DE1237844B - Steuer-Vorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels einer Luftschraube und der Leistung der sie antreibenden Turbine - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F02k

Deutsche Kl.: 46 g-8/06

Nummer: 1237 844

Aktenzeichen: D 348481 a/46 g

Anmeldetag: 30. November 1960

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Verstellung der Steigung der Blätter einer von einer Gasturbine angetriebenen Luftschraube und zur Verstellung einer Drössei im Arbeitsmittelstrom zur Gasturbine.

Bei Flugzeugen mit turbinengetriebenen Verstellpropellern ist es bekannt, das Antriebsdrehmoment konstant zu halten, wenn zugleich die Blättersteigung der Luftschraube und die Brennstoffzufuhr zur Turbine mit einem einzigen Hebel verstellt werden. Es ist ferner bekannt, bei Änderung der Brennstoffzufuhr zur Turbine die Blättersteigung der Luftschraube so zu ändern, daß die Drehzahl der Luftschraube konstant bleibt. Bei diesen bekannten Vorrichtungen besteht die Gefahr, daß bei plötzlicher Änderung der Brennstoffzufuhr die Schluckfähigkeit der Turbine überschritten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der auch bei plötzlicher Verstellung ein Versagen der Turbine nicht auftritt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch einen Betätigungshebel, mit dem über gelenkig verbundene mechanische Gestänge die Blätter und die Drossel gemeinsam derart zu verstellen sind, daß unter der Voraussetzung der Konstanz von Arbeitsmitteldürchsatz, Eintrittstemperatur und Drückverhältnis über die Turbine ihre Drehzahl unabhängig von der Steigung der Blätter im wesentlichen konstant bleibt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglieh, den Schub der Luftschraube zu verstellen, ohne daß der Turbine plötzlich mehr Brennstoff zugeführt wird, so daß ein Überschreiten der Schluckfähigkeit der Turbine vermieden wird.

Vorzugsweise ist das Gestänge bei Vorwärts- und Rückwärtseinstellung der Steigung der Luftschraubenblätter wirksam. Das Gestänge kann einen Nokken und ein Nockenabtastglied aufweisen.

Die einstellbare Drossel kann eine an sich bekannte Ventilklappe in dem Turbineneinlaß aufweisen. Die Turbine und die Luftschraube können mit einem gemeinsamen Gehäuse oder — wie an sich bekannt — mit gesondert miteinander verbundenen Gehäusen versehen sein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugsziffern unter Bezug auf die Figuren.

F i g. 1 und 2 zeigen schematisch zwei Anordnungen für die Verwendung von Steuervorrichtungen nach der Erfindung zur Steuerung von Flugzeugen;

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Steuervorrichtung nach der Erfindung; Steuer-Vorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels einer Luftschraube und der Leistung der sie antreibenden Turbine

Anmelder:

Dowty Rotol Limited,

Cheltenham, Gloucester (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr .-Ing. A. Weickmann

und Dipl.-Ing. H. Weickmann, Patentanwälte, München 27. Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

John Lloyd Curtis,

Edward Hollingworth Morris, Allen Chivers Walker,

Cheltenham, Gloucestershire; John Brian Wilson,

Ellis Danvers.,

Churchdown, Gloucestershire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. November 1959 (40576),

vom 27. Juni 1960 (22 478), vom 23. August 1960 (29 139), vom 24. November 1960

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Steuervorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Steuervorrichtung nach der Erfindung.

Die Schuberzeuger nach den F i g. 1 und 2 haben die Form von Luftschrauben 10 und 110 und dienen dem Anheben und Lenken eines Flugzeugs,

