DE3437669A1

DE3437669A1 - Propeller-betaetigungssystem

Info

Publication number: DE3437669A1
Application number: DE3437669A
Authority: DE
Inventors: Donald Farley Sargisson; Clifford Melford Cincinnati Ohio Toraason jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-10-17
Filing date: 1984-10-13
Publication date: 1985-04-25
Also published as: FR2553596A1; JPH044818B2; GB8422470D0; IT8423171A0; CA1231132A; FR2553596B1; US4556366A; GB2149585A; IT1176982B; JPS60134742A; GB2149585B

Description

Propeller-Betätigungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf Propellersysteme und insbesondere auf elekrische Betätigungssysteme und auf Mittel zum Erzeugen elektrischer Energie, die in den Betätigungssystemen verbraucht wird.

um die steigenden Brennstoffkosten zu bekämpfen, haben die Hersteller von Plugmotoren bzw. Triebwerke/tfür Flugzeuge in den vergangenen Jahren Propeller-Motorsysteme und insbesondere Turboprop-Triebwerke als Alternativen zu den weniger wirksamen Turbonfan-Triebwerken untersucht. Die Konstruktion derartiger Turboprop-Triebwerke hat sich auf die Propeller-Technologie ausgewirkt. Beispielsweise kann eine verbesserte Leistungsfähigkeit erreicht werden, indem die Länge und Breite und auch die Anzahl der Propellerschaufeln vergrößert wird.

Jede große, schnell umlaufende Schaufel muß Mittel zur Steigungsänderung und zur Enteisung aufweisen. Dies kann eine elektrische Leistung von 15 bis 30 kW in der Nabe derartiger Turboprop-Triebwerke erfordern. Wenn in der Vergangenheit eine elektrische Steigungsänderung verwendet wurde, lag die elektrische Energie in der Größenordnung von wenigen kW. Die von dem Betätigungsmotor geforderte Leistung konnte durch Erzeugen von Elektrizität in dem nicht-umlaufenden Abschnitt des Triebwerks zur Verfügung gestellt werden, die dann durch einen Schleifring auf die umlaufende Nabe übertragen wurde. Alternativ könnte die umlaufende Grenzschicht selbst der Ort der Energieerzeugung sein, wie es in der US-PS 3 900 274 beschrieben ist. Dort wird eine magnetische Quelle auf dem nicht-umlaufenden Motorabschnitt verwendet, um einen Strom in einer Wicklung zu induzieren, die auf der umlaufenden Nabe angebracht ist. Beide vorstehend be-

schriebenen Einrichtungen zur Lieferung elektrischer Leistung an die Nabe sind geeignet, wenn der Leistungsbedarf gering ist. Beide würden jedoch übermäßig schwer werden, wenn sie so groß gemacht werden sollen, daß sie Leistungen in dem Bereich von 15 bis 30 kW (20 bis 40 PS) liefern.

Die Steuereinrichtungen für derartige Turboprop-Triebwerke sind üblicherweise außerhalb der umlaufenden Nabe angeordnet. Die Steigungsverste]lungsarbeiten werden dabei durch Befehlssignale gesteuert, dii? außerhalb der Nabe erzeugt werden. Ein Versagen entweder der außenseitigen Leistungseinspeisung oder der Steuer- »I ' einrichtung könnte den Verlust der Steigungsverstellfunktion zur Folge haben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Propeller-Betätigungssystem zu schaffen. Dabei sollen Mittel vorgesehen sein, um elektrische Energie in der umlaufenden Nabe eines Propeller-Triebwerksystems zu erzeugen. Ferner soll ein autonomes Propellersystem geschaffen werden, bei dem die Leistungserzeugung und die Drehzahlregelung innerhalb der umlaufenden Nabe eines Propellermotors enthalten sind.

Gemäß der Erfindung weist eine umlaufende Nabe Mittel auf, um ( ) innerhalb der Nabe elektrische Energie zu erzeugen. Die Mittel weisen eine Welle auf, die sich in die Nabe erstreckt, so daß die Nabe und die Welle unterschiedlich drehbar sind. Die Mittel weisen ferner einen Generator mit einer magnetischen Einrichtung, die an der Welle befestigt ist, und Wicklungen auf, die an der Nabe für eine Rotation mit dieser befestigt sind. Die unterschiedliche Rotation von Nabe und Welle induziert einen elektrischen Strom in den Wicklungen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine umlaufende Nabe in einem Propeller-Triebwerkssystem mit der Antriebswelle des Motors über ein Getriebe verbunden. Die Mittel zum Erzeugen elektrischer Energie sind innerhalb der Nabe angeordnet. Diese Mittel weisen eine mit hoher Geschwindigkeit um-

