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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Befestigen eines
Propellerblatts an einer Nabe.
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Propellerblätter von Flugzeugen sind der Beschädigung durch
Fremdkörper, wie Sand, Regen, Hagel und Vögel etc. ausgesetzt.
Propellerblätter, die im Bereich des Hecks eines Flugzeugs befestigt
sind, sind besonders empfindlich für Beschädigung durch Fremdkörper.
Kleinteile auf der Rollbahn, wie Sand, Rollbahnmarkierungen, Steine,
Eis, Wasser, Schlamm und Teile von Reifenlaufflächen etc., können
nach oben in eine Rotationsebene der Blätter geschleudert werden. Ein
Zusammenstoß zwischen den Fremdkörpern und den Propellerblättern
kann das Entfernen der beschädigten Blätter von dem Propeller zur
Reparatur erfordern.
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Typischerweise sind die Propellerblätter an einer Nabe eines Propellers
mittels eines Blatthalte-Bauteils befestigt. Das Bauteil ist in der Nabe
drehbar, damit die Blattsteigung des darin befestigten Propellerblatts,
wie benötigt, eingestellt werden kann. Ein Spinner kann die Nabe und
das Bauteil einschließen (FR-A-2 192626).
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Es kann sein, daß der Spinner und/oder das Blatthalte-Bauteil und/oder
die Nabe demontiert werden müssen, um ein beschädigtes Blatt zu
ersetzen. Wegen der Komplexität der Demontage (und des
darauffolgenden erneuten Zusammenbaus) sind Blattwechsel
zeitaufwendig, teuer und fehleranfällig. Das Problem ist bei Propellern
mit einer Mehrzahl von Blättern vervielfacht.
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Bei gegenläufigen Propellergebläsen (Prop-Fans) ist jedes Blatt ziemlich
stark belastet und nimmt bis zu 750 kW (1000 Pferdestärken)
Triebwerksdrehmoment auf und entwickelt bis zu 6800 N (1.500 Pfund)
Triebwerksschub. Stark belastete Propellerblätter sind hohen
Vibrationsbelastungen und -spannungen unterworfen. Außerdem sind sie,
weil Prop-Fan-Blätter gekrümmt sind, bei hohen Drehzahlen
Instabilitäten unterworfen.
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine Propelleranordnung zu schaffen, bei
der beschädigte Blätter schnell und einfach ersetzt werden können.
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Dieses Ziel wird durch die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung
mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 erreicht.
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Nach einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird eine
Anordnung geschaffen, die die Widerstandsfähigkeit von Blättern gegen
Beschädigung durch Fremdkörper erhöht.
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Die Erfindung schafft eine Anordnung, die die Blattschwingungs-
Haltebelastungen und Haltespannungen reduziert und die Stabilität des
Blatts bei hoher Geschwindigkeit verbessert.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist ein
Propellerblatt an einem Blatthalte-Blattsteigungs-Bauteil mit einem
Bolzen radial außerhalb des Propellerspinners befestigt.
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In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
ist ein gekrümmtes Propellerblatt an einem Blatthalte-Blattsteigungs-
Bauteil durch einen Bolzen radial außerhalb des Propellerspinners
befestigt. Indem das Propellerblatt drehbar um die Achse des Bolzens
befestigt ist, ist die Reaktion des Blatts auf eine Schwingungsanregung in
erster Ordnung der Schwingung abgeschwächt, so daß eine
Verdrehbewegung des Blatts verringert wird. Die Stabilität des Blatts bei
hoher Drehzahl ist dadurch erhöht.
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Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung
einer besten Ausführungsform der Erfindung leichter deutlich, wie sie in
der begleitenden Zeichnung dargestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines gegenläufigen
Prop-Fan-Propellers, der eine Ausführungsform der
Erfindung enthält;
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Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, zum Teil weggebrochen
und zum Teil auseinandergezogen, einer Ausführungsform
einer Bolzen-Wurzelanordnung der Fig. 1;
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Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben eines Blattsteigungs-
Haltebauteils der Fig. 2; und
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Fig. 4 zeigt eine weggeschnittene Ansicht der Anordnung der Fig.
