DE4316712A1 - Selbstregelnde Luftschraube - Google Patents
Selbstregelnde LuftschraubeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Luftschraube gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Eine in der Steigung veränderbare Luftschraube in der be
kannten Ausführungsform, wobei die Luftschraubenblätter mit
dem Blattfuß in der Luftschraubennabe drehbar gelagert sind
und über z. B. mechanische, hydraulische oder elektrische An
triebe in der Steigung verstellt werden können, ermöglicht
es gegenüber starren Luftschrauben trotz unterschiedlicher
Strömungsbedingungen bei z. B. Start und Reiseflug, die Mo
torleistung immer voll auszunutzen und die Drehzahl
konstant zu halten. Zu hohe Drehzahlen können vermieden wer
den, was den Lärmpegel senkt.
Diese Vorteile werden dadurch erkauft, daß solch eine Ver
stelluftschraube gegenüber Starrluftschrauben aufwendiger,
teurer, schwerer und wartungsbedürftiger ist. Außerdem muß
sie für den jeweiligen Betriebszustand richtig eingestellt
werden, was zu Bedienungsfehlern (falsche Steigung) führen
kann.
Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform einer Luft
schraube, deren Blätter keine verdrehbar gelagerten Fußzap
fen haben, wobei aber durch die Sichelform der Blätter über
die Schubkraft eine elastische Verdrehung und somit eine An
passung der Steigung an den jeweiligen Betriebszustand er
reicht werden soll, bereitet die Festigkeits- und Steifig
keits-Auslegung enorme Probleme, da Luftkräfte und Flieh
kräfte infolge der geschwungenen Form zu kompliziert überla
gerten Biege- und Torsionsspannungen in der Blattstruktur
führen.
Ein normales gerade verlaufendes Luftschraubenblatt läßt
sich dagegen leicht berechnen, da die Struktur exakt in
Richtung der Fliehkraft verläuft.
Außerdem gibt es einen prinzipbedingten Nachteil der Sichel
form: Das Blatt kann sich nur dort verdrehen, wo es tor
sionsweich ist, also nur im Bereich der dünnen Blattspitze.
Weiter innen zur Nabe hin hat es einen steifen Querschnitt
und verdreht sich kaum noch. Die Wirkung der automatischen
Steigungsregelung ist also gering.
Dieser Nachteil wird bei einem bekannten Prinzip (nach Pa
tent Nr. 498862 Reichspatent und Nr. 1202649 Dt. Patentamt)
vermieden: In der Nähe des Blattfußes ist eine schräge
Klappachse angebracht, die es ermöglicht, daß sich bei dem
Luftschraubenblatt immer die Gleichgewichtslage aus Schub
kraft und Fliehkraft einstellt, wobei hierdurch infolge der
Schrägstellung der Klappachse gleichzeitig auch die Stei
gung im richtigen Sinne verändert wird, die Drehzahl bleibt
bei allen Fluggeschwindigkeiten konstant, der Motor kann im
mer im optimalen Bereich betrieben werden. Die Struktur des
gerade verlaufenden Luftschraubenblatts läßt sich leicht
auslegen und berechnen.
Bei einer Luftschraube ergibt sich im Stand oder bei langsa
mer Fluggeschwindigkeit als Resultierende aus Fluggeschwin
digkeit und Umfangsgeschwindigkeit ein großer Anstellwinkel
des Profils, der Schub ist dementsprechend groß.
Bei hoher Fluggeschwindigkeit und ähnlicher Umfangsgeschwin
digkeit wird der Profil-Anstellwinkel kleiner, der Schub
ebenfalls. Der Schub am Luftschraubenblatt ist also eine
ideale Größe, die bei unterschiedlichen Betriebszuständen
zur Regelung der Luftschraube herangezogen werden kann.
Infolge der schräggestellten Klappachse bewirkt großer
Schub eine kleine Steigung (=Langsamflug), kleiner Schub da
gegen eine große Steigung (=Schnellflug).
Die Klappachse ist entweder als Scharnier mit Ösen und Zap
fen oder aber als elastisches Metallblech ausgeführt.
Solch eine Luftschraube erfüllt geometrisch die Anforderun
gen an eine steigung-selbstregelnde Luftschraube.
