DE697685C

DE697685C - Luft- oder Wasserschraube

Info

Publication number: DE697685C
Application number: DE1931S0102504
Authority: DE
Original assignee: EDUARD SEPPELER DIPL ING
Current assignee: EDUARD SEPPELER DIPL ING
Priority date: 1931-12-22
Filing date: 1931-12-22
Publication date: 1940-10-19

Description

^ENTS

Luft- und Wasserschrauben, deren Flügel auf Gewindezapfen der Nabe aufgeschraubt sind und unter Fliehkraftwirkung entgegen einer Federkraft ihren Anstellwinkel selbsttätig verändern, sind bekannt. Die Erfindung dient der Aufgabe, derartige Schrauben so zu verbessern, daß die selbsttätige Regelung besonders fein wird und daß überdies Störkräfte ausgeschaltet werden, die durch Flügelform, Flügelstellung und Flügelverfqrmung im Betriebe unter dem Einfluß wechselnder Luft- oder Wasserkräfte bedingt sind.

Als Mittel zur Lösung dieser Aufgabe dienen Gewichte, die an den Schäften der Flügel außerhalb von -deren Drehachsen, vorzugsweise verstellbar, angeordnet werden und daher Verlagerungen der Flügelschwerpunkte erzeugen, die zu den erforderlichen Ausgleichwirkungen benutzt werden können. Diese Zweckbestimmung unterscheidet die erfindungsgemäß verwendeten Gewichte von bekannten, außermittig; angeordneten Massen, die zur Erzeugung der Hauptverstellkraft, an selbsttätig regelnden Schrauben angeordnet werden. Bei den Schrauben nach der Erfindung wird diese Hauptverstellkraft durch die" Fliehkraft der Flügelmassen geliefert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt; es zeigen

· Abb. ι einen Längsschnitt durch die Nabe ^ der Luftschraube und die Flügelschäfte,

Abb. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Abb. 3, '

Abb. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der Abb. 1, . *

Abb. 4 zwei Anordnungen zur Verlagerung des Flügelschwerpunktes,

Abb. 5 eine schaubildliche Darstellung der Kraftzerlegung eines an einem Flügel exzentrisch angebrachten Zusatzgewichtes,

Abb. 6 die Berichtigung der durch die Fliehkräfte der Flügel erzeugten Drehkraftkurve durch· die Drehkraftkurven -von Zusatzgewichten.

In der Nabe 1 ist ein Gewindezapfen, 2 befestigt, auf den die beiden Flügelschäfte 3 unter Zwischenschaltung . der in Wälzrillen 4 laufenden Kugeln*; leicht beweglich aufgeschraubt sind. Die Kugeln 5 werden durch Käfige 6 gehalten; diese Käfige'erhalten im Ausführungsbeispiel_die für den einwandfreien Betrieb richtige kinematische Führung dadurch, daß sie mit Innenvefzahnungen 7 versehen sind, die mit Ritzeln 8 kämmen. Diese Ritzel sind auf Achsen 9 frei drehbar und greifen in Zahnräder 10 der Flögelschäfte 3 ein. Die Zähnezahlen des Innenzahnkranzes 7 und des Zahnrades 10 sind angenähert nach

—4r^- zu wählen, wobei R , K «0

dem Verhältnis

der äußere und r der innere Laufkreisdurch- messer der. spiraligen Wälzbahn für Kugeln -

darstellen. Die kinematisch richtige Führung des Käfigkorbes braucht nicht in der Drehrichtung und nicht durch Zahnradübertragung zu erfolgen. Sie könnte beispielsweise auch durch Hebelübertragung und in Richtung dpr Längsverschieblichkeit geschehen. Das We-. sentliche dieser Anordnung ist die kinematisch richtige Kupplung des Gewindezapfens 2 mit dem Flügel 3 und dem Kugelkäfig 7. Die Verbindung der mit ihrem einen Ende in der Nabe, mit ihrem anderen Ende im Federgehäuse 11 befestigten Rückstellfeder 12 mit den Flügelschäften 3 erfolgt über ein Kegelrad 13 und die beiden schraubenförmig verlaufenden Kegelradsegmente 14. Die Drehung der Flügel wird durch Anschläge 21, 22 an ihren Schäften und einen Anschlag 20 an der Nabe begrenzt. Zwischen diesen Grenzpunkten liegt der Regelbereich, der im Beiao spielsfalle auf 35° bemessen ist.

