DE3723101A1

DE3723101A1 - Helical blade or rotor blade for force and operating helical rotors and rotary wing rotors

Info

Publication number: DE3723101A1
Application number: DE19873723101
Authority: DE
Inventors: Manfred Uellenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-07-13
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1989-02-16

Abstract

In order to reduce the tip or edge losses (induced drag) in the case of helical rotors or rotary wing rotors without any shroud, tandem blades are connected at their ends via mouldings or curved elements. The roots of these blades, which can be regarded as being infinite, can be arranged on the hub or rotor shaft in a differently rigid manner or in a rotating journal in order that the blade pitch angle is adjustable, and the overall blade system can be arranged in a multiple manner in the same design symmetrically on the circumference of the hub or rotor shaft. The overall blade may consist, with the hub or rotor shaft, of one element or a plurality of segments made of the same or different materials, and may be twisted parallel.

Description

Die Erfindung betrifft Schrauben- und Rotorblätter, die eine Tandemblattanordnung aufweisen, wobei deren Blattenden mit einander über ein Bogenstück verbunden sind, sodaß ein als endlos anzusehendes Schrauben- oder Rotorblatt entsteht, welches die Spitzen- oder Randverluste eines herkömmlichen Schrauben- oder Drehflügelrades weitgehend eliminiert.The invention relates to screw and rotor blades, the one Have tandem sheet arrangement, the sheet ends with are connected to each other via an arch piece, so that a as endless screw or rotor blade is created, which is the peak or edge loss of a conventional one Screw or rotary impeller largely eliminated.