In der Praxis haben sich Luftschrauben mit schräggestellter
Klappachse aber nicht durchgesetzt. Die Hauptursache dafür
ist das mangelhafte Dämpfungsverhalten einer solchen Kon
struktion. Zwar stellt sich das Blatt letztendlich immer in
den Gleichgewichtszustand aus Schubkraft und Fliehkraft
ein, bei jeder Veränderung von Drehzahl oder Fluggeschwin
digkeit jedoch, auch bei Böen, pendelt es erst einmal infol
ge Massenträgheit. Es kommt zu nicht beherrschbaren Schwin
gungen oder gar Flattererscheinungen. Hydraulische oder an
dere zusätzliche Dämpfer, die man zur Dämpfung der Luft
schraube anbrachte, führten wieder zu solch hoher Komplexi
tät der Luftschraube, daß sie gegenüber den am Markt befind
lichen Verstelluftschrauben gewichts- und kostenmäßig kei
ne Vorteile mehr aufweisen konnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Luft
schraube die gewünschte selbständige Anpassung der Stei
gung an den jeweiligen Betriebszustand zu erreichen, ohne
daß man mit aufwendigen schweren Dämpfern das System vor
Schwingungen bewahren muß.
Diese Aufgabe ist gemäß den Kennzeichen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Demnach erschöpft sich die Erfindung weder in einer mecha
nisch aufwendigen drehbaren Zapfenlagerung der Luftschrau
benblätter, die durch Verstellen auf den jeweiligen Betriebs
zustand eingestellt werden müssen, noch in einer Lösung mit
sichelförmigen Blättern, die uneffektiv arbeitet, noch in
einer Anordnung mit schräggestellter Klappachse am Blatt
fuß, wobei durch die erforderlichen zusätzlichen Schwin
gungsdämpfer wiederum Kosten entstehen und das Gewicht
erhöht wird.
Vielmehr wird an einem gerade verlaufenden Luftschrauben
blatt anstelle einer schräggestellten Klappachse eine tor
sionsweiche Zone am Blattfuß als geschichtetem Faserverbund
werkstoff vorgesehen, die gleichzeitig die Fliehkraft auf
nimmt, als schrägstehende Klappachse fungiert und eine hohe
innere Dämpfung besitzt, was durch spezielle Faserausrich
tung, Faserwerkstoffe und einen Stillstand-Konuswinkel be
wirkt wird.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß man mit modernen
Faserverbundwerkstoffen, also z. B. Epoxid- oder Polyester
harzen verstärkt mit Carbon-, Aramid- oder Glasfasern, ela
stische Strukturen herstellen kann, die außerdem hohe Dämp
fungseigenschaften besitzen.
Auch werden moderne Luftschraubenblätter heute sowieso aus
Faserverbundwerkstoffen hergestellt, so daß der vorhandene
Strukturwerkstoff nur in einem bestimmten Bereich für die
Aufgabe der Steigungs-Selbstregelung ausgelegt werden muß.
Eine gewünschte torsionsweiche, aber zugsteife Zone im Be
reich des Blattfußes kann also bei der Herstellung der Luft
schraube in einem Arbeitsgang mit hergestellt werden.
Die mechanischen Eigenschaften eines Faserverbund-Laminats
werden hauptsächlich beeinflußt durch Faserwerkstoff,
Matrixwerkstoff, Faserrichtung und Faseranteil.
Unter den gängigen Verstärkungsfasern haben die Aramidfa
sern (Kevlar) ausgezeichnete Strukturdämpfungseigenschaften
bei sehr hoher Zugfestigkeit. Bauteile, die Schwingungen
dämpfen oder Schall schlucken sollen, wurden erfolgreich mit
Aramidfasern verstärkt, wie z. B. Flugzeug-Fahrwerksschwin
gen oder Motoraufhängungsteile bzw. Getriebegehäuse im KFZ-
Bereich.
Neben dem Fasermaterial kann auch die Faserrichtung und -an
ordnung eine Dämpfung begünstigen: Wenn nämlich die Fasern
in einer Ebene gekreuzt verlaufen wie z. B. bei einem Lein
wandgewebe, dann werden bei einer Belastung der Struktur
die rechteckigen Harz-Zonen zwischen den Fasern zu Paralle
logrammen verformt. Bei einer Zugbelastung z. B. werden die
Harz-Zonen in Zugrichtung gelängt, quer dazu aber auf kürze
re Länge gestaucht. Das Fasergitter wird wie eine Nürnber
ger Schere parallelogrammartig verformt, für die Umformung
der anfänglich rechteckigen Gitterstruktur in eine paralle
logrammförmige Gitterstruktur wird viel Energie benötigt.
