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.

Self-regulating propellor (airscrew)

Applicant:

Classification:

-International:

Patentnumber:

Publicationdate:

Inventor:

DE4316712 1994-11-24

FISCHER THOMAS (DE)

FISCHER THOMAS (DE)

Applicationnumber:

Prioritynumber(s):

-european:

B64C11/26; F03D1/06

B64C11/30; F03D1/06C2; F03D7/02D DE1 993431 671 2 19930519

DE1 993431 671 2 19930519

Report

a

data error here

Abstract of

DE431 6712

Inthe

case

of thevariable-pitch, self-regulating propellors

according

totheinvention,

a

torsionallysoft, tensionallystiff

zone

is

arranged

atthe

blade

root

such

that

a

differentthrustforce

produces a change

inthe profileincidence angle.

This zone must be

torsionallysoft,tensionallystiff

and have

vibration-

damping

properties,

which

is

achieved by means

offibre-composite material with

an

appropriate material selection

and

fibre

arrangement.

Data

supplied

from

the

esp@cenet database

^-

Worldwide

http://v3

.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=DE43

¹

67

¹

2&F=0 ^4.10

© BUNDESREPUBLIK

<g)

Offenlegungsschrift

DEUTSCHLAND

@ ⁴³ 7^ A ¹

DEUTSCHES PATENTAMT

®

^{Int. CI.5:}

B 64 C 11/26 F03D

1/06

®

Aktenzeichen: P43 16712.8

©

Anmeldetag: 19. 5.93

©

Offenlegungstag: 24.11.94

<

CM CO

Hi a

(71)Anmelder:

Fischer,Thomas,84032Altdorf,

DE

@

^Erfinder:

gleich

AhmeJder

@

Selbstregelnde Luftschraube

@

^Bel erfindungsgemaSen steigung-solbstregolndon Luft-

schrauben befindet sich

am

BlattfuS eine torsionsweiche zugsteifeZonaso angeordnet.dadunterschledllcheSchub- KrafteinaAnderungdesProfit-Einstellwinkels bewirkt.Diese Zona

mu&

torsionsweich,zugsteif und schwingungsdamp- fend sein, was durch Faserverbundwerkstoff mit entspre- chenderMaterielwah!undFaseranordnungerrefobt wlrd.

Die folgondon

Angabon

eind den

vom Anmolder

eingereichten Unterlagan

ontnommen

BUNDESDRUCKEREI

09.94 408 047/161 7/30.

DE 43 16 712 Al

Beschreibung

DieErfindungbetrifft eine Luftschraube

gemaB dem

Oberbegriff desPatentanspruchs1.

Eine in der Steigung veranderbare Luftschraube in derbekannten Ausfuhrungsform,

wobei

dieLuftschrau- benblattermit

dem

BlattfuB in der Luftschraubennabe drehbar gelagert sind

und

iiberz.B. mechanische, hy- draulische oder elektrische Antriebe in.der Steigung verstellt

werden

konnen,ermoglicht esgegenuberstar- ren Luftschrauben trotz unterschiediicher Stromungs- bedingungenbeiz.B.Start

und

Reiseflug, dieMotorlei- stung

immer

voll auszunutzen

und

die Drehzahl kon- stantzuhaiten.

Zu hohe

Drehzahlen

konnen

vermieden werden,

was den Larmpegel

senkt

DieseVorteile

werden

dadurcherkauft,daB solchei-

ne Verstelluftschraube

gegenuber

Starrluftschrauben aufwendiger,teurer,schwerer

und

wartungsbedurftiger

isL

AuBerdem muB

sie fur

den

jeweiligen Betriebszu- standrichtig eingestelltwerden,

was

zu Bedienungsfeh- 20 te.

Klappachse ist

entweder

als Scharnier mit

Osen und

Zapfen oder aberalselastischesMetallblechausgefiihrt.

Solch eine Luftschraube erfulltgeometrisch dieAnfor- derungen

an

eine steigung-selbstregelnde Luftschraube.

InderPraxis

haben

sichLuftschrauben mitschragge- stellterKlappachse abernichtdurchgesetzt

Die

Haupt- ursache dafuristdas mangelhafte

Dampfungsverhalten

einer solchen Konstruktion.

