DE102018116166B4

DE102018116166B4 - Ducted propeller and aircraft

Info

Publication number: DE102018116166B4
Application number: DE102018116166.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Dinkelaker
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: DE102018116166A1

Abstract

Mantelpropeller (10) für ein Luftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:- der Mantelpropeller (10) umfasst einen Rotor (11) und einen Mantel (12),- der Mantel (12) weist eine Öffnung (15) zum Rotor (11) auf und- der Mantel (12) umfasst einen Helmholtz-Resonator (14), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- der Helmholtz-Resonator (14) ist abstimmbar und- der Mantel (12) enthält einen aufblasbaren Schlauch (13) oder Luft-Balg.Ducted propeller (10) for an aircraft, with the following features: - the ducted propeller (10) comprises a rotor (11) and a jacket (12), - the jacket (12) has an opening (15) to the rotor (11) and - the jacket (12) includes a Helmholtz resonator (14), characterized by the following features: - the Helmholtz resonator (14) is tunable and - the jacket (12) contains an inflatable hose (13) or air bellows.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mantelpropeller sowie ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.The present invention relates to a ducted propeller and an aircraft, in particular an all-electric, vertical take-off and landing (VTOL) aircraft.

Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).In aerospace engineering, a VTOL is a cross-linguistic term for any type of aircraft, drone or rocket that has the ability to take off and touch down essentially vertically and without a runway. This collective term is used in the following in a broad sense, which includes not only fixed-wing aircraft with wings, but also rotorcraft such as helicopters, autogyros, helicopters and hybrids such as compound or combination helicopters and convertible aircraft. Also included are aircraft with the ability to take off and land over particularly short distances (short take-off and landing, STOL), to take off over short distances but to land vertically (short take-off and vertical landing, STOVL) or vertical take-off and horizontal landing (VTHL).

DE 10 2012 018 499 A1 offenbart Mantelpropeller (ducted fans), die in eine Flugzeugstruktur so integriert sind, dass die Mantelringfläche teilweise von der Struktur umschlossen wird. Das Flugzeug ist hierbei als Tiefdecker ausgeführt, sodass im Übergang zwischen Flügel und Rumpf eine Kontur entsteht, in der die Mäntel integriert sind. Die Mantelkontur ist durch elastische Elemente mit Innendruck aufblasbar, sodass diese Elemente das Mantelprofil je nach Flugzustand verändern. Durch eine Gestaltung der Mantelinnenwand mit Bohrungen und Hohlräumen wird die Lärmemission nach dem Funktionsprinzip eines Helmholtz-Resonators reduziert. DE 10 2012 018 499 A1 discloses ducted fans that are integrated into an aircraft structure such that the shroud ring surface is partially enclosed by the structure. The aircraft is designed as a low-wing aircraft, so that a contour is created in the transition between the wing and the fuselage, in which the coats are integrated. The envelope contour can be inflated by elastic elements with internal pressure, so that these elements change the envelope profile depending on the flight condition. By designing the inner wall of the jacket with bores and cavities, the noise emission is reduced according to the functional principle of a Helmholtz resonator.

Ein Mantelpropeller für einen Hubschrauber gemäß KR 10 2007 0 072 850 A weist einen Helmholtz-Resonator, einen Querkanal und eine darin abgestützte Gegendrehmomentvorrichtung auf. Diese umfasst einen Rotor, der drehbar im Kanal montiert, und einen Stator, der im Kanal stromabwärts des Rotors fest angebracht ist. A ducted propeller for a helicopter according to KR 10 2007 0 072 850 A comprises a Helmholtz resonator, a transverse duct and a counter-torque device supported therein. This includes a rotor rotatably mounted in the duct and a stator fixedly mounted in the duct downstream of the rotor.

Der Rotor umfasst seinerseits Rotorblätter mit einer um die Rotorachse modulierten Winkelverteilung. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Statorleitschaufeln, die um die Statornabe herum verteilt und ebenfalls im Winkel um die Statornabe herum moduliert sind.The rotor in turn comprises rotor blades with an angular distribution modulated around the rotor axis. The stator includes a plurality of stator vanes distributed about the stator hub and also angularly modulated about the stator hub.

US 4 944 362 A beschreibt eine mehrschichtige akustische Auskleidung mit Kernkammern, die als Helmholtz-Resonatoren mittels Resonatorhälsen wirken, die von der kernzugewandten Schicht in die Kernkammern ragen. Um den Frequenzgang zu verbreitern, sind die Enden der Resonatorhälse abgeschrägt. Diese Auskleidung ist insbesondere für den Einsatz am Strahlrohr oder Ventilatorkanal eines Turbofan-Flugtriebwerks vorgesehen. U.S. 4,944,362 A describes a multi-layer acoustic liner with core cavities that act as Helmholtz resonators by means of resonator necks protruding from the core facing layer into the core cavities. In order to broaden the frequency response, the ends of the resonator necks are bevelled. This lining is intended in particular for use on the jet pipe or fan duct of a turbofan aircraft engine.

EP 3 333 402 A1 zeigt einen Mantelpropeller für ein Luftfahrzeug. Der Mantelpropeller umfasst einen Rotor und einen Mantel. Der Mantel umfasst eine ellipsoide Blase, deren Volumen verändert werden kann, um akustische Phänomene, die im Bereich des Rotors des Mantelpropellers entstehen, zu dämpfen. EP 3 333 402 A1 shows a ducted propeller for an aircraft. The ducted propeller includes a rotor and a duct. The duct includes an ellipsoidal bladder whose volume can be modified to dampen acoustic phenomena generated in the area of the ducted propeller rotor.

WO 2015/005 776 A1 zeigt vollelektrische, teils waagerecht und teils senkrecht feststehende Mantelpropeller, abgeknickte Tragflächen und ein aufladbares Batteriesystem. WO 2015/005 776 A1 shows all-electric, partly horizontally and partly vertically fixed ducted propellers, bent wings and a rechargeable battery system.

EP 3 290 334 A1 zeigt verstellbare Lamellen für die Schubsteuerung. EP 3 290 334 A1 shows adjustable slats for thrust control.

US 8 640 984 B2 offenbart den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1. U.S. 8,640,984 B2 discloses the subject-matter of the preamble of claim 1.

Die Erfindung stellt einen Mantelpropeller sowie ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a ducted propeller and an aircraft, in particular an all-electric aircraft capable of vertical take-off and landing in the above sense, according to the independent claims.

Der Vorzug eines erfindungsgemäßen Mantelpropellers liegt in der auf die Rotordrehzahl abstimmbaren Dämmung verschiedener Frequenzen mit nur einer Kavität. Bisherige abstimmbare Helmholtz-Resonatoren gehen dagegen typischerweise von verstellbaren Kolben oder beweglichen Flächen aus.The advantage of a ducted propeller according to the invention lies in the damping of different frequencies with only one cavity, which can be tuned to the rotor speed. In contrast, previous tunable Helmholtz resonators are typically based on adjustable pistons or movable surfaces.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das resultierende Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims. For example, the resulting aircraft can be equipped with angled or even optionally foldable wings. A corresponding variant increases the effective wing area in level flight, but without expanding the footprint of the aircraft.

Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.Furthermore, the aircraft may have a fast-charging battery system, which provides the drive energy for vertical take-off and landing as well as level flight, and allows the aircraft to be charged for a short time while stationary.

Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.Instead of free-moving rotors, several jacketed propellers of different sizes can be used to drive the aircraft, such as are known outside of aviation technology, for example from hovercraft or airboats. The cylindrical housing surrounding the propeller is able in such a design shape to significantly reduce thrust losses due to turbulence at the blade tips. Suitable ducted propellers may be aligned horizontally or vertically, designed to be pivotable between the two positions, or covered by louvers for aerodynamic reasons in level flight. In addition, a purely horizontal thrust generation by means of fixed ducted propellers is conceivable.

Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.Finally, in addition to a preferably fully autonomous operation of the aircraft, the granting of manual control to the human pilot with sufficient qualification also comes into consideration, which gives the device according to the invention the greatest possible flexibility in handling.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Mantelpropellers.
2 zeigt einen Teilschnitt des Mantels des Mantelpropellers.

An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.

1 shows the longitudinal section of a ducted propeller according to the invention.
2 shows a partial section of the casing of the ducted propeller.

Die 1 und 2 illustrieren in ihrer Zusammenschau die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mantelpropellers (10) mit einem den Rotor (11) umschließenden Mantel (12), dessen Einzelheiten der vergrößerten Schnittdarstellung gemäß 2 zu entnehmen sind.The 1 and 2 together illustrate the design features of a preferred embodiment of the ducted propeller (10) according to the invention with a duct (12) surrounding the rotor (11), the details of which are shown in the enlarged sectional view according to FIG 2 can be found.

Wie in letzterer Zeichnung erkennbar wird, enthält der Mantel (12) auf seiner abbildungsgemäß rechten Seite einen aufblas- oder anderweitig dehnbaren Schlauch (13) oder Luft-Balg, der auf der abbildungsgemäß linken Seite eine etwa mittige Öffnung (15) in Richtung des Rotors (11) aufweist. Durch die fortwährende - beispielsweise hydraulische oder pneumatische - Veränderung der Druckverhältnisse und somit des Resonator-Volumens (14) in diesen komplex ausformbaren Bereichen des Mantels (12) erlauben derartige Mittel (13) eine aktive Abstimmung des auszuformenden Helmholtz-Resonators (14).As can be seen in the latter drawing, the shell (12) contains on its right-hand side as shown in the figure an inflatable or otherwise expandable tube (13) or air-sleeve which on the left-hand side as shown in the figure has an approximately central opening (15) towards the rotor (11). Due to the continuous - for example hydraulic or pneumatic - change in the pressure conditions and thus the resonator volume (14) in these areas of the casing (12) that can be shaped in a complex manner, such means (13) allow active tuning of the Helmholtz resonator (14) to be shaped.

Claims

Ducted propeller (10) for an aircraft, with the following features: - the ducted propeller (10) comprises a rotor (11) and a casing (12), - the casing (12) has an opening (15) to the rotor (11) and - the jacket (12) comprises a Helmholtz resonator (14), characterized by the following features: - the Helmholtz resonator (14) is tunable and - the jacket (12) contains an inflatable hose (13) or air bellows.

Aircraft, characterized by the following feature: - the aircraft has an all-electric ducted propeller (10). claim 1 on.

aircraft after claim 2 , characterized by the following feature: - the aircraft comprises bent or articulated wings.

aircraft after claim 2 or 3 , characterized by the following feature: - the aircraft includes a quickly chargeable battery system.

Aircraft according to any of claims 2 until 4 , characterized by the following feature: - the aircraft comprises horizontally fixed ducted propellers (10) for take-off and landing.

aircraft after claim 5 , characterized by the following features: - the aircraft has slats and - the horizontal ducted propeller (10) can be optionally covered by means of the slats.

Aircraft according to any of claims 2 until 6 , characterized by the following feature: - the aircraft comprises vertically fixed ducted propellers (10) for generating propulsion.

Aircraft according to any of claims 2 until 7 , characterized by the following feature: - the aircraft can optionally be controlled fully autonomously.