Diese hohe innere Reibungsarbeit bewirkt eine gute Struktur
dämpfung.
Schaffung einer Struktur mit diskontinuierlichem Elastizi
tätsmodul durch Einlagern von Schichten mit unterschiedli
cher Steifigkeit (z. B. anderer Faserwerkstoff) oder Eingeben
spezieller Füllstoffe in das Matrixharz sind weitere mögli
che Maßnahmen, um die innere Dämpfung eines Faserverbundbau
teils zu erhöhen.
Ein Konuswinkel im Stillstand kann zusätzlich die Dämpfung
erhöhen: Wenn z. B. bei einem Flugzeugpropeller sich die
Blätter bei Stillstand nicht exakt in der gedachten Propel
lerkreisebene befinden, sondern die Blattspitzen etwas wei
ter hinten liegen wie bei einer Flügelpfeilung, dann biegen
sich bei Betrieb des Propellers die Blätter infolge Flieh
kraft und Schub nach vorn, in Richtung Propellerkreisebene,
oder sogar darüber hinaus noch weiter nach vorn.
Bei einem Propeller mit Stillstand-Konuswinkel wird also
der Verformung, die das Blatt von der Schnellflugstellung
in die Langsamflugstellung nach vorn durchführt, noch eine
zusätzliche Verformung überlagert, nämlich die Verformung
von der Stillstandsstellung zur Schnellflugstellung. Durch
einen Stillstand-Konuswinkel wird die Verformung in der tor
sionsweichen Zone größer und findet auf einem höheren Span
nungsniveau statt, es entsteht infolge Hysterese höhere in
nere Reibungsarbeit, also auch eine bessere Dämpfung.
Bei einem erfindungsgemäßen Luftschraubenblatt wird die tor
sionsweiche, zugsteife Zone vorzugsweise aufgebaut aus ei
nem zentralen Strang aus parallel verlaufenden Fasern in
Blatt-Längsrichtung zur Aufnahme der Fliehkraft und darüber
geschichtetem Laminat mit gekreuzten Aramidfasern zur Dämp
fung. Der Luftschrauben-Querschnitt ist im Bereich der Ver
stellzone so weit eingeschnürt (tailliert), daß eine Verfor
mung durch die Schubkraft möglich ist. Je nach erforderli
cher Dämpfung ist ein Stillstand-Konuswinkel vorgesehen.
Die Verwendung von elastischen Faserverbundwerkstoffen mit
hoher innerer Dämpfung ermöglicht eine kostengünstige,
leichte, dauerhafte und zuverlässige Bauweise einer stei
gungs-selbstregelnden Luftschraube.
Bei Verwendung der selbstregelnden Luftschraube als treiben
der Propeller, z. B. bei einem Flugzeug, kann durch die auto
matische Anpassung die Motorleistung bei allen Geschwindig
keiten voll ausgenutzt werden.
Außerdem lassen sich sehr hohe Drehzahlen vermeiden, die zu
Schallgeschwindigkeit an den Blattspitzen führen und viel
Lärm verursachen würden.
Bei Verwendung der selbstregelnden Luftschraube z. B. in ei
ner Windenergieanlage können durch die automatische Anpas
sung bei Sturm zu hohe Drehzahlen vermieden werden, die zu
Überlastung der Anlage führen könnten.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher
erläutert.
