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Hubschrauber kleinster Gleitzahl Um :den induzierten Widerstand des
fahrenden Hubschraubers klein zu halten, ist es nötig, den Anstellwinkel .der Schraubenblätter
den während eines Schraubenumlaufs stärk schwankenden Anblaseverhältnissen (Anblas:egeschwinäsgkeit,
Anstellwinkel) - im Sinne eines möglichst unveränderlichen Blattauftriebes anzupassen.
Man versuchte bisher durch verschiedene Arten von gelenkig angehängten Blättern
eine derartige Anpassung der Blattanstellwinkel an die schwankenden Anblasebedingungen
zu erreichen, jedoch ist die Massenträgheit bei allen bisher angewandten Kbnstruktionen
dieser Art so groß, -daß eine Selbstregelung der Blattanstellwinkel in Abhängigkeit
von Iden Schwankungen der Anblasegeschwindigkeit .und der Anstellwinkef nur mit
unzulässig großen zeitlichen Verschleppungen erreicht werden konnte. Die Eigenschwingungszahl
ne der unter dein Einluß der Massenkräfte und Luftkräfte schwingenden Gelenkblätter
konnte bei den bisher bekannten Konstruktionen nicht wesentlich über die Schraubendrehzahl
7a gesteigert werden. Die dadurch bedingte Massenträgheit des schwingenden Blattes;
führt zu einer zeitlichen Verschleppung des Sel,bstregelvorganges, welche fast eine
Vierteldrehung der Schraube betragen kann. Derartige Abweichungen sind jedoch nicht
mehr zulässig, da dann eine Anpassung der Blattanstellwinkel an die größten und
kleinsten Anblasegeschw.indi.gkeiten der Querlage nicht mehr möglich ist.
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Die bisher bekanntgewordenen Konstruktionen zeigen meist eine reine
Schlaghlattanlenkung, ;bei der die Gelenkachse normal auf einer Längsachse des Blattes
steht. Da bei einer derartigen Anlenkung der Blattschwerpunkt so weit wie möglich
von der Gelenkachse entfernt und eine Änderung des absoluten Blattanstellwinkels
unmöglich ist, ergibt sich hierfür mit ne = zt ein sehr geringes, praktisch
unbefriedigendes Anpassungsvermögen
an die schwankenden Anbl,aseverhältnisse.
Auch bei Blattanlenkungen mit einer zur Blattachse geneigten Lage der Gelenkachse
blieb das bisher erreichbare Anpa@= sungsvermögen mit ii., < 2 ri infolge
Unkenntnis der günstigsten Anlenkbedingungen weit hinter dein hierfür erreichbaren
Höchstmaß zuriick.
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Die Erfindung behandelt eine Blattanlenkung mit größter möglicher
Eigenschwingungszahl der unter dem Einfluß der Massenkräfte und Luftkräfte schwingenden
Blätter sowie eine Schraubenordnung, welche den Gesamtwiderstand des fahrenden Hubschraubers
zu einem hleinstwert macht.
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Abb. i zeigt den Auf riß, Abb. 2 ,den Grundriß und
Ab b. 3
einen Blattquerschnitt der erfindungsgemäßen Blattanlenkung von kleinster Massenträgheit.
Das einzelne Schraubenblatt <d ist mit Hilfe des Tragarmes B so an die Schraubennabe
C angeschlossen, daß es um die Achse D -1- D frei und um die Achse F_ -1- F zwecks
Steuerung schwenkbar ist. Mit Hilfe des in der Achse D -1- D liegenden Armes B und
des durch .die Muffe F festgehaltenen Kugelzapfens G am Ende des Armes ß wird bei
einem bestimmten Flugzustand der Winkel'" -zwischen der Aclise D+D und der Waagerechten
festgelegt, so daß dann da Blatt A nur noch um diese Achse D -1-- D allein zu schwenken
vermag. Durch Vergleich finit anderen Konstruktionen läßt sich leicht nachweisen,
daß man zur einfachsten Gelenkkonstruktion gelangt, wenn man die freie Sebwetikachse
D -1- D in Form des Tragarmes B zugleich als konstruktive Schwenkachse ausbildet.
