DE3917034A1

DE3917034A1 - Propellerblattbefestigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3917034A1
Application number: DE3917034A
Authority: DE
Inventors: Jan Christopher Schilling; Charles Evan Steckle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-05-25
Publication date: 1989-12-14
Anticipated expiration: 2009-05-26
Also published as: US5354176A; JPH0220496A; DE3917034C2; GB8912581D0; FR2638418B1; IT8920752A0; CN1040962A; CN1025175C; US5102302A; SE507013C2; SE8901806L; GB2220990A; GB2220990B; JP3037341B2; IT1229423B; SE8901806D0; FR2638418A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Befestigung eines Flugzeug propellerblattes an einer Befestigungsplattform.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug, das durch gegenläufige Druckpropel ler 1 A und 1 F angetrieben wird. Die Propellerblätter sind ge pfeilt, wie es in den Fig. 6 und 13 gezeigt ist, um Flugge schwindigkeiten bis zu Mach 0,85 zu gestatten. Es hat sich herausgestellt, daß die gezeigte Anordnung mehrere besondere Schwingungsanregungsquellen erzeugt, welche die Propellerblät ter stören. Zum Beispiel stellt die Wirbelschleppe 2, welche sich an dem Tragflügel 3 ablöst, eine Diskontinuität dar, wel che die Propellerblätter durchqueren müssen, was eine Anre gungsquelle ergibt. Eine zweite Anregungsquelle ergibt sich, wenn das Flugzeug einen hohen Anstellwinkel hat, was während des Starts, des Steigflugs und der Landung der Fall ist. Zu dieser Zeit löst sich an dem Rumpf ein Wirbel 6 ab, in den die Propeller 1 A und 1 F eintreten. Der Wirbel 6 stört die Pro pellerblätter zuerst, wenn diese einen ersten Rand 8 des Wir bels passieren, und außerdem dann, wenn sie den Wirbel verlas sen und dessen Rand 10 passieren. Darüber hinaus kommt es zu einer starken Luftstörung während Nick-, Gier- und Rollmanö vern.

Die Blätter selbst haben eine Eigenresonanzfrequenz in dem Be reich von zehn bis siebzig Hertz. Wenn sich die Propeller mit etwa zwanzig Umdrehungen pro Sekunde drehen, ergeben die 1-pro- Umdrehung- und die 2-pro-Umdrehung-Anregungen, welche durch die Wirbelschleppe 2 und den Wirbel 6 verursacht werden, eine Schwingungsanregung innerhalb dieses Ansprechbereiches. Das heißt, die Wirbelschleppe ergibt zwanzig Anregungen pro Sekunde pro Blatt, und der Wirbel ergibt vierzig Anregungen pro Sekunde.

Bei den älteren Konstruktionen ist die Resonanzfrequenz der Flugzeuggebläseschaufeln (nicht der Propellerblätter) durch die Verwendung von sogenannten Befestigungssystemen mit ver stiftetem Fuß reduziert worden. Ein Beispiel ist das System mit verstiftetem Fuß, welches bei dem Triebwerk TF 34 der General Electric Company benutzt wird. Dieser Typ von Befesti gung ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Scharnier 12 ist an dem Fuß jeder Gebläseschaufel 14 befestigt, was der Schaufel ge stattet, sich zwischen den gestrichelt dargestellten Positio nen 16 und 18 zu drehen. Es gibt mehrere bedeutsame Merkmale bei dieser Anordnung. Ein erstes Merkmal ist, daß gemäß der Darstellung in Fig. 3 die Löcher 20 und 22 in dem Scharnier in ihrem Durchmesser 24 größer sind als der Durchmesser 26 des Stiftes 28. Wenn sich die Schaufel 14 um die Stiftachse 63 dreht, rollt infolgedessen der Stift (statt zu gleiten) in ei ne neue Position, wie es in Fig. 3A gezeigt ist. Der Stift 28 reibt in den Löchern 20 und 22 wenig oder überhaupt nicht. Ei ne Bezugsmarkierung 30 zeigt, daß der Stift 28 rollt und nicht gleitet.

Ein zweites Merkmal ist, daß das verstiftete Fußsystem, das vorstehend beschrieben worden ist, bei einem Mantelstromtrieb werk benutzt worden ist, bei dem die Steigung der Gebläse schaufeln fest ist. Das heißt, gemäß der Darstellung in Fig. 4, die eine Ansicht einer Schaufel 14 in Fig. 2 in Richtung eines Pfeils 4 zeigt, erfolgt keine durch einen Pfeil 33 ange deutete Drehung der Gebläseschaufeln 14 aus einer mit ausgezo genen Linien dargestellten Position in eine mit gestrichelten Linien dargestellte Position 14 A. Um es zu wiederholen, eine solche Drehung oder Schaufelverstellung um eine Schaufelver stellachse 29 in Fig. 2 erfolgt nicht.

Die fehlende Schaufelverstellung gekoppelt mit hohen Schaufel zentrifugalkräften toleriert die Verwendung des rollenden, lo sen Stiftes, der in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn jedoch eine ver stellbare Schaufel bei niedrigen Drehzahlen benutzt wird, ruft diese Befestigung mit losem Stift ein Problem hervor, das in übertriebener Form in Fig. 5 gezeigt ist. Die aerodynamischen Kräfte und die Zentrifugalkräfte, welche auf die Schaufel einwirken, sind bestrebt, den Stift 28 in die dargestellte Schrägstellung zu treiben. Dieses Schrägstellen ist uner wünscht, zumindest aus dem Grund, daß der Anstellwinkel der Schaufel von der Position der unteren Scharnierhälfte 57 in Fig. 2 etwas entkoppelt wird.

