LU102518B1 - Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug sowie Luftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1) für ein Luftfahrzeug, die einen Rotor (2; 2b; 2c) mit einem Rotorgrundkörper (4-4c) und mit an dem Rotorgrundkörper (4-4c) angebrachten Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) aufweist, wobei der Rotorgrundkörper (4-4c) und die Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) von Luft umströmbar sind. Zweckmäßigerweise ist der Rotorgrundkörper (4-4c) rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine Stromlinienverkleidung ist nicht erforderlich. Vorteilhaft wird dennoch sichergestellt, dass keine Strömungsverluste auftreten. Weiter vorteilhaft wird eine besonders einfach herzustellende Antriebseinrichtung geschaffen. Ferner betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder eine Drohne.

Description

ae, LU102518 pe Beschreibung: Tobias Brehm, 65232 Taunusstein (Deutschland); Burkart + Sohn AG, 8280 Kreuzlingen (Schweiz) „Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug sowie Luftfahrzeug“ Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Luftfahrzeug, die einen Rotor mit einem rotationssymmetrsichen Rotorgrundkörper und mit an dem Rotorgrundkörper angebrachten Rotorschaufeln aufweist, wobei der Rotorgrundkörper und die Rotorschaufeln von Luft um- strömbar sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder eine Drohne.
Obwohl US 2016/0290348 A1 eine Konstruktion zeigt, die der vorliegenden Erfindung ähnelt, wird kein Antrieb für ein Luftfahrzeug beschrieben, sondern eine Abluftventilatorbaugruppe, die im Bereich einer Nachlaufdüse („discharge nozzle“) verwendet wird.
Aus EP 2 547 904 A?2 ist eine Luftschraube bekannt, deren Rotorblätter an einem einer Dreh- achse abgewandten Ende gebogen sind, wodurch ein besonders effizienter Betrieb möglich ist.
US 2020/0011344 A1 beschreibt einen Propeller, dessen Rotorblätter in der Form von Fibo- nacci Spiralen ausgebildet sind. Ein derartiger Propeller wird senkrecht oder schräg zu einer Drehachse a angestromt („inlet flow“), während austretende Luft („outlet flow“) parallel zur Drehachse a wegströmt.
Aus DE 20 2010 013 785 U1 ist kein Antrieb für ein Luftfahrzeug bekannt, sondern ein Dia- gonalventilator mit einem Lüfter für Kühlaufgaben. Dieser ist in ein Axialgehäuse eingebracht und weist mehrere identische Lüfterflügel auf. Dieser Ventilator ist als Luftfahrzeugantrieb ungeeignet.
Aus GB 2507 307 Aist ein Laufrad mit Laufradflügeln bekannt und aus CN 110 697 026 A ist ein Propeller bekannt, der in ein Gehäuse eingebracht ist.
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Durch Benutzung sind ferner Luftschrauben bekannt, deren Grundkörper mit einer Antriebs- LU102518 welle eines Verbrennungs- oder Elektromotors verbunden ist und an dem zwischen zwei und vier Blätter angebracht sind, die sich im Umfangsrichtung erstrecken. Als Stromlinienverklei- dung ist eine konische Abdeckkappe, der sogenannte Spinner, an den Grundkörper ange- s bracht. Außerdem sind Strahltriebwerke durch Benutzung bekannt. Außenluft wird in das Triebwerk eingesogen, verdichtet und mit einem Treibstoff verbrannt, so dass durch Expansion des Gasgemischs bei der Verbrennung der zum Vortrieb eines Luftfahrzeugs erforderliche Schub entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders hohen Wirkungs- grad aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, die ı5 sowohl in Flugzeugen (Flächenflugzeug) als auch in Drohnen oder senkrechtstartenden Luft- fahrzeugen einsetzbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Senkrechte auf eine Verbin- dungslinie, entlang der die Rotorschaufeln mit dem Rotorgrundkörper wenigstens teilweise zo verbunden sind, die Verbindungslinie in zwei gleich große Abschnitte teilt und eine dem Ro- torgrundkörper abgewandte Endkante der Rotorschafeln in zwei Endkantenabschnitte geteilt ist, deren Längen L, und L, gemäß Goldenem Schnitt ausgebildet sind, wobei als Goldener Schnitt das Teilungsverhältnis einer Strecke bezeichnet wird, bei dem ein Verhältnis eines Ganzen (Li+Lz) zu seinem größeren Teil (L, oder L,) einem Verhältnis eines größeren (Ly Oder Ly) zu einem kleineren Teil (L. oder L:) gleich ist. Die Endkante kann gerade oder gebogen, beispielsweise kreisbogenförmig, ausgebildet sein. Die Länge der Senkrechten vom den Rotorgrundkörper zu der Endkante entspricht der Län- ge der Rotorschaufel. Die Verbindungslinie erstreckt sich von einem Ende der Rotorschaufel bis zu einem dem ers- ten Ende abgewandten Ende, selbst wenn die Rotorschaufel nur teilweise mit dem Rotor- grundkorper verbunden ist und einen Abschnitt aufweist, in dem ein Spalt zwischen Rotor- schaufel und Rotorgrundkôrper ausgebildet ist.
