DE3729120A1 - Propeller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Propeller. Seit langem bestehen sowohl aus Betriebskostenersparnisgründen als auch aus Gründen der Energieeinsparung Bestrebungen, den Treibstoffverbrauch von Antrieben, insbesondere für Flugzeuge, zu verringern. Die Schuberzeugung, z. B. für ein Flugzeug, kann mit den unterschiedlichsten Triebwerks­ konzepten verwirklicht werden. Ein einfaches Turbinenluft­ strahltriebwerk in Einkreisbauweise (TL) erzielt seinen Vortrieb dadurch, daß es einen relativ geringen Druck­ satz mit hoher Geschwindigkeit an einer Düse ausstößt. Beim Propellerturbinenluftstrahltriebwerk (PTL) wird da­ gegen eine relativ große Luftmasse auf eine nur wenig höhere Geschwindigkeit beschleunigt.

Die Auswahl eines Triebwerks - gleiche Nennleistung vorausgesetzt - richtet sich heute im wesentlichen nach der Höhe des Treibstoffverbrauchs. Mitverantwortlich ist neben der Güte des thermodynamischen Prozesses des Triebwerks hauptsächlich die Güte der Vortriebserzeugung (Vortriebswirkungsgrad). Der Vortriebswirkungsgrad wird umso besser, je geringer die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Austrittsgeschwindigkeit aus dem Hauptvortriebs­ erzeuger und der Fluggeschwindigkeit ist. Beim konven­ tionellen Propeller treten jedoch im Flugmachzahlbereich M < 0,7 erhebliche Verluste auf, die den Gesamtwirkungsgrad stark herabsetzen.

Diese Verluste resultieren daher, daß das statische Druck­ niveau abnimmt, während die Relativgeschwindigkeit zwischen Propellerblatt und Luft in den ungünstigen Überschall­ bereich kommt. Daher sind mit herkömmlichen Propellertrieb­ werken unter vertretbarem Aufwand praktisch keine größeren Geschwindigkeiten zu erzielen, als M = 0,7.

Dieses Problem wurde bisher dadurch behoben, daß durch die Schaffung von Zweikreistriebwerken (Turbofan, Bläser­ triebwerk) ein der Propellerwirkungsweise ähnliches Prinzip angewendet wurde, nämlich eine große Luftmasse um einen geringen Betrag zu beschleunigen. Der wesentliche Unterschied zum Propeller besteht darin, daß der den Propellerblättern entsprechende Bläser von einer Um­ mantelung umgeben ist. Diese Ummantelung bewirkt einen Aufstau vor dem Bläser und damit ein vorteilhaft redu­ ziertes Geschwindigkeitsniveau. Dadurch ist es möglich, durch ein Turbofan-Triebwerk etwa einen gleichbleibenden Wirkungsgrad bei höheren Fluggeschwindigkeiten zu er­ zielen.

Ein sogenanntes Verbundtriebwerk ist in der deutschen Offenlegungsschrift 32 23 201 beschrieben. Bei diesem Triebwerk hat der Bläser (Fan) zwar ein höheres Druck­ verhältnis als der Propeller und damit einen niedrigeren Vortriebswirkungsgrad, jedoch ist die Umströmung der Bläser-Schaufel bei höheren Machzahlen weniger verlust­ behaftet als die des Propellers.

Für etwas niedrigere Flugmachzahlen hat man sogenannte Propfan-Triebwerke entwickelt, die einen besseren Vor­ triebswirkungsgrad erzielen als Bläser. Ein Beispiel eines derartigen Propfan-Triebwerkes ist in der DE-OS 33 04 417 beschrieben.

Der aus dem Triebwerkskonzept mit Propfan resultierende geringere Brennstoffverbrauch als derjenige eines Turbo­ fans würde den sofortigen Einsatz eines Propfan-Trieb­ werkes rechtfertigen, wenn nicht andere Probleme noch gelöst werden müßten, wie der Nahfeldlärm und damit die Lärmdämmung der Triebwerksaufhängung, Getriebe großer Leistung (größer als 8000 kW), und Schaufelbruchbrobleme.