Die Hauptträgheitsacbse H -1- H -des Blattes muß aus Gründen der Stabilität so zur
Drehachse D -f- D liegen, daß sich diese beiden Achsen noch vor der Schraubenachse
S + S (A .bb. i und 2) schneiden. Wenn e der Abstand dieses Schnittpunktes von der
Schraubenachse und <p der Winkel zwischen den Achsen
D -1-
D und
H +
H ist, dann ist die durch diese Blattanlenkung bedingte Eigenstabilität
eines ohne Fahrt schwebenden (ungünstigster Fall) Hubschraubers dem Produkt e -_
@ verliä ltig. Hierbei ist
(f, von D + D aus entgegen der Umlaufrichtung
zti wählen.
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Für die Selbsteinstellung des wirksamen (relativen) Blattanstellwinkels
x in Abhängigkeit von den während eines Umlaufes sich periodisch ändernden Anblaseverhältnissen
ist von Bedeutung, daß schon eine kleine Änderung des durch die Luftkräfte erzeugten
Luftkraftmonientes j-IL (auf D + D bezogen) genügt, uni das Blatt
A so lange um die Achse D -1- D zu drehen, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand
zwischen diesem Luftkraftrnonient JIL und dein durch die Zentrifugalkraft P7 erzeugten
Zentrifugalmoment illZ = P= - ß - a. eingestellt hat, wobei
a der Abstand des Blattschwerpunktes SP von der ,Drehaelise ist. Die Zentrifugalkraftkompo-,:'gente
P, - ß .greift ini Blattschwerpunkt SP, "ler im Abstand r, von der Schraubenachse
liegt, an (Abb. 2). ß ist der Winkel zwischen der Blattachse H -1- H und der Waagerechten
(Abb. i). Infolge des aus Stabilitätsgründen notwendigen Abwinkels T schwankt ß
während eines Umlaufes tim - ß, als Mittelwert. Wenn -f- da die beim Selbstregelvorgang
der Blätter auftretende Verschwenkung des um D -r- D schwingenden Blattes von 2o
auf a"±42 ist, dann besteht z@visclieti ß und ßo die Beziehung @F -,du.
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Für das Luftkraftnionient 11l_ folgt dann:
Mit Rücksicht auf eine stabilisierend wirkende Blattanlenkung intiß nian demnach
gewisse Schwankungen des LuftkraftmomenteS ilIl und damit des Blattauftriebes zulassen.
Diese Schwankungen, welche dein Werte tplßa verhä ltig sind, können durch Wahl großer
e-Werte und kleiner t)-Werte ( p - e = const. als Stabilitätsbedingung!)
klein gehalten werden.
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Wie sich leicht nachweisen läßt, erfolgt die Selbstregelung des Blattanstellwinkels
am raschesten, weint nian die Blattanordnung so wählt, daß der Abstand z des Blattschwerpunktes
von der Drehachse D -1- D unabhängig vom Abwinkel (bzw. unabhängig vom e-Wert) etwa
dein auf H + H bezogenen Trägheitshalbinesser i des Blattes gleich ist.
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Als Maß für die auf diese Weise erreichbare Empfindlichkeit und Anpassungsfähigkeit
des Blattes gegenüber den iin Fahrtzustand stark schwankenden Anblaseverhältnissen
kann das Verba ltnis seiner Eigenschwingungszahl fit" zur- Schraubendrehzahl.ii
angesehen werden. Die Eigenschwingungszahl fite kann aus der Betrachtung der schwingenden
Blattmasse, welche den mit dem Schwingwinkel + 4x ver-ä nderlichen Luftkräften ausgesetzt
ist, gefunden werden. Wählt man den Schwerpunktsabstand a gleich dein Trägheitshalbmesser
i, dann ergibt sich für e-Werte, die kleiner sind als 0,7 - r5 eine höchst
erreichbare Einpfin.dliclikeitsziffer:
ß" ist hierbei der Einstellwinkel der Achse D -1- D. a" ist hiei-hei der mittlere,
relative Blattanstellwinkel.
Für ein normales Blatt mag beispielsweis<
gelten ßo = 160; ao = 80; r, = 25 # i.
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Mit diesen Werten kann eine Empfindlichkeitsziffer
erreicht werden. Dieser Wert ist so günstig, daß ein fast sofärtiges Ansprechen
des Blattanstellwinkels auf irgendwelche Veränderungen .der Anblaseverhältnisse
zu erwarten ist. Weicht man von .der Bedingung höchster Blattempfindlichkeit a.-~.
