DE102020129939A1

DE102020129939A1 - Doppeltonpropeller

Info

Publication number: DE102020129939A1
Application number: DE102020129939.7A
Authority: DE
Inventors: Sébastien Vermeiren; Xabier Ochoa; Deepesh Singh
Original assignee: Lilium GmbH
Current assignee: Lilium GmbH
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: DE102020129939B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Propeller, das dazu ausgebildet ist, Schub für einen Fahrzeugantrieb zu erzeugen, wobei der Propeller in einem inneren Bereich einer Rotorfläche mehrere um eine Rotationsachse des Propellers angeordnete erste Rotorblätter aufweist, die ersten Rotorblätter mit einer zentralen Nabe auf der Rotationsachse verbunden sind, und um die Rotationsachse des Propellers rotierbar sind, und der Propeller in einem äußeren Bereich der Rotorfläche mehrere um die Rotationsachse des Propellers angeordnete zweite Rotorblätter aufweist, wobei die Rotorfläche eine maximale Fläche beschreibt, die von den ersten und zweiten rotierenden Rotorblättern des Propellers überstrichen wird, die zweiten Rotorblätter mit den ersten Rotorblättern starr verbunden sind, um die Rotationsachse des Propellers rotierbar sind, und der Propeller mehr zweite Rotorblätter als erste Rotorblätter, insbesondere wenigstens doppelt so viele zweite Rotorblätter, aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Propeller, welches insbesondere dazu ausgebildet ist, Schub für ein Luftfahrzeug zu erzeugen, wobei der Propeller in einem inneren Bereich einer Rotorfläche mehrere erste Rotorblätter und in einem äußeren Bereich der Rotorfläche mehrere zweite Rotorblätter aufweist, wobei der Propeller mehr zweite Rotorblätter als erste Rotorblätter aufweist.
Bei der Entwicklung und dem Entwurf von Antriebssystemen für Luftfahrzeuge spielen drei Zielvorgaben eine wesentliche Rolle für die Ausgestaltung des Propellers: die Robustheit gegenüber eingesaugten Gegenständen (z.B. Hagel- oder Vogelschlag), eine hohe aerodynamische Effizienz und eine niedrige Lärmerzeugung bzw. -abstrahlung. Wesentlichen Einfluss auf diese Zielvorgaben haben dabei die Profilsehnenlänge der Rotorblätter und die Anzahl der Rotorblätter des Antriebssystems. Dabei zeigt sich jedoch, dass ein Beeinflussen dieser beiden Faktoren auf die Robustheit, Effizienz und Lärmerzeugung immer einen gegenläufigen Effekt auf wenigstens eine der drei Zielvorgaben hat. Daher werden im Stand der Technik Lösungen mit geringer Rotoranzahl und großer Profilsehnenlänge bevorzugt, wodurch die aerodynamische Effizienz zunimmt. Ferner führen Lösungen mit weniger Rotorblättern zu Antriebssystemen mit gesteigerter Robustheit gegenüber Fremdkörpereinsaugung (Ingestion). Gleichzeitig resultiert in der verringerten Rotorblattanzahl eine geringen „Blade Passing Frequency“ (BPF), sodass das Antriebssystem im Betrieb den maximalen Lärmpegel typischer Weise bei einer Frequenz von 500Hz bis 5kHz aufweist. Bedingt dadurch, dass das menschliche Gehör in genau diesem Frequenzbereich die niedrigste Hörschwelle aufweist, ist die wahrgenommene Lautstärke signifikant höher, als beispielsweise bei einem Ton gleichen Pegels ab einer Frequenz von 15kHz oder mehr. Folglich bieten herkömmliche Antriebssysteme mit Propeller eine gute aerodynamische Effizienz und einen ausreichenden Widerstand gegenüber eindringenden Gegenständen, nehmen aber auch eine hohe subjektiv empfundene Lärmbelastung in Kauf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Antriebssystem mit Propeller bereitzustellen, welche einerseits die Designvorzüge einer hohen aerodynamischen Effizienz aufweist, die Anforderungen an die hohe Stabilität gegenüber eingesaugten Gegenständen erfüllt und zugleich auch eine geringe Lärmemission aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Antriebssystem mit Propeller gemäß Anspruch 1.