Ein drittes Merkmal ist, daß der Scharnierstift 28 außerhalb und nicht innerhalb des durch Linien 31 angedeuteten Gebläse stroms angeordnet ist. Das heißt, der Scharnierstift ist un terhalb der Schaufelplattform 58 in Fig. 2 hinter der Naben abdeckhaube 59 angeordnet. An einer solchen Stelle ist der Stift von Luft umgeben, die eine niedrige Temperatur (unge fähr Umgebungstemperatur) aufweist.

Ein viertes Merkmal ist, daß der Stift ungefähr parallel zu der Drehachse 66 des Gebläses ist. Das hat zur Folge, daß die Vorderkante 61 der Schaufel 14 in derselben Radialebene bleibt, wenn die Auslenkung in die gestrichelte Position 16 erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Flug zeugpropellerbefestigung zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes System zum Be kämpfen von Schwingungen in Flugzeugpropellern geschaffen werden.

In einer Form der Erfindung ist ein Flugzeugpropellerblatt an einer Befestigungsplattform mit Hilfe eines Stiftes be festigt, der in mancher Hinsicht einem Scharnierstift gleicht. Das Spiel zwischen dem Stift und den Scharnieraugen, in denen er drehbar gelagert ist, ist sehr klein, wodurch ein Schrägstellen des Propellerblattes verhindert wird, wenn das Propellerblatt verstellt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein durch gegenläufige Druck propeller angetriebenes Flug zeug,

Fig. 2 eine Gebläseschaufelstiftbefe stigung bei einem Flugzeugge bläse,

Fig. 3 und 3A die Bewegung des Stiftbefesti gungssystems nach Fig. 2,

Fig. 4 die Blattverstellung bei einem Flugzeugpropeller,

Fig. 5 eine Art von Fehlausrichtung des Stiftes, die in der Anordnung nach Fig. 2 auftreten kann,

Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfin dung,

Fig. 6A eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 und 7A in schematischer Form die Ver formung einer elastomeren Büchse in Fig. 6,

Fig. 8 noch eine weitere Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 9 und 10 Schwingungsknoten, die in den Propellerblättern bei einer Bie gung auftreten können,

Fig. 11 und 12 Schwingungsknoten, die in Propel lerblättern bei Torsion auftreten können,

Fig. 13 die Art der Befestigung zwischen dem Stiftgabelkopf und dem Pro pellerblatt,

Fig. 14 eine zweite Ansicht des Blattes nach der Linie 14-14 in Fig. 13,

Fig. 15 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Leiter zum Übertragen der Ladung, wel che durch Blitzschläge aufge bracht wird,

Fig. 16 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 17 einen Typ einer Blattfußkonstruk tion, die sich von der nach Fig. 13 unterscheidet,

Fig. 18 die Größe der Kraft, aufgetragen als Funktion der Position inner halb eines Blattgabelkopfes 43, wobei der Gabelkopf als Balken 81 dargestellt ist,

Fig. 19A-19C das Verspleißen von Fasern,

Fig. 20 eine schematische Längsschnitt ansicht eines Flugzeugtrieb werks, bei dem die Erfindung be nutzt werden kann,

Fig. 21 ein Vektordiagramm, welches ein auf ein Propellerblatt auftref fendes Objekt zeigt,

Fig. 22 und 23 Diagramme der Schwingungsfre quenz über der Propellerblatt drehzahl, und

Fig. 24 eine Punktmasse 219 eines Pro pellerblattes und ein Pendel, dessen Verhalten dem der Punkt masse gleichen kann.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. In dieser Fi gur ist eine Gebläseschaufel 40 an einer Schaufelplattform 42 durch einen Stift 46 anscharniert. Die Schaufel 40 trägt einen Gabelkopf 43, und die Plattform 42 trägt einen damit zusammen passenden Gabelkopf 44. Die beiden Gabelköpfe werden durch den Stift 46 zusammengehalten.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 umgibt eine reibungsarme Büch se 47 den Stift 46. die Büchse 47 besteht aus einem reibungsar men Material wie z.B. Fabroid X, das von der Lear Siegler, Inc., Phoenix, Arizona, erhältlich ist. Vorzugsweise weicht die Büchse 47 in der Dicke um -0,051 bis +0,0254 mm (-0,002 bis +0,001 Zoll) von der Dicke des Raums ab, welcher den Stift umgibt, so daß eine leichte Reibpassung vorhanden ist. Diese Anordnung gestattet der Gebläseschaufel sich zu drehen, wie es durch den strichpunktierten Umriß 40 A gezeigt ist, gestattet ihr aber nicht, sich schräg zu stellen, wie es in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben worden ist. Die Büchse 47 dient zum Aufrechterhalten der Ausrichtung des Gabelkopfes 43 mit der Achse 46 B.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die rei bungsarme Büchse 47 durch mehrere elastomere Büchsen 48 gemäß Fig. 6A ersetzt, welche an dem Schaufelgabelkopf 43 durch Klebstoffe oder Keile befestigt sind, wogegen der Stift 46 verankert und nichtdrehbar ist, was durch das Erdungssymbol 46 A angedeutet ist. (Alternativ kann der Stift 46 an dem Schaufelgabelkopf 43 starr befestigt sein, und die elastome ren Büchsen 48 können zwischen dem Stift und dem Plattformga belkopf 42 befestigt und dadurch mechanisch geerdet sein.) Wenn die elastomeren Büchsen eingebaut sind und sich die Schau fel 40 dreht, verformt sich jede elastomere Büchse, wie es schematisch durch das Dehnen von Federn 50 (die das Elastomer repräsentieren) in der Folge der Fig. 7 und 7A dargestellt ist, in welchen ein Pfeil 52 die Drehung zeigt.

