DE102016212090A1 - An electric power generating device for an aircraft and a method of generating electric power in an aircraft - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung (1) für ein Luftfahrzeug (100), insbesondere einen Helikopter, mit einer mittels Druckschwankungen (DP) anregbaren Schwingungseinrichtung (2) zur mechanisch schwingenden Anordnung an einer Kavität (105), wobei die Kavität (105) an einer Rotorkomponente (102) oder in einem Strukturbereich (104) des Luftfahrzeugs ausgebildet ist, und einer kinematisch an die Schwingungseinrichtung (2) gekoppelten elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung (3) zur Umwandlung einer mechanischen Schwingung (S) der Schwingungseinrichtung (2) in elektrische Energie. Ferner sind ein Luftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Luftfahrzeug (100).The present invention describes an electric power generating device (1) for an aircraft (100), in particular a helicopter, with a vibration device (2) which can be excited by means of pressure fluctuations (DP) for the mechanically oscillating arrangement on a cavity (105), wherein the cavity (105) is formed on a rotor component (102) or in a structural region (104) of the aircraft, and an electromechanical energy conversion device (3) kinematically coupled to the vibration device (2) for converting a mechanical vibration (S) of the vibration device (2) into electrical energy. Further, an aircraft and a method for generating electrical energy in an aircraft (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Helikopter.The present invention relates to an electrical power generation device for an aircraft and to a method for generating electrical energy in an aircraft, in particular in a helicopter.
Luftfahrzeuge weisen eine Vielzahl von elektrisch betriebenen Komponenten auf, wie beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, Sensoren, Steuerungseinrichtungen oder dergleichen. Üblicherweise werden auch in mit elektrischen Versorgungsleitungen schlecht erreichbaren Bereichen des Luftfahrzeugs elektrische Komponenten benötigt. Insbesondere an rotierenden Bauteilen, wie z. B. dem Rotor eines Helikopters oder dem Propeller eines Flugzeugs, ist zur Versorgung elektrisch betriebener Komponenten mit elektrischer Energie üblicherweise eine lokale Energieerzeugungsvorrichtung vorgesehen.Aircraft have a variety of electrically powered components, such as lighting devices, sensors, controllers, or the like. Usually, electrical components are also required in areas of the aircraft which are difficult to reach with electrical supply lines. In particular, on rotating components, such. As the rotor of a helicopter or the propeller of an aircraft, a local power generating device is usually provided for supplying electrically operated components with electrical energy.
Die
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte elektrische Energieversorgungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug sowie ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Luftfahrzeug bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved electrical power supply apparatus for an aircraft and an improved method for generating electrical energy in an aircraft.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved in each case by the subject matters of the independent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.Advantageous embodiments and further developments will become apparent from the dependent claims to the independent claims in conjunction with the description.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug mit einer mittels Druckschwankungen anregbaren Schwingungseinrichtung zur mechanisch schwingenden Anordnung an einer Kavität, wobei eine Rotorkomponente eines Rotors des Luftfahrzeugs zur Anregung einer mechanischen Schwingung der Schwingungseinrichtung periodisch über einen Strukturbereich des Luftfahrzeugs hinwegbewegbar ist und die Kavität an der Rotorkomponente oder in dem Strukturbereich ausgebildet ist, und einer kinematisch an die Schwingungseinrichtung gekoppelten elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung zur Umwandlung einer mechanischen Schwingung der Schwingungseinrichtung in elektrische Energie. Das Luftfahrzeug kann insbesondere ein Helikopter sein.According to a first aspect of the invention, there is provided an electric power generating device for an aircraft having a vibratory means for mechanically vibrating a cavity, wherein a rotor component of a rotor of the aircraft is periodically movable across a structural region of the aircraft to excite a mechanical vibration of the vibrator the cavity is formed on the rotor component or in the structure region, and an electromechanical energy conversion device, which is kinematically coupled to the vibration device, for converting a mechanical oscillation of the oscillation device into electrical energy. The aircraft may in particular be a helicopter.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung angegeben, welche durch eine Rotorkomponente erzeugte Druckschwankungen zunächst mittels einer Schwingungseinrichtung in eine mechanische Schwingung und diese mechanische Schwingung mittels eines elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung in elektrische Energie umwandelt. Die Schwingungseinrichtung bildet damit einen Aktor, welcher die Druckschwankung in eine mechanische Bewegung umsetzt. Die elektromechanische Energiewandlungseinrichtung bildet demgemäß einen Transducer oder Wandler.The invention thus provides a device which converts pressure fluctuations generated by a rotor component into electrical energy by means of a vibration device, and converts this mechanical vibration into electrical energy by means of an electromechanical energy conversion device. The vibration device thus forms an actuator, which converts the pressure fluctuation into a mechanical movement. The electromechanical energy conversion device accordingly forms a transducer or transducer.
