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Hub-, Trag-, Vortriebschraube, Windrad od. dgl. mit unstarren Flügeln
Bei Hubschrauben. Tragschrauben, Vortriebschrauben, Windrädern od. dgl. müssen die
einzelnen Schraubenblattelemente gegen die resultierende Anströmrichtung so angestellt
sein, daß das Verhältnis von Schub zu Drehmoment möglichst günstig wird. Das ist
angenähert der Fall, wenn die einzelnen Blattelemente unter einem solchen Winkel
angeströmt werden, daß der Wert C2w C3a ein Minimum wird. Es ist die gleiche Bedingung,
die ein normales Drachenflugzeug im Steigflug erfüllen muß.
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Bei starren Schraubenflügeln gibt man dem Flügelblatt wegen der vorstehenden
Bedingung eine Verwindung, die aber nur für einen bestimmten Fortschrittsgrad der
Schraube bemessen werden kann. Außerdem lagert man das starre Flügelblatt verstellbar
um die Blattachse. Es ist aber nur für eine einzige Einstellung möglich, die einzelnen
Flügelblattabschnitte im Anstellwinkel dem Verhältnis Umfangsgeschwindigkeit zur
Fortschrittsgeschwindigkeit richtig anzupassen. Außerdem ist bei starren Flügelblättern
die Auftriebsverteilung über die Blattlänge von der Verteilung der Massenkräfte
verschieden. Das Flügelblatt unterliegt dadurch der Wirkung von wechselnden Biegemomenten,
die eine zusätzliche Beanspruchung des Flügelblattes verursachen.
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Um diese Beanspruchung zu vermeiden und die Verwindung des Flügelblattes
dem Fortschrittsgrad anzupassen, hat man schon vorgeschlagen, die Flügel einer Schraube
aus dünnem Material herzustellen, welches sich erst unter der Wirkung der
Fliehkraft
spannt. Die Flügel einer Hub- oder Tragschraube bewegen sich beim Horizontalflug
teilweise nach vorn und teilweise nach hinten, wodurch die resultierende Anströmrichtung
der Flügel ständig wechselt. Dementsprechend muß sich der Anstellwinkel für jedes
einzelne Flügelblattelement ständig ändern.
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Flügelblätter, die nur durch Fliehkräfte gespannt werden, können diese
Forderungen schon deshalb nicht erfüllen, weil sie zu starken Flatterbewegungen
neigen. Man hat auch bei starren Schraubenflügeln versucht, durch Leitwerksflächen,
die mit dem Flügelblatt fest verbunden sind, eine Selbsteinstellung des Flügelblattes
auf einen bestimmten Anstellwinkel zu erreichen. Hierbei wird der Flügel, der um
die Blattachse drehbar gelagert und an der Rotorachse gelenkig angeschlossen ist,
über seine gesamte Länge um den gleichen Winkel verstellt. Diese Anordnung führte
zu Drehschwingungen um die Flügelachse, die bei den bisherigen, verhältnismäßig
tiefen Flügelblättern bzw. Flügelbändern eine geringe Frequenz besitzen, so daß
das Verhältnis dieser Frequenz zur Umlauffrequenz des Flügels klein ist. Dadurch
schwingt der Flügel zu langsam in den jeweiligen Gleichgewichtszustand ein.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht gegenüber dem Bekannten darin, bei
unstarren Flügeln die Frequenz der Drehschwingungen um die Blattachse so hoch wie
möglich und damit das Verhältnis dieser Frequenz zur Umlauffrequenz des Flügels
so groß wie möglich zu machen, damit die Abschnitte der Flügel möglichst schnell
in den jeweiligen Gleichgewichtszustand einschwingen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin,
daß die Flügel der Schraube od. dgl. bei entsprechender Erhöhung der Flügelzahl
der Schraube aus einem schmalen, profilierten Tragflächenband aus Metall oder einem
anderen genügend zugfesten Werkstoff und einem parallelen, profilierten Leitwerksband
aus gleichem Material bestehen, welch letzteres auf seiner Länge durch beliebig
viele starre Leitwerksträger so eingestellt und mit dem Tragflächenband derart verbunden
ist, daß das Tragflächenband über die gesamte Länge und in jeder Umlaufphase mit
dem gleichen günstigsten Anstellwinkel arbeitet.
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Erfindungsgemäß ist die Frequenz der Anstellwinkelschwingung um die
Achse des Tragflächenbandes dadurch sehr erhöht worden, daß die Umlaufflügel aus
einem schmalen, profilierten Band bestehen, bei entsprechender Vergrößerung der
Flügelzahl. Dabei ist bewußt auf eine Biegungssteifigkeit und Torsionssteifigkeit
verzichtet, so daß das Tragflächenband nur noch auf Zugkräfte beansprucht wird.
Dieser Verzicht ist möglich, da die einzelnen Tragflächenbandelemente, die sich
frei verwinden können, durch die ihnen zugeordneten Leitwerksbandelemente auf einen
bestimmten konstanten Anstellwinkel gesteuert werden.
