DE4320625A1

DE4320625A1 - Schwingenrotor

Info

Publication number: DE4320625A1
Application number: DE4320625A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Bach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1995-01-05
Also published as: DE4217374A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Antrieb für Luftfahrzeuge, die sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegen und in der Luft wie ein Flugzeug fliegen (Anm. Deutsches Patentamt am 26.05.1992, Az: P 42 17 374.4). Diese Fahrzeuge, auch Aerodynamische Mehrzweck Apparaturen (AMA) genannt, benötigen einen Antrieb, der im Zusam menwirken mit schwenkbaren Tragflächen zwischen zwei Rumpfzellen in Katamarananordnung in Bodennähe im Stand ein Luftkissen aufbaut und bei Vorwärtsbewegung für den Stauflügeleffekt den Luftstrom sowie für die Transition in den normalen Flug die erforderlichen Vor- und Auftriebskräfte (Schub) erzeugt. Prinzipiell ist es mög lich, dafür herkömmliche Luftfahrzeugantriebe (Luftbeschleuniger) zu verwenden, wobei allerdings Hilfseinrichtungen zur Verteilung des Luftstroms über die schwenkbaren Tragflächen sowie zur Steue rung der Richtung des Schubvektors erforderlich sind.

Die Erfindung ist dem besonderen aerodynamischen Prinzip der AMA angepaßt. Sie ermöglicht die Erzeugung eines breiten, flachen Luftstroms und die Steuerung der Richtung des Schubvektors in den erforderlichen Grenzen. Besonders bei Luftfahrzeugen, die nicht für den Flug mit großer Geschwindigkeit ausgelegt sind, sondern bei denen es auf Senkrecht- oder Kurzstart- und -landeeigenschaf ten (VSTOL) und einen stabilen Flug bei geringer Geschwindigkeit (z. B. Fernerkundung) ankommt, kann die Anwendung von Schwingen rotoren von Vorteil sein.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Antriebe für Luftfahrzeuge sind in jedem Fall Luft- oder Gas beschleuniger. Bekannt sind Luftschrauben, Mantel- oder Tunnel schrauben (Fan) sowie Reaktivantriebe wie Turbinen-Luftstrahl- Triebwerke und Raketen. Während letztere die Reaktivkraft der bei der Brennstoffverbrennung expandierenden und aus dem Brennraum entweichenden Gase zur Schuberzeugung nutzen, arbeiten erstere nach dem Ventilatorprinzip. Luftschrauben sind mechanisch oder elektrisch mit einer Kraftmaschine gekoppelt. Sie bestehen aus mindestens zwei um eine Achse rotierenden aerodynamisch optimal geformten Blättern, deren Blattspitzen sich auf einer Kreisbahn nahe der Schallgeschwindigkeit bewegen. Die aerodynamische Wech selwirkung der Blätter mit der umgebenden Luft bewirkt deren Be schleunigung in eine definierte Richtung und damit die Schuberzeu gung. Die Luftschraubenachse ist i.R. parallel zur Flugrichtung in das Luftfahrzeug eingebaut.

Sonderfälle der Anwendung von Luftschrauben sind Hubschrauber- und Tiltrotorantriebe.

Weitere Erfindungen, die sich mit dem Antrieb von Luftfahrzeugen befassen, sind Wellpropeller und elastische Weller /1/, /2/.

Wellpropeller arbeiten nach dem Prinzip des Pendelruders. Die Funktionsweise ist ähnlich der des Schwingenrotors, wobei die Einstellwinkel der Propellerblätter (Weller) während der Drehbewegung über den Rotorkreis mechanisch so verstellt werden, daß die anströmende Luft in eine definierte Richtung beschleunigt wird. Dabei ist jedoch keine elektronische Regelung zur Optimierung der Steuerung der Einstellwinkel vorgesehen und eine Schubvektorsteuerung ist nicht möglich.

Der elastische Weller ist ein Wellpropeller mit elastischen Propellerblättern.

Praktische Anwendungen dieser Antriebstechnik im Flugwesen sind nicht bekannt.

Bekannt ist weiter ein Drehflügelantrieb für Luftfahrzeuge /3/. An einem Pylon auf dem Rumpf eines an sich bekannten Flugzeugs sollen über eine gemeinsame Welle zwei spiegelbildlich angeordnete Flügel (Schwingen) über komplizierte Mechanismen in kegelförmigen Bahnen derart bewegt werden, daß ein Schub entsteht. Diese Anordnung ist als Alternative zur Luftschraube, insbesondere zur Reduzierung der Lärmbelastung durch Luftfahrzeuge gedacht. Zur Erzielung einer effektiven aerodynamischen Wechselwirkung ist eine zyklische Steuerung der Blatteinstellwinkel vorgesehen. Es ist leider nicht bekannt, ob der beschriebene Drehflügelantrieb je funktioniert hat.

