DE102013005917A1

DE102013005917A1 - Rotationsscheiben zur Effizienzsteigerung aerodynamischer Profile

Info

Publication number: DE102013005917A1
Application number: DE102013005917.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Rotationsscheiben zur Effizienzsteigerung aerodynamischer Profile Die dargestellte Erfindung soll eine neue Methode aufzeigen, die Effizienz von aerodynamischen Profilen zu steigern, welche sich in einem technisch weit fortgeschrittenen Stadium befinden und Verbesserungen nur noch in kleinen Stufen zulassen. Hierzu wird ein Verfahren aufgezeigt, welches den Magnus-Effekt nutzbar macht. Um den Magnus-Effekt zu nutzen sind über die Längsachse (Y) eines aerodynamischen Profils (A) Scheiben (B) verteilt, welche über eine gemeinsame Achse verbunden sind und sich um die Längsachse rotieren lassen. Durch die Rotation werden sich zwischen den Scheiben befindende Luftpartikel auf der einen Profilseite beschleunigt und auf der anderen Profilseite abgebremst. Hierdurch wird der Effekt des aerodynamischen Profils zusätzlich verstärkt. Aerodynamische Profile, welche sich durch die Rotationsscheiben erweitern lassen, sind zum Einen in der Luftfahrt in Form von Flugzeugflügeln aber auch Rotorblättern für Helikopter und Windkraftanlagen zu finden. Weiterhin lassen sich Rotationsscheiben auch in der Schifffahrtstechnik für die Effizienzsteigerung von Segeln verwenden.

