DE3906814A1 - Propeller/fan-steigungsverstelleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Antreiben von Schaufeln eines zahlreiche Schaufeln aufweisenden Propellers in eine Segelstellung, d. h. eine Steilsteigung, beim Ausfallen einer Steigungssteuereinrichtung.

Einrichtungen zum Verstellen von Propellerschaufeln in Segelstellungen sind in Flugzeugen seit dem Aufkommen des verstellbaren Propellers verwendet worden. Im allgemeinen verwenden derartige Systeme Gegengewichte, die auf den Steigungssteuermechanismus einwirken, um ihn in die Segelstellung vorzuspannen. Weiterhin ist im allgemeinen die Masse derartiger Gegengewichte so gewählt worden, daß sie für das erforderliche Drehmoment sorgen, um eine derartige Steigungsverstellung zu bewirken, ohne daß der mit der zusätzlichen Masse verbundene nachteilige Einfluß auf die Leistungsfähigkeit des Triebwerks berücksichtigt wurde. Wenn derartige bekannte Mechanismen auf Gasturbinentriebwerke angewendet werden, die an einem Flugzeugrumpf befestigt sein können, beeinträchtigt jede Masse, die dem Triebwerk hinzugefügt ist, nachteiligerweise den Triebwerkswirkungsgrad, d. h. die Brennstoffausnutzung, und darüber hinaus kann eine zusätzliche strukturelle Halterung zur Anbringung des Triebwerks erforderlich werden.

Es gehört zu den Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die die Propellerschaufeln in eine Segelstellung bringt und die die erforderliche Masse verringert, um eine derartige Segelstellung unter Verwendung von Gegengewichten zu erreichen und die weniger Gegengewichte benutzt, um viele Schaufeln in eine Segelstellung zu bringen; weiterhin soll eine derartige Einrichtung für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen werden und insbesondere soll eine derartige Einrichtung auf ein am Flugzeugrumpf angebrachtes Gasturbinentriebwerk mit einem mantellosen Bläser (Fan) anwendbar sein.

Erfindungsgemäß wird ein Flugzeug-Antriebssystem geschaffen, das ein Gasturbinentriebwerk zum Erzeugen einer hochenergetischen Gasströmung und eine Propulsorstufe aufweist, die mit dem Triebwerk gekoppelt ist und erste und zweite miteinander in Eingriff stehende, gegenläufige Turbinenschaufelsätze aufweist, die durch die Gasströmung angetrieben werden. Jeder Turbinenschaufelsatz ist mit vorderen und hinteren, vielschaufeligen Propellern verbunden, die von der Propulsorstufe radial nach außen ragen. Einer der Turbinenschaufelsätze hat radial nach innen verlaufende Schaufeln und einen radial äußeren Schaufelhalterungsring. Der andere Schaufelsatz hat radial nach außen verlaufende Schaufeln und einen radial inneren Schaufelhalterungsring. Die Antriebseinrichtung enthält mit den vorderen und hinteren Propellern gekoppelte Mittel zur Steuerung ihrer Steigung. Die die Propellerschaufeln in eine Segelstellung bringende Einrichtung ist in dem System enthalten, um die Propellerschaufeln automatisch in einen vorbestimmten Steigungswinkel zu drehen beim Ausfall der Steigungssteuereinrichtung. Die die Steigung in eine Segelstellung bringende Einrichtung enthält einen ersten Gleichlaufring, der die Schaufeln des vorderen Propellers miteinander verbindet, und einen zweiten Gleichlaufring, der die Schaufeln der hinteren Propeller miteinander verbindet, um eine gemeinsame Steigungsänderung aller Schaufeln herbeizuführen. Mit jedem Gleichlaufring sind mehrere Gegengewichte verbunden, um den Ring um eine Drehachse des entsprechenden Propellers zu drehen. Jedes Gegengewicht ist um eine Drehachse drehbar, die um die Propellerdrehachse rotiert. Die Gegengewichte rotieren somit in eine Richtung, die eine maximale radiale Verschiebung der Gegengewichte in bezug auf die Propellerachse herbeiführt und eine maximale Antriebsenergie pro Gewichtseinheit des Gegengewichtes aufweist. Ein Mechanismus verbindet die Gegengewichte mit den Propellerschaufeln und treibt somit die Schaufeln in eine vorbestimmte Segelstellungsposition durch Bewegung, gemäß einem Ausführungsbeispiel, des Gleichlaufringes, wenn sich die Gegengewichte unter dem Einfluß des Zentrifugalfeldes von der Propellerachse nach außen bewegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Rotationsachsen der Gegengewichte parallel zu der Propellerachse, und die Gegengewichte sind nur in einer Ebene senkrecht zu der Propellerachse drehbar. In einem anderen Ausführungsbeispiel liegen die Drehachsen der Gegengewichte auf Tangentenlinien eines Kreises, der die Propellerachse in einer Ebene senkrecht zur Propellerachse umschreibt. Zwar sind die Gegengewichte in diesem Ausführungsbeispiel nur in einer Ebene parallel zu und die Propellerachse enthaltend drehbar, aber beide Ausführungsbeispiele geben eine maximale radiale Verschiebung im Vergleich zu bekannten Systemen und haben leichtere Gegengewichte für ein gleiches Drehmoment. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Mechanismus geschaffen, der die Gegengewichte mit dem Gleichlaufring und den Gleichlaufring mit den Schaufeln verbindet. Dieses System enthält Halterungsmittel, die die Gegengewichte mit dem radial äußeren Schaufelhalterungsring von einer der Turbinenstufen verbindet. Ein Hebel ist an einem Zwischenpunkt mit den Halterungsmitteln schwenkbar verbunden, und ein entsprechendes Gegengewicht ist an dem einen Hebelende befestigt. Das andere Ende des Hebels ist schwenkbar an dem Gleichlaufring befestigt, wodurch eine Rotation des Gegengewichtes um die Halterung teilweise auf den Gleichlaufring ausgeübt wird, um diese Rotation um die Propellerachse für eine Veränderung der Steigung der Propellerschaufeln zu bewirken. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein rohrförmiges Teil mit Zahnradzähnen an jedem Ende und an einer äußeren Oberfläche befestigten Gegengewichten als Teil des Gleichlaufringes enthalten. Eine Zahnradanordnung ist mit jeder Propellerschaufel gekoppelt und die Zahnradanordnung ist so angeordnet, daß sie eine Steigungsänderung der Schaufeln bewirkt. Ein Zahnrad der Zahnradanordnung ist für einen Dreheingriff mit Zahnradzähnen des rohrförmigen Teils geeignet. Das rohrförmige Teil erstreckt sich zwischen benachbarten Getriebeanordnungen, um die Anordnungen miteinander zu verbinden zur Herbeiführung einer Steigungsänderung, wenn ein Gegengewicht eine Rotation des rohrförmigen Bauteils erzwingt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug mit einem Gasturbinentriebwerk mit gegenläufigen vorderen und hinteren Propellern.

