DE10053134A1 - Neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende Rotoren - Google Patents
Neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende RotorenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende Rotoren in gasförmigen oder flüssigen Medien, insbesondere aber in Luft, und als vorteilhafte Alternative bei Drehflügelflugzeugen und Luftkissenfahrzeugen. DOLLAR A Bei der der Erfindung zugrundeliegenden Idee werden anstelle der bekannten starren Tragflügelprofile eines Drehflüglers eine oder mehrere um ihre Längsachse drehende Walzen verwendet, bei denen sich im kreisenden Umlauf eine stabile Umströmung einstellt, die unter dem Begriff "Magnus"-Effekt zum Beispiel bei den "Flettner"-Rotoren als alternatives Antriebsmittel windgetriebener Schiffe, bekannt geworden ist. Diese stabile "Magnus"-Strömung ermöglicht unter vergleichbaren Bedingungen wesentlich größere Auftriebskräfte als eine Umströmung bei kreisenden, starren Tragflügelprofilen. Werden außerdem noch gleich hohe Auftriebskräfte verglichen, können diese von den mit Walzen ausgerüsteten Rotoren mit wesentlich geringeren Umfangsgeschwindigkeiten erreicht werden, wodurch weniger Lärm erzeugt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Auftriebssystem
für schuberzeugende Rotoren in gasförmigen oder flüssigen Medi
en, insbesondere aber in Luft und als vorteilhafte Alternative
bei Drehflügelflugzeugen und Luftkissenfahrzeugen.
Bekanntermaßen wird der Schub von Rotoren für die unter
schiedlichsten Anwendungen bisher ausschließlich mit Hilfe von
kreisenden Tragflügelprofilen erzeugt, bei denen Profilform und
Anstellung der Profilsehne so angeordnet sind, daß auf der Un
terseite des Profils ein Überdruck und auf der Oberseite ein
Unterdruck im jeweiligen Strömungsmedium entsteht. Momente um
die Querachse der Rotoren von Drehflügelflugzeugen zum Beispiel,
die zur Einleitung von Flugmanövern oder zum Ausgleich unter
schiedlicher Anströmgeschwindigkeiten erforderlich sind, werden
durch kollektiv oder zyklisch wechselnde Anstellwinkel der krei
senden Profile zum Luftstrom, erreicht.
Ein Nachteil dieser Technik ist, daß die besten Auftriebs
beiwerte Ca von Tragflügelprofilen, ausgedrückt durch den dimen
sionslosen Quotienten: "Auftrieb/(Staudruck × Profilgrundflä
che)", den Wert 1 ohne widerstandserhöhende Hilfseinrichtungen
wie Schlitze und Klappen, nicht überschreiten. Um nun bei gege
benem Rotordurchmesser zu großen Hubleistungen zu gelangen bzw.
um mit diesem Rotorkreis eine möglichst große spezifische Kreis
flächenbelastung in N/m2 Kreisfläche zu erzielen, müssen hohe Um
fangsgeschwindigkeiten angestrebt werden. Durchweg werden heute
bei Hubschraubern am äußeren Rotordurchmesser 200 bis 220 m/s
verwirklicht, was zu hohen aerodynamischen Geräuschen führt.
Diese werden dann häufig noch verstärkt, wenn unter bestimmten
Bedingungen die abströmenden Randwirbel eines Rotorblattes sich
mit der Umströmung des nachfolgenden Rotorblattes überlagern und
zu einem Impulslärm, dem sogenannten "Teppichklopfer-Lärm",
führen. Hubschrauber gelten als die größten Lärmerzeuger aller
Luftfahrzeuge und eine wesentliche Lärmminderung kann, da die
Randwirbeleffekte systembedingt sind, nur mit wesentlich klei
neren Kreisflächenbelastungen und damit mit schlechteren Flug
leistungen erkauft werden.
Ein weiterer Nachteil der Tragflügelprofile ist, daß die
Strömung beim Überschreiten von profilspezifischen Grenzbela
stungen mehr oder weniger abrupt abreißt und sich danach bei
Gegenmaßnahmen des Piloten oder Steuergerätes nicht sofort wie
der aufbaut. In der Folge sackt das Fluggerät durch oder kippt
aus seiner Fluglage seitlich ab, wenn die Strömung an den Rotor
blättern ungleichmäßig, unsymmetrisch oder nur teilweise ab
reißt. Erfolgt dieses Abreißen der Strömung in niedrigen Flughö
hen über Grund, kann dann ein stabiler Flugzustand häufig nicht
mehr wieder erreicht werden und das Fluggerät mit seinen Insas
sen kollidiert mit dem Boden.
Das der Erfindung zugrundeliegende neuartige Auftriebssy
stem vermeidet die geschilderten Probleme mit den kreisenden
Tragflügelprofilen nahezu vollständig, indem anstelle der star
ren Profile um ihre Längsachse drehende Walzen angebracht wer
den, mit denen eine unsymmetrische, aber sehr stabile Umströmung
derselben erreicht wird, bekannt unter dem Begriff "Magnus"-
Effekt. Dieser Effekt wird durch die Überlagerung einer paralle
len mit einer zirkulatorischen Strömung erreicht und ist mit Ca-
Beiwerten von maximal 10 bis 12 weit höher belastbar als die
Strömung um Tragflächenprofile. In Fig. 3 ist so ein Strömungs
feld für einen konkreten Auslegungsfall dargestellt und in der
zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Allerdings ergaben die
in den zwanziger und dreißiger Jahren an der Aerodynamischen
Versuchsanstalt zu Göttingen unter der Leitung von Prof. Dr. L.
