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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für Drehflügelflugzeuge mit Rotorarmen
in Form von rotierenden Walzen für
eine Ausbildung eines Magnuseffektes, zur Steuerung um alle Achsen
des Drehflügelflugzeuges.
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Es
sind Vorrichtungen zur Steuerung für Drehflügelflugzeuge um alle Achsen
mit Rotorblättern
in Form von rotierenden Walzen bekannt. Es hat sich aber gezeigt,
daß bei
diesen Anordnungen Mängel
gegenüber
der Flugsteuerung von Rotoren mit Rotorblättern bestehen.
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Nach
der
US 1,796,798 ist
eine Anordnung mit einem fixierten nach vorn geneigtem Rotormast bekannt.
Hierbei ist ein VTOL-Betrieb nicht möglich.
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Lediglich
bei geringen Fluggeschwindigkeiten wird eine Unterstützung der
Leitwerks- Steuerungsmomente durch eine in alle Richtungen verschiebbare,
parallel zum unteren Rotor angebrachte Scheibe vorgeschlagen, die
den inneren Luftabströmbereich
an beliebigen Stellen auf dem Umfang abdeckt und dadurch einen entsprechend
geringeren Auftrieb gegenüber
einem nichtabgedeckten Zustand bewirkt. Es wurde ebenfalls eine
mechanische Lösung
für stufenlos
veränderbare
zyklische Drehzahlen bei den Walzen eines oberen Rotors mit einem komplizierten
und großen
Bauaufwand vorgeschlagen.
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Ferner
wurde nach der
DE
197 15 827 A1 zur Erzeugung von Steuermomenten um Längs- und Querachsen
einer schwenkbaren Rotorachse in allen Richtungen vorgesehen. Diese
Ausbildung ist aber nur bei leichten Hubschraubern praktikabel ausführbar.
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Aus
der
DE 100 53 134
A1 ist es bekannt, durch zyklische Drehzahländerungen über wechselseitig
verkuppelte Schaltungen der elektrischen Walzenantriebe jeweils
als Motor oder Generator eine Steuerung herbeizuführen, der
aber aus Gewichtsgründen
Grenzen gesetzt sind.
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Eine
weiterhin bekannte Lösung
gemäß der
DE 102 41 608 A1 mit
einer kardanischen Aufhängung
eines unteren von zwei gegenläufig
angeordneten Koaxialrotoren ist ebenfalls aus Gewichtsgründen auf
eine Anwendung für
kleine und mittlere Hubschrauber beschränkt. Ferner benötigt eine
derartige Ausführung
einen großen
kollisionsfreien Abstand zwischen oberen und unteren Rotor, wobei
dann der aerodynamische Wirkungsgrad des Gesamtsystems leidet. Tendenziell
tritt diese Wirkungsgradverschlechterung, auch schon ohne die kardanischbewegliche
Aufhängung
durch die über
die Kontur der Walzen weit herausragenden äußeren Endscheiben auf.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausbildung zur Flugsteuerung
für Drehflügelflugzeuge der
gattungsgemäßen Art
zu verbessern und eine einfache Ausbildung zu ermöglichen,
die eine Steuerung entsprechend einer zyklischen Anstellwinkel-Verstellung mit Rotorblättern gewährleistet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß eine Änderung
der Oberflächenrauhigkeit
der einzelnen Walzen individuell in vorgegebenen Sektoren eines
Rotorkreises über
heraushebbare Strömungsstörkörper aus
der Oberfläche
der rotierenden Walzen zur Steuerung einstellbar ist.
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Der
Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß jede Walze einzeln und individuell
ansteuerbar ist und durch eine Erzeugung der Strömungsstöreffekte in bestimmten Bereichen
des Walzenumfangs und in gewünschten
Sektoren auf dem Rotorkreis die Wirksamkeit der Steuerung weiter
verbessert und optimiert werden kann.
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Bei
der in Flugrichtung gesehen rücklaufenden
Walze mit geringeren Anströmgeschwindigkeiten eröffnet sich
die Möglichkeit
in Strömungsbedingungen
mit so niedrigen Reynoldszahlen zu gelangen, daß bei einer Rauhigkeitsvergrößerung eine
Auftriebserhöhung
eintritt und durch die in Folge eintretende Widerstandserhöhung das
dadurch entstehende Moment um die Rotorachse dem Rückstellmoment
durch den Rotorantrieb entgegenwirkt. Hierdurch kann der für den Gegenschub
sorgende Heckrotor bei Einrotor- Drehflüglern verkleinert werden oder
gegebenenfalls ganz entfallen. Tatsächlich eintretende Effekte
dieser Art hängen
von den Strömungsverhältnissen
ab, die sich aus der Größe der Rotoren,
des Rotordurchmessers, der Zahl der Rotorarme, der Rotordrehgeschwindigkeiten
usw. ergeben.
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Es
ist zwar bekannt, daß durch
Rauhigkeitserhöhungen
an Tragflügelprofilen,
beispielsweise durch Eisansatz oder durch Verschmutzungen insbesondere
auf der Oberseite im Nasen- und Mittenbereich, der Auftrieb beträchtlich
sinkt. Der Grad der Auftriebsabsenkung ist dabei von der Stärke der Rauhigkeit
abhängig
und ist reproduzierbar. Es ist auch bekannt, daß bei kleinen Reynoldszahlen,
die in der Praxis insbesondere bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten
wie beim Vogelflug vorliegen, eine Auftriebserhöhung eintritt. In beiden Fällen haben,
im Gegensatz zum Tragflügelprofil,
die Autriebsveränderungen
Widerstandserhöhungen
zur Folge.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß über herausgehobene
Strömungsstörkörper Ausblasöffnungen
für zugeführte Druckluft freigebbar
sind. Hierdurch wird bei gleichem Effekt der Hubweg des Störkörpers verringert.
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Eine
vorteilhafte Anwendung wird dadurch geschaffen, daß am Umfang
der äußeren Endscheibe
Druckluft ausblasbar ist. Hierdurch wird die Wirkung der Endscheibe,
die Randwirbelverluste der Walzenumströmung zu verringern, verstärkt. Die
optimale Größe der Endscheibe
kann dadurch kleiner ausfallen, was insbesondere zu Vorteilen beim
koaxialen Rotorkonzept führt.
Unter Berücksichtigung
der Schlagbewegungen der Rotorarme kann durch einen verringerten
Endscheibendurchmesser der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
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Zusätzlich wird
vorgeschlagen, daß der
zur Rotorachse hin gerichtete Bereich der Endscheibe schallschluckend
ausgebildet ist.
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Ferner
ist vorgesehen, daß eine
Hauptwirkungsrichtungen einer Auftriebsänderung der walzen in einem
Winkelbereich nach vorn und hinten einstellbar ist.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, daß die
in einem bestimmten Walzenumfangsabschnitt erforderlichen Strömungsstörkörper insgesamt
durch eine im Inneren der Walze untergebrachten Schalenstruktur angehoben
werden, die mit der Walze mit derselben Drehzahl mitrotiert. Hierzu
ist vorgesehen, daß die bei
jeder Walzenumdrehung erfolgende Hubbewegung der Schalenstruktur
pneumatisch erfolgt und elektro-pneumatisch steuerbar ist.
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Es
wird hierbei einmal eine Anbringung von Störkörpern nur in dem Bereich, in
dem sie auch wirken sollen, gewährleistet.
Es ist aber auch denkbar, daß die
Störkörper am
gesamten Walzenumfang angebracht sind. Diese Variante ist besonders
geeignet, die Störkörper entweder
in Gruppen oder auch einzeln elektrisch anzusteuern.
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Hierzu
wird vorgeschlagen, daß von
den am gesamten Walzenumfang erforderlichen Strömungsstörkörpern die im vorgesehen Wirkungsbereich durch
eine im Inneren der Walze angeordnete feststehende Schalenstruktur
anhebbar und mit einer ruhenden Walzenachse verbunden ist.
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Ferner
ist vorgesehen, daß die
Schalenstruktur mit gewölbten
An- und Ablaufflächen
für die Strömungsstörkörper versehen
ist.
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Zur
einfachen Ansteuerung wird vorgeschlagen, daß die Schalenstruktur entweder
mechanisch, elektrisch oder pneumatisch anhebbar ist. weiterhin ist
dabei vorgesehen, daß die
Schalenstruktur als elektrischer Schleifringkörper ausgebildet ist und die Strömungsstörkörper einzeln
oder in Gruppen unter Einschaltung von Piezoelementen anhebbar sind.
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Eine
weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß die Schalenstruktur für eine berührungslose
induktive Stromübertragung
zur Betätigung
der Strömungsstörkörper mit
Hilfe von Piezoelementen ausgebildet ist.
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Ferner
wird vorgeschlagen, daß die
Stirnflächen
der Strömungsstörkörper Einbuchtungen
aufweisen, die in der eingefahrenen Position der Strömungsstörkörper die
aerodynamische Glattheit der Walzenoberfläche verbessern.
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch eine Rotorwalze und einer zentralen Rotorachse
mit Drucklufterzeugungs- und Verteilungseinrichtungen;
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2 eine
Draufsicht auf eine Walze und Rotorachse;
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3 und 4 eine
Schnittdarstellung gemäß Linie
III-III und IV-IV der 1;
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5 eine
weitere Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß 1;
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6 bis 8 Schnittdarstellungen
gemäß Linien
VI-VI, VII-VII, VIII-VIII der 5;
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9 und 10 eine
Einzelheit IX als vergrößerte Darstellung
eines geschnittenen Strömungsstörkörpers im
angehobenen und eine Einzelheit X im eingefahrenen Zustand der 7.
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Die
dargestellte Anordnung einer ersten Ausführungsform gemäß 1 bis 4 beinhaltet eine
konstruktive Lösung
mit nur wenigen, ausschließlich
im vorgesehenen Wirkungsbereich, im Walzenzylinder 1 installierten
Strömungsstörkörpern 2.
Diese werden durch eine mit gleicher Walzendrehzahl mitlaufende
Schalenstruktur 3 gegen den Druck von in den Strömungskörpern 2 angebrachten
Druckfedern angehoben. Die Mitnahme der Schalenstruktur 3 durch
den Walzenzylinder 1 wird durch fest mit diesem verbundenen
Stiften 4 angedeutet, die in ballig ausgeformte Öffnungen
der Schalenstruktur 3 hineinragen. Diese umlaufende Schalenstruktur 3 bildet gleichzeitig
das äußere Gehäuse für Wälzlager 5,
die über
ein inneres Wälzlagergehäuse 6 fest
mit zwei nicht mitdrehenden zylindrischen Stempeln 7 verbunden
sind. Diese Stempel 7 werden jeweils in den fest mit einer
Walzenachse 8 verbundenen Drehkörpern 9 geführt und
ragen in den Innenraum der hohlen Walzenachse 8 hinein.
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Der
Innenraum der hohlen Walzenachse 8 kann in einem separat
abgedichteten Bereich, in den die zylindrischen Stempel 7 und 10 hineinragen,
gesteuert mit Druckluft beaufschlagt und wieder entlüftet werden.
Die Druckluft wird mit Hilfe eines auf einer Rotorachse 11 angebrachten
Nockens 12, eines mit dem Rotor umlaufenden Kolbens 13,
einer elektro-pneumatischen Steuereinheit 14 und Druckleitung 15 zu-
und abgeführt
und anschließend über eine
Leitung 16 in den Walzeninnenraum geleitet, wo der Überdruck
für eine
Luftausblasung durch die angehobenen Störkörper 2 sowie für eine Ausblasung am
Umfang der äußeren Endscheibe 17 zur
Verfügung
steht. Der fehlende Druckluftbedarf wird von der Kühlluft für einen
elektrischen Walzenantriebsmotor 18, deren Druck nach Durchströmung des
Motors durch einen Verdichter 19 entsprechend angehoben wird,
abgedeckt.
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Im
Bereich 20 der umfänglichen
Luftausströmung
ist eine Endscheibe 17 schallschluckend ausgebildet.
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Durch
die mit der nicht mitrotierenden Walzenachse 8 fixierten
Stempel 7 ist die Richtung der gemeinsamen Anhebung der
Störkörper 2 festgelegt. Indem
die Walzenachse 8 über
Lager 21 drehbar mit einer Rotorwelle 22 verbunden
ist und über
ein selbsthemmendes Schneckengetriebe 23 in einem gewissen
Bereich in der Position zur Rotorwelle 22 verdreht werden
kann, ist auch eine Verdrehung der Wirkungsrichtung der Störkörper 2 in
einem gewissen Bereich nach vorne und hinten möglich, wodurch ein Nachstellen
der Wirkungsrichtung im Betrieb auf die jeweils optimale Position
möglich
wird.