Eine Besonderheit des Antriebssystems mit Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Propeller, auch Rotor genannt, in einem inneren Bereich einer Rotorfläche mehrere erste Rotorblätter aufweist, welche um eine Rotationsachse rotierbar sind, und in einem äußeren Bereich der Rotorfläche mehrere zweite Rotorblätter angeordnet sind, wobei die Anzahl der zweiten Rotorblätter größer ist als die Anzahl der ersten Rotorblätter, insbesondere wenigstens doppelt so groß. Die Rotorfläche, welche in wenigstens eine innere und in wenigstens eine äußere Rotorfläche aufgeteilt wird, wird von der maximalen Fläche beschrieben, welche von den rotierenden ersten und den zweiten Rotorblättern überstrichen wird. Durch die Verwendung der ersten Rotorblätter, welche bauartbedingt eine größere Profilsehnenlänge als die zweiten Rotorblätter aufweisen können, wird ein System erzeugt, das insbesondere in dem Bereich der Rotorfläche ohne die zweiten Rotorblätter (innere Rotorfläche) eine hohe aerodynamische Effizienz aufweist, und ferner über den gesamten Propellerdurchmesser hinweg eine hohe Robustheit gegenüber eingesaugten Gegenständen (Ingestion) aufweist. Durch die lediglich ersten Rotorblätter in diesem inneren Bereich erzeugt der Rotor, analog zu den bekannten Antriebssystemen mit einem einfachen Propeller, ein Betriebsgeräusch einer ersten Frequenz (erste BPF), welche typischer Weise in einem Frequenzbereich mit einer geringen menschlichen Hörschwelle liegt. Durch die größerer Anzahl von zweiten Rotorblättern im Vergleich zu der Anzahl erster Rotorblätter in einem äußeren Teilbereich der gesamten Rotorfläche, steigt die zweite Frequenz eines weiteren Betriebsgeräuschs (zweite BPF) deutlich an, sodass dieser Frequenzbereich in einem Bereich mit einer höheren bis hohen Hörschwelle liegt. Folglich nimmt die wahrgenommene Lautstärke drastisch ab. Durch das Verschieben des Bereichs mit in Summe mehr Rotorblättern in lediglich einen Teilbereich der gesamten Rotorfläche wird die aerodynamische Effizienz nur gering beeinflusst, sodass das erfindungsgemäße Antriebssystem mit Propeller nicht nur die Vorzüge herkömmlicher Antriebssysteme aufweist, sondern durch die bauartbedingt Erzeugung von zwei maßgeblichen Betriebsfrequenzen die wahrgenommene Lärmemission deutlich sinkt. Durch das Anordnen der verhältnismäßig größeren Anzahl der zweiten Rotorblätter im äußeren Bereich der Rotorfläche wird die aerodynamische Effizienz des gesamten Antriebssystems gegenüber einem Antrieb mit ausschließlich zweiten Rotorblättern gleicher Anzahl deutlich verbessert, da die Verwirbelungen, die von den zusätzlichen zweiten Rotorblättern erzeugt werden, nur den äußeren Bereich des Luftvolumenstroms mit den ohnehin höheren Verwirbelungsgeschwindigkeiten beeinflussen. Daher sind der Eintrag weiterer Verwirbelungen und die Erhöhung des Luftvolumenstroms im äußeren Bereich hinter dem Propeller geringer, als bei der Anordnung mit der gleichen Anzahl zweiter Rotorblätter im inneren Bereich der Rotorfläche. Ferner verursacht der Bereich der äußeren Rotorfläche den maßgeblichen Anteil der gesamten Lärmerzeugung, da die Abschnitte der Rotoren in der äußeren Rotorfläche eine deutlich höhere Kreisbahngeschwindigkeit aufweisen. Daher begünstigt diese Anordnung die Erzeugung des Betriebsgeräuschs bei der bevorzugten zweiten höheren Frequenz. Durch die größere Anzahl an zweiten Rotorblättern im äußeren Bereich der Rotorfläche im Vergleich zur Anzahl erster Rotorblätter in der inneren Rotorfläche, wird die BPF erhöht, was dazu führt, dass die Tonhöhe der zweiten Betriebsfrequenz linear mit der Anzahl der zweiten Rotorblätter ansteigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Propeller eine in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse angeordnete ringförmige Zwischenstruktur auf. Die ringförmige Zwischenstruktur ist zwischen der Nabe und Rotorblattspitzen der ersten Rotorblätter oder an den Rotorblattspitzen der ersten Rotorblätter angeordnet, wobei die ersten Rotorblätter durch die ringförmige Zwischenstruktur miteinander verbunden sind. Das Zwischenstück ist um die Rotationsachse des Propellers rotierbar, und die zweiten Rotorblätter sind mit der ringförmigen Zwischenstruktur verbunden. Dabei ist die ringförmige Zwischenstruktur kreisförmig in einer Schnittebene