Fig. 2 ist ein Teilschnitt von einem der Propeller gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch einen typischen bekannten Steigungszwangsmechanismus für einen Propeller mit zahlreichen Schaufeln.

Fig. 4 zeigt Schaufelsteigungswinkel.

Fig. 5-8 zeigen genauer das Verhalten des bekannten Systems gemäß Fig. 1.

Fig. 9 zeigt schematisch die Wirkungsweise der Erfindung.

Fig. 10 ist ein Teilschnitt von einer Einrichtung und einem Mechanismus zur Steigungssteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 11 ist ein Kurvenbild der Größe des Vektors 84 gemäß Fig. 7 als eine Funktion des Winkels R.

Fig. 12 zeigt das Drehmoment, das durch ein typisches bekanntes Steigungssteuersystem erzeugt wird.

Fig. 13 zeigt das Drehmoment, das durch das erfindungsgemäße System als eine Funktion der Gegengewichtsposition erzeugt wird.

Fig. 14 und 14A sind Vektordiagramme und zeigen eine andere Form des Drehmoments von bekannten Systemen der Steigungssteuerung.

Fig. 15 und 15A sind Vektordiagramme und zeigen in der gleichen Form wie die Fig. 14 und 14A das Drehmoment, das durch das erfindungsgemäße System erzeugt wird.

Fig. 16 ist ein Teilschnitt des Propulsor-Systems, das ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet.

Fig. 17 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 16.

Fig. 18 zeigt schematisch die Kräfte in einem bekannten Gegengewichts-System für die Schaufelsegelstellung.

Fig. 19 zeigt schematisch die Kräfte in einem die Schaufeln in Segelstellung bringenden System gemäß der Erfindung.

Fig. 20 zeigt das Drehmoment, das durch die Systeme gemäß den Fig. 17 und 18 erzeugt wird, im Vergleich zu dem Drehmoment, das durch eine Schaufel erzeugt wird.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug 10 mit am Heck angebrachten Gasturbinentriebwerken 12. Die Triebwerke 12 treiben jeweils einen vorderen Propeller bzw. Propulsor 14 F und einen hinteren Propeller bzw. Propulsor 14 A an, die in entgegengesetzten Richtungen um eine Propellerachse 16 rotieren.

Fig. 2 zeigt mit mehr Einzelheiten das Triebwerkspropulsor- System gemäß Fig. 1. Auf der linken Seite befindet sich das Gasturbinentriebwerk 18, wie beispielsweise ein Typ F404 der General Electric Company. Für die hier interessierenden Zwecke kann das Gasturbinentriebwerk 18 als ein Gasgenerator betrachtet werden, der eine hochenergetische Gasströmung 20 erzeugt und die Gasströmung 20 einer Antriebs- bzw. Propulsorstufe 22 zuführt.

Die Propulsorstufe 22 entzieht der Gasströmung 20 direkt Energie durch mit niedriger Drehzahl gegenläufig rotierenden Turbinenschaufelsätzen. (Dies ist im Unterschied zu der üblichen Lösung, eine mit hoher Drehzahl umlaufende Turbine zu verwenden, deren Drehzahl auf dem Weg zu einem Propulsor durch ein Untersetzungsgetriebe verkleinert wird.) Ein erster Satz Schaufeln 24 entzieht der Gasströmung 20 Energie und versetzt den vorderen Propulsor 14 F in Drehung. Ein zweiter Satz Schaufeln 26 treibt den hinteren Propulsor 14 A an, aber in entgegengesetzter Richtung zu dem vorderen Propulsor 14 F. Lager 28 haltern die Schaufelsätze und die Propeller bzw. Propulsoren und gestatten deren gegenläufige Rotation.

In Fig. 2 ist auch schematisch ein Schaufelverstellmechanismus 30 zum Verändern der Schaufelstellung bzw. des Anstellwinkels der Propulsoren 14 A und 14 F gezeigt. Es ist wünschenswert, den Schaufelverstellmechanismus 30 zu steuern, so daß die Propulsorschaufeln unter den vorherrschenden Betriebsbedingungen des Flugzeugs richtig eingestellt sind.

