DE69623726T2

DE69623726T2 - Propellerantriebseinheit für Flugzeuge

Info

Publication number: DE69623726T2
Application number: DE69623726T
Authority: DE
Inventors: Paolo Ballocchi; Mario Beretta; Gianni Fumagalli
Original assignee: Tecom Srl
Current assignee: Tecom Srl
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: HU9603281D0; AU7401896A; EP0776820A1; IT1276180B1; EP0776820B1; HUP9603281A2; ATE224321T1; SI0776820T1; DE69623726D1; ITMI952519A1; ITMI952519A0; ES2180685T3; US5971322A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen.
Luftfahrzeuge im allgemeinen, die keine Düsenantriebssysteme verwenden, sind herkömmlicher Weise mit einem oder mehreren Propellern ausgestattet, die die vom Motor gelieferte Energie in Zug umsetzen.
Die normalerweise verwendeten Propeller sind verschiedenartig, wie beispielsweise Druck- oder Zugpropeller mit fester oder variabler Neigung, und sie sind mit Luftführung versehen; diese Propeller bestehen darüber hinaus aus zwei oder mehr Blättern, die so angeordnet sind, dass sie auf der Propellerachse sowohl die Wirkung der Zentrifugalkraft ausgleichen, die durch die Rotation des Propellers erzeugt wird, als auch die Momente, die von den aerodynamischen Kräften hervorgerufen werden, die durch die Relativgeschwindigkeit des Blatts im Hinblick auf die Luft erzeugt wird.
Propeller mit nur einem einzigen Blatt werden ausschließlich auf dem Gebiet der fliegenden Modellflugzeuge eingesetzt, d. h. mit Triebwerken, die extrem geringe Nenndauerleistungen aufweisen.
Die Verwendung eines Einzelblattpropellers wäre sicherlich in vielen Anwendungen bei Luftfahrzeugen nützlich, denn man könnte damit den Wirkungsgrad der Propeller verbessern und über eine beträchtliche konstruktive Vereinfachung verfügen; dennoch war diese Art von Verwendung bislang nicht machbar, da alle Probleme, die sich aus der Kompensation der radial gerichteten Kräfte, der Massenkräfte und der aerodynamischen Kräfte mit deren entsprechenden Momenten ergeben, die durch die Relativgeschwindigkeit des Blatts im Hinblick auf die Luft erzeugt werden, nicht gelöst wurden. Diese Faktoren, die sich auch ändern, wenn sich die Relativgeschwindigkeit des Blatts im Hinblick auf die Luft verändert, erzeugen bedenkliche Belastungen und Vibrationen, die zu Ausfall durch Ermüdung führen könnten, insbesondere wenn beträchtliche Massen im Spiel sind.
Dementsprechend wurde die Verwendung einer Antriebseinheit mit Einzelblattpropellern nie praktisch weiterverfolgt.
Die US-A-1485788 offenbart einen Luftfahrzeugpropeller mit einer Nabe a, die mit einer Antriebswelle b, c verbunden ist, und ein Paar Blätter g, die so mit entgegengesetzten Enden der Nabe verbunden sind, dass sie in Längsrichtung auf der Achse des Propellers versetzt sind und sich so von der Nabe in Richtungen erstrecken, die voneinander um 180º entfernt sind. Eines der Blätter g kann irgendeine andersgeartete Masse sein, die sich dazu eignet, für das andere Blatt als Gegengewicht zu wirken. Es ist auch ein Gyroskopstabilisator vorgesehen, der aus vier Körpern i gleicher Masse besteht, die sich gleich beabstandet um die Nabe erstrecken in einer Mittelebene, die sich zwischen den beiden Endebenen erstreckt, in der sich die Blätter g (oder das einzelne Blatt g und die Gegengewichtsmasse) drehen.
Die FR-968710 offenbart einen Luftfahrzeugpropeller, der ein Blatt oder mehr Blätter (1, 6, 7, 8) umfasst, das/die mit der Propellerwelle (3) verbunden ist/sind und eine Verlängerung (2) aufweist/aufweisen, die sich um 180º von der Verlängerung des Blattes auf der anderen Seite der Welle erstreckt, und mit der eine Gegengewichtsmasse (4, 10, 11, 12) verbunden ist.
Die GB-A-462037 offenbart einen Einzelblatt-Luftpropeller, bei dem die Zentrifugalkraft durch ein Gegengewicht ausgeglichen wird, das auf der Welle des Propellers an der dem Blatt entgegengesetzten Seite angebracht ist, und bei dem das Biegemoment, das durch den Schub erzeugt wird dadurch ausgeglichen wird, dass das Blatt drehbar gelagert und das Gegengewicht dadurch auf der Welle um eine Drehgelenkachse gehaltert ist, die sich in einer Ebene befindet, die senkrecht zur Rotationsachse und quer zur Achse des Blatts ist.
