DE102020004677A1

DE102020004677A1 - iSliceRotor Drehflügelkonstruktion als Rotorscheibenkonstruktion zur Erzeugung von oder Vorschub mittels ringförmigen Anordnungen von Flügelabschnitten, deren Anstellwinkel veränderlich sind und deren Durchmesser sich lokal ändern lässt, um z.B. Umwuchten auszugleichen. Die Stützstruktur zwischen Nabe und Rotorringen kann aktiv Hub oder Vorschub erzeugen.

Info

Publication number: DE102020004677A1
Application number: DE102020004677.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-01
Filing date: 2020-08-01
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Bei dem Rotorscheiben-Drehflügler handelt es sich um eine Drehflügelkonstruktion als Rotorscheibenkonstruktion, bei der Hub oder Vorschub für ein Fahrzeug in flüssigen oder gasförmigen Medien durch einen oder mehrere, äußere Rotorkreise von Flügelabschnitten erzeugt wird, die an übereinander liegenden Doppelringen einer Ring-Struktur beweglich befestigt sind und deren Anstellwinkel z.B. über eine Rotorring-Spreiz-Konstruktion dieser Doppelringe veränderlich sind. Die erforderliche Stützstruktur zur stabilen Verbindung von Nabe und Flügelabschnitten kann dabei selbst als Rotor oder Propeller ausgelegt sein, um aktiv zum Hub oder Vorschub beizutragen.Die Durchmesser der Rotorringe lassen sich dynamisch anpassen, um z.B. Unwuchten auszugleichen.Das Funktionsprinzip kann auch umgekehrt und mittels durchströmender, flüssiger oder gasförmiger Medien zur Energiegewinnung u.a. als Windkraftanlage oder Wasserkraftwerk genutzt werden.

Description

Folgende Begriffe werden in den Beschreibungen sowie den Patentansprüchen verwendet, um eine einheitliche Beschreibungssprache zu bieten.

Rotorscheibe: gesamte Rotorkonstruktion der vorgestellten Erfindung (u.a. in Bild 1 beispielshaft dargestellt)
Nabe: Drehpunkt der Rotorscheibe vergleichbar der Konstruktion herkömmlicher Hubschrauber mit z.B. Antriebskraftübertragung durch einen Motor, Taumelscheibe, mechanische Verbindung zwischen Hubschrauberkarosse und Rotor, etc. Eine Mechanik zur Ansteuerung der Rotorring-Spreiz-Welle wird hier nicht gezeigt (z.B. Bild 2, Element 2.1)
Flügelabschnitt: einzelnes Flügelelement mit Auftriebs- oder Vortriebs-erzeugendem Profil in einer Rotorscheibe (z.B. Bild 2, Element 2.9)
Rotorkreis: eine kreisförmige Anordnung von Flügelabschnitten (z.B. Bild 2, Menge der Flügelabschnitte 2.9)
Doppelring: mindestens zwei übereinander liegende Ringe mit dazwischen liegenden, variablen Spalten, an denen Flügelabschnitte im Kreis zu einem Rotorkreis angeordnet und befestigt werden können (z.B. Bild 4, Elemente 4.8 als übereinanderliegende Ringe)
Ring-Struktur: ein oder mehrere Doppelringe, an oder zwischen denen Flügelabschnitte im Kreis angeordnet und befestigt werden können (z.B. Bild 8, Element 8.8)
Rotorring: im Kreis angeordnete Flügelabschnitte (Rotorkreise) und die sie haltenden Ring-Strukturen (z.B. Bild 2, Element 2.10)
Stütz-Struktur: Befestigung der Rotorringe an der zentralen Nabe, z.B. durch z.B. radiale Verstrebungen; diese Stütz-Strukturen können als einfache, mechanische Verstrebungen ausgeführt sein („passive Stütz-Struktur“) oder selbst durch ein Flügelprofil für Auftrieb oder Vorschub sorgen („aktive Stütz-Struktur“, z.B. Bild 2, Element 2.2 als passive Stützstruktur oder Bild 8, Element 8.3 als aktive Stützstruktur)
Rotorring-Spreiz-Welle: Welle zwischen Nabe und Rotorringen, mit der über die Rotorring-Spreiz-Konstruktion die Rotorringe auseinander- oder zusammengerückt werden können, so dass über die Spaltgröße zwischen den übereinanderliegenden Ringen und die gelagerte Aufhängung der Flügelabschnitte deren Anstellwinkel verändert werden kann (z.B. Bild 2, Element 2.4)
Rotorring-Spreiz-Konstruktion: mechanische Konstruktion, um den Anstellwinkel der Flügelabschnitte zu verändern, indem z.B. der Abstand der Ringstrukturen geändert wird und die daran beweglich angebrachten Flügelabschnitte dadurch veränderte Anstellwinkel erhalten (z.B. Bild 5, 6 und 7, alle Elemente)
Exzenter-Scheibe: so geformtes und an den Doppelringen angebrachtes, mechanisches Element, dass durch eine Drehung z.B. der daran befestigten Rotorring-Spreiz-Welle den Spalt zwischen den Ringen eines Doppelringes und damit die Anstellwinkel der Flügelabschnitte verändert (z.B. Bild 2, Element 2.5) wird
Rotorring-Spreiz-Lager: drehbare Halterung der Exzenter-Scheibe und der Flügelabschnitte an den Ringen der Doppelringe, bzw. Ring-Struktur.

