DE4134062A1 - Luftschraube mit tandemprofil und stroemungskanal - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftschraube, bei der durch eine tandemartige Profilierung mit radia­ lem Strömungskanal ein verbesserter Wirkungsgrad er­ reicht wird.

Luftschrauben haben den Zweck die Drehkraft des Motors in einem Luftfahrzeug in Zug oder Schub umzusetzen. Dies geschieht, indem einer oder mehrere Tragflügel um eine gemeinsame Achse gedreht werden und entsprechend den Erklärungen der Tragflügeltheorie einen relativ konstanten Auftrieb liefern.

Wie groß der erzielt Gesamtauftrieb ist, hängt zum einen von der Drehzahl der Luftschraube, ihrem Durch­ messer und der Anströmgeschwindigkeit ab, zum anderen vom Wirkungsgrad der Luftschraubenblätter, der sich mit zunehmender Anzahl verschlechtert.

Bezogen auf die vom Motor auf die Luftschraube und von der Luftschraube auf das Flugzeug übertragene Leistung können 80% als ein Optimum angesetzt werden. Dieses Verhältnis verschlechtert sich aber, wenn bezogen auf die Motorleistung nur ein relativ geringer Durchmesser praktisch zur Verfügung steht und ein drei- oder vier­ blättriger Propeller gewählt werden muß.

Darüber hinaus ist mit einem Mehrblattpropeller eine er­ heblich wirksamere äquivalente Bremsfläche vorhanden, die im Falle einer Zuganordnung bei geringen Drehzahlen destabilisierend wirkt.

Es sind verschiedene Versuche bekannt, mittels ver­ schiedener Blattumrisse den Wirkungsgrad des Zweiblatt­ propellers zu verbessern. Diese Maßnahmen zielen letzt­ lich auf eine Verbesserung der Auftriebsverteilung über die Blattspannweite.

Weiterhin sind Versuche bekannt, durch optimale Doppel­ deckeranordnungen oder Schlitzungen von Zweiblattpro­ pellern einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen. Es zeigte sich jedoch, daß die damit verbundenen Schwin­ gungs- und Fertigungsprobleme den Propeller unwirt­ schaftlich machen.

Es ist somit nach dem Stand der Technik kein Zweiblatt­ propeller bekannt, der einen drei- oder Vierblattpro­ peller bei gleichem Durchmesser, gleicher Drehzahl und Leistungsaufnahme ersetzen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftschraube mit verbessertem Wirkungsgrad zu erzeugen, die als Zwei­ blattluftschraube technisch leicht beherrscht werden kann und unter gleichen Voraussetzungen annähernd die Leistung einer Vierblattluftschraube erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch eine planare Tandemprofilierung mit Strömungsablauf für eine Zweiblattluftschraube gelöst.

Bekanntlich ist die Druckverteilung an einem konventio­ nellen Profil bezogen auf die Oberseite durch eine Saugspitze mit nachfolgend rasch ansteigendem Druckan­ stieg gekennzeichnet. Der Druckanstieg entspricht dabei einer Strömungsverlangsamung, die bei größeren An­ stellwinkeln schließlich zur Ablösung mit erheblicher Widerstandszunahme führt.

Den Anstellwinkeln einer konventionell profilierten Luftschraube sind daher unter Einbeziehung des Motor­ drehmoments sehr enge Grenzen gesetzt.

Wünschenswert wäre ein geminderter Druckanstieg auf der Oberseite des Profils, um zu einer fülligeren Druckver­ teilung zu gelangen. Dieser läßt sich bei einem Flug­ zeugflügel durch intensives Absaugen der "erlahmenden" Grenzschicht erreichen, womit energiereichere Strömung an das Profil herangeführt wird. Allerdings steht der Aufwand an Absaugung in einem sehr ungünstigen Verhält­ nis zum Gewinn an Auftrieb.