In dem Triebwerk 18 sind verschiedene Überwachungseinrichtungen angeordnet, wie beispielsweise Sensoren 32, 34, die den Gasdruck (P 2, P 46) darstellende Signale liefern, und ein Sensor 36, der die Einlaßlufttemperatur darstellende Signale liefert. Das Signal P 2 (Einlaßluftdruck) und das Signal P 46 (aus dem Triebwerk 15 austretender Luftdruck) werden verwendet, um ein Triebwerksdruckverhältnis (EPR) zu entwickeln. Während das Verhältnis EPR als das Verhältnis P 46/P 2 bekannt ist, wird darauf hingewiesen, daß für ein konstantes Signal P 2 das Verhältnis EPR direkt aus einer Messung von P 46 erhalten werden kann. Die Rotordrehzahl wird auch durch eine Überwachungseinrichtung (Monitor) 38 abgetastet und als ein Steuersignal vom Triebwerk 18 geliefert. Diese Sensoren und andere Einrichtungen sind in der Triebwerkstechnik allgemein bekannt. Eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung für ein Triebwerk, wie beispielsweise das Triebwerk 18, ist in der US-PS 42 42 864 beschrieben.

Weiterhin ist es erwünscht, eine ausreichende Energie in der Gasströmung 20 zu liefern, um eine Rotation der Propeller 14 A und 14 F bei einer Drehzahl und einem gewählten Anstellwinkel zu bewirken, um einen richtigen Betrieb zu gestatten oder, genauer gesagt, den Befehl des Piloten für den Triebwerksschub zu erfüllen. Ein Beispiel einer Flugzeugpropulsor-Regelung für einen Propulsor, der durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben ist, ist in der deutschen Patentanmeldung P 37 27 992.0 beschrieben.

Fig. 3 zeigt einen Flugzeugpropeller 14 und Fig. 4 ist eine Stirnansicht der Schaufeln 42 des Propellers 40 aus einer Sicht in Richtung des Pfeiles 44. Wenn die Steigung, die mit α bezeichnet, ist, der Schaufel in Fig. 4 von der Stellung 46 in die Stellung 48 geändert wird, verkleinert sich der Strömungswiderstand aufgrund des in Segelstellung befindlichen Propellers und macht es wünschenswert, die Schaufel in die Stellung 48 zu bewegen. Die Stellung 48 wird häufig als die vollständige Segelstellung des Propellers bezeichnet.

Fig. 5 zeigt schematisch zwei Gewichte 50 und 52, die eine Hantel 54 bilden. Weiterhin sind gedrehte Gewichte 50 A und 52 A gezeigt. (Die Gewichte sind tatsächlich in der Propellernabe 56 enthalten, aber für eine einfachere Erläuterung außerhalb der Nabe gezeigt.) Die Gewichte sind an der Propellerschaufel 42 befestigt, und eine Zentrifugalkraft bewirkt, daß sich die Gewichte um einen Winkel R von den schraffierten Stellungen 50 und 52 in nicht-schraffierte Stellungen 50 A und 52 A drehen, wodurch die Propellerschaufel 42 gezwungen wird, sich in die volle Segelstellung 48 gemäß Fig.4 zu drehen. Der Grund für diese Drehung wird anhand der Fig. 5 bis 8 erläutert. Es sei darauf hingewiesen, daß für dieses bekannte Beispiel die Gewichtsdrehung R und der Winkel der Propellerschaufelsteigungsänderung die gleichen sind.

Fig. 5 zeigt zwei Positionen, die die Hantel 54 einnehmen kann. Die Propellerdrehung um die Achse 58 ist in den Fig. 3 und 5 duch den Pfeil 60 dargestellt, und die Handel 54 läuft zusammen mit den Propellerschaufeln um. Die Hantel 54 dreht sich auch um eine zweite Achse 62, die auch in Fig. 3 gezeigt ist. Diese letztgenannte Drehung bewirkt, daß sich die Steigung der Propellerschaufeln ändert. Die Art und Weise, in der die Zentrifugalkraft wirksam ist, um diese Steigungsänderung herbeizuführen, (d. h. die Rotation, die in Fig. 5 durch den Pfeil 64 gezeigt ist) wird nun anhand der Fig. 6 und 7 erläutert. (Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist die Hantel 54 tatsächlich in einer Stellung mit einem instabilen Gleichgewicht ohne eine theoretische Tendenz für eine Drehung. Dies wird vier Absätze später erläutert.)

Fig. 6 zeigt vier geometrische Ebenen. Diese Ebenen 66 und 68 sind parallel und durch die Kreise 70 und 77 definiert, in denen sich das Gewicht 40 dreht. Die zwei Ebenen 66 und 68 sind stellvertretend für eine unbegrenzte Schar derartiger paralleler Ebenen, die durch die Kreise 70 und 72 beschrieben werden.

Eine dritte Ebene 74 ist senkrecht zu den Ebenen 66 und 68 und enthält die Achse 62. Die Ebene 74 enthält ebenfalls die Hantel 54, ist auch in Fig. 3 gezeigt und die Hantel 19 in den Fig. 5 und 6 entspricht der Hantel 54 in Fig. 3.

Eine vierte Ebene 76 enthält die Hantel 54, wenn sie in der gedrehten Stellung ist, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist. Ein Kernpunkt besteht nun darin, daß ganz allgemein jeder Zentrifugalkraftvektor entlang dem Radius des Kreises (beispielsweise Kreis 70) wirkt, den das rotierende Gewicht 50 beschreibt. Zwei derartige Vektoren sind durch die Pfeile 78 und 80 gezeigt. Der Zentrifugalkraftvektor, der auf das Gewicht 50 wirkt, wenn es sich in der Ebene 76 befindet, ist durch den Vektor 78 gezeigt. Der Vektor 78 ist in der Rotationsebene 68 enthalten, die durch den Kreis 72 definiert ist. Der Zentrifugalkraftvektor 78 ist auch in Fig. 7 gezeigt, aber in zwei Komponenten 82 und 84 zerlegt. Die gedrehte Ebene 76 ist auch in Fig. 7 gezeigt, wie die Rotationsebene 68.

