WO2017153610A1 - Mantelpropeller und drehflügelgerät - Google Patents

Mantelpropeller und drehflügelgerät Download PDF

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WO2017153610A1
WO2017153610A1 PCT/EP2017/055850 EP2017055850W WO2017153610A1 WO 2017153610 A1 WO2017153610 A1 WO 2017153610A1 EP 2017055850 W EP2017055850 W EP 2017055850W WO 2017153610 A1 WO2017153610 A1 WO 2017153610A1
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WO
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propeller
ducted
housing
drive
outlet opening
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/055850
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ranil BEYER
Original Assignee
Cooper Copter Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cooper Copter Gmbh filed Critical Cooper Copter Gmbh
Priority to EP17711602.7A priority Critical patent/EP3426555A1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/001—Shrouded propellers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/06—Varying effective area of jet pipe or nozzle
    • F02K1/08—Varying effective area of jet pipe or nozzle by axially moving or transversely deforming an internal member, e.g. the exhaust cone

Definitions

  • Sheath propeller and rotary wing device Sheath propeller and rotary wing device
  • the invention relates to a ducted propeller according to the preamble of claim 1, as well as a rotary vane apparatus with such ducted propellers according to claim 12.
  • Rotary vane devices having a plurality of rotors are well known in the art. Currently most widespread are quad, hexa and octocopters, which are defined by four, six or respectively eight essentially vertically downwardly acting rotors.
  • the advantage of rotary vane devices with multiple rotors is generally that the three axes axis longitudinal axis, transverse axis and vertical axis can be controlled solely by varying the thrust on the change in the speed of the individual rotors.
  • Sheath propellers can also be used for the propulsion of aircraft with wings or in mixed forms.
  • the rotors used in the prior art are open rotors or propellers.
  • a change in the speed has an immediate and virtually no delay on the effective thrust of the respective rotor.
  • the stabilization of the rotary wing device in the air via the continuous fine adjustment of the speed of the individual rotors.
  • speed and direction are controlled by the speed of the rotors.
  • ducted propellers can overcome these disadvantages. Nevertheless, meteorological propellers have so far had virtually no use in rotary vane devices.
  • the disadvantage of ducted propellers is that a change in the speed only with a slight delay generates a change in the thrust.
  • the aircraft flies very restless, since the correction control starts with a delay.
  • the aircraft has then already begun to correct the movement before the counter-control is effective. This, in turn, is detrimental to many drone-based applications, such as photography or measurement sensors.
  • Shell propellers of the prior art are thus unsuitable for use in rotary vane apparatus.
  • the present application is the object of the invention to provide shell propeller, which are characterized by a fast, direct response, so that the above-mentioned disadvantages of the prior art are overcome and the duct propeller can also be used as a drive for a rotary wing device.
  • Main features of the invention are specified in the characterizing part of claim 1 and claim 12. Embodiments are the subject of claims 2 to 1 1, and 13 and 14th
  • a ducted propeller with a housing having an inlet opening and an outlet opening, at least one in the housing about a rotation axis rotatably mounted propeller and a drive for the propeller, wherein the drive is adapted to set the propeller in rotation about the rotation axis, so by the propeller, an air flow is generated from the inlet opening through the housing to the outlet opening, is provided according to the invention that the ducted propeller further comprises control means for changing the free cross-sectional area of the outlet opening.
  • free cross-sectional area is meant that portion of the cross-sectional area which is not obstructed in any way allowing air to pass therethrough.Through the propeller, air is drawn into the housing through the inlet port and out of the housing from the outlet port In this case, the thrust produced by the ducted propeller depends on the amount of air that is expelled from the outlet opening, with a reduction in the free cross-sectional area of the outlet opening at an unchanged propeller speed decrease the amount of air discharged and thus directly from the thrust generated by the ducted propeller.
  • the thrust of the ducted propeller increases as the free cross-sectional area of the outlet opening is increased and the propeller speed is maintained
  • the thrust control of the ducted propeller according to the invention can be controlled solely by a change in the free cross-sectional area of the A outlet opening, while the speed of the propeller can remain unchanged.
  • the shrouded propeller according to the invention no longer has the inertia of known shrouded propellers in the event of a load change, so that the shrouded propeller can also be used in a rotary blade device without its flight characteristics being impaired compared to a rotary blade device with an uncoated propeller.
  • the housing is preferably made of metal or a rigid plastic, in particular carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the housing is at least partially cylindrical, with the propeller in the cylinder the shaped portion of the housing is arranged so that the axis of rotation is concentric with the cylindrical shape of the housing.
  • the drive is according to embodiments an electric drive.
  • the use of an electric drive has the advantage that electric motors always provide the same torque regardless of their speed and also characterized by a very good response. Thus, they are particularly suitable for applications where a high precision in the control of the speed of the ducted propeller is necessary.
  • the drive is preferably connected to a shaft on which the propeller is rotatably mounted, so that the drive via the shaft can transmit torque to the propeller.
  • the electric drive can be arranged according to embodiments together with the drive shaft in a preferably streamlined envelope directly in the air flow of the propeller within the housing. In this way, a very compact overall structure of the ducted propeller results.