Die Schwingungseinrichtung ist einer Kavität zugeordnet, welche einen Schwingungsraum für die Schwingungseinrichtung zur Verfügung stellt.The vibration device is associated with a cavity which provides a vibration space for the vibration device.
Gleichzeitig bildet die Kavität einen Aufnahmeraum für Teile der Energiewandlungseinrichtung oder für diese insgesamt. Die Kavität kann beispielsweise durch eine Ausnehmung in der Rotorkomponente oder dem Strukturbereich des Luftfahrzeugs ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann die Kavität auch durch eine an der Rotorkomponente oder dem Strukturbereich des Luftfahrzeugs angeordnete Rahmenkonstruktion definiert sein.At the same time, the cavity forms a receiving space for parts of or for the entire energy conversion device. The cavity may be formed, for example, by a recess in the rotor component or the structural region of the aircraft. Alternatively, the cavity may also be defined by a frame construction arranged on the rotor component or the structural area of the aircraft.
Die Druckschwankungen treten insbesondere auf, wenn die Rotorkomponente, insbesondere ein Rotorblatt, über einen Strukturbereich des Luftfahrzeugs hinweg bewegt wird bzw. den Strukturbereich überstreicht. Typischerweise rotiert die Rotorkomponente um eine zentrale Rotorachse und erstreckt sich quer zu dieser. Beispielsweise überstreicht das Rotorblatt eines Helikopters einmal je einer 360 Grad-Drehung um die Rotorachse insbesondere einen Heckbereich des Rumpfs des Helikopters. Ein weiteres Beispiel für eine Rotorkomponente ist ein Rotorblatt eines Propellers eines Flugzeugs, welches periodisch über einen vorderen Bereich bzw. Anströmbereich der Tragfläche des Flugzeugs hinwegstreicht.The pressure fluctuations occur in particular when the rotor component, in particular a rotor blade, is moved over a structural region of the aircraft or sweeps over the structural region. Typically, the rotor component rotates about and extends transversely to a central rotor axis. For example, the rotor blade of a helicopter once sweeps over a 360-degree rotation about the rotor axis, in particular a tail region of the fuselage of the helicopter. Another example of a rotor component is a rotor blade of a propeller of an aircraft, which periodically sweeps over a forward region or inflow region of the wing of the aircraft.
Die Energieerzeugungsvorrichtung ermöglicht eine Nutzung der Druckschwankungen bzw. Druckfluktuationen zur Erzeugung elektrischer Energie. Damit können bei einer Anordnung der Energieerzeugungsvorrichtung an der Rotorkomponente insbesondere an dieser angeordnete elektrische Verbraucher bzw. elektrische Funktionskomponente, wie beispielsweise Sensoren, Leuchteinrichtungen, Aktuatoren oder dergleichen auf einfache und zuverlässige Weise mit elektrischer Energie versorgt werden. Insbesondere wird in vorteilhafter Weise eine autarke Energieversorgung am Rotor realisiert. The power generation device allows utilization of the pressure fluctuations or pressure fluctuations for generating electrical energy. In this way, when the power generating device is arranged on the rotor component, electrical consumers or electrical functional components, for example sensors, lighting devices, actuators or the like arranged thereon can be supplied with electrical energy in a simple and reliable manner. In particular, an autonomous power supply to the rotor is realized in an advantageous manner.
Wird die Energieerzeugungsvorrichtung an dem Strukturbereich des Luftfahrzeugs, welcher von der Rotorkomponente überstrichen wird, angeordnet, bildet die Energieerzeugungsvorrichtung ebenfalls eine lokale elektrische Energiequelle. Damit können vorteilhaft elektrische Verbraucher versorgt werden. Dies ist insbesondere bei der Nachrüstung von zusätzlichen elektrischen Verbrauchen, wie z. B. Messeinrichtungen oder dergleichen, an dem Luftfahrzeug vorteilhaft. Insbesondere kann auf die Verlegung von Leitungen von einer zentralen Stromversorgung des Luftfahrzeugs zu dem nachgerüsteten Verbraucher verzichtet werden.When the power generating device is disposed at the structural portion of the aircraft swept by the rotor component, the power generating device also constitutes a local electric power source. This can be advantageously supplied electrical consumers. This is especially in the retrofitting of additional electrical consumption, such. As measuring devices or the like, on the aircraft advantageous. In particular, the laying of cables from a central power supply of the aircraft to the retrofitted consumer can be dispensed with.