Die Komponente 82 ist parallel zu der Achse 62, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, und ruft deshalb keine Drehung der Hantel in Richtung des Pfeiles 64 in Fig. 5 hervor. Dies bedeutet, daß die Komponente 82 zu der Steigungsänderung nichts beiträgt. Die Komponente 84 ist jedoch senkrecht zur Ebene 74 in den Fig. 5 und 6 und ruft deshalb die Rotation hervor, die durch den Pfeil 64 in Fig. 5 gezeigt ist. Deshalb ruft diese Komponente 84 die Drehung der Hantel von der schraffierten Stellung 54 in Fig. 8 in diejenige Stellung hervor, die mit 54 A bezeichnet ist. Diese Stellung ist in der Ebene 86 enthalten, die eine der Schar von Ebenen ist, die durch die Ebenen 66 und 68 in Fig. 6 dargestellt sind.

Wenn die Hantel 54 in Fig. 3 mit der Propellerschaufel 42 richtig in Verbindung gebracht wird, bewirkt die vorstehend beschriebene Rotation, die durch Zentrifugalkraft hervorgerufen wird, daß sich die Schaufel von der Stellung 46 in die Stellung 48 in Fig. 4 bewegt. Es ist selbstverständlich anzumerken, daß in der Praxis die Hantel 54 nicht exakt von der Ebene 74 in den Fig. 5 und 6 ausgeht. Der Grund besteht darin, daß, wenn die Vektorzerlegung von Fig. 7 auf einen derartigen Fall angewendet wird, die die Rotation hervorrufende Komponente 84 verschwindet. Somit wird in der Theorie keine Rotation 64 in Fig. 5 hervorgerufen, wenn die Hantel 54 exakt in der Ebene 74 enthalten ist. Deshalb ist es in der Praxis wahrscheinlich wünschenswert, die Hantel 54 in einer Stellung näher derjenigen ausgehen zu lassen, die durch die Hantel 54 A in Fig. 5 gezeigt ist, d. h. außerhalb der Ebene 74.

Ein Problem der vorstehend beschriebenen bekannten Lösung besteht darin, daß die Arbeit, die von dem Gewicht 50 in den Fig. 5 und 6 während der Rotation von der theoretischen Anfangsstellung 54, die in Fig. 8 gezeigt ist, in die Endstellung 54 A erbracht wird, durch den Ausdruck

W = ∫ F · dl

gegeben ist, wobei W die Arbeit, F die Zentrifugalkraft und dl das Differential entlang der Bahn ist, der das Gewicht 50 folgt. Mit anderen Worten ist die Arbeit W eine Funktion der Differenz zwischen dem Radius 88 und dem Radius 90 in Fig. 8. Dieser Unterschied im Radius ist im allgemeinen klein.

Fig. 9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Gewicht 92, das mit einem Zahnradsatz 94 verbunden ist, eine Propellerschaufel 42 in eine Segelstellung dreht, die durch die gestrichelte Schaufel 56 gezeigt ist. Die Drehung des Gewichtes 92 in die gestrichelte Stellung 92 A wird durch Zentrifugalkraft hervorgerufen, da sich die Schaufel 42, der Zahnradsatz 94 und das Gewicht 92 alle um die Achse 58 drehen, wie es durch die Pfeile 98 gezeigt ist. Das Gewicht 92 dreht sich in einer und nur einer der Ebenen 66 oder 68 in Fig. 6. Das Gewicht 92 in Fig. 9 beschreibt nicht aufeinanderfolgende Kreise, wie beispielsweise die Kreise 70 und 72 in Fig. 6, wie dies bei dem bekannten Gewicht 50 der Fall ist. Eine komplexere Form der Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Winkeldrehung R des Gewichts 92 nicht die gleiche ist wie der Schaufelsteigungswinkel α.

In dieser Figur ist das Gewicht 92 (nahe der rechten Seite der Figur) durch einen Winkelhebel 100 gehaltert, der um eine Achse 102 schwenkt, die in einem Gegengewicht-Halterungsteil 103 angeordnet ist, das an einem äußeren Schaufelhalterungsring 105 befestigt ist, der mit den Propellerschaufeln 14 um die Propulsorachse 16 umläuft. Eine Nabe 104 entspricht in etwa der Nabe 56 in Fig. 3. Es ist ein Teil 42 einer Schaufel gezeigt, die sich um eine Achse 62 dreht, wie es durch einen Pfeil 98 gezeigt ist. Diese Drehung verändert die Steigung der Schaufel 42. Ein Hebel 106 ist mit der Schaufel 42 und auch mit einer Kugelverbindung 108 verbunden, die über ein Verbindungsstück 110 mit einem Ansatz 112 auf einem Gleichlaufring 114 in Verbindung steht. Der Gleichlaufring 114 ist durch ein anderes Verbindungsstück 116 mit dem Winkelhebel 100 verbunden. Die durch den Pfeil 118 dargestellte Zentrifugalkraft hat die Tendenz, das Gewicht 92 in die gestrichelte Stellung 92 A zu drehen. Diese Drehung in die Stellung 92 A zieht das Ansatzstück 112 auf dem Gleichlaufring 114 in die Stellung 112 A, wodurch der Hebel 106 auf dem Propeller in die Stellung 106 A gezogen wird. Somit wird eine Steigungsänderung hervorgerufen.

