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Luftschraube aus Metall. Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige
Luftschraube aus Metall. Um die folgenden Ausführungen leichter verständlich zu
machen, hat der Erfi:ider die Ausdrücke »statische Starrheit;< und »dvnamische
Starrheit« eingeführt: LTnter »statischer Starrheit« soll die Widerstandsfähigkeit
verstanden sein, welche sich ohne weiteres aus dem Aufbaustoff und der Bauart der
Schraube ergibt. Unter »dynamischer Starrheit« werden die zusätzlichen Widerstandskräfte
verstanden, welche die Fliehkraft der Schraube bei raschem Umlauf verleiht.
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Die Nutzarbeit einer Luftschraube wird hauptsächlich von den rascher
bewegten Teilen des Flügels geleistet, an den Stellen, wo die Flügelquerschnitte
mit einer Geschwindigkeit von 150 m bis 270 m in der Sekunde
kreisen, wobei es wünschenswert ist, noch höhere Umfangsgeschwindigkeiten zu erzielen.
Der Erlinder hat durch eingehende Versuche gefunden, daß bei diesen Geschwindigkeiten
dünne scharfe Schraubenflügel ausgesprochen vorteilhaft wirken bei der Leistung
von Nutzarbeit in der Form von Achsialdruck oder Zug auf die Krafteinheit. Schraubenflügel,
«-elche in ihren äußeren Teilen dünn und scharf ausgebildet sind, können an diesen
Stellen konstruktiv nicht starr gegen Biegungsbeanspruchungen gemacht werden, jedoch
wurde ' gefunden, daß unter gewissen Voraussetzungen die fehlende innere Starrheit
ersetzt werden kann durch ausgiebige Heranziehung der Fliehkraft, -welche den fehlenden
Betrag an Starrheit liefert. Diese Voraussetzungen können in ausreichender und praktisch
brauchbarer Weise dadurch erzielt werden, daß man die Schraube aus einem Stoff von
der Widerstandsfähgkeit und Elastizität des Metalls aufbaut, wobei die Flügel in
der Nachbarschaft des Drehungsmittelpunkts verhältnismäßig starr ausgebildet sind
und in ihrer Dicke nach den Enden zu in einer Weise verschwächt werden, daß eine
bisher nicht übliche Verdünnung entsteht, die aber trotzdem den nötigen Verdrehungswiderstand
bietet, um die Flügelneigung aufrechtzuerhalten.
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Es sind zwar früher- Versuche gemacht -worden, Luftschrauben aus Metall
herzustellen, jedoch meistens nicht mit der Absicht, geringere Flügeldicken zu erhalten,
als bei
Holzschrauben üblich; man verfolgte vielmehr ausschließlich
den Zweck, die größere Haltbarkeit des Metalls gegenüber dem Holz auszunutzen. Diese
Versuche konnten infolge des hohen Gewichts der Schraube nicht zu praktischen Ergebnissen
führen.
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Man kannte bisher zwei große Gruppen von Antriebsschrauben für Luftfahrzeuge,
nämlich einmal starre Schrauben und zum anderen unstarre Schrauben.
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Für die erste der genannten Gruppen ist der Hauptrepräsentant die
allbekannt hölzerne Schraube. Bekanntlich beherrscht diese Gattung von Schrauben
fast ausschließlich das gesamte Gebiet der Luftfahrt, weil die große Leichtigkeit
der Holzschraube sie bisher unentbehrlich machte. Die Fachwelt war sich aber darüber
klar, daß trotz dieses Vorzugs dem Holz als Aufbaustoff für Luftschrauben sehr erhebliche
Mängel anhaften, die alle beseitigt werden könnten, wenn es gelänge, eine Schraube
von gleicher oder überlegener Brauchbarkeit aus Metall anzufertigen. So hat es auch
an `'ersuchen zur Ausbildung von 2 etallschrauben nicht gefehlt; eine dauernde
Anwendung haben sie aber nicht finden können. Dies liegt einzig und allein an dein
hohen Gewicht des :Metalls, durch welches bewirkt wurde, daß die errechnete statische
Starrheit des Gebildes diesem nicht gegeben werden konnte, ohne sein Gewicht über
die zulässigen Grenzen zu erhöhen.