Prandtl gemessenen Werte an kleinen, stationär aufgehängten Ver
suchszylindern schlechtere Gleitzahlen ε = Ca/Cw gegenüber Trag
flächenprofilen. Aus diesem Grunde kommt eine Ausnutzung der
hohen Ca-Beiwerte im allgemeinen nicht in Frage, weil die erfor
derliche spezifische Rotorleistung in KW/m2 Rotorfläche und damit der
spez. Kraftstoffverbrauch in grKraftstoff/KgHubkraft × h) zu stark
ansteigen.
Es kommt jedoch ein anderer Vorteil des der Erfindung zu
grunde liegenden Prinzips zum Tragen: Bei gleichem Rotordurch
messer und gleicher Hubkraft ist eine wesentlich geringere Ro
torumfangsgeschwindigkeit erforderlich als bei Verwendung eines
Tragflügelprofils. Zwar ergeben sich durch die Notwendigkeit für
ein Mehrfaches an Walzenumfangsgeschwindigkeit zur jeweils herr
schenden Rotorumfangsgeschwindigkeit ähnlich hohe Relativge
schwindigkeiten zur ruhenden Umgebungsluft wie bei den Profilen,
aber diese treten nur in einer ganz dünnen Grenzschicht, der
sogenannten Prandtl'schen Grenzschicht, auf der sich drehenden
Walzenoberfläche auf. Außerdem entstehen aufgrund der mitrotie
renden Endscheiben wesentlich geringere bis fast keine Randwir
bel. Beide Eigenschaften zusammen führen bei vergleichbaren Be
dingungen gegenüber den derzeitigen Hubschraubern zu erheblich
geringeren Lärmemissionen.
Ein weiterer Vorteil des neuartigen Auftriebsprinzips kann
dadurch ausgenutzt werden, indem trotz der Tendenz zu steigenden
spezifischen Kraftstoffverbräuchen bei steigenden Ca-Beiwerten,
ein relativ hoher Ca-Wert von 5 bei der Auslegung von Rotoren mit
"Magnus"-Walzen zugrunde gelegt werden kann, weil dieser Beiwert
im Bereich der besten Gleitzahl und damit des günstigsten aero
dynamischen Wirkungsgrades, liegt. Dieser hohe Auftriebsbeiwert
liegt aber immer noch weit entfernt von den verwirklichbar hohen
Werten von 10 bis 12 eines "Magnus"-Strömungsfeldes und ergibt
damit einen hohen Sicherheitsabstand von deren Grenzwerten. Aber
auch bei Erreichen der Grenzwerte zeigte sich in Versuchen und
später in der Praxis bei stationären Anwendungen, eine gewisse
Gutmütigkeit des Prinzips, in dem die Strömung nicht einfach
abriß oder zusammenbrach, sondern eine höhere Belastung einfach
nicht mehr annahm und durch das starke Anwachsen des Widerstan
des bremsende und damit selbstregulierende Effekte in Richtung
zu wieder gesunden Belastungs- und Strömungsverhältnissen her
vortraten.
Zusammengefaßt führt eine Anwendung der Erfindung bei Ro
toren, insbesondere bei solchen für die Schuberzeugung von Dreh
flügelflugzeugen und Luftkissenfahrzeugen, im Betrieb zu sehr
geringen aerodynamischen Lärmemissionen bei gleichzeitig siche
rem und gutmütigem Flugverhalten. Werden diese Eigenschaften
dann noch mit einer oder mehreren zusammengekoppelten Brenn
stoffzellen als Antriebsquelle sowie entsprechenden elektromoto
rischen Antrieben für Rotor und Walzen kombiniert, können Trans
portgeräte mit geringen Umweltbelastungen und hoher Betriebs
sicherheit, z. B. für einen gehobenen Individualverkehr für
Straße, Gelände und Luft zusammen, entwickelt werden.
Bekannt geworden ist eine Anwendung des "Magnus"-Effektes
zum Antrieb von Schiffen durch die Entwicklungen von Anton
Flettner, der in den zwanziger Jahren 2 Frachtschiffe mit gros
sen, stehenden und rotierenden, aber stationären Zylindern aus
rüstete und ab einer bestimmten Windstärke die Schiffe damit
erfolgreich antreiben konnte (Literatur z. B.: "Das Rotorschiff
und seine physikalischen Grundlagen" von Dipl.-Ing. J. Ackeret;
Göttingen * Vandenhoeck & Ruprecht * 1925/Zweite Auflage).
Unter anderen auch von A. Flettner sind Vorschläge bekannt,
Windmühlen anstelle von Rotorblättern mit "Magnus"-Walzen auszu
rüsten, um dadurch bestimmte Vorteile bei der Energiegewinnung
aus dem Wind zu gewinnen. Der Autor Felix von König machte auch
Vorschläge, auf einen geschlossenen Schienenkreis mit großem
Durchmesser eine Vielzahl von Wagen aufzustellen, auf denen
senkrecht stehende Magnuswalzen installiert sind, um damit einen
großen Vertikalachsenrotor im MW-Bereich für die Windenergie-
Gewinnung nachzubilden. Weiterhin schlug dieser Autor vor, in
jeweils dem obersten Stockwerk von Hochhäusern horizontal lie
gende "Magnus"-Walzen zu installieren, die den ankommenden Wind
um 90 Grad nach oben auf vertikal angeordnete, große Rotor-
Generatoreinheiten für die Energiegewinnung umlenken sollen.
Alle diese Vorschläge sind in dem Buch "Windkraft vom Flettner
rotor" von Felix von König; Udo Pfriemer Verlag/München,
aufgeführt.