Diese Steigungsänderung ist wünschenswert, falls eine Fehlfunktion in dem Steigungsänderungs-Stellglied 120 auftritt, das ein hydraulischer oder pneumatischer Kolben ist, der die Steigung des Propellers steuert, indem die Stellung des Gleichlaufringes 114 verändert wird, wie es durch die Stellungen 122 und 122 A gezeigt ist. Bei einer Fehlfunktion wird das Gewicht 92 wirksam und drückt die Propellerschaufel 42 in die Segelstellung, die in Verbindung mit Fig. 4 erörtert wurde.

Wenn der Kolben 120 die Propellerschaufel 42 in die Rückwärtsschubstellung drückt, wie es beispielsweise beim Landen eines Flugzeugs der Fall ist, wird das Gewicht 92 durch den Kolben 120 entgegen dem Zentrifugalkraftvektor 118 in die Stellung 92 B gedrückt.

Der Unterschied der erfindungsgemäßen Einrichtung im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen bekannten Einrichtung kann in der folgenden Weise dargestellt werden. Fig. 11 ist ein Kurvenbild der Größe des Vektors 84 in Fig. 7 als eine Funktion des Winkels R, der in diesem Beispiel gleich dem Schaufelsteigungswinkel α ist. In Fig. 11 ist dem Vektor 84 das willkürliche Maximum von 100 Einheiten gegeben. Der Ausdruck V₈₄ = V₇₈ · sin R in der Figur ist gültig, da die Dreiecke A, B, C in Fig. 6 und B, D, E in Fig. 7 ähnliche Dreiecke sind. Die Strecke 124 in Fig. 6 ist Teil des Dreieckes ABC. Es ist der Schenkel BC. In Fig. 7 ist die Strecke 124 die Strecke 126 (D₁₂₆) · sin R. Es sei angenommen, daß die Strecke D₁₂₆ die Länge 1 habe. Dann ist BC/DE = D₁₂₆/V₇₈ und V₈₄ = V₇₈ · sin R.

Das Drehmoment T, dessen Vektor 84 um die Achse 62 in Fig. 7 wirksam ist, ist das direkte Produkt zwischen V₈₄ und dem Drehmomentarm, der durch den Vektor 126 in Fig. 7 angedeutet ist. Der Drehmomentvektor ist als Vektor 128 bezeichnet. Er ist senkrecht zur Ebene 76 und selbstverständlich zum Vektor 126. Bei der in Fig. 7 gezeigten Geometrie und der Annahme, daß die Länge 126 die Größe 1 hat, ergibt sich das Drehmoment T zu V₈₄ · cos R, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Äquivalente Ausdrücke für das Drehmoment sind ebenfalls in der Figur angegeben. Es ist hervorzuheben, daß der Spitzenwert des Drehmomentes bei R = 45° auftritt, und der Spitzenwert des Drehmomentes beträgt die Hälfte des Spitzenwertes der Größe des Vektors 84 in Fig. 11. Dies ist leicht zu verstehen durch die Betrachtung des Ausdruckes ½ V₇₈ sin 2 R in Fig. 12. Deshalb weist die bekannte Einrichtung beim Bewegen der Hantel über eine Bahn, um die größte Wegstrecke der Gewichte zu erhalten, welches die Wegstrecke von der Stellung 54 nach 54 A ist, eine Drehmoment/ Winkel-Charakteristik auf, die in Fig. 12 gezeigt ist. Das Drehmoment ist Null oder nahe Null, wenn sich die Hantel in oder nahe der Stellung 54 in Fig. 8 befindet, das Drehmoment hat einen Spitzenwert, wenn der Winkel R in Fig. 6 45° beträgt, und das Drehmoment fällt dann wieder auf Null oder nahe Null, wenn die Hantel die Position 54 A in Fig. 8 erreicht.

Im Gegensatz dazu hat die erfindungsgemäße Einrichtung eine Drehmoment-Charakteristik, die in Fig. 13 gezeigt ist. Der Winkel R ist wie in Fig. 9 definiert und, analog zu dem bekannten R in Fig. 6, ist R so definiert, daß das Gewicht 92 in Fig. 9, um einer Bahn zu folgen, die maximale Arbeit erbringt, bei R = Null startet und sich bis R = 180° bewegt. (Das gestrichelte Gewicht 92 A befindet sich bei R = 180°.) Eine Drehmomentkurve mit einem entsprechenden algebraischen Ausdruck ist in Fig. 13 gezeigt. Der Vektor V₁₂₈ bezieht sich auf denVektor 128 in Fig. 9. Es sei darauf hingewiesen, daß der Vektor 128 in Fig. 9 analog dem Vektor 84 in Fig. 7 ist in dem Sinne, daß beide Vektoren den Zentrifugalkraftvektor darstellen, der das Gewicht 50 oder 92 bewegt. Jedoch wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung das Drehmoment nicht um irgendeinen cos R-Faktor vermindert, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Deshalb nutzt die erfindungsgemäße Einrichtung die Kraft vollständiger aus, die in dem Vektor 128 in Fig. 9 verfügbar ist.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß die bekannte Einrichtung gemäß der Fig. 6 einen Winkel R hat, der sich nur von Null bis 90° erstreckt, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu erstreckt sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Winkel R von Null auf 180°, wie es in Fig. 13 gezeigt ist, während sich der Schaufelsteigungswinkel α zwischen 0 und 90° ändert. Andere Winkelbeziehungen können durch die Wahl von Getrieben oder Hebelwerten erhalten werden.

Die vorstehende Beschreibung errechnete das Drehmoment als eine Funktion der Zentrifugalkraftvektoren V 84 in Fig. 12 und V 128 in Fig. 13. Da jedoch diese Vektoren nicht konstant bleiben, sondern sich mit der Stellung des Gewichtes ändern, werden die Drehmomente nun als eine Funktion anderer Variablen, nämlich physikalischer Parameter, errechnet.

