60 bzw. 62 vorgesehen. Diese Ritzel 60 und 62 sind unmittelbar mit einer Gewindespindel 66 verbunden, die in jedem Rotorblatt 12 verläuft.

Während der Motor 20 den Rotor 10 um die Achse 16 rotieren läßt, drehen sich die Wellen 50 und 52 mit. An jeder Welle 50 bzw. 52 ist ein Klauenglied oder Bremsglied 70 bzw. 72 befestigt. Diese Bremsen werden vom Piloten in üblicher Weise betätigt, zum Beispiel magnetisch. Bei angelegter Bremse 70 werden die Welle 50 und das Kegelrad 54 angehalten. Während die Rotorantriebswelle 51 und die Nabe 14 weiter rotieren, drehen sich auch die Ritzel 60 und 62 und verdrehen damit die Gewindespindeln 66. Mutter-Anordnungen 100, die in ihren Einzelheiten noch später beschrieben werden, sitzen auf der Gewindespindel 66 und verschieben sich entlang der Blatt-Verstellachse 66. Sie liegen in einer Kammer 102, die zwischen der Gewindespindel 66 und dem inneren Blattabschnitt 104 des Rotors 12 gebildet wird. Die aus den Muttern bestehende Anordnung 100 ist über mehrere Torsionsstangen, die in Fig. 1 allgemein mit 110 bezeichnet sind, mit dem beweglichen äußeren Blattabschnitt 106 verbunden. Gegenüber dem inneren Blattabschnitt 104 verschiebt sich dieses teleskopartig nach außen, so daß der Durchmesser des Rotors 10 ansteigt. Bei einer Einwärtsverschiebung der aus den Muttern bestehenden Anordnung 100 nehmen die Torsionsstangen 110 den äußeren Blattabschnitt 106 nach innen mit, so daß sich dieser gegenüber dem inneren Blattabschnitt 104 teleskopartig verschiebt und damit der Durchmesser des Rotors 10 abnimmt. Bei einem Anlegen der Bremse 72 wird das Blatt 12 zusammengezogen und verringert seine Länge, so daß der Durchmesser des Rotors 10 abnimmt. Bei einem

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Anlegen der Bremse 70 dagegen dehnt sich das Blatt 12 und vergrößert seine Länge, so daß auch der Durchmesser des Rotors 10 zunimmt. Man sieht, daß die Steigung der Gewindegänge der Gewindespindel 66 und der Muttern der Anordnung 100 die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich der Durchmesser des Rotors 10 verändert, während es von der Drehrichtung des Gewindes abhängt, ob der Durchmesser zu- oder abnimmt.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Blattes 12. Der äußere Blattabschnitt 106 hat Tragflächenquerschnitt. Der innere Blattabschnitt 104 hat einen länglichen Querschnitt, zum Beispiel die Form einer Ellipse. Der äußere Blattabschnitt 106 besteht aus einem Holmabschnitt 108 und einer Hinterkante 111. Eine Kappe 112 sitzt auf dem Außenende des äußeren Blattabschnittes 106 und gibt eine gute aerodynamische Form. Wie Fig. 3 zeigt, sind Spante 114 und 116 mit dem Holm 108 verbunden und durch Schrauben 120 an diesem befestigt. Spante 122 und 124 sind durch Gewindebolzen 126 und 128, siehe Fig. 4, mit dem inneren Blattabschnitt 104 verbunden. Die Spante 114 und 116 einerseits und die Spante 122 und 124 andererseits ermöglichen, daß sich der äußere Blattabschnitt 106 bei seiner Teleskopbewegung gegenüber dem inneren Blattabschnitt 104 radial nach innen und außen verschieben kann.