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Diese Erwägung führte zu der Schaffung der zweiten großen Luftschraubengruppe,
nämlich den unstarren Schrauben. Man fand in 'der leim raschen Umlauf der Schraube
auftretenden Fliehkraft eine Quelle, aus welcher die erforderliche Starrheit der
Schraube statt auf statischem Wege auf dynamischem gedeckt werden konnte. Es ist
aber allgemein bekannt, daß derartige Schrauben zum normalen Betrieb eines Flugzeugs
nicht geeignet sind. Sie haben in der Ruhe nicht die Gestalt und die Stellung, deren
sie beim Umlauf bedürfen, um das Luftfahrzeug vorzutreiben. Sie sind in der Ruhe
schlaff und müssen durch die Fliehkraft erst gespannt werden. Kennzeichnend für
derartige Schrauben sind zwei Konstruktionselemente, nämlich einmal die gelenkige
Verbindung zwischen Nahe und Flügel und zum anderen die Schwunggewichte, die mit
den Flügeln verbunden sein müssen, um ihre Spannung zu erzielen. Der Erfindungsgegenstand
gehört weder in die eine noch in die andere Kategorie, stellt vielmehr eine vollkommen
neue Klasse für sich dar.
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Die neue Luftschraube ist die erste vollständig aus Metall hergestellte
Schraube von einfacher Anordnung, die allen Anforderungen des Flugzeugbetriebes
durchaus entspricht. Es ist bei dieser Schraube gelungen, die Schwierigkeit des
hohen Metallgewichts in der Weise zu überwinden, daß trotz einwandfreier Wirkung
bei allen üblichen und auch bei darüber hinausgehenden Umlaufgeschwindigkeiten die
gesamte Schraube nicht mehr wiegt als eine für die gleichen Kräfteverhältnisse bestimmte
Holzschraube.
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Ihrer Art nach steht die neue Schraube zwischen der starren und der
unstarren Schraube.. Sie besitzt so viel innere statische Starrheit, daß sie auch
in der Ruhe ihre Form hält, jedoch ist sie von so geringer Dicke ausgebildet, daß
zur überwindung der Widerstände beim Umlauf die statische Starrheit nicht ausreicht,
sondern vielmehr zu einem wesentlichen Teil durch die von der Schleu-,lerkraft leerrührende
dynamische Starrheit ergänzt werden muß. Die Schraube ist so berechnet, daß sich
zu dem verhältnismäßig geringen Betrag der konstanten statischen Starrheit jeweils
ein variabler Wert an dynamischer Starrheit hinzuzählt, der, weil von der Fliehkraft
abhängig, proportional den. wachsenden Umlaufwiderständen wächst. :Ulan hat zwar
schon vorgeschlagen, die Schleuderkraft zurEntlastung desFlügels von einem Teil
der auftretenden Beanspruchungen 4n der Weise heranzuziehen, daß man die Flügel
in der Flugrichtung nach vorn neigt, jedoch nur zum Ausgleich der auf die Flügelfüße
wirkenden Biegungsmomente bzw. zur Verringerung der Blattbreite, nicht aber zur
Erzielung einer geringeren Flügeldicke und zur Ermöglichung einer außergewöhnlichen
Frofilzuschärfung wie beimErfindungsgegenstand. Besonders vorteilhaft ist bei letzterem
die Anordnung, daß man jeden Flügel aus zwei Teilen zusammensetzt, die allerdings
ein einheitliches Stück bilden, und von denen der eine von praktisch vollständiger
statischer Starrheit in der Nachbarschaft der Nabe, der andere an der Spitze liegende
elastisch -ist.
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Vorzugsweise bildet man die Schraube so aus, daß jeder Flügel sich
von seinem starren Fußteil bis zu seiner elastischen Spitze stetig verjüngt.
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Diese glückliche Lösung der bisher nie gelösten Aufgabe der wirksamen
Verwendung metallener Luftschrauben bietet zahlreiche vorteilhafte Möglichkeiten
des Aufbaues, so die aus fabrikatorischen Gründen höchst wichtige Möglichkeit, die
gesamte Schraube aus Blech zu walzen oder zu pressen. Bei gewissen Ausführungsformen
entfällt dadurch die Notwendigkeit der Anordnung einer schweren Nabe und der Befestigung
der Flügel in dieser Nabe. Bei der zweiflügeligen Anordnung und infolgedessen auch
beiden zusammengesetzten Mehrflügelanordnungen wird jeder Schraubenflügel über den
gemeinsamen Nabenteil
liin weggeführt, so daß die eintretende Kante
des einen Flügels in die austretende Kante des gegenüberstehenden Flügels übergeht.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt; es zeigen AM. i eine zweiflügelige Luftschraube in Verbindung
mit der Schraubenwelle von der Seite, Abb.2 eine Ansicht von oben, Abb. 3 den Nabenteil
der Schraube in schaubildlicher Darstellung, Ahb. .t. eine Ausführungsform mit vier
Schraubenflügeln, Abt). 5 eine etwas abweichende N alienanordnung.