Die Senkrechte kann auch eine Projektion auf eine Rotorschaufelfläche sein, sofern die Ro- torschaufel gewdlbt ausgebildet ist.
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Ist die Länge der Endkantenabschnitt gemäß Goldenem Schnitt ausgebildet, wird vorteilhaft LU102518 eine Antriebsvorrichtung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad geschaffen. Verwirbelun- gen werden verhindert.
Eine Stromlinienverkleidung ist nicht erforderlich. Vorteilhaft wird dennoch sichergestellt, dass keine Strömungsverluste auftreten. Weiter vorteilhaft wird eine besonders einfach her- zustellende Antriebseinrichtung geschaffen.
Der Rotationsgrundkörper kann konisch, kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Rotorgrundkörper kegelstumpfförmig ausgebildet. Die Rotorschaufeln sind in Umfangsrichtung äquidistant voneinander beabstandet. Zweckmäßigerweise ist der Rotorgrundkörper kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei ein Durchmesser dı der Deckfläche sowie der Grundfläche da anhand des Goldenen Schnitts be- ı5 stimmt sind, wobei der Durchmesser d, der Deckfläche dem kleineren Teil des Goldenen Schnitts entspricht und der Durchmesser d. der Grundfläche der Summe aus dem Durch- messer d, der Deckfläche und dem doppelten des größeren Teils des Goldenen Schnitts ent- spricht. Eine solche Antriebsvorrichtung weist einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, da keine Verwirbelungen entstehen. Hierfür ist insbesondere der aus dem Flugzeugbau und der Konstruktion von Formel 1-Wagen bekannte Coanda-Effekt verantwortlich. Eine Strömung liegt im Flugbetrieb an den Rotorgrundkörper, insbesondere an dessen Man- telfläche an. Vorteilhaft werden Verwirbelungen oder Strömungsablösungen verhindert. Als Goldener Schnitt wird das Teilungsverhältnis einer Strecke oder anderen Größe bezeich- het, bei dem das Verhältnis des Ganzen zu seinem größeren Teil dem Verhältnis des größe- ren zum kleineren Teil gleich ist: atb_a (Gleichung 1) a b In Gleichung 1 ist der größere Teil mit a bezeichnet während der kleinere Teil mit b bezeich- net ist. Das Ganze ist die Summe aus a und b. Für die Durchmesser d, der Deckfläche sowie d, der Grundfläche des Rotorgrundkôrpers gilt folgender Zusammenhang: Seite 3 di=b (Gleichung 2) LU102518 d, = d, + 2*a (Gleichung 3) Wird der Durchmesser d, (= b) der Deckflache beispielsweise auf 10 cm festgelegt, folgt ge- Mmäß Gleichung 1, dass die längere Strecke a = 16,180 cm betragen muss. Damit ist gemäß Gleichung 3 der erfindungsgemäße Durchmesser der Grundfläche d; = 10 cm + 2* 16,180 cm = 42,360 cm. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotorgrundkörper eine umlaufend abgerun- dete Kante auf, vorzugsweise im Bereich eines Übergangs einer Stirnfläche zu einer Mantel- fläche. Vorzugsweise wird ein besonders stromlinienförmiger Rotorgrundkörper geschaffen. Verwirbelungen werden vorteilhaft verhindert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der längere der beiden Endkantenab- schnitte mit einer Richtungskomponente in Richtung einer Luftaustrittsöffnung eines Gehäu- ses, das einen Raum zur Aufnahme des Rotors aufweist. Der Endkantenabschnitt kann si- chelförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft wird durch diese Form eine Antriebsvorrichtung ge- Schaffen, die selbst bei hohen Drehzahlen geräuscharm betreibbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der kürzere der beiden Endkan- tenabschnitte mit einer Richtungskomponente in Richtung einer Einlassöffnung eines Gehäu- ses, das einen Raum zur Aufnahme des Rotors aufweist. Vorteilhaft wird eine Antriebsvor- richtung geschaffen, die selbst bei hohen Drehzahlen geräuscharm betreibbar ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rotorschaufeln im Umfangsrichtung des Rotors äquidistant voneinander beabstandet, wobei ein Abstand benachbarter Rotorschaufeln und eine Länge der Rotorschaufeln gemäß Goldenem Schnitt bestimmt sind. Obwohl denkbar ist, dass der Abstand benachbarter Rotorschaufeln dem kleineren Teil beim Goldenen Schnitt entspricht, ist dies nicht unbedingt erforderlich, die Länge der Rotorschaufeln kann dem klei- neren Teil entsprechen.
Entspricht beispielsweise die Länge der Rotorschaufeln dem kleineren Teil, ist deren Abstand größer als im umgekehrten Fall, in dem die Länge der Rotorschaufeln dem größeren Teil enstpricht.
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In beiden Fällen werden vorteilhaft trotz unterschiedlicher Abmessungen der Antriebsvorrich- LU102518 tung eine vergleichbare Leistung und ein vergleichbarer Wirkungsgrad erreicht.
Zweckmäßigerweise sind die Rotorschaufeln identisch ausgebildet. Vorteilhaft tritt im Betrieb keine Unwucht auf, Herstellungskosten sinken.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist ein Gehäuse, in das der Rotor einge- bracht ist, einen konischen Raum zur Aufnahme des Rotors auf. Eine kegel- oder pyramiden- stumpfförmige Ausbildung ist denkbar, vorzugsweise ist der Aufnahmeraum kegelstumpfför- mig. Innerhalb des Aufnahmeraumes sind der Rotorgrundkörper und die Rotorschaufeln voll- ständig angeordnet, Abschnitte stehen nicht auf dem Gehäuse heraus vor. Vorteilhaft werden keine Verwirbelungen gebildet, ein geräuscharmer Betrieb ist außerdem möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Rotorgehäuse eine Lufteintrittsöffnung sowie ı5 eine Luftaustrittsöffnung auf, wobei die Lufteintrittsöffnung kleiner ist als die Luftaustrittsöff- nung. Vorzugsweise sind die Öffnungen kreisrund.
Zweckmäßigerweise steht ein einer Lufteintrittsöffnung eines Rotorgehäuse, das einen Raum zur Aufnahme des Rotors aufweist, zugewandter Rotorabschnitt über die Deckfläche in zo Richtung der Lufteintrittsöffnung vor und/oder ein einer Luftaustrittsöffnung eines Rotorge- häuse, das einen Raum zur Aufnahme des Rotors aufweist, zugewandter Rotorabschnitt steht über die Grundfläche in Richtung der Luftaustrittsöffnung vor. Es wird sichergestellt, dass eine Strömung im Flugbetrieb an den Rotorgrundkörper anlegt, insbesondere an des- sen Mantelfläche an. Vorteilhaft werden Verwirbelungen oder Strömungsablösungen verhin- dert.
Es versteht sich, dass der Rotor durch einen Motor, der vorzugsweise über ein Getriebe mit dem Rotorgrundkörper verbunden ist, drehbar ist. Obwohl der Motor als Elektromotor ausge- bildet sein kann, ist er vorzugsweise als Verbrennungsmotor ausgebildet, insbesondere als 3o Drehkolbenmotor.
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Claims (11)

Patentansprüche: LU102518
1. Antriebsvorrichtung (1) für ein Luftfahrzeug, die einen Rotor (2; 2b; 2c) mit einem ro- tationssymmetrischen Rotorgrundkörper (4-4c) und mit an dem Rotorgrundkörper (4- 4c) angebrachten Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) aufweist, wobei der Rotorgrundkörper (4-4c) und die Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) von Luft umströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Senkrechte (20; 20c) auf eine Verbindungslinie (17; 17c), entlang der die Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) mit dem Rotorgrundkörper (4-4c) wenigstens teilweise ver- bunden sind, die Verbindungslinie (20; 20c) in zwei gleich große Abschnitte (22) teilt und eine dem Rotorgrundkörper (4-4c) abgewandte Endkante (24) der Rotorschau- feln (3; 3b; 3c) in zwei Endkantenabschnitte (25, 26; 25c, 26c) geteilt ist, deren Län- gen L; und L; gemäß Goldenem Schnitt ausgebildet sind, wobei als Goldener Schnitt das Teilungsverhältnis einer Strecke bezeichnet wird, bei dem ein Verhältnis eines Ganzen (L.tL,) zu seinem größeren Teil (L; oder L,) einem Verhältnis eines größeren (L; oder L;) zu einem kleineren Teil (L. oder L,) gleich ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorgrundkörper (4-4c) kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei ein Durch- messer d, der Deckfläche (5; 5a; 5c) sowie der Grundfläche (16; 16c) d, anhand des Goldenen Schnitts bestimmt sind, wobei der Durchmesser d, der Deckfläche (5; 5a; 5c) dem kleineren Teil des Goldenen Schnitts entspricht, und der Durchmesser d, der Grundfläche (16; 16c) der Summe aus dem Durchmesser d, der Deckflache und dem doppelten des größeren Teils des Goldenen Schnitts entspricht.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorgrundkörper (4-4c) eine umlaufend abgerundete Kante (7; 7c) auf weist, vorzugsweise im Bereich eines Ubergangs einer Stirnflache zu einer Mantel- flache.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der längere (25; 25c) der beiden Endkantenabschnitte (25, 26; 25c, 26c) sich mit einer Richtungskomponente in Richtung einer Luftaustrittsöffnung (14; 14c) eines Seite 1/3
Gehäuses (9; 9c), das einen Raum zur Aufnahme des Rotors (2; 2b; 2c) aufweist, LU102518 erstreckt.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kürzere (26; 26c) der beiden Endkantenabschnitten (25, 26; 25c, 26c) sich mit einer Richtungskomponente in Richtung einer Einlassöffnung (12; 12c) eines Ge- häuses (9; 9c), das einen Raum zur Aufnahme des Rotors (2; 2b; 2c) aufweist, er- streckt.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) im Umfangsrichtung des Rotors (2; 2b; 2c) äquidi- stant voneinander beabstandet sind, wobei ein Abstand benachbarter Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) und eine Länge der Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) gemäß Goldenem Schnitt bestimmt sind.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (3; 3b; 3c) identisch ausgebildet sind.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (9; 9c), in das der Rotor (2; 2b; 2c) eingebracht ist, einen koni- schen Raum zur Aufnahme des Rotors (2; 2b; 2c) aufweist.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (9; 9c) eine Lufteintrittsöffnung (12; 12c) sowie eine Luft austrittsöffnung 14; 14c) aufweist, wobei die Lufteintrittsöffnung kleiner ist als die Luft austrittsöffnung.
10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein einer Lufteintrittsöffnung (12; 12c) eines Rotorgehäuse (9; 9c), das einen Raum zur Aufnahme des Rotors (2; 2b; 2c) aufweist, zugewandter Rotorabschnitt (26; 26c) über die Deckfläche (5; 5a; 5c) in Richtung der Lufteintrittsöffnung (12; 12c) Seite 2/3 vorsteht und/oder ein einer Luftaustrittsöffnung (14; 14c) eines Rotorgehäuse (9; 9c), LU102518 das einen Raum zur Aufnahme des Rotors (2; 2b; 2c) aufweist, zugewandter Rotor- abschnitt (25; 25c) über die Grundfläche (16; 16c) in Richtung der Luftaustrittsöff- nung (14; 14c) vorsteht.
11. Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug oder Drohne, das eine Antriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist. Seite 3/3
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