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insbesondere eines steil oder senkrecht zu startenden Flugzeugs.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 hat das Flugzeug ein Gasturbinentriebwerk 113 zum Vorwärtsantrieb. In den Flügeln 115 sind Gondeln 114 vorgesehen, Haupthebeluftschrauben 110 liegen in Leitungen, die sich durch die Gondeln erstrecken, und drehen sich um senkrechte Achsen. Der resultierende Schub der beiden Luftschrauben läuft durch den Schwerpunkt des Flugzeugs. An den beiden Enden jeder Gondel 114 befinden sich Steuerluftschrauben 10, die von der Haupthebeluftschraube 110 angetrieben werden. Die Haupthebeluftschraube 110 wird ihrerseits von einer Turbine angetrieben, die mit strömendem Arbeitsmittel von dem noch zu beschreibenden Triebwerk beliefert wird. Durch Einstellung der Steigung der Luftschrauben 10 in noch zu beschreibender Weise kann die Lenkung des Flugzeugs erfolgen. Das Flugzeug kann veranlaßt werden, zu rollen, indem man die Steigung der beiden Luftschrauben 10 in dem Backbordflügel derart einstellt, daß sie beide einen Schub in einer Richtung erzeugen, und indem man die Luftschrauben 10 in dem Steuerbordflügel so einstellt, daß sie beide einen geringeren Schub in der gleichen Richtung, überhaupt keinen Schub oder einen Schub in entgegengesetzter Richtung ausüben. Eine Steig- oder Fallbewegung des Flugzeugs kann erreicht werden, indem man die beiden vorderen Luftschrauben 10 derart einstellt, daß sie einen Schub in einer Richtung erzeugen, und die beiden rückwärtigen Luftschrauben, daß sie einen geringen Schub in der gleichen Richtung, keinen Schub oder einen Schub in entgegengesetzter Richtung erzeugen.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 hat das Flugzeug Gasturbinentriebwerke zum Vorwärtsantrieb, die in Gondeln 116 in den Flügeln untergebracht sind. Eine Haupthebeluftschraube 110 liegt in einem senkrechten Durchlaß in jedem Flügel bordseitig der Gondeln 116. Paare von Steuerluftschrauben 10 α, 10 b, 10 c und 10 d liegen in vertikalen Durchlässen, die sich durch Nase und Schwanz des Flugzeugs erstrecken und durch jede Flügelspitze. Die Luftschrauben 110 heben das Flugzeug mindestens bei Start und Landung, aber auch beim Flug, falls dies gewünscht ist. Die Luftschrauben 10 α und 10 b steuern das Steigen und Senken des Flugzeugs, die Luftschrauben 10 c und 10 d steuern das Rollen des Flugzeugs. Die Luftschrauben werden von Turbinen angetrieben, denen strömendes Arbeitsmittel von den Vortriebstriebwerken in noch zu beschreibender Weise zugeführt wird.

In den F i g. 3 und 4 sind entsprechende Elemente der verschiedenen Anordnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Diese Figuren zeigen eine Steuervorrichtung für Flugzeuge mit einem Schuberzeuger in Form einer Luftschraube. Solche Luftschrauben können in offen endenden Durchlässen, die sich durch die Flügel oder den Körper des Flugzeugs erstrecken, angeordnet sein und einen Schub erzeugen, der senkrecht zur Richtung des Schubes ist, der von dem Hauptvortriebstriebwerk oder den Hauptvortriebstriebwerken des Flugzeugs, wie oben beschrieben, erzeugt wird. Jede Luftschraube wird durch eine Turbine angetrieben. Der von der Luftschraube erzeugte Schub und die Ausgangsleistung der Turbine sind bei im wesentlichen konstanten Drehzahlen einzustellen, d.h., der Schub der Luftschraube und die Ausgangsleistung der Turbine sind in anderer Weise einstellbar als durch Veränderung ihrer Drehzahlen.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 liegt eine Luftschraube 10 mit Blätternil veränderbarer Steigung drehbar in einem kurzen, offen endenden Durchlaßkanal 12. Die Luftschraubenblätter 11 sind mit ihren radial inneren Enden in einer drehbaren Nase schwenkbar befestigt. An ihren inneren Enden sind sie mit Kurbelzapfen 14 versehen, welche in Umf angsausnehmungen einer Stellrolle 15 eingreifen. Die Stellrolle dreht sich mit der Nase 13. Die Nase 13 sitzt auf einem Rohrwellenstück 17, das drehbar in einem mittig liegenden Körper 16 gelagert ist, der seinerseits mittels einer oder mehreren Streben 24 durch die Leitungswandung 12 gehalten wird. Die StellrollelS liegt drehbar auf einer Welle oder Stange 18, die sich mittig durch die Rohrwelle 17 erstreckt und mit ihrem oberen Ende an einem Arm 19 α eines Winkelhebels 19 befestigt ist. Der Winkelhebel 19 ist an dem Körper 16 schwenkbar befestigt. An seinem anderen Arm 19 b ist eine Stange 20 angelenkt. Es ist ersichtlich, daß bei Bewegung der Stange 20 in ihrer Längsrichtung der Winkelhebel 19 geschwenkt wird und seinerseits die Stange 18 und die Stellrolle 15 axial verschiebt, wodurch eine Drehung der Blätter 11 um eine Querachse erfolgt, also eine Einstellung der Steigung der Blätter.