  • such a ducted propeller is a self-contained unit, which only has to be connected to corresponding connections for the power supply and the control commands for drive and control means. A coupling with an external motor is not necessary.
  • control means are an element which is mounted so as to be longitudinally displaceable parallel to the axis of rotation.
  • the element is designed such that a displacement of the element along the axis of rotation leads to a change in the free cross-sectional area of the outlet opening of the housing.
  • the longitudinally displaceable element is for this purpose at least partially arranged in the region of the outlet opening and designed in its shape such that the element delimits the cross-sectional area of the outlet opening as a function of its position along the axis of rotation.
  • the limitation of the cross-sectional area of the outlet opening by the simple displacement of an element along the axis of rotation is a very easily controllable measure to selectively vary the free cross-sectional area of the outlet surface for thrust control.
  • the displacement can be realized by simple servomotors with a corresponding lifting mechanism.
  • the longitudinally displaceable element is preferably mounted concentrically to the axis of rotation.
  • the longitudinally displaceable element may in particular also be mounted in the elongate shell which receives the shaft of the rotor and the drive.
  • the longitudinally displaceable element with its storage completely within the housing of the Man- telpropellers be formed, resulting in a compact overall design. Due to the preferably streamlined design of the shell, while the flow channel formed by the housing is not or only slightly influenced, so that hardly turbulence within the air flow.
  • the longitudinally displaceable element has at least in sections a conical outer surface.
  • the conical outer surface preferably runs pointedly in the direction of the outlet opening. If such an element is displaced along the rotational axis of the ducted propeller such that it intersects the cross-sectional area of the outlet opening, the cross-sectional area of the outlet opening is restricted by the conical outer surface. In this case, in a further displacement of the element in the direction of the outlet opening to, the free cross-sectional area of the outlet opening continuously and thus easily controlled further limited.
  • an element with a conical outer surface is very well suited to selectively alter the free cross-sectional area of the outlet opening and thus to control the thrust generated by the duct propeller at a fixed propeller speed with high precision.
  • the controllability of the thrust can be further improved according to embodiments, when the housing has a conical outlet nozzle at its outlet opening.
  • the conical outer surface of the longitudinally displaceable element preferably runs parallel to the inner surface of the outlet nozzle.
  • the outlet nozzle has a variable opening angle.
  • the outlet nozzle may be used at least as part of the control means for varying the free cross-sectional area of the outlet opening.
  • Such an outlet nozzle with variable opening angle can be used alternatively or in addition to a longitudinally displaceable element for controlling the thrust generated by the ducted propeller.
  • the propeller has a plurality of propeller blades, wherein the angle of attack of the propeller blades is variable.
  • corresponding servomotors can be provided, for example, in the wing roots of the propeller blades.
  • the adjustment of the angle of attack of the propeller blades causes a change in the air flow through the housing at a certain speed.
  • adjustable propeller blades offer one Another possibility for regulating the thrust of the jacket propeller according to the invention.
  • an adjustment of the angle of attack of the blades of the propeller can be used in addition to the aforementioned measures for regulating the thrust.
  • the invention relates to a rotary vane apparatus having at least two ducted propellers as previously described.
  • the rotary vane apparatus further comprises an attitude control, which is designed for the attitude control of the rotary vane apparatus by changing the thrust generated by the duct propeller each.
  • the flight position controller is adapted to change the speed of the propeller and / or the angle of attack of the propeller blades and / or the free cross-sectional area of the outlet openings of the ducted propeller with the aid of the control means of the respective ducted propeller.
  • a "rotary wing device” is to be understood as a flying object which generates lift by means of rotating wings, and flying objects also include flying objects in which propulsion is generated by rotating blades, which is converted into buoyancy by means of appropriately designed wings.
  • the rotary vane apparatus may in particular comprise four, six or eight ducted propellers, as described above.
  • the ducted propellers are arranged, for example, in a plane.
  • the achievable accuracy of the control of the rotary blade device increases with increasing number of the shell propellers, as more degrees of freedom to control the attitude are available.
  • the rotary-wing device may be a drone, in particular a camera drone.
  • a particularly quiet flight attitude is necessary to be able to take sharp and unadulterated images. Therefore, the shell propeller described above, with their well-controlled thrust behavior are particularly suitable as a drive for camera drones.
  • FIG. 1 shows three schematic representations of a ducted propeller 100 in three different operating states.
  • the jacket propeller 100 has a housing 102 which is hollow cylindrical and has an inlet opening 104 and an outlet opening 106. Within the housing 102 while a propeller 108 is arranged.
  • the propeller 108 is a four-bladed propeller 108 whose propeller blades 110 have an airfoil shape.
  • the propeller 108 is rotatably mounted on a shaft (not shown).
  • a drive (not shown) is further arranged, which is adapted to enable the shaft with the arranged on the shaft of the propeller 108 in rotation about an axis of rotation R.
  • the rotation axis R is concentric with the cylindrical housing 102.
  • the drive is preferably an electric motor.
  • the drive is encapsulated in the embodiment shown together with the shaft in a shell 1 12.
  • the shell 1 12 is again designed streamlined by means of a cap 1 14 and extends along the axis of rotation R in the housing 102.