Damit sich der äußere Blattabschnitt 106 gegenüber dem inneren Blattabschnitt 104 verschieben kann, muß sich die Gewindespindel 66 in der einen oder der anderen Richtung verdrehen. Hierzu dient der in Fig. 1 gezeigte Mechanismus. Dieser bewirkt, daß sich die aus den Muttern bestehende Anordnung 110 verschiebt und entlang der Blattwinkelverstellachse 26 hin- und herbewegt. Die Anordnung 100 enthält mehrere einzelne Muttern 100A, 100B, 100C, 100D und 100E, wie sie in Fig. 2 gezeigt werden. Von den beiden sich gegenüberliegenden Seiten jeder Mutter 100A - 100E geht mindestens eine Torsionsstange aus und verbindet die Muttern mit der Spitze des äußeren Blattabschnittes 106. Diese Verbindung zwischen den Mut-

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tern und der Blattspitze wird im folgenden beschrieben.

Man erkennt aus Fig. 2, daß einstellbare Anschläge 130 und bei jeder Zusammenziehbewegung des Blattes an den Spanten und 124 anschlagen und damit den minimalen Durchmessers des Rotors festlegen. Ähnlich schlagen die beiden Spante 122 und 124 bei der Auseinanderbewegung des Blattes 12 an den beiden Spanten 114 und 116 an und bestimmen damit den maximalen Durchmesser des Rotors. Diese Anschläge bewirken auch eine ausreichende Kraftübertragung, falls die hierfür primär vorgesehenen Elemente versagen sollten, wie zum Beispiel die Gewindespindel oder die Torsionsstangen.

Wie Fig. 5 am besten zeigt, hat die aus den Muttern bestehende Anordnung 100 in Richtung der Achse 134 eine längliche Form. Ihre Abmessungen sind jedoch geringer als der Innendurchmesser des inneren Blattabschnittes 104, Dies ermöglicht eine begrenzte Relativdrehung der aus den Muttern bestehenden Anordnung 100 um die Achse 26 innerhalb des inneren Blattabschnittes 104_e Die langgestreckte Form der Muttern gibt dafür genügend Bewegungsspielsraum zwischen der Mutter und dem inneren Blattabschnitt, so daß die Bewegungen des Blattes zur Veränderung des Anstellwinkels nicht dazu führen> daß sich eine Mutter auf der Gewindespindel dreht und damit das Blatt ausdehnt oder zusammenzieht. Falls die Muttern die gleiche Größe und Form wie die Innenwand des inneren Blattabschnittes hätten, würden die Anstellwinkelveränderungen die Muttern drehen und eine unerwünschte und asymmetrische zyklische Veränderung der Blattlänge bewirken. Eine solche zyklische Schwingbewegung zwischen den Muttern einerseits und der Gewindespindel andererseits würde auch zu untragbaren Schmier- und Abnutzungsproblemen führen.Da die Spante 114 und 116 dem inneren Blattabschnitt 104 die notwendige Steifigkeit verlei-ehen und da die aus den Muttern bestehende Anordnung 100 und diese Spante sich gemeinsam radial nach innen oder außen verschieben, ist es erwünscht, lie aus den Muttern bestehende Anordnung 100 mit den Spanten 114 und 116 auszurichten, so daß der innere Blattabschnitt zu-

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sätzliche Steifheit erlangt, während die Oberflächen der Mittern während der Verschiebbewegungen an der Innenwand des inneren Blattabschnittes anliegen. Abgesehen von dieser geringen beschränkten Relativdrehung zwischen den Muttern und dem inneren Blattabschnitt werden die Muttern durch ihre Anlage an der Innenwand des inneren Blattabschnittes an einer weiteren Relativbewegung gehindert, so daß sie bei einer Drehung der Gewindespindel den äußeren Blattabschnitt einwärts ziehen oder nach außen drücken, wie dies in den Figuren 5A und 5B gezeigt wird« Die Außenflächen 109, 111, 113 und 115 der Muttern sind an die Form der Innenwand 117 des inneren Blattabschnittes 104 angeglichen, so daß bei der Zusammenzieh- oder Auseinanderbewegung voller Flächenkontakt und nicht eine Li-P nien- oder Punktberührung stattfindet. Abhängig von der zulässigen Materialbeanspruchung haben die Muttern Trapezform, Dreieckform oder irgendeine andere Form. Es kommt darauf an, daß ihre Flächen mit der Innenwand des inneren Blattabschnittes 104 in Berührung stehen, nachdem eine bestimmte Relativbewegung stattgefunden hat,