Da die Druckschwankungen periodisch auftreten, kann bei typischen Drehzahlen eines Rotors eines Luftfahrzeugs eine pulsierende Spannung erzeugt werden, was für den Betrieb der Funktionskomponenten günstig ist. Die Frequenz, mit welcher die Druckschwankungen auftreten, liegt typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 10 bis 50 Hertz. Dies führt zu sinnvollen Energiemengen pro Zeitintervall.Since the pressure fluctuations occur periodically, at typical rotational speeds of a rotor of an aircraft, a pulsating voltage can be generated, which is favorable for the operation of the functional components. The frequency at which the pressure fluctuations occur is typically in a range between about 10 to 50 hertz. This leads to meaningful amounts of energy per time interval.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schwingungseinrichtung durch eine elastisch verformbare Membran gebildet ist, mittels derer die Kavität überspannbar ist. Die Membran ist insbesondere durch die Druckschwankungen elastisch verformbar und nimmt die Druckenergie auf. Demnach stellt die Membran insbesondere eine Wirkfläche bereit, an welche ein sich in der Luft ausbreitender Druckimpuls angreifen kann. Durch die Druckschwankung erfolgt eine gewisse Wölbung der Membran in die Kavität hinein oder aus dieser heraus. Die Membran stellt vorteilhaft eine relativ große Wirkfläche zur Verfügung, welche gleichzeitig als Montagefläche für eine oder mehrere Komponenten der elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung nutzbar ist.According to an advantageous development, it is provided that the vibration device is formed by an elastically deformable membrane, by means of which the cavity can be over-tensioned. The membrane is elastically deformable in particular by the pressure fluctuations and absorbs the pressure energy. Accordingly, the membrane in particular provides an effective area to which a pressure pulse propagating in the air can attack. The pressure fluctuation causes a certain curvature of the membrane into or out of the cavity. The membrane advantageously provides a relatively large effective area, which can also be used as a mounting surface for one or more components of the electromechanical energy conversion device.
Die Membran deckt eine Öffnung der Kavität vorzugsweise vollständig ab. Besonders bevorzugt ist die Kavität in diesem Fall evakuiert und zusätzlich ein die Membran sowie die Kavität abdeckendes Deckelelement vorgesehen, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Deckelelement und der Membran ebenfalls evakuiert ist. Auf diese Weise wird ein evakuierter Schwingungsraum ausgebildet, wodurch vorteilhaft Reibungsverluste verringert oder vermieden werden, welche durch ein in der Kavität vorhandenes Medium bei der Verformung der Membran auftreten würden. Zur Übertragung des Druckstoßes an die Membran kann ein aus dem Schwingungsraum heraus in die Umgebung ragender und an die Membran gekoppeltes Kopplungsteil vorgesehen sein. Grundsätzlich kann auch eine nur teilweise Überspannung der Kavität mit der Membran vorgesehen sein. Die Membran kann insbesondere an einer Halteeinrichtung, wie beispielsweise einem Rahmen oder einem Deckel, insbesondere dem vorgenannten Deckelelement, befestigt sein, welche mit dem Strukturbereich bzw. der Rotorkomponente verbindbar ist, beispielsweise mittels Verschraubung, Vernietung, Verklebung oder dergleichen.The membrane preferably completely covers an opening of the cavity. Particularly preferably, the cavity is evacuated in this case and additionally a cover member covering the membrane and the cavity is provided, wherein a gap between the cover member and the membrane is also evacuated. In this way, an evacuated oscillation space is formed, whereby advantageous friction losses are reduced or avoided, which would occur through an existing in the cavity medium in the deformation of the membrane. To transmit the pressure surge to the membrane, a coupling part projecting out of the oscillation space into the environment and coupled to the membrane can be provided. In principle, only a partial overvoltage of the cavity can be provided with the membrane. The membrane may in particular be attached to a holding device, such as a frame or a lid, in particular the aforementioned cover element, which is connectable to the structural region or the rotor component, for example by means of screwing, riveting, gluing or the like.
Die Membran ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, einem Material auf Siliziumbasis, oder dergleichen ausgebildet. Besonders vorteilhaft kann die Membran als Leiterplatte ausgebildet sein. Dies ermöglicht die Montage und Ausbildung von Komponenten der elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung in besonders vorteilhafter Weise, beispielsweise in einem Druckverfahren, Ätzverfahren, Sputtern oder dergleichen.The membrane is preferably made of a plastic material, in particular a fiber-reinforced plastic, a silicon-based material, or the like. Particularly advantageously, the membrane may be formed as a printed circuit board. This allows the assembly and training of components of the electromechanical energy conversion device in a particularly advantageous manner, for example in a printing process, etching, sputtering or the like.
Alternativ zu einer Membran kann die Schwingungseinrichtung einen zur Anordnung in der Kavität vorgesehenen Schwingungskörper und einen in der Kavität schwenkbar lagerbaren, elastisch verformbaren Hebel aufweisen, welcher den Schwingungskörper mit Kavität koppelt. Hierbei bildet der Hebel vorteilhaft einen Biegebalken aus. Der Schwingungskörper, beispielsweise in Form eines Ballons, eines starren Plättchens oder dergleichen, stellt die Wirkfläche zur Aufnahme des Druckimpulses bereit. Der Schwingungskörper ist aufgrund der schwenkbaren Lagerung des Hebels in der Kavität hin und her bewegbar. Der Hebel kann einerseits nahezu reibungsfrei gelagert werden. Je nach Realisierung der elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung kann der Hebel weiterhin auch sehr schlank und damit besonders leicht verformbar ausgelegt werden. Damit können auch eher geringe Druckschwankungen effizient in elektrische Energie umgewandelt werden.As an alternative to a membrane, the vibration device can have an oscillation body provided for arrangement in the cavity and an elastically deformable lever which can be mounted pivotably in the cavity and couples the oscillation body with a cavity. Here, the lever advantageously forms a bending beam. The vibrating body, for example in the form of a balloon, a rigid plate or the like, provides the effective area for receiving the pressure pulse. The vibrating body is due to the pivotal mounting of the lever in the cavity movable back and forth. The lever can be stored on the one hand almost frictionless. Depending on the realization of the electromechanical energy conversion device, the lever can continue to be designed to be very slim and thus particularly easily deformable. This means that even slight pressure fluctuations can be efficiently converted into electrical energy.
Bevorzugt ist die elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung durch ein mit der Schwingungseinrichtung flächig verbundenes piezoelektrisches Element ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass die elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung mit einem Minimum an Komponenten ausgebildet werden kann. Damit ergibt sich ein besonders geringes Gesamtgewicht und ein geringer Platzbedarf der Energieerzeugungsvorrichtung.Preferably, the electromechanical energy conversion device is formed by a piezoelectrically connected to the vibrating device piezoelectric element. This offers the advantage that the electromechanical energy conversion device can be formed with a minimum of components. This results in a particularly low total weight and a small footprint of the power generating device.
Das piezoelektrische Element kann insbesondere an einer Oberfläche der Membran angeordnet oder in den Querschnitt der Membran eingebettet sein. Die Anordnung an der Oberfläche der Membran ist herstellungstechnisch besonders günstig, da das Piezoelement, wie oben bereits erwähnt, hier auf besonders einfache Weise herstellbar bzw. montierbar ist. Auch ist an der Oberfläche aufgrund des Abstands zur neutralen Faser der Membran eine starke Verformung der Membran zu erwarten und damit eine zuverlässige und effiziente Spannungserzeugung mit dem piezoelektrischen Element. Bei einer Einbettung des Piezoelements in den Querschnitt der Membran ist dieses vorteilhaft gegen äußere Einflüsse geschützt. The piezoelectric element may in particular be arranged on a surface of the membrane or embedded in the cross section of the membrane. The arrangement on the surface of the membrane is particularly favorable in terms of production since, as already mentioned above, the piezoelectric element can be produced or assembled here in a particularly simple manner. Also, due to the distance to the neutral fiber of the membrane, a strong deformation of the membrane is to be expected on the surface, and thus reliable and efficient voltage generation with the piezoelectric element. When embedding the piezoelectric element in the cross section of the membrane this is advantageously protected against external influences.
Das piezoelektrische Element kann vorteilhaft auch an dem Hebel der Schwingungseinrichtung angeordnet sein. Vorteilhaft erstreckt sich das piezoelektrische Element entlang einer Längsrichtung des Hebels. Die elastische Verformbarkeit des Hebels bewirkt eine effiziente Spannungserzeugung mit dem piezoelektrischen Element.The piezoelectric element may advantageously also be arranged on the lever of the vibration device. Advantageously, the piezoelectric element extends along a longitudinal direction of the lever. The elastic deformability of the lever causes efficient voltage generation with the piezoelectric element.
Anstelle des piezoelektrischen Elements kann die elektromechanische Energiewandlungseinrichtung einen Magnetkörper und eine Induktionsspule aufweisen, wobei eines der Elemente der Gruppe bestehend aus dem Magnetkörper und der Induktionsspule zur ortsfesten Anordnung in der Kavität vorgesehen ist und das jeweils andere Element mit der Schwingungseinrichtung verbunden ist. Die Induktionsspule, im Folgenden kurz Spule genannt, und der Magnetkörper sind insbesondere in Bezug auf eine Auslenkungsrichtung der Schwingungseinrichtung gegenüberliegend angeordnet. Aufgrund der Relativbewegung dieser Komponenten induziert der Magnetkörper eine Spannung in der Spule. Auf diese Weise kann ein induktives Verfahren zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies bietet insbesondere bei der Realisierung der Schwingungseinrichtung mit einem Hebel und einem Schwingungskörper den Vorteil, dass eine mechanische Verformung des Hebels nicht zwangsläufig erfolgen muss.Instead of the piezoelectric element, the electromechanical energy conversion device may comprise a magnetic body and an induction coil, wherein one of the elements of the group consisting of the magnetic body and the induction coil is provided for fixed arrangement in the cavity and the respective other element is connected to the vibration device. The induction coil, hereinafter referred to as coil, and the magnet body are arranged opposite one another, in particular with respect to a deflection direction of the vibration device. Due to the relative movement of these components, the magnetic body induces a voltage in the coil. In this way, an inductive method for power generation can be used. This offers the advantage, in particular in the realization of the vibration device with a lever and a vibration body, that a mechanical deformation of the lever does not necessarily have to take place.