Die elastomeren Büchsen sind bestrebt, die Verteilung der sta tischen Kraft zu glätten, welche auf die Gabelköpfe einwirkt, was mit Bezug auf Fig. 18 noch näher erläutert wird. In dieser Figur ist ein Teil des Schaufelgabelkopfes 43 als ein Balken 81 gezeigt, in dem der Stift 46 drehbar gelagert ist. Wenn ein Moment auf den Balken 81 ausgeübt wird, beispielsweise durch eine Kraft, welche durch einen Pfeil 82 angedeutet ist, ist die auf die Wände des Loches 83 einwirkende Kraft ungefähr so, wie es die Diagramme zeigen, die mit "Kraft oben" und "Kraft unten" bezeichnet sind. Das heißt, die Kraft in einem Punkt 84 an dem Balken 81 ist hoch, wie es der Punkt 85 in dem Diagramm "Kraft oben" zeigt, und entsprechendes gilt für den Punkt 86, was durch einen Punkt 87 in dem Diagramm "Kraft unten" gezeigt ist. (Es ist klar, daß die Diagramme in Fig. 18 angenähert sind und die Form der gestrichelten Diagramme 88 annehmen können, je nach der Kompressibilität des Balkens 81.)

Die elastomere Büchse verteilt die Kraft, wie es in dem Dia gramm gezeigt ist, das mit "Obere Kraft mit Büchse" bezeich net ist, wodurch die Belastung des Materials in den Punkten 84 und 86 an dem Balken 81 reduziert wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 ge zeigt, wo die Achse 63 des Stiftes (nicht dargestellt), wel ches auch die Achse ist, um die die Gebläseschaufel ausgelenkt wird, nicht parallel zu der Drehachse 66 des Gebläses ist.

Anders ausgedrückt, der Stift ist so ausgerichtet, daß bei ei ner Schaufelauslenkung die Vorderkante 40 A der Gebläseschaufel 40 die Radialebene des Fußes 40 B durchdringt, wie es in einem Gebiet 67 gezeigt ist.

Ein Vorteil dieses Typs von Stiftanordnung wird unter Bezug nahme auf die Fig. 9-12 erläutert. Die Schwingungsarten, wel che in der Schaufel wegen Biegekräften angeregt werden, sind bestrebt, Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche zu erzeugen, welche denjenigen gleichen, die in übertrieben großer Form in Fig. 9 gezeigt sind. Die Schwingungsknoten und Schwingungsbäu che sind bestrebt, sich parallel zu der Achse 46 B des Stiftes 46 anzuordnen. Andere Belastungen, welche durch aerodynamische Torsionsbelastung verursacht werden, sind bestrebt, ein Schwingungsknotenmuster zu erzeugen, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Die Ausführungsform der Erfindung, die gerade erläutert wird, erlaubt, den Winkel B in Fig. 12 zu steuern, bei dem es sich um den Winkel zwischen Biegeschwingungsknoten und Tor sionsschwingungsknoten handelt. Die Möglichkeit, den Winkel B steuern zu können, ist erwünscht, weil sie erlaubt, die Kon trolle über das Schwingungsverhalten der Gebläseschaufel zu ge winnen und dadurch die Schaufelstabilität zu verbessern. Das heißt, man kann die Biegungs- und Torsionsfrequenzkopplung in der Schaufel steuern. Der Winkel B hängt in großem Maße von dem Stiftwinkel ab, der in Fig. 8 gezeigt ist.

Eine Methode des Aufbauens des Schaufelfußes 67 in Fig. 6 ist in Fig. 14 dargestellt, welche eine Ansicht nach der Linie 14-14 in Fig. 13 zeigt. In Fig. 14 ist ein Schaumstoffkern 90 teilweise von einer Öse 93 umgeben, die eine Stahlbüchse 96 zur Verstärkung umschließt. Die Stahlbüchse umgibt die rei bungsarme Büchse 48 in Fig. 4. Mehrere Schichten (z.B. L 1) aus Graphit oder Glasfaser sind wie dargestellt um die Öse ge wickelt oder in Schleifen herumgelegt. Die Fasern sind in einer Harzmatrix, z.B. aus Epoxy, gebunden. Es ist wichtig, daß die Fasern kontinuierlich aus einem Gebiet 98 auf einem gestrichel ten Weg 101 in ein Gebiet 99 verlaufen. Das ergibt eine stär kere Abstützung gegen Zentrifugalkräfte als in dem Fall, in welchem die Fasern beispielsweise in dem Punkt 104 gespleißt wären.

Diese stärkere Abstützung ist in den Fig. 19A-19C ausführlicher dargestellt. In Fig. 19A überlappen die Fasern 106 A sich in dem Gebiet 107 A, und das Harz 108 A zwischen ihnen wird auf Scherung beansprucht. In Fig. 19B überlappen sich die Fasern 106 B über einem größeren Gebiet 107 B, und eine größere Länge des Harzes 108 B wird auf Scherung beansprucht. In Fig. 19C er folgt eine Überlappung in einem noch größeren Gebiet 107 C, und ein noch größerer Harzabschnitt 108 C wird auf Scherung bean sprucht. Die Situation gemäß Fig. 19C wird bevorzugt, weil das Harz 108 C im allgemeinen nicht so stark auf Scherung bean spruchbar ist wie die Fasern 106 C auf Zug beanspruchbar sind. Deshalb wird ein größeres Überlappungsgebiet (d.h. ein länge rer Spleiß) bevorzugt, wenn Spleiße vorhanden sind.

Es wird jedoch vorgezogen, daß, wo immer möglich, Spleiße eli miniert werden und daß die Fasern kontinuierlich von der Spitze 106 E in Fig. 14 um das Gebiet, welches die Büchse 96 an dem Fuß der Schaufel enthält, und wieder hinaus zu der Spitze 106 E verlaufen. Das heißt, die Gebiete 98 und 99, welche die Enden für den Weg 101 enthalten, auf welchem die bewußten Fasern verlaufen, befinden sich an der Spitze 106 E.

