DE102005063291A1 - Zykloidenpropeller für Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zykloidenpropeller für die Verwendung im Medium Luft, der aus einer Anzahl unprofilierter dauerelastischer Tragflügel besteht, die an profilierten bogenförmigen Tragarmen befestigt sind und parallel zur Drehachse des Propellers rotieren. Die Tragflügel sind ein- oder mehrteilig aufgebaut und werden an den Hinterkanten durch flexible Elemente zyklisch und periodisch über eine radial bewegliche, zentrale Steuerscheibe so angesteuert, dass in jedem Punkt der Kreisbahn ein bestimmter Anstellwinkel gegenüber der Kreisbahntangente resultiert. Dies bewirkt eine Schuberzeugung in eine gemeinsame Richtung, rechtwinklig zur Drehachse. Durch die zusätzliche axiale Verschiebbarkeit der Steuerscheibe ist ebenso eine Schubkomponente in Achsrichtung erzielbar. Dieses Antriebssystem ist für Fahrzeuge und Fluggeräte aller Art als Einfach-, Doppel- oder Mehrfachpropeller anwendbar, wenn hohe Manövrierbarkeit, Vielseitigkeit, Leichtigkeit und geräuscharme Antriebsleistung benötigt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Der Vortrieb bei Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen, welcher nicht durch Schubstrahl-, Wasserschrauben- oder Radantriebe erreicht wird, kann im Medium Luft von freien oder ummantelten Schraubenpropellern erzeugt werden, deren Schubrichtung parallel zur Drehachse verläuft. Diese Propeller besitzen oft einen festen Blatteinstellwinkel. Die Drehachse des Propellers wiederum ist parallel zur Hauptbewegungsrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet.
• Ist es für die Steuerung des Fahrzeuges nötig, die Schubkraft zu variieren, umzukehren oder die Schubrichtung zu verändern, besitzen diese Propeller die Möglichkeit der Drehzahlsteuerung und/oder eine Vorrichtung zum Verstellen des Blatteinstellwinkels und ggf. eine Vorrichtung zum Drehen der Propellerebene gegenüber dem Fahrzeug. Dies wird zum Beispiel bei Bodeneffektfahrzeugen, Propellerbooten und Propellerflugzeugen angewendet. Bei Luftfahrzeugen wird zudem durch den Propeller-Schub Vortrieb und damit der zum Fliegen nötige aerodynamische Auftrieb durch starre Tragflächen erzeugt.
• Vertikal startende und landende Rotorflugzeuge erzeugen Vortrieb und Auftrieb mittels großer Verstellpropeller oder Rotoren, deren horizontale Propellerebene geneigt werden kann. Die Drehachse ist hierzu rechtwinklig zur Bewegungsrichtung ausgerichtet. Eine Sonderform sind die Kipprotorflugzeuge, die zur Vortriebserzeugung die Propellerdrehachse aus der senkrechten in die horizontale Stellung schwenken. In diesem Falle übernehmen starre Tragflächen die Auftriebserzeugung im Reiseflug. Es sind auch Kombinationen aus Hubgebläsen, Strahltriebwerken und Schubpropellern bekannt. Allen derartigen Lösungen ist gemeinsam, dass sie auf der Technologie der Schraubenpropeller aufbauen, dessen Wirkungsweise seit Jahrzehnten bekannt ist.
• Nachteilig bei allen Lösungen der Schubvektorsteuerung ist die träge Reaktion auf Steuerbefehle, die mechanischen Lasten auf Lager, Steuerelemente, Propeller und die sie tragenden Strukturen. Bei einigen Lösungen müssen Propeller, Getriebe und Antrieb geschwenkt werden, was hohe Torsionskräfte und Schwingungen verursacht und einen wirklich spontanen Einsatz der aerodynamischen Möglichkeiten bei schnellen Flugmanövern behindert.
• Nachteilig bei allen genannten Propellern ist auch die Lärmentwicklung, welche aus der erforderlichen Drehzahl und der damit zusammenhängenden hohen Blattspitzengeschwindigkeit resultiert. Dies erschwert oder verhindert in vielen Fällen auch die Verwendung solcher Antriebe in urbanen Gebieten, über Menschenansammlungen und in niedrigen Flughöhen – ausgenommen in Notfällen.
• Um künftig die Forderung nach hoher Manövrierbarkeit, schneller Steuerreaktion und geräuscharmer Auf- und Vortriebserzeugung zu erfüllen, werden gegenwärtig Zykloidenpropeller für das Medium Luft basierend auf dem Prinzip der bekannten Voiht-Schneider Propeller entwickelt, welche bereits in der Schiffahrt vielfältig Verwendung finden.