Schraubenräder sind Energieumformer, welche Drehenergie in Strömungsenergie (Ventilatoren, Gebläse, Luftschrauben, Was serschrauben), bzw. Strömungsenergie in Drehenergie (Wind räder, Wasserräder) umformen. Die Schraubenblätter solcher Schraubenräder sind mit Tragflügeln zu vergleichen und wei sen überwiegend ein tragflügelähnliches Profil auf. Abwei chend vom Tragflügel sind Schraubenblätter meist verdrallt, um den Steigungswinkel auf jedem Punkt der Radialen des Blattes gleichzuhalten. Darüberhinaus sind bei Luftschrau ben und Windrädern die Schraubenblattwurzeln oft in Dreh zapfen angeordnet, die es ermöglichen, den Steigungswinkel des Schraubenblattes während des Laufs zu verändern, und da mit den Anstellwinkel zum Steigungswinkel des Schraubenblat tes bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten gleich zuhalten (Constant-Speed-Propeller). Ein sich frei dre hendes Schraubenblatt hat die gleichen Nachteile, wie ein endlicher Tragflügel. An beider Enden erfolgt ein Druckaus gleich in Form einer Strömung von der Profilunterseite (Hochdruck) zur Profiloberseite (Niederdruck). Diese bogen förmige Strömung trifft durch die Eigengeschwindigkeit der Gesamtströmung nicht mehr auf das Blatt- oder Flügelende auf und behält deshalb seine bogen- bzw. schraubenförmige Bahn hinter dem Blatt- oder Flügelende bei. Da dieser Wirbel (in duzierter Widerstand) durch die Drehbewegung des Blattes bzw. durch die Vorwärtsbewegung des Flügels erzeugt wird, der Wirbel selber aber Energie darstellt, muß diese von der Dreh- bzw. Vortriebsenergie abgezogen werden, sie be deutet Verlust. Diese Verluste nehmen proportional mit der Blatt- oder Flügelleistung (Auftrieb) zu und werden beim Tragflügel als induzierter Widerstand und beim Schraubenrad als Spitzen- oder Randverlust bezeichnet. Dieser Randverlust kann durch spezielle Blattkonstrukti onen z.B. große Blattstreckung, sowie spezielle Formen der Blattenden (Verjüngung, Rundung, Winglets) vermindert werden. Eine große Blattstreckung zieht aber eine geringe Blatttiefe nach sich und damit eine Verringerung der Rey noldschen Zahl, was wiederum eine Erhöhung des Profilwi derstandes nach sich zieht. Man ist also auf Kompromisse angewiesen. Eine weitere Möglichkeit der sogar annähern den Eliminierung der Randverluste stellt die Ummantelung des Schraubenrades dar, hier bleiben nur noch geringfü gige Spaltverluste übrig. Eine Ummantelung ist bei Geblä sen, Ventilatoren, wie auch bei Wasserschraubenrädern mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zu lösen, und kommt oft zur Anwendung, weil hier Gewicht und Widerstand bedeutungs los sind, und die Raddurchmesser keinen hohen Bauaufwand für den Schraubenmantel erfordern. Bei Flugzeugluftschrau ben und Rotoren für Drehflügelflugzeuge hingegen fällt das Gewicht des Schraubenmantels und dessen Stirnwiderstand, der in keiner direkten Beziehung zur Auf- oder Vortriebs erzeugung steht und somit dem sogenannten schädlichen Wi derstand zuzuordnen ist, entscheidend in die Waagschale. Es sind daher auch nur wenige, erfolgreiche Konstruktionen (Rheinflugzeugbau: Fantrainer, Fanliner) bekanntgeworden. Bei Windrädern, insbesondere zur Erzeugung von elektri scher Energie, wird des großen Raddurchmessers wegen der Bauaufwand enorm hoch, wobei hier ebenfalls Gewichtsprob leme noch hinzukommen.Helical gears are energy converters, which turn energy in Flow energy (fans, blowers, propellers, what screw) or flow energy in turning energy (wind wheels, water wheels). The screw blades of such Helical gears are comparable to wings and white predominantly have a wing-like profile. Dev screw blades are usually twisted from the wing, around the pitch angle on each point of the radial of the To keep sheet equal. In addition, there are airscrews and the wind turbines often rotate the screw blade roots arranged cones that allow the pitch angle to change the screw blade during the run, and there with the angle of attack to the pitch angle of the screw blade same at different flow velocities to keep (constant speed propeller). Free yourself helical blade has the same disadvantages as a finite wing. A printout takes place at both ends immediately in the form of a flow from the underside of the profile (High pressure) to the top of the profile (low pressure). These arched shaped flow hits through the airspeed of the Total flow no longer on the blade or wing end and therefore retains its arcuate or helical path behind the leaf or wing end at. Since this vortex (in reduced resistance) by the rotation of the blade or generated by the forward movement of the wing, but the vortex itself represents energy, it must be from the rotational or propulsive energy are subtracted, be indicates loss. These losses increase proportionally the leaf or wing performance (lift) to and become at the wing as induced drag and at Helical gear referred to as tip or edge loss. This edge loss can be caused by special leaf constructions onen e.g. large leaf stretch, as well as special shapes the leaf ends (taper, rounding, winglets) diminished will. A large leaf stretch pulls a small one Leaf depth after itself and thus a reduction in rey nold number, which in turn increases the profile which entails. So you're on compromises reliant. Another way of even approaching The casing provides the elimination of the edge losses of the helical wheel, only a few remain here remaining gap losses. A sheathing is with blowers sen, fans, as well as with water screw wheels relatively simple means to solve, and comes often to use because weight and resistance mean here are going on, and the wheel diameters are not very expensive for the screw jacket. With aircraft airscrew ben and rotors for rotary wing aircraft on the other hand Weight of the screw shell and its face resistance, who has no direct relation to buoyancy or propulsion generation stands and thus the so-called harmful Wi the level to be assigned is decisive in the weighing pan. It are therefore only a few successful designs (Rheinflugzeugbau: fan trainer, fan liner). In wind turbines, especially for the generation of electri sher energy, due to the large wheel diameter Construction effort enormously high, whereby here also weight test leme still to come.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schrau ben- oder Rotorblatt zu schaffen, welches auf einen Schrau benmantel verzichten kann und trotzdem nahezu keine Spitzen oder Randverluste induziert.The invention is therefore based on the object of a screw to create ben or rotor blade, which on a screw benmantel can do without and almost no tips or edge losses induced.

Diese Aufgabe wurde durch ein Schrauben- oder Rotorblatt ge löst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches aufweist.This task was done by a screw or rotor blade solves which the characteristic features of the claim having.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen nicht nur in der annähernden Eliminierung des induzierten Wider standes und der damit verbundenen Spitzen- oder Randverlu ste, daneben kann durch Einsatz größerer Profiltiefen und der damit verbundenen Steigerung der Reynoldschen Zahl der Blattprofilwiderstand erheblich herabgesetzt werden, was beides zur Anhebung des Wirkungsgrades führt. Darüberhinaus lassen größere Profiltiefen kleinere Schraubenraddurchmesser zu, wodurch die Fliekräfte verringert werden. Außerdem nimmt die Blattbiegesteifigkeit erheblich zu.The advantages that can be achieved with the invention do not exist only in the approximate elimination of the induced contradiction status and the associated loss of tip or edge ste, besides, by using greater profile depths and the associated increase in the number of Reynolds Blade profile resistance can be significantly reduced what both lead to an increase in efficiency. Furthermore larger profile depths allow smaller helical gear diameters to, which reduces the flow forces. It also takes the sheet bending stiffness increases significantly.