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Zum
Ausgleich der entstehenden Unwucht beim Anheben der Störkörper 2 durch
die Bauelemente 3, 5, 6 und 7 sind
diesen gegenüberliegend ähnliche
Konstruktionen wie Gegenschalenstruktur 24, Gegenwälzlager 25,
innere Gegenwälzlagerstruktur 26 und
in den separat abgedichteten Innenraum der hohlen Walzenachse 8 hineinragende
zylindrische Stempel 10 angeordnet, die über die
wechselnden Druckverhältnisse
in diesem Innenraum gleichzeitig, jedoch entgegengesetzt bewegt
werden. Ebenso wie oben wird die Mitnahme der Gegenschalenstruktur 24 durch
den Walzenzylindermantel 1 durch fest mit diesem, verbundenen
Stiften 27, gewährleistet,
indem sie in ballig ausgeformte Öffnungen
der Gegenschalenstruktur 24 hineinragen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
gemäß 5 bis 10 ist
abweichend zum Anheben der Strömungsstörkörper 2 nur
die Schalenstruktur 28 und Gegenschalenstruktur 31,
die nicht mit dem Walzenzylindermantel 1 umlaufen, sondern
unmittelbar fest mit den in den hohlen Innenraum der Walzenachse 8 hineinragenden
Stempeln 29 und 30 verbunden sind, vorgesehen.
Diese Stempel 29 sowie die Gegenstempel 30 für Gegenschalenstruktur 31 werden in
einem fest mit der Walzenachse 8 verbundenem Drehkörper 32 geführt. Obwohl
die spiegelbildlich nach unten auf der Druckseite der Walze wirkende Gegenschalenstruktur 31 die
gleichzeitig auf der Saugseite wirkende Strömungsbeeinflussung nur noch
geringfügig
verstärkt
und deshalb nicht unbedingt erforderlich ist, wird sie jedoch aus
Gründen
einer Unwuchtvermeidung vorgesehen.
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Die
relativ zum drehenden Walzenzylindermantel 1 stehenden
Schalen- und Gegenschalenstrukturen 28 und 31, über die
die jeweiligen Störkörper 2 hinweggleiten
und bei Bedarf angehoben werden, sind hierzu mit entsprechend geformten
Auf- und Ablaufflächen 33 versehen.
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Die
Höhe der
Anhebung der Schalenstrukturen 28 und 31 wird
durch zugehörige,
mit Gegenflächen
versehenen und fest diesen verbundenen Stiften 34 und 35 begrenzt.
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Die
beiden Schalenstrukturen 28 und 31 werden gemeinsam
durch die in zu-gehörigen
und mit diesen fest verbundenen Führungsleisten 36 und 37 Zugbändern 38 zusammengehalten
und nach innen gedrückt.
Die dadurch entstehenden, zur Mitte hin gerichteten, auf die Stempel 29 und 30 ausgeübten Kräften wirken
zusammen mit den Federkräften
der jeweils angehobenen Störkörper 2 dem
auf die inneren Stempelzylinderflächen wirkenden Luftüberdruck und
den jeweils herrschenden Zentrifugalkräften entgegen.
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Gemäß 9 und 10 ist
der Strömungsstörkörper 2 in
angehobener und in eingefahrener Position, jeweils im Schnitt für beide
Ausführungsformen
dargestellt.
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Der
untere Teil des Strömungskörpers 2 besteht
aus einer Kugelrolle 39 zum Aufnehmen der Differenzbewegungen
zwischen Strömungskörper und den
Schalenstrukturen im Anhebungsbereich. Die Tragstruktur der Kugelrolle 39 mündet nach
oben hin in einen Kolben 40, auf dessen oberem Zapfen als
eigentlicher Störkörper einen
Ventilkörper 41 lösbar mittels
Lötung
oder ähnlichen
verfahren befestigt ist. Der hohle Kolben 40 ermöglicht in
angehobener Position des Ventilkörpers 41 ein
Ausblasen von Druckluft aus dem Innenraum der Walze.
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Der
Kolben 40 wird in dem fest mit dem Walzenzylinder 1 verbundenen
Schaft 42 geführt,
wobei die Befestigung ebenfalls durch Lötung oder ähnlich lösbaren verfahren ausgeführt wird.
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Die
Kugelrolle 39 wird zusammen mit Kolben 40 durch
eine Druckfeder 43 stets in Richtung Walzeninnenraum gedrückt, wobei
der Weg durch den Anschlag des Ventilkörpers 40 auf seinem
Sitz begrenzt wird. Hierdurch wird einerseits sichergestellt, daß der Ventilkörper 40 im
nichtaktivierten Zustand immer eingefahren wird und mit der Walzenoberfläche eine glatte
Oberfläche
bildet. Andererseits wird hierdurch im angehobenen Zustand ein ausreichender
Kontakt zwischen der Kugelrolle 39 und den Schalen- und Gegenschalenstrukturen 28 und 31 gewährleistet.
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In
die Stirnfläche
des Störkörpers 2 können Vertiefungen 44, ähnlich der
Anordnung von Dimples im Golfball eingearbeitet werden, die im eingefahrenen
Zustand den Reibungswiderstand der Walze vermindern.