2 entlang der Linie 4-4.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
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In Fig. 1 ist ein gegenläufiger Prop-Fan-Propeller 10 gezeigt, der ein
Umfeld für eine Ausführungsform der Erfindung liefert. Ein derartiger
Propeller besitzt eine vordere Nabe (nicht gezeigt), die durch einen
ersten Spinner 12 abgedeckt ist, und eine hintere Nabe (nicht gezeigt),
die durch einen zweiten Spinner 14 abgedeckt ist. Jede Nabe hält, wie
beim Stand der Technik bekannt, ein drehbares Blattsteigungs-Blatthalte-
Bauteil 16 (s. Fig. 2 und 3). Jedes Blattsteigungs-Blatthalte-Bauteil
seinerseits hat ein daran befestigtes gekrümmtes Blatt 18. Jedes Blatt
kann durch das Blattsteigungs-Blatthalte-Bauteil winklig um seine
Längsachse 20 gedreht werden, um die Blattsteigung des Blatts
einzustellen, wie es beim Stand der Technik üblich ist. Bei einigen
gegenläufigen Prop-Fan-Propellern kann eine Nabe bis zu sechs bis zehn
Blätter und die andere Nabe bis zu sechs bis zwölf Blätter halten. Jedes
Blatt ist ziemlich stark belastet und nimmt bis zu 750 kW (1000
Pferdestärken) Triebswerksdrehmoment auf und entwickelt bis zu 6800
N (1.500) Pfund Triebwerksschub.
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In den Fig. 2-4 ist eine beste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung gezeigt. Die Anordnung besitzt einige Hauptbestandteile; das
Blatt 18, ein Blattsteigungs-Blatthalte-Bauteil (nachfolgend Bauteil) 16
und einen Haltebolzen 22.
Das Blatt
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Das Blatt 18 besteht aus: einem Holm, der aus einem Einlageteil 24,
Hüllmaterial 30 (s. Fig. 4) und einer Holmwurzelverkleidung 40 mit
einem integralen Rotationsbegrenzer 42 gebildet ist; einem ersten
Füllmaterial 26, einem zweiten Füllmaterial 28 (s. Fig. 4), einer
Flügelschale mit einer ersten Seite 32 und einer zweiten Seite 34, einem
Vorderkantenüberzug 36 und einer Bolzenzugangsverkleidung 38. Das
Blatt besitzt einen Wurzelbereich 44, eine Vorderkante 46, eine
Hinterkante 48 und einen Spitzenbereich 50, wie beim Stand der
Technik bekannt.
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Das Einlageteil 24 besteht aus einem Graphit-Epoxyharz, Kevlar , oder
Fiberglasverbundmaterial (oder ähnlichem) und ist so gestaltet, daß er
sich der inneren Geometrie beider Seiten der Schale 32, 34 annähert, die
ihrerseits die abschließende Gestalt des Blatts 18 bildet. Das erste
Füllmaterial 26, ein leichtgewichtiger Strukturschaum, schafft die
strukturelle Integrität und die Scherfestigkeit für den Vorder- und
Hinterkantenbereich, die von dem Holm vorstehen. Das zweite
Füllmaterial 28, ein vorgeformtes elastomeres Material, wird verwendet,
um der Wurzel 40 ihre Gestalt zu geben, wie im folgenden besprochen
werden wird. Das Hüllmaterial 30 des Holms besteht aus einem
vorimprägnierten Graphitstreifen, Gewebe oder ähnlichem. Die erste
Seite 32 und die zweite Seite 34 der Schale sind aus Fiberglasgewebe
oder ähnlichem gebildet, die mit Spritzgußharzen, wie in der Technik
bekannt, gefüllt sind. Der Vorderkantenüberzug 36, der aus einem durch
Elektroformung gebildeten Nickel besteht, schützt die Vorderkante 46
des Blatts vor Erosion und Beschädigung durch Fremdkörper.
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Die an dem Wurzelbereich 44 und der Hinterkante 48 des Blatts 18
angeordnete Bolzenzugangsverkieidung 38 ist allgemein so geformt, daß
sie mit der Gestalt der Wurzelkante und der Hinterkante des Blatts
zusammenpaßt. Die Bolzenzugangsverkleidung besitzt zwei
aerodynamische Seitenbereiche 52, einen Bodenbereich 54 und einen
hinteren Bereich 56.
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Die Bolzenzugangsverkleidung besitzt zwei oder mehr durchgehende
Löcher 58, damit die Bolzenzugangsverkleidung an der ersten Seite 32
der Schale befestigt werden kann. Die Bolzenzugangsverkleidung hat
eine innere Kontur 60, die mit einer äußeren Kontur 62 der ersten Seite
32 und der zweiten Seite 34 der Schale zusammenwirkt, um für ein
aerodynamisches Profil des Blatts 18 zu sorgen. Die Löcher 58 fluchten
mit einer gleichen Anzahl von Gewindelöchern 64 (oder Buchsen oder
ähnlichem), die in der ersten Seite 32 der Schale angeordnet sind.