senkrecht zu der Rotationsachse angeordnet. Der Vorteil der Zwischenstruktur besteht darin, dass sie einerseits die Stabilität des Propellers erhöht und zugleich zur Befestigung der zweiten Rotorblätter dienen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die ringförmige Zwischenstruktur eine zylindrische oder eine konische Form auf. Dies bietet den Vorteil, dass die Zwischenstruktur mit zylindrischer Form selber eine hohe Stabilität aufweist, wodurch sie dünner ausgeformt werden kann und den ersten und zweiten Rotorblättern mehr Stabilität bietet. Eine Zwischenstruktur von konischer Form, bietet den zusätzlichen Vorteil, dass sie eine strömungsoptimierte Form für die Funktion des Antriebs bereitstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zwischenstruktur Vertiefungen auf, um an Stellen geringerer Belastung die Aerodynamik zu optimieren und somit auch die Geräuschentwicklung zu verringern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die ringförmige Zwischenstruktur frühestens nach der halben Strecke bzw. spätestens nach dreiviertel der Strecke von der Rotationsachse bis zu den Profilspitzen der zweiten Rotorblätter, insbesondere von der Nabe oder Rotationsachse bis zu den Profilspitzen der zweiten Rotorblätter, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Fläche, die nur von den inneren Rotoren überstrichen wird, sehr groß ist und somit die aerodynamische Effizienz des Antriebssystems sehr hoch bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und/oder zweiten Rotorblätter in einer Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse radial um die Rotationsachse angeordnet oder weisen gegenüber einem radialen Verlauf eine axiale Krümmung auf. Für Propeller mit geringem Durchmesser und hohen Rotationsgeschwindigkeiten verbessert der gekrümmte Verlauf der Rotorblätter die Aerodynamik und verringert die Geräuschemission.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gabeln sich die ersten Rotorblätter, wobei sich aus dem Verlauf der Gabelung die zweiten Rotorblätter bilden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die zweiten Rotorblätter nicht an einer Zwischenstruktur angebracht werden müssen, sondern an den Rotorblattenden der ersten Rotorblätter angebracht werden können (obgleich auch in dieser Ausführungsform zur Erhöhung der Stabilität noch eine Zwischenstruktur eingefügt werden kann). Dies unterbindet die zusätzliche Bildung von Strömungsgeräuschen an einer Befestigung der zweiten Rotorblätter und verbessert die Strömungsoptimierung im Übergang der Gabelung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Rotorblattlänge der zweiten Rotorblätter höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens ein Drittel, der Rotorblattlänge der ersten Rotorblätter. Durch das Vergrößern des Längenverhältnisses zwischen den Rotorblattlängen der ersten und zweiten Rotorblätter sinkt die Rotorfläche, die von ersten und zweiten Rotorblättern überdeckt wird, bzw. steigt die Rotorfläche die nur von ersten Rotorblättern überstrichen wird. Dies begünstigt die aerodynamische Effizienz des Antriebssystems, ohne die Erzeugung eines zweiten Tons mit einer höherer Betriebsfrequenz (zweite BPF) zu beeinflussen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Propeller innerhalb einer Hülle als Mantelpropeller (engl. ducted fan) verbaut. Der Mantelpropeller weist eine Hülle mit zylindrischer Grundform auf, daher auch Mantel genannt, welche Öffnungen an der Einlass- und Auslassseite aufweist, um Luft anzusaugen, durch den zwischen Einlass- und Auslassöffnung angeordneten Propeller zu verdichten (beschleunigen) und die verdichtete Luft auszustoßen. Die Rotationsachse des Propellers verläuft dabei mittig durch die Grundfläche der Hülle. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der profilierte Mantel die Luft zum Propeller führt und dadurch die Luftmenge, die zum Propeller geführt erhöht wird. Dies führt zu einem Schubgewinn. Ferner ermöglicht der Mantelpropeller den Einsatz eines leistungsfähigeren Antriebs zur Erzeugung von mehr Schub. Insbesondere im Stand wird der erzeugbare Schub gegenüber freifahrenden Propellern gleicher Größe stark erhöht. Dies führt dazu, dass Propeller kleineren Durchmessers mit sehr leistungsstarken Antrieben kombiniert werden können, um mit einem kleinen Bauraum einen hohen Schubgewinn zu erzielen. Gleichzeitig wird die Richtung der Geräuschemission gebündelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Profildicke der ersten Rotorblätter dicker als die Profildicke der zweiten Rotorblätter ausgehend von betrachteten Stellen mit jeweils gleichem Abstand zu der jeweiligen Rotorblattspitze. Dieses Merkmal begünstigt, dass die zweiten Rotorblätter gewichtsoptimiert ausgeformt sind, um rotierende Massen in den äußeren Bereichen des Propellers zu reduzieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform überdecken die Profilenden der ersten Rotorblätter und die Profilenden der zweiten Rotorblätter an Punkten mit einem selben Abstand zu der Rotationsachse dieselben Punkte. Im Querschnitt der Rotationsachse betrachtet weisen demnach die Profilenden der beiden Rotorblätter an Punkten mit jeweils identischem Abstand zur Rotationsachse dieselbe Profilendenposition auf. Bezogen auf einen Fixpunkt vor oder hinter dem Flugzeug ist der Abstand zu einem Punkt der Profilenden auf einem selben Radius um die Rotationsachse identisch. Da die ersten Rotorblätter bauartbedingt eine größere Profiltiefe aufweisen als die zweiten Rotorblätter, bedeutet dies, dass die Profilnase der zweiten Rotorblätter gegenüber der Profilnase der ersten Rotorblätter zurückgesetzt ist. Daher würde im Fall des Eindringens von Gegenständen in die rotierende Antriebseinheit, der Gegenstand zuerst auf die Profilnase der stabileren ersten Rotorblätter treffen. Folglich kann somit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Schäden an den Rotorblätter verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Antriebssystem mit Propeller durch eine elektrische Maschine (Elektromotor) angetrieben. Durch die elektrische Antriebseinheit ist das Antriebssystem ausschließlich elektrisch ausgestaltet. Dies erfordert einen kleineren Bauraum für die Antriebseinheit, woraus ein kompakteres Antriebssystem resultiert. Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist für den elektrischen Antrieb besonders geeignet, da die Möglichkeit besteht, einen elektrischen Antrieb für niedrige Drehzahlen auszulegen, im Vergleich zu herkömmlichen Antriebssystemen wie beispielsweise Gasturbinen. Somit kann die Drehzahl des elektrischen Antriebs an die gewünschte Drehzahl des Propellers angepasst werden, wodurch keine Getriebe benötigt werden. Darüber hinaus ist insbesondere die Kombination dieser Ausführungsform mit der des Mantelpropellers besonders vorteilhaft, da elektrische Antriebe, bezogen auf den kleinen benötigten Bauraum, sehr hohe Leistungen abgeben können. Folglich besteht der Vorteil der Verwendung eines elektrischen Antriebs bei einem Mantelpropeller darin, dass der Mantelpropeller, im Vergleich zu einem freidrehenden Propeller, höhere Antriebsleistungen aufnehmen kann, um eine höhere Schubleistung zu erreichen. In Bezug auf die empfundene Lautstärke tritt bei einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb in Folge des leiseren Motorgeräuschs vor allem das Betriebsgeräusch der rotierenden Rotorblätter in den Vordergrund. Erfindungsgemäß wird die empfundene Lautstärke des Propellers verringert und dadurch das emittierte Betriebsgeräusch insbesondere in Bezug auf die Geräuschemission des gesamten Antriebssystem wahrnehmbar verbessert.
Ferner sieht die Erfindung ein Fahrzeug vor, insbesondere ein Luftfahrzeug, welches für den Transport, einer Fracht und/oder wenigstens einer Person eingerichtet ist, wobei das Fahrzeug von wenigstens einem der vorhergehend beschriebenen Antriebssysteme mit einem Propeller angetrieben wird. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebssystems in einem Fahrzeug bietet den Vorteil, dass die Lärmbelastung beim Betrieb des Fahrzeugs reduziert wird. Ferner werden beim Personentransport die Insassen während der Reise einer geringeren permanenten Lärmbelastung ausgesetzt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten und einer weiteren Ausführungsform deutlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:

1 zeigt das Antriebssystem in der frontalen Draufsicht auf den Propeller.
2 zeigt das Antriebssystem mit Propeller der 1 in einem seitlichen Querschnitt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors einer weiteren Ausführungsform.

In den Figuren wird das Antriebssystem gemäß Anspruch 1 und bevorzugten Ausführungsformen dargestellt. Es gilt zu beachten, dass einzelne Formen, insbesondere die des Profils der ersten und/oder zweiten Rotorblätter 6, 10 oder das Profil der Zwischenstruktur 8 nur illustriert dargestellt werden. Darüber hinaus wird nachfolgend von Propellern und Rotoren gesprochen, wobei diese Begriffe austauschbar verwendet werden.
1 zeigt die Struktur eines Antriebssystems mit Propeller 2, das um die zentrale Rotationsachse 4 aufgebaut ist. Die Darstellung des Rotors erfolgt aus der Sicht der einströmenden Luftmoleküle bevor diese auf den Rotor treffen. Parallel dazu zeigt 2 dasselbe Antriebssystem im Querschnitt in einer Ebene, in welcher die Rotationsachse 4 liegt. Auf der Rotationsachse 4 des Propellers 2 sitzt zentral eine Nabe 12 an der wiederum die ersten Rotorblätter 6 befestigt und radial um die Rotationsachse 4 angeordnet sind. Die Anzahl der Rotorblätter kann grundsätzlich beliebig sein. Eine gerade Anzahl an Rotorblättern bietet konstruktive Vorteile in der Fertigung, und ein einfacheres Wuchten des Rotorsystems. Eine ungerade Anzahl an Rotoren hat den Vorteil, dass Resonanzschwingungen wirksam verhindert werden können. Wie in 1 dargestellt, verbindet eine ringförmige Zwischenstruktur 8 alle ersten Rotorblätter 6 miteinander. Diese Zwischenstruktur 8 verstärkt und versteift die ersten Rotorblätter 6, welche in der ersten inneren Rotorfläche liegen, und bietet zweiten Rotorblätter 10, die in einer zweiten äußeren Rotorfläche liegen, Befestigungspunkte. Die gesamte Rotorfläche bezeichnet die von den rotierenden ersten und zweiten Rotorblättern 6, 10 überstrichene Fläche, welche als Innenradius die Wurzel der ersten Rotorblätter und als Außenradius die Spitzen der zweiten Rotorblätter mit dem größten Abstand zur Rotationsachse 4 aufweist. Analog zu den ersten Rotorblättern 6 im inneren Bereich der Rotorfläche erfolgt auch die Ausrichtung der zweiten Rotorblätter 10 im Bereich der äußeren Rotorfläche radial zur Rotationsachse 4. Die Rotorspitzen der zweiten Rotorblätter 10 weisen dabei in dieselbe Richtung wie die Profilspitzen der ersten Rotoren. Wie dargestellt, erstrecken sich die ersten Rotorblätter 6, welche im Bereich der inneren Rotorfläche liegen, von der Nabe bis zu der ringförmigen Zwischenstruktur 8. 1 zeigt, dass die inneren Rotorblätter 6 jenseits der Zwischenstruktur 8 den inneren Bereich der Rotorfläche verlassen, folglich nun im Bereich der äußeren Rotorfläche liegen und daher zweite Rotorblätter 10 bilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Hülle 14 eines Mantelpropellers gezeigt. Die Hülle 14, auch Mantel genannt, ist derart ausgestaltet, dass die Hülle 14 profiliert ist. Dadurch wird die angesaugte Luft besser zu dem Propeller 2 transportiert und insbesondere die Druckzone der beschleunigten Luft hinter den Rotorblättern 6/10 eingeschnürt. Entscheidend für die Funktion eines Mantelpropellers ist jedoch, dass die Rotorspitzen des Propellers 2 sehr nahe an die innere Wand der Hülle 14 kommen, um einen Druckabbau an den Rotorspitzen und eine daraus folgende Strömungsablösung zu verhindern.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise ergeben sich am Propeller 2 zwei Bereiche mit unterschiedlicher Rotorblattanzahl. Die innere Fläche wird ausschließlich von den ersten Rotorblättern 6 überstrichen. Die äußere Fläche des Propellers 2 wird von den zweiten Rotorblättern 10 überstrichen. Dadurch ergibt sich für jeden der beiden Bereiche der Flächen eine unterschiedliche „Blade Passing Frequency“ (BPF), aus der sich die Frequenz des maßgeblich emittierten Lärmpegels bestimmen lässt. Die BPF bestimmt sich wie in Formel (1) dargestellt: $B P F = \frac{R V * N}{60};$
wobei BPF die Blade Passing Frequency in Hertz [Hz], RV die Umdrehungsgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute [RPM], und N die Anzahl der Rotorblätter im jeweiligen Bereich der Rotorfläche beschreibt.