Bei rotierenden Flügeln kann nun eine Absaugung durch Abfluß nach außen ersetzt werden. Dies gelingt prinzi­ piell, indem an geeigneter Stelle der Oberseite des Profils eine Sicke vorgesehen wird, in der weitgehend unbeeinflußt von der Profilumströmung Luft durch Zen­ trifugalkräfte nach außen bewegt wird. Eine Auffüllung findet dann kontinuierlich durch die nächstgelegene Strömungsschicht - die anliegende Grenzschicht - statt.

Dieser kontinuierliche Prozeß erreicht in Anbetracht des möglichen geringen Sickenquerschnitts jedoch keine erheblich leistungssteigernde Größenordnung, wenn man von Sonderflügeln wie Boomerangs einmal absieht.

Anders liegen jedoch die Verhältnisse, wenn erfindungs­ gemäß ein zweites Profil an das Flügelprofil angekop­ pelt wird. Man erhält dann zunächst ein Tandemprofil, das sich dadurch auszeichnet, daß seine Skelettlinie zumindest zwei Wendepunkte enthält.

Man kann sich ein solches Profil aus einem S-Schlag- Profil entstanden denken, bei dem die hochgezogene Hin­ terkante in ein weiteres Profil einmündet. Es entsteht dann ein Tandemprofil in einer Ebene, wobei die Größen­ verhältnisse der Profile sowie der Einstellwinkel je nach Anforderung variiert werden können.

Ordnet man einen mit Tandemprofil ausgestatteten Flügel eine Drehachse wie bei einer Luftschraube zu, so erhält der Profilbereich zwischen den maximalen Profildicken zusätzlich die Funktion eines radial gelegenen Abfluß­ kanals für energiearme Strömungsschichten am Profil. Die energiearmen Strömungsschichten ergänzen kontinuierlich die zentrifugal herausgeschleuderte Luftmenge des Ab­ flußkanals und lassen so energiereichere Strömung an die Profilkontur heranreichen.

Damit ist aber die Voraussetzung gegeben, daß die Pro­ filströmung nicht nur einen abgeschwächten Druckanstieg für das vorgesetzte Profil zeigt, sondern auch noch in der Lage ist, eine zweite - schwächere - Saugspitze für das nachgeordnete Profil zu erzeugen.

Insgesamt ergibt sich damit bezogen auf die gleiche Blattoberfläche ein deutliche Verbesserung des Wir­ kungsgrades, wenn mit dieser Profilausformung nicht gleichzeitig auch ein erhöhter Widerstand verbunden ist.

Für einen vergleichsweise geringen Widerstand von tan­ demartig angeordneten Profilen sprechen Windkanalversu­ che mit KFZ, bei denen nach der Motorhaube - auf die Fahrzeughöhe bezogen - eine Einschnürung vorgegeben wurde, so daß in Verbindung mit dem Passagierraum in der Seitenansicht ein tandemartiger Oberflächenverlauf ent­ steht. Die Cw-Werte sind deutlich geringer als für ein optimiertes KFZ ohne Einschnürung.

Praxisversuche mit einem Zweiblatt-Tandempropeller in erfindungsgemäßer Konfiguration zeigten, daß bei glei­ cher Leistungsaufnahme - 50 kW -, gleicher Drehzahl und gleichem Durchmesser - 1600 mm - 10% mehr Standschub erreicht wurde, als mit einem sehr guten, üblichen Vierblattpropeller mit fix einstellbaren Blättern.

Im Fluge zeigte sich, daß der Tandempropeller über den gesamten Geschwindigkeitsbereich seine Standschubdreh­ zahl beibehielt, also weder im Steigflug abfiel noch im Schnellflug höher drehte. Hingegen konnte der Ver­ gleichs-Vierblattpropeller entweder nur für Standschub oder nur für Schnellflug optimiert werden.

Die technische Ausführung des erfindungsgemäßen Tandem­ propellers stößt im Gegensatz zu nichtplanaren Tandem- Propellern auf keine besonderen Schwierigkeiten und ist mit der heutigen Technologie ohne weiteres beherrsch­ bar. Er kann in Holz, Metall und Kunststoff ausgeführt werden, wobei einem weiter hinten liegenden Druckmittel - Torsion - im Nabenbereich Rechnung getragen werden muß.