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Hier verschiebt sich der äußere Blattabschnitt 106 entlang der Blattwinkel-Verstellachse 26 in einer noch zu beschreibenden Weise teleskopförmig gegenüber dem inneren Blattabschnitt 104. Verschiedene Muttern 100A bis 100E sitzen in Gewindeeingriff auf der Gewindespindel 66 und werden bei deren Drehung auf dieser verschoben. Torsionsstäbe 110 verlaufen zwischen den Muttern 100A - 100E und der Spitze des äußeren Blattabschnittes 106. Dort treten sie durch eine Platte 140 durch und sind an dieser befestigt. Die Platte 140 ist ihrerseits durch Schrauben 142 und 144 mit dem äußeren Blattabschnitt verbunden.

Die Torsionsstäbe 110 können jede geeignete Form haben. Sie haben zum Beispiel flachen oder besser kreisförmigen Querschnitt. In jeder bevorzugten Weise können sie mit den Muttern 100A - 100E und dem äußeren Blattabschnitt 106 verbunden wer-

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den. zur Verbindung eignen sich eine Verschraubung, Schnappringe oder dergleichen. Bei der in Fig. 6 gezeigten Konstruktion sind die Torsionsstäbe 110 draht- oder stangenförmig mit kreisförmigem Querschnitt. Sie treten durch Bohrungen in den Muttern 100A - 100E und der Platte 140 durch. Jeweils zwei Stäbe sind an jeder Mutter befestigt. Die anderen Muttern weisen entsprechende Bohrungen auf, durch die die Stäbe der jeweils anderen Muttern durchtreten. Wie Fig_e 6 zeigt, verbinden Torsionsstäbe 110A und 110B bzw. 11OC und 110D bzw. 110E und 110F bzw. 110G und 110H bzw. 1101 und 110J die Muttern 100A, 100B, 100C, 100D bzw. 100E mit der in dem äußeren Blattabschnitt 106 angeordneten Platte 140. Jeder Stab, zum Beispiel der Stab 110A, ist durch miteinander ausgerichtete Bohrungen durchgeführt, zum Beispiel durch die Bohrungen "146, 158, 160, 162 und 164, die in den verschiedenen Muttern vorgesehen sind. Die Stäbe können an beiden Enden Köpfe aufweisen. Fig. 6 zeigt Köpfe 150 an einem Ende. Ebenso können Muttern auf die Enden der Stäbe aufgeschraubt werden, Fig. 6 zeigt Muttern 152 am anderen Ende der Stäbe. Fig. 6 zeigt weiter, daß die für den Durchtritt der Stäbe durch die Muttern vorgesehenen Bohrungen gegeneinander versetzt sind, so daß auch die Stäbe versetzt zueinander bzw. nebeneinander angeordnet sind.

Zur Lagerung des radialen Außenendes der Gewindespindel 66 ist dort eine Lagerbüchse 125 vorgesehen. Diese wird in Fig. 4 gezeigt. Senkschrauben 127 halten die Lagerbüchse 125 am inneren Blattabschnitt 104.

