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Die Erfindung betrifft eine Heckrotoranordnung eines Hubschraubers zum Erzeugen eines Kraftschubes zum Ausgleichen eines durch den Hauptrotor des Hubschraubers erzeugten Drehmomentes mit einem Heckrotor mit einer Mehrzahl von an einer drehbar gelagerten Rotorachse angeordneten Rotorblättern und einem Heckrotorantrieb zum drehbaren Antreiben des Heckrotors zur Erzeugung des Kraftschubes. Die Erfindung betrifft auch einen Hubschrauber hierzu.
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Hubschrauber sind eine spezielle Art von Flugobjekten, die konstruktionsbedingt vertikal starten und landen können, ohne hierzu einen horizontalen Vortrieb zu benötigen. Dies wird in der Regel durch einen drehbar angetriebenen Hauptrotor des Hubschraubers erreicht, der meist eine Mehrzahl von an einem Rotorkopf angeordneten Rotorblättern aufweist. Wird der Hauptrotor des Hubschraubers in Drehung versetzt, so wird aufgrund der die Rotorblätter umströmenden Luft ein Auftrieb erzeugt, der es dem Hubschrauber ermöglicht, vertikale Höhenänderungen durchzuführen.
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Durch die Drehung des Hauptrotors des Hubschraubers wird allerdings durch diesen ein Drehmoment entgegengesetzt der Drehrichtung erzeugt, welches dazu führt, dass der Rumpf des Hubschraubers, in dem sich in der Regel der Hauptantrieb für den Hauptrotor des Hubschraubers befindet, ebenfalls eine Drehbewegung vollziehen möchte. Um den Hubschrauber dennoch zu kontrollierten Flugbewegungen zu veranlassen, ist es deshalb notwendig, dieses durch den Hauptrotor des Hubschraubers erzeugte Drehmoment auszugleichen.
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Hierfür wird aus dem Stand der Technik eine ganze Reihe von Lösungen bekannt, die sich diesem Problem widmen. So existieren beispielsweise Hubschrauber mit einem sogenannten Tandemrotor, bei dem zur Auftriebserzeugung zwei separate Hauptrotoren vorhanden sind, die sich gegenläufig drehen. Das Drehmoment des einen Rotors wird somit durch das Drehmoment des anderen Rotors ausgeglichen. Bei Tandemrotoranordnungen sind dabei longitudinale Anordnungen, laterale Anordnungen sowie koaxiale Anordnungen bekannt.
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Eine andere, weit verbreitete Lösung ist die Verwendung eines separaten Heckrotors, der zur Erzeugung eines Kraftschubes entgegen des Drehmomentes ausgebildet ist. Ein solcher Heckrotor weist in der Regel ebenfalls eine Mehrzahl von Rotorblättern auf, die an einer Rotorachse drehbar angeordnet sind und aufgrund der Drehung eine Luftströmung verursachen, die als Kraftschub wirkt. Der Antrieb des Heckrotors erfolgt für gewöhnlich über einen mit der Hauptturbine des Hauptrotors Kraft übertragend verbundenen Antriebsstrang, der, ausgehend von der Hauptturbine, eine Kraft auf den Heckrotor ausübt, so dass dieser sich in eine Drehbewegung beziehungsweise rotierende Bewegung versetzen lässt. Eine der wesentlichen Hauptnachteile einer derartigen Anordnung besteht in der Tatsache, dass der Heckrotor so bis zu 20% der Motorleistung der Hauptturbine des Hubschraubers beansprucht.