Description

Die Nutzung des Magnus Effektes zur Erzeugung von Vor- oder Auftrieb wurde bereits um 1920 durch Anton Flettner vorgeschlagen und zunächst für Schiffe umgesetzt. Flettner war es auch, welcher sich die Idee der nach ihm benannten Flettner-Rotoren patentieren lies ( DE 420840 ). Wie der Name schon andeutet, war das Markenzeichen der Rotor, ein rotierender Zylinder, welcher auf Schiffen vertikal aufgebaut wurde und das Segel ersetzte. Umströmt von Wind erzeugte dieser rotierende Zylinder wie vom Magnus Effekt beschrieben eine senkrecht zur Anströmung wirkende Kraft. Abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders konnte diese Kraft größer als die eines Segels werden und wurde zur Navigation des Schiffes verwendet. 1934 schlug der schottische Ingenieur Alexander Thora (Thom, 1934) vor, entlang der Längsachse des Flettner-Rotors mitrotierende Scheiben anzubringen. Seine Experimente zeigten, dass sich hiermit die aus dem Magnus Effekt entstehende Kraft noch deutlich erhöhen lies.
Mit dem Aufkommen des Dieselantriebs in den 1930er Jahren und dem damit verbundenen, generellen Rückgang der Segelschiffe, fanden jedoch auch die Flettner-Rotoren keinen Anklang und es gibt in der Schifffahrt heute nur ein Beispiel für die kommerzielle Nutzung: das E-Ship 1 der Reederei Enercon.
In der Luftfahrt kamen die Flettner-Rotoren nicht über eine experimentelle Anwendung hinaus und so gibt es heutzutage nur im Flugzeug-Modellbau einige Anwendungsbeispiele (vgl. z. B. Seiffert, 2012).
Ein Grund, warum sich die Flettner-Rotoren im Besonderen in der Luftfahrt nicht weiter durchgesetzt haben, ist der im Vergleich zu einem Flügel deutlich höhere Widerstand, welchen die rotierenden Zylinder erzeugen. Das Verhältnis von Auftrieb zum Widerstand kann bei einem Flugzeug 20:1 (und mehr) betragen, während Flettner-Rotoren hier (im optimalen Rotations- zu Windgeschwindigkeit Verhältnis von 3.5) einen Wert von gut 12:1 erreichen. Klassische Segel hingegen haben ein Vortriebs zu Widerstandsverhältnis von 10:1 und sind somit etwas schlechter, lassen sich aber auch einfacher umsetzen.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Konzept auf, mit dem der Magnus-Effekt genutzt werden kann, ohne den Widerstands-Vorteil eines Flügels oder Segels bzw. im Allgemeinen eines aerodynamischen Profils zu verlieren. Dazu wird von einem klassischen Profil [A] ausgegangen, entlang dessen Längsachse [Y] Scheiben [B] in der Rotationsebene [X],[Z] der Längsachse angeordnet sind.
Die Scheiben sind nicht fest mit der Profiloberfläche verbunden, sondern können, durch einen oder mehrere Motoren getrieben, mit gleicher Frequenz um die Längsachse rotieren.
Durch den Grenzschichteffekt werden Fluidpartikel in der Nähe einer rotierenden Scheibe in Richtung der Rotation mitbeschleunigt. Diese Beschleunigung verringert sich mit zunehmendem Abstand von der Scheibe. Befinden sich zwei rotierende Scheiben in ausreichend geringem Abstand [t], so werden zwischen diesen Scheiben befindliche Fluidpartikel von zwei Seiten beschleunigt und können Geschwindigkeiten nahe der Rotationsgeschwindigkeit der Scheiben annehmen.
Wird ein aerodynamisches Profil wie z. B. ein Flügel in Flugrichtung [X] durch ein Fluid wie Luft bewegt, so stellt sich auf der Flügeloberseite ein Unter- und auf der Flügelunterseite ein Überdruck ein, wodurch Auftrieb erzeugt wird. Wird so ein Flügel nun, wie in dargestellt, durch Scheiben erweitert welche in Richtung [Ω] rotieren, so bewirken die Scheiben auf der Flügeloberseite eine Beschleunigung der Luftpartikel entgegen der Flugrichtung. Die. sich relativ zum Flügel auch entgegen der Flugrichtung bewegende Luft erfährt daher auf der Flügeloberseite eine Geschwindigkeitszunahme. Auf der Flügelunterseite werden die Luftpartikel durch die rotierenden Scheiben in Flugrichtung beschleunigt, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit der Luft hier verringert wird. Auf der Flügeloberseite wird somit der Unter- und auf der Flügelunterseite der Überdruck erhöht, welches wiederum einen höheren Auftrieb bedeutet.
verdeutlicht, wie der beschriebene Aufbau für ein Kleinflugzeug umgesetzt werden kann. Dabei erweitern die rotierenden Scheiben [C] den Hauptflügel [D] auf beiden Seiten des Flugzeugrumpfes [E].
Bei einer klassischen Segelyacht [F] ersetzt eine erfindungsgemäße Ausführung das Hauptsegel, wie in dargestellt. Hierbei ist das um rotierende Scheiben [G] erweiterte aerodynamische Profil [H]. so gelagert, dass es um die Vertikalachse [U] rotiert werden kann. Dadurch kann auf eine sich ändernde Windrichtung [V] reagiert werden. Anders als bei Flugzeugen, wo der Vortrieb und somit die Umströmung der Tragflächen durch den Antrieb des Flugzeuges selbst erzeugt wird, nutzen Segelyachten natürlich vorhandene Winde. Durch die Rotation um die Vertikalachse kann das um die rotierenden Scheiben erweiterte Segel optimal zum Wind ausgerichtet werden.
Wie vom E-Ship 1 bekannt, bei dem Flettner-Rotoren zur Unterstützung des Hauptantriebs eines Motor-getriebenen Schiffs [H] an Deck aufgestellt wurden, so können erfindungsgemäße Ausführungen an Stelle der Flettner-Rotoren installiert werden (Vergleich ). Wie bei der Segelyacht sind auch hier die um die rotierenden Scheiben [I] erweiterten aerodynamischen Profile [J] so gelagert, dass sie um die Vertikalachse [R] rotiert werden können um auf wechselnde Windrichtungen [S] zu reagieren.
Muskelkraft-getriebene Flugzeuge (wie in dargestellt), welche sich in ihrer klassischen Ausführung durch ein langgezogenes Profil auszeichnen, können durch die Nutzung rotierender Scheiben [K] im Sinne der Erfindung die Flügellänge reduzieren. Dabei werden die Scheiben, wie auch der Vortrieb-erzeugende Rotor [L], durch Muskelkraft angetrieben.
Erfindungsgemäße Ausführungen können auch verwendet werden, um Rotoren von Drehflüglern wie Motor-getriebene Hub- oder aber Tragschrauber zu ersetzen. Am Besten sind aber hier die Muskelkraft-getriebenen Hubschrauber geeignet ( ), da bei diesen größere Rotorblätter [M] zur Anwendung kommen. Diese können leichter um rotierende Scheiben [N] im Sinne der Erfindung erweitert werden. Wie der Name andeutet, stellen Drehflügler die Relativbewegung zwischen den Rotoren und dem diese umgebenden Fluid durch die Rotation der Rotorblätter um die Vertikalachse [W] her.
Wie Segelyachten oder z. B. das E-Ship 1, so nutzen auch Windkraftanlagen natürlich vorhandene Winde, welche die Rotoren einer Windkraftanlage umströmen und diese dadurch in Rotation [A] versetzen. Wie auch schon bei den Drehflüglern, so können auch bei Windkraftanlagen die Rotorblätter um rotierende Scheiben [Q] im Sinne der Erfindung ergänzt werden (siehe ). Diese ermöglichen, dass eine Windkraftanlage bei geringeren Windgeschwindigkeiten betrieben werden kann oder aber, dass bei gleichen Windgeschwindigkeiten höhere Rotationsgeschwindigkeiten erreicht werden können.
Bringt man die rotierenden Scheiben [O] nur an den jeweiligen Enden eines aerodynamischen Profils [P] wie z. B. einem Flügel an ( ) und rotieren diese Scheiben entgegen der bisher beschriebenen Richtung (und wie durch [Y] angedeutet) um die Längsachse [T] so wirken die durch die Rotation mitbeschleunigten Fluidpartikel der Wirbelbildung entgegen, welche normalerweise an den Enden klassischer Flugzeugflügel beobachtet werden kann. Diese Wirbel stehen in direktem Zusammenhang mit dem induzierten Widerstand eines Flugzeugs und eine Abschwächung der Wirbelbildung ist gleichbedeutend mit einer Verringerung des induzierten Widerstands.
Der Anfangs beschriebene Effekt, dass die in Richtung [ω] rotierenden Scheiben Fluidpartikel auf der Oberseite eines Flügels beschleunigen und Fluidpartikel auf der Unterseite abbremsen, beschreibt auch den Effekt, welchen ein Flügel ohne rotierende Scheiben erfährt. Anstelle der, dieser Erfindung zu Grunde liegenden Idee, diese beiden Effekte zu kombinieren ist es nun auch denkbar, auf die Flügelprofilierung zu verzichten und wie in dargestellt eine einfache Platte [a] zu verwenden. Zwar wird hierdurch der nun nur durch die rotierenden Scheiben [b] erzeugte Auftrieb geringer ausfallen als bei einem profilierten Flügel gleicher Größe (vergleiche ), der Aufbau lässt sich jedoch auch leichter und einfacher realisieren. Eine Umsetzung dieser Art ist für alle bisher beschriebenen Ausführungen anwendbar.
Zitierte Nichtpatentliteratur

• Seifert, J. Micro Air Vehicle lifted by a Magnus rotor – a proof of concept, 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 9–12 January 2012, Nashville, Tennessee
• Thom, A., Effekt of Discs on the Air Forces on a Rotating Cylinder, Aeronautical Research Committee, Reports and Memoranda, 1934
• E-Ship 1, http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship 1, Zugriff: März 2013

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 420840 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Thom, 1934 [0001]
Seiffert, 2012 [0003]

Claims

Aerodynamische Profile, in einem sich relativ zu ihnen bewegenden Fluid, welche einen Unterdruck auf der einen, sowie einen Überdruck auf der anderen Seite erzeugen, wodurch eine Kraft in Richtung der Seite des Unterdrucks resultiert, gekennzeichnet dadurch, dass diese Profile um eine oder mehrere Scheiben ergänzt werden, welche um die Längsachse des Profils mit einstellbarer Geschwindigkeit rotieren und die Größe der resultierenden Kraft beeinflussen.
Ein oder mehrere drehbar gelagerte Segel nach Anspruch 1, welche als Primärantrieb zur Erzeugung von Vortrieb bei Wasserfahrzeugen verwendet werden.
Ein oder mehrere drehbar gelagerte Segel nach Anspruch 1, welche zur Erzeugung zusätzlichen Vortriebs bei Wasserfahrzeugen angebracht werden um den Primärantrieb zu unterstützen.
Ein oder mehrere Flügel nach Anspruch 1, welche zur Erzeugung von Auftrieb bei Motor-getriebenen Luftfahrzeugen verwendet werden.
Ein oder mehrere Flügel nach Anspruch 1, welche zur Erzeugung von Auftrieb bei Muskelkraft-getriebenen Luftfahrzeugen verwendet werden.
Ein oder mehrere Rotoren, welche pro Rotor zwei oder mehr Rotorblätter nach Anspruch 1 verwenden um Auf- und/oder Vortrieb bei Motor-getriebenen Luftfahrzeugen zu erzeugen.
Ein oder mehrere Rotoren, welche pro Rotor zwei oder mehr Rotorblätter nach Anspruch 1 verwenden um Auf- und/oder Vortrieb bei Muskelkraft-getriebenen Luftfahrzeugen zu erzeugen.
Windkraftanlagen, welche Rotorblätter nach Anspruch 1 verwenden um höhere Rotationsenergie zu erzeugen.
Aerodynamische Profile nach einem der voran gegangenen Ansprüch, welche sich durch nur eine rotierende Scheibe pro und am jeweiligem Profilende auszeichnen.
Ausführungsformen nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 8 welche zwar in einem gewissen Abstand angeordnete, rotierende Scheiben nutzen, aber als Basis anstelle des aerodynamischen Profils eine einfache Platte verwenden