  • the propeller 108 When the propeller 108 is rotated by the drive, the propeller 108 sucks air into the housing 102 through the inlet opening 104 and squeezes it out of the housing 102 through the outlet opening 106. Effectively, an air flow thus results through the housing 102.
  • the amount of air emerging from the outlet opening 106 generates a thrust.
  • the exiting at a certain speed of the propeller 108 from the outlet opening 106 air quantity is dependent on the free cross-sectional area of the outlet opening 106.
  • an outlet nozzle 1 16 is arranged in the illustrated embodiment, which tapers away from the housing 102 conically.
  • the cross-sectional area of the outlet opening 106 corresponds to the cross-sectional area of the outlet nozzle 16 at its end remote from the inlet opening 104.
  • a lijnsverschiebiezing stored element 1 18 is also arranged within the housing 102.
  • the element 1 18 is in this case mounted in the casing 1 12 and has at its outlet-side end portion a conical lateral surface 120, which, like the outlet nozzle 16, tapers in the direction away from the inlet opening 104.
  • the angle of inclination of the lateral surface 120 relative to the axis of rotation R preferably corresponds to the angle of inclination of the outlet nozzle 16 (opening angle) with respect to the axis of rotation R.
  • the length of the conically shaped portion 120 of the element 1 18 along the axis of rotation R corresponds exactly to the length in the illustrated embodiment the outlet nozzle 1 16 in the direction of R.
  • the longitudinally displaceable element 11 is retracted maximally into the shell 11, so that the tip of the conical section 120 extends straight up to the cross-sectional area of the outlet opening 106. Accordingly, the full cross-sectional area of the outlet opening 106 is available as a free cross-sectional area.
  • this operating condition represents the maximum thrust condition because the maximum cross-sectional area is available for the airflow generated by the propeller 108. The air flow through the housing 102 of the ducted propeller 100 is thus maximum for a given propeller speed.
  • the element 1 18 has been further extended by the hub 124 from the shell 1 12 along the axis of rotation R rotation. Due to the conical outer surface of the portion 120, the free cross-sectional area of the outlet opening 106 is now further restricted by the element 1 18, so that the 100 thrust generated by the ducted propeller at a fixed propeller speed compared to the operating state of Fig. 1 b) is further reduced. In the manner described above, the thrust of a ducted propeller can be regulated quickly and without delay with simple and easily controllable means.
  • the element 1 18 may take any shape which is suitable to restrict by a displacement of the element 1 18 along the axis of rotation R, the free cross-sectional area 106 of the outlet opening.
  • the outlet nozzle 16 can be designed, for example, such that the opening angle of the outlet nozzle 16 can be changed by appropriate servomotors. In this case, the change in the opening angle of the outlet nozzle 1 16 can be used alternatively or in addition to the element 1 18 for changing the free cross-sectional area of the outlet opening 106.
  • the thrust control described above is particularly suitable for a short-term, spontaneous thrust regulation of the ducted propeller 100. It can also be provided in addition that the airflow generated by the propeller 108 by a change in the propeller speed and / or a change in the Angle of the propeller blades 1 10 is changed to vary the thrust generated. For example, it can be provided that at an intended thrust increase of the ducted propeller 100 at the same time the propeller speed or the angle of attack of the propeller blades 1 10 changed and the element 1 18 are moved. The element 1 18 ensures a spontaneous implementation of the control command. As soon as the thrust increase due to the changed propeller speed or the changed angle of attack of the propeller blades 1 10 acts, the element 1 18 can be moved back to its original position. Thus, the element 1 18 serves a short term attitude control, while the operating parameters of the propeller 108 can be used for long term attitude control.
  • the starting position of the element 1 18 so that it is both possible to reduce the free cross-sectional area of the outlet opening 106 by a displacement of the element 1 18 as well as to increase.
  • the position shown in Fig. 1 b) would be suitable as a starting position, since both the enlargement (Fig. 1 a)), as well as a reduction (Fig. 1 c)) of the free cross-sectional area of the outlet opening 106 is possible.
  • a center position can be selected, from which an enlargement or reduction of the cross-sectional area of the outlet opening 106 can take place by changing the opening angle of the outlet nozzle 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mantelpropeller (100) mit einem Gehäuse (102) mit einer Einlassöffnung (104) und einer Auslassöffnung (106), wenigstens einem in dem Gehäuse (102) um eine Rotationsachse (R) drehbar gelagerten Propeller (108) und einem Antrieb für den Propeller (108), wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, den Propeller (108) in Rotation um die Rotationsachse (R) zu versetzen, sodass durch den Propeller (108) ein Luftstrom von der Einlassöffnung (104) durch das Gehäuse (102) zur Auslassöffnung (106) erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Mantelpropeller (100) ferner Steuermittel (116, 118) zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung (106) aufweist.

Description

Mantelpropeller und Drehflügelgerät
Die Erfindung betrifft einen Mantelpropeller gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 , sowie ein Drehflügelgerät mit solchen Mantelpropellern nach Anspruch 12.