Einen besonders günstigen Anwendungsbereich kann der erfindungsgemäße Tandempropeller vor allen Dingen dort finden, wo ohne größere Maßnahmen für bereits existie­ rende Flugzeuge bei gleichbleibender Leistung die Lärm­ emission deutlich reduziert werden soll. Dies gelingt mit dem Tandempropeller hohen Wirkungsgrades durch eine einfache Verringerung der Motordrehzahl, was wiederum die Blattspitzengeschwindigkeit als eine der Hauptursa­ chen von Lärm reduziert.

Soll aus antriebstechnischen Gründen die Drehzahl bei­ behalten werden, so kommt ohne Nachteile auch eine Veringerung des Propellerdurchmessers mit gleichem Ef­ fekt in Frage.

Die tandemprofilierte Luftschraube ist nicht auf zug- oder schuberzeugende Drehflügel beschränkt, sondern kann auch als Rotor im Sinne der Erfindung eingesetzt werden - selbstbremsender Schnelläufer mit hohem Wir­ kungsgrad.

Im folgenden soll die Erfindung mit weiteren Ausführun­ gen anhand von Prinzipzeichnungen beschrieben werden.

Fig. (I) zeigt die Bestandteile einer erfindungsgemä­ ßen, planaren Tandemprofilierung in der Übersicht.

Sowohl das vorgeordnete Profil (1) als auch das nachge­ ordnete Profil (2) können unterschiedliche Anteile an der Gesamtprofiltiefe haben.

Die Fig. (I) zeigt eine der möglichen erfindungsge­ mäßen Ausführungen. Ebenfalls können die Profilhöhen so variieren, daß sowohl das vorgeordnete als auch das nachgeordnete Profil die größte Gesamtprofildicke aufweisen.

Der Einstellwinkel der Profile (1, 2) zueinander (3) kann je nach Anforderung positiv oder negativ sein und ist damit im Sinne der Erfindung.

Der Abflußkanal (4) kann nicht nur den durch die Pro­ filkopplung sich ergebenden Querschnitt aufweisen, son­ dern kann auch für bestimmte Anforderungen kanalbe­ grenzende Elemente wie in Fig. (II) als "Zaun" darge­ stellt aufweisen, um im Sinne der Erfindung zu sein.

Die Mündung des Abflußkanals kann sowohl im Spitzenbe­ reich des Propellers erfolgen als auch im Bereich des Wirbelschleppenabgangs, Fig. (III), und ist damit im Sinne der Erfindung.

Fig. (III) zeigt dabei eine Anordnung im Spitzenbereich mit vorgelagertem Profilbereich, Fig. (IV) eine Anordnung mit nachgelagertem Profilbereich.

Die Tandemanordnung ist nicht auf Blätter mit gerader Druckmittellinie beschränkt, sondern wird erfindungsge­ mäß auch an gepfeilten oder säbelartig gekrümmten Blät­ tern ausgeführt, Fig. (V).

Claims (5)

1. Luftschraube mit Tandemprofil und Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilierung des Luftschraubenblattes zwei hintereinander angeordnete Profile (1, 2) in der Blattebene zeigt, zwischen denen ein Strömungskanal (4, II) ausgeformt ist,
wobei die Einzelprofile und der Abflußkanal unterschiedliche Anteile an der Gesamtprofiltiefe aufweisen und sowohl positiv als auch negativ zueinander eingestellt (3) sein können.

2. Luftschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Abflußkanals im Spitzenbereich der Luft­ schraube liegt, wobei sowohl das vordere als auch das hintere Profil den größten Luftschraubenradius erzielen kann.

3. Luftschraube nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Abflußkanals im Bereich der Hinterkante des Propellerblattes liegt.

4. Luftschraube nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftschraube gekrümmt ausgeführt wird.

5. Luftschraube nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abflußkanal insbesondere mit Leitvorrichtungen (4) ausgeformt oder versehen ist.