Zwar

stellt sich das Blatt letztendlich

immer

in

den

Gleichgewichtszustand aus Schubkraft

und

Fliehkraft ein, bei jeder

Veranderung yon

Drehzahl

oder

Fluggeschwindigkeit jedoch, auch bei

B6en

fpendelt esersteinmalinfolgeMassentragheit.

Es

kommt

zunichtbeherrschbaren

Schwingungen

oder gar Flattererscheinungen.Hydraulische

oder

anderezu-

15 satzliche

Dampfer,

die

man

zur

Dampfung

der Luft- schraube anbrachte, fuhrten wieder zu solch hoher Komplexitat der Luftschraube,

daB

sie

gegenuber den am Markt

befindlichen Verstelluftschrauben gewichts-

und

kostenmaBig keineVorteile

mehr

aufweisen konn-

10

lern (falscheSteigung) fQhren kann.

Bei einerweiteren

bekannten Ausfuhrungsform

einer Luftschraube,deren Blatterkeine verdrehbargelager- tenFuBzapfenhaben,

wobei

aberdurchdieSichelform derBlatter iiber dieSchubkrafteineelastischeVerdre-

hung und

somit eine

Anpassung

der Steigung an

den

jeweiligen Betriebszustand erreicht

werden

soil,berei- tetdie Festigkeits-

und

Steifigkeits-Auslegung

ehorme

Probleme,da Luftkrafte

und

Fliehkrafteinfolgederge-

Der

Erfindung liegtdiejAufgab a zugrunde, bei einer Luftschraube die

gewunschte

selBstandige

Anpassung

der Steigung an

den

jeweiligen Betriebszustandzuer- reichen,

ohne daB man

mit aufwendigen

schweren

25

Dampfern

das

System

vor

Schwingungen bewahren muB.

Diese

Aufgabe

ist

gemaB den Kennzeichen

desPa- tentanspruchs1gelost

Demnach

erschopftsichdieErfindung

weder

ineiner

schwungeneh Form

zukompliziert uberlagerten Biege- 30 mechanisch

aufwendigen

drehbaren Zapfenlagerung und TorsionsspannungeninderBlattstruktur fUhren. der Luftschraubenblatter, diedurch Verstellen auf

den

Einnormales geradeverlaufendes Luftschraubenblatt jeweiligen Betriebszustand eingestellt

werden

mussen, laBt sich

dage^en

leichtberechnen, da die Struktur ex-

noch

in einer

Losung

mit sichelformigen Blattern, die aktinRichtungderRiehkraftverlauft

J

^{uneffektiv arbeitet,}

noch

in einer

Anordnung

mit

AuBerdem

gibt es einen prinzipbedingten tfachteil ₃₅ schraggestellter

KJappachse am

BlattfuB,

wobei

durch der Sichelform:

Das

Blatt

kann

sichnurdort verdrehen,

wo

estorsionsweichist,alsonur

im

Bereichderdiinnen Blattspitze.Weiter innen zur

Nabe

hinhat es einenstei- fenQuerschnitt

und

verdreht sich

kaum

noch.Die Wir-

kung

derautomatischen Steigungsregelungistalsoge- ring.

Dieser Nachteil wird bei

einem

bekannten Prinzip (nach Patent Nr.498862 Reichspatent

und

Nr. 1202649

Dt

Patentamt) vermieden: In der

Nahe

des BlattfuBes

isteine schrage

Klappachse

angebracht, die es

erm6g-

45 licht,

daB

sich bei

dem

Luftschraubenblatt

immer

die Gleichgewichtslage ausSchubkraft

und

Fliehkraft ein- stellt,

wobei

hierdurch infolge der Schragstellung der Klappachsegleichzeitigauch die Steigung imrichtigen Sinne verandert wird, dieDrehzahlbleibtbeialienFlug- geschwindigkeiten konstant,der

Motor kann immer im

optimalen Bereich betriebenwerden.

Die

Strukturdes gerade verlaufenden

Luf

tschraubenblattslaBt sich leicht auslegen

und

berechnen.

Bei einerLuftschraube ergibtsich

im

Stand oderbei langsamer Fluggeschwindigkeit als Resultierende aus Fluggeschwindigkeit und~Umfangsgeschwindigkeit ein groBerAnstellwinkeldes Profils,der

Schub

istdement- sprechendgroB.