Die FR-A-918819 offenbart einen Luftfahrzeugpropeller mit zwei Blättern (11, 12), die mit der Propellerwelle (10) so verbunden sind, dass sie sich in derselben Ebene in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, mit einem Paar Gegengewichtsmassen (16, 17), die so mit der Welle verbunden sind, dass sie sich in jeweilige parallele Ebenen, die sich an entgegengesetzten Seiten der Mittelebene der Blätter befinden, in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, und mit einer dritten Gegengewichtsmasse (21), die mit der Welle verbunden ist und sich in der Mittelebene der Blätter senkrecht zur Erstreckung der Blätter erstreckt.
Ein Hauptziel der Erfindung ist es, das obige Problem zu lösen, indem eine Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen bereitgestellt wird, die die Verwendung eines Einzelblattpropellers zulässt, ohne Ungleichgewichte der beteiligten Kräfte aufzuweisen, die Vibrationen oder Belastungen erzeugen könnten.
Im Rahmen dieses Ziels ist es eine besondere Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinheit bereitzustellen, bei der es möglich ist, jedwede Ungleichgewichte in den Kräften automatisch auszugleichen, indem jederzeit mit einem System gearbeitet wird, das ausgeglichen ist und sich als solches niemals in abnormalen Betriebszuständen befindet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen bereitzustellen, die dank ihrer besonderen konstruktiven Merkmale die höchste Sicherstellung an Zuverlässigkeit und Sicherheit zu geben vermag.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen bereitzustellen, die ausgehend von allgemein im Handel erhältlichen Elementen und Materialien auf einfache Weise erhalten werden kann, und darüber hinaus von einem rein wirtschaftlichen Gesichtspunkt her wettbewerbsfähig ist.
Erfindungsgemäß wird eine wie in den beigefügten Ansprüchen definierte Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen bereitgestellt.
Die besonderen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einiger bevorzugter aber nicht ausschließlicher Ausführungsformen einer Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen deutlich, die in den begleitenden Zeichnungen nur als nichteinschränkendes Beispiel wiedergegeben sind. Darin ist:
Fig. 1 eine Schemaansicht einer Antriebseinheit mit einem Einzelblattpropeller und einem versetzten Gegengewicht;
Fig. 2 ist eine Ansicht einer Antriebseinheit, bei der das Blatt, die Nabe und das Gegengewicht im Hinblick auf die Welle schwingen können;
Fig. 3 ist eine Schemaansicht einer Antriebseinheit, bei der das Blatt im Hinblick auf die Nabe drehbar gelagert ist;
Fig. 4 ist eine Schemaansicht einer Antriebseinheit, bei der die Nabe im Hinblick auf die Welle drehbar gelagert und das Gegengewicht an der Welle feststehend ist;
Fig. 5 ist eine Schemaansicht einer Antriebswelle, bei der das Blatt um eine Achse drehbar ist, die im wesentlichen parallel zu seiner eigenen Achse ist;
Fig. 6 ist eine Ansicht einer Antriebseinheit, bei der das Blatt um seine eigene Achse drehbar ist;
Fig. 7 ist eine Schemaansicht der Antriebseinheit nach der Erfindung, die an einem motorbetriebenen Gleiter angebracht ist;
die Fig. 8 und 9 sind Schemaansichten des Versatzes des Gegengewichts im Hinblick auf die Achse des Blatts;
die Fig. 10 und 11 sind Schemaansichten der Möglichkeit, den axialen Versatz zu variieren, bei denen die Schwingungen übertrieben dargestellt wurden, um den Grundgedanken zu verdeutlichen.
Mit Bezug auf obige Figuren umfasst die Propellerantriebseinheit nach der Erfindung für Luftfahrzeuge im allgemeinen eine Rotationswelle 1, die durch einen in den Zeichnungen nicht dargestellten Motor angetrieben ist.
Das Einzelblatt 2 und ein Gegengewicht 3 sind mit der Welle 1 verbunden.
Um das Problem des Ungleichgewichts zu lösen, das durch das durch die Zugkraft erzeugte Moment hervorgerufen wird, ist der Schwerpunkt des Gegengewichts im Hinblick auf die Schwerpunktachse des Blatts axial versetzt, um ein neues Moment zu erzeugen, das allerdings durch die Zentrifugalkräfte erzeugt wird, und das in der Lage ist, das vorhergehende Moment auszugleichen.