Schrauben 66 befestigen die Bolzenzugangsverkieidung an der Schale.
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Die Holmwurzelverkieidung 40 besteht aus einem Körper 68 mit einem
hohlen Kern 70, einem Paar von Zapfenausnehmungsbereiche 72, die
sich in den Körper erstrecken, einem Paar von Seitenbereichen 74, die
von dem Körper nach oben ragen, einem Hohlraum 76, der zwischen
den Seitenbereichen gebildet ist, zum Aufnehmen des Einlageteils 24 (s.
Fig. 4) und dem Rotationsbegrenzer 42, der nach unten von dem Körper
ragt. Eine Buchse 73 ist längs des hohlen Kerns 70 angeordnet. Die
Seitenbereiche 74 verjüngen sich in der Breite und in der Länge von
dem Körper nach oben, so daß die Seitenbereiche in den Holm passen,
wenn der Hohlraum das Einlageteil 24 aufnimmt (s. Fig. 2 und 4).
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Der Rotationsbegrenzer 42 verjüngt sich in der Breite nach unten von
dem Körperbereich (s. Fig. 4) und erweitert sich dann nach außen, um
einen ausgebuchteten Bereich 78 zu bilden. Der ausgebuchtete Bereich
hilft, den Rotationsbegrenzer innerhalb des Bauteils 16 zurückzuhalten,
wie es weiter unten behandelt werden wird.
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Das Blatt 18 besitzt die übliche Holm- und Schalenbauweise. Der Holm,
der aus dem Einlageteil 24, dem Hüllmaterial 30 und der
Wurzelverkleidung 40 besteht, bildet das Grundgerüst des Blatts. Die
erste Seite 32 und die zweite Seite 34 der Schale ragen über die Grenzen
des Holms, um das Flügeläußere zu bilden. Die zwischen der ersten und
der zweiten Seite der Schale gebildeten Hohlräume sind mit dem ersten
Füllmaterial 26 gefüllt.
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Der Holm wird hergestellt, indem zuerst das Einlageteil 24 mittels
Klebstoff mit der Holmwurzelverkleidung 40 verbunden wird. Der Holm
und die Wurzelverkleidung werden dann als Kern benutzt, um darum
das Hüllmaterial 30 zu wickeln.
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Das zweite Füllmaterial 28 ist an dem Hüllmaterial 30 üblicherweise
mittels eines Klebstoffs vom Silicon-Typ befestigt. Die zweiten
Füllabschnitte geben dem Blatt an seiner Wurzel ein Profil, das Luft am
Entweichen zwischen dem Wurzelbereich 44 des Blatts und dem Spinner
12 hindert. Das zweite Füllerteil gestaltet den Wurzelbereich des Blatts
so, daß er an den Spinner 12 oder 14 paßt und daß er eine
aerodynamische Gestalt in Verbindung mit dem Bauteil 16 liefert, wie es
weiter unten behandelt werden wird.
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Der Holm und die erste Seite 32 und die zweite Seite 34 der Schale
sind miteinander entlang ihrer gemeinsamen Grenzfläche mittels eines
Klebstoff-Films verbunden. Das Einlageteil ist auch mit der
Holmwurzelverkleidung mittels eines Klebstoff-Films verbunden.
Das Bauteil
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Das Bauteil 16 ist konventionell in der Nabe drehbar befestigt, um die
Blattsteigung des Blatts einzustellen, wie es in der Technik weithin
bekannt ist.
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Das Bauteil besitzt ein Paar von Zapfen 80 zum Einsetzen in die
Zapfenausnehmungsbereiche 72 der Holmwurzelverkleidung 40. Die
Seiten der Zapfen kooperieren mit dem zweiten Füllmaterial und der
Verkleidung des Wurzelbereichs des Blatts, um eine aerodynamisch
günstige Gestalt zu bilden. Die Zapfen besitzen je eine Öffnung 110, in
der eine Büchse 108 befestigt ist.
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Das Bauteil hat eine Öffnung 82 in seiner Mitte, wie man in Fig. 3
sieht. Die Öffnung hat vier Auslappungen 84, 86, 88, 90. Eine
Auskleidung 91, die sich nach der Gestalt der Öffnung richtet, ist
verschiebbar in deren Auslappungen aufgenommen.