Es wurde auch bereits versucht, ein getriebeloses Trieb­ werkskonzept zu erarbeiten, bei welchem gegenläufig ro­ tierende Blätter am Ende des Triebwerks als Schubpropeller fungieren. Ein solches genanntes Triebwerk erfordert jedoch für den Antrieb zweier hintereinander und gegen­ einander umlaufender Wellen erheblichen konstruktiven Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Propellerblatt zu schaffen, welches den vorteilhaften Aufbau eines Mantel­ strom-Triebwerkes ohne eine Ummantelung erzielt.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß das Propellerblatt derart gekrümmt ist, daß die senkrecht auf der Oberfläche der Profildruck- und Profilsaugseite stehende Luftkraft einen zur Nabe weisenden Druckgradienten ergibt.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß damit ein radial nach innen ansteigender statischer Druck erzeugt wird. Dadurch wird sowohl das Niveau der Relativ­ geschwindigkeit des Propellers als auch der Drall reduziert.

Die Kraft, die das Propellerblatt auf die durchströmende Luft ausübt, steht annähernd senkrecht auf die Profil­ druckseite. Deren radiale Komponente führt zu einem Anstieg des statischen Druckes in Richtung auf die Propeller­ nabe; die tangentiale Komponente bewirkt die Vortriebskraft. Der aus dem radialen Druckanstieg resultierende "Aufstau" vor dem Propeller verursacht das vorteilhaft reduzierte Geschwindigkeitsniveau bei der Propellerprofil-Umströmung.

Dies führt dazu, daß der Stromlinienverlauf demjenigen eines Mantelstrom-Triebwerkes entspricht. Durch das vorteil­ hafterweise reduzierte Geschwindigkeitsniveau werden die bei Relativgeschwindigkeiten im Überschallbereich (herkömmliche Propeller) schlagartig wachsenden Verluste vorteilhaft vermieden, so daß höhere Fluggeschwindigkeiten erzielbar sind.

Angestrebt wird ein möglichst großer Druckanstieg vom Außenschnitt nach Innen. Das führt dazu, den Neigungs­ winkel der Schaufelblattachse zur radialen Richtung an der Propellerspitze möglichst groß zu wählen.

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundenen Vorteile, wie verringerte Verluste und reduziertes Geräusch oder bei gleicher Antriebsleistung und gleichem Propeller­ durchmesser höherer Schub bzw. bei gleichem Schub und gleicher Antriebsleistung verringertem Propellerdurch­ messer, lassen sich bei verschiedenartigsten Antrieben des Propellers durch Elektromotoren oder Brennkraft­ maschinen erzielen.

Deshalb ist ein weiterer Vorteil der Erfindung eine wesentlich erhöhte Zahl von Anwendungen für ein solches Propellertriebwerk, nämlich für die Auslegung von Ge­ bläsen, Ventilatoren etc. Dabei können solche Gebläse­ triebwerke oder Bläser nicht nur für Luftfahrzeuge, sondern auch für Landfahrzeuge oder Kombinationsfahrzeuge, wie Luftkissenfahrzeuge, u. a. angewendet werden, ins­ besondere zur Erzeugung einer Zug-, Schub- und/oder Hub­ kraft.

Weitere Vorteile sind den Ansprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung in Ausführungsbeispielen zu ent­ nehmen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind rein schematisch in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die Vorderansicht eines Propellers,

Fig. 2 die Seitenansicht des Propellers,

Fig. 3 die Vorderansicht einer alternativen Ausführungs­ form des Propellers,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Propellers nach Fig. 3,

Fig. 5 den Naben-, Mitte- und Spitzenschnitt eines Propellers von vorn,

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Propeller nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Propeller mit ansteigendem Druckgradienten in Draufsicht,

Fig. 8 die Draufsicht auf einen weiteren Propeller,

Fig. 9 die Draufsicht auf eine weitere Propellerausführung,

Fig. 10 einen Verstellmechanismus des Propellers in Vorder­ ansicht,

Fig. 11 einen Längsschnitt des Verstellmechanismus gemäß Fig. 10.

In der in Fig. 1 gezeigten Vorderansicht eines Propellers sind zwei Propellerblätter 1 und 2 an einer rotierenden Propellernabe 3 befestigt, wobei beide Propellerblätter 1 und 2 identisch aufgebaut und in Drehrichtung gekrümmt sind.

Dabei zeigt N die Richtung der normal zur Profildruckseite des Propellers 1 auf die Luft ausgeübten Kraft. R be­ zeichnet dessen radialen Komponente.