Drehflügelgeräte mit einer Mehrzahl von Rotoren sind im Stand der Technik gut bekannt. Derzeit am weitesten verbreitet sind Quad-, Hexa- und Oktokopter, die durch vier, sechs oder respektive acht im Wesentlichen senkrecht nach unten wirkende Rotoren definiert sind. Der Vorteil von Drehflügelgeräten mit mehreren Rotoren besteht im Allgemeinen darin, dass die drei Flugachsen Längsachse, Querachse und Hochachse allein durch Variation des Schubs über die Veränderung der Drehzahl der einzelnen Rotoren angesteuert werden können. Mantelpropeller können aber auch für den Vortrieb von Fluggeräten mit Tragflächen oder in Mischformen zum Einsatz kommen. Die verwendeten Rotoren im Stand der Technik sind offene Rotoren oder Propeller. Eine Veränderung der Drehzahl wirkt sich unmittelbar und quasi ohne Verzögerung auf den wirkenden Schub des jeweiligen Rotors aus. Die Stabilisierung des Drehflügelgerätes in der Luft erfolgt über die ständige Feinregulierung der Drehzahl der einzelnen Rotoren. Ebenso werden Ge- schwindigkeit und Richtung über die Drehzahl der Rotoren gesteuert.
Die Nachteile der im Stand der Technik verwendeten offenen Rotoren sind ein großer Durchmesser im Verhältnis zur Schubkraft, große Verletzungsgefahr an den offenen, scharfen, schnell drehenden Rotorblättern, die Absturzgefahr wenn der offene Rotor im Flug mit einem Objekt in Berührung kommt und dadurch beschädigt wird und Vibrationen auf der Trägerplattform durch den im Strömungskanal des Rotors liegenden Ausleger an welchem der jeweilige Rotor befestigt ist.
Die Verwendung von Mantelpropellern kann diese Nachteile überwinden. Dennoch finden Man- telpropeller bislang so gut wie keine Verwendung in Drehflügelgeräten. Der Nachteil von Mantelpropellern ist, dass eine Änderung der Drehzahl erst mit geringer Verzögerung auch eine Änderung der Schubkraft erzeugt. Dadurch ist die Stabilisierung des Fluggeräts in der Luft nicht im gleichen Maße möglich wie mit offenen Rotoren. Das Fluggerät fliegt sehr unruhig, da die Korrektursteuerung verzögert einsetzt. Das Fluggerät hat dann die zu korrigierende Bewegung bereits begonnen, bevor die Gegensteuerung wirksam wird. Dies ist wiederum abträglich für viele drohnenbasierte Anwendungen, wie Fotografie oder Messsensorik. Mantelpropeller nach dem Stand der Technik sind somit ungeeignet für die Verwendung in Drehflügelgeräten.
Gleichermaßen gibt es auch bei Richtungsänderungen oder Beschleunigung und Abbremsung eine kleine Verzögerung bis die veränderte Drehzahl sich in eine Schubänderung und somit eine Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderung umsetzt. Das Fluggerät ist insgesamt träge im Ansprechverhalten und der Reaktion auf Steuerungsbefehle. Dies erschwert das präzise Steuern, erhöht den notwendigen Sicherheitsabstand und schränkt den Anwendungsbereich eines Drehflügelgerätes mit Mantelpropeller stark ein.
Der vorliegenden Anmeldung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde Mantelpropeller zu schaffen, welche sich durch ein schnelles, direktes Ansprechverhalten auszeichnen, sodass die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und die Mantelpropeller auch als Antrieb für ein Drehflügelgerät genutzt werden können. Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 , sowie Anspruch 12 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 1 1 , sowie 13 und 14.
Bei einem Mantelpropeller mit einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, wenigstens einem in dem Gehäuse um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Propeller und einem Antrieb für den Propeller, wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, den Propeller in Rotation um die Rotationsachse zu versetzen, sodass durch den Propeller ein Luftstrom von der Einlassöffnung durch das Gehäuse zur Auslassöffnung erzeugt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mantelpropeller ferner Steuermittel zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung aufweist. Unter der„freien Querschnittsfläche" ist dabei jener Anteil der Querschnittsfläche zu verstehen, welcher nicht in irgendeiner Weise blockiert ist, sodass Luft durch ihn hindurchströmen kann. Durch den Propeller wird Luft in das Gehäuse durch die Einlassöffnung eingesaugt und aus der Auslassöffnung wieder aus dem Gehäuse herausgepresst. Dabei ist der durch den Mantelpropeller erzeugte Schub abhängig von der Luftmenge, das aus der Auslassöffnung ausgestoßen wird. Bei einer Verkleinerung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung nehmen dabei bei einer unveränderten Propellerdrehzahl die ausgestoßene Luftmenge und damit direkt der durch den Mantelpropeller erzeugte Schub ab. Analog nimmt der Schub des Mantelpropellers zu, wenn die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnung vergrößert und die Propellerdrehzahl beibehalten wird. Somit kann die Schubregelung des erfindungsgemäßen Mantelpropellers allein durch eine Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung erfolgen, während die Drehzahl des Propellers unverändert bleiben kann.