t · I 1 I

laufende Rotorwelle auf, die sich durch das Getriebe hindurch in die Nabe erstreckt. Diese Mittel weisen ferner ein Magnetfeld erzeugende Mittel, die an der Rotorwelle befestigt und mit dieser drehbar sind, und Wicklungen auf, die mit der magnetischen Einrichtung magnetisch gekoppelt und an der Nabe für eine Rotation mit dieser befestigt sind. Die Rotation der Rotorwelle oder Nabe induziert einen elektrischen Strom in den Wicklungen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht von einem Propellersystern mit einem Ausführuncrsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine Querschnittsansicht von einem Propellersystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht von dem vorderen Abschnitt eines Propeller-Triebwerkssystems mit einer umlaufenden Nabe 10 und einem nicht-umlaufenden oder feststehenden Rahmen 12. Die Nabe 12 ist mit der Antriebswelle 16 des Motors bzw. des Triebwerks über Getriebemittel 18 verbunden. Die Antriebswelle 16 ist Teil der Triebwerksleistungskette und kann beispielsweise durch eine nicht-gezeigte Leistungsturbine angetrieben werden. Auf dem Umfang um die Nabe 10 herum und mit dieser drehbar sind Propellerschaufeln 14 angeordnet, deren Anstellwinkel verändert werden kann. Die Änderungsfähigkeit der Schaufelsteigung ist notwendig, um die durch die Schaufeln 14 gelieferte Antriebskraft zu steuern.

Innerhalb der umlaufenden Nabe 10 ist ein Betätigungssystem gezeigt. Das System enthält einen elektrischen Betätigungsmotor 20, der eine Motorausgangswelle 22 aufweist. Die Welle 22 ist mit einem Untersetzungsgetriebe 24 verbunden, das den Schaft 26 der Schaufel 14 für eine Anstellwinkelsteuerung dreht. Ein Untersetzungsgetriebe, wie es in Figur 1 gezeigt ist, ist allgemein-

bekannt. Die wesentlichen Merkmale des Untersetzungsgetriebes 24 bestehen darin, daß es den Betätigungsmotor 20 mit den Schaufeln 14 verbindet und für die geeignete Drehzahluntersetzung sorgt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Motor 20 und die Motorwelle 22 und auch das Untersetzungsgetriebe 24 und die Propellerschaufeln 14 jeweils mit der Nabe 10 umlaufen. Infolgedessen ist jedes Teil feststehend relativ zu den anderen, so daß eine Schaufelbetätigung nur auftritt, wenn der Motor 20 gespeist wird.

Das Betätigungssystem enthält ferner eine Generatoreinrichtung 28, die teilweise durch die Rotorwelle 30 angetrieben wird. Der Generator 28 weist ein Magnetfelderzeugende Mittel 34, beispielsweise Permanentmagnete, und Wicklungsmittel 32 auf, die magnetisch mit der Magneteinrichtung gekoppelt sind. Mit "Wicklungsmittel" ist irgendein leitfähiges Material gemeint, das eine elektromotorische Kraft bei einem zeitveränderlichen Magnetfeld erzeugen kann. Die Wicklungsmittel 32 sind an der Nabe 10 befestigt und laufen mit dieser um. Die magnetischen Mittel 34 sind an der Rotorwelle 30 befestigt und sind mit dieser drehbar. Die Rotorwelle 30 erstreckt sich von einer Position hinter der Nabe 10 durch das Getriebe 18 hindurch und in die Nabe 10 hinein. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das hintere Ende der Rotorwelle 30 an einem Ritzel 36 befestigt, das mit einem Zahnrad 38 auf der Triebwerksantriebswelle 16 kämmt. Die Rotorwelle 30 rotiert nicht mit der Nabe 10. Vielmehr laufen beide unabhängig voneinander um und sind deshalb unterschiedlich drehbar. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Welle 30 eine mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Rotorwelle, was bedeutet, daß ihre Drehgeschwindigkeit diejenige der Nabe übersteigt. Die Welle 30 braucht nicht durch die Triebwerksantriebswelle 16 über Zahnräder 36 und 38 angetrieben zu werden, wie es vorstehend beschrieben ist, sondern alternativ könnte sie selbst die Hauptantriebswelle des Triebwerks bzw. des Motors sein.

