AT510794A1

AT510794A1 - Verstellung der rotorblätter durch verwindung

Info

Publication number: AT510794A1
Application number: AT20312010A
Authority: AT
Inventors: Dietmar Fuchs; Martin Kassecker
Original assignee: Fd Composites Gmbh
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-15
Also published as: WO2012079100A3; WO2012079100A2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Rotorblätter eines Tragschraubers. Durch diese Erfindung wird eine erhebliche Startstreckenverkürzung bis hin zum „Jump Start" ermöglicht. Entlang eines Rotorblattes des Drehflügels erstreckt sich eine Stange (2.2), welche an ihrem rotorkopfseitigen Ende durch einen Antrieb mit einem Drehmoment um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse entgegen dem Anstellwinkel des Rotorblattes beaufschlagbar ist. Die Stange (2.2) ist in einem vom rotorkopfseitigen Ende beabstandeten Längsbereich am Rotorblatt gegen Relativdrehung um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse entgegen dem Anstellwinkel abgestützt. Das Rotorblatt ist durch das über diese Abstützung aufbringbare Drehmoment derart elastisch verformbar, dass sein gemittelter Anstellwinkel um mehrere Winkelgrade gegenüber dem gemittelten Anstellwinkel bei von diesem Drehmoment unbelastetem Rotorblatt verringert bzw. vergrößert ist.

Description

fdcOl

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Rotorblätter eines Tragschraubers.

Durch diese Erfindung wird eine erhebliche Startstreckenverkürzung bis hin zum „Jump Start" ermöglicht.

Ein Tragschrauber {auch „Autogiro", „Gyrokopter" oder „Gyrocop-ter" genannt) im Sinne dieser Beschreibung ist ein Fluggerät, bei welchem der erforderliche Auftrieb durch einen etwa in einer horizontalen Ebene rotierenden Rotor, - des weiteren „Drehflügel" -genannt, erzeugt wird, wobei allerdings im normalen Flug - anders als bei einem Hubschrauber - der Antrieb der Drehbewegung des Drehflügels durch den bei der Horizontalbewegung des Fluggerätes entstehenden Fahrtwind erfolgt, und wobei die Horizontalbewegung durch einen motorisch angetriebenen Propeller, welcher um eine etwa horizontale Drehachse rotiert, angetrieben wird.

Wie auch bei einem Hubschrauber ist die Neigung der Rotationsebene des Drehflügels eines Tragschraubers gegenüber dem Fahrzeugrumpf in gewissen Grenzen einstellbar. Nicht einstellbar hingegen ist dagegen im Normalfall der Anstellwinkel der Rotorblätter des Drehflügels gegenüber der Rotationsfläche die die Rotorblätter durchstreichen, also die Schwenkstellung der Rotorblätter um eine zu ihrer Längsrichtung parallel liegende Achse („Pitch-Verstellung") . Damit ist der Rotorkopf eines Tragschraubers sehr viel einfacher, leichter, wartungsarmer und auch kostengünstiger ausführbar als der Rotorkopf eines Hubschraubers.

Bei einem typischen Startvorgang steht der Tragschrauber zuerst auf seinen Rädern auf einem Startfeld, wobei die Räder eingebremst sind. Drehflügel und Propeller werden bei eingebremsten Rädern motorisch angetrieben, bis der Rotor die passende Mindestdrehzahl zum Startvorgang erreicht hat. Dann wird die Bremse der Räder gelöst und der Drehflügel wird vom Antriebsmotor ausgekuppelt, sodass er gegenüber dem Rumpf des Fluggerätes frei rotieren kann. Der Tragschrauber rollt an; durch den aufkommenden Fahrt-l

fdcOl wind wird die Rotordrehzahl weiter beschleunigt, bis der Auftrieb des Drehflügels so groß wird, dass das Fluggerät abhebt.

Die GB 992 208 beschreibt einen Tragschrauber, bei welchem die Rotorblätter des Drehflügels an jener Kante, an welcher die Luft abströmt mit schwenkbaren Klappen versehen sind, sodass je nach Schwenkstellung damit eingestellt werden kann, ob das Rotorblatt einen Auftrieb erzeugt oder nicht. An jedem Rotorblatt ist dazu ein Mechanismus angeordnet, welcher eine Masse aufweist, welche bei rascher Drehung des Rotorblattes zufolge Fliehkraft entgegen der Wirkung einer elastischen Feder radial nach außen verschoben wird. Diese Verschiebung wird in eine Drehung der am Rotorblatt befindlichen Klappe um eine zur Längsrichtung des Rotorblattes parallel liegende Achse übersetzt. Damit ist erreichbar, dass der Drehflügel beim Start gut beschleunigt werden kann ohne dass das Fluggerät vorzeitig an Standfestigkeit verliert. Nachteile der Bauweise sind Wartungsanfälligkeit, hoher Luftwiderstand der Rotorblätter während des Beschleunigens sowie vermehrter Lärm durch Luftverwirbelungen an den schwenkbaren Klappen.

