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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, die mehrere Propellerblätter oder Schaufeln aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Um die erzeugte Leistung eines Luftfahrzeugantriebs in Vortrieb bzw. Schub umzusetzen, werden Propellerblätter oder Schaufelblätter eingesetzt. Sie werden durch den Luftfahrzeugantrieb in Rotation versetzt, wobei aufgrund der Form der Propellerblätter bzw. der Schaufelblätter die umgebende Luft in Bewegung versetzt wird. Eine mechanische Anbindung der Propellerblätter bzw. der Schaufelblätter an den eigentlichen Luftfahrzeugantrieb wird benötigt.
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Bekanntermaßen werden die Propellerblätter mit einer Propellernabe verbunden, die über einen Propellerflansch an den Luftfahrzeugantrieb angeschraubt wird.
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Lasttragende Strukturbauteile, die nicht primär der Schuberzeugung dienen, sogenannte Passivbauteile, stellen dabei Strukturmasse dar, die im Betrieb eines Luftfahrzeugs mitgeführt werden muss. Auf Systemebene schmälert diese zusätzliche Masse die Nutzlastkapazität des Luftfahrzeugs bzw. trägt deutlich zum Treibstoffverbrauch bei und hängt damit direkt mit der Effizienz des Luftfahrzeugs zusammen.
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Insbesondere bei Luft- und Raumfahrtanwendungen ist die Reduktion der Passivmasse damit eines der entscheidenden Optimierungsziele über alle diversen Anwendungsfälle und Leistungsklassen hinweg.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung zur Reduzierung von Passivbauteilen bei elektrischen Antrieben in der Luftfahrt anzugeben.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung und dem Luftfahrzeug der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der Erfindung handelt es sich um eine integrierte Propelleranbindung. Die erfinderische Idee ist auch für (Verdichter-) Schaufeln anwendbar.
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Die erfinderische Idee besteht darin, den elektrischen Antrieb zwischen den Propellerblättern an Stelle der Propellernabe zu positionieren, sodass der Propellerflansch weggelassen werden kann, da er nicht mehr nötig ist bzw. in die bereits vorhandene mechanische Struktur des Luftfahrzeugantriebs selbst integriert ist. Der Aktivteil des elektrischen Antriebs ist dabei integriert.
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Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, aufweisend:
- - mehrere Propellerblätter oder Schaufeln,
- - ein ringförmiges Trageelement, an dem außenseitig die Propellerblätter oder Schaufeln angeordnet sind, und
- - ein an der Innenseite des Trageelements ausgebildeter Rotor einer elektrischen Maschine,
- - wobei der Rotor in der Drehebene der Propellerblätter oder Schaufeln angeordnet ist.
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In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung einen Stator der elektrischen Maschine auf, der innerhalb des Rotors und in der Drehebene der Propellerblätter oder Schaufeln angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die elektrische Maschine eine Radialflussmaschine sein.
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In einer weiteren Ausprägung weist die Vorrichtung zwei Dünnringlager auf, auf denen das Trageelement auf dem Stator drehbar gelagert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Trageelement aus einem Leichtbau-Verbundwerkstoff gebildet sein.
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Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
- 1: eine Draufsicht einer Vorrichtung mit einer Axialflussmaschine,
- 2: eine Schrägansicht eines Details der Vorrichtung mit einer Axialflussmaschine,
- 3: eine Schnittansicht eines Details der Vorrichtung mit einer Axialflussmaschine,
- 4: ein Flugzeug mit einer Vorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Prinzipiell ist das Konzept auch für (Verdichter-) Schaufeln anwendbar. Im Folgenden wird das Konzept jedoch exemplarisch für Propelleranbindungen vorgestellt.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit Propeller und integriertem elektrischen Antrieb. Die Propellerblätter 1 sind auf der Außenseite einem ringförmigen Trageelements 2 angeordnet. Zur Verbindung sind dafür beispielsweise Verbindungsstutzen 2a auf der Außenseite des Trageelements 2 ausgebildet. Vorzugsweise sind die Propellerblätter 1 in den Verbindungsstutzen 2a drehbar gelagert, so dass der Anstellwinkel der Propellerblätter 1 verstellbar ist.
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Die den Propeller antreibende elektrische Maschine ist als Doppelrotor-Axialflussmaschine ausgebildet. Dazu sind auf der Innenseite des Trageelements 2 zwei in 1 nicht sichtbare Rotoren 3 ausgebildet, die durch einen dazu konzentrisch angeordneten Stator 4 in eine Drehbewegung versetzt werden kann. Der Stator 4, die Rotoren 3 und das Trageelement 2 befinden sich in der Drehebene der Rotorblätter 1, die senkrecht auf die Drehachse 1a des Propellers steht.
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2 zeigt eine räumliche Detailansicht der Vorrichtung der 1. Die Propellerblätter 1 sind auf der Außenseite des ringförmigen Trageelements 2 angeordnet. Zur Verbindung dienen die Verbindungsstutzen 2a auf der Außenseite des Trageelements 2. Die Propellerblätter 1 sind vorzugsweise in den Verbindungsstutzen 2a drehbar gelagert, so dass der Anstellwinkel der Propellerblätter 1 verstellbar ist.