In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele darge stellt, die im Folgenden näher erläutert werden, darin zeigt:In the drawings, some embodiments are Darge provides, which are explained in more detail below shows:

Fig. 1 die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels, Fig. 2 dessen Seitenansicht, Fig. 1 is a front view of an embodiment, Fig. 2 a side view thereof,

Fig. 3 mögliche Anordnungen der Blattwurzeln, Fig. 3 possible arrangements of the blade roots,

Fig. 4 die Anordnung verstellbarer Blätter, Fig. 4 shows the arrangement adjustable blades,

Fig. 5 Beispiele von Mehrfachanordnungen, Fig. 5 shows examples of arrays,

Fig. 6 Profilanordnungen eines Kraft- und eines Arbeits schraubenrades, Fig. 6 profile arrangements of a motor and a working helical gear,

Fig. 7 Darstellung der Strömungsfäden am gestreckten Blatt. Fig. 7 representation of the flow threads on the stretched sheet.

Das Schrauben- oder Rotorblatt 1 erstreckt sich von der Na be oder Rotorwelle 2 zum Form- oder Bogenstück 3, dessen Profiltiefenhälfte 4 auf einer Radialen 5 der Nabe oder Ro torwelle 2 angeordnet ist und setzt sich in einem zweiten Schrauben- oder Rotorblatt 6 fort, welches wiederum mit der Nabe oder Rotorwelle 2 verbunden ist, sodaß aus den Teilen 1, 2, 3 und 6 ein als unendlich anzusehendes Schrauben oder Rotorblatt entsteht. Die Wurzeln 10 und 11 der Schrau ben- oder Rotorblätter 1 und 6 können an der Nabe oder Ro torwelle 2 parallel zueinander 7 oder deren Vorder- und Hinterkanten 8 und 9 parallel 12 oder senkrecht 13 oder un ter einem Winkel 14 zur Drehachse der Nabe oder Rotorwelle 2 angeordnet sein. Die Wurzeln 10 und 11 können auch in ei nem Drehzapfen 15 angeordnet sein, dessen Drehachse 16 eine Senkrechte zur Drehachse der Nabe oder Rotorwelle 2 bildet, sodaß über eine Drehvorrichtung 17 eine Verstellung des Stei gungswinkels 18 beider Blätter 1 und 6 möglich wird. Das Blattsystem 1, 2, 3 und 6 oder das System 1, 3, 6 und 15 kann mehrfach 19 in gleicher Wurzelanordnung 7, 12, 13 oder 14 an der Nabe oder Rotorwelle 2 angeordnet sein. Fig. 6 zeigt ein Kraft- 34 und ein Arbeitsschraubenrad 35. Der Pfeil 28 zeigt die Richtung der Antriebsdrehenergie, die durch die Schraubenblätter in Vortriebsenergie 32 umgewan delt wird, der Pfeil 33 stellt die Strömungsenergie dar, die über die Schraubenblätter in Drehenergie 29 umgewandelt wird. Fig. 7 veranschaulicht die Strömungsverhältnisse an einem ge streckten Schraubenblatt. Das Blatt 1 erstreckt sich von der Welle 2 nach links zum gestreckten Bogenstück 3 und über das zweite Blatt 6 wieder zur Welle 2. Die sichtbare Fläche stellt die Außenseite 36 des Gesamtblattes 1, 2, 3 und 6 dar. An die ser Fläche herrscht am Blatt 1 Niederdruck und am Blatt 6 Hochdruck. Der Pfeil 26 kennzeichnet die Druckausgleichs richtung. Durch diesen Druckausgleich werden die Strömungs fäden nach rechts abgelenkt. Der Pfeil 27 kennzeichnet die Druckausgleichsrichtung der Innenseite des Gesamtblattes. Hier werden die Strömungsfäden 21 nach links abgelenkt. An der ge samten Blatthinterkante 9 bestehen demnach gleiche Verhältnis se, sodaß kein Wirbel entstehen kann. Verlust entsteht ledig lich als Profilwiderstand im Schnitt B-B, wo das Bogenstück durch die Profilumkehr symetrisches Profil besitzt.The screw or rotor blade 1 extends from the Na be or rotor shaft 2 is arranged to shape or curved piece 3 whose profile depth half 4 on a radial line 5 of the hub or Ro door shaft 2 and continues in a second screw or rotor blade 6, which in turn is connected to the hub or rotor shaft 2 , so that parts 1 , 2 , 3 and 6 produce an endless screw or rotor blade. The roots 10 and 11 of the screw ben or rotor blades 1 and 6 can on the hub or Ro torwelle 2 parallel to each other 7 or their front and rear edges 8 and 9 parallel 12 or perpendicular 13 or un ter an angle 14 to the axis of rotation of the hub or Rotor shaft 2 may be arranged. The roots 10 and 11 can also be arranged in a pivot pin 15 , the axis of rotation 16 of which forms a perpendicular to the axis of rotation of the hub or rotor shaft 2 , so that an adjustment of the pitch angle 18 of both blades 1 and 6 is possible via a rotary device 17 . The blade system 1 , 2 , 3 and 6 or the system 1 , 3 , 6 and 15 can be arranged multiple times 19 in the same root arrangement 7 , 12 , 13 or 14 on the hub or rotor shaft 2 . Fig. 6 shows a force 34 and a Arbeitsschraubenrad 35th The arrow 28 shows the direction of the drive turning energy which is converted by the screw blades into propulsion energy 32 , the arrow 33 represents the flow energy which is converted into turning energy 29 via the screw blades. Fig. 7 illustrates the flow conditions on a ge stretched screw blade. The sheet 1 extends from the shaft 2 to the left to the elongated arch piece 3 and over the second sheet 6 to the shaft 2 . The visible surface, the outer side 36 of the overall sheet 1, 2, 3 and 6 are. At the ser surface prevails on the leaf 1 at the low pressure and high pressure sheet 6. The arrow 26 indicates the pressure compensation direction. Through this pressure compensation, the flow threads are deflected to the right. The arrow 27 indicates the pressure equalization direction of the inside of the whole sheet. Here the flow threads 21 are deflected to the left. At the entire trailing edge 9 there are therefore the same ratio se, so that no vortex can arise. Loss occurs only as a profile resistance in section BB, where the bend has a symmetrical profile due to the profile reversal.