Aus den USA wird von einem "gelenkig angeordnetem, selbst
drehenden Verzögerer bzw. Bremser (articulated autorotor decele
rator) berichtet, der am hinteren Ende von aus dem Weltraum
rückkehrenden Raketenstufen oder sonstigen Körpern (air delive
red store) angebracht ist und sich nach Eintritt in die Lufthül
le entfaltet, um den Körper aus seiner hohen Geschwindigkeit
abzubremsen. Das System besteht aus um die Mittelachse autoro
tierenden Rotorblättern mit S-förmigem Querschnitt, die ihrer
seits im Luftstrom um ihre Längsachse rotieren und dabei durch
"Magnus"-Effekte Kräfte erzeugen, die zu einer hohen Bremswir
kung in Flugrichtung führen. Wahrscheinlich funktionieren die
kleinen Schwirrflügel-Flugzeugmodelle aus der Spielwarenbranche,
die bei Wind wie Drachen am Band gehalten werden und die eben
falls S-förmige, um ihre Längsachse rotierende Tragflächen auf
weisen, nach dem gleichen Prinzip. ("A dynamic and aerodynamic
Analysis of an Articulated Autorotor Decelerator Systen" by
Miles C. Miller, Maryland. AIAA 4th Aerodynamic Deceleration
Systems Conference, Palm Springs, California/May 21-23, 1972.
AIAA Paper No. 73-463).
Dagegen ist eine Anwendung des "Magnus"-Effektes in der Art
der vorliegenden Erfindung, nämlich mit rotierenden und zusätz
lich um ihre Längsachse drehenden Wellen unter Zuhilfenahme von
Fremdenergie gasförmige oder flüssige Medien gerichtet zu be
schleunigen und dadurch Schubkräfte zu erzeugen, bisher nicht
bekannt.
An Hand der Fig. 4 wird als Beispiel für eine mögliche An
wendung der Erfindung ein kombiniertes Luft- Straßenfahrzeug für
etwa 5 Personen und für den gehobenen Allgemeinverkehr gedacht,
näher beschrieben. Auf dem Dach des Fahrzeuges ist ein Rotor mit
2 "Magnus"-Walzen angeordnet, der neben den schon beschriebenen
Endscheiben eine leicht konische Form aufweist. Diese Form ist
als Kompromiß gedacht zwischen der optimalen Konusform, bei der
die zulaufenden Schenkel sich im Rotormittelpunkt schneiden und
mit der sich ein über die gesamte Walzenlänge fester Auftriebs
beiwert, der im Bereich der bestmöglichen Gleitzahl liegt, ein
gehalten werden kann. Dafür ist aber als Nachteil eine Zunahme
der Auftriebskräfte von innen nach außen und damit ein ungün
stiger Biegeverlauf über die Walzenlänge, in Kauf zu nehmen.
Demgegenüber ergibt eine zylindrische Walzenform eine fast
gleichmäßige Auftriebsverteilung über die Walzenlänge und läßt
eine billigere Herstellung erwarten. Dafür ergibt sich aber eine
mittlere Gleitzahl, die außerhalb des optimalen Bereichs liegt.
Zwischen diesen beiden Extremen liegt die hier zugrunde gelegte
leicht konische Form, die auf minimalen Antriebsbedarf hin aus
zulegen ist. Hierbei haben u. a. die Verhältnisse von Walzenlänge
zu mittlerem Walzendurchmesser, Endscheiben-Durchmesser zum je
weiligen Rotordurchmesser und Walzenoberflächen-Geschwindigkeit
zur jeweiligen Rotor-Umfangsgeschwindigkeit sowie die Oberflä
chenbeschaffenheit von Walze und Endscheiben und die Anordnung
von kleinen Scheiben oder Ringen auf der Walzenoberfläche, die
die durch Zentrifugalkräfte bewirkte axiale Strömung mindert,
einen Einfluß.
Die Walzen werden durch direkt mit diesen verbundenen, in
tegrierten Synchron-E-Motoren angetrieben, deren Drehzahl nor
malerweise jeweils so im Verhältnis zur Rotordrehzahl angepaßt
wird, daß die Gleitzahl immer im optimalen Bereich verbleibt.
Eine Leistungsänderung des Rotors wird somit direkt durch seine
Drehzahlveränderung vorgenommen. In einem gewissen Bereich kön
nen zum Ausgleich unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeiten bei
horizontalen Bewegungen des Fahrzeuges oder zum Einleiten von
Flug-Kippbewegungen die Walzendrehzahlen bei jeder Rotorumdre
hung zyklisch verändert werden, indem unter Einschaltung eines
elektrischen Kondensators und unter Einbeziehung der dynamischen
Trägheitsmomente der rotierenden Massen um die Walzenlängsachse,
ein einstellbarer oder sich selbst einregulierender Schwingkreis
gebildet wird.
Um die dynamischen Kräfte in Grenzen zu halten, lassen sich
solche zyklischen Drehzahländerung der Walzen nur in einem ge
wissen Bereich verwirklichen. Der gesamte Steuerbereich wie bei
Hubschraubern mit Tragflügelprofilen, bei denen der Anstellwin
kel zyklisch verändert wird, kann mit diesem Prinzip nicht abge
deckt werden bzw. nur dann, wenn das Fahrzeug mit Walzenrotoren
mit verhältnismäßig moderaten Geschwindigkeiten fliegt und nur
verhältnismäßig träge Richtungsänderungen und Manöver vorgenom
men werden sollen. Für den in Betracht gezogenen Anwendungsbe
reich kann das auch durchaus genügen. Werden dennoch größere
Steuerkräfte, die durch den Walzenrotor ausgeübt werden sollen,
erforderlich oder gewünscht, dann könnte dieser insgesamt
schwenkbar ausgeführt werden, indem zwischen der starren Rotor
achse und den sich drehenden Teilen eine kugelförmige Schwenk
verbindung vorgesehen wird.