Die Ausrichtung der Faserrichtung in jeder der neun Schichten ist durch die gezeigten Winkel gegeben. Die Winkel werden in bezug auf eine imaginäre Achse 95 gemessen, die in Fig. 6 ge zeigt ist und mit der Richtung der Zentrifugalkraft zusammen fällt, welche auf die Schaufel ausgeübt wird. Zum Beispiel verlaufen gemäß der Darstellung in dieser Figur die Fasern wie dargestellt und bilden einen Winkel von ungefähr 45°. Die Gra phitfasern werden mit einem geeigneten bekannten Harz getränkt und dann in einem Autoklaven ausgehärtet, es kann aber auch ein Harzspritzpreßverfahren benutzt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsorm der Erfindung wird eine schützende metallische Nase 107 an der Vorderkante befestigt, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Die Nase 107 bietet Schutz ge gen Beschädigung durch Fremdobjekte, zu der es kommen würde, wenn ein Vogel auf die Schaufel trifft, und bildet außerdem einen elektrisch leitenden Weg für einen Blitz von der anson sten elektrisch nichtleitenden Verbundschaufel aus. Darüber hinaus verbindet gemäß der Darstellung in Fig. 15 ein metalli scher Stab 109 die Schutznase 107 mit dem Stift 46, vorzugs weise nahe dem Ende des Stiftes, so daß die Büchse 48 nicht durchbohrt zu werden braucht. Der Stab 109 dient zum Ableiten eines Blitzes, welcher die Schaufel 40 trifft.

Der Plattformgabelkopf 44 ist metallisch und ist durch einen metallischen, leitfähigen Weg mit dem Flugzeugtriebwerk ver bunden, welches seinerseits mit dem Flugzeugrumpf verbunden ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser leitfähige Weg ver teilt die Ladung, die das Propellerblatt empfängt, und gestat tet, die Ladung über den Rumpf des Flugzeuges abzuleiten. Die freie Luftströmung nimmt die Ladung mit weg.

Fig. 16 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Plattform 42, welche den Plattformgabelkopf (nicht darge stellt) trägt, ist durch Festkörperlager 150 bekannten Typs ge halten, welche die in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Blatt verstellung gestatten. Der Plattformgabelkopf 43 hat Fortsätze 155, die eine Drehung über die Position hinaus verhindern, wel che durch einen gestrichelten Gabelkopf 43 A gezeigt ist. Eine Ecke 157 trifft auf die Plattform 42 und verhindert eine wei tere Drehung. Weiter sind die Fortsätze so aufgebaut, daß, wenn ein großes Objekt auf die Schaufel trifft, der Fortsatz brechen wird, was der Schaufel 40 gestattet, sich um einen größeren Winkel zu drehen statt zu brechen. In einem gewissen Sinn dienen die Fortsätze 155 als Anschläge mit einer Soll bruchstelle, welche die Schaufeldrehung begrenzen, sofern die Kraft, welche die Drehung hervorruft, unter einer gewissen Größe ist. Wenn die Kraft diese Größe übersteigt, brechen die Fortsätze, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß eine Beschä digung der Schaufel vermieden wird.

Mehrere wichtige Aspekte der Erfindung sind folgende:

1. Die Erfindung ist geeignet zur Verwendung bei einem gegen läufigen, mantellosen Gebläsetriebwerk des in Fig. 1 gezeig ten Typs. Fig. 20 ist eine äußerst schematische Längs schnittansicht dieses Triebwerks. Die Temperatur innerhalb der Verkleidung 70 in den Gebieten 73 A-73 C ist heiß und be trägt wenigstens 177°C (350°F). Solche Temperaturen sind für nichtmetallische Verbundschaufeln wie die Gebläse schaufeln 40 schädlich. Die Erfindung dient zum Isolieren der Verbundbauteile von den hohen Temperaturen, weil der metallische leitfähige Weg aus dem Gebiet 73 C hinaus in dem Plattformgabelkopf 44 in Fig. 6 endigt: der Schaufelgabel kopf 43 sowie die Schaufel 40 sind Verbundbauteile, die nicht aus Metall bestehen. Weiter, der Plattformgabelkopf 44 wird durch den Gebläseströmungsweg, der durch den Pfeil 31 in den Fig. 6 und 20 angedeutet ist, gekühlt, der auf oder nahe der Umgebungstemperatur ist. Bei Flugbedingungen kann diese Umgebungstemperatur etwa -46°C (-50°F) betra gen.
2. Der metallische Plattformgabelkopf 44 bildet einen Weg zum Ableiten von Blitzschlägen.
3. Der Befestigungspunkt der Gebläseschaufel an der Platt form befindet sich in dem Gebläseströmungsweg in dem Block 70 C in Fig. 20. Der Befestigungspunkt befindet sich weder innerhalb der Verkleidung 70 noch in der Nähe des heißen Ge bietes 73 B. Das unterstützt wie erwähnt das Blockieren der Wärmeströmung aus den heißen inneren Gebieten der Verklei dung 70.
4. Die Tatsache, daß die Schaufel sich aufgrund des verstif teten Fußes biegen kann, verbessert den Widerstand der Schaufel gegen Stoßbeschädigung durch Fremdobjekte. Das heißt, die Schaufel ist an der Verkleidung 70 nicht ein seitig starr eingespannt, sondern kann sich um einen Win kel A biegen, der in Fig. 7 gezeigt ist. Dieses Biegen hat folgenden Vorteil.
Wenn ein Propellerblatt auf einen Fremdkörper, z.B. einen Vogel trifft, ähnelt die Situation der in Fig. 21 gezeig ten. Die Drehung des Propellerblattes ist durch einen Vektor 130 gezeigt, wogegen die Vorwärtsbewegung des Flug zeuges durch einen Vektor 133 gezeigt ist. Die Bewegung des Propellers in bezug auf die Erde ist die Summe dieser beiden Vektoren, welche durch eine Vektorsumme 136 gezeigt ist. Wenn der Fremdkörper auf das Propellerblatt trifft, wird der Fremdkörper sich wahrscheinlich längs einer ge strichelten Linie 139 bewegen, die mit der Vektorsumme 136 zusammenfällt.
Die Bewegung des Fremdkörpers kann in zwei Vektoren aufge löst werden, nämlich einen Vektor 140, der zu der Ober fläche des Propellerblattes normal ist, und einen Vektor 142, der zu der Propellerblattoberfläche parallel ist. Bei dem Aufprall lenkt der normale Vektor 140 das Propellerblatt aus der gestrichelten Position 40 A in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Position 40 aus. Diese Auslenkung gibt einen Weg für den Fremdkörper frei, so daß in vielen Fäl len der Fremdkörper sich frei und unbehindert von dem Pro pellerblatt stromabwärts bewegen kann, und zwar ungefähr auf dem Weg, welcher durch den großen Pfeil 146 gezeigt ist. In einem gewissen Sinne gestattet die Stiftbefestigung dem Propellerblatt, sich durch Schwenken von dem Fremdkörper zu befreien.
5. Durch Bewegen des Befestigungspunktes der Gebläseschau feln in den Gebläseströmungsweg wird ein größerer Raum innerhalb der Verkleidung 70 nahe dem Gebiet 73 B in Fig. 20 im Vergleich zu einem System, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, erzielt.
6. Die Tatsache, daß die Gebläseschaufel außerhalb der Ver kleidung 70 befestigt ist, erleichtert ein schnelles Ent fernen und Austauschen der Schaufel.
7. Als allgemeine Regel kann gesagt werden, daß ein metal lisches Bauteil in dem Belastungsweg zwischen den Zentri fugalkräften und den aerodynamischen Kräften, welche durch die Verbundgebläseschaufel 40 ausgeübt werden, und dem Triebwerksbauteil, welches diese Kräfte absorbiert, vorhan den sein muß. Bei einigen bekannten Lösungen ist die Ver bundschaufel 40 in Fig. 17 mit einem metallischen Holm 80 verbunden, der an dem metallischen Bauteil mit Hilfe des Schaufelgabelkopfes 43 befestigt werden kann. In diesem Fall wäre das metallische Bauteil der Plattformgabelkopf 44 in Fig. 6. Diese Lösung erfordert eine Klebeverbindung zwischen Verbundstoff und Metall, beispielsweise an einer Oberfläche 80 A.
Im Gegensatz dazu eliminiert die Erfindung eine solche Kle beverbindung und verbindet statt dessen einen Verbundschau felgabelkopf 43 in Fig. 6 mit einem metallischen Plattform gabelkopf 44 unter Verwendung des metallischen Stiftes 46. Es gibt also keine Klebeverbindung zwischen Verbundstoffen und Metallen, die auf Scherung beansprucht wird. Vielmehr wird die Zentrifugalkraft durch Graphitfasern aufgenommen, welche insgesamt auf Zug beansprucht werden, und auf den Plattformgabelkopf 44 über den metallischen Stift 46 über tragen. Die Scherkraft ist an den Grenzflächen 79 in Fig. 15 zwischen den Gabelkopfbauteilen vorhanden und wird durch den Stift 46 aufgenommen.
8. Eine typische Flugzeuggebläseschaufel ist in einem Schlitz lose befestigt. Die Schaufel wird in dem Schlitz während des Betriebes durch Zentrifugalkraft befestigt. In Zeiten außerhalb des Betriebes kann jedoch der Wind durch das Gebläse blasen und bewirken, daß sich das Gebläse frei dreht, was zur Folge hat, daß sich die Schaufeln in ihren Schlitzen bewegen und "klirren". Durch das Klirren werden die Schaufelbefestigungen beschädigt. Die Reibpassung der Büchse 47 und das Haften der elastomeren Büchse 48, die oben beschrieben worden sind, werden das Klirren reduzieren oder eliminieren.
9. Der Ausdruck "verstiftete" Verbindung ist im Stand der Technik gebräuchlich, vgl. z.B. J.L. Meriam, Statics and Dynamics, John Wiley & Sons, Inc., New York (1969), S. 40 und 41, und Crandall und Dahl, An Introduction to the Mechanics of Solids, McGraw-Hill Book Company, New York (1959), S. 15 und 16.
10. Der verstiftete Fuß reduziert die auf die Schaufeln in dem Fußgebiet ausgeübten Spannungen durch Reduzieren oder Eliminieren von Momenten, welche aus stetiger aerodynamischer Belastung resultieren. Die verringerten Spannungen führen zu einer größeren Tragfähigkeit und zu einer längeren Le bensdauer der Schaufel.

Ein weiteres Ergebnis dieser Momentenreduzierung kann unter Bezugnahme auf die Fig. 22 und 23 erläutert werden. Fig. 22 zeigt ein Schwingungsdiagramm für einen exemplarischen be kannten Propeller (nicht dargestellt), der ein Standard blatthaltesystem (d.h. ein Fuß mit Stiftbefestigung ist nicht vorhanden) hat. Eine Linie 200 gibt eine lineare, 1 : 1-Umwandlung von U/min (auf der horizontalen Achse) in Perioden pro Sekunde (CPS oder Hz, auf der vertikalen Achse) für 1-pro-Umdrehung-Anregungen, die durch das Blatt hervorge rufen werden, an. Beispielsweise gibt ein Punkt 205 an, daß 1200 U/min in 20 Perioden pro Sekunde umgewandelt wer den, was bedeutet, daß bei 1200 U/min die Anzahl der 1-pro-Umdrehung-Anregungen, welche pro Sekunde auftreten, zwanzig beträgt. Durch eine Linie 202 werden ebenso U/min in 2-pro-Umdrehung-Anregungen umgewandelt. Zum Beispiel gibt ein Punkt 207 an, daß 1200 U/min 40 Perioden pro Sekunde entsprechen. Ein Beispiel für eine Quelle von 2-pro-Umdrehung-Anregungen wurde oben in Verbindung mit den Wirbelrändern 8 und 10 in Fig. 1 angegeben.