Nachdem die ersten Rotorblätter 6 und die zweiten Rotorblätter 10 durch die ringförmige Zwischenstruktur 8 miteinander verbunden sind, drehen sich die Rotorblätter mit selber Umdrehungsgeschwindigkeit. Demnach wird die BPF in einem System mit vorgegebener Umdrehungsgeschwindigkeit (i.d.R. abhängig vom Durchmesser des Propellers) einzig von der Anzahl der Rotorblätter beeinflusst. Ausgehend von der in 1 dargestellten Anzahl (vier erste Rotorblätter und zwölf zweite Rotorblätter) würde dies bedeuten, dass die BPF der Rotoren in der inneren Kreisfläche zwischen Nabe 12 und Zwischenstruktur 8 ein Drittel der BPF in der äußeren Kreisfläche zwischen den Rotorspitzten und der Zwischenstruktur 8 beträgt. Das Umwandeln des maßgeblichen Teils des Erzeugten Gesamtlärms in eine zweite, höhere Betriebsfrequenz hat zwei entscheidende Vorteile. Die Hörschwelle des menschlichen Gehörs ist im Bereich zwischen 300Hz bis 5kHz besonders gut, nimmt bei Frequenzen jenseits der 5kHz aber exponentiell ab. Demnach wäre die wahrgenommene Lautstärke eines Tons gleichen Schallpegels für Töne jenseits des 5kHz Bereichs sukzessive geringer. Überdies ist die Luftdämpfung des abgestrahlten (emittierten) Lärms in höherfrequenten Bereichen besser, da die Schallabsorption in Luft für mit der Frequenzhöhe exponentiell ansteigt. Für eine Frequenz von 1kHz und einer Luftfeuchtigkeit von 70% liegt die Dämpfung beispielsweise bei etwa 0,9dB/100m. Bei einer Frequenz von 10kHz beträgt die Dämpfung bei selber Temperatur und Luftfeuchtigkeit etwa 17dB/100m, bei 20kHz bereits 70dB/100m. Ferner kann das Antriebssystem auch im Medium Wasser, z.B. als Schiffsantrieb, eingesetzt werden, da auch in Wasser die Dämpfung des Schalls (dB/km) mit zunehmender Schallfrequenz ansteigt. Das bedeutet, dass durch eine Anpassung der Gesamtanzahl der ersten Rotorblätter 6 und zweiten Rotorblätter 10 die zweite Betriebsfrequenz (zweite BPF) angepasst werde kann, sodass die Dämpfung ein gewünschtes Mindestniveau erreicht. Relevant wäre das beispielsweise für Luftfahrzeuge, die in Bereichen mit starken Lärmschutzbeschränkungen operieren. Dies würde beispielsweise für Stadtflughäfen wie London City gelten, wo die die starken Lärmschutzvorgaben grundsätzlich nur Flugzeugen mit niedrigem Fluglärm das Starten und Landen erlaubt ist, und zum anderen der Flugbetrieb nur zu bestimmten Tageszeiten erlaubt ist. Durch das erfindungsgemäße Antriebssystem könnten Luftfahrzeuge diese Vorgaben deutlich unterbieten und wegen der niedrigeren Lärmerzeugung und -emission den Luftverkehr in stark bewohnten Gebieten ermöglichen. Eine weitere bevorzugte Anwendungsform des Antriebssystem wären daher auch dessen Installation in Kleinflugzeugen oder auch unbemannte Flugsystemen (UAVs) mit S/VTOL Eigenschaften, welche im Gegensatz zu konventionell startend und landenden Flugzeugen vorwiegend in niedrigen Höhen über Städte fliegen könnten, insbesondere auch um an zahlreichen ausgewiesenen Landeplätzen in der Stadt zu landen, wie zum Beispiel bestehenden Helikopter-Landeplätzen.
Für den Einsatz an kleinen Luftfahrzeugen, insbesondere S/VTOLs, mit direkter Nähe zu stark bewohnten Gebieten, bietet sich die Verwendung des Antriebssystems als Mantelpropeller an. Die Vorteile des Mantelpropellers bestehen darin, dass durch die Bauform der maximale Schub im Stand gegenüber einem freidrehenden Propeller deutlich höher ist. Die Bauform des Mantelpropellers erlaubt es ferner, den Propeller 2 des Antriebssystems kleiner zu gestalten und zugleich die Leistungsstärke des Antriebs zu erhöhen. Daher ist die Auslegung des Antriebssystems auf einen vollelektrischen Antrieb mit elektrischer Antriebseinheit 16 sinnvoll. Dies ist insbesondere bei einem Mantelpropeller sinnvoll, da ein ausschließlich elektrischer Antrieb sehr hohe Leistungen bei gleichzeitig kleinem Bauraum bietet und dadurch die Vorzüge des Mantelpropellers ausgeschöpft werden können. Neben den aerodynamischen Aspekten bietet der Mantelpropeller ferner den Vorteil, dass die schnell rotierenden Rotorblätter bei Fehlfunktionen oder Abstürzen durch die Hülle 14 begrenzt werden und die Menge und Wucht von abgebrochenen Bauteilen des Antriebssystems wirkungsvoll reduziert werden.
3 zeigt den Aufbau einer Propellerstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der dargestellte Propeller der 3 weist eine zentrale Nabe 4 auf, aus der sich die ersten Rotorblätter 6 erstrecken. Der Verlauf der Wurzel des jeweiligen ersten Rotorblatts 6 auf der Oberfläche der Nabe 4 weist eine gegenüber einem axialen Verlauf gebogenen Form auf, und bildet eine Alternative zu der radialen Anordnung der ersten Rotorblätter aus 1 und 2. Am Übergang vom inneren Bereich der Rotorfläche, welche die ersten Rotorblättern 6 überstreichen, zu dem äußeren Bereich der Rotorfläche bilden sich, wie dargestellt, aus jeweils einem ersten Rotorblatt 6 einstückig zwei zweite Rotorblätter 10, welche den äußeren Bereich der Rotorfläche überstreichen. Der Übergang von einem inneren Rotorblatt 6 in die zwei äußeren Rotorblätter 10 wird als Gabelung 18 bezeichnet. Eine Gabelung 18 kann auch den Übergang von einem ersten Rotorblatt 6 in mehr als zwei Rotorblätter bezeichnen, z.B. in drei oder mehr zweite Rotorblätter 10. Alternativ ist auch eine Ausführungsform mit der Kombination aus Gabelungen 18 und der ringförmigen Zwischenstruktur 8 möglich (in den Figuren nicht dargestellt).
Die Bauform des erfindungsgemäßen Antriebssystems mit einer inneren Rotorfläche mit wenigen Rotorblättern und niedriger BPF, und einer durch ein Zwischenstück 8 verbundenen äußeren Rotorfläche mit vielen Rotorblättern und einer hohen BPF hat mehrere Vorteile. Der Bereich der inneren Rotorfläche mit wenigen Rotorblättern weist eine hohe aerodynamische Effizienz auf, und erlaubt durch einen effizienten Betrieb höhere Reichweiten. Zudem ist die Lärmerzeugung bei einer ersten niedrigen Betriebsfrequenz in diesem Bereich gering, da die Bahngeschwindigkeit der ersten Rotorblätter 6 im inneren Bereich der Propellerfläche gering ist. Das Zwischenstück 8 steigert die Stabilität und dadurch die Robustheit des Antriebssystems gegenüber eingesaugten Gegenständen wie Unrat, Vögeln oder auch Hagel. Im Bereich der äußeren Rotorfläche findet wegen der hohen Bahngeschwindigkeit der Rotorblattenden der maßgebliche Anteil der gesamten Lärmerzeugung des Antriebssystems statt. Durch Abstimmen der Anzahl der verbauten zweiten Rotorblätter 10 auf die typische Betriebsdrehzahl des Propellers 2 kann eine zweite Betriebsfrequenz bestimmt werden, die in einem Bereich jenseits von 5kHz, insbesondere über 10kHz, liegt. Durch die höhere Dämpfung hoher Frequenzen und das zunehmend verminderte Wahrnehmen des menschlichen Gehörs von Frequenzen über 5kHz, kann die wahrgenommene Lärmbelastung durch ein Luftahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem drastisch reduziert werden.
Bezugszeichenliste

2: Propeller
4: Rotationsachse
6: erste Rotorblätter
8: Zwischenstruktur
10: zweite Rotorblätter
12: Nabe
14: Hülle
16: elektrische Antriebseinheit
18: Gabelung

Claims

Antriebssystem mit einem Propeller (2), das dazu ausgebildet ist, Schub für einen Fahrzeugantrieb zu erzeugen, wobei der Propeller (2) in einem inneren Bereich einer Rotorfläche mehrere um eine Rotationsachse (4) des Propellers (2) angeordnete erste Rotorblätter (6) aufweist, die ersten Rotorblätter (6) mit einer zentralen Nabe (12) auf der Rotationsachse (4) verbunden sind, und um die Rotationsachse (4) des Propellers (2) rotierbar sind, und der Propeller (2) in einem äußeren Bereich der Rotorfläche mehrere um die Rotationsachse (4) des Propellers (2) angeordnete zweite Rotorblätter (10) aufweist, wobei die Rotorfläche eine maximale Fläche beschreibt, die von den ersten und zweiten rotierenden Rotorblättern (6, 10) des Propellers überstrichen wird, die zweiten Rotorblätter (10) mit den ersten Rotorblättern (6) starr verbunden sind, um die Rotationsachse (4) des Propellers (2) rotierbar sind, und der Propeller (2) mehr zweite Rotorblätter (10) als erste Rotorblätter (6) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Propeller (2) wenigstens doppelt so viele zweite Rotorblätter (10) wie erste Rotorblätter (6) aufweist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Propeller (2) eine in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse (4) angeordnete ringförmige Zwischenstruktur (8) aufweist, die ringförmige Zwischenstruktur (8) zwischen der Nabe (12) und Rotorblattspitzen der ersten Rotorblätter (6) oder an den Rotorblattspitzen der ersten Rotorblätter (6) angeordnet ist, die ersten Rotorblätter (6) durch die ringförmige Zwischenstruktur (8) miteinander verbunden sind, das Zwischenstück um die Rotationsachse (4) des Propellers (2) rotierbar ist, und die zweiten Rotorblätter (10) mit der ringförmigen Zwischenstruktur (8) verbunden sind.
Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei die ringförmige Zwischenstruktur (8) entlang der Rotationsachse (4) eine zylindrische oder eine konische Form aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die ringförmige Zwischenstruktur (8) axial zu der Rotationsachse (4) Eindellungen aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 3 bis 5, wobei die ringförmige Zwischenstruktur (8) zwischen einer Hälfte und Dreiviertel der Strecke von der Rotationsachse (4) bis zu Profilenden der zweiten Rotorblätter (10) angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten Rotorblätter (6, 10) in einer Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse radial um die Rotationsachse angeordnet sind oder gegenüber einem radialen Verlauf eine axiale Krümmung aufweisen.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die ersten Rotorblätter (6) gabeln, und die zweiten Rotorblätter (10) sich aus dem Verlauf der Gabelung ausbilden.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Rotorblattlänge der zweiten Rotorblätter (10) höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens ein Drittel, einer Rotorblattlänge der ersten Rotorblätter (6) beträgt.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Propeller (2) als Mantelpropeller verbaut ist, der Mantelpropeller eine Hülle (14) mit zylindrischer Grundform aufweist, welche eine Einlassöffnung in eine Lufteinstromrichtung und eine Auslassöffnung in eine Luftausstromrichtung aufweist, der Propeller (2) zwischen der Einlass- und Auslassöffnung angeordnet ist und die Rotationsachse (4) des Propellers (2) mittig durch die Grundfläche der Hülle (14) verläuft.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Profildicke der ersten Rotorblätter (6) größer ist als eine Profildicke der zweiten Rotorblätter (10) an Punkten selben Abstands von ihrer jeweiligen Rotorblattspitze.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Profilenden der zweiten Rotorblätter (10) und Profilenden der ersten Rotorblätter (6) an Punkten selben Abstands zu der Rotationsachse (4) jeweils identische Punkte überdecken.
Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Propeller (2) ausschließlich elektrisch angetrieben ist.
Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, welches für den Transport einer Fracht und/oder wenigstens einer Person eingerichtet ist, wobei das Fahrzeug mit wenigstens einem Antriebssystem mit einem Propeller (2) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche angetrieben ist.
Fahrzeug nach Anspruch 14, insbesondere ein vertikal startendes und landendes Luftfahrzeug, wobei das wenigstens eine Antriebssystem mit dem Propeller gegenüber einem Rumpf und/oder gegenüber Tragflächen des Fahrzeugs schwenkbar ist.