Bei hoher Fluggeschwindigkeit

und

ahnlicher

Um-

fangsgeschwindigkeit wird der Profil-Anstellwinkel kleiner,der

Schub

ebenfalls.

Der Schub am

Luftschrau- benblattistalsoeine ideale

GroBe,

diebei unterschiedli- chen Betriebszustanden zur

Regelung

der Luftschraube herangezogen

werden

kann.

Infolgeder schraggestellten

Klappachse

bewirktgro- Ber

Schub

eine kleine Steijgung(

=

Langsamflug),kleiner

Schub dagegen

eine grofle Steigiing₍

=

Schnellflug).Die

die erforderlichen zusatzlichen

Schwingungsdampfer wiederum

Kosten entstehen

und

das

Gewicht

erhdht wird.

Vielmehr wird

an einem

gerade verlaufenden Luft- 40 schraubenblatt anstelle einer schraggestellten Klapp- achse eine torsionsweiche

Zone am

BlattfuB als ge- schichtetem Faserverbundwerkstoff vorgesehen, die gleichzeitigdie Fliehkraftaufnimmt,alsschragstehende

\y ^iry^^

Klappachse fungiert

und

eine

hohe

innere

Dampfung —

^

50

55

60

65

besitzt,

was

durch spezielle Faserausrichtung, Faser- werkstoffe

und

einen Stilistand-Konuswinkel bewirkt wird.

Die Erfindung nutzt die Tatsache,

daB man

mit

mo-

dernen Faserverbundwerkstoffen, also z.B. Epbxid- oder Polyesterharzen verstSrkt mit Carbon-,

Aramid-

oderGlasfasern, elastische Strukturen herstellenkann, die

auBerdem hohe

Dampfungseigenschaftenbesitzen.

Auch werden moderne

Luftschraubenblatter heute sowieso aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt, so daB der

vorhandene

Strukturwerkstoff nurin

einem

be- stimmten Bereichfurdie

Aufgab

ederSteigungs-Selbst- regelungausgelegt

werden muB.

Eine

gewunschte

tor- sionsweiche,aberzugsteife

Zone im

Bereich desBlattfu- Bes

kann

also beider Herstellung der Luftschraubein

einem

Arbeitsgangmithergestelltwerden.

Die

mechanischen

Eigenschaften eines Faserver- bund-Laminats

werden

hauptsachlich beeinfluBt durch Faserwerkstoff, Matrbcwerkstoff,Faserrichtung

und

Fa- seranteil.

Unter

den gangigen

Verstarkungsfasern

haben

die Ajamidfasern (Kevlar) ausgezeichnete Strukturdamp- fungseigenschaften bei sehr

hoher

Zugfestigkeit Bau-

teile,die

Schwingungen dampfen

oderSchallschlucken

DE 43 16 712 Al

sollen,

wurden

erfolgreich mit Aramidfasernverstarkt, wie z.B. Flugzeug-

Fan

rwerksschwingen oder Motor- aufhangungsteile bzw. Getriebegehause im

KFZ-Be-

reich.

Neben dem

Fasermaterial

kann

auch die Faserrich- tung

und

-anordnung eine

Dampfung

begiinstigen:

Wenn

namlichdieFasern ineiner

Ebene

gekreuztver- laufenwie z. B. bei

einem Leinwandgewebe, dann

wer- den bei einer Belastungder Strukturdie rechteckigen

Harz-Zonen

zwischen

den

Fasern zu Paralielogrammen verformtBei einerZugbelastungz.B.

werden

dieHarz-

Zonen

inZugrichtunggelangt,quer dazuaber aufkiir- zere

Lange

gestaucht

Das

Fasergitter wird wie eine

Nurnberger

Schere paraUelogrammartig verformt,

Mr

10

mieden

werden, die zu Oberlastungder

Anlage

fuhren konnten.

Anhand von

Ausfuhrungsbeispielen wird die Erfin-

dung

nahererlautert.