Die Bauweise nach Fig. 1 führt allerdings dazu, daß der Propeller-Schwerpunkt S gegenüber der Propellerblatt- Befestigung 4 versetzt angeordnet ist, und daher ein Biegemoment entsteht. Ein Druckanstieg nach Innen kann aber nicht nur durch in Umfangsrichtung, wie in Fig. 1, sondern auch durch Neigen gegen die Flugrichtung erzielt werden. Die Fig. 2 zeigt, daß hierbei ebenfalls ein Kraftanteil, der mit dem Neigungswinkel anwächst, nach innen wirkt. Allerdings tritt hierbei ebenfalls ein Biegemoment an der Befestigung auf.

Zur Vermeidung des durch Biegemomente verursachten Festig­ keitsproblems kann eine Bauweise entsprechend Fig. 3 und 4 gewählt werden, die so ausgeführt ist, daß der Schwer­ punkt S radial über der Propellerblattbefestigung 4 liegt. Dabei wird allerdings vom Radius R _x an nach innen der Druckgradient wieder verringert, weil die Normale auf die Druckseite eine nach außen weisende radiale Komponente be­ kommt. Aufgrund der kleineren Umfangsgeschwindigkeit ist der innen erzeugte, entgegen gerichtete Druckgradient allerdings kleiner als der außen erzeugte, wodurch in der Summe dennoch der gewünschte Druckanstieg nach innen er­ reicht wird.

In der Ausführung eines Propellers nach Fig. 3 und Fig. 4 kann der Abbau des Druckgradienten an der Nabe vermieden werden, wenn man die innere Neigung +β (gemäß Fig. 4) so wählt, daß deren Druckgradient (nach innen wachsend) denjenigen kompensiert bzw. übersteigt, der durch die Umfangsrichtung an der Nabe, Fig. 3, verursacht wird.

Fig. 5 zeigt Naben N, Mitten M und Spitzenschnitt G des Propellerblattes 1 in Vorderansicht. Eine Draufsicht in Richtung der Schwerpunktlinie zeigt Fig. 6. Die Schwerpunktlinie entspricht einem radialen Strahl Y. Gezeigt ist hierbei die "Auffädelung" der einzelnen Schnitte N, M, G über diesen Schwerpunkt S.

Das Anordnungen der Schwerpunkte übereinander führt - wie in Fig. 6 dargestellt - automatisch dazu, daß zwischen der Vorderkante des Blattes und dem Schwerpunkt eine Flächen­ normale auf die Druckseite eine Komponente zur Nabe besitzt, entsprechend einer nach innen weisenden Projektionsfläche (links-schraffiert), die einen im Sinne der Erfindung er­ wünschten Druckgradienten aufbaut. Zwischen Schwerlinie und Hinterkante des Blattes dagegen hat die Flächennormale eine Komponente nach außen, Projektionsfläche (rechts- schraffiert), die einen im Sinne der Erfindung unerwünschten Druckgradienten erzeugt.

Erfindungsgemäß wird nun ein solcher (radialer) Verlauf der Schwerlinie gewählt, daß die nach unten weisende Flächen­ projektion (links-schraffiert) so groß wird, daß sich über den Propeller 1 (Propellerspannweite) summiert ein nach innen ansteigender Druckgradient ergibt (Fig. 7). Konkret kann das so aussehen, daß zwischen Nabe N und Mitte M Schwerpunktfädeln erfolgt - zwischen Mitte und Außen da­ gegen die nach innen weisende Projektionsfläche überwiegt, wobei die Verschiebung des G-Schnittes sowohl in Umfangs­ richtung U und in Achsrichtung Z erfolgen kann. Beides er, bringt die erwünschte nach innen gerichtete Flächennormale (links-schraffiert).

Aus konstruktiven Gründen allerdings (siehe Fig. 8) kann zwischen den Schnitten N und M auch "negative Neigung" wünschenswert sein (rechts-schraffiert), zwischen N und G dagegen "positive" (links-schraffiert) mit nach innen weisender Komponente der Flächennormale) Neigung, solange in Summe der statische Druck nach innen ansteigt.