Dazu zeigt die Zeichnung in
Fig. 1 eine Luftschraube mit Luftschraubenblatt (1) mit
schräggestellter torsionsweicher Zone (2) und
Blattfußbereich (3) zur Befestigung an einer
Welle (4) gezeichnet als antreibender Propeller
für z. B. ein Flugzeug,
Fig. 2 ein steigung-selbstregelndes Luftschraubenblatt (1)
mit Konuswinkel im Stillstand,
bei Stillstand mit dem Konuswinkel (A1) und dem Profileinstellwinkel (B1),
bei Schnellflug mit dem Konuswinkel (A2) und dem Profileinstellwinkel (B2), und
bei Langsamflug oder Start mit dem Konuswinkel (A3) und dem Profileinstellwinkel (B3),
bei Stillstand mit dem Konuswinkel (A1) und dem Profileinstellwinkel (B1),
bei Schnellflug mit dem Konuswinkel (A2) und dem Profileinstellwinkel (B2), und
bei Langsamflug oder Start mit dem Konuswinkel (A3) und dem Profileinstellwinkel (B3),
Fig. 3 einen schematischen Lagenaufbau eines zugsteifen,
torsionsweichen Faserverbund-Laminats mit hoher
Dämpfung als Querschnitt für die torsionsweiche
Zone.
In der Querschnittsmitte sind parallele Fasern (5)
in Blattlängsrichtung angeordnet zur Fliehkraftauf
nahme, in den äußeren Randbereichen sind Laminate
mit gekreuzten Fasern (6) angeordnet, ein weicherer
Aufbau als innen, der die Verstellung des Luft
schraubenblattes ermöglicht und eine Dämpfung
bewirkt.
Claims (8)
1. Steigung-selbstregelnde Luftschraube mit einem oder meh
reren Blättern,
dadurch gekennzeichnet,
daß im nabennahen Bereich eines Luftschraubenblattes eine
torsionsweiche, aber zugsteife Zone aus Faserverbundwerk
stoff mit hoher Dämpfung ein Verdrehen des Blattes zur Stei
gungsänderung zuläßt.
2. Luftschraube nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die torsionsweiche, aber zugsteife Zone wenig Bauhöhe
hat und aus einem elastischen Faserverbund-Laminataufbau be
steht, der zwischen dem profilierten, torsions- und biege
steifen Luftschraubenblatt und dem Bereich für die Befesti
gung des Blattes an der Luftschraubenwelle angeordnet ist.
3. Luftschraube nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die torsionsweiche, aber zugsteife Zone vorzugswei
se in der Luftschrauben-Kreisebene liegend als schmale Zone
mit der Hauptrichtung nicht senkrecht zur Spannweitenrich
tung des Blattes, sondern schräg dazu erstreckt.
4. Luftschraube nach Anspruch 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die torsionsweiche Zone am Blattfuß wie ein elastisches
Scharnier wirkt und durch seine Schrägstellung bei Vor
wärts- oder Rückwärts-Klappen des Blattes auch eine Verände
rung der Steigung erwirkt wird.
5. Luftschraube nach Anspruch 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Anordnung eines treibenden Propellers (Anwendung
z. B. bei einem Flugzeug) die Schrägstellung der torsionswei
chen Zone so ist, daß bei Klappung des Blattes nach vorn in
Flugrichtung der Profileinstellwinkel verkleinert wird.
6. Luftschraube nach Anspruch 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Anordnung einer getriebenen Luftschraube (Anwendung
z. B. bei einer Windmühle) die Schrägstellung der torsions
weichen Zone so ist, daß bei Klappung des Blattes in Wind
richtung der Profileinstellwinkel verkleinert wird.
7. Luftschraube nach Anspruch 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Faserverbund-Laminat in der dünnen, torsionsweichen
Zone mehrschichtig ausgebildet ist und in mittleren Schich
ten eine Faseranordnung hauptsächlich in Radialrichtung zur
Aufnahme der Fliehkraft, in den Randschichten eine Faser
anordnung vorzugsweise gekreuzt vorzugsweise aus Aramid
zwecks hoher Dämpfung bei elastischer Verformung aufweist.
8. Luftschraube nach Anspruch 1-4, 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Luftschraubenblatt bei Stillstand in Flugrichtung
gesehen nach vorn oder nach hinten schräg aus der gedachten
ebenen Luftschrauben-Kreisfläche herausragt, durch solch ei
nen Konuswinkel also auf einer Konusfläche läuft und bei
Drehbewegung infolge der Fliehkraft aus dieser Konuswinkel-
Stellung in Richtung Kreisflächenebene gebogen wird.
Priority Applications (1)
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DE4316712A DE4316712A1 (de) | 1993-05-19 | 1993-05-19 | Selbstregelnde Luftschraube |
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8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |