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Die Erfindung bezieht sich auf einen Flugschrauber mit einem um eine etwa vertikale Rotorachse umlaufenden Hauptrotor, einem dem Hauptrotor um die Rotorachse antreibenden Rotorantrieb und einem Schub in horizontaler Richtung erzeugenden und eine Brennkraftmaschine umfassenden Triebwerk.
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Bei Flugschraubern handelt es sich um Hochgeschwindigkeitshubschrauber in Verbundhubschrauberkonfiguration, die durch ihre Bauart dazu in der Lage sind, die Flugenveloppe konventioneller Hubschrauber zu höheren Fluggeschwindigkeiten zu erweitern. Das wesentliche Merkmal der Verbundhubschrauberkonfiguration ist die Reduktion der Drehzahl des Hauptrotors ab Überschreiten einer Grenzgeschwindigkeit bis hin zur maximalen Fluggeschwindigkeit, die unter Verwendung eines zusätzlichen Triebwerks als Schuberzeuger erreicht wird. Die lokalen Anströmgeschwindigkeiten an den vorlaufenden Rotorblättern des Hauptrotors sind die Summe aus der Drehzahl des Hauptrotors mal dem Umfang des Hauptrotors und der Fluggeschwindigkeit des Flugschraubers. Damit treten im schnellen Vorwärtsflug unweigerlich Kompressibilitätseffekte auf. Das Ziel der Reduzierung der Drehzahl des Hauptrotors ist es, die Machzahl an der Spitze der vorlaufenden Rotorblätter des Hauptrotors im sehr schnellen Flug auf einem konstanten Wert zu halten. Mit der Reduktion der Drehzahl des Hauptrotors ab der Grenzgeschwindigkeit ist eine Reduktion des mit dem Hauptrotor erzeugten Schubs verbunden. Der für einen getrimmten Flugzustand erforderliche zusätzliche Schub wird durch das zusätzliche Triebwerk, vielfach ein Triebwerk mit einem um eine horizontale Drehachse umlaufenden Propeller, erzeugt.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind Flugschrauber, wie der Sikorsky X2, bekannt, die nur eine Wellenturbine aufweisen, welche zugleich Teil des Rotorantriebs und des Triebwerks zur Erzeugung zusätzlichen Schubs in horizontaler Richtung ist. Bei solchen Flugschraubern ist die Drehzahl des Hauptrotors starr an die Drehzahl eines Propellers des Triebwerks gekoppelt. Mit der Reduktion der Drehzahl des Hauptrotors ab dem Überschreiten der Grenzfluggeschwindigkeit wird folglich auch die Drehzahl des Propellers reduziert. Zugleich wird aufgrund des mit größerer Fluggeschwindigkeit größer werdenden aerodynamischen Widerstands die geforderte Leistung, welche durch das Triebwerk bereitgestellt werden muss, größer. Indem diese größere Leistung bei reduzierter Drehzahl des Triebwerks bereitgestellt werden muss, ergibt sich ein ungünstiger Betriebspunkt mit schlechtem Wirkungsgrad und hohem Treibstoffverbrauch.
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Bei anderen Flugschraubern sind der Rotorantrieb für den Hauptrotor und das zusätzlichen Schub in horizontaler Richtung erzeugende Triebwerk getrennt. So sind bei dem Sikorsky S-69/XH-59 eine Wellenturbine für den Rotorantrieb und zwei Strahlturbinen als zusätzliche Triebwerke vorgesehen. Beim VFW H-3 ist ein kalter Blattspitzenantrieb für den Hauptrotor mit zwei Mantelpropellern kombiniert, die von einer Wellenturbine angetrieben werden. Bei zwei getrennten Antrieben für den Hauptrotor und das zusätzlich noch horizontalen Schub erzeugende Triebwerk erweist es sich nachteilig, dass die beiden Antriebe ihre höchste Leistung in unterschiedlichen Flugzuständen abgeben. Die durch beide Antriebe zur Verfügung stehende Gesamtleistung wird also niemals abgefordert. Hieraus resultiert ein ungünstiges effektives Leistungsgewicht.
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Aus der
US 2009/0145998 A1 ist ein Hubschrauber mit einem hybriden Antriebssystem für seinen Hauptrotor bekannt. Das Antriebssystem umfasst eine Gasturbine, einen an die Gasturbine ankoppelbaren elektrischen Generator, eine Batterie und einen elektrischen Motor, der wahlweise an den elektrischen Generator und die Batterie anschließbar ist. Die Gasturbine kann den Hauptrotor des bekannten Hubschraubers auch direkt antreiben.