In der WO 2005/075290 Al wird ein Fluggerät beschrieben, welches einerseits Tragschrauber ist, andererseits Hubschrauber. Vor allem für Start- und Landevorgänge ist dabei wie bei einem Hubschrauber die Schwenkstellung der Rotorblätter des Drehflügels um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse einstellbar, sodass damit der durch die Rotorblätter erzeugte Auftrieb einstellbar ist. Im normalen Flug kann diese Einsteilbarkeit, sowie auch der motorische Antrieb des Drehflügels aufgehoben werden, sodass das Gerät als Tragschrauber fliegt. Nachteilig an dem Gerät ist der wie bei einem Hubschrauber sehr aufwändige Rotorkopf.

Die US 6 062 508 A beschreibt ein einem Tragschrauber zumindest ähnliches Fluggerät, bei welchem die Rotorblätter eines Drehflügels durch jeweils einen Spindelantrieb in ihrer Längsrichtung verschiebbar sind, sodass sie mehr oder weniger aus einem zentralen, Rotationskörper am Drehflügel hervorragen oder nicht. 2 fdcOl

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, einen Tragschrauber derart auszubilden, dass die Rotorblätter des Drehflügels beim Vorbeschleunigen auf die für den Start erforderliche Drehzahl gegenüber bisherigen Bauweisen und gegenüber dem Zustand im Flug einen geringeren Luftwiderstand zu überwinden haben. Die neue Bauweise soll zudem kostengünstig realisierbar, wartungsarm und robust sein und keinesfalls die Flugsicherheit beeinträchtigen.

Zum Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, eine einfache Verstellbarkeit des Anstellwinkels der Rotorblätter gegenüber der von den Rotorblättern überstrichen Rotationsfläche zu realisieren, indem die Rotorblätter einstellbar elastisch vorspannbar ausgeführt werden.

Als der besagte Anstellwinkel der Rotorblätter ist dabei jener Winkel zu verstehen, um welchen die etwa linienförmige Querschnittsfläche der Rotorblätter aus der vom Rotorblatt überstri-chenen Rotationsfläche heraus geneigt ist.

In einer typischen und vorteilhaften Bauform weist ein Rotorblatt eine tragende Schale auf, welche eine in Längsrichtung des Rotorblattes verlaufende Welle umschließt, von welcher ein Hebel absteht, der an der tragenden Schale anliegt. Die Welle ist durch einen bevorzugt im Nahbereich des Rotorkopfes angeordneten Antrieb zu einer Schwenkbewegung um ihre Längsrichtung bewegbar. Derartiges Schwenken der Welle wird über den Hebel auf die tragende Schale des Rotorblattes übertragen und bewirkt damit eine Torsionsverformung des Rotorblattes um seine Längsachse und damit eine Veränderung des resultierenden Anstellwinkels der Rotorblattes .

Auf diese Weise werden die Rotorblätter des Drehflügels für das Vorbeschleunigen so elastisch verformt, dass ihr Anstellwinkel gegenüber dem unverformten Zustand verringert wird. Damit wird sowohl der Luftwiderstand der Rotorblätter als auch ihr Auftrieb verringert; beides ist für das Vorbeschleunigen sehr vorteilhaft, 3 f dcOl • · » « da das Vorbeschleunigen rascher erfolgen kann, eine höhere Rotordrehzahl erreicht wird und auch besser stabil stehen bleibt.

Sobald der Drehflügel die angepeilte Drehzahl erreicht hat, wird die elastische Vorspannung gelöst und in die andere Richtung vorgespannt. Der damit resultierende höhere Anstellwinkel der Rotorblätter führt zu mehr Auftrieb und es kann somit ein Start mit null Weg oder stark verminderter Startstrecke erfolgen. Nach dem Start kehrt die Anstellung der Rotorblätter in den für den Flug passenden Urzustand (=Neutralstellung) zurück. Es kann somit wie mit einem Tragschrauber entsprechend dem Stand der Technik geflogen werden.

Durch diese Konstruktion kann gänzlich auf eine komplizierte Blattverstellung (welche Taumelscheibe und viele mechanisch bewegbare Teile voraussetzt) verzichtet werden. Die Bauweise ist damit sehr wartungsarm und hat eine hohe Ausfallsicherheit. Wenn das System dennoch ausfallen sollte und damit die Rotorblätter nicht mehr elastisch verformt werden können, ist der Tragschrauber immer noch so start- und fliegbar wie ein Tragschrauber entsprechend dem Stand der Technik {ohne

Pitch/Anstellwinkelveränderung) , da der Rotor ohne Vorspannung in seiner Grund oder Neutralstellung den nötigen Anstellwinkel für den Flug vorweist ; die Eigenschaften im Flug sind ohnedies davon unbeeinflusst.

Die Erfindung wird an Hand einer Skizze veranschaulicht:

Fig. 1: Ist eine skizzenhafte Darstellung des vom Rotorkopf ab gewandten Teils eines Rotorblattes eines Drehflügels eines erfindungsgemäßen Tragschraubers in Ansicht von oben.

Zumindest der vom Rotorkopf abgewandt angeordnete Teil des Rotorblattes gemäß Fig. 1 ist typischerweise als langgestreckter Körper gebildet, welcher eine tragende Schale 1 aus einem Verbundstoff aus Glas- oder Kohlefaser aufweist.

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Im Rotorblatt erstreckt sich in dessen Längsrichtung der aus Platte 2.1, Stange 2.2 und Hebel 2.3 bestehende Verstellteil 2, wobei die Stange durch einen zumindest mittelbar an der Schale 1 verankerten Lagerteil 3 relativ zur tragenden Schale 1 um ihre Längsrichtung schwenkbar gelagert gehalten ist.

Am vom Rotorkopf abgewandten Endbereich ist mit der Stange 2.2 eine Platte 2.1 starr verbunden, wobei eine Flächenabmessung der Platte 2.2 normal zur Stangenlängsrichtung um ein Vielfaches der Querschnittsabmessungen normal zur Stangenlängsrichtung von der Stange weg ragt. Bei Drehung der Stange 2.2 um ihre Längsrichtung bildet diese Platte 2.1 einen normal zur Stangenlängsrichtung ausgerichteten Hebel, welcher mit seinem von der Stange 2.2. abgewandten Ende an der Innenmantelflache der Schale 1 anliegt und gemeinsam mit der ebenfalls an der Schale 1 anliegenden Welle der Schale 1 eine Torsionsverformung um die Stange 2.2 aufzwingt.

Das erforderliche Drehmoment wird im dargestellten Beispiel durch einen Elektromotor 4 erzeugt, welcher in einem dem Rotorkopf nahen Längsbereich des Rotorblattes am oder ira Rotorblatt angeordnet ist und typischerweise über Schleifringkontakt vom Rumpf des Tragschraubers aus mit elektrischer Energie versorgt wird.

Wie beispielhaft in Fig. 1 skizziert kann die Übersetzung der Drehbewegung des Elektromotors auf die Stange 2.2 erfolgen, indem die Achse des Elektromotors 4 normal zur Längsrichtung der Stange 2.2 ausgerichtet ist, der Wellenstummel des Elektromotors 4 mit einer Gewindeschneckenwendel ausgestattet ist und diese Gewindeschneckenwendel in eine Verzahnung an einem von der Stange 2.2 abragenden Hebel 2.3 eingreift. Für den erfindungsgemäßen Einsatz braucht die Stange 2.2 gegenüber ihrer entspannten Ausgangslage nur wenige Winkelgrade um in die eine oder andere Richtung verdreht zu werden

Damit kommen für den Antrieb der Drehbewegung auch viele andere Antriebsmöglichkeiten als die geschilderte Möglichkeit in Betracht . 5

Beispielsweise kann die Drehbewegung der Stange durch einen Hydraulikkolben angetrieben sein, wobei der erforderliche Hydraulikdruck durch eine von einem Elektromotor angetriebene Pumpe erzeugt werden kann, wobei der Elektromotor über Schleifringkontakte vom Rumpf des Tragschraubers her mit elektrischer Energie versorgt wird.