(o,9 -i- r, z) i ab, dann ergibt sich innerhalb der Grenzen a = (o,2 +
8) i ein Abfall der Empfindlichkeitsziffern auf das - o,5fache ihrer Höchstwerte.
Die angeführten a-Werte sollen, wie aus Abb.2 ersichtlich, rechtwinklig zur Achse
D -1- D gemessen werden, Man kann diese Werte als die Grenze. der praktischen Brauchbarkeit
einer solchen Bl.attanlenkung ansehen.
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Die Festlegung des Winkels ß, für einen bestimmten Flugzustand sowie
die mit einer Schwenkung des Blattes A um die Achse D + D verbundenen starken Luftkraftveränderungen
sorgen dafür, daß die Schraubenblätter in jeder Flugbahn den Bewegungen des Rumpfes
folgen, so daß mit solchen Schrauben auch Kunstflu,gfiguren geflogen werden können.
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Im Falle eines plötzlichen Aussetzens des Antriebes wird sich ein
derart empfindliches Blatt schon nach einem kleinen Abfall der Schraubendrehzahl
infolge .der nunmehr überiegenden Luftkräfte in kürzester Zeit und ohne Zutun des
Führers in den Bereich der Eigendrehung verstellen. Es genügt daher,die Anordnung
einer Freilaufkupplung bekannter Bauart zwischen Antrieb und Schraube, um ein gefahrloses
Gleiten bei unwirksamem Motor zu ermöglichen.
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Der Antrieb,der mit zwei oder mehr Blättern A versehenen Nabe C erfolgt
durch eine Welle W über ein Kegelrad K1 auf ein Nabenkegelrad K2, welches mit der
Nabe C fest verbunden ist. Die Nabe C wird durch eine Spindel Il und ein
Lager 1Vlo umlauffähig mit einem Querhaupt 0 verbunden, welches schwenkbar in einem
fest mit dem Rumpf verbundenen Lagerbock R gelagert ist. Die Lage der Schwenkachse
U -E- U des Querhauptes Q ist durch die Achsrichtung der antreibenden Welle W bestimmt,
damit bei Verschwenkungen um U -1- U der Antrieb nicht beeinträchtigt wird. Auf
der Spindel M befindet sich eine in bekannter Weise (z. B. durch Feder und Nut)
gegen Verdrehung gesicherte Schiebemuffe F, welche z. B. mittels Gleitböcken G,
Kugelköpfe G der Blattarme festhält. Die Muffe F wird durch einen Muffenring F,
an einen Steuerhebel J angeschlossen, welcher mittels eines Boches L an dem um U-1-
U schwenkbaren Querhaupt Q gelagert ist. Dieser Hebel J lzann an seinem anderen
EndeJo in bekanter Weise durch ein Steuergestänge in zwei Ebenen bewegt werden.
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Nach dem in Abb. d. gezeigten Einbauschema wird. durch eine Verschiebung
des Hebels J in der Längsebene des Rumpfes R die Muffe F axial bewegt und so der
mittlere Blattwinkel ß, durch Schwenken des Blattes um die Achse E -1.- E verändert.
Damit ändern sich auch der mittlere BlattauftriebPz#ßo und der Schraubenzug in gleichem
Maße.
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Bewegt man den Hebel J, quer zur Längsebene :des Hubschrauberrumpfes,
dann wird bei axial unveränderter Muffenstellung über L und O die Nabe C um die
Achse U + U in an sich bekannter Weise nach der Seite geschwenkt und eine entsprechende
Seitenkomponente des Schraubenzuges erzeugt.
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Um diese mit Hilfe der erfindungsgemäßen Blattaufhängung erreichbare
Steuerbarkeit.des Schraubenzugs nach Größe und Richtung zur Steuerung -dies Hubschraubers
verwerten zu können, soll die Grundform des erfindungsgemäßen Hubschraubers in an
sich bekannter Weise aus einem Paar getrenntachsiger gegenläufiger Hubschrauben
gebildet werden, die hintereinander in den Rumpf eingebaut sind. Abb. q. zeigt diese
Anordnung. Der durch den Abstand ',der beiden Schraubenachsen gebildete Hebelarm
h ermöglicht es, den nach Größe und Richtung steuerbaren Schraubenzugkräften S,
und S= alle zur Steuerung erforderlichen Momente unabhängig vom Flugzustand zu erzeugen.