Claims

Screw or rotor blade for power and working screw wheels and rotary impellers, in particular for propellers, wind turbines and rotors for rotary wing aircraft, characterized in that an existing screw or rotor blade ( 1 ) from Tragflügelpro fil from the hub or rotor shaft ( 2 ) extends a wing-profile-inverting, semicircular shaped or curved piece ( 3 ), the profile depth half ( 4 ) of which is arranged in a radial ( 5 ) to the hub or rotor shaft ( 2 ), and from where it into a second, from to the former ( 1 ) In the same direction wing profile be standing screw or rotor blade ( 6 ) passes, which in turn is connected to the hub or rotor shaft ( 2 ), where with both screw or rotor blades ( 1 and 6 ) parallel to each other ( 7 ) or their ( 1 and 6 ) Profile front and rear edges ( 8 and 9 ) in their roots ( 10 and 11 ) on the hub or rotor shaft ( 2 ) parallel ( 12 ) or perpendicular ( 13 ) or at an angle ( 14 ) r axis of rotation of the hub or rotor shaft ( 2 ) can be arranged, or that the roots ( 10 and 11 ) in the screw or rotor blades ( 1 and 6 ) in one of the previously described arrangements ( 7 , 12 , 13 or 14 ) in one Pass the pivot ( 15 ), whose axis of rotation ( 16 ) forms a perpendicular to the axis of rotation of the hub or rotor shaft ( 2 ), so that the pitch angle ( 18 ) of both can be adjusted via the pivot ( 15 ) and the shape by means of known rotary devices ( 17 ). or arc piece ( 3 ) connected screw or rotor blades ( 1 and 6 ) is possible, and that the screw or rotor blade system ( 1 , 2 , 3 and 6 ) in each case with the same design ( 7 , 12 , 13 or 14 ) or the screw or rotor blade system ( 1 , 3 , 6 and 15 ) in the same design ( 7 , 12 , 13 or 14 ) multiple ( 19 ) symmetrically on the circumference of the hub or rotor shaft ( 2 ) can be arranged, and that the parts ( 1 , 2 , 3 and 6 ) or the parts ( 1 , 3 , 6 and 15 ) from one piece k be or consist of several segments of the same or different materials, and that the screw ben or rotor blades ( 1 and 6 ) can be twisted parallel to each other.