Die Rohrwelle 17 weist an ihrem der Nase 13 abgewandten Ende ein Kegelzahnrad 21 auf, das in ein Kegelzahnrad 22 am Ende einer Welle 23 eingreift. Dieses Ende der Welle 23 liegt drehbar an einem Lager im Körper 16. Die Welle 23 erstreckt sich radial durch die Wand der Leitung 12 und ist, wo sie sich quer zur Leitung 12 erstreckt, in einer Strebe 24 mit aerodynamischem Querschnitt eingeschlossen, um so Störungen der Strömung durch die Leitung auf ein Minimum zu bringen. Die Welle 23 wird über Kegelzahnräder 25, 26 durch die Rotorwelle 27 einer Turbine 29 angetrieben.

Das Arbeitsmittel zum Antrieb der Turbine 29 tritt in das Gehäuse 30 der Turbine durch den Durchlaß 31 ein, der zu einer Einlaufspirale 31 α führt. Die Schaufeln 32 des Turbinenrotors 28 haben eine feste Neigung, das Arbeitsmittel wird auf die Schaufeln durch Leitschaufeln 33 veränderbarer Steigung gerichtet. Die Leitschaufeln 33 sind um Schaufelblattlängsachsen in dem Turbinengehäuse 30 an ihren radial inneren Enden drehbar gelagert. Die radial inneren Enden sind mit Armen 34 versehen, deren freie Enden in Ausnehmungen im Umfang eines Rades 35 eingreifen. Das Rad 35 liegt drehbar an einem Gehäuseteil, das die Rotorwelle 27 umschließt und koaxial zur Rotorwelle 27 liegt. Das Rad 35 hat einen buchsenf örmigen Ansatz an seinem dem Turbinenrotor abgewandten Ende, der einen Zahnkranz 37 trägt, welcher in ein Zahnrad 39 eingreift. Das Zahnrad 39 liegt am Ende einer Welle 40, die drehbar in dem Gehäuse 30 gelagert ist, sich parallel zur Rotorwelle 27 erstreckt und an ihrem anderen Ende mit einem Kurbelzapfen 41 versehen ist. Ein Ende einer Hilfslenkstange 42 ist an dem Kurbelzapfen 41 angelenkt. Die Anordnung ist derart, daß bei Bewegung der Hilfslenkstange 42 in ihrer Längsrichtung die Welle 40 gedreht wird und das Rad 35 über das Zahngetriebe 39, 37 antreibt, um- so die Arme 34 zu bewegen und die Steigung der Leitschaufeln 33 einzustellen.

Die Lenkstangen 42 und 20, die die Steigungen sich eine gewünschte konstante Turbineneinlaßtemder Luftschraubenblätter 11 und der Leitschaufel 33 peratur einstellt. Die Brennstoffzufuhr zu der Hilfssteuern, werden gemeinsam von der Flugzeugführer- Verbrennungseinrichtung 60 kann zusammen mit der kanzel aus eingestellt. In der Kanzel ist ein Steuer- Einstellung der Leitschaufeln 33 derart verändert hebel 43 an einem Schwenkzapf en 44 befestigt, der 5 werden, daß sich eine konstante Drehzahl der Tureine nach unten gerichtete Verlängerung 43 α hat, bine 29 bei verschiedenen Einstellwinkeln der Luftweiche an ihrem unteren Ende zu zwei Armen 43 b Schraubenblätter 11 ergibt.

gegabelt ist. Ein Nockenschlitz 45 erstreckt sich im In der beschriebenen Ausführungsform hat die

wesentlichen symmetrisch längs beider Arme43b. Steuerluftschraube 10 Blättern veränderbarer Stei-Ein Stift 46 greift in den Schlitz 45 ein. Dieser Stift io gung, aber keine Statorblätter. In einer anderen Aus-

46 ist an einem Arm 47 α eines Winkelhebels 47 befe- führungsform der Erfindung sind der Steuerluft-

stigt, dessen anderer Arm 47 δ über ein Kugelgelenk schraube 10 Eintrittsleitschaufeln mit fester Steigung

48 mit der Hilfslenkstange 42 verbunden ist. Die zugeordnet.

Lagerwelle 49 des Winkelhebels 47 ist an einem fest- In einer weiteren Verkörperung der Erfindung liegenden Bauteil befestigt. An der Verlängerung 43 a 15 haben die Rotorblätter der Steuerluftschraube eine

des Steuerhebels 43 ist an einer Stelle zwischen dem feste Steigung, und es sind Eintrittsleitschaufeln ver-

Schwenklager 44 und dem Schlitz 45 eine Steuer- änderbarer Steigung vorgesehen. In diesem Fall wird

stange 50 angelenkt, deren anderes Ende an einem der Schub der Steuerluftschraube durch Verände-

Arm eines um seine Mitte schwenkbaren Hebels 51 rung der Steigung der Eintrittsleitschaufeln verändert,

angelenkt ist. Das andere Ende des Hebels 51 ist an 20 Bei dieser Anordnung ist es allerdings nicht möglich,

der Lenkstange 20 angelenkt. Eine Bewegung des mit der Steuerluftschraube 10 einen Rückwärtsschub

Steuerhebels 43 aus seiner Mittellage bewirkt ein zu erhalten.

Verschwenken des Winkelhebels 47, da der Stift 46 Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erin den Führungsschlitz 45 eingreift, hierdurch wird findung hat die Steuerluftschraube 10 Rotorschaudie Steigung der Leitschaufeln 33 eingestellt. Die 25 fein veränderbarer Steigung und Eintrittsleitschaugleiche Bewegung des Steuerhebels 43 verursacht eine fein veränderbarer Steigung. Bei dieser Ausführungs-Längsbewegung der Stange 50, die auf die Stange 20 form sind die Stellglieder zur Verstellung der Steigung und dadurch auf die Stange 18 übertragen wird, wo- beider Arten von Schaufeln derart miteinander verdurch die Steigung der Luftschraubenblätter 11 ein- bunden, daß die Steigungen beider Schaufeltypen gestellt wird. Eine Bewegung des Hebels 43 aus sei- 30 zugleich und nach einer vorgegebenen Beziehung ner Mittellage in einer Richtung führt zu positiven verstellt werden.

Steigungseinstellungen der Luftschraubenblätter, eine Die Turbine kann eine vielstufige Turbine sein,

Bewegung in die entgegengesetzte Richtung zu ne- die mit Zwischensätzen von Statorschaufeln ver-

gativen Steigungseinstellungen. Der Führungsschlitz sehen ist, deren Steigung einstellbar ist. Auch können

45 führt zu Verstellungen der Leitschaufeln 33 bei 35 sowohl die Statorschaufeln als auch die Turbinenro-

positiver oder negativer Einstellung der Luftschrau- torschaufeln einstellbar sein. In noch einer anderen

benblätter 11. Ausführungsform der Erfindung liegen die Leit-

Die Verbindung zwischen dem Steuerhebel 43 zu schaufeln und die Rotorschaufehl der Turbine fest,

den Leitschaufeln 33 und den Luftschraubenblättern und die Ausgangsleistung der Turbine ist durch eine

11 ist derart, daß bei einer Änderung der Steigung 40 veränderbare Drosselung der Ausstoßdüse der Tur-

der Luftschraubenblätter 11 zur Änderung des von bine veränderbar.

der Luftschraube erzeugten Schubes auch eine Ver- In noch einer anderen Ausführungsform hat die

stellung der Turbineneintrittsleitschaufeln33 erfolgt, Turbine feste Rotorschaufeln und Leitschaufeln und

die die erforderliche Einstellung der Turbinenaus- eine Einlaßleitung, deren Querschnitt veränderbar

gangsleistung bewirkt, jedoch die Drehzahl des Tür- 45 ist, beispielsweise mittels eines in der Einlaßleitung

binenrotors konstant hält. liegenden Klappenventils.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 wird das in den Bei einem Flugzeug mit einer Mehrzahl solcher

Einlaß 31 der Turbine 29 eintretende Gas vom Gas- durch Turbinen angetriebenen Steuerluftschrauben

turbinentriebwerk 63 der Hauptantriebseinheit des kann jede Luftschraube getrennt von einem eigenen

Flugzeugs abgeleitet. Dieses Gas kann von dem Korn- 50 Handhebel gesteuert werden, oder es können meh-

pressor des Gasturbinentriebwerkes abgeleitete Druck- rere Steuerluftschrauben von dem gleichen Hebel ge-

luft sein oder vom stromabwärtsseitigen Verbren- steuert werden.

nungskammerbereich des Motors abgezweigt sein. Auch kann mehr als eine Steuerluftschraube von

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das der gleichen Turbine angetrieben werden.

Gasturbinentriebwerk eine zweistufige Turbine auf; 55 Die Turbinenschaufeln können auch am Umfang

das Gas zum Antrieb der Turbine 29 wird von einer der Steuerluftschraubenblätter liegen.

