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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Propellersystem, aufweisend zwei hintereinander angeordnete und durch einen Propellerspalt voneinander getrennte Propeller, ein Verfahren zum Erfassen des Schubs eines Propellersystems mit zwei hintereinander angeordneten und durch einen Propellerspalt voneinander getrennten Propeller sowie einen Windkanal mit einem darin angeordneten und ein solches Propellersystem aufweisenden Modell.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Um Propellerkräfte an Windkanalmodellen zu bestimmen, werden üblicherweise Propellerkraftwaagen in Form rotierender Kraftmesseinrichtungen eingesetzt, die auch unter dem englischen Begriff „rotating shaft balances” (RSB) bekannt sind und zwischen dem Propeller und einer Antriebswelle angeordnet werden. Neben den in der Rotationsebene auftretenden Kräfte und Momente können auch die Schubkraft und das durch den Widerstand des Propellers induzierte Drehmoment an der Propellerwelle bestimmt werden, die senkrecht zu der Rotationsebene verlaufen.
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Die Bestimmung der Schubkraft eines Propellers bildet eine Besonderheit bei der Bestimmung von Propellerkräften, denn durch die Rotation des Propellers bildet sich in einem Spalt zwischen der Propellernabe und der daran anschließenden Antriebseinrichtung oder einem anderen feststehenden Körper ein Luftdruckprofil, welches von der Kraftmesseinrichtung als ein scheinbarer Schub erfasst wird. Um diesen scheinbaren Schub zu bestimmen, werden an einer feststehenden und zu der Propellernabe gerichteten Fläche Drucksensoren angeordnet, die den Druck bzw. die Druckverteilung im Spalt bestimmen. Aus dieser Druckverteilung und Kenntnis der diesem Luftdruck ausgesetzten Fläche wird der scheinbare Schub bestimmt, der von dem gemessenen Schub der Kraftmesseinrichtung subtrahiert wird, so dass schließlich die aerodynamisch verursachten Propellerkräfte ermittelbar sind.
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Bei kontrarotierenden Propellersystemen mit zwei Propeller befindet sich nicht nur ein Spalt an einer Seite eines einzelnen Propellers, sondern es liegen insgesamt drei Spalte vor, in denen sich ein solches Luftdruckprofil aufbaut. Die Messung von Druckverteilungen in den Spalten solcher kontrarotierenden Propellersysteme ist jedoch recht aufwendig.
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DE 33 40 516 A1 und
US 7 565 269 B2 offenbaren Verfahren zur Korrektur von Nettoschubmessungen von Flugtriebwerken, bei denen Widerstände subtrahiert werden, die von der Luftströmung in das Triebwerk und durch eine Prüfzelle hindurch abhängen.
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US 4 788 855 A offenbart eine Vorrichtung zum Ermitteln des Schubs eines Triebwerks, aufweisend eine Kraftnmesseinrichtung und ein Dynamometer.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Propellersystem vorzuschlagen, das kontrarotierende Propeller aufweist und technisch und mechanisch möglichst einfach eine präzise Bestimmung des Gesamtschubs unter Kompensation von oben genannten Spaltphänomenen erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Propellersystem, aufweisend zwei hintereinander angeordnete und durch einen Propellerspalt voneinander getrennte Propeller mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Verwendung feststehender Druckerfassungssensoren zum Bestimmen von Druckverteilungen in Propellerspalten ist bei Propellersystemen mit zwei kontrarotierenden Propellern sehr aufwändig, da stets ein feststehendes, nicht rotierendes Gegenstück zur Aufnahme von Drucksensoren notwendig ist. Dies ist für Spalte zwischen zwei kontrarotierenden Propellern praktisch nicht möglich. Der Kern der Erfindung liegt deutlich vom Stand der Technik abweichend darin, für jeden Propeller, statt für jeden Spalt, mindestens einen Drucksensor einzusetzen. Dieser Drucksensor ist dabei als ein Differenzdrucksensor eingerichtet, der den Differenzdruck über die Propellernabe, d. h. zwischen der Saugseite und der Druckseite des Propellers, ermittelt.
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Ein Propeller im Sinne der Erfindung ist als eine rotierende Propellernabe mit daran angeordneten Propellerblättern und einer Propellerkraftwaage (RSB) aufzufassen, wobei die RSB an oder in der Propellernabe angeordnet sein könnte.
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Zwischen kontrarotierenden Propeller eines Windkanal-Flugmodells und zwischen den Propeller und feststehenden Anschlussbauteilen handelt es sich üblicherweise nicht um zwei einfache, plane Flächen mit einem definierten, konstanten Abstand zueinander. Vielmehr rotieren in radialer Richtung unregelmäßig geformte Körper, die einen teilweise offenen Querschnitt aufweisen. Es kann daher durchaus eine Durchströmung durch die Öffnungen des Querschnitts auftreten, durch die sich Druckverhältnisse über dem Radius ändern können.
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Ein an einer Propellernabe oder RSB angeordneter Differenzdrucksensor kann dabei stets den Differenzdruck zwischen dem Propellerspalt und der Propellerseite bestimmen, die von dem mittleren Propellerspalt zwischen den beiden kontrarotierenden Propeller abgewandt ist. Demnach kann durch diese Einrichtung von einer Antriebsseite der Differenzdruck zum mittleren Propellerspalt und gleichzeitig der Differenzdruck ausgehend von diesem mittleren Propellerspalt zur Saugseite des Propellersystems ermittelt werden. Dadurch können jeweils die Druckdifferenzen, die zu einem rechnerischen, spaltinduzierten Schubanteil führen, ermittelt werden, so dass die daraus resultierende „falsche” Schubkraft aufgrund der Kenntnis der jeweiligen mit den Differenzdrücken beaufschlagten Flächen aus der Summe der durch die Kraftmesseinrichtungen erfassten Schubkräfte herausgerechnet werden können.
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Die Differenzdrucksensoren können bei einer solchen Vorgehensweise nur als mit den jeweiligen Propeller mitrotierende Differenzdrucksensoren realisiert werden, denn mit feststehenden Differenzdrucksensoren müssten aufwändig Druckerfassungsleitungen in die betreffenden Spalte über den Propeller geführt und an einem feststehenden Teil des Propellersystems befestigt werden, was aufgrund der üblicherweise recht geringen Spaltmaße sehr aufwändig und fehlerträchtig wäre.
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Die von den Differenzdrucksensoren erfassten Druckwerte können in Form elektrischer Signale über eine Telemetrieeinheit, beispielsweise zusammen mit den von den Krafterfassungseinrichtungen bereitgestellten Signalen zu einer feststehenden Auswerteeinheit übertragen werden. Die Telemetrieeinheit könnte beispielsweise für jeden Propeller in Form einer einen Übertrager bildenden wartungsfreien Spulenpaarung oder in Form einer Anordnung von Schleifringen realisiert werden.
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Das erfindungsgemäße Propellersystem mit zwei hintereinander angeordneten und durch einen mittleren Propellerspalt voneinander getrennten Propeller ist demnach derart ausgestaltet, dass jeder Propeller mindestens eine rotierende Kraftmesseinrichtung aufweist, mindestens zwei Differenzdrucksensoren und eine Auswerteeinheit, wobei die rotierenden Kraftmesseinrichtungen mechanisch mit den jeweiligen Propeller verbunden und dazu eingerichtet sind, mindestens eine Schubkraft eines jeweiligen Propellers zu erfassen.
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An jedem Propeller ist dabei mindestens einer der mindestens zwei Differenzdrucksensoren angeordnet und dazu eingerichtet, einen Differenzdruck zwischen dem mittleren Propellerspalt und dem Spalt auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des betreffenden Propellers zu erfassen. Der jeweilige Differenzdrucksensor erstreckt sich demnach von einer Saugseite zu einer Druckseite des jeweiligen Propellers und könnte in eine Propellernabe integriert sein. Die Anbringungsorte für Differenzdrucksensoren richten sich nach der Geometrie der Spalte und den überhaupt zur Verfügung stehenden Anbringungsmöglichkeiten. Um einen radialen Druckgradienten zu bestimmen, werden etwa mindestens zwei Differenzdrucksensoren entlang des Radius des Spalts benötigt, die sich beide nicht in der üblicherweise recht dünnen Propellernabe unterbringen lassen.
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Die Auswerteeinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, aus der Addition der erfassten einzelnen Schubkräfte der Propeller und aus der Subtraktion von Spaltflächenkräften, die auf den jeweiligen erfassten Differenzdrücken unter Multiplikation mit den damit beaufschlagten Flächen an jedem Propeller basieren, eine wirksame Gesamtschubkraft des Propellersystems zu bestimmen. Dazu muss die Auswerteeinheit befähigt sein, über eine elektrische Verbindung mit den Differenzdrucksensoren und den Kraftmesseinrichtungen sowohl die erfassten Schubkräfte als auch die erfassten Differenzdrücke über die Propeller zur Weiterverarbeitung zu erhalten.
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Da nicht davon auszugehen ist, dass in den jeweiligen Spalten an den Propeller stets ein konstantes Druckprofil vorherrscht, ist es ratsam, in einer vorteilhaften Ausführungsform an jedem Propeller mindestens zwei Differenzdrucksensoren radial voneinander beabstandet anzuordnen. Dadurch kann an mindestens zwei ringförmigen Bereichen eine Druckdifferenz ermittelt werden, was zu einer präziseren Erfassung eines mittleren Drucks führt und dadurch zu einem präziseren Ergebnis der betreffenden Spaltflächenkräfte.
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Gleichermaßen ist es besonders vorteilhaft, wenn an jedem Propeller mindestens drei oder mehr Differenzdrucksensoren radial voneinander beabstandet angeordnet sind, da dadurch die Auflösung noch weiter gesteigert werden kann. Je größer der betreffende Propeller und dessen Propellernabe ist, desto größer kann auch die Anzahl der eingesetzten Differenzdrucksensoren gewählt werden, um ein genaues Abbild des Druckprofils zu erreichen.
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Die Auswerteeinheit ist demnach besonders bevorzugt dazu eingerichtet, aus mehreren radial voneinander beabstandet angeordneten Differenzdrucksensoren eine radiale Druckverteilung zu ermitteln und hieraus einen effektiv wirksamen, mittleren Druck zu berechnen.
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Ein weiterer Kern der Erfindung liegt in einem Verfahren zum Bestimmen einer Schubkraft eines Propellersystems mit zwei hintereinander angeordneten und durch einen Propellerspalt voneinander getrennten Propellern mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs. Die Kernaspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, jeweils ein Druckprofil in sämtlichen an Propeller angrenzenden Spalten durch Erfassen von Druckdifferenzen zwischen einer Saugseite und einer Druckseite der Propeller in den angrenzenden Spalten zu bestimmen. Daraus werden die resultierenden und auf zu den Spalten gerichteten Begrenzungsflächen der Propeller wirkenden Kräfte rechnerisch bestimmt, um diese von einer durch rotierende Kraftmesseinrichtungen ermittelten Schubkraft der Propeller zu subtrahieren.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines in einem Windkanal angeordneten Modells, das ein derartiges Propellersystem aufweist, welches eine präzise Erfassung der auf die Propeller wirkenden Kräfte ermöglicht, um so eine Verbesserung von aerodynamischen Untersuchungen in einem Windkanal zu ermöglichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a und 1b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Propellersystems mit zwei kontrarotierenden Propellern und drei Propellerspalten und Differenzdrucksensoren.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt einen Windkanal mit einem dann angeordneten Modell, welches mit einem erfindungsgemäßen Propellersystem ausgestattet ist.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a zeigt ein erfindungsgemäßes Propellersystem 2, welches einen ersten Propeller 4 mit einer ersten Propellernabe 6 und einen zweiten Propeller 8 mit einer zweiten Propellernabe 10 aufweist, die durch eine Antriebseinrichtung 12 kontrarotierend angetrieben werden und eine Schubkraft in x-Richtung verursachen. Bei dieser Anordnung befindet sich zwischen der ersten Propellernabe 6 und der Antriebseinrichtung 12, d. h. auf der Druckseite des Propellersystems 2, ein erster Propellerspalt 14 und zwischen der zweiten Propellernabe 10 und der ersten Propellernabe 6 ein zweiter Propellerspalt 16, der im Folgenden „mittlerer Propellerspalt” genannt wird. Weiterhin befindet sich vor der zweiten Propellernabe 10 und einer Spitze 18, d. h. auf der Saugseite des Propellersystems 2, ein dritter Propellerspalt 20. In allen drei Propellerspalten 14, 16 und 20 entstehen durch die Druckdifferenz zwischen der jeweiligen Saugseite und Druckseite, durch die Umströmung einer Außenkontur und durch eine Durchströmung von offenen Querschnitten der Propellernaben, bedingt durch die daran oder darin angeordneten Propellerkraftwaagen ungleichmäßige Luftdruckverteilungen, die auf die Propellernaben 6 und 10 in Form von Druckkräften wirken.
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Zur Erfassung der Schubkraft des Propellersystems 2 werden Kraftmesseinrichtungen 22 und 24 eingesetzt, die zwischen jeweils einer Antriebswelle (nicht gezeigt) und dem jeweiligen Propeller 4 und 8 angeordnet und in Form von Propellerkraftwaagen bzw. RSB ausgeführt sein können. Da praktisch sämtliche an den Propeller 4 und 8 auftretenden Kräfte und Momente durch die Kraftmesseinrichtungen 22 und 24 erfassbar sind, kann auch die durch den jeweiligen Propeller 4 oder 8 erzeugte Schubkraft ermittelt werden. Da jedoch in den Propellerspalten 14, 16 und 20 parallel zu den jeweiligen Schubkräften verlaufende Spaltkräfte wirken, verfälschen diese den jeweils ermittelten Wert für die Schubkraft. Insbesondere bei der Verwendung von solchen Propellersystemen 2 in Windkanälen zur exakten Validierung von rechnerisch ermittelten Daten ist es jedoch zwingend erforderlich, eine möglichst hohe Präzision der ermittelten Propellerkräfte zu erreichen.
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Erfindungsgemäß befinden sich Differenzdrucksensoren 26 und 28 in den Propellernaben 6 und 10 und sind jeweils dazu eingerichtet, die Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Propellerspalten 14 und 16 für die erste Propellernabe 6 und zwischen den benachbarten Propellerspalten 16 und 20 für die zweite Propellernabe 10 zu erfassen.
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Der erste Differenzdrucksensor 26 kann demnach einen Druckunterschied zwischen dem ersten Propellerspalt 14 und dem zweiten Propellerspalt 16 erfassen. Es ist davon auszugehen, dass die erste Propellernabe 6 zwei gleich große Begrenzungsflächen aufweist, so dass aus Kenntnis einer mittleren Druckdifferenz über diese beiden Begrenzungsflächen eine wirksame Kraft in x-Richtung auf die erste Propellernabe 6 bestimmt werden kann. Gleichermaßen ist der zweite Differenzdrucksensor 28 dazu in der Lage, eine Druckdifferenz zwischen dem mittleren Propellerspalt 16 und dem dritten Propellerspalt 20 zu erfassen, so dass daraufhin eine wirksame nur durch die Spalteffekte hervorgerufene Kraft auf die zweite Propellernabe 10 bestimmbar ist.
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Die erfassten Kraftwerte und Druckwerte werden an eine Auswerteeinheit 31 geleitet, die sowohl mit den Krafterfassungseinrichtungen 22 und 24 als auch mit den Differenzdrucksensoren 26 und 28 verbunden ist, etwa über eine Telemetrieeinrichtung mit Hilfe eines Spulenpaars oder über einen Satz von Schleifringen. Diese Telemetrieeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden nicht im Detail dargestellt.
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Zur Steigerung der Genauigkeit bei der Erfassung des Differenzdrucks über die Propellernaben können mehrere Differenzdrucksensoren 26 bzw. 28 verwendet werden, die radial über die betreffenden Begrenzungsflächen verteilt sind. So zeigt 1b eine Draufsicht auf eine Begrenzungsfläche des ersten Propellers 4, der zur Saugseite des Propellersystems 2, also in Schubrichtung, zeigt. Dort sind exemplarisch drei Differenzdrucksensoren 26, 30 und 32 radial verteilt und erlauben das Erfassen des Differenzdrucks an drei verschiedenen radial beabstandeten Stellen des ersten Propellers 4. Da nicht unbedingt davon auszugehen ist, dass die Druckverteilung in allen Propellerspalten 14, 16 und 20 gleichmäßig sind, sondern von einem Rotationsmittelpunkt radial nach außen veränderlich sind, kann durch eine größere Anzahl von Differenzdrucksensoren mit einer größeren Genauigkeit ein Druckfeld bzw. eine Druckverteilung erfasst werden. Aus diesen unterschiedlichen Messstellen kann auch ein effektiver, mittlerer Druck ermittelt werden, der als Basis für eine Berechnung der die Schubmessung verfälschenden Spaltkräfte dient.
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In der 2 wird eine schematische, blockbasierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im Wesentlichen beinhaltet das Verfahren das Erfassen 34 eines Differenzdrucks über einen ersten Propeller zwischen den angrenzenden Propellerspalten, das Erfassen 36 mindestens eines Differenzdrucks über einen zweite Propeller zwischen den angrenzenden Propellerspalten, wobei der erste Propeller und der zweite Propeller jeweils mit zwei Propellerspalten in Berührung sind. Danach wird die auf jede Propellernabe wirkende effektive Kraft aus der erfassten Druckdifferenz berechnet 38 und von einer Schubkraft subtrahiert 40, die aus der Erfassung einer Schubkraft mit Hilfe von Kraftmesseinrichtungen an oder in den Propellernaben erfasst ist.
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Schließlich zeigt 3 die Anwendung eines erfindungsgemäßen Propellersystems 2 an einem Windkanalmodell 42, das zur Validierung von rechnerisch ermittelten aerodynamischen bzw. strömungsmechanischen Daten dient.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Propellersystem
- 4
- erster Propeller
- 6
- erste Propellernabe
- 8
- zweiter Propeller
- 10
- zweite Propellernabe
- 12
- Antriebseinrichtung
- 14
- erster Propellerspalt/Propellerseite
- 16
- zweiter (mittlerer) Propellerspalt
- 18
- Spitze
- 20
- dritter Propellerspalt/Propellerseite
- 22
- Kraftmesseinrichtung
- 24
- Kraftmesseinrichtung
- 26
- Differenzdrucksensor
- 28
- Differenzdrucksensor
- 30
- Differenzdrucksensor
- 31
- Auswerteeinheit
- 32
- Differenzdrucksensor
- 34
- Erfassen eines Differenzdrucks
- 36
- Erfassen eines Differenzdrucks
- 38
- Druckdifferenzdruck berechnen
- 40
- Subtrahieren von Schubkraft
- 42
- Windkanalmodell