Das exemplarische Propellerblatt, dem die Stiftbefestigung am Fuß fehlt, kann als ein einseitig eingespannter Balken betrachtet werden, welcher ein relativ steifes Gebilde ist. Die Steifigkeit hat zur Folge, daß eine relativ hohe Re sonanzkurve 210 für das Blatt vorhanden ist. (Die Resonanz kurve kann bei einem gegebenen Propeller von Blatt zu Blatt etwas variieren: jedes Blatt kann bei einer gegebenen Dreh zahl eine etwas andere Resonanzfrequenz haben.) Ein Grund für die Zunahme der Resonanzfrequenz gemäß Fig. 23, zu der es kommt, wenn die Drehzahl zunimmt, besteht darin, daß die Zentrifugalkraft das Blatt versteift.

Die Resonanzkurve 210 gibt insgesamt die Frequenzen in Perio den pro Sekunde an, bei denen das Blatt in Resonanz ist, und zwar für verschiedene Propellerdrehzahlen. Beispielsweise beträgt bei einer niedrigen Drehzahl 212 die Resonanzfrequenz etwa 25 Perioden pro Sekunde, was durch einen Punkt 213 an gegeben ist. Bei einer hohen Drehzahl 215 beträgt die Reso nanzfrequenz etwa 30 Perioden pro Sekunde, was durch einen Punkt 216 angegeben ist. Der Typ von Daten, der durch die Resonanzkurve 210 angegeben wird, sollte nicht mit dem ver wechselt werden, der durch die Linien 200 und 202 angegeben wird. Die letztgenannten Linien wandeln aus den Einheiten U/min (auf der horizontalen Achse) in Hz (CPS, auf der vertikalen Achse) um und geben keine Daten an, welche sich auf ein Ele ment außerhalb des Diagramms, wie z.B. ein Propellerblatt, beziehen.

Im Gegensatz zu dem exemplarischen Blatt hat das am Fuß mit tels Stift befestigte Blatt nach Fig. 6 eine reduzierte Stei figkeit: das Blatt ist nicht länger einseitig eingespannt, sondern gleicht mehr einem Pendel, wie es in Fig. 24 gezeigt ist. In Fig. 24 ist das Blatt 40 umgedreht dargestellt, weil die Wirkung der Zentrifugalkraft der Schwerkrafteinwirkung auf ein Pendel ähnelt. Angenähert kann das Blatt 40 als eine Punktmasse 219 betrachtet werden, die an einer masselosen Schnur 221 schwingt, welche etwa 610 mm (24 Zoll) lang ist (Abmessung 223). Das Blatt ähnelt einem Pendel.

Tatsächlich hat ein Pendel, welches etwa einen Meter lang ist, eine Periode von etwa 2 Sekunden, was einer Frequenz von 0,5 Hz entspricht. Das Pendel nach Fig. 24, das 610 mm lang ist, wird eine kürzere Periode haben, für die zu Erläuterungs zwecken 1,5 Sekunden angenommen werden, was einer Frequenz von 0,6 Hz entspricht. Deshalb ist bei sehr niedrigen Dreh zahlen, bei denen die Zentrifugalkraft minimal ist, die Reso nanzfrequenz des Blattes/Pendels durch einen Punkt 220 in Fig. 23 gezeigt, der nahe bei 0,6 Hz ist.

Wenn die Blattdrehzahl zunimmt, versteift sich das Blatt un ter der Zentrifugalbelastung, und die Resonanzkurve folgt der Linie 222. Es ist bemerkenswert, daß die Resonanzkurve 222 des Blattes mit verstiftetem Fuß die 2-pro-Umdrehung-Anregungs kurve 202 innerhalb eines Kreises 223 bei einer niedrigen Propellerdrehzahl kreuzt, die unterhalb der Leerlaufdrehzahl und außerhalb des normalen Fluggeschwindigkeitsbetriebsbe reiches ist. Weiter kreuzt die Kurve 222 die 1-pro-Umdrehung- Linie 200 überhaupt nicht.

Im Gegensatz dazu kreuzt die Resonanzkurve 210 in Fig. 22 des exemplarischen bekannten Propellers die Anregungskurve 202 in nerhalb des Kreises 225, was unerwünscht ist, weil dieses Kreuzen innerhalb des normalen Betriebsbereiches (d.h. zwi schen Leerlauf- und Startdrehzahlen) des Propellers erfolgt. Das Propellerblatt kann nicht für eine längere Zeitspanne be trieben werden, wenn die Anregungsfrequenz gleich einer Reso nanzfrequenz des Blattes ist, weil es zu einer Beschädigung des Blattes kommen wird. Das analoge Kreuzen bei der Erfin dung erfolgt innerhalb des Kreises 223 in Fig. 23, welcher sich außerhalb des normalen Betriebsbereiches des Propellers befindet, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung oder Er müdung aufgrund von Resonanzerscheinungen eliminiert wird.

Die Erfindung ist für den Fall beschrieben worden, daß ein Propellerblatt oder eine Gebläseschaufel mit Hilfe einer Stift-Scharnier-Anordnung an einem Rotor befestigt ist. Das Blatt ist ein verstellbares Blatt. Die Anordnung reduziert die Resonanzfrequenz des Blattes durch Verwendung einer Stift befestigung an dem Rotor. Diese Reduktion der Resonanzfrequenz reduziert, so wird angenommen, die Anregung des Blattes in der ersten Schwingungsart (d.h. in der ersten Biegeschwin gungsart). (Anregungen können zwar bei anderen Schwingungs arten erfolgen, d.h. bei anderen Frequenzen, diese Anregungen sind aber weniger gefährlich, weil die Blätter im allgemeinen Schwingungen in anderen Schwingungsarten besser als Schwin gungen in der ersten Schwingungsart von selbst dämpfen.) Der Winkel, den der Stift mit der Drehachse bildet, kann gesteu ert werden, um den Winkel einzustellen, den die Biegeschwin gungsknoten mit den Torsionsschwingungsknoten bilden.

Weiter, das Propellerblatt ist aus Verbundmaterialien aufge baut, die nicht so beständig gegen Wärme und Beschädigung sind wie Metalle. Eine schützende metallische Nase schützt das Blatt bei dem Auftreffen von Fremdkörpern. Die Nase erfüllt außerdem die Funktion eines leitfähigen Weges für Blitze.

Bei der Erfindung ist das Scharnier in dem Strömungsweg ange ordnet. Ein Gabelkopf des Scharniers ist metallisch und daher leitfähig. Dieser Gabelkopf ist mit den heißen Abschnitten des Triebwerks verbunden und bildet daher einen Wärmeströ mungsweg von den heißen Abschnitten zu dem Blatt. Dieser Ga belkopf wird jedoch durch die Strömungswegluft gekühlt, wo durch der Wärmeströmungsweg zur Atmosphäre kurzgeschlossen wird. Der andere Gabelkopf besteht aus Verbundmaterialien.

Claims

1. Flugzeugpropellersystem, gekennzeichnet durch:

a) ein verstellbares Propellerblatt (40);
b) einen Rotor, der das Propellerblatt (40) trägt; und
c) eine Stiftverbindung (46) zwischen dem Propellerblatt (40) und dem Rotor.

2. Flugzeug, das Anregungen erzeugt, welche Propellerblätter (40) in einer ersten Schwingungsart anregen, gekennzeichnet durch:

a) eine Einrichtung (43, 44, 46), die eine Verstellung der Blätter (40) gestattet; und
b) eine Einrichtung (47, 48) zum Verhindern von Resonanz der Blätter (40) in der ersten Schwingungsart.

3. Vorrichtung zum Befestigen eines Flugzeugpropellers an ei nem Rotor, gekennzeichnet durch:

a) einen Gabelkopf (43) nahe der Basis des Propellers;
b) einen damit zusammenpassenden Gabelkopf (44) an dem Rotor;
c) einen Stift (46), der in Bohrungen in den Gabelköpfen (43, 44) drehbar lagerbar ist, um die beiden Gabelköpfe (43, 44) miteinander zu verbinden;
d) eine Büchseneinrichtung (47, 48) zum Verringern von Spiel des Stifts (46) in den Bohrungen.

4. Vorrichtung zum Befestigen eines Flugzeugpropellers an ei nem Rotor, gekennzeichnet durch:

a) einen metallischen Gabelkopf (44), der an dem Rotor be festigt und um eine Blattverstellachse (29) drehbar ist;
b) einen zweiten Gabelkopf (43), der im wesentlichen nichtme tallisch ist; und
c) einen Stift (46), welcher den ersten und den zweiten Gabel kopf (43, 44) miteinander verbindet und in dem Strömungs weg des Propellers angeordnet ist.

5. Vortriebssystem, gekennzeichnet durch:

a) ein gepfeiltes Propellerblatt (40);
b) eine metallische Nase (107), welche die Vorderkante des Propellerblattes (40) schützt;
c) einen Blattgabelkopf (43), der an dem Propellerblatt (40) befestigt ist;
d) einen Plattformgabelkopf (44), der
- i) mit einem Rotor verbunden ist,
- ii) um eine Blattverstellachse (29) drehbar ist, und
- iii) einen leitfähigen Weg von einem Gebiet an der Nase (107) zu dem Flugzeug bildet;
e) einen Stift (46) zum Verbinden des Blattgabelkopfes (43) mit dem Plattformgabelkopf (44), der eine Bewegung des Blattgabelkopfes (43) in bezug auf den Plattformgabelkopf (44) gestattet; und
f) eine Büchse (47, 48), welche den Stift (46) umgibt, um die Ausrichtung des Stifts (46) innerhalb der Bohrungen der Gabelköpfe (43, 44) aufrechtzuerhalten.

6. Vortriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (48) nach Abschnitt f) ein elastisches Materi al aufweist, welches sich einer Drehung des Blattgabelkopfes (43) in bezug auf den Plattformgabelkopf (44) widersetzt.

7. Flugzeugpropeller, gekennzeichnet durch:

a) Propellerblätter (40), die
- i) an einem Rotor befestigt sind,
- ii) sich um eine Drehachse (66) drehen, und
- iii) sich um eine Blattverstellachse (29) drehen; und
b) eine Scharnierbefestigung (43, 44, 46) jedes Blattes (40) an dem Rotor, welche die effektive Steifigkeit jedes Blat tes (40) reduziert.

8. Flugzeugvortriebssystem, welches Vortriebsblätter (40) auf weist, die sich um eine Drehachse (66) drehen, gekennzeichnet durch:

a) ein Scharnier (43, 44, 46) zum Befestigen jedes Blattes (40) an einem Rotor, das in dem Vortriebsströmungsweg an geordnet ist und einen Scharnierstift (46) aufweist, der zu der Drehachse (66) nichtparallel ist.

9. Flugzeugvortriebssystem, gekennzeichnet durch:

a) ein Propellerblatt (40), das einen Blattgabelkopf (44) hat, welcher nahe der Wurzel (67) des Blattes (40) be festigt ist;
b) eine Schaufelplattform (42), die um eine Blattverstellach se (29) drehbar ist und ein radial inneres Gebiet des Propellerströmungsweges festlegt;
c) einen Plattformgabelkopf (44), der an der Plattform (42) befestigt und in dem Propellerströmungsweg angeordnet ist; und
d) eine Einrichtung (46) zum Befestigen des Blattgabelkopfes (43) an dem Plattformgabelkopf (44), um eine Scharnierver bindung zu bilden.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung nach Abschnitt d) ein Stift (46) ist und daß

e) eine Büchseneinrichtung (47, 48) dem Stift (46) zugeord net ist, um ein Schrägstellen des Blattgabelkopfes (43) in bezug auf den Plattformgabelkopf (44) zu verhindern.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung nach Abschnitt d) einen Stift (46) aufweist und

e) daß eine elastomere Büchse (47, 48) vorgesehen ist, um ein Schrägstellen des Blattgabelkopfes (43) in bezug auf den Plattformgabelkopf (44) zu verhindern; und
f) eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen der elastome ren Büchse (48) an dem Stift (46) und entweder an dem Blattgabelkopf (43) oder an dem Plattformgabelkopf (44), so daß sich die elastomere Büchse (48) während der Bie gung der Scharnierverbindung verformt und eine Rückstell kraft ausübt, die bestrebt ist, die Biegung zu reduzie ren.

12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Scharnierverbindung so ausgebildet ist, daß sich das Propellerblatt (40) durch mehr als eine Radialebene bewegt, wenn sich die Scharnierverbindung biegt.

13. Propellerblattsystem, gekennzeichnet durch:

a) eine Blattplattform (42), die um eine Blattverstellachse (29) drehbar ist;
b) einen leitfähigen Gabelkopf (44), der an der Blattplatt form (42) befestigt ist;
c) einen nichtleitfähigen Gabelkopf (43), der mit dem leit fähigen Gabelkopf (44) zusammenpaßt, um eine Gelenkver bindung zu bilden;
d) ein Propellerblatt (40), das an dem nichtleitfähigen Gabel kopf (43) befestigt ist; und
e) einen Leiter (109), der sich von dem leitfähigen Gabelkopf (44) aus über einen wesentlichen Teil des Propellerblattes (40) erstreckt.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Weg nach Abschnitt e) aufweist:

i) eine metallische Schutznase (107), die sich längs der Vorderkante des Propellerblattes (40) erstreckt; und
ii) einen biegsamen Leiter (109), der sich von der Na se (107) aus zu dem leitfähigen Gabelkopf (44) er streckt und einen leitfähigen Weg zwischen der Nase (107) und dem leitfähigen Gabelkopf (44) während der Biegung der Gelenkverbindung nach Abschnitt c) auf rechterhält.

15. System nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch:

f) eine Einrichtung zum Ableiten von elektrischer Ladung von dem leitfähigen Gabelkopf (44) zu einem Flugzeug, an wel chem das Propellerblattsystem befestigt ist.

16. Flugzeugvortriebssystem mit einem nichtleitfähigen Pro pellerblatt (40), gekennzeichnet durch:

a) eine Schutzeinrichtung (107), die sich längs der Vorder kante des Propellerblattes (40) erstreckt und
- i) ein Material aufweist, welches einer Beschädigung durch Zusammenprall mit Vögeln weniger ausgesetzt ist als das Material, aus dem das übrige Propel lerblatt (40) besteht; und
- ii) elektrische Ladung, die während eines Blitzschlags empfangen wird, zu einem Gebiet nahe dem Fuß des Propellerblattes (40) leitet; und
b) eine Ladungsableiteinrichtung, welche die elektrische La dung von dem Fuß des Propellerblattes (40) aus auf Stellen an dem Flugzeug verteilt, von denen aus die Ladung vom freien Luftstrom mit fortgenommen werden kann.

17. Flugzeugpropeller, gekennzeichnet durch:

a) verstellbare Propellerblätter (40); und
b) eine Einrichtung (46, 47, 48), um Schwingungen der Blätter (40) in der ersten Biegeschwingungsart während des Pro pellerbetriebes zwischen Leerlauf- und Startdrehzahl im wesentlichen zu eliminieren.

18. Flugzeugpropeller, gekennzeichnet durch:

a) verstellbare Propellerblätter (40), die jeweils eine erste Biegeschwingungsart haben; und
b) eine Einrichtung (43, 44, 46, 47, 48), welche die Blätter (40) an Resonanz in der ersten Biegeschwingungsart hin dert, wenn der Propeller zwischen Leerlauf- und Start drehzahl arbeitet.

19. Flugzeugpropeller, gekennzeichnet durch:

a) verstellbare Propellerblätter (40), die jeweils wenigstens eine Schwingungsfrequenz haben, bei der Blattermüdung auf treten kann, wenn das Blatt (40) mit dieser Frequenz an geregt wird; und
b) eine Einrichtung (43, 44, 46, 47, 48) zum Verhindern der Anregung der Blätter (40) mit dieser Frequenz, wenn der Propeller zwischen Leerlauf- und Startdrehzahl arbeitet.

20. Flugzeugpropellersystem, gekennzeichnet durch:

a) Propellerblätter (40), die Schwingungsanregungen vom 2- pro-Umdrehung-Typ während einiger Phasen des Flugzeugbe triebes ausgesetzt sind; und
b) eine Einrichtung (43, 44, 46, 47, 48), welche verhindert, daß die Anregungen die Blätter (40) beschädigen, wenn der Propeller zwischen Leerlauf- und Startdrehzahl arbeitet.

21. Flugzeug, das Anregungen erzeugt, welche Propellerblätter (40) in einer ersten Biegeschwingungsart anregen, gekennzeich net durch:

a) eine Einrichtung, welche die Verstellung der Blätter (40) gestattet; und
b) eine Einrichtung (43, 44, 46, 47, 48), welche Resonanz der Blätter (40) in der ersten Biegeschwingungsart verhindert.

22. Flugzeugpropellerblatt, welches aus Verbundmaterialien aufgebaut ist, gekennzeichnet durch:

a) mehrere Fasern in einer Matrix, die einen an dem Blatt (40) befestigten Gabelkopf (43) bilden.