Im Betrieb verschieben sich die Muttern 100A - 100E auf der Gewindespindel 66 und dabei bewegt sich der äußere Blattabschnitt 106 teleskopartig über dem inneren Blattabschnitt 104, da jede einzelne Mutter 100A - 100E über den zugehörigen Torsionsstab 110A - 110J mit der Spitze 112 des äußeren Blattabschnittes 106 verbunden ist. Die Muttern und ihre Gewindegänge werden durch die bei der Rotorrotation auftretenden Zentrifugalkräfte praktisch gleichmäßig belastet. Die Torsionsstäbe 110A - 110J stellen gegenüber den Muttern «· 100A - 100E weiche

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Federn dar, so daB sie sich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft verformen und die Last gleichmäßig über die Muttern 100A - 100E verteilen. Hieraus erkennt man, daß bei der Längung der Torsionsstäbe 110 infolge der sich durch die Zentrifugalkraft ergebenden Zugspannung eine gleichmäßige Lastaufteilung über die Muttern stattfindet. Infolge der Biegsamkeit der Torsionsstäbe 110 sowohl in Längs- als auch in Drehrichtung kann der äußere Blattabschnitt 106 seinen Anstellwinkel verändern, ohne daß die Muttern 100A - 100E hierbei verdreht werden. Dies ergibt sich dadurch, daß sich die Torsionsstäbe 110 während einer Änderung des Blattanstellwinkels | um die entsprechende Achse 26 verdrehen, bevor auf die Muttern einwirkende Reibungskräfte überwunden werden. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Muttern nach Form und Größe genügend klein sein müssen, damit die Blätter ohne Berührung der Muttern ihren Anstellwinkel verändern können.

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der aus den Muttern bestehenden Anordnung 100. Hier sitzen Flügelmuttern 200, 202, 204 und 206 auf der Gewindespindel 66. Torsionsstäbe 110K, 110L, 110M und 110N gehen von den Flügeln 208, 210, 212 und 214 der Muttern aus. Entsprechend gehen ähnliche Torsionsstäbe von den nicht gezeigten Flügeln auf der anderen (Rück-) Seite der Flügelmuttern 200 - 206 P aus. Bei der in den Figuren 7 bis 8 gezeigten Ausführungsform haben die Torsionsstäbe 110 einen flachen Querschnitt. Weiter haben sie verdickte Enden, die in entsprechenden Ausnehmungen in den Flügeln 208 bis 214 gehalten werden. Man sieht weiter, daß die Flügel 208 bis 214 der Muttern 200 bis 206 in Winkelrichtung etwas gegeneinander versetzt sind, so daß die Torsionsstäbe nebeneinander liegen können.

Stifte 209, 211 und 213 verlaufen parallel zu der Achse 26 zwischen den benachbarten Muttern 200 - 206 und verhindern damit, daß sich diese relativ zueinander verdrehen. Eine gleichzeitige Verschiebung der Muttern entlang der Gewindespindel 66 während der Bewegungen zum Verändern des Durchmes-

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sers des Rotors bleibt jedoch möglich. Ebenso können sich die Muttern in Axialrichtung relativ zueinander verschieben, so daß eine gleichmäßige Lastaufteilung gewährleistet bleibt. Dieser Bewegungsspielraum in Axialrichtung ist vorgesehen, damit ungleiche Gewinde oder Schrauben, die sich aufgrund von Herstellungstoleranzen ergeben, elastische Verformungen, Wärmedehnungen infolge von Reibungswärme usw. nicht dazu führen, daß eine Mutter zugunsten anderer Muttern höher belastet wird.

Die Figuren 13 bis 15 zeigen eine andere Möglichkeit der Verbindung der Torsionsstäbe 110 mit einer Mutter 200. In den Figuren wird nur ein einziger Torsionsstab gezeigt, der an dem Flügel 208 einer Flügelmutter 200 befestigt ist. Selbstverständlich ist ein weiterer Torsionsstab auf ähnliche Weise am anderen Flügel der Flügelmutter 200 befestigt und dies gilt selbstverständlich auch für weitere Torsionsstäbe und weitere Flügelmuttern. Bei dieser in den Figuren 13 bis 15 gezeigten Ausführung^form wird der Torsions stab 110 durch ein Flacheisen gebildet. Mit Schrauben 300 und 302 wird er auf den Flügel 208 der Mutter durchgeschraubt. Die Schrauben 300 und 302 sind durch Bohrungen im Ende des Torsionsstabes 110 durchgesteckt und in Gewindebohrungen 304 im Flügel 208 eingeschraubt. Der Flügel 208 hat eine spezielle Form, wie sie in Fig. 14 gezeigt wird. Der Flügel 208 ist etwas abgeschrägt. Dies ermöglicht, die von den verschiedenen Muttern ausgehenden Torsionsstäbe 110 dicht nebeneinander anzuordnen und nicht auf Abstand zu legen, wie er sich durch die Höhe der Köpfe der Gewindebolzen 300 und 302 ergibt. Eine dichte Packung der Torsionsstäbe 110 ist notwendig, da in dem inneren Blattabschnitt 104 nur begrenzt Raum zur Verfügung steht und ein bestimmter Bewegungsspielraum in Drehrichtung zwischen den Muttern und dem inneren Blattabschnitt vorhanden sein muß. Mit seinem anderen Ende ist der Torsionsstab 110 in üblicher Weise mit der Blattspitze des Blattes 12 verbunden.

Eine Betrachtung der Figuren 9 und 11 und der in den Figuren 10 und 12 aufgezeichneten Belastung zweigt am deutlichsten,

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welche Vorteile sich durch die erfindungsgemäße Verwendung von mehreren Muttern gegenüber der bekannten Verwendung einer einzigen langen Mutter ergeben. Fig, 9 zeigt eine lange einzige Mutter 220, die auf eine Gewindespindel 66 aufgeschraubt ist. Wegen der elastischen Verformung sowohl der Mutter als auch der Gewindespindel werden die an den Enden liegenden Gewindegänge stärker belastet, während die mittleren Gewindegänge praktisch ohne Last sind. Dies zeigt Fig. Diese ungleichmäßige Belastung führt natürlich zu einer ungleichmäßigen Abnutzung der einzelnen Gewindegänge. In einem extremen Fall werden sämtliche Gewindegänge brechen, wenn zuerst ein äußerer Gewindegang abreißt und sich die weiteren Gewindegänge anschließen. In sehr kurzer Zeit wird dies zu einem Lösen der beiden miteinander verbundenen Teile führen.

Fig. 11 zeigt schematisch die aus mehreren Muttern bestehende Anordnung 100 der Erfindung. Kleine Muttern 100A - 100D sind auf eine Gewindespindel 66 aufgeschraubt. Torsionsstäbe 110A - 110H gehen von den Muttern aus. Fig. 12 zeigt die praktisch gleichmäßige Belastung sämtlicher Gewindegänge sämtlicher Muttern dieser in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform. Dies ergibt sich aus der verhältnismäßig kleinen Zahl von Gewindegängen in jeder Mutter.

Zwei Faktoren beeinflussen die auf jede Mutter einwirkende Belastung und müssen berücksichtigt werden. Der erste Faktor bestimmt die spezifische mechanische Passung der Torsionsstäbe bei der Belastung Null.

Sämtliche Torsionsstäbe sollten zwischen den einzelnen Muttern und ihrer Befestigung in der Blattspitze um das gleiche Maß durchhängen bzw. Spielraum haben. Falls dieser Spielraum bei sämtlichen Torsionsstäben im Vergleich zu der Längung unter Belastung klein gehalten wird, werden sämtliche Torsionsstäbe praktisch gleichmäßig belastet. Gegebenenfalls verwendet man Einstellmittel. Zum Beispiel werden Muttern auf die Enden der Torsionsstäbe aufgeschraubt.