Um den Grundgedanken besser zu verdeutlichen sollte Bezug auf die Diagramme der Fig. 8 und 9 genommen werden, in denen Fcp die Zentrifugalkraft am Blatt, Fcc die Zentrifugalkraft am Gegengewicht, Ft die Zugkraft, und Fr die Widerstandskraft des Blatts bezeichnet.
Wie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, ist es notwendig, um das durch die Zugkraft Ft erzeugte Moment auszugleichen, ein Moment zu erzeugen, das es ausgleicht, und dies wird dadurch erzielt, dass das Gegengewicht 3, wie in Fig. 8 gezeigt ist, entlang der Achse von Welle 1 axial versetzt wird, wohingegen zum Ausgleich der Widerstandskraft des Blatts, wie in Fig. 9 gezeigt, ein axialer Versatz durch eine Winkelverschiebung des Gegengewichts 3 auf der Ebene erzeugt wird, die es durch die Rotation verfolgt; auf diese Weise wird das Gegengewicht, wenn auch nur leicht, aus einer Position verschoben, die im Hinblick auf das Blatt genau diametral ist.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, stellt Fig. 1 eine Lösung mit einem Gegengewicht 3 dar, das einen festen axialen Versatz aufweist, wobei diese Lösung in den Diagrammen 8 und 9 im Konzept dargestellt ist.
Diese Lösung erlaubt es, das Problem des Ungleichgewichts der beteiligten Kräfte unter konstanten Flugbedingungen zu lösen.
Dennoch, selbst wenn der Betrieb bei einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit stattfindet, sind Flugbedingungen variabel, und insbesondere kann der Zugkoeffizient, und deshalb der Wert dieser Zugkraft erheblich schwanken.
Die Schwankung erzeugt ein Ungleichgewicht, da das durch den axialen Versatz erzeugte Ausgleichsmoment unveränderlich ist und deshalb die Veränderung bei der Zugkraft nicht berücksichtigt.
Um dieses Problem zu lösen, sieht die vorgeschlagene Lösung eine Änderung bei dem axialen Versatz vor, um das Einzelblattsystem auszugleichen.
Wie in den Diagrammen der Fig. 10 und 11, worin d den axialen Versatz bezeichnet, schematisch gezeigt ist, ist ein Ergebnis der vorliegenden Erfindung herausgestellt, nämlich, wenn die Zugkraft Ft variiert, eine Änderung im axialen Versatz d auszunutzen, was dadurch erzielt wird, dass es dem Einzelblattpropeller erlaubt wird, im Hinblick auf die Welle mittels eines Drehgelenks zu schwingen, das die Ausbildung eines, wenn auch kleinen, Winkels α zulässt. Wie schematisch in Fig. 11 dargestellt ist, ist es somit offensichtlich, dass sich, wenn sich die Zugkraft Ft verändert, auch der axiale Versatz d ändert, und dementsprechend auch das sich ergebende Gleichgewichtsmoment verändert wird.
In der Praxis wird deshalb eine Vorrichtung bereitgestellt, die das Blatt, die Weile, die Nabe und das Gegengewicht untereinander verbindet und in der Lage ist, unter Ausnutzung der Zentrifugalkräfte ein weiteres entgegengesetztes Moment zu erzeugen, das sich verändert, wenn sich der Zugkoeffizient verändert.
Um die durch die Zentrifugalkräfte erzeugte Bewegung zu erzielen und zu steuern, wurde deshalb der entlang der Rotationsachse zwischen dem Schwerpunkt des Blatts und dem Schwerpunkt des Gegengewichts gemessene Abstand verändert, wodurch eine Veränderung bei dem Abstand hergestellt wurde, der eine Funktion des Ungleichgewichts ist, um das beabsichtigte wesentliche Gleichgewicht zu erzielen.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Abstand mittels eines Drehgelenks 10 verändert, das es der Nabe 4, dem Blatt 2 und dem Gegengewicht 3, die starr an der Nabe vorgesehen sind ermöglicht, sich um eine Achse zu drehen, die senkrecht zur Welle 1 ist.
Vom Blickpunkt der konzeptuellen Auslegung her werden die beteiligten Zentrifugalkräfte, die extrem groß sind, auf die Nabe 4 abgegeben, wohingegen das von der Weile auf den Propeller übertragene, gemäßigtere Drehmoment an das Drehgelenk 10 abgegeben wird.
Somit wird eine Lösung vorgeschlagen, die in der Lage ist, die Anforderung nach der Anpassung des axialen Versatzes zu erfüllen, ohne übermäßigen konstruktiven Aufwand aufzuweisen.