Ferner verursacht eine Veränderung der freien Querschnittsfläche bei gleichbleibender Propellerdrehzahl eine direkte und unverzögerte Schubänderung. Somit weist der erfindungsgenmäße Mantelpropeller nicht länger die Trägheit bekannter Mantelpropeller bei einer Laständerung auf, sodass der Mantelpropeller auch in einem Drehflügelgerät verwendet werden kann, ohne dass dessen Flugeigenschaften gegenüber einem Drehflügelgerät mit einem unummantelten Propeller verschlechtert würden.
Das Gehäuse ist dabei vorzugsweise aus Metall oder einem steifen Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt. Nach Ausführungsformen ist das Gehäuse zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet, wobei der Propeller in dem zylin- derförmigen Abschnitt des Gehäuses so angeordnet ist, dass die Rotationsachse konzentrisch mit der Zylinderform des Gehäuses ist.
Bei dem Antrieb handelt es sich nach Ausführungsformen um einen elektrischen Antrieb. Die Verwendung eines elektrischen Antriebs hat dabei den Vorteil, dass Elektromotoren unabhängig von Ihrer Drehzahl stets dasselbe Drehmoment zur Verfügung stellen und sich ferner durch ein sehr gutes Ansprechverhalten auszeichnen. Somit sind sie insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen eine hohe Präzision bei der Steuerung der Drehzahl der Mantelpropeller notwendig ist. Der Antrieb ist dabei vorzugsweise mit einer Welle verbunden, an der der Propel- ler drehfest gelagert ist, sodass der Antrieb über die Welle ein Drehmoment auf den Propeller übertragen kann. Der elektrische Antrieb kann dabei nach Ausführungsformen zusammen mit der Antriebswelle in einer vorzugsweise stromlinienförmigen Hülle direkt in dem Luftstrom des Propellers innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr kompakter Gesamtaufbau des Mantelpropellers. Ferner ist ein solcher Mantelpropeller eine in sich abgeschlossene Einheit, die lediglich mit entsprechenden Anschlüssen für die Energieversorgung und die Steuerbefehle für Antrieb und Steuermittel verbunden werden muss. Eine Kopplung mit einem externen Motor ist nicht notwendig.
Bei den Steuermitteln handelt es sich nach einer bevorzugten Ausführungsform um ein parallel zu der Rotationsachse längsverschieblich gelagertes Element. Das Element ist dabei so ausgestaltet, dass eine Verschiebung des Elements entlang der Rotationsachse zu einer Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung des Gehäuses führt. Das längsverschiebliche Element ist dazu zumindest teilweise im Bereich der Auslassöffnung angeordnet und in seiner Form so ausgeführt, dass das Element die Querschnittsfläche der Auslassöffnung in Abhängigkeit von seiner Position entlang der Rotationsachse begrenzt. Die Begrenzung der Querschnittsfläche der Auslassöffnung durch die einfache Verschiebung eines Elements entlang der Rotationsachse stellt eine sehr einfach steuerbare Maßnahme dar, um die freie Querschnittsfläche der Auslassfläche zur Schubsteuerung gezielt zu variieren. Die Verschiebung kann dabei durch einfache Servomotoren mit einem entsprechenden Hubmechanismus reali- siert werden.
Dabei ist das längsverschiebliche Element vorzugsweise konzentrisch zu der Rotationsachse gelagert. Das längsverschiebliche Element kann dabei insbesondere auch in der länglichen Hülle gelagert sein, welche die Welle des Rotors und den Antrieb aufnimmt. Somit kann das längsverschiebliche Element mit seiner Lagerung vollständig innerhalb des Gehäuses des Man- telpropellers ausgebildet sein, was einen kompakten Gesamtaufbau ergibt. Aufgrund der vorzugsweise stromlinienförmigen Ausgestaltung der Hülle, wird dabei der durch das Gehäuse gebildete Strömungskanal nicht oder nur geringfügig beeinflusst, sodass kaum Verwirbelungen innerhalb des Luftstroms entstehen.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist das längsverschiebliche Element zumindest abschnittsweise eine konische Au ßenfläche auf. Dabei läuft die konische Außenfläche vorzugsweise in Richtung auf die Auslassöffnung hin spitz zu. Wird ein solches Element so entlang der Rotationsachse des Mantelpropellers verschoben, dass es die Querschnittsfläche der Auslass- Öffnung schneidet, wird die Querschnittsfläche der Auslassöffnung durch die konische Außenfläche beschränkt. Dabei wird bei einer weiteren Verschiebung des Elements in Richtung auf die Auslassöffnung zu, die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnung kontinuierlich und somit gut steuerbar weiter eingeschränkt. Somit ist ein Element mit einer konischen Außenfläche sehr gut geeignet, die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnung gezielt zu verändern und somit den durch den Mantelpropeller erzeugten Schub bei fester Propellerdrehzahl mit hoher Präzision zu steuern.
Die Steuerbarkeit des Schubs kann dabei nach Ausführungsformen weiter verbessert werden, wenn das Gehäuse an seiner Auslassöffnung eine konische Auslassdüse aufweist. Dabei ver- läuft die konische Au ßenfläche des längsverschieblichen Elements vorzugsweise parallel zu der Innenfläche der Auslassdüse.