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Von einem Paar von ersten Elastomer-Bauteilen 92 ist jedes
konventionell mit der Auskieidung 91 in einer Auslappung eines
ersten entgegengesetzten Paars von Auslappungen 86, 90 verbunden.
Jedes Elastomer-Bauteil ist seinerseits konventionell mit einem
länglichen ersten Bauteil 94 aus Metall (oder anderem deformierbarem
Material) verbunden. In jedem Ende 96 des ersten Bauteils aus Metall ist
ein zweites Elastomer-Bauteil 98 befestigt. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat
jedes der zweiten Elastomer-Bauteile 98 einen gekrümmten Querschnitt
100. Die gekrümmten Querschnitte sind in Anlage an den
ausgebuchteten Enden 78 des Rotationsbegrenzers 42.
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Ein zweites Bauteil 104 aus Metall (oder anderem deformierbarem
Material) ist an der Auskleidung 91 über jede der Auslappungen 84, 88
befestigt. Mit dem zweiten Bauteil aus Metall und der Auskleidung 91
ist ein zerdrückbares Material 106, wie ein Wabengewebe, befestigt. Ein
Luftraum 102 trennt das erste und das zweite Bauteil aus Metall. Die
Auskieidung kann aus ihre jeweiligen Auslappungen durch
Herausschieben zur Reparatur und zum Ersetzen entfernt werden. Das
Bauteil kann von einer entfernbaren Abdeckung 103 (in Fig. 4
gestrichelt dargestellt) eingeschlossen sein, die in den Spinner 12 oder
14 paßt, um ein aerodynamisches Profil an dem Wurzelbereich 44 zu
schaffen.
Der Haltebolzen
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Der Haltebolzen 22 besteht aus einem hohlen Metallzylinder. Der
Durchmesser des Zylinders richtet sich nach dem inneren Durchmesser
der Buchsen 73, 108. Der Haltebolzen hat einen Bereich mit
Innengewinde (nicht dargestellt) und ist so gestaltet, daß er mit einem
Gewindeschlüssel (nicht dargestellt) in Eingriff kommen kann, mit dem
der Bolzen aus dem hohlen Kern 70 der Verkleidung 40 und den
Öffnungen 110 in den Zapfen 80 herausgezogen werden kann.
Anordnung
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Um die Anordnung zusammenzubauen, wird der Rotationsbegrenzer 42
der Verkleidung 40 zwischen die zweiten Elastomer-Bauteile 98
eingesetzt, während die Zapfen 80 des Bauteils 16 in die
Zapfenausnehmungsbereiche 72 der Verkieidung 40 eingesetzt werden.
Wenn die Löcher 110 in den Zapfen mit dem hohlen Kern 70 fluchten,
wird der Haltebolzen 22 dorthinein eingesetzt. Die Löcher 58 der
Bolzenzugangsverkleidung 38 werden mit den Löchern 64 in der ersten
Seite der Schale ausgerichtet. Die Bolzenzugangsverkleidung wird dann
an der ersten Seite der Schale mit Schrauben 66 befestigt.
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Wenn ein Blatt beschädigt ist und Wartung benötigt, werden die
Schrauben 66, die die Bolzenzugangsverkleidung 38 halten, entfernt, so
daß Zugang zu dem Bolzen 22 möglich ist. Das Gewinde des Schlüssels
(nicht gezeigt) kommt mit dem Bolzen in Eingriff. Der Bolzen wird
dann durch Ziehen des Schlüssels entfernt. Das Blatt kann dann einfach
entfernt werden und wie oben ersetzt werden.
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Wenn das Blatt einen Stoß durch einen Fremdkörper erfährt, wird die
Impulsenergie des Stoßes eine Drehung des Blatts um den Bolzen
bewirken. Die Impulsenergie wird verteilt durch den Rotationsbegrenzer
über die zweiten Elastomer-Bauteile 98 in Zusammendrücken, über die
ersten Elastomer-Bauteile 92 in Scherung und über die ersten und die
zweiten Bauteile aus Metall auf das zerdrückbare Material. Das
zerdrückbare Material ist so ausgelegt, daß es zerdrückt wird, wenn ein
Schwellen-Biegemoment, welches das Blatt beschädigen würde, über den
Luftraum 102 darauf abgegeben wird. Weil das zerdrückbare Material
die Kraft des Biegemoments absorbiert, ist die Wahrscheinlichkeit einer
Beschädigung des Blatts minimiert. Das zweite Bauteil aus Metall stellt
sicher, daß die Kraft des Biegemoments gleichmäßig über das
zerdrückbare Material verteilt wird. Die Auskleidung macht es leichter,
das darin befestigte zerdrückbare Material durch Herausschieben aus
seiner jeweiligen Auslappung zu entfernen.