Im Betriebe streben die Flügel unter dem

Einfluß ihrer in Achsrichtung I-I wirkenden Fliehkraft nach außen und drehen sich dabei so weit, bis ihnen die Feder 12 eine gleich große Kraft entgegensetzt.

Die aus den Fliehkräften der Flügel entstehenden Drehkräfte wachsen wie die Fliehkräfte selbst mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit und mit dem wachsenden Abstand der Flügelschwerpunkte von der Schraubenachse. Dieser Abstand wächst in dem Maße, als die Flügel sich auf ihren Gewindezapfen nach außen schrauben. Die den Fliehkräften entgegenarbeitende Kraft der Rückstellfeder 12 wächst in einfachem Verhältnis zu dem Winkel, um den sich die Flügel auf ihren Gewindezapfen drehen. Die Abb. 6 stellt ein Koardinatenkreuz dar, dessen Abszisse die Verdrehung D der Flügel in 40- Bogengraden und dessen Ordinate die auf die Flügel wirkenden Drehkräfte/³ in Kilogramm angibt. Eingetragen sind die entsprechenden Kurven im wesentlichen nur für den Regelbereich von 35⁰. Die Federkraftkurve ist eine nach rechts ansteigende Gerade F. Sie gilt für alle Winkelgeschwindigkeiten, da sie von diesen selbst unabhängig ist. Die Fliehkräfte können in Abb. 6 nicht durch eine einzige Kurve wiedergegeben werden, da sie nicht nur vom Winkel, sondern auch von den Winkelgeschwindigkeiten abhängen. Es müßte daher für jede zu untersuchende Winkelgeschwindigkeit eine besondere Kurve eingetragen werden. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine· einzige Kurve C wiedergegeben. Diese verläuft innerhalb des Regelbereiches sehr gestreckt. Ihr Schnittpunkt mit der Federkraftkurve F ergibt den Höchstwert der von der entsprechenden Fliehkraft entgegen der Federkraft erzwungenen Flügelverdrehung. Voraussetzung für eine möglichst wirksame Regelung ist, daß möglichst erhebliche Änderungen der Flügelanstellwinkel, d. h. erhebliche Drehungen der Flügel, schon bei gejingen Drehzahländerungen der Schraube ein- 6g .'Ltr.eten. Das bedeutet für die Kurvendarstellung in Abb. 6, daß sich innerhalb des '.■■Regelbereiches nur Fliehkraftkurven für wenig verschiedene Winkelgeschwindigkeiten mit der F-Kurve schneiden. Die Fliehkraftkurven sollen also nahezu parallel zur ,F-Kurve verlaufen, d.h. mit ihr einen sehr kleinen Winkel einschließen. Da die der reinen Flügelfiiehkraft entsprechenden C-Kurven dieser Bedingung nicht genügen, bedürfen sie einer Berichtigung.