Der Magnetkörper ist bevorzugt als ein Permanentmagnet ausgebildet. Vorteilhaft ist der Magnetkörper dem Schwingungskörper zugeordnet. Dies vereinfacht den Abgriff der Spannung an der Spule.The magnetic body is preferably formed as a permanent magnet. Advantageously, the magnetic body is associated with the vibrating body. This simplifies the tap of the voltage on the coil.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die elektromechanische Energiewandlungseinrichtung durch einen von einer Spannungsquelle aufladbaren Kondensator gebildet ist, welcher eine an der Schwingungseinrichtung angeordnete oder durch diese ausgebildete erste Kondensatorplatte und eine zur ortsfesten Anordnung in der Kavität vorgesehene zweite Kondensatorplatte aufweist. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein Ladungsspeicher geschaffen, welcher auch bei Ausbleiben von Druckschwankungen in gewissem Maße elektrische Energie bereitstellt.A further advantageous embodiment provides that the electromechanical energy conversion device is formed by a capacitor which can be charged by a voltage source and which has a first capacitor plate arranged on or formed by the vibration device and a second capacitor plate provided in the cavity for stationary arrangement. In this way, a charge storage is advantageously created, which provides electrical energy to some extent even in the absence of pressure fluctuations.
Die erste Kondensatorplatte kann insbesondere flächig mit der Membran verbunden bzw. an dem Hebel der Schwingungseinrichtung befestigt sein.The first capacitor plate can in particular be connected in a planar manner to the membrane or attached to the lever of the vibration device.
Besonders bevorzugt bildet die Membran jedoch selbst die erste Kondensatorplatte. Dies kann beispielsweise durch eine Metallfolie, welche in die Membran eingebettet ist oder eine Metallbeschichtung der Oberfläche der Membran realisiert sein. Diese integrierte Bauweise weist vorteilhaft einen sehr geringen Platzbedarf auf.However, the membrane itself particularly preferably forms the first capacitor plate. This can be realized for example by a metal foil which is embedded in the membrane or a metal coating of the surface of the membrane. This integrated construction advantageously has a very small footprint.
Die Spannungsquelle kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass die erste Kondensatorplatte und/oder die zweite Kondensatorplatte ein Elektret als Spannungsquelle aufweist. Eine der Kondensatorplatten weist demgemäß ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält, auf. Damit wird ein quasi-permanentes elektrisches Feld erzeugt. Damit kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche physische Komponenten, wie beispielsweise eine Batterie oder dergleichen, als Spannungsquelle verzichtet werden.The voltage source can be provided, for example, by virtue of the fact that the first capacitor plate and / or the second capacitor plate has an electret as the voltage source. One of the capacitor plates accordingly has an electrically insulating material which contains quasi-permanently stored electrical charges or quasi-permanently oriented electrical dipoles. This creates a quasi-permanent electric field. This can advantageously be dispensed with additional physical components, such as a battery or the like, as a voltage source.
Auch kann vorgesehen sein, dass die erste Kondensatorplatte und die zweite Kondensatorplatte als Spannungsquelle Materialien mit sich unterscheidenden Austrittsarbeiten aufweisen. Eine geeignete Kombination an Materialen erschließt sich dem Fachmann anhand des konkreten Anwendungsfalls. Beispielsweise kann eine der Kondensatorplatten Platin, Titan, Palladium oder dergleichen und die jeweils andere Kondensatorplatte Silizium, Siliziumoxid oder dergleichen aufweisen. Auch hier ergibt sich der Vorteil, dass auf zusätzliche physische Komponenten als Spannungsquelle verzichtet werden kann.It can also be provided that the first capacitor plate and the second capacitor plate as a voltage source have materials with differing work functions. A suitable combination of materials is apparent to the person skilled in the art on the basis of the specific application. For example, one of the capacitor plates platinum, titanium, palladium or the like and the respective other capacitor plate silicon, silica or the like. Again, there is the advantage that can be dispensed with additional physical components as a voltage source.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere einen Helikopter, mit einem Rotor mit einer periodisch über einen Strukturbereich des Luftfahrzeugs hinwegbewegbaren Rotorkomponente und einer einer Kavität zugeordneten elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei die Kavität an der Rotorkomponente oder dem Strukturbereich ausgebildet ist. Generell kann in einem oder mehreren der Rotorkomponenten des Rotors eine Energieerzeugungsvorrichtung vorgesehen sein. Auch können in dem Strukturbereich eine oder mehrere Energieerzeugungsvorrichtungen angeordnet sein.A second aspect of the invention relates to an aircraft, in particular a helicopter, having a rotor with a rotor component which can be moved periodically over a structural region of the aircraft and an electric power generating device associated with a cavity according to one of the preceding embodiments, wherein the cavity is formed on the rotor component or the structural region , In general, one energy generating device may be provided in one or more of the rotor components of the rotor. Also, one or more power generation devices may be arranged in the structural area.