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Der zweite Faktor betrifft die unterschiedliche Länge der einzelnen Torsionsstäbe. Diese unterschiedliche Länge ergibt sich aus den ungleichen Abständen zwischen den axial auseinanderliegenden Muttern und der gemeinsamen Halteplatte an der Blattspitze. Da jedoch die Gesamtlänge der Torsionsstäbe im Vergleich zu diesen Längenunterschieden groß ist, ist der Unterschied in der Belastung, die jeder Stab auf seine zugehörige Mutter ausübt, verhältnismäßig klein und unwichtig. Falls jedoch auch diese unterschiedliche Belastung vermieden werden soll, müssen die Haltepunkte der einzelnen Torsionsstäbe in der gemeinsamen Halteplatte gegeneinander versetzt werden, so daß sämtliche Torsionsstäbe gleiche Länge erhalten.

Die Torsionsstäbe 110 können aus jedem geeigneten Werkstoff hergestellt werden. Zum Beispiel werden sie aus Stahldraht oder Stahllitze hergestellt. Ebenso kann man sie aus Faserglas, Bor oder einer modernen exotischen Verbindung herstellen. Die Muttern 100 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit hoher Abriebfestigkeit, wie zum Beispiel Berylliumkupfer. Aber auch andereMetalle und Legierungen sind möglich. Die Gewindespindel 66 besteht vorzugsweise aus Stahl oder Titan.

Patentansprüche :

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Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD · D i ρ I.-1 η g. H. B E RKE N FE LD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen zur Eingabe vom Name d. Anm. UNITED AIRCRAFT CORPORATION PATENTANSPRÜCHE

1. J Rotor- oder Propellerblatt mit veränderbarer Länge mit em inneren Blattabschnitt und einem über diesem teleskop-

) artig verschiebbaren äußeren Blattabschnitt, und mit einer in dem inneren Blattabschnitt verlaufenden Gewindespindel, die mit diesem verbunden, doch drehfrei gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Muttern (100) auf der Gewindespindel (66) angeordnet sind und Torsionsstäbe (110) jede Mutter (100) mit dem äußeren Blattabschnitt (106) verbinden.

2. Blatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Verdrehen der Gewindespindel (66) und damit zum Verändern der Lage des äußeren Blattabschnittes (106) gegenüber dem inneren Blattabschnitt (104) vorgesehen ist, um damit die Blattlänge zu verändern.

" 3, Blatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (110) an der Blattspitze (112) mit dem äußeren Blattabschnitt (106) verbunden sind.

4. Blatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (66) konzentrisch in dem inneren und äußeren Blattabschnitt (104, 106) liegt.

5. Blatt nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (110) eine ausgewählte Länge und bestimmte physikalische Eigenschaften aufweisen, um sich unter der auf das Blatt einwirkenden Zentrifugalbelastung ausrei-

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ohend zu verformen, um die Belastung im wesentlichen gleichmäßig auf die Muttern (100) zu verteilen«

6. Blatt nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern (100) nach einer bestimmten Winkeldrehung an der Innenwand des inneren Blattabschnittes (104) anschlagen und diese berühren.

7. Blatt nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (110)gegenüber den Muttern (100) die Funktion von weichen Federn übernehmen.

8. Blatt nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (66) in beiden Richtungen verdrehbar ist.

9« Blatt nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Blattabschnitte um eine Blattwinkel-Verstellachse zur Verstellung des Anstellwinkels des Blattes verdrehen können, ohne daß dabei die Muttern (100) auf der Gewindespindel (66) verschoben werden.

10. Blatt nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern (100) im wesentlichen gleich groß sind.

11. Blatt nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattabschnitte (104, 106) eine Verdrehbewegung um eine Blatt-Verstellachse (26) ausführen können.

12. Blatt nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Blattabschnitt (104) einen im wesentlichen länglichen Querschnitt hat, daß die Muttern (100) ebenso geformt und in der gleichen Richtung langgestreckt wie der innere Blattabschnitt (104) sind, so daß der innere Blattabschnitt (104) bei der Blattwinkel-Verstellbewegung sich um ein bestimmtes Winkelmaß gegenüber den Muttern (100) verdrehen kann, und daß die Muttern (100) bei einer Teleskopver-

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Schiebung des äußeren Blattabschnittes (106) gegenüber dem inneren BUettabschnitt (104) an dessen Innenwand anschlagen, um eine Eigendrehung zu verhindern.