In der Ausführungsform von Fig. 3 sind die Nabe 4 und das Gegengewicht 3 starr mit der Welle 1 verbunden, während das Blatt 2 drehbar an der Nabe 4 gelagert ist, wodurch eine konzeptuelles Diagramm erhalten wird, das dem vorhergehenden ähnlich ist.
Vom Blickpunkt der konzeptuellen Auslegung her, unterliegt das Drehgelenk 10 des Blatts sowohl beinahe dem gesamten Drehmoment, das von der Welle auf den Propeller übertragen wird, als auch dem Großteil der Zentrifugalkraft, der das Blatt unterliegt.
Die oben beschriebene Lösung zieht deshalb größere strukturelle und konstruktive Probleme nach sich, weist aber den Vorteil auf, dass es wahlweise möglich ist, das Blatt 2, wenn es nicht gebraucht wird, nach hinten zu klappen, um zu verhindern, dass ein Bewegungswiderstand entsteht.
Eine Zwischenlösung, die vom Konzept her mit den vorhergehenden verbunden ist, ist in Fig. 4 gezeigt; in dieser Lösung ist das Gegengewicht 3 an der Welle 1 angeordnet, und die Nabe 4 ist mit dem Blatt starr verbunden und im Hinblick auf die Welle 1 drehbar gelagert.
Nach einer anderen Ausführungsform kann der axiale Versatz, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, erzielt werden, indem das Einzelblatt 2 um eine Achse verschoben wird, die im wesentlichen parallel zur Achse des Blatts 2 und im wesentlichen senkrecht zur Welle 1 ist.
Diese Veränderung im Betrag des axialen Versatzes kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, dadurch erzielt werden, dass das Blatt 2 um eine Zweitwelle 15 gedreht wird, die parallel zur Achse des Blatts 2 ist, und deshalb ist es möglich, sowohl den axialen Versatz als auch die Neigung des Blatts 2 zu verändern, und deshalb wird der Zug des Antriebssystems verändert, ohne dass die Drehzahl des Motors verändert wird, wodurch eine gleichzeitige Anpassung der Neigung des Blatts 2 und eine Veränderung des Ausmaßes des axialen Versatzes zwischen der Achse des Schwerpunkts des Blatts 2 und dem Schwerpunkt des Gegengewichts 3 erzielt wird.
Diese Lösung bringt erhebliche Vorteile mit sich, wie einen Flugzustand, der theoretisch immer für den maximalen Wirkungsgrad des Propellers sorgt, und zieht konstruktive Schwierigkeiten nach sich, die im Hinblick auf die vorher beschriebenen beträchtlich sind.
Eine andere Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt ist, ändert die Neigung des Blatts 2 und damit Fp, anstatt auf einen axialen Versatz zurückzugreifen.
In diesem Falle heben sich die entgegengesetzten Momente auf, während der Zugbetrag jederzeit konstant gehalten wird.
In der Praxis dreht sich das Blatt 2 um seine eigene Achse, stellt damit eine Lösung bereit, die sicherlich einfach aber mit der Einschränkung behaftet ist, dass sie einen Zugbetrag bereitstellt, der theoretisch immer konstant ist.
Aus der obigen Beschreibung ist es somit offensichtlich, dass die Erfindung das beabsichtigte Ziel und die Aufgaben erzielt, und insbesondere wird die Tatsache hervorgehoben, dass eine Einzelblattantriebseinheit vorgesehen ist, die einen Ausgleich der sich ergebenden Ungleichgewichte in einer sehr einfachen Weise zulässt, wodurch diese Art von Antriebseinheit besonders geeignet für die Anwendung bei motorbetriebenen Segelflugzeugen ist, bei denen es notwendig ist, die Antriebseinheit einzuziehen, wenn die Segelflughöhe erreicht wurde.
Bei herkömmlichen Lösungen wird entweder ein feststehender Zweiblattpropeller verwendet, der das Vorsehen einer Ausnehmung notwendig macht, die zweimal so groß ist wie die des Einzelblattpropellers, oder es werden klappbare Zweiblattpropeller verwendet, die vom Aufbau her kompliziert und nicht sehr effizient sind.
Wo in einem Anspruch erwähnte technische Merkmale von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese Bezugszeichen einzig zum Zweck der erhöhten Verständlichkeit der Ansprüche eingefügt, und demnach haben solche Bezugszeichen keinerlei einschränkende Wirkung auf das jeweilige Element, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet wurde.