Genauso wie bei den Hubschrauberrotoren mit Tragflügelpro
filen können auch bei diesem Auftriebsprinzip die gleichen An
triebs-, Rotoranordnungs- und hochachsenseitigen Momentenaus
gleichs-Konfigurationen gebildet werden, insbesondere die be
kannte Konfiguration mit nur einem Hauptrotor und einem Heck
rotor bekannter Bauart. Anstelle des Heckrotors können aber auch
starr am Fahrzeugkörper angebrachte Hilfswalzen angeordnet wer
den, die aus der Fahrzeugkontur herausragen und über integrierte
kleine Synchron-E-Motoren entweder links oder rechts herum dre
hend mit variierenden Drehzahlen beim Schwebeflug im Abwind des
Rotors oder beim Horizontalflug im Luftstrom mit resultierenden
Anströmwinkeln, entsprechende Momente erzeugen und auf das Fahr
zeug übertragen. Hierzu ist mindestens eine Hilfswalze erforder
lich, mit der das jeweils erforderliche Ausgleichsmoment im
Schwebeflug erzeugt werden kann. Üblicherweise wird man aber -
wie auch in Fig. 4 dargestellt - zur besseren Dosierung der
Steuerbefehle 4 um jeweils 90 Grad versetzte Hilfswalzen mit
ihren Antrieben vorsehen. Beim Betrieb als Straßenfahrzeug kön
nen diese Hilfswalzen dann entweder an die Fahrzeugkontur ange
klappt oder in diese eingezogen werden. Im umgekehrten Fall
können diese beim Wechsel vom Straßen- auf Flugbetrieb automa
tisch oder vom Pilotensitz fernbedient, ausgeklappt oder ausge
zogen und dann verriegelt werden.
Der Antriebsmotor für den Hauptrotor ist zusammen mit dem
Winkel-Untersetzungsgetriebe auf dem Dach der Fahrzeugzelle an
gebracht und aerodynamisch günstig umkleidet. Da aus Gewichts
gründen vorzugsweise ein hochdrehender Synchron-E-Motor zur An
wendung gelangen sollte, wird dieser durch einen dosierten Luft
strom gekühlt werden müssen, weshalb im hinteren Bereich der
Verkleidung entsprechende Luftschlitze oder Lamellen vorgesehen
sind.
Die steif und selbsttragend ausgeführte Fahrgastzelle ist
in diesem Beispiel in die drei Abschnitte "Fahrgastraum für ins
gesamt 5 Personen, Gepäckraum und hinten liegender Motorraum"
unterteilt. Als Antriebsquelle wird entweder eine speziell für
dieses Straßen- Luftfahrzeug entwickelte Brennstoffzelle oder
mehrere, in Reihe geschaltete Zellen, wie sie derzeitig für PKWs
entwickelt werden, vorgesehen. Als Treibstoff kommt entweder
Methanol (CH3OH) oder flüssig Methan (CH4) bzw. Erdgas infrage.
Der oder die Treibstofftanks sind aus Sicherheitsgründen unter
halb der Fahrgastzelle im Fahrzeugunterbau zwischen den Rädern
und im Bereich des Fahrzeug-Schwerpunktes, untergebracht.
Die Räder für den Straßenbetrieb werden vorzugsweise eben
falls elektrisch angetrieben.
Gegenüber reinen Straßenfahrzeugen hat bei diesem Kombi
fahrzeug für Straße und Luft die Sicherheit der Antriebsanlage
einen wesentlich höheren Stellenwert. Der Rotor mit "Magnus"-
Walzen ist aufgrund der schlechteren Gleitzahlen gegenüber sol
chen mit Tragflügelprofilen wahrscheinlich nicht autorotations
fähig. Zumindest müßten im Notsinkflug die Walzen noch extern
angetrieben werden können. Deshalb wird für den Notfall im Flug
betrieb bei Ausfall der Antriebsenergie, was z. B. auch durch
vollständigen Verbrauch des Treibstoffs eintreten kann, ein
ausschließlich hierfür reservierter Energiespeicher für eine
einmalige Notlandung im energiearmen Sinkflug und mit einer
ausreichend seitlichen Ausweichreichweite, vorgesehen. Diese
wird mit dem Steuersystem so verschaltet, daß das Fluggerät erst
nach Wiederauffüllung des Notenergie-Speichers wieder betriebs
bereit ist. Das mechanische System des Rotors und der rotieren
den Walzen ist, wie beim derzeitigen Hubschrauber auch, bei Ver
sagen nicht ersetzbar. Es muß daher mit hoher Zuverlässigkeit
ausgelegt und gefertigt werden. Es ist jedoch denkbar, den Rotor
bei Ausfall des Getriebes oder Motors von diesen entkuppelbar
auszuführen und einen gesonderten Antrieb ausschließlich für den
Notsinkbetrieb vorzusehen.