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Die den Propeller antreibende elektrische Maschine ist als Doppelrotor-Axialflussmaschine ausgebildet. Dazu sind auf der Innenseite des Trageelements 2 die in 2 nicht sichtbarer Rotoren 3 ausgebildet, die durch den dazu konzentrisch angeordneten Stator 4 in eine Drehbewegung versetzt werden können. Der Stator 4, die Rotoren 3 und das Trageelement 2 befinden sich in der Drehebene der Rotorblätter 1, die senkrecht auf die Drehachse 1a des Propellers steht. Das Trageelement 2 ist auf dem Stator 4 mittels des Dünnringlagers 5 drehbar gelagert.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Details der Vorrichtung der 1. Die Propellerblätter 1 sind auf der Außenseite des ringförmigen Trageelements 2 angeordnet. Zur Verbindung dienen die Verbindungsstutzen 2a auf der Außenseite des Trageelements 2. Vorzugsweise sind die Propellerblätter 1 in den Verbindungsstutzen 2a drehbar gelagert, so dass der Anstellwinkel der Propellerblätter 1 verstellbar ist.
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Die den Propeller antreibende elektrische Maschine ist als Doppelrotor-Axialflussmaschine ausgebildet. Dazu sind auf der Innenseite des Trageelements 2 die Rotoren 3 in einer Nut ausgebildet, die durch den dazu konzentrisch angeordneten Stator 4 in eine Drehbewegung versetzt werden können. Der Stator 4, die Rotoren 3 und das Trageelement 2 befinden sich in der Drehebene der Rotorblätter 1, die senkrecht auf die Drehachse 1a des Propellers steht. Das Trageelement 2 ist auf dem Stator 4 mittels des Dünnringlagers 5 drehbar gelagert.
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Die innenliegende Struktur ist die aktive Struktur eines elektrischen Luftfahrtantriebs, vorzugsweise einer Axialflussmaschinentopologie, wie beispielhaft in der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 206 593 A1 beschrieben. Statt wie bekannt in Flugrichtung hinter der Propellerebene (= Drehebene) positioniert und über einen Propellerflansch mit dem Propeller verbunden zu werden, wird die aktive Struktur, also der eigentliche leistungserzeugende Teil des Antriebs, in die Propellerebene zwischen die einzelnen Propellerblätter
1 verschoben.
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Dadurch wird der Bereich mit strukturellen Passivbauteilen zwischen Propellerblättern 1 und Antrieb, durch den die Lasten zwischen ebendiesen geleitet werden, verkleinert. Zusätzliche Passivmassen von Propellerflansch, Verbindungsstück, etc. sind nicht nötig.
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Aufbauend auf dieser Konzeptidee ist auch ein zyklisches Pitchen, also ein Verstellen des Anstellwinkels der Propellerblätter, möglich.
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Vor allem der stark verkürzte Lastpfad und die dementsprechend signifikant reduzierte, beim Betrieb eines Luftfahrzeugs mitzuführende Masse der Passivbauteile haben direkte positive Auswirkungen auf das Gesamtsystem bzw. das Luftfahrzeug. Der Treibstoff- bzw. Energieverbrauch ist geringer und die Effizienz damit größer, was die Betriebskosten des Luftfahrzeugs senkt. Das Delta an reduzierter Masse kann dabei prinzipiell auch für mehr Nutzlast verwendet werden.
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Die genannten Vorteile können vor allem bei dieser Idee durch die Verwendung von Leichtbau-Verbundwerkstoffen (beispielsweise ein Polyamid mit Kohle oder Glasfasern) für die Passivbauteile noch weiter verstärkt werden. Der Bereich in der Mitte zwischen den Propellerblättern ist aerodynamisch für die Schuberzeugung nicht von zentraler Bedeutung und kann daher für den eigentlichen (elektrischen) Luftfahrtantrieb verwendet werden.
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Die Erfindung unterstützt damit unmittelbar das oben genannte, entscheidende Optimierungsziel bei Luft- und Raumfahrtanwendungen, und zwar über diverse Anwendungsfälle und Leistungsklassen hinweg. Insbesondere bei elektrischen Direktantrieben mit großen Durchmessern für eine hohe Drehmomentdichte, wie z.B. bei Axialflussmaschinen- Motortopologien und im Zusammenspiel mit großen, integrierten Dünnringlagern.
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4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 6, beispielweise ein Flugzeug, mit einem Propeller 7, der als Vorrichtung gemäß der 1 bis 3 ausgebildet ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Propellerblatt
- 1a
- Drehachse
- 2
- ringförmiges Trageelement
- 2a
- Verbindungsstutzen
- 3
- Rotor
- 4
- Stator
- 5
- Dünnringlager
- 6
- Luftfahrzeug
- 7
- Propeller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013206593 A1 [0026]