Stand der Technik
Die ersten Drehflügelkonstruktion geht nach allgemeinem Kenntnisstand auf Leonardo da Vinci zurück (1452-1519), der mit seiner Flugspirale ein senkrecht startendes Fluggerät und mit seiner Konstruktion einer Flugmaschine nach dem Prinzip der Vogelflügel Grundlagen unserer heutigen Fluggeräte schuf. Wind- und Wassermühlen sind weitaus länger bekannt und realisieren das Prinzip der Umsetzung von Luft- oder Wasserströmungen auf Drehbewegungen und den Antrieb mechanischer Anlagen seit Jahrtausenden.
Insbesondere Hubschrauberrotoren wurden in vielen Patenten beschrieben und verbessert.
So zeigt zum Beispiel Patent US 36 95 780 (1970) einen Rotor mit einer Nabe und daran befestigten Rotorblättern, an deren Ende sich ein Ring als kreisförmiger Tubus befindet. Dieser stabilisiert die Rotorblätter und erlaubt eine nicht streng radiale Anordnung der Rotorblätter, stellt aber im Gegensatz zur hier vorgestellten Erfindung mit dem Außenring kein aktiv Hub-erzeugendes Element dar und verhindert durch die starre Konstruktion die Veränderung der Anstellwinkel der Rotorblätter. Damit geht die hier vorgestellte Erfindung funktionell erheblich über das genannte Patent hinaus.
Patent DE 35 28 672 (1985) beschreibt einen Rotor für eine Windkraftmaschine, der ebenfalls aus einem außen liegenden Ring und ggf. einem zwischen Außenring und Nabe gelegenen weiteren Ring besteht, zwischen denen Rotorblätter angebracht sind. Insbesondere beschreibt dieses Patent eine Unwucht minimierende Verspannung aus Zug- und Druckelementen. Im Gegensatz dazu beschreibt die hier vorliegende Erfindung einen oder mehrere Rotorkreise aus Flügelabschnitten und mit einer erheblich unterschiedlichen, aktiven Lösung für das Unwucht-Problem und einen veränderlichen Anstellwinkel der Flügelabschnitte. Somit geht die vorgestellte Erfindung erheblich über die im Patent genannte Konstruktion hinaus.
Patent EP 150 28 52 beschreibt einen Rotor, der an der Nabe ansetzt und in einem äußeren Ring endet. Mehrere Rotoren, insbesondere zwei, können als gegenläufig arbeitende Rotoren Drehmomente ausgleichen. Der Außenring kann selbst ein oder mehrere verschiedene, auftriebserzeugende Profile besitzen. Im Gegensatz zu diesem Patent besitzt die vorliegende Erfindung vorwiegend außen liegende Flügelabschnitte und kann eine aktive, Auftrieb- oder Vorschuberzeugende Stütz-Struktur besitzen. Zudem wird über eine Rotorring-Spreiz-Konstruktion der Anstellwinkel der Flügelabschnitte veränderbar und die wirksame Flügelfläche wird durch den oder die Rotorkreise erheblich vergrößert und effizienter genutzt als ein statischer Außenring mit einem Flügelprofil bei deutlich niedrigerem Gewicht der (Doppel-) Ring-Strukturen.
Patent US 2006 006 06 93 (2005) beschreibt ein Fluggerät mit einem oder mehreren Rotoren, die ohne zentrale Nabe in einem Ringgehäuse geführt, an verschiedenen Stellen eines Flugkörpers angebracht und auch als Konstruktion mit einer ringförmigen Rotorblatt-Anordnung gebaut werden können. Im Gegensatz dazu baut die hier vorgestellte Erfindung auf eine zentrale Nabe und daran arbeitendem Triebwerk, Getriebe und Aufhängung und verwendet die Ringstruktur zur Aufhängung von Flügelabschnitten und insbesondere der Änderung ihrer Anstellwinkel. Somit geht die vorgestellte Erfindung erheblich über die im Patent genannte Konstruktion hinaus.