Claims

1. Propellerantriebseinheit für Luftfahrzeuge im allgemeinen, umfassend:

eine von einem Motor angetriebene Rotationswelle (1), wobei die Rotationswelle eine Rotationsachse aufweist;

einen Einzelblattpropeller (2) mit einer Längsschwerpunktachse, wobei der Einzelblattpropeller (2) derart mit der Welle verbunden ist, dass sich sowohl die Rotationsachse der Welle als auch die Längsschwerpunktachse des Einzelblattpropellers (2) in einer zentralen Ebene erstrecken, und derart, dass eine orthogonale Ebene definiert ist, die die Längsschwerpunktachse enthält, und die sich senkrecht zur zentralen Ebene erstreckt; und

ein einzelnes mit der Welle (1) verbundenes Gegengewicht (3), wobei das Gegengewicht (3) vorgesehen ist, um das durch die Zentrifugalkraft erzeugte Moment auszugleichen und im Hinblick auf die Längsschwerpunktachse des Einzelblattpropellers (2) versetzt ist, um das durch aerodynamische Kräfte erzeugte Moment des Einzelblattpropellers (2) auszugleichen, wobei das einzelne Gegengewicht (3) derart angeordnet ist, dass der Schwerpunkt des Gegengewichts (3) im Hinblick auf die orthogonale Ebene zu einer Seite der orthogonalen Ebene hin versetzt angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass das einzelne Gegengewicht (3) derart angeordnet ist, dass der Schwerpunkt des einzelnen Gegengewichts (3) im Hinblick auf die zentrale Ebene zu einer Seite der zentralen Ebene hin versetzt angeordnet ist, und dass das einzelne Gegengewicht (3) das einzige Gegengewicht der Einheit ist, so dass keine anderen Gegengewichte im Hinblick auf die orthogonale Ebene und im Hinblick auf die zentrale Ebene versetzt angeordnet sind.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ dazu, dass das einzelne Gegengewicht (3) im Hinblick auf die Längsschwerpunktachse des Einzelblattpropellers (2) versetzt ist, der Einzelblattpropeller (2) im Hinblick auf die Welle (1) beweglich ist, um das durch die Traktionskraft des Einzelblattpropellers (2) erzeugte Moment auszugleichen.

3. Antriebseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Drehgelenk (10; Fig. 2) umfasst, um eine Nabe (4; Fig. 2) um eine Achse drehbar zu lagern, die senkrecht zu der Rotationswelle (1) ist, wobei das Blatt (2) und das Gegengewicht (3) von der Nabe (4; Fig. 2) hervorstehen.

4. Antriebseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nabe (4, Fig. 3) umfasst, die an der Welle (1) und dem Gegengewicht (3) starr angekoppelt ist, wobei das Blatt (2) an der Nabe (4; Fig. 3) um eine Achse drehbar gelagert ist, die senkrecht zu der Achse der Welle (1) ist.

5. Antriebseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nabe (4; Fig. 4) umfasst, die an der Welle (1) drehbar gelagert und an das Blatt (2) starr angekoppelt ist, wobei das Gegengewicht (3) an der Welle (1) starr angekoppelt ist.

6. Antriebseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (2; Fig. 5) um eine Nebenwelle (15) drehbar ist, die parallel zu der Achse des Blattes (2; Fig. 5) ist.

7. Antriebseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (2; Fig. 6) um seine eigene Achse drehbar ist, um die Steigung des Einzelblattpropellers zu variieren.