Die Gutmütigkeit der aerodynamischen Strömung mit "Magnus"-
Effekt, bei Überbelastung - z. B. durch sich verringernde Rotor
drehzahl wegen schwacher werdender Antriebsenergie - nicht
plötzlich abzureißen, sondern einfach keine höheren Belastungen
mehr anzunehmen, ergibt bei einer derartigen Notsituation eine
höhere Sicherheit gegenüber einer Autogiro-Notlandung mit her
kömmlichen Tragflächenprofilen. Dieses gilt insbesondere bei
weniger geübten und grundsätzlich auch weniger geeigneten Pilo
ten im Vergleich zu den heutigen für Tragflächen- und erst recht
für Drehflügelflugzeuge. Somit kann durch die vorliegende Erfin
dung das große Potential normaler Führerscheininhaber jetzt auch
für eine Verkehrsnutzung der dritten Dimension im unteren Höhen
bereich gewonnen und aus wirtschaftlicher Sicht als Käufer er
schlossen werden. Zusammen mit der heute bereits angewandten
Steuertechnik "fly by wire" ist es grundsätzlich möglich ein
kombiniertes Straßen- und Fluggerät zu entwickeln, bei dem der
Fahrzeugführer bzw. Pilot den Steuerknüppel oder Stick nur in
die Richtung zu bewegen braucht, in die er fliegen will. Alles
weitere führt dann die Steuerung auf der Basis einer aerodyna
misch gutmütigen und gesunden Walzenumströmung mit "Magnus"-
Effekt aus, bei gleichzeitig geringen Lärmemissionen und mit
einem umweltfreundlichen Antrieb.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
vereinfacht dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Rotor mit drei Rotorarmen
und darauf angeordneten "Magnus"-Walzen, wobei der linke Rotor
arm bis fast zur Rotormitte hin geschnitten dargestellt ist,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-A der Fig. 1, wobei der
zum Schnitt gehörige Rotorarm in seiner Außenansicht dargestellt
ist,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Rotorarm gemäß Linie B-
B der Fig. 1, zusammen mit dem gedachten, sich im rotierenden Be
trieb einstellenden Umströmungsfeld um die "Magnus"-Walzen, das
aus einzelnen, konstruierten Stromfäden aufgebaut wurde. Das
Strömungsfeld wird zum besseren Verständnis an entscheidenden
Stellen durch eingezeichnete Geschwindigkeits- und Kräftedrei
ecke ergänzt.
Fig. 4 eine 3-Seitenansicht von einem möglichen Straßen-
Luftfahrzeug für 5 Personen, daß mit 2 Rotorarmen und 4 Hilfs
walzen für eine Steuerung des Fahrzeuges um seine Hochachse aus
gerüstet ist. Die Seitenansicht des Fahrzeuges ist als Längs
schnitt dargestellt.
Bei der dargestellten Anordnung besteht der Rotor aus drei in
Abständen von 120 Grad strahlenförmig angeordneten Achsen 1, die
zur Rotormitte hin in einen Rotorgabelkopf 2 münden und mit die
sem steif verbunden sind. Der Rotorgabelkopf 2 ist drehbar auf
der Rotorachse 3 gelagert und axial fixiert, die wiederum in
einem Kugelgelenk 4 um ihre Längsachse schwenkbar, aber axial
und gegen Mitdrehen fixiert ist. Das Kugelgelenk 4 stellt die
Verbindung zwischen dem schwenkbaren Rotorkopf und dem Gerät
her, auf das Schubkräfte übertragen werden sollen. Außerdem sind
zwischen Rotorkopf und Gerät noch Stellzylinder 5 gelenkig ange
ordnet, mit denen eine Neigung zwischen diesen beiden Komponen
ten gezielt verändert und/oder eingestellt werden kann. Aus
Gründen der Vereinfachung ist in der Figur nur ein Stellzylinder
5 dargestellt. Tatsächlich sind aber zwei um 90 Grad versetzte
Stellzylinder erforderlich, um eine Schwenkbewegung in alle
Richtungen ausführen zu können.
Der Rotorgabelkopf 2 wird in der dargestellten Anordnung
von einem Motor 6 über ein Getriebe 7 angetrieben. Die auf den
Achsen 1 angeordneten, rotierend gelagerten Walzen 8 werden da
gegen in dieser Darstellung einzeln von gesonderten Motoren 9
über Getriebe 10 angetrieben. Die hierfür erforderlichen Ein
richtungen zur Einleitung der elektrischen Energie in den rotie
renden Bereich in Form von Schleifringen oder induktiv arbeiten
den Einrichtungen sind in den Zeichnungen nicht mit dargestellt.
An den Enden der Walzen 8 befinden sich mitrotierende End
scheiben 11, deren nach außen gerichtete Kontur dem jeweiligen
Rotorradius an dieser Stelle entspricht.
Auf der äußeren Walzenoberfläche sind in bestimmten Abstän
den kleine und schmale Ringe 12 angebracht, die eine durch Zen
trifugalkräfte ausgelöste axiale Strömung des Mediums auf der
von einer der Walzen 8 in der Fig. 1 ist erkennbar, daß diese in
2 biegesteife Walzenkörper mit jeweils gesonderten Lagerungen 13
aufgeteilt ist, die an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen 14
zwar in einem gewissen Winkelbereich zueinander biegsam, aber
dennoch kraftschlüssig miteinander verbunden sein sollen. Der
Spaltbereich 14 muß dabei so beschaffen sein, daß in ihm kein
Druckausgleich des Mediums zwischen Saug- und Druckseite statt
finden kann. Diese Unterteilung der Walzen 8 in einzelne, biege
steife und gesondert gelagerte Walzenkörper wird erforderlich
bei langen, schlanken Walzen, bei denen die elastische Durchbie
gung der Achsen 1 eine einfache Lagerung mit Fest- und Loslager
nicht mehr gestattet.
In den Zeichnungen ist eine zylindrische Form der Walzen 8
dargestellt, die zu einer ungefähren gleichmäßigen Lastvertei
lung über die Längsachse führt. Die Walzen können aber auch be
liebige andere Außenkonturen aufweisen und dadurch andere Belas
tungsverläufe in axialer Richtung der Walzen 8 und Achsen 1 her
vorrufen.