Stelle zwischen den beiden Stufen abgezweigt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 kann die Stei-

Die Ausführungsform nach F i g. 4 ist ähnlich der gung der Luftschraubenblätter, ähnlich wie in Zu-

der Fig. 3, jedoch ist der Einlaß31 zur Turbine29 sammenhang mit Fig. 1 beschrieben, durch Axial-

mit dem Auslaß der Verbrennungseinrichtung 60 60 bewegung der Steuerstange 18 eingestellt werden. In

verbunden, die über eine Leitung 61 vom Kompres- diesem Fall wird jedoch die Antriebswelle 17 der

sorabschnitt 62 des Hauptgasturbinenmotors 63 ab- Luftschraube durch Kegelzahnräder 80, 81 und durch

gezweigte Druckluft erhält. eine Hohlwelle 82 von einer Turbine angetrieben, de-

Der Hilfsverbrennungseinrichrung 60 wird Brenn- ren Gehäuse an dem Gehäuse der Steuerluftschraube stoff durch ein Rohr 64 zugeleitet, an dem sich ein 65 befestigt ist. Der Turbinenrotor 83 hat Schaufehl 84 Ventil 65 befindet, das Ventil 65 wird vorzugsweise fester Steigung. Das Arbeitsmittel zum Antrieb des selbsttätig durch eine temperaturempfindliche Vor- Turbinenrotors wird durch eine Einlaßleitung 85 einrichtung 66 in der Turbine 29 derart gesteuert, daß geführt, die unter der Steuerwirkung eines Klappen-

ventils 86 steht, und dann durch einen ringförmigen Durchlaß 87, in dem sich Einlaßleitschaufeln 88 befinden, die eine feste Steigung haben und die das Arbeitsmittel auf die Blätter des Turbinenrotors richten. Die Abgase von der Turbine strömen durch die Abgasleitung 89 in die Atmosphäre.

Die Drehachse des Turbinenrotors 83 und die Hohlwelle 82 liegen unter einem Winkel von etwa 90° zur Drehachse und Luftschraube 10. Wo die Hohlwelle 82 den Luftschraubenkanal durchquert, ist die Welle in einem Hohlgehäuseteil 24 eingeschlossen, das einen aerodynamischen Querschnitt hat.

Das Klappenventil 86 dient der Veränderung der Stärke des Arbeitsmittelflusses, der auf die Turbinenschaufeln gerichtet ist, und damit zur Veränderung der Ausgangsleistung der Turbine. Die öffnung des Klappenventils 86 wird durch eine Steuerstange 90 eingestellt, die ihrerseits von der Flugzeugführerkanzel aus eingesteEt wird. Die Stange 90 ist über eine Stange 91 und einen Winkelhebel 92 mit der Steuerstange 18 gelenkig verbunden; die Steuerstange 18 ändert die Steigung der Luftschraubenblätter. Die Verbindung zwischen dem Klappenventil und der Steuerstange 18 ist derart, daß dann, wenn der durch die Luftschraube 10 erzeugte Schub verändert wird, die entsprechende Verstellung des Klappenventils 86 die Stärke des Arbeitsmittelflusses derart variiert, daß die Drehzahl des Turbinenrotors 84 im wesentlichen konstant bleibt.

Bei jeder der oben beschriebenen Anordnungen können Gleichrichtergitter in der Auslaßleitung des Schuberzeugers stromunterseitig der Luftschraube vorgesehen sein.

Claims (5)

Patentansprüche: 35

1. Steuervorrichtung zur Verstellung der Steigung der Blätter einer von einer Gasturbine angetriebenen Luftschraube und zur Verstellung einer Drossel im Arbeitsmittelstrom zur Gasturbine, gekennzeichnet durch einen Betätigungshebel (43), mit dem über gelenkig verbundene mechanische Gestänge (50, 51, 20, 19, 18,15,14 bzw. 45, 46, 47, 42, 41, 40, 39, 37, 35, 34) die Blätter (11) und die Drossel (33) gemeinsam derart zu verstellen sind, daß unter der Voraussetzung der Konstanz von Arbeitsmitteldurchsatz, Eintrittstemperatur und Druckverhältnis über die Turbine (29) ihre Drehzahl unabhängig von der Steigung der Blätter im wesentlichen konstant bleibt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge bei Vorwärts- und Rückwärtseinstellung der Steigung der Luftschraubenblätter wirksam ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge einen Nocken und ein Nockenabtastglied (45, 46) aufweist. ____

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Drossel eine an sich bekannte Ventilklappe in dem Turbineneinlaß aufweist.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine und die Luftschraube mit einem gemeinsamen Gehäuse oder — wie an sich bekannt — mit gesondert miteinander verbundenen Gehäusen versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 963 753, 868 808,
866145, 767258;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1058 315;

schweizerische Patentschriften Nr. 244 980,
957;

französische Patentschriften Nr. 1068 404,
647;

britische Patentschriften Nr. 697 014, 579140;

USA.-Patentschriften Nr. 2 857 741, 2 819 732,
786 331,2 645 293.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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