Das Betätigungssystem kann auch geeignete elektrische Verbindungen und Steuereinrichtungen aufweisen. Die elektrische Lei-

stung von dem Generator 28 wird der MotorSteuereinrichtung 40 über eine elektrische Verbindung 42 zugeführt. Die Steuereinrichtung enthält Triebwerkssteuermittel 44, die außerhalb der umlaufenden Nabe 10 angeordnet sind/ Motorsteuermittel 40/ die innerhalb der Nabe angeordnet sind, und Signalmittel 46 zum Übertragen der Signale von der Triebwerksteuereinrichtung 44 zur Motorsteuereinrichtung 40. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Signalisierungsmittel 46 einen umlaufenden Faseroptikkoppler auf. Es können auch alternative Signalisierungsmittel verwendet werden, wie beispielsweise elektrische Signale über übliche Schleifringe, HF-Übertragung oder magnetische Induktion.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Drehzahlfühler 50 verwendet, der in dem hinteren Abschnitt der Nabe

so angeordnet ist, daß er auf den feststehenden Rahmen 12 gerichtet ist. Die Funktion des Drehzahlfühlers 50 besteht darin, die Drehgeschwindigkeit der Nabe 10 zu messen, an der er befestigt ist. Diese Information wird auf die Motorsteuerung 40 durch eine elektrische Verbindung 52 übertragen. Drehzahlfühler sind bekannt und können auf optische, magnetische oder andere Weise arbeiten.

Im Betrieb dreht die Antriebswelle 16, die über das Getriebe wirksam wird, die Nabe 10, die Schaufeln 14 und die verschiedenen Komponenten des Betätigungssystems innerhalb der Nabe Weiterhin laufen die vorstehend genannten Elemente als eine Einheit um, d. h. mit der gleichen Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu rotiert die Rotorwelle 30 zusammen mit der magnetischen Einrichtung 34 mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit. Diese unterschiedliche Rotation induziert einen elektrischen Strom in der Wicklung 32. Die Größe des erzeugten Stroms ist eine Funktion des Unterschieds der Rotation. Bei Anwendungen in dem Bereich von 15 bis 30 kW (20 bis 40 PS) hat die Rotorwelle 30 eine hohe Drehzahl relativ zur Nabenrotation. Beispielsweise kann die Rotorwelle 30 mit einer Drehzahl von 20 000 bis 30 000 U/min umlaufen, während die Nabe eine Dreh-

zahl in der Größenordnung von 1100 U/min haben kann. Es sei darauf hingewiesen, daß ein elektrischer Strom in der Wicklung induziert wird, wenn entweder die Rotorwelle 30 oder die Nabe umläuft.

Die Wicklung 32 ist mit der Motorsteuerung 40 durch die elektrische Verbindung 42 verbunden. Die Motorsteuerung 40 steuert die elektrische Energie zum Betätigungsmotor 20, nachdem sie das entsprechende Signal von der Triebwerkssteuerung 44 oder den Drehzahlfühler 50 erhalten hat, wenn eine selbsttätige Regelung verwendet wird. Die Triebwerkssteuerung erzeugt Steigungssteuersignale in Abhängigkeit von verschiedenen Systemparametern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden diese Signale in Form von Faseroptiksignalen geliefert, die die feststehende/umlaufende Grenzfläche mittels eines optischen Schleifrings überqueren. Im eingeschalteten Zustand dreht der Motor die Motorwelle 22, die das Untersetzungsgetriebe antreibt, um den Anstellwinkel der Schaufeln 14 zu verändern.

Das vorstehend beschriebene Betätigungssystem kann durch die Triebwerkssteuereinrichtung 44 oder durch eine selbsttäige Regelung geregelt werden, die in der Nabe 10 enthalten ist. Bei einer Regelung wird ein vorbestimmtes Signal oder dessen Fehlen

die
durch/Motorsteuereinrichtung 40 empfangen. Dieses Signal weist die Motorsteuereinrichtung 40 an, den geregelten Betrieb zu beginnen, indem die Drehgeschwindigkeit auf einem vorgewählten oder angewiesenen Wert gehalten wird. Die Motorsteuereinrichtung 40 empfängt dann Nabendrehzahlsignale von dem Drehzahlfühler 50. Die Motorsteuerung 40 regelt die Schaufelanstellung unabhängig von der Triebwerkssteuerung 44, um eine relativ konstante Nabendrehzahl aufrechtzuerhalten. Die Regelung endet, wenn ein Abschaltsignal oder das Ende des Betätigungssignals, wie es auuh immer programmiert sein mag, von der Triebwerkssteuerung 44 empfangen wird. Diesbezüglich sind dem Fachmann viele Möglichkeiten für Regelsysteme bekannt. Durch die Energieerzeugung und Steuerung innerhalb der Nabe ist eine bessere autonome Regelung und Redundanz der Steuerung

..■■■"\

•••I · *·

_·γ·_· *'·· ^: 3437668

als bei bekannten Systemen erzielbar.