Bei dem Luftfahrzeug überstreicht die Rotorkomponente periodisch einen Strukturbereich. Die Rotorkomponente rotiert um eine Rotorachse, insbesondere in einer Rotorebene. Senkrecht zur Rotorebene gesehen erfolgt eine periodische Überlappung der Rotorkomponente mit dem Strukturbereich. In Bezug auf die Richtung senkrecht zur Rotorebene sind die Rotorkomponente und der Strukturbereich während der Überlappung in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Insbesondere schließen diese einen sich dazwischen erstreckenden Druckraum ein, in welchem eine Druckschwankung aufgrund der Bewegung der Rotorkomponente auftritt. Diese Druckschwankung kann mit der elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung, wie oben beschrieben, vorteilhaft genutzt werden. In the aircraft, the rotor component periodically sweeps over a structural area. The rotor component rotates about a rotor axis, in particular in an rotor plane. Perpendicular to the rotor plane, there is a periodic overlap of the rotor component with the structure area. With respect to the direction perpendicular to the rotor plane, the rotor component and the structure region are arranged at a certain distance from each other during the overlap. In particular, these include a pressure space extending therebetween in which a pressure fluctuation due to the movement of the rotor component occurs. This pressure fluctuation can be advantageously utilized with the electric power generating device as described above.
Bevorzugt ist die Kavität an einer dem Strukturbereich zugewandten Unterseite der Rotorkomponente ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass an der sich bewegenden Rotorkomponente eine lokale elektrische Energiequelle vorgesehen ist. Die Kavität kann beispielsweise durch eine Tiefenwuchtkammer eines Rotorblatts eines Helikopters gebildet sein. Die Unterseite der Rotorkomponente bildet insbesondere eine Druckseite einer aerodynamischen Auftriebsfläche. Die Beträge des maximal auf die Schwingungseinrichtung der elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung wirkenden Drucks sind an der Unterseite daher besonders groß. Damit wird in vorteilhafter Weise eine elektrische Spannung zuverlässig und in einer vorteilhaft nutzbaren Größenordnung erzeugt. Die Kavität, welcher die elektrische Energieerzeugungsvorrichtung zugeordnet ist, ist insbesondere an einem dem Druckraum zugewandten Bereich der Rotorkomponente oder des Strukturbereichs angeordnet. Demnach kann die Kavität auch an dem Strukturbereich des Luftfahrzeugs vorgesehen sein. Beispielsweise in Form einer Ausnehmung einer Rumpfstruktur oder in Form eines an dem Strukturbereich befestigten Rahmens.Preferably, the cavity is formed on an underside of the rotor component facing the structure region. This offers the advantage that a local electrical energy source is provided on the moving rotor component. The cavity can be formed for example by a depth balance chamber of a rotor blade of a helicopter. The underside of the rotor component forms in particular a pressure side of an aerodynamic lift surface. The amounts of the maximum acting on the vibrator of the electric power generating device pressure are therefore particularly large at the bottom. Thus, an electrical voltage is generated reliably and advantageously in an advantageous order of magnitude. The cavity to which the electrical energy generating device is assigned is arranged, in particular, on a region of the rotor component or of the structure region facing the pressure chamber. Accordingly, the cavity may also be provided on the structural area of the aircraft. For example, in the form of a recess of a fuselage structure or in the form of a frame attached to the structural area.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Luftfahrzeug als ein Helikopter, die Rotorkomponente als ein Rotorblatt eines Hauptrotors des Helikopters und der Strukturbereich durch einen Oberflächenbereich einer Rumpfstruktur des Helikopters ausgebildet sind. Die Verwendung der oben beschriebenen elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung im Rotorblatt eines Helikopters erlaubt auf vorteilhafte Weise den Betrieb von elektrischen Systemen in dem rotierenden Teil des Rotors. Das Rotorblatt kann insbesondere ein Rotorblatt eines Hauptrotors des Helikopters sein.A particularly advantageous embodiment provides that the aircraft is designed as a helicopter, the rotor component as a rotor blade of a main rotor of the helicopter, and the structural region through a surface region of a fuselage structure of the helicopter. The use of the electric power generating device described above in the rotor blade of a helicopter advantageously allows the operation of electrical systems in the rotating part of the rotor. The rotor blade may in particular be a rotor blade of a main rotor of the helicopter.