In Fig. 3 wird der Strömungsverlauf des jeweiligen Mediums,
der sich beim Drehen des Rotors und seiner im Schnitt B-B dar
gestellten Walze 8 um ihre Achse 1 mit den entsprechenden Dreh
richtungen, wie sie in der Draufsicht Fig. 1 mit Pfeilen und zu
gehörigen Hinweisen angegeben sind, dargestellt. In diesem Beispiel
liegt den dargestellten Längen- und Kräfteverhältnissen
eine Auslegungsrechnung mit dem Medium "Luft" im inneren Teil
von der Walzenlänge zugrunde. Es wird nachfolgend der Verlauf
eines der dargestellten Stromfäden 15 beschrieben:
Das Strömungsbild beginnt links mit der horizontalen An strömgeschwindigkeit "vu", die sich ausschließlich durch die Rotationsgeschwindigkeit der Achsen 1 um die Rotorachse 3 auf baut. Auf dem Wege von der so bezeichneten "Anströmebene" bis zum Kraftvektor "Ca", die Stelle auf der sich drehenden Walzen oberfläche mit der größten Druckabsenkung in dem Strömungsmedium und dadurch auch mit der größten Auftriebskraft, baut sich zu sätzlich zur Anströmgeschwindigkeit "vu" eine vertikale Strömung "wa/2" auf, die im Zusammenwirken eine resultierende Geschwindig keit "vr-1" unter dem Winkel "αi-1" zur Horizontalen ergibt. Nachdem der Stromfaden danach einem Umschlingungswinkel "ν" auf der Walzenoberfläche weiter gefolgt ist, hat er die so bezeich nete "Abströmebene" erreicht und die vertikale Strömungskompo nente ist auf die doppelte Größe "wa" angewachsen. Der Winkel "ν" entspricht dem an dieser Stelle herrschenden Gleitwinkel, dem arc tan von dem Quotienten "Cw/Ca". Das zugehörige Geschwindig keitsdreieck mit der resultierenden Geschwindigkeit "vr-2" und dem Winkel "αi-2" ist im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt. Während auf der Oberseite der rotierenden Walze 8 eine Verdich tung der Stromfäden und damit eine Geschwindigkeitserhöhung und eine Druckabsenkung im Medium stattfindet, werden auf der gegen überliegenden Unterseite die Stromfäden weiter auseinanderge rückt, wodurch sich die Geschwindigkeit verlangsamt und der Druck im Medium ansteigt.
Das Strömungsbild beginnt links mit der horizontalen An strömgeschwindigkeit "vu", die sich ausschließlich durch die Rotationsgeschwindigkeit der Achsen 1 um die Rotorachse 3 auf baut. Auf dem Wege von der so bezeichneten "Anströmebene" bis zum Kraftvektor "Ca", die Stelle auf der sich drehenden Walzen oberfläche mit der größten Druckabsenkung in dem Strömungsmedium und dadurch auch mit der größten Auftriebskraft, baut sich zu sätzlich zur Anströmgeschwindigkeit "vu" eine vertikale Strömung "wa/2" auf, die im Zusammenwirken eine resultierende Geschwindig keit "vr-1" unter dem Winkel "αi-1" zur Horizontalen ergibt. Nachdem der Stromfaden danach einem Umschlingungswinkel "ν" auf der Walzenoberfläche weiter gefolgt ist, hat er die so bezeich nete "Abströmebene" erreicht und die vertikale Strömungskompo nente ist auf die doppelte Größe "wa" angewachsen. Der Winkel "ν" entspricht dem an dieser Stelle herrschenden Gleitwinkel, dem arc tan von dem Quotienten "Cw/Ca". Das zugehörige Geschwindig keitsdreieck mit der resultierenden Geschwindigkeit "vr-2" und dem Winkel "αi-2" ist im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt. Während auf der Oberseite der rotierenden Walze 8 eine Verdich tung der Stromfäden und damit eine Geschwindigkeitserhöhung und eine Druckabsenkung im Medium stattfindet, werden auf der gegen überliegenden Unterseite die Stromfäden weiter auseinanderge rückt, wodurch sich die Geschwindigkeit verlangsamt und der Druck im Medium ansteigt.
In Fig. 4 wird als ein möglicher Anwendungsfall der Erfin
dung ein kombiniertes Straßen - Luftfahrzeug 16 für 5 Personen
dargestellt. Das Fahrzeug ist mit 2 leicht konischen Rotoren 8
ausgerüstet, die von jeweils integrierten E-Motoren 9 angetrie
ben werden. Der Rotorgabelkopf 2 ist kardanisch gelagert - hier
nicht dargestellt - wodurch der komplette Rotor aus seiner hori
zontalen Ebene heraus geschwenkt werden kann. Über ein Winkelge
triebe 7 wird der Rotor von einem luftgekühlten E-Motor 6 ange
trieben. Beide Komponenten sind auf dem Dach des Fahrzeuges 16
angebracht und von einer aerodynamischen Verkleidung 17 umhüllt.
Im hinteren Bereich der Verkleidung 17 befinden sich Luftschlit
ze 18 für den Auslaß der E-Motor-Kühlluft. Der Rotorkopf mit den
Walzen-E-Antrieben 9 und dem Rotorgabelkopf 2 wird mit einer
Kugelkalotte 19 aerodynamisch verkleidet.