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Bei der Ausfuhrtlngsforin nach Abt). 1 bis 3 bestehen die beiden
Schraubenflügel i und 2 aus einem Stück, indem sie durch einen mittleren Verbindungsteil
3 verbunden sind. Dieser besitzt eine mittlere Bohrung d. zur Aufnahme der Antriebswelle
5, welche durch einen Motor 6 von üblicher Anordnung angetrieben werden kann.
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Der mittlere Verbindungsteil 3 kann an sich ohne besondere Nabe ver-,vendet
werden, er kann aber auch mit den üblichen röhrenförmigen Metallbuchsen zusammenwirken,
wie sie bei hölzernen Luftschrauben verwendet tverden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel
«-erden zwei Spannscheiben 7 und 8 verwendet, deren jede eine Bohrung für die Welle
5 mit Keilnuten 9 besitzt, in welche die Keile io eingreifen können. Auch der Nabenteil
der Schraube besitzt Keilnute-i i i für den Durchtritt der Keile io.
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Uni den Schraubenflügeln i und 2 die nötige Verwindung in der Nähe
ihres inneren Endes zu geben, wird der Mittelteil 3 bei 12 so gebogen, daß eine
geometrische doppelte Biegung von solcher Form und Art entsteht, daß jeder Schraubenflügel
den nötigen Neigungswinkel am inneren Ende erhält. Hierdurch wird erreicht, daß
die bei jedem Flügelpaar eintretende Kante des einen Flügels in die austretende
Kante des andere-i Flügels übergeht.
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Es ergibt sich ohne weiteres, daß diese doppelte geometrische Biegung
gleichwertig der üblichen Verwindung ist. Die Abb. i zeigt, (laß die Schraubenflügel
von einem masiinalen Steigungswinkel nahe dein Mittelteil bis zu einem minianalen
Winkel nahe der Spitze verwunden sind, wodurch die l'ei Flugschrauben übliche und
nötige Verwinrlung erzielt wird. Diese doppelte Biegung besteht bei jedem Schraubenflügel
aus einer ersten Biegung nahe dem Mittelpunkt der Schraube, entsprechend einer Verwindung
in der einen Richtung; etwa einer Linksverwindung, woraus sich ein Höchstwert für
.den Steigungswinkel an dein Nabenteil jedes Flügels ergibt; es folgt eine zweite
Biegung, entsprechend einer Verwindung jedes Flügels in der entgegengesetzten Richtung,
also eine Rechtsverwindung, zu dem Zweck, den Steigungswinkel jedes Flügels von
einem Höchstwert an dem N abenteil bis zu einem Geringstwert an der Spitze zu verringern,
wodurch die bei Schraubenflügeln übliche schraubenförmige Verwindung entsteht. Die
Herstellung der gesamten Schraube aus einem dünnen Metallwerkstück ergibt also die
Möglichkeit, die erforderliche Flügelverwindung durch Biegen herzustellen. Hierdurch
entsteht aus einem ini wesentlichen flachen Werkstück ein Schraubenflügel mit gewölbten
Oberflächen unter nachträglicher Herstellung der Verwindung durch Biegung.
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Die Auflagerflächen 13 und 14 der Spannscheiben 7 und 8 sind entsprechend
der Verwindung der Schraube an beiderseits des \abenteils einander gegenüberstehenden
Seiten geformt, so daß . sie aufeinanderpassen. Die Spannscheiben besitzen Bohrungen
15, 16, die Löchern 17 im Nabenteil 3 entsprechen. Sie nehmen Bolzen 18 auf, durch
welche die Teile miteinander verspannt werden, wie in Bild i gezeigt. Die Scheiben
; und 8 dienen somit dazu, die doppelt gebogene Schraube zu halten und in der ihr
eigentümlichen Form festzuhalten, so daß der Neigungswinkel der Flügel sicher aufrechterhalten
wird.
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Die Dicke der Schraubenflügel nimmt von dem mittleren Nabenteil nach
den Spitzen hin progressiv ab; ihre Rückseiten sind bei i9 abgeflacht, während ihre
Vorderseiten bei 2o aufgewölbt sind, bei 21 beginnt eine erhebliche Zuschärfung.