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So ist beispielsweise aus der
US 4,953,811 A ein elektrischer Antrieb für einen Heckrotor eines Hubschraubers offenbart, der in den Heckausleger integriert ist. Solche in den Heckausleger integrierte Heckrotoren sind auch unter dem Namen Fenestron bekannt. Bei einem derartigen Heckrotor ist der Rotor an sich in einem Gehäuse eines Heckauslegers vollständig integriert, was zum einen die Geräuschentwicklung und zum anderen das Verletzungsrisiko verringern soll. An dem Umfang des Heckrotors sind in dem Heckrotor umschließenden Gehäuse mehrere elektromagnetische Pole in Form von Spulen angeordnet, die mit Magnetelementen in den Blattspitzen der Rotorblatter des Heckrotors derart zusammenwirken, dass ein Elektromotor gebildet wird. Die in den Blattspitzen des Heckrotors angeordneten Magnetelemente sind dabei Teil des Rotors des Elektromotors, während die elektromagnetischen Pole in dem Gehäuse den Stator des Elektromotors darstellen.
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Durch die Verwendung von Elektromotoren als Antriebseinheiten für einen Heckrotor lassen sich die Probleme bezüglich der kraftübertragenden Gestänge innerhalb des Heckauslegers beseitigen. Allerdings muss bei elektrischen Antrieben und deren entsprechenden Ansteuerung sichergestellt werden, dass das System Hubschrauber auch bei Ausfall eines der Elemente steuerbar bleibt. Hierfür werden in der Regel die entsprechenden Steuerleitungen und verwendeten Steuerungssysteme redundant ausgeführt, so dass bei Ausfall eines der Steuerungsketten zumindest eine weitere verbleibt. Fällt jedoch ein Teilelement des Elektromotors aus, so führt dies trotz redundanter Ausführung der Steuerungskette ebenfalls zu einem Totalausfall des Heckrotors.
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Hierfür schlägt beispielsweise die
DE 10 2008 057 715 A1 sowie die
US 2010/0123039 A1 einen redundanten elektrischen Antrieb für einen Heckrotor vor, bei dem mehrere Antriebseinheiten an der Rotorachse angeordnet und separat ansteuerbar sind. Fällt eines der Antriebseinheiten an der Rotorachse aus, so verbleiben zumindest die übrigen zum weiteren Antrieb des Heckrotors. Allerdings sind auch hier die Antriebseinheiten aneinander räumlich derart eng verbaut, dass bei einem schwerwiegenden Vorfall an der Rotorachse alle Antriebseinheiten betroffen wären, so dass trotz redundanter Antriebseinheiten ein Totalausfall des Heckrotors die Folge wäre. Der Hubschrauber wäre in einem derartigen Fall unkontrollierbar.
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Aus der
DE 10 2010 021 024 A1 ist des weiteren ein Antriebssystem für Hubschrauber bekannt, bei dem Rotoren eines Hubschraubers direkt mit elektrischen Hochdrehmomentmaschinen verbunden sind und von diesen angetrieben werden. Hierbei ist vorgesehen, dass der Elektromotor für den Heckrotorantrieb entweder an der Heckrotorwelle oder an dem Heckrotorkranz angeordnet ist.
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Des weiteren ist aus der
US 7,147,438 B2 ein elektrischer Ventilator bekannt, an dessen Rotorblattspitzen permanent Magnete angeordnet sind, die in Wechselwirkung mit einem außen liegenden Magnetsensor stehen und so die Umdrehung des Rotors erkennen. Anhand dessen wird dann der elektrische Antrieb des Ventilators gesteuert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Heckrotoranordnung anzugeben, die auch bei schwerwiegenden Vorfällen, wie beispielsweise Feuer oder Explosionen zumindest noch derart funktionsfähig bleibt, dass eine Notlandung gesichert möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit der Heckrotoranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Heckrotorantrieb einen ersten Elektromotor und mindestens einen von dem ersten Elektromotor getrennten zweiten Elektromotor zur Bildung redundanter Antriebsstränge aufweist, wobei
- – der erste Elektromotor mit der Rotorachse zum drehbaren Antreiben des Heckrotors verbunden ist und
- – der mindestens zweite Elektromotor aus dem Heckrotor des Hubschraubers und einer um den durch die Rotorblätter gebildeten äußeren Umfang des Heckrotors angeordneten Statoranordnung derart gebildet ist, dass der Heckrotor drehbar antreibbar ist.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine Heckrotoranordnung für einen Hubschrauber zum Erzeugen eines Kraftschubes zum Ausgleich des Drehmomentes vorgeschlagen, die einen Heckrotor mit einer Mehrzahl von an einer drehbar gelagerten Rotorachse angeordneten Rotorblätter aufweist. Die Rotorblätter können dabei derart fix an der Rotorachse angeordnet werden, dass ein fester voreingestellter Anstellwinkel eingestellt ist. Wird der Heckrotor mit Hilfe eines Heckrotorantriebes in Rotation versetzt, so wird aufgrund der Form der Rotorblätter und des eingestellten Anstellwinkels eine Luftströmung verursacht, die dem Drehmoment als Kraftschub entgegenwirkt.
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Der Heckrotorantrieb ist in Form von Elektromotoren vorgesehen, wobei mindestens zwei Elektromotoren zur Bildung redundanter Antriebsstränge vorgesehen sind. Der erste Elektromotor ist dabei mit der Rotorachse des Heckrotors derart verbunden oder wird durch die Rotorachsen derart gebildet, dass der Heckrotor mit Hilfe dieses ersten Elektromotors drehbar antreibbar ist. Von diesem mit der Rotorachse des Heckrotors verbundenen ersten Elektromotors ist ein weiterer, räumlich von dem ersten Elektromotor getrennter zweiter Elektromotor vorgesehen, der aus dem Heckrotor des Hubschraubers an sich (Rotor des Elektromotors) und einem um den äußeren Umfang des Heckrotors angeordneten Statoranordnung (Stator des Elektromotors) gebildet ist. Auch der zweite Elektromotor ist zum drehbaren Antreiben des Heckrotors ausgebildet.
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Demnach sind mindestens zwei Elektromotoren zum Antreiben des Heckmotors derart als Heckrotorantrieb vorgesehen, dass räumlich redundante Antriebsstränge gebildet werden. Kommt es zu einem schwerwiegenden Vorfall in zumindest einem Bereich der Heckrotoranordnung, wovon einer der Elektromotoren betroffen ist, so verbleibt zumindest noch ein weiterer Elektromotor zum Antreiben des Heckrotors. Die Wahrscheinlichkeit eines Totalausfalles des Heckrotors wird damit so gering wie möglich gehalten.
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Die Erfinder haben dabei erkannt, dass die beiden Elektromotoren jeweils derart ausgebildet werden können, dass sie gemeinsam die notwendige Energie aufbringen, um den Heckrotor derart anzutreiben, dass der zum Ausgleich des Drehmomentes notwendige Kraftschub erreicht wird und der Hubschrauber kontrollierbar ist. Fällt hingegen einer der Elektromotoren aus, so verbleibt zumindest soviel durch eine der beiden Elektromotoren bereitgestellte Kraft, dass zumindest eine Notlandung sichergestellt werden kann, auch wenn der Hubschrauber nicht mehr 100%ig kontrollierbar ist. Dadurch kann jeder Elektromotor für sich in seiner Leistung schwächer ausgebildet werden, was letztendlich Gewicht, Material und Baukosten senkt. Daher ist eine derartige erfindungsgemäße Heckrotoranordnung insbesondere für kleine und mittlere Hubschrauber sowie UAVs besonders vorteilhaft.
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Bei großen Hubschraubern ist es darüber hinaus denkbar, dass jeder Elektromotor für sich derart ausgebildet ist, dass er alleine die benötigte Leistung aufbringt. Fällt einer der beiden Elektromotoren aus, so bleibt der Hubschrauber mit Hilfe des verbleibenden Elektromotors 100%ig kontrollierbar.
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In einer ersten Ausführungsform ist der erste Elektromotor, der mit der Rotorachse des Heckrotors verbunden oder durch diese gebildet wird, durch eine Mehrzahl von einem äußeren Umfang der Rotorachse angeordneten magnetischen Elementen und hierzu um diesen äußeren Umfang herum angeordnete Statoranordnung gebildet. Die magnetischen Elemente können hierbei beispielsweise starke Permanentmagneten sein. Die Statoranordnung, sowie sie aus herkömmlichen Elektromotoren bekannt ist, weist elektromagnetische Polelemente auf, um das für den elektromotorischen Antrieb benötigte magnetische Wechselfeld zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in Kombination mit der vorstehenden Ausführungsform oder auch einzeln ausgeführt sein kann, weist die Rotorachse des Heckrotors einen inneren Hohlraum auf, in dem eine innere Statoranordnung mit elektromagnetischen Polelementen angeordnet ist. Am inneren Umfang der Rotorachse, der durch den Hohlraum mitgebildet wird, sind magnetische Elemente, wie beispielsweise starke Permanentmagneten angeordnet, um mit dem durch die Statoranordnung erzeugten elektromagnetischen Wechselfeld zum Antreiben des Heckrotors interagieren. Mit dieser Ausführungsform wird eine besonders Platz sparende Bauweise des ersten Elektromotors möglich.
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Wird sowohl die erste als auch die zweite Ausführungsform in Kombination verwendet, das heißt der erste Elektromotor wird durch eine äußere Statoranordnung und eine innere Statoranordnung sowie jeweilige magnetische Elemente am äußeren und am inneren Umfang der Rotorachse gebildet, so wird durch den ersten Elektromotor eine weitere Redundanz gebildet. Führen beispielsweise mechanische Einwirkungen auf den Heckrotor, beispielsweise bei Militärhubschraubern durch Beschuss, dazu, dass die äußere Statoranordnung des ersten Elektromotors beschädigt wird, so kann die Leistung noch durch die innere Statoranordnung und die damit korrespondierenden magnetischen Elemente am inneren Umfang der Rotorachse verwendet werden, um die benötigte Leistung zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Elektromotor derart gebildet, dass in den Blattspitzen der Rotorblätter magnetische Elemente, wie beispielsweise starke Permanentmagneten, angeordnet. Die um den äußeren Umfang des Heckrotors herum angeordnete Statoranordnung erzeugt nun mit Hilfe von elektromagnetischen Polelementen, die beispielsweise mit Hilfe von Spulen gebildet werden können, ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches mit den in den Blattspitzen angeordneten magnetischen Elementen zusammenwirkt und den Heckrotor antreibt.
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Vorteilhafterweise weist der Heckrotor eine Ringanordnung auf, die an dem Heckrotor derart angeordnet ist, dass jeweils benachbarte Rotorblätter des Heckrotors verbunden sind. Mit Hilfe einer derartigen Ringanordnung können insbesondere die Blattspitzen der Rotorblätter miteinander verbunden werden, so dass die Ringanordnung den äußeren Umfang des Heckrotors bildet. Durch eine solche stabilisierende feste Ringanordnung an den Rotorblättern wird der technische Effekt erzeugt, dass der Luftspalt zwischen der um den Heckrotor angeordneten Statoranordnung und den Blattspitzen konstant bleibt, was für den ordnungsgemäßen Betrieb des zweiten Elektromotors von Vorteil ist. Darüber hinaus werden die Rotorblätter in ihrem fest eingestellten Anstellwinkel stabilisiert.
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Hierbei ist es nun ganz besonders vorteilhaft, wenn in oder an der Ringanordnung des Heckrotors die entsprechenden magnetischen Elemente, wie beispielsweise Permanentmagneten vorgesehen sind, die dann mit der Statoranordnung, die um den äußeren Umfang des Heckrotors herum angeordnet ist, als zweiter Elektromotor zusammenzuwirken.
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Vorteilhafterweise ist die für den zweiten Elektromotor notwendige Statoranordnung in einem Gehäuse des Heckauslegers angeordnet, der den Heckrotor ähnlich dem Fenestron vollständig umschließt.
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Die gestellte Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem Hubschrauber mit einem Hauptrotor, einem Heckausleger und einer mit dem Heckausleger angeordneten Heckrotoranordnung der vorstehenden Art gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 – schematische Darstellung der gesamten Heckrotoranordnung in einem Heckausleger;
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2 – schematische Darstellung des ersten Elektromotors;
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3 – schematische Darstellung des zweiten Elektromotors.
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1 zeigt schematisch die Heckrotoranordnung 1 mit einem Heckrotor 2, der eine Mehrzahl von Rotorblättern 3 hat, die an einer Rotorachse 4, die drehbar gelagert ist, angeordnet sind. Die Heckrotoranordnung 1 ist dabei in einem Gehäuse des Heckauslegers des Hubschraubers angeordnet.
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Der erste Elektromotor 10 befindet sich an der Rotorachse 4 des Heckrotors 2, während der zweite Elektromotor 20 durch den Heckrotor 2 und seinen Rotorblättern 3 sowie einer um den Umfang des Heckrotors 2 angeordnete Statoranordnung 21 gebildet ist. Durch die räumliche Trennung der Elektromotoren voneinander werden räumlich getrennte redundante Antriebsstränge erzeugt, die das Risiko eines Totalausfalles des Heckrotors minimieren.
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2 zeigt schematisch den ersten Elektromotor 10, der mit der Rotorachse 4 des Heckrotors verbunden oder durch diese gebildet ist. Um die Rotorachse 4 des Heckrotors 2 herum ist eine äußere Statoranordnung 11 angeordnet, die entsprechende elektromagnetische Polelemente 12, beispielsweise in Form von Spulen, aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Rotorachse 4 einen Hohlraum auf, in dem eine innere Statoranordnung 13 mit entsprechenden elektromagnetischen Polelementen angeordnet ist.
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Sowohl am äußeren Umfang der Rotorachse 4 als auch am inneren Umfang der Rotorachse 4 sind entsprechende Permanentmagnete 14 und 15 angeordnet, die mit der jeweiligen Statoranordnung 11 und 13 als Elektromotor zusammenwirken.
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3 zeigt schematisch den zweiten Elektromotor, der von dem ersten Elektromotor aus 2 zur Bildung redundanter Antriebssträngen räumlich getrennt ist. Um den äußeren Umfang des Heckrotors 2 herum ist eine Statoranordnung 21 des zweiten Elektromotors angeordnet, die vorteilhafterweise in dem den Heckrotor 2 umschließenden Gehäuse des Heckauslegers angeordnet ist. Auch die Statoranordnung 21 des zweiten Elektromotors weist elektromagnetische Polelemente 22, beispielsweise in Form von Spulen auf, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen.
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Der Heckrotor 2 weist darüber hinaus eine Ringanordnung 23 auf, welche die jeweils benachbarten Rotorblätter 3 des Heckrotors 2 an den jeweiligen Blattspitzen der Rotorblätter 3 miteinander verbindet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Luftspalt 24 zwischen den Rotorblättern 3 des Heckrotors 2 und dem der Statoranordnung 21 des zweiten Elektromotors 20 konstant verbleibt, wenn sich der Heckrotor 2 dreht.
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In oder an der Ringanordnung 23 sind des weiteren Permanentmagneten 25 angeordnet, die mit der Statoranordnung zur Bildung des zweiten Elektromotors 20 zusammenwirken. Denkbar ist aber auch, dass die Permanentmagneten 25 des zweiten Elektromotors 20 in den Blattspitzen der Rotorblätter 3 angebracht sind.
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Somit wird bei dem zweiten Elektromotor 20 dieser aus dem Heckrotor 2 als Rotor des zweiten Elektromotors 20 sowie einer um den Umfang des Heckrotors 2 angeordneten Statoranordnung 21 gebildet.
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Beide Elektromotoren können vorteilhafterweise sogenannte synchrone Reluktanzmotoren sein.