Das Fahrzeug 16 kann mit Hilfe von Hilfswalzen 20 um seine
Hochachse gesteuert bzw. entgegen dem zwischen Rotor und Fahr
zeug sich einstellendem Drehmoment in einer bestimmten Position
gehalten werden. Die Hilfswalzen 20 werden jeweils von entspre
chend integrierten E-Motoren 21 angetrieben und können je nach
Steuerbedarf links oder rechts herum drehen. An der Spitze der
vorderen Hilfswalze befindet sich eine Einrichtung 22 zur Mes
sung des Staudrucks während des Betriebes als Luftfahrzeug. Bei
dem Einsatz als Straßenfahrzeug können diese Steuerungselemente
an die Fahrzeug-Außenkontur angeklappt bzw. in diese eingezogen
werden.
Der Fahrzeug-Innenraum ist in einen Fahrgast-Abschnitt 23,
dem Gepäckraum 24 und dem Motorraum 25 für die Unterbringung der
Brennstoffzelle(n) sowie der erforderlichen elektro-/elektroni
schen Stromaufbereitung für die verschiedenen E-Antriebe 6; 9
und 21, unterteilt. Unterhalb der Fahrzeugzelle 16 sind in dem
besonders geschützten Fahrzeug-Unterbau 26 zwischen den Achsen
die Treibstofftanks 27 angeordnet.
Claims (24)
1. Auftriebssystem für Schub erzeugende Rotoren für den Ein
satz in gasförmigen oder flüssigen Medien, insbesondere aber
in Luft und als vorteilhafte Alternative bei Drehflügelflug
zeugen und Luftkissenfahrzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß um einen Mittelpunkt kreisende, sternförmig angeordnete
Achsen (1) mit Walzen (8) ausgerüstet sind, die ihrerseits
um ihre Längsachse drehen und hierzu gesondert angetrieben
werden, wodurch ein Strömungsfeld mit "Magnus"-Effekt auf
gebaut wird.
2. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der in die Schubrichtung weisenden Rotorseite die
Walzenoberfläche sich in die gleiche Richtung bewegt wie die
durch die Rotordrehung bewirkte Anströmung des Mediums auf
die Walzen.
3. Auftriebssystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung eines bestimmten Auftriebskoeffizienten
an einer vorgewählten Stelle vom Rotorradius die Geschwin
digkeit der Walzenoberfläche an dieser Stelle ein bestimm
tes, in Versuchen ermitteltes Mehrfaches von der jeweiligen
Rotorumfangs-Geschwindigkeit betragen muß.
4. Auftriebssystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Minimierung der Strömungswiderstände an den beiden
Walzenenden mitdrehende Endscheiben (11) angeordnet sind,
deren Außendurchmesser ein bestimmtes, in Versuchen ermit
teltes Mehrfaches vom Walzendurchmesser an dieser Stelle
aufweisen.
5. Auftriebssystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontur der Endscheiben (11) jeweils dem Rotorradius
an dieser Stelle entsprechen.
6. Auftriebssystem nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenrand der Endscheiben (11), insbesondere bei der
äußeren Endscheibe, so ausgeformt ist, daß ein Abreißen und
Verwirbeln des anströmenden Mediums vermieden wird.
7. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Oberfläche der Walzen (8) in bestimmten Abstän
den kleine und schmale Scheiben oder Ringe (12) angebracht
sind, die die Wirkung bekannter Grenzschichtzäune auf Trag
flächen ausüben und speziell bei dieser Erfindung die durch
Zentrifugalkräfte verursachten axialen Strömungen unterbin
den bzw. günstig beeinflussen.
8. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Walzenlänge zwischen den beiden Endscheiben (11)
vorzugsweise mindestens das sechsfache des mittleren Wal
zendurchmessers betragen soll, um bei vorgegebenem Auf
triebsbeiwert in den Bereich sich einstellender niedriger
Widerstandsbeiwerte und damit geringer aerodynamischer
Reibungsverluste zu gelangen.
9. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei langen und schlanken Walzen (8) diese in einzelne,
biegesteife und untereinander kraftschlüssige Abschnitte
aufgeteilt werden, die auf dem als durchgehende Walzenachse
(1) ausgebildeten Rotorarm jeweils gesondert gelagert und
fixiert werden.
10. Auftriebssystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltbereiche (14) der einzelnen Walzenabschnitte
so ausgeführt werden, daß kein Druckausgleich des Mediums
zwischen Saug- und Druckseite der Walze (8) stattfinden
kann.
11. Auftriebssystem nach Anspruch 1 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagerungen (13) der Walzen (8) oder ihrer einzelnen
Abschnitte reibungs- und geräuscharm und damit vorzugsweise
als mediumgeschmiertes Lager oder als Magnetlager ausgeführt
werden.
12. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Walzenform vorzugsweise die zylindrische gewählt
wird, um als kombinierten Vorteil einerseits eine günstige
Fertigung und andererseits eine annähernd gleichmäßige Last
verteilung über die Walzenlänge zu erzielen.
13. Auftriebssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Einhaltung eines bestimmten Auftriebskoeffizienten
über die gesamte Walzenlänge diese eine konische Form auf
weist, deren größter Durchmesser am Sitz der äußeren End
scheibe (11) beginnt und deren Verlängerung sich bei nach
innen verjüngendem Konus im Schnittpunkt von Walzenachse (1)
und Rotorachse (3) schneidet.
14. Auftriebssystem nach Anspruch 1, 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Last- und Leistungsänderungen das im Hinblick auf
niedrigen Widerstandskoeffizienten und guten aerodynamischen
Wirkungsgrad gewählte Verhältnis zwischen Walzenoberflä
chengeschwindigkeit und zugehöriger Rotorumfangsgeschwindig
keit beibehalten und eine Auftriebsänderung des Rotors vor
zugsweise durch eine Änderung der Rotordrehzahl und nicht
durch eine kollektive Drehzahländerung der Walzen (8) vorge
nommen wird.