Das Drehmoment in der bekannten Einrichtung gemäß den Fig. 3 bis 8 wird durch die nachstehende Folge von Gleichungen errechnet, in denen

CF die Zentrifugalkraft ist,
m die Masse des Gegengewichtes W ist,
R die Strecke von dem Gewicht zur Drehachse, der y-Achse in Fig. 14 ist,
r die Strecke vom Gewicht 52 zur z-Achse in Fig. 14 ist, die die Achse 62 in Fig. 7 ist,
α ein Winkel ist, der in Abhängigkeit von dem gewählten Koordinatensystem gleich R in Fig. 9 sein kann. α wird als der Schaufelsteigungswinkel in Fig. 4 betrachtet. α ist entweder der tatsächliche Steigungswinkel oder der tatsächliche Steigungswinkel plus oder minus einer konstanten Zahl in Abhängigkeit von der Orientierung des Gewichtes 15 in bezug auf die Schaufel 42. In jedem Fall kann α als die Steigung bzw. der Anstellwinkel betrachtet werden.
β ist ein Winkel, der auch in Fig. 6 gezeigt ist,
ω ist die Winkelgeschwindigkeit der Umdrehung des Propellers in Radian pro Sekunde,
Mz ist das Moment des Gewichtes der Masse m um die z-Achse.

Fig. 14A zeigt die relevanten Vektoren in neuer Anordnung und zeigt das Moment Mz.

Das Drehmoment der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch die nachstehende Folge von Gleichungen errechnet, die sich auf die Fig. 15 und 15A beziehen und in denen

R 1 die tatsächliche Strecke vom Gewicht zur Drehachse ist,
R die Strecke ist von der Mitte 130 um die sich das Gewicht dreht, zu der Drehachse, wobei diese Strecke konstant ist (die Mitte 130 liegt auf der Achse 102 in Fig. 9),
γ der Winkel ist zwischen dem Winkelhebel der Länge r und einem Referenzpunkt, nämlich der Z-Achse.

Die anderen Bezeichnungen sind aus sich selbst heraus verständlich. Ähnlich Fig. 14A zeigt Fig. 15A die zwei relevanten Vektoren in der umgeformten Version.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist der Winkel α in Gleichung 2 der Schaufelsteigungswinkel. Dieser Winkel kann zu dem Winkel γ in Gleichung 19 in Beziehung gesetzt werden, indem ein spezielles Verhältnis in der Verbindung 94 in Fig. 9 angenommen wird. Wenn ein Verhältnis 2 : 1 (d. h. Zahnrad 94 B hat doppelt so viel Zähne wie Zahnrad 94 A) angenommen wird, dann gilt

γ = 2 α (20)

Wenn dies in Gleichung 19 eingesetzt und Gleichung 19 durch Gleichung 9 dividiert wird, gilt

Somit ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung das Drehmoment T größer als dasjenige der bekannten Einrichtung, und zwar um einen Faktor 2 R/r.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den vorstehenden Gleichungen angenommen wurde, daß der Winkelhebel 100 in Fig. 10 (der mit einer Länge r in Fig. 15 beschrieben ist) ohne Masse angenommen wurde. Tatsächlich jedoch hat der Winkelhebel eine endliche Masse, und infolgedessen wird das tatsächliche Drehmoment größer sein als dasjenige, das in den Gleichungen, wie beispielsweise 19, errechnet wurde. Trotzdem errechnet die Gleichung 19 in gültiger Weise die Komponente des gesamten Drehmomentes, das dem Gewicht 92 in den Fig. 9 und 10 zuzurechnen ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Einrichtung gemäß der Erfindung bewegt sich ein Gewicht 92 in Fig. 10 zusammen mit der Rotation einer Flugzeugpropellerschaufel 42 aber es kann sich auch um eine Achse 102 drehen bei einem Versagen eines Steigungsänderungskolbens 120. Während der Rotation um die Achse 102 bleibt das Gewicht 92 in einer Ebene parallel zur Rotationsebene des Propellers. Die Rotationsebene ist diejenige, die durch den Kreis 98 in Fig. 9 definiert ist, und sie ist parallel zu den Ebenen 66 und 68 in Fig. 6. Eine derartige Rotation drückt das Gewicht in die gestrichelte Stellung 92 A in Fig. 10, wodurch die Steigung des Propellers 42 verändert wird durch Drehen des Hebels 106 in die gestrichelte Stellung 106 A. Die Drehung in die gestrichelte Stellung 16 A wird durch Zentrifugalkraft hervorgerufen. Die Arbeit, die durch das Gewicht 92 während der Rotation erbracht wird und die zur Verfügung steht, um die Propellerschaufel 42 in die Segelstellung zu drücken, ist das Integral des inneren Produktes von Zentrifugalkraft F und Abstand dl oder

W = ∫ F · dl

Die integrierte Strecke ist die Radiusänderung Δ R in Fig. 10. Diese integrierte Strecke wird im allgemeinen größer sein als die analoge Strecke für die bekannte Einrichtung, die die Differenz zwischen den Strecken 88 und 90 in Fig. 8 ist. In einem gewissen Sinne ist die Rotation, die durch den Pfeil 64 in Fig. 5 für die bekannte Einrichtung gezeigt ist, und die Rotation bei der erfindungsgemäßen Einrichtung in die Stellung 92 A in Fig. 9 ähnlich: die Vektoren 84 in Fig. 7 und 128 in Fig. 9 sind analog. Der große Unterschied liegt jedoch darin, daß die erfindungsgemäße Einrichtung gestattet, daß eine größere Arbeit erhalten werden kann für ähnliche Längen des Armes 124 in Fig. 9 im Vergleich zum Arm 126 in Fig. 7.