Dazu

zeigtdieZeichnungin

Fig. 1 eine Luftschraube mit Luftschraubenblatt ₍₁₎ mit schraggestellter torsionsweicher

Zone

₍₂₎

und

Blatt- fuBbereich (3) zur Befestigung ah einer Welle ₍₄₎ ge- zeichnet als antreibender Propeller fiir z.B. ein Flug- zeug,

Fig.2 ein steigung-selbstregelndes Luftschrauben- blatt(1)mit

Konuswinkel

imStillstand,

bei Stillstandmit

dem

Konuswinkel(Al)

und dem

Pro-

fileinstellwinkel(B1 ),

die

Umformung

der anfanglich rechteckigen Gitter- js beiSchnellflug mit

dem

Konuswinkel(A2)

und dem

Pro- struktur in eine parallelograrnmformige Gitterstruktur fileinstellwinkel (B2),

und

wirdvielEnergiebenotigt.Diese

hohe

innereReibungs- bei

Langsamflug

oderStartmit

dem Konuswinkel

(A3) arbeitbewirkteineguteStrukturdampfung.

und dem

Profileinstellwinkel (B3),

SchaffungeinerStruktur mit diskontinuierlichemEla- Fig.3 einen schematischen

Lagenaufbau

eineszugs- stizitatsmoduldurchEinlagern

von

Schichten mitunter- 20 teifen,torsionsweichen Faserverbund-Laminatsmitho- schiedlicher Steifigkeit (z. B. anderer Faserwerkstoff) her

Dampfung

als Querschnitt fiir die torsionsweiche oder Eingeben spezieller Fullstoffe in das Matrixharz Zone.

slnd weitere mogliche

MaBnahmen,

urn die innere In der Querschnittsmitte sind paraliele Fasern _{(5) in} DarnpfungeinesFaserverbundbauteiis zuerhohen. Blattlangsrichtungangeordnetzur Fliehkraftaufnahme, Ein

Konuswinkel

im Stillstand

kann

zusatzlich die 25 in den auBeren Randbereichen sind Laminate mit ge-

Dampfung

erhohen:

Wenn

z.B.bei

einem

Flugzeugpro peller sichdie Blatter bei Stillstand nicht exakt in der gedachten Propellerkreisebene befinden, sondern die Blattspitzen etwas weiter hinten liegen wie bei einer

;tV Fliigelpfeilung,

dann

biegensichbeiBetrieb des Propel- 30 lersdie Blatter infolgeFliehkraft

und Schub

nach vorn, in Richtung Propellerkreisebene, oder sogar daruber hinaus

noch

weiternachvorn.

Bei

einem

PropellermitStillstand-Konuswinkel wird

j alsoder Verformung,diedas Blatt

von

derSchnellflug- 35

. stellung in die Langsamflugstellung nach vorh durch- fuhrt,

noch

eine zusatzliche

Verformung

tiberlagert, namlichdie

Verformung von

derStillstandsstellungzur Schnellflugstellung.

Durch

einen Stillstand-Konuswin- kel wird die

Verformung

in der torsionsweichen

Zone

₄₀ groBer

und

findetauf

einem

hoheren Spannungsniveau

statt, es entstehtinfolge Hysterese

hohere

innere Rei- bungsarbeit»alsoaucheinebessere

Dampfung.

Bei

einem

erfindungsgemaBen Luftschraubenblatt wird die torsionsweiche, ziigsteife

Zone

vorzugsweise 45

aufgebautaus

einem

zentralen Strangausparallelver- laufenden Fasernin Blatt-Langsrichtung zur

Aufnahme

derFliehkraft

und

daruber geschichtetem Laminatmit gekreuzten Aramidfasern zur

Dampfung. Der

Luft- schrauben-Querschnittist

im

Bereich der Versteilzone ₅₀ so weit eingeschniirt (tailliert),

daB

eine

Verformung

durchdieSchubkraftmoglichist.Jenach erforderlicher

Dampfung

isteinStillstand-

Konuswinkel

vorgesehen.

Die

Verwendung von

elastischenFaserverbundwerk- stoffen mit

hoher

innerer

Dampfung

ermoglicht eine 55 kostengunstige, leichte, dauerhafte

und

zuverlassige Bauweise einer steigungs-selbstregelnden Luftschrau- be.

Bei

Verwendung

der selbstregelnden Luftschraube

als treibenderPropeller,z.B. bei

einem

Flugzeug, kann eo durch die automatische

Anpassung

die Motorleistung beialienGeschwindigkeitenvollausgenutzt werden.

