DE4316712A1 - Selbstregelnde Luftschraube - Google Patents

Selbstregelnde Luftschraube

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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/30Blade pitch-changing mechanisms
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D1/00Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06Rotors
    • F03D1/065Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0658Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
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    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
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    • F03D7/0224Adjusting blade pitch
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    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

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),
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.
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