Insbesondere kann vorgesehen sein dass das Luftfahrzeug zusätzlich zumindest eine an dem Rotor angeordnete elektrisch betriebene Funktionskomponente aufweist, wobei die zumindest eine Funktionskomponente elektrisch mit der Energieerzeugungsvorrichtung verbunden ist. Die Funktionskomponenten können somit auf einfache Weise mit elektrischer Energie versorgt werden.In particular, it can be provided that the aircraft additionally has at least one electrically operated functional component arranged on the rotor, wherein the at least one functional component is electrically connected to the energy generating device. The functional components can thus be supplied in a simple manner with electrical energy.
Als Funktionskomponenten können allgemein elektrische Verbraucher bzw. elektrisch betriebene Systeme vorgesehen sein, wie beispielsweise Leuchteinrichtungen, Sensoren, Aktuatoren oder dergleichen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass an dem Rotor zumindest ein Sensor zur Erfassung einer Messgröße angeordnet ist. Dieser kann insbesondere an eine dem Rumpf des Luftfahrzeugs zugeordnete Steuerungseinrichtung funktional gekoppelt sein, beispielsweise mittels einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung. Auf diese Weise kann eine Signal- oder Datenübertragung zwischen der Steuerungseinrichtung und dem Sensor vorteilhaft realisiert werden.As functional components generally electrical consumers or electrically operated systems may be provided, such as lighting devices, sensors, actuators or the like. It is preferably provided that at least one sensor for detecting a measured variable is arranged on the rotor. This can in particular be functionally coupled to a control device assigned to the fuselage of the aircraft, for example by means of a wireless communication device. In this way, a signal or data transmission between the control device and the sensor can be advantageously realized.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Luftfahrzeug, insbesondere einem Helikopter. Die Durchführung des Verfahrens kann insbesondere unter Verwendung einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung oder einem Luftfahrzeug jeweils gemäß einer der voranstehenden beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten somit in analoger Weise auch für das im Folgenden beschriebene Verfahren.Another aspect of the invention relates to a method for generating electrical energy in an aircraft, in particular a helicopter. The implementation of the method can be carried out in particular using an electric power generating device or an aircraft in each case according to one of the embodiments described above. The features and advantages described above thus apply analogously to the method described below.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere folgende Schritte:
- – Anregen einer Schwingung einer schwingend an einer Kavität vorgesehenen Schwingungseinrichtung mittels Druckschwankungen, wobei die Kavität an einer Rotorkomponente eines Rotors des Luftfahrzeugs oder an einem Strukturbereich des Luftfahrzeugs ausgebildet ist, und wobei die Druckschwankungen durch eine periodische Bewegung der Rotorkomponente über den Strukturbereich hinweg erzeugt werden; und
- – Umwandlung der kinetischen Energie der Schwingung der Schwingungseinrichtung in elektrische Energie mittels einer kinematisch an die Schwingungseinrichtung gekoppelten elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung.
- - exciting a vibration of a swinging device provided on a cavity by means of pressure fluctuations, wherein the cavity is formed on a rotor component of a rotor of the aircraft or on a structural region of the aircraft, and wherein the pressure fluctuations are generated by a periodic movement of the rotor component over the structure region; and
- - Conversion of the kinetic energy of the vibration of the vibrator into electrical energy by means of a kinematically coupled to the vibrator electromechanical energy conversion device.
Erfindungsgemäß wird eine mechanische Schwingung einer Kavität zugeordneten einer Schwingungseinrichtung mittels einer Druckschwankung angeregt. Die Kavität stellt hierbei insbesondere einen Schwingungsraum für die Auslenkung der Schwingungseinrichtung bereit. Die Druckschwankung wird durch eine Relativbewegung einer Rotorkomponente zu einem Strukturbereich eines Luftfahrzeugs generiert. Insbesondere aufgrund einer periodischen Überlappung der Rotorkomponente und des Strukturbereichs entsteht ein Druckimpuls, welcher zu einer Schwingung oder Verformung der Schwingungseinrichtung führt. Die kinetische Energie der Schwingung wird erfindungsgemäß mit einer an die Schwingungseinrichtung gekoppelten elektromechanischen Energiewandlungseinrichtung in elektrische Energie umgewandelt. Insbesondere ist die Energiewandlungseinrichtung kinematisch an die Schwingungseinrichtung gekoppelt.According to the invention, a mechanical vibration of a cavity associated with a vibration device is excited by means of a pressure fluctuation. In particular, the cavity provides a vibration space for the deflection of the vibration device. The pressure fluctuation is generated by a relative movement of a rotor component to a structural region of an aircraft. In particular, due to a periodic overlap of the rotor component and the structure region, a pressure pulse results, which leads to oscillation or deformation of the vibration device. The kinetic Energy of the vibration is converted according to the invention with a coupled to the vibrator electromechanical energy conversion device into electrical energy. In particular, the energy conversion device is kinematically coupled to the vibration device.