Bei Verwendung einer Auslassdüse an der Auslassöffnung des Gehäuses ist nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Auslassdüse einen veränderbaren Öffnungswinkel aufweist. In diesem Fall kann die Auslassdüse zumindest als Teil der Steuermittel zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung verwendet werden. Eine solche Auslassdüse mit veränderlichem Öffnungswinkel kann dabei alternativ oder zusätzlich zu einem längsverschieblichen Element zur Steuerung des durch den Mantelpropeller erzeugten Schubs verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Propeller eine Vielzahl von Propellerflügeln auf, wobei der Anstellwinkel der Propellerflügel veränderbar ist. Hierzu können beispielweise in den Flügelwurzeln der Propellerflügel entsprechende Stellmotoren vorgesehen sein. Die Verstellung des Anstellwinkels der Propellerflügel verursacht bei einer bestimmten Drehzahl eine Verände- rung des Luftdurchsatzes durch das Gehäuse. Somit bieten verstellbare Propellerflügel eine weitere Möglichkeit zur Regulierung des Schubs des erfindungsgemäßen Mantelpropellers. Dabei kann eine Verstellung des Anstellwinkels der Flügel des Propellers zusätzlich zu den zuvor genannten Maßnahmen zur Regulierung des Schubs verwendet werden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Drehflügelgerät mit wenigstens zwei Mantelpropellern, wie sie zuvor beschrieben wurden. Dabei weist das Drehflügelgerät ferner einen Fluglageregler auf, welcher zur Fluglageregelung des Drehflügelgeräts durch Veränderung des durch die Mantelpropeller jeweils erzeugten Schubs ausgebildet ist. Hierzu ist der Fluglageregler dazu ausgebildet, die Drehzahl der Propeller und/oder den Anstellwinkel der Propellerflügel und/oder die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnungen der Mantelpropeller mit Hilfe der Steuermittel der jeweiligen Mantelpropeller zu verändern. Unter einem„Drehflügelgerät" ist dabei ein Flugobjekt zu verstehen, welches mittels rotierender Flügel Auftrieb erzeugt. Ferner zählen zu den Drehflügelgeräten auch Flugobjekte, bei denen durch rotierende Flügel ein Vortrieb erzeugt wird, welcher mittels entsprechend ausgebildeter Tragflächen in Auftrieb umgesetzt wird.
Nach Ausführungsformen kann das Drehflügelgerät dabei insbesondere vier, sechs oder acht Mantelpropeller aufweisen, wie sie zuvor beschrieben wurden. Die Mantelpropeller sind dabei beispielsweise in einer Ebene angeordnet. Die erzielbare Genauigkeit der Steuerung des Dreh- flügelgeräts nimmt dabei mit zunehmender Zahl der Mantelpropeller zu, da mehr Freiheitsgrade zur Regelung der Fluglage vorhanden sind.
Bei dem Drehflügelgerät kann es sich nach Ausführungsformen um eine Drohne, insbesondere um eine Kameradrohne handeln. Gerade bei Kameradrohnen ist eine besonders ruhige Flugla- ge notwendig, um scharfe und unverwackelte Bilder aufnehmen zu können. Daher eignen sich die zuvor beschriebenen Mantelpropeller mit ihrem gut regelbaren Schubverhalten insbesondere als Antrieb für Kameradrohnen.
Auch größere Fluggeräte können mit den erfindungsgemäßen Mantelpropellern ausgerüstet sein. Bei bemannten Fluggeräten ist der Vorteil der geschützten Rotoren wegen der nicht vorhandenen Verletzungsgefahr von besonderem Vorteil. Schließlich können auch Fluggeräte mit Tragflächen oder Mischformen mit den erfindungsgemäßen Mantelpropellern ausgestattet sein, wo diese für den Vor- und/oder Auftrieb eingesetzt werden können. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt: Fig. 1 drei schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines Mantelpropellers in unterschiedlichen Betriebszuständen.
Die Figur 1 zeigt drei schematische Darstellungen eines Mantelpropellers 100 in drei verschiedenen Betriebszuständen. Der Mantelpropeller 100 weist dabei ein abschnittswese hohlzylindri- sches Gehäuse 102 mit einer Einlassöffnung 104 und einer Austrittsöffnung 106 auf. Innerhalb des Gehäuses 102 ist dabei ein Propeller 108 angeordnet. In der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Propeller 108 um einen vierflügeligen Propeller 108, dessen Propellerflügel 1 10 eine Tragflächenform aufweisen. Der Propeller 108 ist an einer Welle (nicht dargestellt) drehfest gelagert. An der Welle ist ferner ein Antrieb (nicht dargestellt) angeordnet, welcher dazu ausgebildet ist, die Welle mit dem an der Welle angeordneten Propeller 108 in Rotation um eine Rotationsachse R zu versetzen. Die Rotationsachse R ist dabei konzentrisch mit dem zylinderförmigen Gehäuse 102.