• Die Schubentwicklung geschieht allgemein derart, dass bei jeder Propellerumdrehung die Blattprofilsehnen einen Winkel zur Anströmrichtung des Mediums bilden, der – zyklisch zwangsgeführt durch Steuerelemente – in jedem Punkt des Propellerkreises so gewählt ist, dass der dynamische Auftrieb in eine gemeinsame Richtung, rechtwinklig zur Propellerachse, wirkt. Das Propellersystem beschleunigt eine Luftmasse rechtwinklig zur Drehachse und erzeugt somit eine Schubkraft, die entgegengesetzt zur Strömungsrichtung wirkt. Die Propellerblätter die sich gerade in bzw. gegen den Propellerluftstrom bewegen, haben etwa einen neutralen Einstellwinkel.
• Die bisher bekannten Prototypen und Testvorrichtungen, welche im Medium Luft wirken, sind jedoch schwer, haben funktionsbedingt auftriebsungünstigere vollsymmetrische Blattprofile und benötigen bauartbedingt quer im Propellerstrom liegende Antriebswellen. Sie erzeugen somit einen hohen Anteil an schädlichem Luftwiderstand durch tragende und steuernde Bauteile, die schubunwirksam mitrotieren. Die notwendige Steifigkeit der geraden, dicken Blattprofile erfordert ein hohes Gewicht und damit Trägheitsmomente, die von kräftigen Steuerelementen beherrscht werden müssen. Ein praktischer Einsatz von Zykloidenpropellern an Luftfahrzeugen ist gegenwärtig nicht bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine mechanisch einfache, leichte und geräuscharme Möglichkeit der Auf- und Vortriebserzeugung mittels zyklisch und periodisch gesteuertem Zykloidenpropeller mit elastischen unprofilierten Blättern und veränderlichem Profil zu schaffen, die die geschilderten Nachteile der gegenwärtigen Lösungen nicht hat.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
• Die Ausführung des Zykloidenpropellers als verwindungssteifer eigenstabiler Rahmen, der die leichten und mehrgliedrigen Propellerblätter aus dauerelastischem Material trägt, befestigt an einer Propellernabe, ist die Voraussetzung für ein einfaches und effizientes Auf- und Vortriebsmittel.
• Der geräuscharme Betrieb des Propellers wird durch Umfangsgeschwindigkeiten der Propellerblätter weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit erreicht.
• Ein hoher Propellerwirkungsgrad wird vorzugsweise durch die Gestalt eines Hexagons oder Ellipsoides erzielt, da bei diesen geometrischen Formen ein geringerer schädlicher Luftwiderstand schubunwirksamer Komponenten wirkt, als bei zylinderförmigen Zykloidenpropellern. Zudem ist es dadurch leichter möglich, den Schub durch geeignete Steuervorrichtungen auch in die Drehachsrichtungen zu steuern.
• Die Befestigung der Blattvorderkanten an den Trägern und die Ansteuerung der Blatthinterkanten durch biegsame, steife und verschleissfeste Steuerelemente aus geeignetem Material, welche pro Propellerumdrehung durch einen beweglichen Steuerring innerhalb oder außerhalb des Rotors zyklisch angezogen bzw. nachgelassen werden, ist eine leichte und mechanisch einfache Steuermöglichkeit für eine solche Lösung.
• Durch sinnvolle Materialwahl kann weitgehend auf Metall bei der Propellerkonstruktion verzichtet werden. Die Profilrohre sind so verwindungs- und biegesteif ausgelegt, daß sie sich kaum unter den radial nach aussen gerichteten Fliehkräften verformen, und durch die eigenstabile Form ihrer Verbindung miteinander, sich selbst gegen dynamisch und statisch wirkende Kräfte stützen.
• Die Eigenschaften des dauerelastischen Tragflächenmaterials im Zusammenspiel mit den Flieh- und Biegekräften erzeugen ein strömungsgünstiges, unsymmetrisches Blattprofil, welches einen hohen Wirkungsgrad bei der Schuberzeugung hat.
• Die Ausführung des Rotors als gegenläufiger Doppelrotor, erzeugt keine nennenswerten negativen Momente auf das Fluggerät, die ausgeglichen werden müßten. Alle Antriebsleistung steht für die Auf- bzw. Vortriebserzeugung zur Verfügung.
• Die geringe Masse der Materialien ermöglicht höhere Drehzahlen, höhere Amplitude der Blattansteuerung und somit schnellere Reaktion auf Steuereingaben.
• Der bewegliche Steuerring, an dessen drehenden Teil die Steuerelemente befestigt sind, überträgt fast verzögerungsfrei jede Steuerbewegung auf die Blätter.
• Dies bewirkt eine Schubrichtungssteuerung in einer senkrechten Ebene um 360°, und durch erweiterbare Steuerelemente auch in Richtung der Propellerachse.