Der radiale Druckgradient ist dann vorhanden, wenn die Kraft, die der Propeller 1 auf die umströmende Luft oder das Medium ausübt eine radiale Komponente hat, d. h. die Flächennormale im jeweiligen Propeller-Profil-Schnitt zur Radialen geneigt ist. Die Propellerkraft selbst wächst natürlich mit dem Auftriebsbeiwert, Staudruck und Profil­ sehnenlänge. Deshalb wächst auch die Wirksamkeit des Neigens von innen nach außen. Dies ermöglicht die in Fig. 9 ange­ gebene Anordnung.

Dabei ist zwischen den Schnitten N und M trotz großer "negativer" Projektionsfläche wenig "negativer" Druck­ gradient (rechts-schraffiert) zu erwarten, zwischen M und G kann dagegen mit einer relativ kleinen Schwerpunkt­ verschiebung ein großer "positiver" Druckgradient (links- schraffiert) erzeugt werden, so daß sich in Summe der erwünschte Druckanstieg nach innen ergibt.

Zur Erzielung des optimalen Druckgradienten für die je­ weilige Fluggeschwindigkeit und Propellerdrehzahl ist ein Neigungs-Verstell-Mechanismus gemäß Fig. 10 und 11 vor­ teilhaft. Es kann sowohl die Schwerpunktverschiebung in der U- und Z-Achse beeinflußt werden. Ein Verdrehen des Ringes 5 im Pfeilsinn wird eine Propellerneigung in Richtung U hervorrufen (Fig. 10).

Ein Verdrehen der Schraube 6 in der Nabe 3 auf der Spindel 7 drückt das Propellerblatt 1 gegen das Moment der Zentrifugal­ kraft Z in eine geneigte Lage, wobei sich Verschiebung zur Z-Achse, wie im vorhergesagten Beispiel beschrieben, ergibt (siehe die Pfeile in Fig. 11).

Die Verstellung erfolgt einzeln oder kombiniert, bevorzugt aus elektrischem/elektronischem Wege und stufenlos z. B. nach Art der EP 1 54 808). Blätter mit variabler Geometrie sind ebenso anwendbar (z. B. in der Art der EP 1 66 104). Weitere Abwandlungen der Ausführungsbeispiele können vorge­ nommen werden, ohne daß erfindungsgemäße Prinzip zu ver­ lassen.

Die Erfindung hat u. a. folgende Anwendungen:

Gebläse, Ventilatoren, Lüfter, z. B. für V/STOL-Flugzeuge, insbesondere um einen Kaltluftstrom zu erzeugen. Für Segler mit Hilfsmotor und Ultraleichtflugzeuge, an Schwenkflügeln, für Turboprop, Fahrzeuge allgemein zu Land/Wasser/Luft ein­ schließlich Schienenfahrzeugen und Luftschiffen, Heckrotoren für Hubschrauber, Propeller für Luftfahrt, Propfan mit oder ohne Mantel und für Vortrieb von Luftkissenfahrzeugen, Schiffspropeller mit verringerter Kavitation wegen Druck­ aufbau, Tragflügelboote, Antrieb für unbemannte Flugkörper, als Kern- oder Haupttriebwerk bei Verbundantrieben, Mehr­ wellen- und Mehrfachpropellerantrieben. Manchmal werden Propeller auch als "Schrauben" bezeichnet, z. B. Luft- und Schiffschrauben. Auch für Zeppeline und Hänge- oder Schwebebahnen, Transporteinrichtungen oder Kombinations­ fahrzeuge, wie Amphibien ist die Anwendung der Erfindung geeignet.

Claims (5)

1. Propeller, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller­ blätter derart gekrümmt sind, daß sie senkrecht auf der Oberfläche der Profildruck- und Profilsaugseite stehende auf die umströmende Luft ausgeübte Kraft über der Propellerhöhe integriert einen zur Nabe hin ansteigenden statischen Druck ergibt.

2. Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerblätter in der Drehrichtung gekrümmt sind.

3. Propeller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerblätter in Umfangsrichtung sichel­ förmig gekrümmt sind, wobei die Sichelöffnungen in Dreh­ richtung liegen.

4. Propeller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerblätter in axialer Richtung sichelförmig gekrümmt sind, wobei die Sichelöffnungen entgegen der Vor­ triebsrichtung liegen.

5. Propeller nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerblätter mit Verstelleinrichtungen ver­ sehen sind zum Verstellen der Propellerblattneigung in Drehrichtung und/oder in Vortriebsrichtung.