Bei dem Antrieb handelt es sich dabei vorzugsweise um einen Elektromotor. Der Antrieb ist in der dargestellten Ausführungsform gemeinsam mit der Welle in einer Hülle 1 12 gekapselt. Die Hülle 1 12 ist wiederum mittels einer Kappe 1 14 stromlinienförmig ausgestaltet und erstreckt sich entlang der Rotationsachse R in dem Gehäuse 102. Wird der Propeller 108 von dem Antrieb in Rotation versetzt, saugt der Propeller 108 durch die Einlassöffnung 104 Luft in das Gehäuse 102 ein und presst sie durch die Auslassöffnung 106 wieder aus dem Gehäuse 102 her- aus. Effektiv entsteht so ein Luftstrom durch das Gehäuse 102. Durch die aus der Austrittsöffnung 106 austretende Luftmenge wird dabei ein Schub erzeugt. Die bei einer bestimmten Drehzahl des Propellers 108 aus der Auslassöffnung 106 austretende Luftmenge ist dabei abhängig von der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106. An der Auslassöffnung 106 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Auslassdüse 1 16 angeordnet, welche sich von dem Gehäuse 102 weg konisch verjüngt. Die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 entspricht dabei der Querschnittsfläche der Auslassdüse 1 16 an ihrem der Einlassöffnung 104 abgewandten Ende. Innerhalb des Gehäuses 102 ist ferner ein längsver- schieblich gelagertes Element 1 18 angeordnet. Das Element 1 18 ist dabei in der Hülle 1 12 ge- lagert und weist an seinem auslassseitigen Endabschnitt eine konische Mantelfläche 120 auf, welche sich wie die Auslassdüse 1 16 in Richtung von der Einlassöffnung 104 weg verjüngt. Dabei entspricht der Neigungswinkel der Mantelfläche 120 gegenüber der Rotationsachse R vorzugsweise dem Neigungswinkel der Auslassdüse 1 16 (Öffnungswinkel) gegenüber der Rotationsachse R. Die Länge des konisch geformten Abschnitts 120 des Elements 1 18 entlang der Rotationsachse R entspricht dabei in der dargestellten Ausführungsform genau der Länge der Auslassdüse 1 16 in Richtung R.
In dem in Fig. 1 a) dargestellten Betriebszustand des Mantelpropellers 100 ist das längsver- schiebliche Element 1 18 maximal in die Hülle 1 12 eingefahren, sodass sich die Spitze des ko- nischen Abschnitts 120 grade bis zu der Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 erstreckt. Als freie Querschnittsfläche steht demnach die volle Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 zur Verfügung. Bei einer bestimmten Propellerdrehzahl stellt dieser Betriebszustand den Zustand mit maximalem Schub dar, da die maximale Querschnittsfläche für den durch den Propeller 108 erzeugten Luftstrom zur Verfügung steht. Der Luftdurchsatz durch das Gehäuse 102 des Mantelpropellers 100 ist somit für eine gegebene Propellerdrehzahl maximal.
In Fig. 1 b) wurde das Element 1 18 um einen Hub 122 aus der Hülle 1 12 entlang der Rotationsachse R ausgefahren. Als Folge durchstößt der konische Abschnitt 120 des Elements 1 18 nun die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106, sodass die freie Querschnittsfläche durch die Anwesenheit eines Abschnitts des Elements 1 18 beschränkt wird. Für eine gegebene Propellerdrehzahl sinkt demnach der Luftdurchsatz, wodurch der durch den Mantelpropeller 100 erzeugte Schub gegenüber dem in Fig. 1 a) dargestellten Betriebszustand abnimmt.
In Fig. 1 c) wurde das Element 1 18 um den Hub 124 weiter aus der Hülle 1 12 entlang der Rota- tionsachse R ausgefahren. Aufgrund der konischen Außenfläche des Abschnitts 120 wird die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 nun durch das Element 1 18 noch weiter eingeschränkt, sodass der durch den Mantelpropeller erzeugte 100 Schub bei einer festen Propellerdrehzahl gegenüber dem Betriebszustand der Fig. 1 b) weiter reduziert ist. Auf die zuvor beschriebene Art und Weise kann mit einfachen und gut steuerbaren Mitteln der Schub eines Mantelpropellers schnell und unverzögert reguliert werden.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So kann das Element 1 18 jede beliebige Form annehmen, welche dazu geeignet ist, durch eine Verschiebung des Elements 1 18 entlang der Rotationsachse R die freie Querschnittsfläche 106 der Auslassöffnung zu beschränken. Ferner ist es auch möglich die Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 an sich zu verändern. Hierzu kann die Auslassdüse 1 16 beispielsweise so ausgeführt werden, dass der Öffnungswinkel der Auslassdüse 1 16 durch entsprechende Stellmotoren veränderbar ist. Dabei kann die Änderung des Öffnungswinkels der Auslassdüse 1 16 alternativ oder zusätzlich zu dem Element 1 18 zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 verwendet werden. Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, eignet sich die vorstehend beschriebene Schubregelung insbesondere für eine kurzfristige, spontane Schubregulierung des Mantelpropellers 100. Es kann durchaus zusätzlich vorgesehen sein, dass auch der durch den Propeller 108 erzeugte Luftstrom durch eine Veränderung der Propellerdrehzahl und/oder eine Veränderung der Anstellwinkel der Propellerflügel 1 10 verändert wird, um den erzeugten Schub zu variieren. Bei- spielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer beabsichtigten Schuberhöhung des Mantelpropellers 100 gleichzeitig die Propellerdrehzahl oder der Anstellwinkel der Propellerflügel 1 10 verändert und das Element 1 18 verschoben werden. Das Element 1 18 sorgt dabei für eine spontane Umsetzung des Steuerbefehls. Sobald die Schuberhöhung aufgrund der veränderten Propellerdrehzahl bzw. der veränderten Anstellwinkel der Propellerflügel 1 10 wirkt, kann das Element 1 18 wieder in seine Ausgangsposition zurückgefahren werden. Somit dient das Element 1 18 einer kurzfristigen Fluglageregelung, während die Betriebsparameter des Propellers 108 für eine langfristige Fluglageregelung genutzt werden können.
Dabei ist es sinnvoll, die Ausgangsposition des Elements 1 18 so zu wählen, dass es sowohl möglich ist, die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 durch eine Verschiebung des Elements 1 18 zu verkleinern als auch zu vergrößern. Beispielsweise wäre die in Fig. 1 b) dargestellte Stellung als Ausgangsposition geeignet, da sowohl eine Vergrößerung (Fig. 1 a)), als auch eine Verkleinerung (Fig. 1 c)) der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 möglich ist. Analog kann bei einer Auslassdüse 1 16 mit veränderlichem Öffnungswinkel eine Mittel- Stellung gewählt werden, von der aus eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Querschnittsfläche der Auslassöffnung 106 durch eine Veränderung des Öffnungswinkels der Auslassdüse 1 16 erfolgen kann.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merk- male und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Ver- fahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichen liste
100 Mantelpropeller
102 Gehäuse
104 Einlassöffnung
106 Auslassöffnung
108 Propeller
110 Propellerflügel
112 Hülle
114 Kappe
116 Auslassdüse
118 längsverschiebliches Element
120 konischer Abschnitt
122 Hub

Claims

Patentansprüche
Mantelpropeller (100) mit einem Gehäuse (102) mit einer Einlassöffnung (104) und einer Auslassöffnung (106), wenigstens einem in dem Gehäuse (102) um eine Rotationsachse (R) drehbar gelagerten Propeller (108) und einem Antrieb für den Propeller (108), wobei der Antrieb dazu ausgebildet ist, den Propeller (108) in Rotation um die Rotationsachse (R) zu versetzen, sodass durch den Propeller (108) ein Luftstrom von der Einlassöffnung (104) durch das Gehäuse (102) zur Auslassöffnung (106) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelpropeller (100) ferner Steuermittel (1 1 6, 1 18) zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Auslassöffnung (106) aufweist.
Mantelpropeller (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Antrieb um einen elektrischen Antrieb handelt.
Mantelpropeller (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (108) drehfest an einer Welle angeordnet ist, wobei der Antrieb mit der Welle verbunden ist, sodass der Antrieb über die Welle ein Drehmoment auf den Propeller (108) übertragen kann, wobei der Antrieb und die Welle in einer länglichen Hülle (1 12) angeordnet sind, welche sich entlang der Rotationsachse (R) innerhalb des Gehäuses (102) erstreckt.
Mantelpropeller (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Steuermitteln (1 18) um ein parallel zu der Rotationsachse (R) längsverschieblich gelagertes Element (1 18) handelt.
Mantelpropeller (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das längsverschiebliche Element (1 18) rotationssymmetrisch ist und konzentrisch zu der Rotationsachse (R) gelagert ist.
Mantelpropeller (100) nach Anspruch 3 in Kombination mit Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das längsverschiebliche Element (1 18) zumindest abschnittsweise in der länglichen Hülle (1 12) gelagert ist.
7. Mantelpropeller (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das längsverschiebliche Element (1 18) zumindest abschnittsweise eine konische Außenfläche (120) aufweist.
8. Mantelpropeller (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (102) an seiner Auslassöffnung (106) eine konische Auslassdüse (1 1 6) aufweist.
9. Mantelpropeller (100) nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Außenfläche (120) des längsverschieblichen Elements (1 18) parallel zu der Innenfläche der Auslassdüse (1 1 6) verläuft.
10. Mantelpropeller (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Auslassdüse einen veränderbaren Öffnungswinkel aufweist.
1 1 . Mantelpropeller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (108) eine Vielzahl von Propellerflügeln (1 10) aufweist, wobei der Anstellwinkel der Propellerflügel (1 10) veränderbar ist.
12. Drehflügelgerät mit wenigstens zwei Mantelpropellern (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drehflügelgerät ferner einen Fluglageregler aufweist, welcher zur Fluglageregelung des Drehflügelgeräts durch Veränderung der Drehzahl der Propeller (108) und/oder Veränderung des Anstellwinkels der Propellerflügel (1 10) und/oder Veränderung der freien Querschnittsfläche der
Auslassöffnungen (106) der Mantelpropeller (100) mit Hilfe der Steuermittel (1 1 6, 1 18) der Mantelpropeller (100) ausgebildet ist.
13. Drehflügelgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehflü- gelgerät vier, sechs oder acht Mantelpropeller (100) aufweist.
14. Drehflügelgerät nach Anspruch 12 oder 13, wobei es sich bei dem Drehflügelgerät um eine Drohne, insbesondere eine Kameradrohne handelt.
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