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In Abb. 4 ist eine abgeänderte Form gezeigt, bei welcher die Schraube
vier Flügel 22, 23, 2.1 und 25 umfaßt, die voneinander gleichen Abstand haben und
aus einem geineinsamen Stück bestehen. Die Spannscheiben 33 sind etwas breiter als
bei der anderen Form und sind mit der Welle 28 verkeilt. Sie sind miteinander und
mit dem Nabenteil der Schraube durch Bolzen 27 verspannt. Jeder Schraubenflügel
ist in der Nähe des Nabenendes durch zwei schräggerichtete Knicke 30, 31 zti dem
richtigen 'Neigungswinkel gebogen. Der Nabenteil selbst verbleibt eben. Die Auflagerflächen
der Spannscheiben sind entsprechend geformt, um sich der gebogenen Form der Schraubenflügel
anzupassen.
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Es ist nicht unbedingt nötig, daß die Schraubenflügel aus einem Stück
gearbeitet sind, sie können auch, wie in Abb. 5 gezeigt, einzeln in eine Nabe eingesetzt
werden. Es ist Hort eine Nabe gezeigt, in die jeder Schraubenflügel in üblicher
Weise unter dem erforderlichen Neigungswinkel eingesetzt ist. Je-
<loch
ist die Ausführungsform gemäß Abb. r i)is .1 vorzuziehen.
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In dieser Ausführungsform sind die Schraubenflügel unabhängig von
einer Nabe vereinigt, und die Spannvorrichtung dient hauptsächlich dazu, die Verdrehungsbeanspruchungen
zu übertragen, jedoch bewirkt. die genaue Anlage der geformten Eingriffsflächen
der Spannscheiben eine Stützung der Biegungsstellen der Schraubenflügel. Diese S,tützung
der Biegungsstellen ist aber nicht unbedingt nötig, weil sich erwiesen hat, daß
die Schraubenflügel auch ohne diese Anordnung ihre_Forin und Biegung behalten.
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Die Dünnheit der Schraubenflügel bildet einen Vorteil gegenüber von
Schrauben von konstruktiv starrer _ltisbildung, auch beziiglich der Möglichkeit,
sie zu mehrflügeligen Schrauben zu vereinigen, entweder radial nebeneinander oder
hintereinander auf der gleichen Welle. So können zwei zweiflügelige Schrauben über
Kreuz gestellt dicht hintereinander auf der gleichen Welle angeordnet sein, oder
es können auch drei oder mehr solche Schrauben in ähnlicher Weise vereinigt sein.
Man kann auch mehrere Schrauben hintereinander anordnen, ohne so viel Raum dafür-
zu beanspruchen wie für ähnliche Anordnungen mit Schrauben von konstruktiver Starrheit.
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Die Schraubenflügel werden vorzugsweise s Metall oder aus Legierungen
o: dgl. hergestellt, und die verwendeten Stoffe können biegsam, geschmeidig und
schmiedebar sein. Die wesentlichste Erfordernis besteht darin, ,läß sie sich zur
Herstellung so dünner Schraubenflügel eignen und in diesem Zustand die geforderten
Eigenschaften aufweisen. Es wurden derartige Schrauben aus Blech und aus Aluminium
oder Duralumin hergestellt, wobei in manchen Fällen der dickste Teil des Flügels
in der Nähe der Welle 5/$ Zoll betrug und nach der Spitze bis etwa i-lo Zoll verjüngte,
bei einer Länge von etwa ioo Zoll von der Spitze des einen Flügels bis zur Spitze
des anderen. Mit einer derartigen, Sehraube konnte ein normales Flugzeug getrieben
werden. Zum Zweck einer besonders raschen und billigen Herstellung kann man die
vollständig fertige Form aus Blech pressen.
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Es ist noch besonders darauf hinzuweisen., daß der breiteste Teil
des Schraubenflügels an der Nabe liegt und daß eine Verstärkung der Breite nach
außen an keiner Stelle stattfindet. Der sonst übliche verjüngte Hals des Schraubenflügels
fehlt also. Es hat sich herausgestellt, claß durch die Vermeidung der Einschnürung
in der Nähe der Achse die 9t'-schütterungen und Schwingungen der Schraubenflügel
wesentlich gemildert werden.
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Bei geringen Umlaufgeschwindigkeiten sind die deformierenden Widerstandskräfte
gering und ebenso die Fliehkraft; die Schraubenflügel sind so berechnet, daß bei
jeder Geschwindigkeit die auftretende Fliehkraft die konstruktive. Starrheit des
Flügels in dem Maß verstärkt, daß die der betreffenden Umlaufgeschwindigkeit eigentümlichen
Beanspruchungen sicher aufgenommen werden.