Nun läßt sich gemäß der Erfindung für den Regelbereich eine solche Berichtigung der C-Kurven durch die Anbringung von außermittigen Zusatzgewichten an den Flügeha erzielen. In Abb. 2 und 3 ist ein derartiges Zusatzgewicht 15 um die Flügelachse drehbar und feststellbar angeordnet. In der Abb. s ist in schaubildlicher Darstellung gezeigt, wie eine derartige Masse eine Flügel-Verdrehung bewirkt. In dieser Abbildung zeigen X-X die Luftschraubenachse, Y-Y die Flügeldrshachse und Y-O-Z die Umlaufebene der Flügelachsen. Ein am Flügelschaft angebrachtes Gewicht G dreht sich in einer zu Y-O-Z gleichlaufenden Ebene G-U'-U. Ίη dieser Ebene verläuft die durch die Masse G erzeugte Zentrifugalkraft P. Sie geht -^lus von dem Durchdringungspunkt A der Schraubenachse X-X^ durch die Umlauf ebene des Punktes G. Die für die Fliehkraftberichtiguing allein maßgebende, tangential zum Schaftumfang laufende Drehkomponente D ergibt sich aus der Zerlegung der Kraft P nach einem rechtwinkligen Kräfteparallelepipedon. Diese Komponente verschwindet in den Punkten o, 90, 180, 270, da das Kräfteparallelepipedon in den Punkten ο und 180 zu einem Rechteck in der Ebene Y-O-Z, in den Punkten 90 und 270 zu einer Geraden O zusammenschrumpft. Diese, Drehkraftkurve verläuft somit für jedes Zusatzgewicht G in einer Sinuslinie, wenn der Flügel und mit ihm das Gewicht sich um die Flügellängsachse dreht. Da diese Drehkräfte in verschiedenen Drehrichtungen wirken, je nach dem ob sich das Gewicht G auf der einen oder anderen Seite der F-O-Z-Ebene befindet, sind die ihnen entsprechenden Sinuskurven in der Abb. 6 symmetrisch zur X-Achse einzutragen. Zwei solcher Drehkraft-Sinus-Kurven für zwei verschiedene Gewichte G sind als Linien D₁ und D dargestellt. Da man es in der Hand hat, die Amplitude und Phase dieser Drehkraftkurven durch die Wahl der Gewichte nach Größe und Anbringungsart zu bestimmen, so kann jede Berichtigung der C-Kurve innerhalb des Regelbereiches von

'35° durch Überlagerung einer richtig gewählten D-Kurve erreicht werden. In Abb. 6 ist die C-Kurve durch das entsprechende Stück der D-Kurve berichtigt, und es ergibt sich eine Fliehkraftkurve C-D; die innerhalb de^s Regelbereichs den wünschenswerten kleinen Winkel mit der Federkraftkurve F einschließt. Wenn es nun für die Feinheit der Drehzahlregelung der Luftschraube von Bedeutung ist,

ίο daß der Winkel zwischen der berichtigten Fliehkraf tkurve C-D und der Federkraftkurve/⁷ einen- bestimmten, sehr kleinen Wert haben soll 'und somit geringe Abweichungen nach der einen oder anderen Richtung die Regelung bereits astatisch oder in unerwünschtem Maße statisch werden lassen, so gehört es zur lerfrn dungsgemäß zu lösenden Aufgabe, auch die Wirkung von Störkräften auszuschalten, die sich z. B. durch die Flügelform, die Flügelverstellung oder die im Betriebe unter dem Einfluß der Luft bzw. des Wassers auftretende Flügelverformung ergeben.

Da derartige Störkräfte auch in erster!

Linie auf Massenexzentrizitäten zurückzuführen sind, gelten für sie die gleichen Gesetze,-wie sie oben für die Zusatzgewichte 15 entwickelt wurden. Auch die Störkräfte lassen sich daher in Form von Sin'uskurven in der Abb. 6 darstellen. Daraus folgt, daß man auch sie durch Anbringung von Zusatzgewichten ausgleichen kann, wenn die den Zusatzgewichten entsprechenden Sinuskurven entgegengesetzte Werte haben wie die der Störkräfte. Je nach Art der unwirksam zu machenden Kräfte wird dabei die Benutzung eines oder auch mehrerer weiterer Zusatzgewichte erforderlich sein.

In Abb. 6 ist als Beispiel der Kurve einer Störkraft 'eine Sinuslinie St eingetragen. Die Addition der Werte dieser Kurve zu denen der berichtigten Fliehkraftkurve C-^D würde ergeben, daß die Fliehkraftkurve eine völlig unerwünschte Form erhielte. Daher werden Zusatzgewichte verwendet, für die die Korrekturkurve ,D₁ gilt. Die Werte dieser Kurve liegen bezüglich der X-Achse symmetrisch z'ur Störkurve St. Somit heben sich die Wirkungen der beiden Kurven entsprechenden Kräfte auf, und die Fliehkraftkurve behält ihre in Abb. 6 gezeigte gewünschte Form C-D.