AuBerdem

lassensichsehr

hohe

Drehzahlenvermei- den, die zu Schallgeschwindigkeit an

den

Blattspitzen fuhren

und

viel

Larm

verursachen wurden. _es

Bei

Verwendung

der selbstregelnden Luftschraube

z.B. ineinerWindenergieanlage

konnen

durchdieauto- matische

Anpassung

bei

Sturm

zu

hohe

Drehzahlenver-

kreuzten Fasern ₍₆₎ angeordnet, ein weicherer

Aufbau

alsinnen,derdieVerstellung des Luftschraubenblattes ermoglicht

und

eine

Dampfung

bewirkt.

Pa

tentanspruche

1.Steigung-selbstregelndeLuftschraube mit

einem

oder

mehreren

Blattern,

dadurch

gekennzeichnet,

daB im nabennahen

Bereich eines Luftschrauben- blattes eine torsionsweiche, aber zugsteife

Zone

aus Faserverbundwerkstoff mit hoher

Dampfung

ein

Verdrehen

des Blattes zur Steigungsanderung zulaBt.

2. LuftschraubenachAnspruch 1,dadurch gekenn- zeichnet,

daB

dietorsionsweiche,aberzugsteife

Zo-

ne

wenig Bauhohe

hat

und

aus einem elastischen Faserverbund-Laminataufbau besteht, der zwi- schen

dem

profilierten, torsions-

und

biegesteifen Luftschraubenblatt

und dem

Bereichfur die Befe- stigungdes Blattesan der Luftschraubenwelle an- geordnetist

3. Luftschraube nach

Anspruch

1

und

²r dadurch gekennzeichnet,

daB

^sich die torsionsweiche, aber zugsteife

Zone

vorzugsweiseinder Luftschrauben- Kreisebene liegend als schmale

Zone

mit der Hauptrichtung nicht senkrecht zur Spanhweiten- richtungdesBlattes,sondernschragdazuerstreckt (5)Luftschraube nach

Anspruch

¹

—3,

dadurch ge- kennzeichnet,

daB

die torsionsweiche

Zone am

BlattfuB wie ein elastisches Scharnier wirkt

und

durch seine Schragstellung bei Vorwarts- oder

Ruckwarts-Klappen

des Blattes auch eine Veran-

derung

der Steigungerwirktwird.

5. Luftschraube nach

Anspruch

¹

—4,

dadurch ge- kennzeichnet,

daB

in

Anordnung

eines treibenden Propellers

(Anwendung

z.B. bei

einem

Flugzeug) dieSchragstellungdertorsionsweichen

Zone

soist,

daB bei

Klappung

des Blattes nach vorn in Flug- richtungderProfileinstellwinkelverkleinertwird.

6. Luftschraube

nach Anspruch

¹

—4,

dadurch ge- kennzeichnet,

daB

in

Anordnung

einergetriebeneh Luftschraube

(Anwendung

z.B. bei einer

Wind-

muhle)dieSchragstellungdertorsionsweichen

Zo-

DE ^{43 16 712}

5

nesoist,daBbei

KJappung

desBlattesinWindrich- tungderProfileinstellwinkelverkleinert wird.

7. Luftschraubenach

Anspruch

1

—4,

dadurch ge- kennzeichnet, daC das Faserverbund-

Lamina

t in .

der diinnen, torsionsweichen

Zone

mehrschichtig 5

ausgebildetist

und

in mittleren Schichteneine Fa- seranordnunghauptsachlich inRadiairichtung zur

Aufnahme

derFliehkraft,in

den

Randschichten ei-

ne Faseranordnung vorzugsweise gekreuzt vor- zugsweiseaus

Aramid zwecks

hoher

Dampfung

bei ₁₀ elastischerVerf

ormung

aufweist.

8. Luftschraube nach

Anspruch 1—4,

7, dadurch gekennzeichnet,

daB

ein Luftschraubenblatt bei Stillstand in Flugrichtunggesehen

nach

vorn oder nachhintenschrag ausdergedachten

ebenen

Luft- 15

schrauben-Kreisflache herausragt, durch solch ei-

nen Konuswinkel also auf einer Konusflache lauft und bei

Drehbewegung

infolgeder Fliehkraft aus dieser Konuswinkel-StellunginRichtung Kreisfla-

chenebene

gebogen

wird. _2o

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Zeichnungen

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55

60

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ZEICHNUNGEN

SEITE 1

Nummer:

Int.CI.5

:

Offenlegungstag:

DE 43

16712

A1

B64C

11/26 24.

November

1994