Man kann hier durch gleichzeitiges axial-gegensinniges Verschieben der Schraubenmuffen
F die normale Höhensteuerung durchführen. Die Fahrgeschwindigkeit läßt sich dadurch
regeln, daß man das Verhältnis der SchraubenzugkräfteS, und S2 zueinander :durch
die mittlere Stellung der Muffen F beider Schrauben verändert und damit die Neigungswinkel
der beiden Schraubenachsen im Sinne der Fahrtrichtung beeinflußt. Gegensinniges
seitliches Neigen beider Sehrauben um .die Achse U -1-. U ergibt die normale Seitensteuerjung.
Gleichsinniges seitliches Neigen beider Schrauben ergibt die normale Quersteuerung,
vorausgesetzt natürlich, daß liei!de Achsen U + U über idern Flugzeugschwerpunkt
liegen. Die paarig angeordneten Schrauben sollen gegenläufig arbeiten, um die steuerungstechnisch
störenden Kreiselmomente der beiden- Schrauben auszugleichen xnd einen Standflug
ohne Reaktionsmomente m ermöglichen.
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Von der gegenläufigen, im normalen Fahrtzustand hintereinanderliegenden
Schraubenanordnung
(Abb._I) läßt sich ein großer, bis jetzt noch
nicht bewußt erkannter aerodynamischer Vorteil erwarten, der im folgenden näher
beleuchtet werden soll: Eine Schraube allein vermag im Fahrtzustand auch bei vollkommenster
Ausbildung der erwähnten Selbstregelung des Blattauftriebes niemals das Ideal gleichmäßiger
Verteilung der Abwindgeschwindigkeiten über die Spannweite zu erreichen, da die
Verteilung der Auftriebskräfte über die Blatthinge auch bei gleichbleibender mittlerer
Auftriebskraft während eines Umlaufes starken Schwankungen unterworfen bleibt.
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Bei der gegenläufigen Tandemanordnung nach Abb..I jedoch wird jedes
Luftteilchen, das in den Einflußbereich des fahrenden Tandemschraubers gelangt,
je einmal von einem vorlaufenden und einem rücklaufenden Blatt bee.influßt und so
nach abwärts beschleunigt, daß sich hinter der Heckschraube S.= eine symmetrische
und ausgeglichene Verteilung der Abwindgeschwindigkeiten einstellt. Auf diese Weise
ist es mit Hilfe dieser Tandemanordnung möglich, die Unvollkommenheiten der beiden
Schrauben S,, S, deren Blätter sich auch aus Gründen ausreichender Eigen-Stabilität
nur annäherungsweise auf unveränderten Blattauftrieb regeln lassen, durch gegenseitige
Ergänzung auszumerzen und sich in einer sonst unerreichbaren Weise dem aerodynamischen
Ideal unveränderlicher Abwindgeschwindigkeit zu nähern.
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Es sind auch Hubschrauber denkbar, die aus mehreren 'solchen Tandempaaren
zusarnmengesetzt sein können.
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Will man bei gegebenen Rumpfabmessungen für den Fall des senkrechten
Anstieges eine möglichst große Strahlfläche erzielen, dann gelangt man zu der in
Abb.-1 gezeigten an sich bekannten Oberdeckung ider beiden Schrauben S" S@, wobei
der Bahnkegel Z., der Heckschraube S. bis nahe an die Nabe der Bugschraube S, heranreicht.
Der Schraubenkreis-durchmesser kann hierbei größer sein als das i,5fache des Achsabstandes
h. Bei gemeinsamem Antrieb beider Schrauben und passend versetzten, gewissermaßen
ineinanderkämmenden Blättern können die beiden Bahnkegel Z,, Z.2 einander durchdringen.
Will man aber jede Schraube für sich antreiben, dann muß man zu der in Abb.4 gezeichneten
Anordnung der Bahnkegel übergehen, wo eine Durchdringung beider Bahnkegel auch bei
den äußersten durch Anschläge begrenzten Blattstellungen A' durch geeignete Versetzung
beider Schrauben vermieden wird. Eine solche Anordnung kann sich auch für den Fall
eines gemeinsamen Antriebes beider Schrauben als vorteilhaft erweisen, wenn z. B.
durch Bruch der Verbindungswelle W beide Schrauben voneinander getrennt werden und
mit verschiedenen Drehzahlen in Eigendrehung übergehen.