Es ist aber auch möglich, durch einen an der Welle des Drehflügels axial verschiebbaren Teil, welcher nicht mit der Welle rotiert, einen mit der Welle mitrotierenden, bevorzugt ringförmig ausgebildeten Teil axial oder radial zur Welle des Drehflügels zu verschieben, und diese Verschiebung in Drehbewegung der in den einzelnen Rotorblättern befindlichen Stangen 2.2 zu übersetzen. Dieses Übersetzen kann beispielsweise über starre mechanische Teile, wie schwenkbare Hebel, oder über Seile oder Ketten nach dem Prinzip eines Bowdenzuges erfolgen. Es ist aber auch möglich, durch den axial zur Welle verschobenen Teil eine Hydraulikpumpe mechanisch anzutreiben und mittels eines hydraulisch bewegten Kolbens eine Stange 2.2 zu drehen.

Es ist im Rahmen des fachmännischen Handelns - durch Berechnung ergänzt durch Versuch - durchaus möglich, das erforderliche Antriebsdrehmoment auf die Stange 2.2 sowie den passenden Verdrehwinkel festzulegen, sodass dadurch das Rotorblatt ausschließlich im elastischen Bereich so verformt wird, dass sein (mittlerer) Anstellwinkel in vorteilhafter Weise für das Vorrotieren verringert und den Startvorgang vergrößert wird. Ebenso liegt es im Bereich des fachmännischen Handelns Querschnittsabmessungen und Material der Stange 2.2 passend festzulegen. Typischerweise besteht die Stange 2.2 aus Stahl oder Aluminium und hat eine kreis- oder kreisringförmige Querschnittsflache. 6

Claims

fdcOl Patentansprüche 1. Tragschrauber, welcher einen Rumpf, einen etwa in einer horizontalen Ebene rotierenden, mehrere Rotorblätter aufweisenden Drehflügel und einen um eine etwa horizontale Drehachse rotierenden Propeller aufweist, wobei Drehflügel und Propeller motorisch antreibbar sind und wobei der Drehflügel vom motorischen Antrieb entkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang eines Rotorblattes des Drehflügels eine Stange (2.2) erstreckt, welche an ihrem rotorkopfseitigen Ende durch einen Antrieb mit einem Drehmoment um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse entgegen dem Anstellwinkel des Rotorblattes beaufschlagbar ist, dass die Stange (2.2) in einem vom rotorkopfseitigen Ende beabstandeten Längsbereich am Rotorblatt gegen Relativdrehung um eine zu ihrer Längsrichtung parallele Achse entgegen dem Anstellwinkel abgestützt ist und dass das Rotorblatt durch das über diese Abstützung aufbringbare Drehmoment derart elastisch verformbar ist, dass sein gemittelter Anstellwinkel um mehrere Winkelgrade gegenüber dem gemittelten Anstellwinkel bei von diesem Drehmoment unbelastetem Rotorblatt verringert ist.
2. Tragschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt eine tragende Schale (1) aufweist und dass die Stange (2.2) innerhalb des durch diese Schale umschlossenen Raumes verläuft.
3. Tragschrauber nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (2.2) über einen als Platte (2.1) ausgebildeten, normal zur Längsrichtung der Stange von der Stange abkragenden Hebel am Rotorblatt gegen Relativdrehung abgestützt ist. 7 • »9 « | · · · * · * · f dcOl
4. Tragschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment auf die Stange (2.2) durch eine Elektromotor (4) aufbringbar ist, welcher am Rotorblatt angeordnet ist und vom Rumpf des Tragschraubers aus mit e-lektrischer Energie versorgt wird, wobei die Energie über Schleifringkontakte über den Rotorkopf übertragen wird.
5. Tragschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen an der Welle des Drehflügels axial verschiebbaren Teil, welcher selbst nicht mit der Welle des Drehflügels mitrotiert, ein mit der Welle des Drehflügels mitrotierender Teil relativ zur Welle axial und/oder radial verschiebbar ist und dass durch diese Verschiebung das Drehmoment auf die Stange (2.2) eines Rotorblattes aufbringbar ist.
6. Tragschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte axiale und/oder radiale Verschiebung durch einen Schwenkhebel in eine Drehmomentenbeaufschlagung auf die Stange (2.2) übersetzbar ist.
7. Tragschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte axiale und/oder radiale Verschiebung durch einen Seilzug in eine Rotationsbewegung der Stange (2.2) übersetzt ist.
8. Tragschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die besagte axiale und/oder radiale Verschiebung eine Hydraulikpumpe antreibbar ist, durch welche die Stange (2.2) mit einem Drehmoment beaufschlagbar ist. 8