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt in vorteilhafter Weise die bei einer Bewegung der Rotorkomponente des Luftfahrzeugs über den Strukturbereich hinweg auftretenden Druckschwankung zur Stromerzeugung. Diese Druckschwankung tritt aufgrund der rotierenden Bewegung der Rotorkomponente um eine zentrale Achse, relativ zu dem Strukturbereich ortsfesten Achse periodisch auf. Damit kann in besonders vorteilhafter Weise eine pulsierende Spannung bei geeigneten Energiemengen erzeugt werden. Die Frequenz, mit welcher diese Druckschwankungen auftreten, liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 5 und 60 Hertz und bevorzugt zwischen 10 und 50 Hertz.The method according to the invention advantageously utilizes the pressure fluctuation occurring during movement of the rotor component of the aircraft over the structural area in order to generate electricity. This pressure fluctuation occurs periodically due to the rotary motion of the rotor component about a central axis relative to the stationary axis structure area. This can be generated with suitable amounts of energy in a particularly advantageous manner, a pulsating voltage. The frequency with which these pressure fluctuations occur is in particular in a range between 5 and 60 hertz and preferably between 10 and 50 hertz.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „entlang” einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von kleiner oder gleich 45 Grad, bevorzugt kleiner oder gleich 30 Grad und insbesondere bevorzugt parallel zueinander verlaufen.With respect to direction indications and axes, in particular to directions and axes which relate to the course of physical structures, herein is understood to mean a course of an axis, a direction or a structure "along" another axis, direction or structure, that these, in particular the tangents resulting in a respective position of the structures each extend at an angle of less than or equal to 45 degrees, preferably less than or equal to 30 degrees, and particularly preferably parallel to one another.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „quer” zu einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von größer oder gleich 45 Grad, bevorzugt größer oder gleich 60 Grad und insbesondere bevorzugt senkrecht zueinander verlaufen.With respect to directional indications and axes, and in particular to directional data and axes concerning the course of physical structures, herein a progression of an axis, a direction or a structure is understood to be "transverse" to another axis, direction or structure, that In particular, the tangents resulting in a respective position of the structures each extend at an angle of greater than or equal to 45 degrees, preferably greater than or equal to 60 degrees, and particularly preferably perpendicular to one another.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:In the following the invention will be explained with reference to the figures of the drawings. From the figures show:
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures, the same reference numerals designate the same or functionally identical components, unless indicated otherwise.
Wie in
Wie in
Wie in
Im Folgenden wird die Energieerzeugungsvorrichtung
Wie in den
Die Schwingungseinrichtung
Mittels der Energiewandlungseinrichtung
Wie in den
Beim Bewegen der Rotorkomponente
Die elektromechanische Energiewandlungseinrichtung
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Kondensatorplatte
Wie in
In
Wie in
Zur weiteren Erläuterung des Luftfahrzeugs
Wie in
Wie in
Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Luftfahrzeug
Wie in
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.Although the present invention has been exemplified above by means of embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in many ways. In particular, combinations of the preceding embodiments are conceivable.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EnergieerzeugungsvorrichtungPower generation device
- 22
- Schwingungseinrichtungvibrator
- 33
- elektromechanische Energiewandlungseinrichtungelectromechanical energy conversion device
- 44
- Anschlussleitungconnecting cable
- 2020
- Membranmembrane
- 20a20a
- erste Oberfläche der Membranfirst surface of the membrane
- 20b20b
- zweite Oberfläche der Membransecond surface of the membrane
- 2121
- Schwingungskörpervibrating body
- 2222
- Hebellever
- 3030
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3131
- Magnetkörpermagnetic body
- 3232
- Induktionsspuleinduction coil
- 3333
- Spannungsquellevoltage source
- 3434
- Kondensatorcapacitor
- 3535
- erste Kondensatorplattefirst capacitor plate
- 3636
- zweite Kondensatorplattesecond capacitor plate
- 100100
- Luftfahrzeugaircraft
- 101101
- Rotorrotor
- 102102
- Rotorkomponenterotor component
- 104104
- Strukturbereichstructure area
- 105105
- Kavitätcavity
- 105A105A
- Öffnungsbereich der KavitätOpening area of the cavity
- 105B105B
- Grund der KavitätReason of the cavity
- 106106
- Funktionskomponentefunctional component
- 107107
- Funktionskomponentefunctional component
- 108108
- Funktionskomponentefunctional component
- 109109
- Steuerungseinrichtungcontrol device
- 110110
- Rotorwellerotor shaft
- 111111
- RotordrehachseRotor axis of rotation
- 112112
- Taumelscheibeswash plate
- 112A112A
- ortsfester Ringstationary ring
- 112B112B
- drehbarer Ringrotatable ring
- 113113
- Aktuatoractuator
- 114114
- Aktuatoractuator
- 115115
- Drehgelenkswivel
- Ee
- Rotationsebeneplane of rotation
- ZZ
- Zwischenraumgap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102011113488 A1 [0004] DE 102011113488 A1 [0004]
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-
2016
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