Fig. 16 zeigt in schematischer Form ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Gegengewicht 136, das mit einem Zahnradsatz 138 verbunden ist, eine Propellerschaufel 42 in eine Segelstellung dreht, die durch gestrichelte Schaufeln 42 a dargestellt ist. Die Drehung des Gegengewichtes 136 in die gestrichelte Stellung 136 a wird durch Zentrifugalkraft hervorgerufen, weil die Schaufel 42, der Zahnradsatz 138 und das Gegengewicht 136 alle um die Achse 16 des Propulsors 22 rotieren.

Das Gegengewicht 136 ist an einer äußeren Oberfläche eines langgestreckten Teils 140 befestigt. Das Teil 140 ist vorzugsweise rohrförmig, wie es in Fig. 17 gezeigt ist, es könnte aber auch massiv sein. Das Teil 140 weist Zahnradzähne 142 auf, die an jedem Ende davon ausgebildet sind, und zwar vorzugsweise innen, die mit zusammenpassenden Zahnradzähnen der Zahnradanordnung oder des Zahnradsatzes 138 zusammenpassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das rohrförmige Teil 140 Teil der Zwischenverbindung (Gleichlaufring), die die einzelnen Propellerschaufeln 42 für eine gemeinsame Steigungsänderung koppelt. Die Gegengewichte 136 rotieren radial außen für eine Bewegung der Schaufeln 42 in einen gewünschten Steigungs/Segelwinkel. Da die Rotation in einer radialen Ebene erfolgt, obwohl in einer Ebene parallel zu und die Propellerachse 16 umschließen, ist die bekannte Analyse des erzeugten Drehmomentes weiterhin anwendbar und ermöglicht somit eine Verkleinerung der Masse der Gegengewichte im Vergleich zu der bekannten Einrichtung. Insbesondere kann das System gemäß Fig. 16 ein bis zu 14faches Drehmoment eines typischen bekannten Systems erzeugen. Beispielsweise zeigt Fig. 17 ein konventionelles System, in dem das Drehmoment T₀ dargestellt ist, durch:

T₀ = W/2g r₀² ^ω²sin 2 R,

wobei ω die Propellerdrehzahl, g die Gravitätskonstante, r₀ der Drehradius des Gegengewichtes 144 (d. h. der Abstand von der Drehachse 62 der Schaufel zum Schwerpunkt des Gewichtes 144), W das Gewicht des Gegengewichtes 144 und R der Winkel zwischen der Drehebene des Propellers und des Gegengewichtes sind. Im Gegensatz dazu liefert unter Bezugnahme auf Fig. 18 die erfindungsgemäße Einrichtung, wie sie in Fig. 16 gezeigt ist, ein Drehmoment T, das dargestellt wird durch:

wobei G das Zahnradverhältnis, R der Abstand von der Propellerachse zu der Drehachse des Gegengewichtes 136 und die anderen Terme die gleichen sind, wie sie für Fig. 17 definiert sind. Wenn das Drehmoment T durch das Drehmoment T₀ dividiert und die Gleichung vereinfacht wird, ergibt sich:

wenn Werte für ein Ausführungsbeispiel des mantellosen Bläsergasturbinentriebwerks wie es in Fig. 2 gezeigt ist, eingesetzt werden, ergibt sich:

G = 2,363
R = 66,6 cm (26,25 Zoll)
r = 3,7 cm (1,45 Zoll)
R = 45 Grad
r₀ = 7,5 cm (3 Zoll)

dann folgt:

Ein Vorteil des Mechanismus gemäß Fig. 16 ist die Möglichkeit, die Eingriffsstellung zwischen den Zähnen des Teils 140 und des Getriebesatzes 138 einzustellen. Dabei kann die Grob- oder Segelstellung mit einem gewissen, vorbestimmten Steigungswinkel ungleich 0 gewählt werden. Beispielsweise kann es gewünscht sein, die Schaufel in einen Winkel zu drücken, bei dem eine gewisse Leistung von dem Triebwerk erzeugt wird, obwohl die Schaufelregelung ausgefallen ist. Dies wird besser verständlich unter Bezugnahme auf Fig. 19, die an einer Linie 146 ein Schaufeldrehmomentprofil darstellt, d. h. den Drehmomentwiderstand gegenüber einer Drehung einer Schaufel über ihrem Schaufeländerungsbereich im Vergleich zu dem Drehmoment 148, das durch das Gegengewicht erzeugt wird, das in Verbindung mit den Fig. 16 bis 18 beschrieben wurde. Das resultierende Drehmoment zwischen den Linien 146 und 148 zeigt, daß durch die Erfindung eine Schaufelsteigungsstellung 152 erhalten werden kann, ohne daß die Schaufel in einer ihrer End- bzw. Extremposition, d. h. der vollen Steilstellung oder der vollen Flachstellung, angeordnet wird.

Claims (10)

1. Flugzeugantriebseinrichtung mit einem Gasturbinentriebwerk zum Erzeugen einer hochenergetischen Gasströmung, gekennzeichnet durch
eine mit dem Triebwerk gekoppelte Antriebsstufe, die erste und zweite miteinander in Eingriff stehende, gegenläufig rotierende und durch die Gasströmung angetriebene Turbinenschaufelsätze aufweist, die jeweils mit entsprechenden vorderen und hinteren, beschaufelten Propellern verbunden sind, die von der Antriebsstufe radial nach außen ragen, wobei einer der Schaufelsätze radial nach innen verlaufende Schaufeln und einen radial äußeren Schaufelhalterungsring aufweist, und der andere Schaufelsatz radial nach außen verlaufende Schaufeln und einen radial inneren Schaufelhaltungsring aufweist,
eine mit den vorderen und hinteren Propellern verbundene Steuereinrichtung zum Steuern ihres Anstellwinkels,
eine die Propellerschaufeln in eine Segelstellung bringende Einrichtung zum automatischen Drehen der Propellerschaufeln in einen vorbestimmten Anstellungswinkel beim Ausfallen der Steuereinrichtung, wobei diese Einrichtung aufweist:
einen Gleichlaufring, der die Schaufeln eines jeweiligen Propellers für eine gemeinsame Anstellungswinkeländerung aller Schaufeln miteinander verbindet,
mehrere Gegengewichte, die mit dem Gleichlaufring gekoppelt sind, für eine Drehung mit dem Gleichlaufring um eine Drehachse von einem der Propeller, wobei jedes der Gegengewichte um eine Drehachse drehbar ist, die um die Propellerachse drehbar ist und wobei die Gegengewichte nur in einer Richtung drehbar sind, die eine radiale Verschiebung der Gegengewichte in bezug auf die Propellerachse herbeiführt, und
mit den Gegengewichten verbundene Mittel zum Antreiben der Propellerschaufeln in den vorbestimmten Anstellwinkel, wenn die Gegengewichte radial außen von der Propellerachse rotieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Gegengewichte parallel zur Propellerachse sind und die Gegengewichte nur in einer Ebene parallel zur Propellerachse drehbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Gegengewichte auf Tangentenlinien eines Kreises liegen, der die Propellerachse in einer Ebene senkrecht zur Propellerachse umschreibt, wobei die Gegengewichte nur in einer Ebene drehbar sind, die parallel zur Propellerachse ist und diese enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mittel vorgesehen sind für eine Drehverbindung der Gegengewichte mit dem Gleichlaufring.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel aufweisen:
Halterungsmittel, die mit dem radial äußeren Schaufelhalterungsring verbunden und mit diesem drehbar sind,
einen Hebel, der an einem Zwischenpunkt des Hebels mit den Halterungsmitteln schwenkbar verbunden ist, wobei ein entsprechendes Gegengewicht an dem einen Hebelende befestigt ist, dessen anderes Ende mit dem Gleichlaufring schwenkbar verbunden ist derart, daß die Drehung des Gegengewichtes um die Halterungsmittel herum eine Kraft auf den Gleichlaufring ausübt, die für dessen Drehung um die Propellerachse zum Verändern des Anstellwinkels der Propellerschaufeln sorgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel jeweils aufweisen:
ein langgestrecktes Teil mit Zähnen an jedem seiner Enden, wobei jeweils ein Gegengewicht an einer Oberfläche des langgestreckten Teils befestigt ist,
eine Zahnradanordnung, die mit jeder der Propellerschaufeln gekoppelt und so angeordnet ist, daß sie eine Anstellwinkeländerung der Schaufeln herbeiführt und wenigstens ein Zahnrad aufweist, das für einen antreibenden Eingriff mit den Zähnen des langgestreckten Teils geeignet ist, und
das langgestreckte Teil sich zwischen benachbarten Zahnradanordnungen erstreckt für eine Verbindung der Anordnungen, um eine Anstellwinkeländerung herbeizuführen, wenn das Gegengewicht eine Drehung des langgestreckten Teils erzwingt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Ändern der Stellung des langgestreckten Teils in bezug auf das eine Zahnrad vorgesehen sind, um den vorbestimmten Anstellwinkel zu wählen.

8. Einrichtung, die eine Flugzeugpropellerschaufel in eine Segel- bzw. Steilstellung bringt, gekennzeichnet durch
einen Propeller mit zahlreichen Schaufeln, die für eine gemeinsame Rotation um eine Propellerachse verbunden sind, wobei jede Schaufel einen Fußabschnitt und einen Flügelabschnitt und eine Schaufeldrehachse aufweist, die von dem Fußabschnitt durch den Flügelabschnitt verläuft,
Mittel zum Verbinden des Fußabschnittes aller Schaufeln für eine gleichzeitige gemeinsame Ringdrehung aller Schaufeln um ihre entsprechende Schaufelachse,
mehrere Gegengewichte, die mit den Verbindungsmitteln drehbar verbunden sind, für eine Rotation mit diesen um die Propellerachse, wobei jedes Gegengewicht eine um die Propellerachse rotierende Drehachse aufweist und auf Tangentenlinien eines Kreises liegt, der die Propellerachse in einer Ebene senkrecht dazu umschreibt,
jedes Gegengewicht ist um eine entsprechende Gegengewichtsachse in einer radialen Verschiebungsbewegung in bezug auf die Propellerachse verbunden und
mit den Gegengewichten verbundene Mittel zum Antreiben aller Schaufeln in eine Segel- bzw. Steilstellung, wenn die Gegengewichte radial außen von der Propellerachse rotieren.

9. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel aufweisen:
ein langgestrecktes Teil mit Zähnen auf jedem Ende, wobei jeweils ein Gegengewicht an einer Oberfläche des langgestreckten Teils befestigt ist,
eine Zahnradanordnung, die mit jeder der Propellerschaufeln gekoppelt und derart angeordnet ist, daß eine Anstellwinkeländerung der Schaufeln herbeiführbar ist, und wenigstens ein Zahnrad aufweist, das für einen antreibenden Eingriff mit den Zähnen des langgestreckten Teils geeignet ist, und
das langgestreckte Teil verläuft zwischen benachbarten Zahnradanordnungen, um diese miteinander zu verbinden für eine Anstellwinkeländerung, wenn das Gegengewicht eine Drehung des langgestreckten Teils erzwingt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Verändern der Stellung des langgestreckten Teils in bezug auf das eine Zahnrad vorgesehen sind zum Wählen des vorbestimmten Anstellwinkels.