Die Anbringung von Hilfsgewichten am Flügelschaft, die die oben gezeigten Wirkungen hat, läuft praktisch auf eine Verlagerung des Flügelschwerpunktes hinaus, die auch auf andere Weise erreicht werden kann, beispielsweisie durch Verlagerung yon Massen im Flügelblatt oder durch Schwenkungen des gesamten Flügelblattes. In der Fig. 4- sind beispielsweise zwei derartige Anordnungen dargestellt. Links- in dieser Figur ist gezeigt, wie-das Flügelblatt 16 um einen Zapfen 17 im L'uftschraubenschaft 3 schwenkbar und das ^l der Luftschraubenachse' zugewendete kurze Ende des Flügelblättes in einem Schlitz des Luftschraubenschaftes- feststellbar ist. Auf der rechten Seite der Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, mit der man bei verhältnismäßiggrober Verstellung kleine Verlägerungen des Flügelschwerpunktes erreichen kann. In einer- Ausfräsung des Luftschraubenblattes 16 kann eine flache, kreisförmige Scheibe 18 exzentrisch verstellt" werden. Die Scheibe ist in der Figur auf Maximalwirkung 'eingestellt; in der punktierten Lage ist ihre Wirkung Null.

Claims

Patentansprüche:

1. Luft- oder Wasserschraube, deren Flügel auf schraubenförmigen, mit Wälzkörpern angefüllten Gewinderillen der Nabenzapfen selbsttätig durch die Flieh- ' kraftdrehmomentkomponente der Flügelmassen entgegen der Wirkung einer gemeiiischaftlichen, auf der PropellerachW sitzenden Torsionsfederkraft drehbar und längs der Gewindesteigung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ver-

■ lagerung" des Flügelschwerpunktes in be- 90, zug auf die Flügellängsachsen eine zusätzliche Fliehkraftdrehkomponente erzeugt wird, die den störenden Flügelverstelldrehmomenten, die durch die Flügelform, Flügelstellung und Flügelverformung im Betriebe unter dem Einfluß wechselnder Luftkräfte bedingt sind, ausgleichend entgegenwirkt.

2. Luft- oder Wasserschraube nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung des Flügelschwerpunktes durch¹ ein am Flügelschaft (3) exzentrisch zur Flügiellängsachse angeordnetes Gewicht (15) bewirkt wird.

3. Luft- oder Wasserschraube nach An- '05 spruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das. Gewicht (15) zur Flügellängsachse verstellbar angeordnet ist.

4. Luft- oder Wasserschraube nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung des'Flügelschwerpunktes durch Verstellen der Neigung der Längsachse des Flügelblättes (16) gegen die Längsachse des Flügelschaftes (3) erfolgt.

5. Luft- oder Wasserschraube nach. An- u-s spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerung des Flügelschwerpunktes durch Verschieben einer im Flügelblatt („16) angeordneten Masse (18) erfolgt.

6. Luft- oder Wasserschraube nach Anspruch ι bis 5, gekennzeichnet durch ein unter dem Einfluß einer Rückstellfeder

(.12) stehendes, drehbar auf der Nabenachse (i) angeordnetes Kegelzahnrad (13), das in schraubenförmig angeordnete Kegelradsegmente (14) der Flügelschäfte (3) eingreift.

7. Luft- oder Wasserschraube nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Käfige (6) für die Wälzkörper (5) in den Gewinderillen der Nabenzapfen und Flügelschäfte durch ein die Innenlagerung (2), die Außenlagerung (3) und den Käfig (6) miteinander verbindendes Planetengetriebe geführt sind, dessen Untersetzungsverhältnis annähernd nach der Gleichung —ί-^·¹ gewählt ist, wobei R den

Außendurchmesser und /-den Innendurchmesser' der Wälzkörperrollbahnspirale darstellen.

8. Luft- oder Wasserschraube nach Anspruch ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Flügelschäften selbst oder in einem der die Flügelverstellung bewirkenden Triebe Anschläge (21 und 22) für die Begrenzung des Regelbereiches der Blattverstellung angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen