DE10241608A1

DE10241608A1 - VTLO-Fluggerät mit Koaxialrotor und neuartigem Auftriebssystem

Info

Publication number: DE10241608A1
Application number: DE10241608A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eckhardt; Gerd Zelck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-09-07
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2022-09-08
Also published as: DE10241608B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Konfiguration eines heckrotorlosen VTOL-Fluggerätes als Koaxialrotor mit 2 gegenläufigen Rotoren, die anstelle der bekannten Tragflügelprofile mit rotierenden Walzen ausgerüstet sind und zum Auftrieb den Magnuseffekt nutzen. DOLLAR A Die Vorteile dieses neuartigen Auftriebssystems kommen besonders bei der Ausführung als Koaxialrotor ohne Heckrotor zum Tragen, weil mechanische Taumelscheiben hierbei entfallen und durch elektrisch-/elektronische Bauelemente, die außerhalb des rotierenden Bereiches in gesonderten Räumen der Zelle untergebracht werden können, ersetzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine spezielle Konfiguration von VTOL-Fluggeräten mit zur Erzeugung von Auftriebskräften den Magnuseffekt nutzenden rotierenden Walzen, mit der vorteilhaft die besonderen Eigenschaften dieses Prinzips für die Steuerungs- und Kontrollmöglichkeiten genutzt werden können. Die folgenden entsprechenden Anmeldungen hierzu sind bekannt:

- VTOL-Fluggerät
Anmelder und Erfinder: Dr. Peter Faber
Anmeldetag: 16.4.1997
- Neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende Rotoren
Anmelder: Gerd Zelck
Erfinder: Wolfgang Eckhardt und Gerd Zelck
Anmeldetag: 26.10.2000

In der Anmeldung von Gerd Zelck wird mit dem Hauptanspruch vorgeschlagen, bei Drehflügelflugzeugen mit Walzenrotoren zur Vermeidung von Kippmomenten bei Längsanströmung (Horizontalflug) des Rotors sowie zur Durchführung von Manöverbewegungen um die Längs- und/oder Querachsen die Drehzahl der einzelnen Walzen in einem machbaren Bereich durch eine spezielle Schaltung der Walzenantriebe zyklisch zu verändern.
Im Unteranspruch 4 derselben Anmeldung wird ausgeführt, daß zur Beibehaltung eines guten aerodynamischen Wirkungsgrades bei Last- und Leistungsänderungen das gewählte optimale Verhältnis zwischen Walzenoberflächengeschwindigkeit und zugehöriger Rotorumfangsgeschwindigkeit nicht verändert wird und Auftriebsänderungen des Rotors vorzugsweise durch Änderung der Rotordrehzahl und nicht durch kollektive Drehzahländerungen der Walzen vorgenommen werden.
In der allgemeinen Beschreibung der oben angeführten Anmeldung wird erwähnt, daß grundsätzlich gleich wie bei Hubschraubern mit Tragflügelprofilen auch beim Prinzip mit Walzenrotoren die gleichen Antriebs-, Rotoranordnungs- und hochachsenseitigen Momentenausgleichs-Konfigurationen gebildet werden können. So ist es auch denkbar, insbesondere bei leichten Drehflüglern, die gesamte Rotorachse mit Hilfe von z. B. kardanischen Aufhängungen oder entsprechenden Kugelgelenkverbindungen horizontal schwenkbar auszuführen. Wird diese schwenkbare Aufhängung in der Achsebene eines zur Einleitung der Antriebsenergie vorgesehenen Kegelradgetriebes angeordnet, kann die Schwenkung des Rotormastes unabhängig von der Lagerung des Antriebsaggregates vorgenommen werden. Bei Anwendung entsprechend ausgeführter Ausgleichgetriebe in der Schwenkebene lassen sich so auch Ausführungen mit gegenläufigen Koaxialrotoren verwirklichen, wobei die beiden Rotoren auch unterschiedliche Drehzahlen aufweisen können.