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Aus der
DE 10 2010 021 025 A1 ist ein Hubschrauber mit einem Hybridantrieb bekannt, der einen Verbrennungsmotor zum Antreiben eines elektrischen Generators aufweist. Der elektrische Generator erzeugt elektrische Energie zur Versorgung eines Elektromotors für den Antrieb eines Hauptrotors des Hubschraubers. Weiterhin ist eine Batterie zum Zwischenspeichern der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie an Bord des Hubschraubers vorgesehen. Ein weiterer Elektromotor, der mit der elektrischen Energie von dem elektrischen Generator versorgt wird, ist zum direkten Antreiben eines Heckrotors des Hubschraubers vorgesehen. Für diesen bekannten Hubschrauber ist der Wirkungsgrad durch die Umwandlung der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung, die dann in den Elektromotoren wieder in mechanische Leistung umgesetzt wird, begrenzt. Damit ergibt sich auch ein ungünstiges Leistungsgewicht, d. h. relativ viel Gewicht pro verfügbarer Leistung.
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Aus der
DE 10 2008 057 715 A1 ist ein Hubschrauber mit einem mehrblättrigen Heckrotor mit festem Blattanstellwinkel bekannt. Für den Heckrotor sind redundante Antriebseinheiten vorgesehen, die mittels einer elektrischen Leistungsquelle angetrieben sind. Die Leistungsquelle umfasst einen elektrischen Generator, der unmittelbar von einem den Hauptrotor antreibenden Hauptantrieb des Hubschraubers versorgt wird.
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Bereits aus der 2,378,617 A ist ein Hubschrauber mit einem Hauptrotor, der direkt durch eine Brennkraftmaschine angetrieben wird, und einem elektrisch angetriebenen Heckrotor bekannt. Ein Elektromotor des Heckrotors wird durch einen elektrischen Generator mit elektrischer Energie versorgt, der an die Brennkraftmaschine angekoppelt ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flugschrauber aufzuzeigen, der bei hohen Fluggeschwindigkeiten einen reduzierten Treibstoffverbrauch und ein geringes Leistungsgewicht aufweist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Flugschrauber mit einem um eine vertikale Rotorachse umlaufenden Hauptrotor, einem den Hauptrotor um die Rotorachse antreibenden Rotorantrieb und einem Schub in horizontaler Richtung erzeugenden und eine Brennkraftmaschine umfassenden Triebwerk weist der Rotorantrieb einen Elektromotor auf und ist ein an Bord des Hubschraubers angeordneter elektrischer Generator an die Brennkraftmaschine angekoppelt oder ankuppelbar, um elektrische Energie zur Versorgung des Elektromotors zu erzeugen. Anders gesagt dient die Brennkraftmaschine zur direkten Schuberzeugung insbesondere bei hohen Fluggeschwindigkeiten. Entsprechend kann sie speziell für diese hohen Fluggeschwindigkeiten ausgelegt werden und bei diesen hohen Fluggeschwindigkeiten einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die Absenkung der Drehzahl des Hauptrotors bei hohen Fluggeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Flugschraubers über einer Grenzgeschwindigkeit bleibt dabei ohne negative Auswirkung auf die Brennkraftmaschine und deren Auslegung. Im Gegenteil steht bei Absenkung der Drehzahl des Hauptrotors und entsprechender geringerer Leistungsaufnahme des Rotorantriebs für den Hauptrotor mehr der von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Gesamtleistung als mechanische Leistung für das Triebwerk zur Verfügung. Umgekehrt ist bei geringeren Fluggeschwindigkeiten das Triebwerk mechanisch weniger beansprucht und kann einen größeren Teil seiner Gesamtleistung über den elektrischen Generator dem Elektromotor des Rotorantriebs für den Hauptrotor zur Verfügung stellen. Der dabei gegenüber einem direkten mechanischen Antrieb des Hauptrotors möglicherweise etwas reduzierte Wirkungsgrad tritt bei einem Flugschrauber zum einen nur über relativ kurze Zeiträume auf, und er betrifft auch nicht die maximale Gesamtleistung, für die die Brennkraftmaschine zum Erreichen hoher Fluggeschwindigkeiten des Flugschraubers auszulegen ist.
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Der erfindungsgemäße Flugschrauber kann eine Pufferbatterie zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie für die Versorgung des Elektromotors aufweisen. Diese elektrische Batterie kann von ihrer Kapazität klein gehalten werden, weil elektrische Leistung aus der Pufferbatterie grundsätzlich nur zum Abfedern von plötzlichen Leistungsschwankungen bei Manövern im langsamen Flug, bei Ausfall der Brennkraftmaschine oder dann benötigt wird, wenn der erfindungsgemäße Flugschrauber geflogen werden soll, ohne dass seine Brennkraftmaschine aktiviert ist. Je geringer die Kapazität und damit das Gewicht der Pufferbatterie ausfällt, desto weniger erhöht sie das Leistungsgewicht des erfindungsgemäßen Flugschraubers.
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Konkret kann das Triebwerk des erfindungsgemäßen Flugschraubers, mit dem Schub in horizontaler Richtung erzeugt wird, so ausgeführt sein, dass die Brennkraftmaschine des Triebwerks einen Propeller um eine horizontale Propellerachse antreibt. Dieser Propeller kann insbesondere am hinteren Ende eines Heckauslegers des erfindungsgemäßen Hubschraubers angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine des Triebwerks ist jedoch auch dann regelmäßig in einer Hauptzelle des Flugschraubers angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine des Triebwerks kann eine Wellenleistungsmaschine, insbesondere eine Wellenturbine sein, auf deren Welle der Propeller des Triebwerks drehfest angeordnet sein kann.
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Ein Heckrotor des erfindungsgemäßen Flugschraubers kann verstellbare Rotorblätter aufweisen und über ein Verzweigungsgetriebe an die Brennkraftmaschine des Triebwerks angekoppelt sein. Für den Heckrotor des Hubschraubers kann aber auch ein weiterer Elektromotor als Antrieb vorgesehen sein, der von dem elektrischen Generator mit elektrischer Energie versorgt wird. Dann kann der Querschub des Heckrotors außer durch Verstellen der Rotorblätter des Heckrotors auch durch Verändern der Drehzahl des Heckrotors variabel eingestellt werden.
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Der Rotorantrieb des erfindungsgemäßen Flugschraubers kann ein Untersetzungsgetriebe zum Untersetzen einer Drehzahl seines Elektromotors aufweisen. Grundsätzlich kann aber auch ein langsam laufender Elektromotor zum direkten Antrieb des Hauptrotors verwendet werden, um das Gewicht eines zusätzliche Getriebes einzusparen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, entweder einen sehr leistungsstarken oder mehrere gekoppelte schwächere Elektromotoren einzusetzen, je nach niedrigerem Leistungsgewicht, einfacherer Kühlung und/oder höherer Ausfallsicherheit des Rotorantriebs.
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Festzuhalten ist, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Flugschrauber um keinen Tragschrauber handelt, sondern um einen Flugschrauber mit angetriebenem Hauptrotor und einer Einrichtung zur zyklischen Verstellung von Anstellwinkeln von Rotorblättern des Hauptrotors bei deren Umlauf um die vertikale Rotorachse. So kann auch mit dem Hauptrotor Schub in horizontaler Richtung erzeugt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
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Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Propeller die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Propeller, zwei Propeller oder mehr Propeller vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Flugschrauber in einer schematischen Seitenansicht und
- 2 ist ein Blockdiagramm zum Energiefluss in dem Flugschrauber gemäß 1.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 schematisch dargestellte Flugschrauber 1 weist einen Hauptrotor 2 auf, der von einem Rotorantrieb 5 um eine für den Vorwärtsflug des Flugschraubers 1 leicht gegenüber der Vertikalen 3 nach vorne gekippte, aber selbst im Wesentlichen vertikale Rotorachse 4 angetrieben ist. Der Rotorantrieb 5 umfasst einen Elektromotor 6. Dieser kann mit einem Untersetzungsgetriebe kombiniert sein oder ein langsam laufender Elektromotor sein. Zur Versorgung des Elektromotors 5 mit elektrischer Energie wird ein elektrischer Generator 7 von einer Brennkraftmaschine 8 angetrieben. Außerdem ist eine Pufferbatterie 9 für elektrische Energie von dem elektrischen Generator 7 vorhanden, aus der der Elektromotor 6 auch bei stillstehenden Generator 7 für begrenzte Zeit versorgt werden kann. Die Brennkraftmaschine 8 ist Teil eines Triebwerks 27 des Flugschraubers 1, mit dem zusätzlich zu dem geneigten Hauptrotor 2 Schub in horizontaler Richtung erzeugt wird, um hohe Fluggeschwindigkeiten zu erreichen. Die Brennkraftmaschine 8 ist als Wellenturbine 10 ausgebildet, die direkt einen um eine horizontale und in Flugrichtung des Flugschraubers 1 ausgerichtete Propellerachse 11 umlaufenden Propeller 12 am hinteren Ende eines Heckauslegers 13 des Flugschraubers 1 antreibt. Ein ebenfalls am Heckausleger 13 angeordneten Heckrotor 14 des Flugschraubers 1 wird von einem weiteren Elektromotor 15 angetrieben, der ebenfalls von dem Generator 7 bzw. aus der Pufferbatterie 9 mit elektrischer Energie versorgt wird. Eine Flugsteuerung 16 des Flugschraubers 1 steuert die Drehzahlen des Hauptrotors 2 und des Heckrotors 14 sowie des Propellers 12 in Abstimmung mit dem jeweiligen Flugzustand des Flugschraubers 1. Weiterhin steuert die Flugsteuerung 16 eine hier nicht im Detail dargestellte Einrichtung zur zyklischen Verstellung von Anstellwinkeln von Rotorblättern 26 des Hauptrotors 2, beispielsweise mit Hilfe einer Taumelscheibe, an.
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2 illustriert die Energieflüsse in dem Flugschrauber 1 gemäß 1. Als Primärenergie 17 kommt Treibstoff 18 zum Einsatz. Bei einer Energieumwandlung 19 wird der Treibstoff 18 in der Brennkraftmaschine 8 zum einen in mechanische Energie umgesetzt, die ihre Wirkung 20 über den Propeller 12 entfacht. Ein weiterer Teil der mechanischen Energie treibt den Generator 7 an. Die elektrische Energie des Generators 7 treibt über eine die Pufferbatterie 9 umfassende Leistungselektronik 21 den Elektromotor 6 und den weiteren Elektromotor 15 an. Seine Wirkung 20 entfacht der Elektromotor 6 über den Hauptrotor 2 und der weitere Elektromotor 15 über den Heckrotor 14. Zwischen die Energieumwandlung 19 und die Wirkung 20 kann eine Übersetzung 22 geschaltet sein. Diese Übersetzung 22 kann ein Getriebe 23 zwischen dem Wellentriebwerk 10 und dem Propeller 12 umfassen. Das Getriebe 23 kann im Wesentlichen als Verzweigungsgetriebe 24 ausgebildet sein, um den Heckrotor 14 statt über den weiteren Elektromotor 15 mit mechanischer Energie zu versorgen. Weiterhin kann die Übersetzung 22 das bereits im Zusammenhang mit 1 angesprochene Untersetzungsgetriebe 25 zur Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors 6 beim Antrieb des Hauptrotors 2 umfassen.
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Der erfindungsgemäße Flugschrauber 1 ist energetisch für hohe Fluggeschwindigkeiten optimiert, bei denen der größte Anteil der Leistung über den Propeller 12 übertragen wird. Dieser wird mit maximalem Wirkungsgrad über die Brennkraftmaschine 8, d. h. hier die Wellenturbine 10 angetrieben. Bei diesen hohen Fluggeschwindigkeiten des Flugschraubers 1 wird die Drehzahl des Hauptrotors 2 reduziert, um die Geschwindigkeit der Anströmung seiner vorlaufenden Rotorblätter 26 zu begrenzen. Entsprechend ist der Anteil der Leistung, der bei hohen Fluggeschwindigkeiten zum Antreiben des Hauptrotors 2 verwendet wird, reduziert. Daher ist der Umweg bei der Energieversorgung des Hauptrotors 2 über den Generator 7 und den Elektromotor 6 für den Gesamtenergieverbrauch des Flugschraubers 1 von untergeordneter Bedeutung. Als vorteilhaft erweist sich vielmehr, dass die Drehzahl des Hauptrotors 2 unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 8 abgesenkt werden kann und so die Brennkraftmaschine 8 unabhängig von der Drehzahl des Hauptrotors 2 in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann. Bei geringer Fluggeschwindigkeit entfällt zwar ein größerer Anteil der Leistung auf den Hauptrotor 2. Dann ist aber die gesamte Leistung des Flugschraubers 1 sehr viel kleiner als bei hohen Fluggeschwindigkeiten, so dass auch hier der Umweg bei der Energieversorgung des Hauptrotors 2 über den Generator 7 und den Elektromotor 6 in Bezug auf die Gesamtenergiebilanz des Flugschraubers 1 von untergeordneter Bedeutung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugschrauber
- 2
- Hauptrotor
- 3
- Vertikale
- 4
- Rotorachse
- 5
- Rotorantrieb
- 6
- Elektromotor
- 7
- Generator
- 8
- Brennkraftmaschine
- 9
- Pufferbatterie
- 10
- Wellenturbine
- 11
- Propellerachse
- 12
- Propeller
- 13
- Heckausleger
- 14
- Heckrotor
- 15
- weiterer Elektromotor
- 16
- Flugsteuerung
- 17
- Primärenergie
- 18
- Treibstoff
- 19
- Energieumwandlung
- 20
- Wirkung
- 21
- Leistungselektronik
- 22
- Übersetzung
- 23
- Getriebe
- 24
- Verzweigungsgetriebe
- 25
- Untersetzungsgetriebe
- 26
- Rotorblatt
- 27
- Triebwerk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0145998 A1 [0005]
- DE 102010021025 A1 [0006]
- DE 102008057715 A1 [0007]