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Im Gegensatz zu Blättern, die nicht um einen Haltebolzen drehen
können, verhindert die Drehung des Blatts nach der Erfindung um den
Haltebolzen das Aufbauen von Biegebelastungen in dem Wurzelbereich
der zusammengesetzten Bereiche des Holms. Dadurch minimiert sie die
Bruchwahrscheinlichkeit der relativ zerbrechlichen zusammengesetzten
Bereiche. Blätter, welche die durch Stöße verursachten Biegemomente
nicht umverteilen, müssen so dimensionierte Wurzelbereiche haben, daß
sie derartigen Biegemomenten widerstehen. Derartige Wurzelbereiche
werden übermäßig dick und sind aerodynamisch ineffizient. Eine
derartige Ineffizienz ist besonders im Prop-Fan-Umfeld ungeeignet, wo
Spitzengeschwindigkeiten der Propellerblätter Mach 1 überschreiten
können und wo die Strömung zwischen den Blattwurzelabschnitten durch
einen Trichtereffekt auf Geschwindigkeiten beschleunigt werden, die
Mach 1 erreichen.
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Die zusammengesetzten Einlage- und Einhüllteile erbringen einige
Vorzüge. Das fertige Blatt hat ein geringes Gewicht. Folglich kann der
Bolzen 22 den darauf ausgeübten Zentrifugalbelastungen zuverlässig
standhalten. Ein Bolzen kann möglicherweise den Belastungen durch
schwerere Blätter nicht standhalten. Außerdem sind die Blätter fest
genug, um verlängerten Betrieb und Haltbarkeit zu schaffen. Außerdem
ermöglicht das Anbringen des Bolzens in dem Blatt das Überstehen von
Hüllmaterial des Holms vor und hinter den Haltezapfen und erhöht
dadurch die Belastbarkeit der Anordnung.
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Die ersten und die zweiten Elastomer-Bauteile stehen der Neigung des
Blatts entgegen, sich um den Bolzen zu drehen, durch Scherung und
Kompression, wie oben erwähnt. Die gemessene Härte und die
Abmessungen des in den Elastomer-Bauteilen verwendeten Elastomers
können ausgelegt sein, unerwünschte Resonanzfrequenzen des Blatts
auszuschalten, die Spannung an dem Blatt zu reduzieren und bei
niedrigen Zentrifugalbelastungen Winkelabweichungen zu minimieren.
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Die Schwingung erster Ordnung in geraden Blättern ist durch eine reine
Biegebewegung gekennzeichnet. Wegen einer überhängenden
Spitzenmasse ist die Schwingung erster Ordnung bei gekrümmten
Blättern sowohl durch eine Verdrehbewegung als auch eine
Biegebewegung gekennzeichnet. Die Verdrehbewegung bewirkt eine
Vergrößerung der Blattreaktion auf Schwingungsanregungen, welche
durch die Verdrehungen des aerodynamischen Strömungsfeldes durch
den Propeller erzeugt werden, und führt dadurch zu Instabilitäten bei
hohen Drehzahlen. Indem das Propellerblatt drehbar um die Bolzenachse
befestigt ist, ist die Blattreaktion auf die Schwingungsanregung in der
ersten Schwingungsordnung abgeschwächt, so daß die Verdrehbewegung
des Blatts minimiert ist. Die erste Schwingungsordnung bei dem
gekrümmten Blatt nach der Erfindung ist durch eine reinere
Biegebewegung gekennzeichnet als bei einem äquivalenten Blatt mit
festgelegter Wurzel. Die Stabilität bei hoher Drehzahl ist dadurch
vergrößert. Blätter, die sich unter Torsion verdrehen, benötigen eine
Versteifung, um einer derartigen Torsionsverdrehung standzuhalten.
Durch die Verwendung der Bolzenanordnung können dünnere Blätter
und Blätter mit einer geringeren Flügeltiefe verwendet werden, die leiser
sind und aerodynamisch effizienter als beim Stand der Technik.
Außerdem ist die Stabilität des gekrümmten Blatts maximiert, wobei das
Blatt bei Blattspitzengeschwindigkeiten von etwa Mach 1 im
wesentlichen flatterfrei ist.
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Ein Durchschnittsfachmann erkennt die Anwendbarkeit der Erfindung
auf Fan-Blätter sowie auf Propellerblätter.
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