Das Prinzip des gegenläufigen Koaxialrotors ist bekannt und mit Tragflügelprofilen versehenen Rotoren vielfach bis zur Flugreife und Luftfahrtzulassung erfolgreich entwickelt worden. Stellvertretend für die große Zahl derartiger Entwicklungen sollen hier nur der ABC-Versuchsträger S-69 von Sikorsky (USA), die verschiedenen Ausführungen der deutschen Firmen Wagner und Dornier sowie die Produkte der russischen Firma Kamow genannt werden. Alle Beispiele sind nach dem zweiten Weltkrieg entwickelt worden, aber in Serie gegangen sind nur die Typen der Firma Kamow. Der Grund dafür, daß sich das Prinzip des Koaxialrotors mit dem Wegfall des Heckrotors als besonderen Vorteil bisher nicht durchsetzen konnte, liegt an der mechanischen Komplexität, eine kollektive und zyklische Rotorblattverstellung, insbesondere für den oberen gegenläufigen Rotor und für den Bereich optimaler aerodynamischer Bedingungen, die von 1 : 1 abweichende Drehzahlverhältnisse der beiden Rotoren erfordern, auszuführen.

Diese mechanische Komplexität der Steuerung entfällt beim Rotor mit rotierenden Walzen weitgehend, weil hier die mechanische Taumelscheibe durch eine elektrisch-/elektronische Steuerung, die außerdem noch außerhalb des rotierenden Bereiches in einem gesonderten Raum untergebracht werden kann, ersetzt wird. Deshalb bietet sich das Prinzip des Walzenrotors mit seinen besonderen Vorteilen geringerer Umfangsgeschwindigkeiten und damit verbundenen geringeren Lärmemissionen gegenüber vergleichbaren Rotoren mit Tragflügelprofilen für eine Ausführung als Koaxialrotor geradezu an. So müssen z. B. für Manöverbewegungen um die Hochachse nur die Walzendrehzahlen von einem der beiden zentrisch angeordneten Rotoren kollektiv verändert werden, um unmittelbar eine Änderung der Leistungsabnahme und - da unveränderte Rotordrehzahl - auch ein anderes Drehmoment zu induzieren. Um Kippmomente um die Längs- und Querachsen zu erzeugen, können, wie oben bereits beschrieben, die Walzendrehzahlen von einem oder beiden Rotoren in einem gewissen machbaren Bereich zyklisch verändert werden. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, die Rotorachse entweder insgesamt schwenkbar auszuführen, was insbesondere bei leichten Drehflüglern angebracht erscheint, oder, wie in Fig. 1 dargestellt und bei größeren Hubleistungen angebracht, nur den unteren Rotor schwenkbar auszuführen.

Sollten Anforderungen nach größeren Schüben für einen schnellen Vorwärtsflug bestehen und die horizontalen Kräfte hierfür aufgrund konstruktiv bedingter eingeschränkter Schwenkausschläge zu schwach ausfallen, könnte der Schub in einer Ausführungsvariante durch einen horizontal wirkenden Zug- oder Schubpropeller - aus Gründen geringer Lärmerzeugung und hoher Effizienz vorteilhaft ummantelt und für niedrige Flächenbelastungen ausgelegt - erweitert werden. Zusammen mit weiteren vorteilbehafteten Anordnungsmerkmalen wie

- ein von unten nach oben verlaufender zentraler Kräfteverlauf mit nacheinander folgenden Leistungsabnahmen zunächst für den unteren und dann für den oberen Rotor,
- mit einem einfachen dazwischen geschalteten Kegelradgetriebe für eine Drehzahlumkehr und für eine vom 1 : 1 Verhältnis abweichende optimale Drehzahlstufung,
- unten und oben am zentralen Rotormast leicht zugänglich angeordnete Stromübertragungen für Energie und Steuerung der Walzenantriebe - entweder mit Hilfe von Schleifringen oder induktiv wirkende Einrichtungen ausgeführt -,
- eine Unterbringung der elektrisch-elektronischen Steuerung als kompletten Ersatz für mechanische Taumelscheiben außerhalb des rotierenden Bereiches in einem gesonderten, leicht zugänglichen Elektronikraum der Zelle,

wird eine speziell auf das Prinzip mit Walzenrotoren abgestimmte koaxiale Rotoranordnung in den Fig. 1 bis 4 näher beschrieben und für die Anmeldung zugrunde gelegt.

Claims

1. Für den Auftrieb den Magnuseffekt nutzendes VTOL-Fluggerät mit 2 koaxial angebrachten gegenläufigen Rotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Antriebsenergie für beide Rotoren im unteren Teil des zentralen Rotormastes (6) zunächst in eine erste Hohlwelle (7) eingeleitet und dadurch der auf ihr befestigte untere Rotor (1) direkt in Drehung versetzt wird und anschließend die verbleibende Restenergie über ein die Drehrichtung umkehrendes Getriebe (14) in eine zweite Hohlwelle (8) eingespeist und dadurch der auf ihr befestigte obere Rotor (2) in Drehung versetzt wird.

2. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Hohlwellen sowie das Drehrichtungsumkehr-Getriebe auf einer zentralen Achse (9), die an ihrem unteren Ende fest mit der Zelle des Fluggerätes verbunden ist, gelagert bzw. angebracht sind.

3. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehrichtungsumkehr-Getriebe aus auf der zentralen Achse angebrachten Kegelradpaaren (15) besteht, mit denen zusätzlich zur Drehrichtungs-Umkehr auch eine bestimmte vorgegebene Drehzahl des oberen Rotors erzielt werden kann.

4. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehrichtungsumkehr-Getriebe durch mitdrehende rotationssymmetrische Abdeckungen (16) gegen äußere Einflüsse und umgekehrt abgekapselt wird.

5. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rotor wahlweise über eine kardanische Aufhängung (17) mit der zugehörigen Hohlwelle verbunden wird und über einen Lagerring (18) sowie mindestens 2 um 90° am Umfang versetzte Stellelemente (19) aus der waagerechten Lage heraus in jede beliebige Position gekippt und festgehalten werden kann.

6. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rotor über bekannte Schlag- und Schwenkgelenke oder über die gleichen Effekte bewirkende lagerlose Einrichtungen, horizontal zu der zugehörigen Hohlwelle fixiert und verbunden ist.

7. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzendrehzahlen jedes Rotors über ihre Antriebe individuell kollektiv und wahlweise auch in einem machbaren Bereich zyklisch verändert werden können.

8. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Antriebsenergie und elektrischen Steuerbefehle sowie entsprechenden Rückmeldungen für die Walzenantriebe des unteren Rotors über Schleifringe oder induktiv wirkende Einrichtungen (22), die im unteren Teil der unteren Hohlwelle geschützt und gut zugänglich angebracht sind, in den drehenden Bereich eingeleitet werden.

9. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Antriebsenergie und elektrischen Steuerbefehle sowie entsprechenden Rückmeldungen für die Walzenantriebe des oberen Rotors über Schleifringe oder induktiv wirkende Einrichtungen (22), die am oberen Ende der oberen Hohlwelle angebracht sind, in den drehenden Bereich eingeleitet werden und die elektrischen Leitungen (21) hierfür durch die zentrale hohle Achse des Rotormastes zugeführt werden.

10. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich der oberen Hohlwelle mit den elektrischen Übertragungseinrichtungen in den drehenden Bereich durch eine mitrotierende Abdeckung (29), die wartungsfreundlich leicht entfernt werden kann, abgedeckt und geschützt wird.

11. VTOL-Fluggerät nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Übertragungseinrichtungen in den drehenden Bereich die elektrischen Kabel (30) zu den Walzenantrieben durch die zugehörigen hohlen Walzenachsen (31) zugeführt werden.

12. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Motoren für die Walzenantriebe als integrierte Rohrmotoren (20) ausgeführt werden.

13. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus Gründen der Gewichtsoptimierung bei zyklischen Drehzahländerungen die elektrischen Walzenantriebe (20) hydraulisch oder durch kombinierte Hydraulik-Getriebeeinheiten unterstützt werden und hierbei kurzfristig Drehenergie in Form von Druckgas- oder Federenergie zwischengespeichert wird.

14. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus Gründen der Gewichtsoptimierung bei zyklischen Drehzahländerungen die elektrischen Walzenantriebe (20) mechanisch durch z. B. entsprechende Ausgleichgetriebe unterstützt werden und hierbei kurzfristig Drehenergie in Form von Federenergie zwischengespeichert wird.

15. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Kontrolleinrichtungen (23) in elektrisch-/elektronischer Bauart ausgeführt und in einem dafür vorgesehenen geschützten und für die Wartung leicht zugänglichen Raum (24) der Zelle untergebracht sind.

16. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schub für den Vorausflug wahlweise durch die Anwendung eines Schub- oder Zugpropellers (25) vergrößert werden kann.

17. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller über eine an einem gesonderten Getriebeausgang (28) des Hauptgetriebes für den Rotor angekuppelte Fernwelle (27) angetrieben wird.

18. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller aus Gründen der Lärmdämpfung und zur Optimierung der Strömungsverhältnisse mit einer Ummantelung (26) ausgerüstet ist.