13. Blatt nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern Flügelmuttern sind und auf der Gewindespindel (66) in Winkelrichtung etwas gegeneinander versetzt sind, so daß die Flügel benachbarter Muttern nicht in einer Linie liegen und die an ihnen befestigten Torsionsstäbe (110) zwischen den Flügeln der Muttern und dem äußeren Blattabschnitt (106) nebeneinander liegen.

14. Blatt nach Anspruch 1 bis^13, dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern (200, 202, 204, 206) zum Vermeiden einer gegenseitigen Drehung durch Stifte (209, 211, 213) miteinander verbunden sind, während eine Bewegung sämtlicher Muttern entlang der Gewindespindel (66) möglich bleibt.

15. Blatt nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge zum Begrenzen der Drehung der Muttern in dem
inneren Blattabschnitt (104) vorgesehen sind.

16. Blatt nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Blattabschnitt (104) elliptischen Querschnitt hat, daß die Muttern ebenfalls elliptische Form haben und in dem inneren Blattabschnitt (104) derart angeordnet sind, daß dieser sich gegenüber den Muttern um ein bestimmtes Maß verdrehen kann und daß die Muttern an die Innenwand des inneren Blattabschnittes anschlagen, um ihre Drehung auf der Gewindespindel (66) zu vermeiden.

17. Blatt nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlag zum Begrenzencer Verschiebung des äußeren
Blattabschnittes (106) gegenüber dem inneren Blattabschnitt (104) vorgesehen ist.

18. Blatt nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, U 6/151 30984 1/0021 -20-

daß die Anzahl der Gewindegänge in jeder Trat^er im Vergleich zu der Anzahl der Gewindegänge auf der Gewindespindel (66) klein ist.

19. Blatt nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mutter (100) die gleiche Zahl von Gewindegängen hat,

20. Blatt nach Anspruch 1 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe Stangen (110) mit einem festen Kopf (150) und einem verstellbaren Kopf (152) am anderen Ende sind, daß die Muttern (100) miteinander ausgerichtete Bohrungen (146, 158, 160, 162, 164) aufweisen, daß eine Platte (140) in der Spitze des äußeren Blattabschnittes (106) befestigt ist und Bohrungen aufweist, die mit den eben genannten Bohrungen in einer Linie liegen, daß die Torsionsstäbe (110) durch die Bohrungen in den Muttern (100) und in der Platte (140) durchtreten und durch die Zusammenwirkung der Köpfe (150, 152), der Muttern (100) und der Platte (140) gehalten werden, so daß die Torsionsstäbe (110) eine Verbindung zwischen den Muttern (100) und dem äußeren Blattabschnitt (106) bilden.

21. Blatt nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe Elacheisen (110) sind, die Muttern als Flügelmuttern (200) ausgebildet sind und jeder Torsionsstab (110) mit einem Ende auf einen Flügel (208) einer Flügelmutter aufgesetzt ist und durch Schraubbolzen (300, 302) mit der Mutter verbunden ist.

22. Blatt nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (208) jeder Mutter eine gekrümmte Oberfläche haben.

23. Blatt nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Muttern miteinander identische Form haben und ausgerichtet auf der Gewindespindel (66) angeordnet sind, die Muttern aufeinander ausgerichtete Längsbohrungen aufweisen, die Torsionsstäbe (110) als Drähte ausgebildet sind und durch die

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in den Muttern vorgesehenen Bohrungen durchtreten, eine Platte (104) in der Blattspitze des äußeren Blattabschnittes (106) angeordnet ist und Bohrungen aufweist, die mit den in den Mittern vorgesehenen Bohrungen ausgerichtet sind, die Torsionsstäbe durch die Bohrungen durchtreten und sowohl mit der Platte (104) und mit jeweils einer Mutter verbunden sind.

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