Es gibt noch weitere Möglichkeiten für eine Verwendung der so erzeugten elektrischen Energie und zur Steuerung des Propellersystems. Beispielsweise kann eine Enteisung der Schaufeln erreicht werden, indem der elektrische Strom durch geeignet angeordnete Heizspulen geleitet wird. Die Enteisungsfuhktion kann durch die Motorsteuerung 40 auf einer Zeitteilungsbasis mit der Anstellungsänderung gesteuert werden. Es ist wahrscheinlich vorteilhaft, daß die Schaufelverstellung Priorität hat gegenüber der Enteisung, die zu anderen Zeiten erfolgt.

Figur 2 zeigt ein Propellersystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Leistungseinheit 48 kombiniert den Betätigungsmotor 20 und den Generator 28 innerhalb eines einzigen Gehäuses. Der Generator 28 ist axial vor dem Untersetzungsgetriebe 24 anc ^.ordnet. Die Ausgangswelle 22, die mit dem Untersetzungsgetriebe 24 verbunden ist, ist koaxial mit der Rotorwelle 20. Selbstverständlich sind viele andere Anordnungen von Motor 20 und Generator 28 möglich, d. h. alternative Anordnungen dieser Komponenten innerhalb der umlaufenden Nabe.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Betätigungssysteme in gleicher Weise in irgendeinem umlaufenden Rahmen angeordnet sein. Dazu gehören beispielsweise Hubschrauberköpfe und ähnliche Rotorschaufelsysteme. Demzufolge soll der Begriff "Propellertriebwerkssystem, wie er hier verwendet wird, derartige Anwendungsfälle einschließen. Zusätzlich cind viele andere physikalische Anordnungen von Generator und Betätigungseinrichtung möglich.

Claims

Ansprüche

1. Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie innerhalb einer umlaufenden Nabe,

dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Rotorwelle (30) in die Nabe (10) erstreckt, wobei die Nabe (10) und die Rotorwelle (30) mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen, und daß eine Generatoreinrichtung (28) magnetische Mittel (34), die an der Rotorwelle (30) befestigt sind,und Wicklungsmittel (32) aufweist, die an der Nabe (10) für eine Rotation mit dieser befestigt sind, wobei die unterschiedliche Rotation einen elektrischen Strom in den Wicklungsmitteln (32) induziert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, für ein Propellertriebwerkssystem,

dadurch gekennzeichnet, daß eine mit hoher Drehzahl umlaufende Rotorwelle (30) sich über ein

Getriebe (24) in die Nabe (10) erstreckt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 für ein Schaufelbetätigungssystem in einem Propellertriebwerkssystem mit anstellungsvariablen Propellerschaufeln/ dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Betätigungsmotor (20) in der Nabe (10) für eine Rotation mit der Nabe angebracht ist, eine mit hoher Drehzahl umlaufende Rotorwelle (30) sich über das Getriebe (24) in die Nabe (10) erstreckt und die Generatoreinrichtung (28) eine ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung (34), die an der Rotorwelle (30) befestigt ist und mit dieser drehbar ist, und eine Wicklung (32) aufweist, die mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung (34) magnetisch gekoppelt, an der Nabe für eine Rotation mit dieser befestigt und elektrisch mit dem Motor (20) verbindbar ist, wobei die Rotation der Rotorwelle (30) oder der Nabe (10) einen elektrischen Strom in der Wicklung (32) induziert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3 mit einer Regelung für den Anstellwinkel der Propellerschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotorsteuereinrichtung (40) in der Nabe (10) angeordnet ist zum Steuern der dem Motor (20) zugeführten elektrischen Energie, eine Triebwerkssteuereinrichtung (44) in einem feststehenden Rahmen angeordnet ist zum Erzeugen von Anstellungssteuersignalen in Abhängigkeit von Triebwerksparametern und eine Signaleinrichtung (46)/,die Signale von der Triebwerkssteuereinrichtung (44) zur Motorsteuereinrichtung (40) überträgt. /vorgesehen ist,

5. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlfühler (50) zum Messen der Drehgeschwindigkeit der Nabe (10) vorgesehen ist,und daß die Motorsteuerungeinrichtung (40) die Nabendrehzahlsignale von dem Drehfühler (40) empfängt und die Schaufelsteigung steuert unab-

hängig von der Triebwerkssteuereinrichtung (44) derart, daß die Nabendrehzahl relativ konstant gehalten ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleinrichtung (46) einen umlaufenden Faseroptikkoppler aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Untersetzungsgetriebe (24) den Betätigungsmotor (20) mit den variablen Schaufeln (14) verbindet.

8. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (30) sich durch das Untersetzungsgetriebe (24) erstreckt.

9. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinrichtung (28) zwischen einem Getriebe (36, 38) und dem Untersetzungsgetriebe (24) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinrichtung (28) vor dem Untersetzungsgetriebe (24) angeordnet ist.