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Das Tragflächenband mit dem vor oder hinter ihm angeordneten Leitwerksband
wird durch die über die Länge verteilten Leitwerksträger in Abschnitte aufgeteilt,
die als radial nebeneinander geschaltete Miniaturdrachenflugzeuge angesehen werden
können, wobei der Anstellwinkel eines jeden Tragflächenbandabschnittes durch bestimmte
Einstellwinkel des zugehörigen Leitwerksbandabschnittes konstant auf solchem Wert
gehalten wird, daß das Tragflächenband auf der gesamten Länge unter günstigem Winkel
angeströmt wird, so daß das eingangs erwähnte Verhältnis von C2 / C3 ein Minimum
wird.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, daß der Einstellwinkel
der Leitwerksbandabschnitte zu den Tragflächenbandabschnitten veränderlich gemacht
werden kann, womit es möglich ist, auch den Anstellwinkel des Tragflächenbandes
zu ändern und dadurch für die Schraube eine Anpassung an die geförderte Steiggeschwindigkeit,
Beschleunigung in Fahrtrichtung usw. des Luftfahrzeuges zu erreichen.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigen Fig. I und 2 Querschnitte zweier verschiedener Ausführungsformen
eines Flügels gemäß der Erfindung, Fig. 3 eine Teilaufsicht auf den Flügel nach
Fig. I, Fig. 4 einen Schnitt durch einen Leitwerksträger nach der Linie IV-IV der
Fig. I, Fig. 5 eine schematische Darstellung zur radialen Verschiebung des Leitwerksbandes,
Fig. 6 und 7 die schematische Stirnansicht einer Schraube nach der Erfindung mit
Spreizring, Fig. 8 und 9 zwei Seitenansichten der Schraube nach Fig. 6 in Flugstellung
und in Ruhestellung, Fig. Io und II zwei Seitenansichten der Schraube nach Fig.
7 in Flugstellung und in Ruhestellung. Die durch radiale Striche in Fig.6 und 7
angedeuteten Flügel a, z. B. einer Hubschraube, bestehen entsprechend Fig. I und
2 je aus einem schmalen, z. B. metallischen, profilierten Tragflächenband I und
einem parallelen, metallischen, profilierten Leitwerksband 2, welches entsprechend
Fig. I vor oder entsprechend Fig. 2 hinter dem Tragflächenband parallel angeordnet
sein kann. Sowohl bei dem Tragflächenband als auch bei dem Leitwerksband ist bewußt
auf Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit verzichtet worden. Praktisch ist also
der Flügel auf ein schmales Band zusammengeschrumpft, und dafür ist die Zahl der
Flügel a gegenüber den bisher üblichen Schrauben entsprechend erhöht. Das Leitwerksband
2 ist entsprechend Fig. I bis 3 mit dem Tragflächenband I durch beliebig viele Leitwerksträger
3 starr mit dem Tragflächenband. i verbunden, so, das jeder Flügel über seine Lnge
durch diese Leitwerksträger 3 in Abschnitte aufgeteilt ist, die gewissermaßen Miniaturflugzeuge
darstellen. Dabei ist für jeden Abschnitt der Einstellwinkel des Leitwerksbandes
zum Tragflächenband so gewählt, daß das Tragflächenband über seine Länge beim Umlauf
konstanten Aasstellwinkel i$ besitzt.
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Um den Aasstellwinkel a des Tragflächenbandes
veränderlich
machen zu können und um dadurch beispielsweise die Steiggeschwindigkeit od. dgl.
zu erhöhen oder herabzusetzen, werden entsprechend Fig. I bis 3 die Leitwerksträger
3 durch zwei Scharnierbolzen oder Federgelenke I und II mit dem Leitwerksband 2
und dem Trägerflächenband I verbunden. Dabei stehen die Scharnierbolzen I senkrecht
zur Sehnenebene des Tragflächenbandes I, während die Scharnierbolzen II eine seitliche
Neigung besitzen, wie in Fig. 4 schematisch angedeutet ist. Die Lage der Scharnierbolzen
I und II kann auch vertauscht werden. Außerdem ist es möglich, das Leitwerksband
2 in Längsrichtung zu verschieben, wie in Fig. 3 und 5 schematisch angedeutet ist,
und zwar kann dies durch einen Stellring 4 geschehen, der auf der Achse b axial
verschiebbar ist und durch Seilzüge od. dgl. über Gelenkhebel mit den inneren Enden
der Leitwerksbänder 2 verbunden ist. Durch Axialverschiebung des Stellringes 4 erfolgt
eine radiale Verschiebung des Leitwerksbandes. Durch diese Verschiebung des Bandes
2 und die zueinander geneigt liegenden Scharnierbolzen der Leitwerksträger 3 wird
jeder einzelne Bandabschnitt verwunden und erhält damit einen anderen Einstellwinkel
B, womit auch automatisch der Anstellwinkel α des Tragflächenbandes I verändert
wird, und zwar je nach Richtung der Radialverschiebung des Bandes 2 größer oder
kleiner wird. Es ist möglich, die Einstellwinkel der einzelnen Abschnitte des Leitwerksbandes
2 auch durch andere Mittel zu verändern.
