DE10053134A1 - Neuartiges Auftriebssystem für schuberzeugende Rotoren - Google Patents

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 C_a 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 C_a- 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 = C_a/C_w gegenüber Trag­ flächenprofilen. Aus diesem Grunde kommt eine Ausnutzung der hohen C_a-Beiwerte im allgemeinen nicht in Frage, weil die erfor­ derliche spezifische Rotorleistung in KW/m² _Rotorfläche und damit der spez. Kraftstoffverbrauch in gr_Kraftstoff/Kg_Hubkraft × 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 C_a-Beiwerten, ein relativ hoher C_a-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.

Zeichnungen

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 "v_u", 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 "C_a", 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 "v_u" eine vertikale Strömung "w_a/2" auf, die im Zusammenwirken eine resultierende Geschwindig­ keit "v_r-1" unter dem Winkel "α_i-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 "w_a" angewachsen. Der Winkel "ν" entspricht dem an dieser Stelle herrschenden Gleitwinkel, dem arc tan von dem Quotienten "C_w/C_a". Das zugehörige Geschwindig­ keitsdreieck mit der resultierenden Geschwindigkeit "v_r-2" und dem Winkel "α_i-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.