Patent DE 10 2015 010 239 (2015) beschreibt einen Antrieb für Fluggeräte, dessen Rotorblätter durch einen turbinenartigen Ring angetrieben werden, der außen an den Flügelspitzen oder innen an der Nabe angebracht sein kann. Der Antrieb sitzt hier dementsprechend in dem Ring und erzeugt über die Rotorblätter Hub oder Vorschub. Im Gegensatz dazu beschreibt die vorliegende Erfindung einen naben-getriebenen Rotor, dessen auftriebs- und vortriebserzeugenden Elemente als Flügelabschnitte auf einem Außenkreis (Rotorkreis) angebracht sind und durch eine Stützstruktur mit einer angetriebenen Nabe in Rotation oder umgekehrt durch durchströmende Medien in Drehung versetzt wird und damit an der Nabe eine Arbeit verrichten kann. Der Anstellwinkel der Flügelabschnitte kann im Gegensatz zu der beschriebenen Konstruktion des angegebenen Patentes verändert werden. Somit geht die vorgestellte Erfindung erheblich über die im Patent genannte Konstruktion hinaus.
Aufgabe der Erfindung
Rotoren für Tragflügelfluggeräte, Propeller-getriebene Fluggeräte oder Windkraftanlagen sind seit langem Stand der Technik und werden für gewöhnlich durch radial an einer Nabe angebrachte Rotorblätter oder Propeller realisiert. Diese Konstruktion minimiert den Materialeinsatz, das Gewicht, damit die Kraftentfaltung auf die Nabe sowie das Drehmoment, was eine höhere Dynamik und Flexibilität sowie kostengünstige Konstruktionen u.a. der Antriebs-, Trage- und Rotormechanik ermöglicht.
Eines der größten Probleme bestehender Konstruktionen ist z.B. die Erzeugung von ausreichendem Hub zum Flugbetrieb eines Fluggerätes, da der Durchmesser und die Größe der Rotoren oder Propeller durch die Umdrehungszahl und Fluggeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit an den Flügelspitzen beschränkt ist. Es muss vermieden werden, dass die Geschwindigkeit an den Flügelspitzen in Grenzbereiche nahe der Schallgeschwindigkeit gerät, da hier nichtlineare Effekte, erhöhte Materialbelastung und u.a. Strömungsabrisse, Turbulenzen, Vibrationen und Kavitationen entstehen, welche die Flügel selbst und ihre Aufhängung belasten und ggf. zerstören, sich auf die Karosserie des Fluggerätes übertragen sowie zu erheblicher Lärmentwicklung führen.
Um den erforderlichen Hub oder Vorschub zu erreichen, werden daher klassischerweise Rotorblätter mit kleinem Querschnitt oder Propeller mit kleinem Durchmesser bei nach oben begrenzten Umdrehungszahlen verwendet. Eine Verringerung der Durchmesser der Rotoren ohne Zunahme der Umdrehungsgeschwindigkeit erfordert größere Flügelflächen und erhöht die Materialanforderungen an die Rotorblätter oder Propeller.
Die erzielbare Flügel-, Rotor- oder Propellerfläche und damit erzeugbare Kraftentwicklung ist somit bei klassischen Rotoren beschränkt und der Durchmesser der Rotorkonstruktion braucht eine entsprechende Mindestgröße. Dabei werden die größten Hub- und/oder Vortriebskräfte an den Außenzonen der Rotoren erzeugt, bei denen die Flügelende-Geschwindigkeit maximal ist. Innere Bereiche tragen also entweder weniger zum Hub oder Vorschub bei oder brauchen größere Flügelflächen. Auch überstreicht ein erheblicher Teil der inneren Rotorflächen das Chassis des Fluggerätes, wirkt dort nur eingeschränkt und trägt zu Vibrationen und Lärmemission in dem Fluggerät bei.
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es daher, die erforderliche Flügelfläche durch eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Flügelabschnitten zu erzielen, die somit mit einem geringeren Durchmesser der Rotorscheiben-Konstruktion gegenüber klassischen Rotorkonstruktionen auskommt, niedrigere Umdrehungszahlen ermöglicht oder bei gleichen oder höheren Umdrehungszahlen geringere Turbulenzen und Strömungsabrisse erzeugt, indem die Geschwindigkeit in den Außenbereichen weit unterhalb kritischer Geschwindigkeitsbereiche bleiben kann, bzw. durch den kleineren Durchmesser höhere Drehzahlen erlaubt. Dies führt zu geringeren Vibrationen, Luftwiderständen und letztlich auch Schallemissionen.
Im Gegensatz zu bisherigen Hubschrauber-Konstruktionen erlaubt die Rotorscheibe einen erheblich leiseren Betrieb, was den Einsatz in bebauten und besiedelten Gebieten vereinfacht, bzw. die Lärmbelastung der Anwohner senkt. Auch im militärischen Bereich sind leise Hubschrauber für die Sicherheit der Besatzung vor Entdeckung von erheblicher Bedeutung. Insbesondere in Kombination mit bekannten Techniken zur Verringerung von Strömungsabrissen und Turbulenzen an den Flügelenden, wie sie in anderen Patenten beschrieben werden, kann ein „Flüsterbetrieb“ realisiert werden, der selbst bei Effizienznachteilen die Verwendung einer Rotorscheibe sinnvoll werden lässt.
Konstruktionsbedingt ist die Rotorscheibe weniger empfindlich gegen Berührung mit Objekten. Klassische Rotoren schlagen mit großer Geschwindigkeit auf Objekte, die in ihre Bahn geraten. Dementsprechend groß sind die Beschädigungen. Durch den großen Schwung bricht in diesem Fall ein Rotorblatt oder wird abgerissen, wonach das nächste und im Zweifel alle Rotorblätter mit dem Hindernis kollidieren. Zu diesem Zweck sind Schutzkäfige oder vergleichbare Konstruktionen bekannt, die teilweise von bestehenden Patenten abgedeckt werden und in der hier vorgestellten Erfindung bereits als inhärenter Teil der Konstruktion eingesetzt werden können.
Die Rotorscheibe kann durch ihre Konstruktion eine außenliegende Ringstruktur besitzen, die auch eine Berührung mit Objekten während des Betriebes sicherer abwehrt, z.B. in dem diese daran abgleiten, anstatt in die schlagenden Rotoren zu geraten. Insofern beinhaltet die Rotorscheibe einen Schutzkäfig für die Flügelabschnitte und Rotoren (bei aktiver Stütz-Struktur). Durch die Leichtbauweise und Flexibilität der Konstruktion kann sich die Rotorscheibe zudem verbiegen, um die Kollision abzufangen und Beschädigungen an der Rotorscheibe deutlich besser zu vermeiden. Bei Verwendung mehrerer Rotorringe bleiben Beschädigungen gegebenenfalls auf den äußeren Rotorring beschränkt, so dass ein Notflugbetrieb weiterhin möglich bleibt.
Eine große Herausforderung für den Betrieb eines Rotors liegt in den Unwuchten und daraus folgenden Vibrationen u.a. durch Dichterunterschiede des umgebenden Mediums oder selbsterzeugten Turbulenzen, die zu starken Materialbelastungen führen und u.a. entsprechend stark ausgelegte Lager erfordern. Selbst optimal ausgewuchtete Rotorensysteme laufen im praktischen Einsatz nicht vollkommen „rund“. Durch die Rotorring-Spreiz-Welle existiert eine direkte Verbindung zwischen Nabe und Rotorringen, die auch den Abstand zwischen diesen bestimmt. Mit einer Nachführung in radialer Richtung kann somit Einfluss auf den Durchmesser der Rotorringe genommen werden, um. z.B. ein dynamisches Auswuchten oder Nachregulieren gegen Vibrationen zu ermöglichen. Stellt eine Sensorik eine ungleiche Kraftverteilung durch z.B. radiale Scherkräfte fest, kann die entsprechend gelegene Rotorring-Spreiz-Welle verkürzt werden, um diesen Kräften entgegen zu wirken.
Der Materialeinsatz unterscheidet sich bei gleicher Flügelfläche zu klassischen Rotoren nur unerheblich durch die Ring- und Stützstrukturen, die in Leichtbauweise und mit minimalen Materialstärken geringgehalten werden können, un den geringeren Durchmesser der Rotorscheibe. Die mechanische Belastung der (passiven) Stützstruktur liegt weitaus geringer, als diejenige, die auf ein Rotorblatt wirkt, da sie mit kleinerem Durchmesser auskommt und keiner oder sehr geringen eigenen aerodynamischen Belastung ausgesetzt ist.
Insbesondere kann die Stützstruktur zwischen Rotorringen und Nabe sich auf das Halten und Drehen der Rotorringe beschränken oder wird als aktives, Hub- oder Vorschub-erzeugendes Element Teil der Funktion, was noch kleinere Durchmesser der Rotorscheibe ermöglicht und den zusätzlichen Materialeinsatz überkompensiert.
Durch die weiter außen liegenden Massen wird die Trägheit der Rotorscheibe gegenüber der Massenverteilung eines klassischen Rotors gleichen Durchmessers erhöht. Dies kann zur Stabilisierung und Erhöhung der Laufruhe der Konstruktion verwendet werden.
Für die effektive Flügelfläche der Rotorscheibe sind andererseits Durchmesser, Anzahl der Flügelabschnitte und ihre Größe pro Rotorkreis sowie die Anzahl der Rotorkreise entscheidend. Da die einzelnen Flügelflächen weitestgehend frei gestaltet werden können und größere Flügelabschnitts-Breiten gegenüber klassischen Rotorblättern ermöglichen, kann über die geeignete Wahl der Parameter ein geringerer Durchmesser der Rotorscheibe erzielt und damit eine Drehmoment-minimierte Konstruktion gestaltet werden.
Klassische Konstruktionen bei Hubschraubern zum Kippen des gesamten Rotors, z.B. um die Kraftentwicklung zwischen Hub und Vorschub für verschiedene Flugsituationen optimiert zu verteilen, können ebenfalls auf die Rotorscheibe angewendet werden. Die Konstruktion zur Änderung der Anstellwinkel der Rotorblätter kann aber z.B. durch eine Rotorring-Spreizkonstruktion mit Rotorring-Spreiz-Welle deutlich vereinfacht und Materialermüdung sowie die Konstruktionskomplexität verringert werden.
Eine der Rotorring-Spreiz-Konstruktion vergleichbare Konstruktion an den Rotorringen kann ebenfalls an der Nabe in Zusammenspiel z.B. mit einer Taumelscheibe, wie bei klassischen Hubschraubern, genutzt werden, um die Rotorring-Spreiz-Welle zu drehen, damit diese die Rotorring-Spreiz-Konstruktion dazu bewegt, die beiden Ringe der Doppelringe zu bewegen und hierüber die Anstellwinkel der Flügelabschnitte zu verändern.
Figurenliste
Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungen der hier vorgestellten Rotorscheiben-Konstruktion und ihrer Elemente:

Bild 1 Übersichtsbild über ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes
Bild 2 einfaches Beispiel einer Rotorscheibe mit einem einzelnen Rotorring und passiven Stützstrukturen zur stabilen Verbindung der Rotorkreise mit der Nabe in der perspektivischen Ansicht
Bild 3 wie Bild 2 in der Aufsicht
Bild 4 wie Bild 2 in der Seitenansicht
Bild 5 Beispiel einer Rotorring-Spreiz-Konstruktion in der Seitenansicht von der Nabe aus gesehen
Bild 6 wie Bild 5 von außen gesehen mit geschlossenem Spalt zwischen den Ringstrukturen
Bild 7 wie Bild 6 mit gespreizten Spalt zwischen den Ringstrukturen
Bild 8 Beispiel einer Rotorscheibe mit einem einzelnen Rotorring und aktiven Stütz-Strukturen als Hub- oder Vorschub-erzeugende Elemente in der perspektivischen Ansicht
Bild 9 wie Bild 8 in der Aufsicht
Bild 10 wie Bild 8 in der Seitenansicht
Bild 11 Beispiel der Rotorscheibe mit zwei Rotorringen und passiver Stützstruktur in der perspektivischen Ansicht
Bild 12 wie Bild 11 in der Aufsicht
Bild 13 wie Bild 11 in der Seitenansicht
Bild 14 Beispiel einer Rotorscheibe mit zwei Rotorringen und aktiven Stütz-Strukturen als Hub- oder Vorschub-erzeugende Elemente in der perspektivischen Ansicht
Bild 15 wie Bild 14 in der Aufsicht
Bild 16 wie Bild 14 in der Seitenansicht

Für die Elemente der Zeichnungen wird ein einheitliches Benennungsformat verwendet, das auf allen Bildern wie folgt genutzt wird, wobei „X“ für die jeweilige Bildnummer steht:

X.1	Nabe
X.2	Stützstruktur als passives Element
X.3	Stützstruktur als aktiv Hub erzeugendes Element
X.4	Rotorring-Spreiz-Welle
X.5	Rotorring-Spreiz-Konstruktion
X.6	Rotorring-Spreiz-Exzenter
X.7	Rotorring-Spreiz-Lager
X.8	Ringstruktur
X.9	Flügelabschnitt
X.10	Rotorring

Nicht alle Elemente des Benennungsformates finden sich in allen Bildern wieder, abhängig von den dort tatsächlich verwendeten Strukturen und Funktionen.
Bild 1 zeigt zum besseren Verständnis der weiteren Zeichnungen ein Beispiel einer Rotorscheibe mit zwei Rotorkreisen und einer aktiven Stütz-Struktur ohne Detailbeschreibungen und entspricht damit der Konstruktion aus den Bildern 14, 15 und 16, wo die einzelnen Elemente detailliert beschrieben werden. Erkennbar ist hierbei, dass die Flügelabschnitte optional als Hohlformen ausgebildet sind, um Material und damit Gewicht einzusparen, bzw. Drehmomente zu minimieren.
Bild 2 zeigt einen einfache Beispielsaufbau mit einem Rotorkreis und einer passiver Stützstruktur in der perspektivischen Ansicht. 2.1 ist die stilisierte Nabe, an der ein Motor für den Antrieb ansetzen sowie Taumelscheiben und andere mechanische Funktionen realisiert werden können, die zur besseren Übersicht hier (und in den weiteren Zeichnungen) nicht gezeigt werden und in technischen Beschreibungen klassischer Hubschrauberkonstruktionen nachgesehen werden können. 2.2 zeigt die passive Stützstruktur, die lediglich mechanische Kräfte zwischen Nabe (2.1) und Rotorring (2.10) überträgt, aber selbst nicht zum Hub oder Vorschub beiträgt.
In den gewählten Beispielen werden jeweils 4 Verstrebungen als Stütz-Struktur verwendet, aber selbstverständlich sind mehr oder weniger Verstrebungen wählbar. 2.4 zeigt die Rotor-Spreiz-Welle, die von der Nabe ausgehend zur Verstellung der Aufstellwinkel der Flügelabschnitte (2.9) z.B. über eine Rotorring-Spreiz-Konstruktion (2.5) an den Ringstrukturen (2.8) dient.
Die Rotorring-Spreiz-Welle kann durch insbesondere in der Nabe angebrachte Mechaniken derart gestaltet werden, dass sie sich radial bewegen lässt (um eine Länge ΔX) und damit Kraft auf den Teil des Rotorringes ausübt, an dem sie endet. Hierdurch kann dort der Durchmesser und damit das Drehmoment dieses Abschnittes beeinflusst werden. Auf diese Weise lassen sich Unwuchten, Vibrationen und von außen wirkende Kräfte wie Seitenwinde und Böen aktiv und dynamisch ausgleichen. In diesem Fall muss die Stütz-Struktur (passiv oder aktiv) die radiale Bewegung um ΔX entsprechend ausgleichen können (z.B. durch eine flexible Rotorenden-Mechanik).
Die Ringstrukturen sind in allen Beispiel als innenliegende und außenliegende Doppelringe ausgelegt. Zwischen den innenliegenden und außenliegenden Doppelringen sind die Flügelabschnitte über Lager (siehe Bild 5) beweglich aufgehängt, so dass ihr Anstellwinkel über die Rotorring-Spreiz-Konstruktion verändert werden kann. Sowohl die inneren als auch die äußeren Ringe sind jeweils als zwei übereinanderliegende Ringe ausgestaltet, die durch die Rotorring-Spreiz-Konstruktion auseinander- oder zusammengedrückt werden können und damit die Anstellwinkel der Flügelabschnitte beeinflussen.
Die Kraftentwicklung senkrecht zur Rotorscheiben-Achse hängt entscheidend von dem erzeugten Hub oder Vorschub ab und führt im Allgemeinen daher zu einer Anhebung der Randbereiche der oder des äußeren Rotorringes. Bei einer praktischen Konstruktion könnte daher die Rotorscheibe so gewölbt sein, dass die Äußeren Bereiche tiefer liegen als die Nabe (konvexe Form). Dies bietet sich insbesondere an, wenn die Konstruktion möglichst leicht gebaut werden soll und daher eine innewohnende Flexibilität benötigt oder bedingt. Während des Betriebes der Rotorscheibe richten sich diese äußeren Bereiche dann durch den erzeugten Hub senkrecht zur Rotorscheibe auf und erreichen eine flache oder sogar nach oben gewölbte Form, welche die nach unten vorgewölbte Struktur aufrichtet.
Bild 3 zeigt die Rotorscheibe mit einfachem Rotorring und passiver Stützstruktur von oben. Die Bezeichnungen entsprechen, wie in allen Zeichnungen, dem oben angegebenem Begriffsschema und werden wie in Bild 2 verwendet.
Bild 4 zeigt eine Seitenansicht der Rotorscheibe mit einfachem Rotorring und passiver Stützstruktur in der Seitenansicht. Die Rotorring-Spreizkonstruktion (4.5), die Rotorring-Spreizwelle (4.4) sowie die passive Stütz-Struktur (4.2) werden von den Flügelabschnitten größtenteils verdeckt und sind daher klarer aus den anderen Zeichnungen Bild 2 und Bild 3 zu entnehmen.
Bild 5 zeigt eine mögliche Realisierung der Rotorring-Spreizkonstruktion von der Nabe aus gesehen. 5.8 zeigt schematisch den oberen und unteren Ring eines Doppelringes der Ringstruktur. Dazwischen befindet sich eine Exzenter-Scheibe (5.6), die über die Rotorring-Spreiz-Welle (5.4) gedreht werden kann und dadurch über die Rotorring-Spreiz-Lager (5.7) die Rotorringe auseinanderdrückt oder wieder zurückbewegt. Als Folge würden auch die Flügelabschnitte, die ebenfalls über Lager an den Rotorringen aufgehängt sind, weiter oder geringer aufgestellt und damit ihr Anstellwinkel verändert.
Bild 6 zeigt eine mögliche Realisierung der Rotorring-Spreizkonstruktion von außen gesehen, so dass die Flügelstellungsänderung (Anstellwinkel) erkennbar ist. Die Ringe des Doppelringes (6.8) haben den Abstand D₁ und der Anstellwinkel der Flügelabschnitte (6.9, hier nur einer gezeigt) sind gering. Die Flügelabschnitte sind über Rotorring-Spreiz-Lager (6.7) mit den Ringen des Doppelringes beweglich verbunden, behalten durch den eingestellten Abstand der Ringe des Doppelringes ihre Position und ihr Anstellwinkel ist vom Abstand zwischen den Ringen des Doppelringes abhängig.
Bild 7 zeigt eine mögliche Realisierung der Rotorring-Spreizkonstruktion von außen gesehen mit vergrößertem Spalt D₂ zwischen den Ringen des Doppelringes (7.8). Der vergrößerte Spaltabstand wird in dem angegebenen Beispiel durch eine Drehung der Rotorring-Spreiz-Welle erzeugt, die über die Exzenter-Scheibe (siehe Bild 5) beide Ringe auseinander- oder wieder näher aneinanderrückt. Durch die bewegliche Halterung über die Rotorring-Spreiz-Lager (7.7) folgen die Flügelabschnitte (7.9) der Abstandsänderung und stellen sich weiter auf oder drehen sich wieder zurück. In der Zeichnung wird durch den größeren Spaltabstand D₂ gegenüber D₁ aus Bild 6 der gezeigte Flügelabschnitt steiler aufgestellt.
Bild 8 zeigt ein Beispiel für einen einfachen Rotorring mit aktiver Stütz-Struktur (8.3) in der perspektivischen Ansicht. Die aktive Stützstruktur ist als propellerartige Form ausgestaltet, könnte aber auch das Profil eines Hubschrauber-Rotorblattes haben und verbindet die Nabe (8.1) mit der innersten Ringstruktur (8.5) sowohl als mechanische Befestigung als auch als aktiv Hub oder Vorschub erzeugendes Element. Da der Durchmesser der aktive Stütz-Struktur wesentlich kleiner ausfallen kann als bei klassischen Rotoren, kann ein größerer Querschnitt des Profils der aktiven Stütz-Struktur gewählt und damit mehr Hub oder Vorschub pro Radiusentfernung erzeugt werden, da die Drehgeschwindigkeit der Außenbereiche der aktiven Stütz-Struktur entsprechend kleiner und damit weiter entfernt von kritischen Geschwindigkeitsbereichen ist sowie weniger zum Gesamtdrehmoment beiträgt. Die Rotorring-Spreiz-Welle (8.4) tritt bei dieser Beispielsrealisierung der Rotorscheibe am Ende der aktiven Stütz-Struktur durch diese und wird ansonsten hauptsächlich unter der Stütz-Struktur geführt. Damit erhöht sich die wirksam Hub oder Vorschub erzeugende Fläche von den Flächenabschnitten (8.9) um die der aktiven Stütz-Struktur. Auch hier endet die Rotorring-Spreizwelle an der Rotorring-Spreiz-Konstruktion (8.5), die in Bild 5, 6 und 7 näher erläutert wird.
Bild 9 zeigt das Beispiel eines einfachen Rotorringes mit aktiver Stütz-Struktur in der Aufsicht bei gleichem Benennungsschema.
Bild 10 zeigt das Beispiel eines einfachen Rotorringes mit aktiver Stütz-Struktur in der Seitenansicht bei gleichem Benennungsschema.
Bild 11 zeigt ein Beispiel für einen doppelten Rotorring mit passiver Stütz-Struktur in der perspektivischen Ansicht. Die beiden Rotorringe (11.10) liegen hierbei außen und haben dem jeweiligen Radius angepasste Ausformungen der Flügelabschnitte (10.9) bei gleicher Anzahl an Flügelabschnitten pro Rotorkreis. Die Anzahl sowie die Profile und Flächen der Flügelabschnitte können sowohl innerhalb eines Rotorkreises als auch in unterschiedlichen Rotorringen variieren, um u.a. optimalen Hub oder Vorschub bei bestimmten Drehzahlen zu erzeugen, eine Optimierung der trägen Massen zu erzielen oder auf die Geometrie des Fluggerätes und den aerodynamischen Bedingungen nahe des Chassis angepasst zu werden. Vergleichbar lassen sich weitere Rotorringe hinzufügen, um zusätzlichen Hub oder Vorschub zu erzeugen, wobei die jeweils weiter innen liegenden Rotorringe entweder weniger zur Kraftentwicklung beitragen oder mehr und/oder größere Flügelabschnitte benötigen, um die geringere Drehgeschwindigkeit zu kompensieren.
Bild 12 zeigt den doppelten Rotorring mit passiver Stütz-Struktur in der Aufsicht bei gleichem Benennungsschema.
Bild 13 zeigt den doppelten Rotorring mit passiver Stütz-Struktur in der Seitenansicht bei gleichem Benennungsschema.
Bild 14 zeigt ein Beispiel für einen doppelten Rotorring (14.10) mit aktiver Stütz-Struktur (14.3). Wie in Bild 8 zieht die Rotorring-Spreiz-Welle (14.4) von der Nabe (14.1) zum inneren Rotorring und hält diesen in seiner Position, wobei in dieser Beispielskonstruktion die Welle hauptsächlich unterhalb der aktiven Stütz-Struktur verläuft und zum äußeren Ende hin durch die aktive Stütz-Struktur durchtritt, um die Rotorring-Spreiz-Konstruktion (14.5) zu drehen, um über die Aufstellung und Veränderung der Abstände zwischen den Ringstrukturen (14.10) der übereinanderliegenden, inneren Rotorringe die Anstellwinkel der Flügelabschnitte (14.9) zu verändern.
Bild 15 zeigt den doppelten Rotorring mit aktiver Stütz-Struktur in der Aufsicht bei gleichem Benennungsschema.
Bild 16 zeigt den doppelten Rotorring mit aktiver Stütz-Struktur in der Seitenansicht bei gleichem Benennungsschema.
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

US 3695780 [0004]
DE 3528672 [0005]
EP 1502852 [0006]
US 20060060693 [0007]
DE 102015010239 [0008]

Claims

Rotorscheibe zur Fortbewegung von Fahrzeugen in flüssigen oder gasförmigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Flügelabschnitte auf einem außen liegenden Kreis so zu einem Rotorkreis angeordnet sind, dass sie Hub und/oder Vorschub erzeugen. Die Flügelabschnitte sind dabei so geformt und ausgerichtet, dass die Luft durch die Rotation der Rotorscheibe auftriebs- und/oder vortriebserzeugend an den Profilen der Flügelabschnitte entlangströmt. Die einzelnen Flügelabschnitte werden durch eine oder mehrere Doppelringe aus übereinanderliegenden Ringen an ihrem Platz gehalten, und sind derart an diesen Doppelringen angebracht, dass eine Veränderung der Lage der Ringe der Doppelringe, bzw. ihres Abstandes zueinander, insbesondere eine Vergrößerung des Spaltes zwischen ihnen, zu einer Veränderung der Anstellwinkel der Flügelabschnitte führt. Eine Stützstruktur, z.B. aus radialen Verstrebungen, verbindet den oder die Rotorkreise und Doppelringe mit der zentralen Nabe im Drehpunkt, wo ggf. die Kraft eines Motors zur Erzeugung einer Drehbewegung ansetzt.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorring-Spreiz-Konstruktion mittels einer oder mehrerer, von der Nabe ausgehenden Rotorringe-Spreiz-Wellen, z.B. durch die Drehung einer Exzenter-Scheibe oder durch Aktuatoren in oder an den Rotorringen den Spalt zwischen den übereinanderliegenden Ringen eines Doppelringes und so die Anstellwinkel der Flügelabschnitte verändert.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Rotorring-Spreiz-Konstruktion aus Anspruch 2 vergleichbare Konstruktion an der Nabe verwendet wird, um dort eine Drehung der Rotorring-Spreizwelle zu erzielen und damit über die Rotorring-Spreiz-Konstruktion an den Rotorringen die Anstellwinkel der Flügelabschnitte zu verändern. Hierfür können u.a. Taumelscheiben-Konstruktionen verwendet werden, wie sie bei klassischen Hubschrauberkonstruktionen zum Einsatz kommen.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorring-Spreiz-Welle oder -Wellen aktiv auf den Radius des an ihr befestigten Rotorringabschnittes wirken, um. z.B. ein dynamisches Auswuchten oder eine Schwingungskompensation zu erzielen.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellwinkel der Flügelabschnitte so weit gedreht werden können, dass sich die Richtung des Hubes oder Vortriebes umkehrt und die Profile der Flügelabschnitte in beiden, entgegengesetzten Richtungen für Hub oder Vortrieb sorgen können. Hierdurch kann eine umgekehrte Hub- und/oder Vortriebs-Kraft erzeugt werden, um u.a. rückwärts manövrieren oder abbremsen zu können.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorkreise neben-, über- und/oder ineinander mit gegebenenfalls unterschiedlichen Radien angebracht sind, z.B. indem die von der Rotorscheibe insgesamt überstrichene Fläche mehr oder weniger vollständig durch Rotorkreise ggf. verschiedener Durchmesser ausgefüllt wird. Desweiteren sind beliebige Abfolgen von Stütz-Strukturen zwischen Nabe und Rotorringen oder zwischen Rotorringen und Rotorringen abgedeckt.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelprofile verschiedener Rotorkreise unterschiedlich gestaltet werden und ihre Anstellwinkel einzeln oder in einem gesamten Rotorkreis durch eigene Mechaniken verändert werden können.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz-Struktur im Inneren der Rotorkreise als aktive, Hub- und/oder Vorschuberzeugende Elemente mit einem eigenen Flügelprofil ausgestaltet werden, vergleichbar einer Kombination aus klassischen Rotoren und einem oder mehreren Rotorkreisen.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorscheiben und/oder Rotorkreise mit gegenläufigen Rotationsrichtungen übereinander, ineinander oder an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs angebracht werden, z.B. um eine größere, aktive Flügelfläche zu erzielen oder Drehmomente einzelner Rotorkreise auszugleichen.
Rotorscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt eines Motors und dadurch aktiven Drehbewegung ein strömendes Medium passiv als Antrieb genutzt wird, um u.a. damit wie mit einer Windkraftanlage Energie zu gewinnen oder mechanische Energie für z.B. eine Mühle bereitzustellen.