Quellen

/1/ Antrieb für Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge von mittlerer Flug- bzw. Fahrgeschwindigkeit
Patent: DD 24 152
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/2/ Wellpropeller mit elastischem Wellerblatt
Patente: DD 1 11 186, DD 1 48 616
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/3/ Drehflügelantrieb für Luftfahrzeuge
Patent: DT 23 35 581 A1, 1973
Erfinder: U. Bischof, 7920 Ehingen, DE.

Problemstellung, Ziel der Erfindung

Das Problem besteht darin, daß bekannte Luftfahrzeugantriebe bei der Verwendung in AMA Nachteile aufweisen, die vor allem darin be stehen, daß zur Verteilung des erzeugten Luftstromes über die Tragflächen (Power Augmentation) und zur Steuerung der Richtung des Schubvektors Hilfseinrichtungen erforderlich sind.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Antriebssystem für AMA zu schaffen, das - zumindest für langsam fliegende AMA - den be sonderen aerodynamischen Eigenschaften dieser Kategorie von Luft fahrzeugen weitgehend angepaßt ist und die Verteilung des Luft stromes über die Tragflächen sowie die Steuerung des Schubvektors in den erforderlichen Grenzen ohne Hilfseinrichtungen ermöglicht.

Darlegung des Wesentlichen der Erfindung

Der Antrieb soll Schub erzeugen, der am Boden im Stand zur Ausbil dung eines Luftkissens in dem Raum zwischen den beiden Rümpfen und den schwenkbaren Tragflächen der AMA führt und bei Vorwärtsbewe gung derselben den Stauflügeleffekt unterstützt, während er im Fluge den Vortrieb gewährleistet und den Auftrieb in Abhängigkeit vom Flugzustand unterstützt.

Der Schwingenrotor arbeitet nach dem Prinzip des Schaufelrades, wobei erfindungsgemäß die Rotorblätter (Schwingen) nicht starr be festigt sind, sondern um ihre Querachsen schwenkbar an der Peri pherie zweier parallel um eine Achse rotierender Räder gelagert sind. Während der Drehbewegung des Schwingenrotors im Luftstrom des Fahrtwindes sollen die Anstellwinkel der Schwingen in Abhän gigkeit vom Drehwinkel, der Fluggeschwindigkeit und der Schubvek torsteuerung so gesteuert werden, daß möglichst in jedem Drehwin kel ein Impuls in Richtung des geforderten Schubvektors erzeugt wird. Damit wird die aerodynamische Effektivität des Antriebes ge währleistet und eine Steuerung der Richtung des Schubvektors in den für AMA erforderlichen Grenzen ermöglicht.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt.

Der Schwingenrotor besteht aus zwei parallel um eine Achse rotie renden Rädern (1) und dazwischen an deren Peripherie erfindungsge mäß schwenkbar gelagerten Schwingen (2) mit symmetrischem aerody namischem Profil. Die Drehbewegung des Rotors wird durch mechani sche oder elektrische Kopplung der Achse über eine Welle mit einer an sich bekannten Kraftmaschine gewährleistet. Die Rotorachse, die quer zur Flugrichtung des Luftfahrzeugs angeordnet sein kann, und deren Lager (3) müssen zur Aufnahme und Übertragung der durch den Schub des Schwingenrotors erzeugten Kräfte und Momente ausgelegt sein.

Die Schwingen (2) sind parallel zueinander an ihren beiden Enden an der Peripherie je eines der beiden Räder schwenkbar gelagert (mit einem Freiheitsgrad). Die Schwenkachse jeder Schwinge soll nah am Druckpunkt des Profils des Schwingenblattes angeordnet sein. Die Schwingenlager (4) müssen zur Aufnahme und Übertragung der durch die aerodynamische Wechselwirkung der Schwingen entste henden Kräfte und Momente ausgelegt sein.

Zur Optimierung der Anstellwinkel der Schwingen über die Kreisbe wegung in Abhängigkeit vom Drehwinkel, der Fluggeschwindigkeit und der verstellbaren Schubvektorrichtung ist ein Prozessorsystem vor zusehen, das als Input die Größen *Geschwindigkeit und Anstellwin kel der anströmenden Luft in Bezug zur Luftfahrzeuglängsachse (Luftvektor V), *Drehzahl des Schwingenrotors und *geforderte Richtung des Schubvektors P_Σ erhält und daraus als Output die Stellgrößen für die Steuerung der Einstellwinkel der Schwingen in Bezug zur Tangente des Rotorkreises für jeden Drehwinkel berechnet.

Die Stellgrößen sollen als elektrische Signale an entsprechende Stellglieder übertragen werden und eine zyklische Regelung der An stellwinkel der Schwingen während der Rotation des Schwingenrotors gewährleisten. Die Stellglieder können elektromechanische oder aerodynamische Vorrichtungen sein.

Die Lösung dieses Regelproblems hat Einfluß auf die Formgestaltung der Schwingen sowie deren Lagerung.

Fig. 2 veranschaulicht den Prozeß der zyklischen Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter und das Prinzip der Erzeugung des Schubvektors. Der Impuls der Schwingenblätter P_x als Beitrag zum Gesamtschub des Rotors P_Σ ist in den Drehwinkeln über den Rotorkreis sehr unterschiedlich. Er kann aber - bis auf die Wendepunkte - bei optimaler Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter immer positiv sein.

In Fig. 3 ist ein Schwingenblatt (2) mit rechteckiger Form und gerader Stirnkante dargestellt, welches zwischen zwei Rotorrädern (1) gelagert ist. Die Verstellung des Einstellwinkels erfolgt hier mittels elektromechanischer Vorrichtung (5) über die Schwenkachse an einem der beiden Lager (4).

In Fig. 4 ist eine Aerodynamische Mehrzweck Apparatur (AMA) mit Schwingenrotor-Antrieb skizziert. Die Anordnung von je zwei Schwingenrotoren paarweise an der Vorderkante unterhalb und an der Hinterkante oberhalb einer Mitteltragfläche zwischen zwei Rumpfzellen in Katamarananordnung läßt im Zusammenwirken mit weiteren schwenkbaren aerodynamischen Flächen den Effekt der "Power-Augmentation" wirksam werden. Damit können Senkrecht- oder Kurzstart- und -landeeigenschaften (V/STOL) erzielt werden. Die Schubvektorsteuerung der Schwingenrotoren gewährleistet aber auch den Horizontalflug sowie eine dynamische Regelung der Fluglage.

Claims

1. Schwingenrotor mit zwei um eine Achse parallel rotierenden Rä dern zwischen denen an deren Peripherien schwenkbar gelagerte Schwingenblätter angeordnet sind, die bei Drehbewegung des Rotors mit der Luft in aerodynamische Wechselwirkung treten, so daß erfin dungsgemäß ein Schub erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schwingenblätter wie an sich bekannte Tragflügel mit aerodynamischem Profil und aus elastischem Material geformt sind,
b) die Anzahl der Schwingenblätter eines Rotors variabel sein kann (2 bis 8) und diese in gleichen Abständen parallel zu einander über den Kreisumfang der beiden Rotorräder verteilt angeordnet sind,
c) die Einstellwinkel der Schwingenblätter in Bezug zur Tan gente des Rotorkreises verstellbar sind,
d) die geometrische Form der Schwingenblätter in Abhängigkeit vom Prinzip der Einstellwinkelsteuerung und anderen Parametern unterschiedlich sein kann.

2. Schwingenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Rotorachse über eine Welle mechanisch oder elektrisch mit einer Kraftmaschine gekoppelt in Drehbewegung versetzt werden kann,
b) die Rotorachse quer zur Flugrichtung in ein Luftfahrzeug eingebaut werden kann.

3. Schwingenrotor nach Anspruch 1 und 2, ausgestattet mit einem System zur Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter bei ihrer Bewegung über den Rotorkreis,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Einstellwinkel der Schwingenblätter so gesteuert wer den, daß diese bei ihrer aerodynamischen Wechselwirkung mög lichst in jedem Drehwinkel einen Impuls in Richtung eines geforderten Schubvektors erzeugen,
b) die Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter über mechanische, elektrische oder aerodynamische Stellglieder er folgen kann.

4. Schwingenrotor nach Anspruch 1 und 3, ausgestattet mit einem Prozessorsystem zur Generierung elektrischer Signale zur zykli schen Regelung der Einstellwinkel der Schwingenblätter während ih rer Bewegung über den Rotorkreis,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) dem Prozessorsystem als Input die Parameter
- * Geschwindigkeit und Anstellwinkel der anströmenden Luft be züglich der Luftfahrzeuglängsachse (Luftvektor),
- * Rotordrehzahl und
- * geforderte Richtung des Schubvektors bezüglich der Luftfahr zeuglängsachse (Schubvektor) eingegeben werden,
b) das Prozessorsystem so programmiert wird, daß mittels der generierten elektrischen Steuersignale die Einstellwinkel der Schwingenblätter derart gesteuert werden, daß ein Schub in die gewünschte Richtung entsteht.