• Der in der Erfindung beschriebene Zykloidenpropeller besteht aus mindestens drei zum Bogen geformten, oder aus geraden Profilsegmenten zusammengesetzten strömungsgünstigen Trägern, die an ihrem äußeren Ende alle miteinander, und am anderen (inneren) Ende an einer Propellernabe befestigt sind. An den Trägern befinden sich dauerelastische Tragflächen aus geeignetem Kunststoff- oder Verbundmaterial, welches sehr reißfest und leicht ist. Jede Tragfläche ist rechtwinklig zur Anströmung am Träger befestigt, einteilig oder gegliedert aufgebaut und bildet rechtwinklig zur Drehrichtung eine Anströmkante. An der einfach auslaufenden Blattendkante befinden sich eine oder mehrere Ösen, durch die ein biegsames Steuerelemente, z. B. Draht, Seil oder eine Stange geführt ist. Dieses kann an einigen Stellen versteift sein, um die Ausformung unter Fliehkräften zu begrenzen. Das Steuerelement ist fest mit dem äußeren Ende der Tragrohre verbunden, durch Ösen und Propellernabe geführt und wiederum fest mit dem drehbaren Teil des Steuerringes verbunden. Diese befindet sich neben der Propellernabe und ist so in Achsnähe befestigt, daß sie sich in zwei Ebenen neigen, axial verschieben und radial versetzen läßt; letzteres um hohe Geschwindigkeiten im Reiseflug zu ermöglichen. Der feststehende Teil des Steuerringes wird durch Eingabeimpulse der Steuerorgane bewegt. Der mit dem Propeller drehende Ring überträgt die Bewegung über die Drähte, Seile oder Stäbe auf die Tragflächenhinterkanten, welche den gewünschten Einstellwinkel annehmen.
• Die elastischen Tragflächen sind in geeigneter Weise durch Stäbe oder Rippen in Anströmrichtung und quer dazu versteift, sodaß die Flieh- und Luftkräfte die Blattform nicht sehr beeinflussen, diese nicht flattert und sich in jedem Sektor des Propellerkreises das benötigte Profil bildet.
• Mit dieser Bauart ist es möglich, effizient den für diese Propellerart typischen 360° Schubbereich zu realisieren, mit dem höchste Manövrierfähigkeit erzielt werden kann.

Claims (1)

1. Zykloidenpropeller für Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1) Zykloidenpropeller mit mindestens drei ein – oder mehrteiligen unprofilierten Tragflächen aus dauerelastischem, teils verstärktem Material, die mit ihrer Längsausrichtung parallel zur Propellerdrehachse angeordnet sind und zyklisch als auch kollektiv während jeder Umdrehung durch geeignete Steuermittel so verstellt werden können, daß diese in jedem Punkt der Propellerumdrehung einen bestimmten Winkel zur Anströmrichtung der Luft einnehmen und damit Schub erzeugen. a) Zykloidenpropeller, dessen unprofilierte Tragflächen mit ihrer Vorderkante an geformten Trägern mit strömungsgünstigem Querschnitt befestigt sind und dessen aerodynamisches Profil bei allen Einstellwinkeln unsymmetrisch ist. b) Mindestens drei geformte Träger, die zusammen einen formstabilen, biegesteifen Rahmen bilden, der einseitig an einer Rotornabe befestigt ist, welche in geeigneter Weise gelagert und von einem Antriebsmotor in Drehung versetzt wird. 2) Zykloidenpropeller nach Anspruch 1, dessen Ansteuerung der Tragflächenhinterkanten durch biegsames, steifes und verschleissfestes Material wie Draht, Seil oder Stäbe aus Metall oder synthetischem Material bewirkt wird, wobei diese durch einen um vier Achsen beweglichen Steuerring außerhalb des Propellerluftstroms zyklisch und kollektiv derart angesteuert werden, dass dadurch der Propellerschub in seiner Kraft und seiner Richtung nicht nur 360° in einer senkrechten Ebene rechtwinklig zur Propellerachse, sondern auch in Richtung der Propellerachse kontrolliert wird. 3) Zykloidenpropeller nach Anspruch 1, dessen Ansteuerung aller Tragflächenhinterkanten durch biegsames, steifes Material wie Draht, Seil oder Stäbe aus Metall oder synthetischem Material bewirkt wird, wobei diese durch einen um vier Achsen beweglichen Steuerring innerhalb des Rotors angesteuert wird, der am Ende einer Steuerstange befestigt ist, die widerum durch die hohle Antriebswelle an der Nabe geführt ist. 4) Zykloidenpropeller nach Anspruch 1 bis 3, der in mehrfacher Anzahl und unterschiedlicher Größe an einem Individualfluggerät befestigt ist und durch einen oder mehrere Motoren angetrieben wird. 5) Zykloidenpropeller nach Anspruch 1 bis 3, der zum Schutz des Rotors und der Umgebung ein zusätzliches starres Gitter besitzt, welches den Rotor ganz oder teilweise derart umschließt, daß der Luftstrom kaum beeinträchtigt wird, die drehenden Teile aber vor Berührung geschützt sind.