15. Auftriebssystem nach Anspruch 1 und 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß, insbesondere bei der Anwendung an Drehflügelflugzeu
gen, zur Vermeidung von Kippmomenten bei Längsanströmung des
Rotors sowie zur Durchführung von Manöverbewegungen um die
Hochachse, die Drehzahl der Walzen (8) in einem gewissen,
machbaren Bereich durch Anwendung von Walzenantrieben (9)
mit frequenzgesteuerten E-Motoren zyklisch verändert wird.
16. Auftriebssystem nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur besseren Erzielung einer zyklischen Drehzahländerung
der Walzen (8) ein einstellbarer oder sich selbst einregu
lierender Schwingkreis unter Einbeziehung der dynamischen
Trägheitsmomente der rotierenden Massen um die Walzenlängs
achse sowie gegebenenfalls zusätzlich unter Einschaltung
eines elektrischen Kondensators vorgesehen wird.
17. Auftriebssystem nach Anspruch 1, 15 und 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei grundsätzlich bestehender Möglichkeit, mit diesem
Auftriebsprinzip die gleichen Antriebs-, Rotoranordnungs-
und hochachsenseitigen Momentenausgleichs-Konfigurationen
zu verwirklichen sind wie mit den bekannten kreisenden Trag
flügelprofilen, hier, insbesondere bei Konfigurationen mit
nur einem Hauptrotor und einem Heckrotor bekannter Bauart,
vorteilhaft zur Durchführung von entsprechenden Manöver
bewegungen die gesamte Rotorebene, z. B. mittels einer Kugel
gelenkverbindung (4) und Stellzylindern (5), geschwenkt
oder eine derartige Schwenkung mit einer leichten zyklischen
Drehzahländerung der Walzen (8) kombiniert, vorgesehen wird.
18. Auftriebssystem nach Anspruch 1 und 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Energiequelle für den Antrieb der einzelnen drehen
den Komponenten eines Drehflügelflugzeuges oder Luftkissen
fahrzeuges eine oder mehrere zusammengeschaltete Brennstoff
zellen verwendet werden, mit deren elektrischer Ausgangse
nergie regelbare, speziell für diese Aufgabe angepaßte Elek
tromotore (6) und (9), insbesondere frequenzgesteuerte Syn
chronmotore, gespeist werden, um so ein insgesamt leises und
umweltfreundliches Antriebssystem zu verwirklichen.
19. Auftriebssystem nach Anspruch 1 und 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Ausfall der Energiequelle(n) im Fluge eines Drehflü
gelflugzeuges, unter anderem auch beim vollständigen Ver
brauch des Treibstoffs, ausschließlich für den Notfall re
servierte Speicher vorgesehen werden, deren Energieinhalt
für eine einmalige Notsinklandung mit entsprechender seitli
cher Ausweichreichweite bemessen ist.
20. Auftriebssystem nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schaltung vorgesehen wird, die einen erneuten Start
des Drehflügelflugzeugs erst dann möglich macht, wenn die
für den Notfall vorgesehenen Energiespeicher wieder aufge
füllt sind.
21. Auftriebssystem nach Anspruch 11, 12 und 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Drehflügelflugzeugen eine Steuerung um die Hochachse
bzw. ein Ausgleich des sich zwischen Rotor und Fahrzeug ein
stellenden Drehmomentes durch mindestens eine aus der Kontur
des Fahrzeuges herausragende Hilfswalze (20) vorgenommen
wird, indem diese durch einen integrierten E-Motor (21)
wahlweise links oder rechtsdrehend mit variierbaren Drehzah
len angetrieben wird und dadurch beim Schwebeflug im Abwind
des Rotors oder bei Horizontalbewegungen im Luftstrom mit
resultierenden Anströmwinkeln, entsprechende Momente auf das
Fahrzeug ausübt.
22. Auftriebssystem nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfswalzen (20) zusammen mit ihren integrierten E-
Antrieben (21) beim Betrieb des Fahrzeuges als Straßenfahr
zeug an die Fahrzeugkontur angeklappt oder in diese eingezo
gen und umgekehrt beim Wechsel vom Straßen- auf Flugbetrieb
diese wieder automatisch bzw. vom Pilotensitz aus fernbe
dient ausgeklappt und verriegelt werden können.
23. Auftriebssystem nach Anspruch 21 und 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß alternativ zu den Hilfswalzen (20) bekannte, über Servo
motoren individuell ansteuerbare, aerodynamisch wirkende
Steuerflächen eingesetzt werden.
24. Auftriebssystem nach Anspruch 1, 2 und 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer erwünschten Schubumkehr, insbesondere an Pro
pellern oder Heckrotoren von Drehflügelflugzeugen, diese
durch Drehrichtungsänderung der Walzen (8) bei Beibehaltung
der Propeller- oder Rotordrehrichtung, vorgenommen wird.
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DE2000153134 DE10053134B4 (de) | 2000-10-26 | 2000-10-26 | Neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende Rotoren |
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Cited By (6)
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DE10241608B4 (de) * | 2002-05-21 | 2006-07-13 | Zelck, Gerd, Dipl.-Ing. | VTLO-Fluggerät mit zentrisch gelagertem Doppelrotor |
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CN103863562A (zh) * | 2014-03-29 | 2014-06-18 | 郑全逸 | 具有组合桨叶的直升装置 |
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2000
- 2000-10-26 DE DE2000153134 patent/DE10053134B4/de not_active Expired - Fee Related
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