DE102007028143B4

DE102007028143B4 - Verfahren und Einrichtung zum Verstellen eines Funktionselementes in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums

Info

Publication number: DE102007028143B4
Application number: DE102007028143A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: DE102007028143A1

Abstract

Verfahren zum Verstellen eines Verstellpropellers für ein Luftfahrzeug in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit der das Luftfahrzeug umströmenden Luft, wobei ein Druckunterschied erfasst wird und wobei eine aus dem Druckunterschied gewinnbare Verstellkraft zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit sowie unmittelbar zum Verstellen eines Stellantriebes zum Einstellen der Propellersteigung verwendet wird, und wobei in zwei Strömungsbereichen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwei unterschiedliche Strömungsdrücke abgenommen werden, und wobei die Druckdifferenz der beiden Strömungsdrücke in dem Stellantrieb unmittelbar zum Erzeugen einer Verstellkraft genutzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verstellen eines Funktionselementes in einem Fahrzeug, Bauwerk oder dergleichen in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit des das Fahrzeug, Bauwerk oder dergleichen umgebenden Mediums.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsfällen, bei denen ein in oder an einem Fahrzeug, Bauwerk oder dergleichen angeordnetes Funktionsbauteil in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit des das Fahrzeug, Bauwerk oder dergleichen umströmenden Mediums verstellt werden soll. Als Beispiele seien Heckspoiler von Rennwagen genannt, mittels derer der Andruck der Antriebsräder an die Fahrbahn in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit verändert werden soll, ferner die Propellerblätter von stationären Windkraftanlagen oder von Luftfahrzeugen, deren Anstellwinkel an die jeweilige Windgeschwindigkeit bzw. Fluggeschwindigkeit angepasst werden soll, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.
Das erfolgt im allgemeinen in der Weise, dass die Anströmgeschwindigkeit mittels geeigneter Sensoren erfasst und das Sensorausgangssignal zur Ansteuerung eines Stellantriebes verwendet wird, welcher die Verstellbewegung ausführt. Als Stellantriebe kommen beispielweise hydraulische, pneumatische oder elektrische Stellantriebe in Betracht, wobei die hydraulische, pneumatische oder elektrische Antriebsenergie in gesonderten Anlagen erzeugt wird. Im allgemeinen ist dem Stellantrieb noch eine Steuerungseinrichtung zugeordnet, in der beispielsweise eine Kennlinie abgelegt ist, die der jeweiligen Anströmgeschwindigkeit einen bestimmten Verstellweg zuordnet.
Ein allgemein bekanntes, für die Steuerung von Luftfahrtantrieben ausgelegtes System ist das FADEC-System (FADEC = FULL AUTHORITY DIGITAL ENGINE CONTROL), bei welchem der Pilot mit einem einzigen Hebel eine Motorleistung vorwählt, und wobei alle für die Umsetzung dieser Leistung relevanten Parameter des Antriebssystems rechnergesteuert eingestellt werden; zu diesen Parametern gehören neben den Triebwerksparametern wie Ladedruck, Brennstoff/Luftgemisch und Motordrehzahl auch die Propellersteigung, die bei einer vorgegebenen Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit eingestellt wird. Die bekannten Systeme sind konstruktiv und baulich sehr aufwendig und teuer.
DE 10 2005 004 230 A1 beschreibt einen Lamellenabscheider für feststoffbelastetes Wasser, dessen Lamellen zwischen zwei Endstellungen, nämlich einer Abscheideposition und einer Reinigungsposition, verstellt werden können. Die Verstellkraft hierzu liefert ein im zuströmenden Wasser befindlicher Strömungskörper über die auf ihn wirkende Schleppkraft oder alternativ, ein nicht näher beschriebener Differenzdruckmesser.
DE 29 30 073 A1 beschreibt eine Windkraftanlage mit verstellbaren Rotorblättern. Der Einstellwinkel der Rotorblätter wird u. A. mit einem pneumatisch mechanischen Regler eingestellt. Bei diesem werden der statische und der dynamische Druck der anströmenden Luft in zwei durch eine flexible Membran getrennte Kammern eingeleitet. Die Membran ist mit einer Regelstange verbunden, über die eine Stellkraft abgenommen wird.
DE 737 177 A beschreibt eine Einrichtung, durch die ein Höhenruder oder ein damit zusammenwirkendes Hilfsruder eines Flugzeuges durch eine Staukraft des Fahrtwindes verstellt wird, um beim Vollgas-Steigflug ein schwanzlastiges Moment durch den Schraubenstrahl zu kompensieren.
DE 909 430 B beschreibt eine Einrichtung, bei der als Membran ausgebildeter Differenzdruck-Stellantrieb zur Steuerung eines Drosselorgans in einer pneumatischen Förderanlage eingesetzt wird.
DE 25 43 120 C2 beschreibt einen Differenzdruck-Stellantrieb, der durch einen in einem Zylinder verschiebbaren Kolben gebildet wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Anspruch 1 genannten Art und eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 8 genannten Art zu schaffen, welche gegenüber bisher bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen wesentlich einfacher sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass in zwei Strömungsbereichen des Mediums mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwei unterschiedliche Strömungsdrücke abgenommen werden, und dass der Druckunterschied unmittelbar in einem Stellantrieb zur Erzeugung einer Verstellkraft bzw. Verstellbewegung genutzt wird.
Es ist zwar bereits bekannt, in zwei Strömungsbereichen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten abgenommene unterschiedliche Strömungsdrücke dazu zu verwenden, diese Strömungsgeschwindigkeit anzuzeigen. Dieses Prinzip ist beispielsweise in herkömmlichen Staudruckfahrtmessern bzw. Unterdruckfahrtmessern verwirklicht, bei denen der in einem Staurohr sich aufbauende Überdruck bzw. der in einem Venturirohr sich bildende Unterdruck ins Innere einer vom statischen Druck umgebenen Membrandose geleitet und die Bewegung der Membrandose über ein Zeigerwerk auf eine entsprechend geeichte Skala übertragen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Druckunterschied aus den Strömungsbereichen mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit über einen konstruktiv entsprechend ausgelegten Stellantrieb auch unmittelbar zur Verstellung eines Funktionselementes verwendet werden kann. Die aus dem Druckunterschied gewinnbare Verstellkraft wird demnach nicht mehr nur zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit genutzt, sondern unmittelbar als Verstellkraft zum Verstellen des Funktionselementes, wie anhand von Ausführungsbeispielen näher dargelegt wird.
Die beiden unterschiedlichen Strömungsdrücke werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auf die beiden Seiten eines in einem Stellzylinder verschiebbar angeordneten Stellkolbens geleitet, der beispielsweise über eine geeignete, gegebenenfalls auch Übersetzungs- bzw. Untersetzungsmechanismen enthaltende Antriebsverbindung mit dem zu verstellenden Funktionselement verbunden ist. Dabei lässt sich die Verstellkraft in einem weiten Bereich durch die dem Druckunterschied ausgesetzte Kolbenfläche variieren.
Für Luft als Medium im Sinne der vorliegenden Erfindung gilt, dass für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten, etwa in der Größenordnung der Fluggeschwindigkeit propellergetriebener Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt (GENERAL AVIATION), ein in einer Venturidüse abgenommener Unterdruck zahlenmäßig größer als der bei gleicher Geschwindigkeit erreichbare Überdruck in einem Staurohr ist. Für diesen Fall wird ein erster der beiden Strömungsdrücke im engsten Querschnitt einer Venturidüse abgenommen. Der zweite Strömungsdruck kann dann in einem Staurohr abgenommen werden, oder, falls ein geringerer Druckunterschied zur Erreichung der Verstellkraft ausreicht, kann als zweiter Strömungsdruck der an einem bekannten Statikdruckport abgenommene statische Druck verwendet werden.
Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten kann der in einem Staurohr sich bildende Überdruck ein Mehrfaches des barometrischen Druckes erreichen (während der von einem Venturirohr abnehmbare Unterdruck höchstens den Wert des barometrischen Druckes erreichen kann). In diesem Fall kann der Staudruck bzw. der Gesamtdruck des Staurohres beispielsweise in Verbindung mit dem statischen Druck die gewünschte Druckdifferenz bilden.
Um zu erreichen, dass der Stellantrieb bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit eine vorgegebene Stellung einnimmt, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Stellantrieb durch eine der Stellkraft entgegenwirkende Feder oder dergleichen vorgespannt ist. Der Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Stellweg kann durch die Auswahl einer geeigneten Federkennlinie beeinflusst werden.
Es sind auch Fälle denkbar, bei denen das zu verstellende Funktionselement selbst durch eine der Stellkraft entgegenwirkende Strömungskraft beaufschlagt wird. In diesem Fall kann eine der Stellkraft entgegenwirkende Feder entfallen. Als Beispiele dafür seien Heckspoiler von Rennwagen, Wölbungsklappen an Tragflügeln oder dergleichen genannt.
Wie sich aus der oben stehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits ergibt, ist eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ganz allgemein gekennzeichnet durch Mittel zum Abnehmen zweier unterschiedlicher Strömungsdrücke in zwei Strömungsbereichen mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit, und durch einen Stellantrieb, in welchem die Druckdifferenz der beiden Strömungsdrücke zum Verstellen eines Stellgliedes oder dergleichen genutzt wird. Diese Einrichtung bewirkt eine von der Strömungsgeschwindigkeit gemäß einer linearen oder anderweitigen Funktion abhängige Verstellung des Stellantriebes und dementsprechend des Funktionselementes.
Die Einrichtung umfasst ferner entweder ein der Strömung ausgesetztes Staurohr, an welchem ein über dem statischen Druck liegender Strömungsdruck abgenommen werden kann, oder ein der Strömung ausgesetztes Venturirohr, an welchem ein unter dem statischen Druck liegender Strömungsdruck abgenommen werden kann. Als zweiter, zu den oben genannten Strömungsdrücken eine Druckdifferenz bildender Druck wird vorzugsweise der an Statikdruck-Ports abnehmbare Statikdruck verwendet. Die größtmögliche Druckdifferenz ergibt sich, wenn einer der Strömungsdrücke an einem Staurohr und der andere an einem Venturirohr abgenommen wird.
Als Stellantrieb kommt. beispielsweise ein Balg, ein Stülpschlauch oder dergleichen in Betracht, die bei einer Druckbeaufschlagung ihre Form und/oder Größe verändern, wobei die dabei auftretende Bewegung als Verstellbewegung genutzt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Stellantrieb durch eine Zylinder-/Kolbenanordnung gebildet, wobei die beiden Seiten des Kolbens mit den beiden unterschiedlichen Strömungsdrücken beaufschlagt werden, so dass sich der Kolben verschiebt, wie anhand von Ausführungsbeispielen darlegt wird.
Dem Stellantrieb ist vorzugsweise eine der Stellkraft entgegenwirkende Feder zugeordnet, deren Federkennlinie so ausgelegt ist, dass einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit jeweils eine bestimmte Position des Stellantriebes zugeordnet ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch einen aus einem Stellzylinder und einem Stellkolben gebildeten Stellantrieb, dessen eine Seite an ein den Gesamtdruck der Strömung lieferndes Staurohr angeschlossen ist und dessen andere Seite vom statischen Druck beaufschlagt wird;
2 einen Stellantrieb etwa gemäß der 1, dessen eine Seite vom statischen Druck beaufschlagt wird und dessen andere Seite an eine einen Unterdruck liefernde Venturidüse angeschlossen ist;
3 einen Stellantrieb etwa gemäß den 1 und 2, dessen eine Seite an ein den Gesamtdruck der Strömung lieferndes Staurohr und dessen andere Seite an eine einen Unterdruck liefernde Venturidüse angeschlossen ist.
Der in 1 schematisch dargestellte Stellantrieb 2 umfasst einen Stellzylinder 4 und einen in diesem verschiebbar angeordneten Stellkolben 6, an welchem eine durch eine Stirnwand des Stellzylinders 4 hindurchgeführte Kolbenstange 8 angeordnet ist. Die Kolbenstange 8 ist in geeigneter Weise, gegebenenfalls über einen Übersetzungs- oder Untersetzungsmechanismus, mit dem zu verstellenden Funktionselement verbunden.
Der Stellzylinder 4 ist durch den Stellkolben 6 in zwei Zylinderkammern 10 bzw. 12 geteilt. Die in 1 linke Zylinderkammer 10 ist über eine Leitung 14 an ein Staurohr 16 angeschlossen, welches den aus statischem Druck und Staudruck gebildeten, von der Strömungsgeschwindigkeit abhängenden Gesamtdruck der Strömung 18 liefert. Die rechte Zylinderkammer 12 ist über eine Leitung 20 an einen geeigneten, einen gleichbleibenden Statikdruck liefernden Statikdruckport angeschlossen.
Wenn die Anströmgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit der Strömung 18 ansteigt, dann steigt der Staudruck im Staurohr 16 und damit der Druck in der Zylinderkammer 10 an, so dass der Stellkolben 6 gegen die Kraft einer Feder 22 in Richtung des Pfeils 23 nach rechts verschoben wird. Wie bereits weiter vorne ausgeführt wurde, kann die Kennlinie der Feder so ausgelegt sein, dass einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit jeweils ein bestimmter Stellweg des Stellantriebes entspricht, etwa entsprechend einer linearen Proportionalität oder einer beliebigen anderen Abhängigkeitsfunktion. Die Feder 22 kann auch so ausgelegt sein, dass der Stellkolben bei einer Anströmgeschwindigkeit gleich Null durch diese Feder in einer ersten Endstellung gehalten und bei Überschreitung einer vorgegebenen Grenz-Anströmgeschwindigkeit gegen die Kraft der Feder in eine zweite Endstellung verschoben wird.
2 zeigt eine Anordnung ähnlich der 1, wobei jedoch die in 2 linke Zylinderkammer 110 über eine Leitung 114 an einen geeigneten Statikdruckport angeschlossen ist, während die andere Zylinderkammer 112 über eine Leitung 120 an den engsten Querschnitt einer Venturidüse 124 angeschlossen ist, die bei einer Anströmung 118 einen gegenüber dem statischen Druck niedrigeren Unterdruck liefert. Auch hier wird bei zunehmender Anströmgeschwindigkeit der Stellkolben 106 gegen die Kraft der Feder 122 in Richtung des Pfeils 123 nach rechts verschoben, so dass er über die Kolbenstange 108 ein zu verstellendes Funktionselement verstellen kann.
3 zeigt einen Stellantrieb 202 ähnlich den 1 und 2, wobei die in 3 linke Zylinderkammer 210 ähnlich wie in 1 an ein Staurohr 216 und die rechte Zylinderkammer 212 an eine Venturidüse 224 angeschlossen ist, womit eine größtmögliche Druckdifferenz zwischen dem im Staurohr 216 abgenommenen Gesamtdruck und dem in der Venturidüse abgenommenen Unterdruck erreichbar ist.
Wie bereits weiter vorne dargelegt wurde, ist die Darstellung der als Druckfeder ausgelegten Feder 22 im Stellzylinder 4 nur beispielhaft. Es können vielmehr beliebige Federmittel an jeder geeigneten Stelle zwischen dem Stellzylinder und dem zu verstellenden Funktionselement vorgesehen sein.
Eine Feder kann sich dann erübrigen, wenn das zu verstellende Funktionselement selbst der Anströmung ausgesetzt ist, so dass die Stellkraft des Stellantriebes gegen den auf das Funktionselement wirkenden Strömungsdruck wirkt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann vorteilhaft verwendet werden für das automatische Verstellen z. B. von Propellerblättern, Rotorblättern, Windenergieflügeln, Schaufeln von Strahltriebwerken, Gasturbinen, Dampfturbinen und Turboladern. Ebenso kann sie für das automatische Verstellen z. B. von Stabilisierungsflügeln (Spoilern) von Rennautos oder Rennbooten verwendet werden. Bei Flugzeugen kann die Flügelprofil-Wölbung automatisch optimal an die Fluggeschwindigkeit angepasst werden. Bei Gebäuden können ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit ohne Verlegung von Stromkabeln z. B. Jalousien hochgezogen oder Luken geschlossen werden.

Claims

Verfahren zum Verstellen eines Verstellpropellers für ein Luftfahrzeug in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit der das Luftfahrzeug umströmenden Luft, wobei ein Druckunterschied erfasst wird und wobei eine aus dem Druckunterschied gewinnbare Verstellkraft zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit sowie unmittelbar zum Verstellen eines Stellantriebes zum Einstellen der Propellersteigung verwendet wird, und wobei in zwei Strömungsbereichen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zwei unterschiedliche Strömungsdrücke abgenommen werden, und wobei die Druckdifferenz der beiden Strömungsdrücke in dem Stellantrieb unmittelbar zum Erzeugen einer Verstellkraft genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden unterschiedlichen Strömungsdrücke auf die beiden Seiten eines in einem Stellzylinder (4) verschiebbar angeordneten Stellkolbens (6) geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellbewegung eine Änderung der Form- und/oder Größenänderung eines als Stellantrieb verwendeten Balgs oder Stülpschlauches genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungsdrücke im engsten Querschnitt einer Venturidüse (124) abgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungsdrücke in einem Staurohr (16) abgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungsdrücke der statische Druck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (2) durch eine der Stellkraft entgegenwirkende Feder (22) oder dergleichen vorgespannt ist.
Einrichtung zum Verstellen eines Verstellpropellers für ein Luftfahrzeug in Abhängigkeit von der Anströmungsgeschwindigkeit der das Luftfahrzeug umströmenden Luft, umfassend eine Einrichtung zum Erfassen der Fluggeschwindigkeit und einen über diese Einrichtung angesteuerten Stellantrieb zum Einstellen der Propellersteigung, dadurch gekennzeichnet dass, die Einrichtung Mittel zum Abnehmen zweier unterschiedlicher Strömungsdrücke in zwei Strömungsbereichen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten aufweist, und dass der Stellantrieb ein Stellglied aufweist, welches durch die Druckdifferenz der beiden Strömungsdrücke und in Abhängigkeit von dieser verstellt wird.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein der Strömung ausgesetztes Venturirohr (224) umfasst, in dessen engstem Querschnittsbereich einer der beiden Strömungsdrücke abgenommen wird.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungsdrücke von einem der Strömung ausgesetzten Staurohr (216) abgenommen wird.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Strömungsdrücke von einer Einrichtung für die Statikdruckabnahme abgenommen wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (2) durch einen in einem Stellzylinder (4) verschiebbar angeordneten Stellkolben (6) gebildet ist, dessen beide Seiten durch die unterschiedlichen Strömungsdrücke beaufschlagt werden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb durch einen Balg oder Stülpschlauch gebildet ist, die bei einer Druckbeaufschlagung ihre Form und/oder Größe verändern, wobei die dabei auftretende Bewegung als Verstellbewegung genutzt wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellantrieb (2) eine der Stellkraft entgegenwirkende Feder (22) zugeordnet ist.