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Um zu verhindern, daß die aus dem Tragflächenband und dem Leitwerksband
bestehenden schmalen Flügel beim Langsamlauf der Schraube nach unten absinken oder
in Ruhelage ganz nach unten durchhängen, werden die einzelnen Flügel α durch
einen konzentrischen Spreizring 5, der in sich starr ausgebildet ist, abgestützt.
Dieser Spreizring 5 besitzt nach FIg. 6 kleineren Durchmesser als die Schraube,
während er nach Fig. 7 mit dem Umfang der Schraube abschließt. Der Spreizring 5
ist mit den einzelnen Flügeln durch Gelenke derart verbunden, daß sich die Flügelblätter
frei um ihre Achse drehen können. Bei der Ausführung nach Fig. 7 hängen die Flügel
mit dem Spreizring 5 entsprechend Fig. II etwas nach unten durch, sobald sich die
Schraube in der Ruhestellung befindet. Wird die Schraube durch die Welle b in Umdrehung
versetzt, so heben sich die Flügel mit dem Spreizring in die Stellung nach Fig.
Io. Bei der Ausführung nach Fig. 6, 8 und 9 hängen die Flügellenden außerhalb des
Spreizringes 5 bei Stillstand der Schraube senkrecht nach unten durch, stellen seich
jedoch in Radialrichtung gemäß Fig. 8 ein, sobald die Schraube in Umdrehung versetzt
wird.
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Da es, wie schon erwähnt, möglich ist, durch Änderung des Einstellwinkels
des Leitwerksbandes 2 auch den Anstellwinkel des Tragflächenbandes I zu verändern,
so kann der Anstellwinkel vor dem Start des Flugzeuges so gewählt werden, daß die
Hubschraube mit voller Drehzahl läuft, ohne daß ein Auftrieb erzeugt wird. Erst
beim Start wird das Tragflächenband auf den günstigsten Anstellwinkel gesteuert.
Im Flug als Tragschrauber kann das Tragflächenband auf einen kleineren Anstellwinkel
gesteuert werden, wodurch die Drehzahl zunimmt und Energie aufgespeichert wird,
die man bei der Landung des Flugzeuges zum Abfangen ausnutzen kann.
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Durch die Wähl von schmalen Bändern I und 2 aus dünnem, profiliertem
Metallband, welches nur eine ganz geringe Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit
besitzt, ist, es möglich, die einzelnen Flügel α der Schraube auf eine Trommel
aufzuwickeln, so daß man auf einen Spreizring 5 verzichten kann. Die Flügel werden
vor dem Start auf eine zur Schraubenachse koaxiale Trommel aufgewickelt und durch
Federn in dieser Lage festgehalten. Sobald die Schraube in Umdrehung versetzt wird,
wickeln sich die Tragflächenbänder mit den Leitwarksbändern durch die auftretenden
Zentrifugalkräfte von der Trommel ab, bis sie ihre volle Spreizlage erreicht haben.
Vor dem Stillsetzen der Schraube wird die Trommel abgebremst, wodurch sich die Tragflächenbänder
von selbst auf die Trommel aufwickeln. Zum Abwickeln der Tragflächenbänder muß die
relative Drehrichtung der Trommel zur Schraube umgekehrt werden. Das Abwickeln der
Tragflächenbänder von der Trommel in die Startstellung kann auch beim Stillstand
der Schraube von Hand erfolgen. Durch das Aufwickeln der Flugbänder auf die Trommel
ist gleichzeitig das Problem des Einziehens der Flügelblätter bzw. der Tragflächen
gelöst.
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Die beschriebenen Flügel lassen sich nicht nur für Hub-, Trag- und
Vortriebschrauben, sondern auch für Windräder verwenden. Der Aufbau des Windrades
erfolgt zweckmäßig mit einem Spreizring entsprechend Fig. 7, Io und II. Windräder
mit den erfindungsgemäßen Tragflächenbändern lassen sich auch leicht mit automatischer
Drehzahlregelung versehen, indem man, die Zentrifugalkräfte der längs verschiebbaren
Leitwerksbänder gegen einstellbare Federkräfte wirken läßt. Die Zentrifugalkräfte
wirken so, daß bei wachsender Drehzahl der Anstellwinkel kleiner wird und damit
das Drehmoment des Windrades abnimmt. Dadurch werden Überbeanspruchungen des Windrades
bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten vermieden.
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Außerdem ist die erfindungsgemäße Ausbildung der Tragflächenbänder
auch zur Anwendung bei Verstelluftschrauben geeignet.
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Ferner kann man entsprechend Fig. 2 das Tragflächenband I auch mit
Ausgleichsgewichten 6 versehen.
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Es ist auch möglich, die unstarren Flügel durch Rückstoßantrieb in
Umdrehung zu versetzen, indem man durch die hohlem Flügel Brennstoff leitet und
an den Flügelenden Rückstoßantriebe anordnet.