WO2021151129A1 - Device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor - Google Patents

Device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor Download PDF

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WO2021151129A1
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Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor according to the preamble of claim 1 and a vehicle according to the preamble of claim 12.
  • the blade pitch of a propeller is usually designed and optimized for a certain speed and a certain air flow speed.
  • both the blade inclination and the blade profile of a propeller become continuously flatter from the inside to the outside.
  • the efficiency drops outside the optimal speed and rotational speed range of the rotor blades or rotor configuration.
  • Variable-pitch propellers are known from the prior art which allow the pitch of the rotor blades to be changed collectively either once before operation or continuously during operation and thus enable more efficient operation of the propeller over a larger speed and rotational speed range.
  • variable pitch propeller can also be used to generate reverse thrust and in some cases, for example in a glider with an auxiliary engine or multi-engine propeller machines, the rotor blades can be adjusted so that they can assume a so-called "sail position" to reduce air resistance
  • EP 3305657 A1 discloses an electric variable-pitch propeller with a rotating servomotor and sliding contacts.
  • so-called adjustment rotors are known from the prior art, which are used, for example, in helicopters.
  • the so-called swash plate which enables a mechanical arrangement for the cyclical adjustment of the blade inclination of rotors, is widely used in variable-displacement rotors. This change in the blade inclination during a rotor revolution enables, for example in helicopters, pitch and roll moments to be induced and a direction of flight to be initiated.
  • developments have been promoting the individual control of individual rotor blades by means of hydraulic or electrical actuators that rotate with them.
  • a swash plate mechanism known from the prior art is disclosed in US Pat. No. 1,828,783, for example.
  • EP 2692635 A1 discloses a device with which the rotor blades can be adjusted independently of one another by means of hydraulically operated control rods.
  • the disadvantage of the devices known from the prior art is that they usually have a complicated structure and the adjustment of the blade inclination of the individual rotor blades or the propellers are mechanically complex or have a large number of highly stressed mechanical elements and are therefore maintenance-intensive.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor which enables a simple and space-saving construction and manages with a small number of components.
  • control element can be rotated with the main rotor about the main axis, that the control element is designed and arranged in such a way that the control drive between the main rotor and the control element can apply a differential torque around the main axis, so that the blade inclination at least one of the Rotor blades in the blade axis when a differential torque is applied between the main drive and the control drive can be adjusted via the control element, and that the device has a control unit with which the control drive can be controlled and by means of which a positive or negative differential torque between the main drive and the Control drive can be specified on the control drive.
  • the features according to the invention make it possible to apply a differential torque between the main rotor and the control element via the control drive, so that the control element is rotated relative to the main rotor by this differential torque.
  • the rotation is then transmitted to the rotor blades via the control element, so that their inclination or the inclination of an individual rotor blade is adjusted in the blade axis.
  • the adjustment of the inclination in the blade axis causes different flow conditions along the rotor blade and can thus be optimized depending on flight operations.
  • the design according to the invention achieves a simple structure which can be easily maintained and which enables broad use.
  • the counter-torque to the controlling torque difference transmitted to the blade axis is generated either from aerodynamic forces resulting from an asymmetrical blade axis, friction in the blade bearing, a return spring or a mirrored configuration.
  • the control element has a lever mechanism, a gear or deflection gear, in particular a bevel gear, via which the differential torque between the control drive and the main drive acts as a torque on the rotor blades can be applied to adjust the inclination of the rotor blades in the blade axis.
  • a gear or deflection gear By transmitting the differential torque by means of a gear or deflection gear, the deflection of the differential torque from the main axis into the blade axis of the rotor blades can be achieved in a simple manner.
  • control drive is designed as an electric motor, the stator of which is arranged on the main axis, in particular coaxially to the main drive, the rotor of the control drive being connected to the control element in a torque-transmitting manner and an adjusting torque by means of the rotor of the control drive can be applied to the rotor blades via the control element.
  • the control drive can advantageously be designed as a direct current motor with a control unit as a four-quadrant controller, so that energy can be fed back into the system through recuperation, especially when a negative torque difference is commanded.
  • the device can have at least two angle sensors, the angle sensors being arranged in such a way that the angular position of the main rotor and the control element each have one Angle encoder can be detected and transmitted to the control and regulating unit, so that the angular position between the main rotor and the control and regulating unit Control element, can be specified via the regulation of the torque difference between the main rotor and the control element.
  • the device has an inclination limiting unit arranged between the main rotor and the control element, the inclination of the rotor blades in the blade axis by means of the inclination limiting unit can be limited, the inclination limiting unit being designed in particular as a stop or coupling element or spring, in particular a return spring.
  • a maximum inclination angle of the rotor blades can be specified so that, for example, if the drives fail, a so-called auto-rotation position or safety position can be adopted.
  • flow forces that occur during the operation of the device can only lead to a preset maximum inclination and thus reduce negative flight behavior.
  • control drive having at least one lever mechanism, the lever mechanism comprising a lever element which is arranged between the control element and the respective rotor blade, the lever element being connected to the respective rotor blade via a blade adjustment rod , wherein the lever element is designed and arranged such that the blade inclination of the rotor blades in the blade axis is adjustable when a differential torque is applied between the main drive and the control drive via the control element and the lever mechanism.
  • control drive is embodied multiple times, in particular doubly, redundantly, preferably mirrored with respect to the blade axis, in the device.
  • control drive provides that the control drive is arranged offset, in particular parallel, to the main axis, the rotation being transferable to the control element via a gear stage which is arranged between the control drive and the control element for deflecting and transmitting the torque.
  • gear stage which is arranged between the control drive and the control element for deflecting and transmitting the torque.
  • main rotor is arranged in a cylindrical ring and the rotor blades extend in the direction of the center of the ring towards the main axis, the device being designed in particular as a ring propeller or ring turbine .
  • control drive is designed as an electric motor, the stator of the control drive being arranged in particular coaxially to the main axis of the main rotor, the control drive having a number of independently controllable windings, a number corresponding to the number of rotor blades of control elements are arranged over the circumference of the stator of the control drive, the control elements each having a segmented rotor that is movable along the circumference of the control drive and each extending along a circumferential section of the control drive, the respective rotors being designed to be movable relative to one another along the circumference of the control drive are, wherein each control element is connected to the respective rotor blade via a gear or deflection gear, in particular a bevel gear, that the inclination of the rotor blades in the respective en blade axis can be adjusted independently of one another, and the control and regulating unit is designed in such a way that the individual coils of the control drive can be controlled differently by
  • control elements that can be moved relative to one another make it possible to adjust the individual control elements and thus the rotor blades independently of the other rotor blades. In this way, the respective control elements can be adjusted independently of one another at the same time via the controls for the individual windings. Furthermore, the design of the control drive as an electric motor enables a very compact and energy-saving design of the adjustment for individual rotor blades, which also works particularly effectively.
  • the device corresponds to one of the rotor blades Has a number of control drives, each control drive being connected to a rotor blade via a control element of the same design, with the inclination of the rotor blade connected to this control drive being adjustable when a differential torque is applied between the main drive and the respective control drive.
  • a device according to the invention is used in vehicles, in particular land vehicles, aircraft or watercraft.
  • the corresponding vehicle comprises at least one device according to the invention.
  • the vehicle comprises at least two devices according to the invention, the devices being arranged coaxially on a common rotor axis one behind the other and in particular being designed as counter-rotating propellers or counter-rotating dual-rotor configuration.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention in an isometric view
  • FIG. 2 shows a simplified schematic view of the embodiment according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an embodiment for the individual adjustment of the blade inclination for two or more rotor blades
  • FIG. 4 shows a device for adjusting the pitch of the rotor blades by means of a lever element
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the device according to the invention with an offset control drive
  • FIG. 6 shows an embodiment of the device according to the invention with redundant control elements and control drives
  • FIG. 7 shows an embodiment of the device as Double rotor configurations
  • Fig. 8 shows an embodiment of the device as a ring propeller configuration
  • Fig. 9 and Fig. 10 a further embodiment of the device for individual blade adjustment.
  • the device comprises a main drive 2 with a main rotor 3, which is driven about a main axis 1 by the main drive 2, so that the main rotor 3 rotates about the main axis 1.
  • the main drive 2 can, for example, be an electric motor, hydraulic motor or a drive driven by a turbine and has a main control unit 11 which drives the main rotor 3, designed for example as a rotor or propeller, in a rotary movement about the main axis 1.
  • a number of rotor blades 9, in this embodiment three rotor blades 9, are arranged on the main rotor 3, the respective blade axis 7 of which is arranged at right angles to the main axis 1 of the main drive 2.
  • the rotor blades 9 are at right angles to the main axis 1 of the main drive
  • a control drive 4 is arranged coaxially to the main drive 2 on the main axis 1, which is mechanically connected to the rotor blades 9 via a control element 5, so that the rotor blades 9 can be rotated or adjusted in the blade axis 7 by the control drive 4.
  • the control drive 4 is designed as an electric motor, the stator 41 of which is arranged on the main axis 1 of the main drive 2.
  • the rotor 42 of the control drive 4 is connected to the rotor blades 9 via the control element 5, the control element 5 having a bevel gear 8.
  • the bevel gear 8 consists of a ring gear 81 and three segmented bevel gears 82.
  • the segmented bevel gears 82 are each rotatably connected in the blade axis 7 to one of the rotor blades 9, so that the relative rotation of the ring gear 81 to the main rotor 3 results in an adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9 leads in the blade axis 7 and so the so-called pitch can be adjusted.
  • control element 5 rotates with the main rotor 3 about its main axis 1, so that the inclination of the rotor blades 9 remains constant. If a differential torque is now applied between the main drive 2 and the control drive 4, this causes a relative adjustment of the control element 5 to the main rotor
  • the control drive 4 also has a control and regulating unit 10 which controls the control drive 4 and by means of which a positive or negative differential torque between the main drive 1 and the control drive 4 or on the rotor 42 of the control drive 4 can be specified or applied.
  • the device also has two rotary encoders 13, 14, which are connected to the control element 10 and, according to internal parameters of the control element 10, for example via an instantaneous current or phase offset control, a defined torque difference between the main rotor 3 and the control element 5 is introduced or a desired one Angular offset with respect to the main rotor 3 can be regulated.
  • FIG. 3 a further embodiment of the device according to the invention is shown in a schematic representation.
  • the device according to the invention has two control drives 4a and 4b, one of the control drives 4a and 4b being connected to one of the rotor blades 9 via a respective control element 5a, 5b.
  • the control drives 4a, 4b are each designed as electric motors, their rotors 42a, 42b being connected to the respective rotor blade 9 by means of a mutually decoupled bevel gear 8.
  • the rotor blades 9 or the bevel gears 8 can be controlled independently of one another via the control drives 4a, 4b, so that the individual rotor blades 9 can be adjusted individually and independently of one another in the blade axis 7.
  • the blade inclination of the rotor blades 9 can be set differently for each rotor blade 9 and an advantageous flight behavior can be achieved in this way.
  • a rotary encoder 13 is provided for each of the control drives 4a, 4b, the measured values of which are transmitted to the control and regulation unit 10 and the control drives 4a, 4b designed as electric motors can be regulated or set in this way by the control and regulation unit 10.
  • control element 10 on the control drive 4a can apply a different torque difference to the main rotor 3 than on the control drive 4b, as a result of which, via the bevel gear 8a, a different blade inclination of the rotor blade connected to the control drive 4a in contrast to the rotor blade 9 connected to the control drive 4b can be adjusted.
  • the rotor blades 9 can be adjusted independently of one another in the blade axis 7 over one revolution of the main rotor 3, thereby achieving advantageous flow conditions on the rotor blades 9 in different circumferential sections of the main rotor 3.
  • the respective control drives 4a, 4b or their control elements 5a, 5b with the bevel gears 8a, 8b each rotate with the main drive 2 and only take effect when applied of a differential torque to the main drive 2 or to the main rotor 3, an adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9.
  • a further embodiment of the device according to the invention is shown.
  • the control elements 5a, 5b each have, in addition to the bevel gear 8a, 8b, a lever mechanism which each connects the bevel gear 8a, 8b to the rotor blades.
  • the lever mechanism in each case has a lever element 21 which adjusts a blade adjustment rod 22 in the direction of the main axis 1 of the main rotor 3 and can adjust the blade inclination of the rotor blades 9 in this way.
  • the height difference can thus advantageously be compensated for by the stacked control drives 4a, 4b and a compact and simple structure can be provided in this way.
  • Fig. 5 an alternative embodiment of the control drive 4 is shown.
  • the control drive 4 is in turn designed as an electric or hydraulic motor, which is arranged parallel to the main axis 1 of the main drive 2 next to the main axis 1.
  • a further gear stage 23 is arranged between the control drive 4 and the bevel gear 8, which can be designed, for example, as a gear drive or toothed belt drive.
  • the differential torque between the control drive 4 and the main drive 2 is then output via the gear stage 23 to the bevel gear 8 or the control element 5, thus achieving an alternative adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9 in the blade axis 7.
  • control drive 4, the control element 5, the gearbox and other parts can also be designed twice or redundantly, so that two control drives 4a, 4b each adjust the blade inclination of the rotor blades 9 together via the respective control elements 5a, 5b or the control drive 4b can take over its task, for example if the control drive 4a fails.
  • the same trained control drives 4a, 4b are, as shown in Fig. 6, mirrored in the main axis 1 with respect to the blade axis 7 of the rotor blades 9 and thus cause a simple and compact structure with redundant or double structure of the device according to the invention, as is often required in flight operations .
  • FIG. 7 an embodiment of the device according to the invention is shown as a so-called double rotor.
  • the embodiment comprises two main drives 2a, 2b which are arranged on a common main axis 1.
  • Each main drive 2a, 2b has a number of rotor blades 9a, 9b which can each be rotated in the blade axis 7a, 7b via a control element 5a, 5b.
  • the structure of the device designed as a double rotor can be designed for each main drive 1 and the associated control drive or the associated control element 5a, 5b in accordance with the embodiments of FIGS.
  • the differential torque between the main rotor 3 and the control elements 5a, 5b is transmitted via a bevel gear 8a, 8b to the rotor blades 9a, 9b so that their inclination can be adjusted in the respective blade axis 7a, 7b.
  • the individual control drives 4a, 4b are each activated by a control and regulating unit 10a, 10b and the differential torque for the respective control element 5a, 5b is thus applied.
  • the device is designed as a so-called ring propeller, in which the rotor blades 9 extend inwards in the direction of the main axis 1.
  • the device has a cylindrical ring 30 on which the stator 24 of the main drive is arranged.
  • the control drive 4 is also arranged on the ring 30, so that the stator 41 of the control drive 4 is also arranged on the ring 30 with respect to the main axis 1 further down to the stator 24 of the main drive 2.
  • the control element 9 is designed according to the embodiments in FIGS. 1 to 6, whereby in the embodiment shown in FIG.
  • control element 5 transfers the differential torque applied between the control element 5 and the main rotor 3 to the rotor blades 9 via a deflection gear or a bevel gear 8 transmits.
  • the embodiment shown in FIG. 8 is usually also referred to as a ring propeller or ring turbine, with other arrangements of the rotor blades 9 known from the prior art with inwardly pointing or pointing rotor blades 9, corresponding to the embodiment shown in FIG a device according to the invention can be realized.
  • the deflection of the control element 5 is limited by means of an inclination limiting unit 12, so that the inclination of the Rotor blades 9 in the blade axis 7 can only be adjusted to a limited extent.
  • the inclination limiting unit 12 can be designed by means of a stop shown in FIG. 1, which limits the rotation of the ring gear 81 relative to the main rotor 3.
  • the inclination limiting unit 12 can also be designed by means of a coupling element and, for example, as shown in FIGS. 2 to 6, be designed as a spring element which is arranged between the main rotor 3 and the control element 5. As shown in FIGS.
  • the inclination limiting unit 12 can be provided for each control drive 4, 4a, 4b or the rotor blades 9 can be jointly connected to the main rotor 3 via the inclination limiting unit 12, so that in each case a minimum or maximum adjustment of the Blade tilt can be limited.
  • electric motors shown in FIGS. 1 to 6 the control drives 4, 4a, 4b, Drives be designed.
  • the regulation of the blade inclination via the control and regulation unit 10 can be carried out as a constant position or constant torque regulation, as a torque regulation, (angle) position regulation, in particular with a FOC controller or a vector controller for brushless DC motors, so that each an optimal adjustment of the rotor blades 9 can be effected after operation or flight operations.
  • the device comprises a control drive 4 designed as an electric motor, the stator 41 of which is arranged coaxially to the main axis 1 of the main rotor 3.
  • the device comprises three rotor blades 9, each of which is rotatably connected to the control drive via a control element 5.
  • the rotor blades 9 are distributed evenly over the circumference of the main rotor 3 at a distance of 120 ° from one another.
  • the control drive 4 has a number of independently controllable windings 43 in which a mutually independent electrical field can be applied.
  • the control elements 5 are designed as rotor segments and are each adjustable in relation to one another in the main axis 1.
  • a bevel gear 8 is arranged in each case, which comprises both a part of a ring gear 81 and a segmented bevel gear 82 (FIG. 10).
  • the control elements 5 each have a rotor 42 which extends along a circumferential section of the control drive 4 and on which the segmented ring gear 81 of the bevel gear 8 is arranged.
  • the rotors 42 each extend over a circumferential section of the control drive 4 and can be adjusted relative to one another along the circumference of the control drive 4.
  • In the segmented rotors 42 are each part of the rotor magnets of the control drive 4 designed as an electric motor.
  • a corresponding free space is arranged between the individual control elements 5 so that they can assume a position relative to one another in relation to the main rotor 3.
  • the individual stator coils or windings 43 can be controlled individually.
  • a separate control circuit which is controlled or centrally controlled by the control and regulation unit 10, can be provided for each individual control element 5. If, for example, the individual windings 43 or coils are controlled in accordance with a circumferential segment, a differential torque can be applied between this and the main rotor 3 for a single, segmented control element 5, so that the respective control element 5 relative to the main rotor along the circumference (FIG. 9). is adjusted.
  • the ring gear 81 is adjusted with the control element 5 and the segmented bevel gear 82 rotates the rotor blades 9 in the blade axis 7, whereby the inclination of the rotor blades 9 is adjusted.
  • the windings 43 can thus be controlled differently over the circumference of the control drive 4, so that the inclination of the rotor blades 9 can be adjusted together for each individual control element 5 or for each circumferential section in any circumferential section consisting of a certain number of stator coils.
  • a different pitch of the rotor blades 9 can be set depending on the rotation of the main rotor 3 in the different circumferential sections of the main rotor 3, so that the helicopter has a positive flight behavior.
  • a negative differential torque between the main rotor 3 and the control element 5 can also be applied by a braking torque that is generated, for example, in an electric motor in generator mode.
  • the negative torque can also be used to generate energy and fed back into the system or stored.
  • the device according to the invention can be used, for example, in helicopters or in other propeller-driven aircraft or in propeller drives for land vehicles or watercraft and also in stationary turbine or fan applications.

Abstract

The invention relates to a device for adjusting the inclination of rotor blades (9) of a rotor, in particular rotors, propellers or turbines of land craft, aircraft or watercraft and also of stationary turbine or fan assemblies, comprising - a main drive (2) having a main rotor (3) which is arranged so as to be driven rotatably about a main axis (1) of the main rotor (3), - a number of rotor blades (9), which are arranged at right angles to the main axis (1), in particular are uniformly distributed, and which are each mounted in a bearing (6) so as to be rotatable about their respective blade axes (7), each blade axis (7) being arranged at right angles to the main axis (1), - a control drive (4) by means of which the inclination of at least one of the rotor blades (9) in its corresponding blade axis (7) is adjustable via a control element (5), the control drive (4) being arranged in particular coaxially with the main axis (1) and/or with the main drive (2), the control element (5) being rotatable together with the main rotor (3) about the main axis (1), and the control element (5) being designed and arranged in such a way that an applied differential torque can be applied about the main axis (1) by the control drive (4) between the main rotor (3) and the control element (5) so that the blade inclination of at least one of the rotor blades (9) in the blade axis (7) is adjustable via the control element (5) when a differential torque is present between the main drive (1) and the control drive (4). The device has an open-loop and closed-loop control unit (10), by means of which the control drive (4) is controllable and by means of which a positive or negative differential torque between the main drive (1) and the control drive (4) can be specified at the control drive (4).

Description

Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern eines Rotors Device for adjusting the inclination of the rotor blades of a rotor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12. The invention relates to a device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor according to the preamble of claim 1 and a vehicle according to the preamble of claim 12.
Die Blattneigung eines Propellers ist meist auf eine bestimmte Drehzahl und eine bestimmte Luftstromgeschwindigkeit ausgelegt und optimiert. Zusätzlich wird meist aufgrund der mit dem Radius des Propellers veränderlichen Relativgeschwindigkeit zu den umgebenden Luftmassen sowohl die Blattneigung als auch das Blattprofil eines Propellers von innen nach außen kontinuierlich flacher. Jedoch sinkt die Effizienz außerhalb des optimalen Geschwindigkeits- und Drehzahlbereichs der Rotorblätter bzw. Rotorkonfiguration ab. Aus dem Stand der Technik sind Verstellpropeller bekannt, die es erlauben, die Blattneigung der Rotorblätter kollektiv entweder einmalig vor dem Betrieb oder kontinuierlich während des Betriebs zu verändern und ermöglichen derart einen effizienteren Betrieb des Propellers über einen größeren Geschwindigkeits- und Drehzahlbereich. Je nach Auslegung des Blattneigungsbereichs kann mit einem Verstellpropeller auch ein Umkehrschub erzeugt werden und in manchen Fällen, beispielsweise bei einem Segelflugzeug mit Hilfsmotor oder mehrmotorigen Propellermaschinen, können derart die Rotorblätter verstellt werden, sodass diese eine sogenannte „Segelstellung" einnehmen können, um den Luftwiderstand bei Triebwerksausfall oder im Gleitflug zu verringern. Aus der EP 3305657 A1 ist beispielsweise ein elektrischer Verstellpropeller mit rotierendem Stellmotor und Schleifkontakten bekannt. The blade pitch of a propeller is usually designed and optimized for a certain speed and a certain air flow speed. In addition, due to the relative speed to the surrounding air masses, which changes with the radius of the propeller, both the blade inclination and the blade profile of a propeller become continuously flatter from the inside to the outside. However, the efficiency drops outside the optimal speed and rotational speed range of the rotor blades or rotor configuration. Variable-pitch propellers are known from the prior art which allow the pitch of the rotor blades to be changed collectively either once before operation or continuously during operation and thus enable more efficient operation of the propeller over a larger speed and rotational speed range. Depending on the design of the blade pitch range, a variable pitch propeller can also be used to generate reverse thrust and in some cases, for example in a glider with an auxiliary engine or multi-engine propeller machines, the rotor blades can be adjusted so that they can assume a so-called "sail position" to reduce air resistance For example, EP 3305657 A1 discloses an electric variable-pitch propeller with a rotating servomotor and sliding contacts.
Weiters sind aus dem Stand der Technik sogenannte Verstellrotoren bekannt, die beispielsweise bei Hubschraubern eingesetzt werden. Eine breite Anwendung bei Verstellrotoren findet die sogenannte Taumelscheibe, die eine mechanische Anordnung zur zyklischen Verstellung der Blattneigung von Rotoren ermöglicht. Diese Veränderung der Blattneigung während eines Rotorumlaufes ermöglicht zum Beispiel bei Hubschraubern, dass Nick- sowie Rollmomente induziert und damit eine Flugrichtung eingeleitet werden kann. In der jüngeren Zeit propagieren die Entwicklungen eine individuelle Ansteuerung von einzelnen Rotorblättern durch mitrotierende hydraulische oder elektrische Aktuatoren. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Taumelscheibenmechanismus wird beispielsweise in der US 1828783 offenbart. Weiters wird in der EP 2692635 A1 eine Vorrichtung offenbart, mit der die Rotorblätter unabhängig voneinander mittels hydraulisch betätigter Steuerstangen verstellt werden können. Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es, dass diese meist einen komplizierten Aufbau aufweisen und die Verstellung der Blattneigung der einzelnen Rotorblätter bzw. der Propeller mechanisch aufwendig sind oder eine Vielzahl von hochbelasteten mechanischen Elementen aufweisen und daher wartungsintensiv sind. Furthermore, so-called adjustment rotors are known from the prior art, which are used, for example, in helicopters. The so-called swash plate, which enables a mechanical arrangement for the cyclical adjustment of the blade inclination of rotors, is widely used in variable-displacement rotors. This change in the blade inclination during a rotor revolution enables, for example in helicopters, pitch and roll moments to be induced and a direction of flight to be initiated. In recent times, developments have been promoting the individual control of individual rotor blades by means of hydraulic or electrical actuators that rotate with them. A swash plate mechanism known from the prior art is disclosed in US Pat. No. 1,828,783, for example. Furthermore, EP 2692635 A1 discloses a device with which the rotor blades can be adjusted independently of one another by means of hydraulically operated control rods. The disadvantage of the devices known from the prior art is that they usually have a complicated structure and the adjustment of the blade inclination of the individual rotor blades or the propellers are mechanically complex or have a large number of highly stressed mechanical elements and are therefore maintenance-intensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern eines Rotors bereitzustellen, die einen einfachen und platzsparenden Aufbau ermöglicht und mit einer geringen Anzahl von Bauelementen auskommt. The object of the present invention is therefore to provide a device for adjusting the inclination of rotor blades of a rotor which enables a simple and space-saving construction and manages with a small number of components.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Steuerelement mit dem Hauptrotor um die Hauptachse mitrotierbar ist, dass das Steuerelement derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch den Steuerantrieb zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement ein aufgebrachtes Differenzdrehmoment um die Hauptachse aufbringbar ist, sodass die Blattneigung zumindest eines der Rotorblätter in der Blattachse bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb über das Steuerelement verstellbar ist, und dass die Vorrichtung eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, mit der der Steuerantrieb ansteuerbar ist und mittels der ein positives oder negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb an dem Steuerantrieb vorgebbar ist. This object is achieved by the characterizing features of claim 1. It is provided that the control element can be rotated with the main rotor about the main axis, that the control element is designed and arranged in such a way that the control drive between the main rotor and the control element can apply a differential torque around the main axis, so that the blade inclination at least one of the Rotor blades in the blade axis when a differential torque is applied between the main drive and the control drive can be adjusted via the control element, and that the device has a control unit with which the control drive can be controlled and by means of which a positive or negative differential torque between the main drive and the Control drive can be specified on the control drive.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist es möglich, über den Steuerantrieb ein Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement aufzubringen, sodass durch dieses Differenzdrehmoment das Steuerelement relativ zum Hauptrotor verdreht wird. Die Verdrehung wird dann über das Steuerelement an die Rotorblätter übertragen, sodass deren Neigung oder die Neigung eines einzelnen Rotorblatts in der Blattachse verstellt wird. Die Verstellung der Neigung in der Blattachse bewirkt unterschiedliche Strömungsverhältnisse entlang des Rotorblatts und kann so je nach Flugbetrieb die Flugeigenschaften optimiert werden. Weiters wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein einfacher Aufbau erreicht, der einfach gewartet werden kann und eine breite Anwendung ermöglicht. Weiters müssen die mechanischen Steuerkräfte, der hydraulische Steuervordruck oder der elektrische Steuerstrom nicht über eine Schnittstelle mit hoher Relativgeschwindigkeit übertragen werden, und so wird eine Berührungslose, effiziente, schnelle sowie auch eine individuelle Anlenkung der Rotorblätter ermöglicht und bisher sehr komplexe Doppelrotorkonfigurationen erheblich vereinfacht. The features according to the invention make it possible to apply a differential torque between the main rotor and the control element via the control drive, so that the control element is rotated relative to the main rotor by this differential torque. The rotation is then transmitted to the rotor blades via the control element, so that their inclination or the inclination of an individual rotor blade is adjusted in the blade axis. The adjustment of the inclination in the blade axis causes different flow conditions along the rotor blade and can thus be optimized depending on flight operations. Furthermore, the design according to the invention achieves a simple structure which can be easily maintained and which enables broad use. Furthermore, the mechanical control forces, the hydraulic pilot pressure or the electrical control current do not have to be transmitted via an interface with a high relative speed, and so a contactless, efficient, fast and also an individual articulation of the Rotor blades made possible and previously very complex double rotor configurations were considerably simplified.
Das Gegenmoment zu der auf die Blattachse übertragenen steuernden Drehmomentdifferenz generiert sich entweder aus aerodynamischen Kräften resultierend aus einer asymmetrischen Blattachse, Reibung in der Blattlagerung, einer Rückstellfeder oder einer gespiegelten Konfiguration. The counter-torque to the controlling torque difference transmitted to the blade axis is generated either from aerodynamic forces resulting from an asymmetrical blade axis, friction in the blade bearing, a return spring or a mirrored configuration.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche definiert: Further advantages and advantageous embodiments are defined by the features of the dependent claims:
Um das Differenzdrehmoment einfach über das Steuerelement an die Rotorblätter übertragen zu können, kann vorgesehen sein, dass das Steuerelement einen Hebelmechanismus, ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere ein Kegelradgetriebe, aufweist, über das das Differenzdrehmoment zwischen dem Steuerantrieb und dem Hauptantrieb als Drehmoment auf die Rotorblätter zur Einstellung der Neigung der Rotorblätter in der Blattachse aufbringbar ist. Durch die Übertragung des Differenzdrehmoments mittels eines Getriebes oder Umlenkgetriebes kann die Umlenkung des Differenzdrehmoments aus der Hauptachse in die Blattachse der Rotorblätter einfach erzielt werden. In order to be able to easily transmit the differential torque to the rotor blades via the control element, it can be provided that the control element has a lever mechanism, a gear or deflection gear, in particular a bevel gear, via which the differential torque between the control drive and the main drive acts as a torque on the rotor blades can be applied to adjust the inclination of the rotor blades in the blade axis. By transmitting the differential torque by means of a gear or deflection gear, the deflection of the differential torque from the main axis into the blade axis of the rotor blades can be achieved in a simple manner.
Eine besonders einfache Ausführung des Steuerantriebs sieht vor, dass der Steuerantrieb als Elektromotor ausgebildet ist, dessen Stator an der Hauptachse, insbesondere koaxial zum Hauptantrieb, angeordnet ist, wobei der Rotor des Steuerantriebs mit dem Steuerelement drehmomentübertragend verbunden ist und mittels des Rotors des Steuerantriebs ein Verstelldrehmoment über das Steuerelement auf die Rotorblätter aufbringbar ist. Vorteilhaft kann dabei der Steuerantrieb als Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit als Vierquadrantensteller ausgeführt sein, sodass insbesondere bei Kommandierung einer negativen Drehmomentdifferenz durch Rekuperation Energie ins System zurückgespeist werden kann. A particularly simple embodiment of the control drive provides that the control drive is designed as an electric motor, the stator of which is arranged on the main axis, in particular coaxially to the main drive, the rotor of the control drive being connected to the control element in a torque-transmitting manner and an adjusting torque by means of the rotor of the control drive can be applied to the rotor blades via the control element. The control drive can advantageously be designed as a direct current motor with a control unit as a four-quadrant controller, so that energy can be fed back into the system through recuperation, especially when a negative torque difference is commanded.
Um die Position des Hauptrotors und des Steuerelements bzw. des Steuerantriebs einfach erfassen und besonders präzise regeln zu können, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zumindest zwei Winkelgeber aufweist wobei die Winkelgeber derart angeordnet sind, dass die Winkelposition des Hauptrotors sowie des Steuerelementes mit je einem Winkelgeber erfassbar und an die Steuer- und Regeleinheit überbermittelbar ist, sodass mittels der Steuer- und Regeleinheit die Winkelposition zwischen Hauptrotor und Steuerelement, über die Regelung der Drehmomentdifferenz zwischen Hauptrotor und Steuerelement vorgebbar ist. In order to be able to easily detect the position of the main rotor and the control element or the control drive and to regulate it particularly precisely, the device can have at least two angle sensors, the angle sensors being arranged in such a way that the angular position of the main rotor and the control element each have one Angle encoder can be detected and transmitted to the control and regulating unit, so that the angular position between the main rotor and the control and regulating unit Control element, can be specified via the regulation of the torque difference between the main rotor and the control element.
Um eine vollständige Entkopplung der Neigung der Rotorblätter des Hauptantriebs zu verhindern und eine maximale Verstellung der Neigung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine zwischen dem Hauptrotor und dem Steuerelement angeordnete Neigungsbegrenzungseinheit aufweist, wobei die Neigung der Rotorblätter in der Blattachse mittels der Neigungsbegrenzungseinheit begrenzbar ist, wobei die Neigungsbegrenzungseinheit insbesondere als Anschlag oder Koppelelement oder Feder, insbesondere Rückstellfeder, ausgebildet ist. Durch die Neigungsbegrenzungseinheit kann derart beispielsweise ein maximaler Neigungswinkel der Rotorblätter vorgegeben werden, sodass beispielsweise beim Ausfall der Antriebe eine sogenannte Autorotationsstellung oder Sicherheitsstellung eingenommen werden kann. Weiters können derart auch Strömungskräfte, die während des Betriebs der Vorrichtung auftreten, nur zu einer voreingestellten maximalen Neigung führen und derart negatives Flugverhalten verringern. In order to prevent a complete decoupling of the inclination of the rotor blades of the main drive and to achieve a maximum adjustment of the inclination, it can be provided that the device has an inclination limiting unit arranged between the main rotor and the control element, the inclination of the rotor blades in the blade axis by means of the inclination limiting unit can be limited, the inclination limiting unit being designed in particular as a stop or coupling element or spring, in particular a return spring. By means of the inclination limiting unit, for example, a maximum inclination angle of the rotor blades can be specified so that, for example, if the drives fail, a so-called auto-rotation position or safety position can be adopted. Furthermore, flow forces that occur during the operation of the device can only lead to a preset maximum inclination and thus reduce negative flight behavior.
Eine einfache Möglichkeit zur Verstellung mehrerer Rotorblätter über das Steuerelement wird bereitgestellt indem der Steuerantrieb zumindest einen Hebelmechanismus aufweist, wobei der Hebelmechanismus ein Hebelelement umfasst, das zwischen dem Steuerelement und dem jeweiligen Rotorblatt angeordnet ist, wobei das Hebelelement über eine Blattverstellstange mit dem jeweiligen Rotorblatt verbunden ist, wobei das Hebelelement derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Blattneigung der Rotorblätter in der Blattachse bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem Steuerantrieb über das Steuerelement und den Hebelmechanismus verstellbar ist. A simple possibility for adjusting several rotor blades via the control element is provided by the control drive having at least one lever mechanism, the lever mechanism comprising a lever element which is arranged between the control element and the respective rotor blade, the lever element being connected to the respective rotor blade via a blade adjustment rod , wherein the lever element is designed and arranged such that the blade inclination of the rotor blades in the blade axis is adjustable when a differential torque is applied between the main drive and the control drive via the control element and the lever mechanism.
Insbesondere bei Hubschraubern oder Flugzeugen wird gefordert, dass die meisten Systeme doppelt vorgesehen sind. Dies wird durch eine Ausführungsform bereitgestellt, indem der Steuerantrieb mehrfach, insbesondere doppelt, redundant, vorzugsweise in Bezug auf die Blattachse gespiegelt, in der Vorrichtung ausgebildet ist. Particularly in the case of helicopters or airplanes, it is required that most systems are provided twice. This is provided by an embodiment in that the control drive is embodied multiple times, in particular doubly, redundantly, preferably mirrored with respect to the blade axis, in the device.
Eine optionale Ausbildung des Steuerantriebs sieht vor, dass der Steuerantrieb versetzt, insbesondere parallel, zur Hauptachse angeordnet ist, wobei die Rotation über eine Getriebestufe, die zwischen dem Steuerantrieb und dem Steuerelement zur Umlenkung und Übertragung des Drehmoments angeordnet ist, auf das Steuerelement übertragbar ist. Eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung, die insbesondere bei Wasserfahrzeugen Anwendung findet, sieht vor, dass der Hauptrotor in einem zylinderförmigen Ring angeordnet ist und die Rotorblätter sich in Richtung des Zentrums des Rings zur Hauptachse hin erstrecken, wobei die Vorrichtung insbesondere als Ringpropeller oder Ringturbine ausgebildet ist. An optional design of the control drive provides that the control drive is arranged offset, in particular parallel, to the main axis, the rotation being transferable to the control element via a gear stage which is arranged between the control drive and the control element for deflecting and transmitting the torque. An alternative embodiment of the device, which is used in particular in watercraft, provides that the main rotor is arranged in a cylindrical ring and the rotor blades extend in the direction of the center of the ring towards the main axis, the device being designed in particular as a ring propeller or ring turbine .
Eine optionale Ausführungsform der Vorrichtung wird bereitgestellt, indem der Steuerantrieb als Elektromotor ausgebildet ist, wobei der Stator des Steuerantriebs insbesondere koaxial zur Hauptachse des Hauptrotors angeordnet ist, wobei der Steuerantrieb eine Anzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Wicklungen aufweist, wobei eine der Anzahl der Rotorblätter entsprechende Anzahl von Steuerelementen über den Umfang des Stators des Steuerantriebes angeordnet sind, wobei die Steuerelemente jeweils einen entlang des Umfangs des Steuerantriebs bewegbaren, segmentierten, sich jeweils entlang eines Umfangsabschnittes des Steuerantriebes erstreckenden Rotor aufweist, wobei die jeweiligen Rotoren relativ zueinander entlang des Umfangs des Steuerantriebes bewegbar ausgebildet sind, wobei jedes Steuerelement jeweils derart mit dem jeweiligen Rotorblatt über ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere einem Kegelradgetriebe, verbunden ist, dass die Neigung der Rotorblätter in der jeweiligen Blattachse unabhängig voneinander verstellbar ist, und wobei die Steuer- und Regeleinheit derart ausgebildet ist, dass die einzelnen Spulen des Steuerantriebs unterschiedlich durch die Steuer- und Regeleinheit ansteuerbar sind, sodass entlang des Umfangs des Steuerantriebs für jedes Steuerelement ein unterschiedliches Differenzdrehmoment zwischen dem jeweiligen Steuerelement und dem Hauptrotor aufbringbar ist, sodass in jedem beliebigen Umfangabschnitt des Steuerantriebs die Neigung der Rotorblätter unabhängig von den jeweils anderen Rotorblättern einstellbar ist. Durch die zueinander beweglichen Steuerelemente ist es möglich die einzelnen Steuerelemente und damit die Rotorblätter unabhängig von den anderen Rotorblättern zu verstellen. So können gleichzeitig über die Ansteuerungen der einzelnen Wicklungen die jeweiligen Steuerelemente unabhängig zu einander verstellt werden. Weiters wird durch die Ausbildung des Steuerantriebs als Elektromotor eine sehr kompakte und energiesparende Ausbildung der Verstellung für einzelne Rotorblätter ermöglicht, die auch besonders effektiv arbeitet. An optional embodiment of the device is provided in that the control drive is designed as an electric motor, the stator of the control drive being arranged in particular coaxially to the main axis of the main rotor, the control drive having a number of independently controllable windings, a number corresponding to the number of rotor blades of control elements are arranged over the circumference of the stator of the control drive, the control elements each having a segmented rotor that is movable along the circumference of the control drive and each extending along a circumferential section of the control drive, the respective rotors being designed to be movable relative to one another along the circumference of the control drive are, wherein each control element is connected to the respective rotor blade via a gear or deflection gear, in particular a bevel gear, that the inclination of the rotor blades in the respective en blade axis can be adjusted independently of one another, and the control and regulating unit is designed in such a way that the individual coils of the control drive can be controlled differently by the control and regulating unit, so that a different torque difference between the respective control element along the circumference of the control drive for each control element and can be applied to the main rotor, so that the inclination of the rotor blades can be adjusted in any circumferential section of the control drive independently of the respective other rotor blades. The control elements that can be moved relative to one another make it possible to adjust the individual control elements and thus the rotor blades independently of the other rotor blades. In this way, the respective control elements can be adjusted independently of one another at the same time via the controls for the individual windings. Furthermore, the design of the control drive as an electric motor enables a very compact and energy-saving design of the adjustment for individual rotor blades, which also works particularly effectively.
Um mehrere Rotorblätter unterschiedlich verstellen bzw. die Neigung der Rotorblätter entlang einer Umdrehung des Hauptrotors unterschiedlich einstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung jeweils eine den Rotorblättern entsprechende Anzahl von Steuerantrieben aufweist, wobei jeweils ein Steuerantrieb jeweils über ein, insbesondre gleich ausgebildetes, Steuerelement mit jeweils einem Rotorblatt verbunden ist, wobei bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb und dem jeweiligen Steuerantrieb die Neigung des jeweils mit diesem Steuerantrieb verbundenen Rotorblatts verstellbar ist. In order to be able to adjust several rotor blades differently or to be able to set the inclination of the rotor blades differently along one revolution of the main rotor, it can be provided that the device corresponds to one of the rotor blades Has a number of control drives, each control drive being connected to a rotor blade via a control element of the same design, with the inclination of the rotor blade connected to this control drive being adjustable when a differential torque is applied between the main drive and the respective control drive.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Fahrzeugen, insbesondere Landfahrzeugen, Luftfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen, verwendet wird. Hierzu umfasst das entsprechende Fahrzeug zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Another aspect of the invention provides that a device according to the invention is used in vehicles, in particular land vehicles, aircraft or watercraft. For this purpose, the corresponding vehicle comprises at least one device according to the invention.
Eine optionale Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird bereitgestellt, indem das Fahrzeug zumindest zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen umfasst, wobei die Vorrichtungen koaxial an einer gemeinsamen Rotorachse hintereinander angeordnet sind und insbesondere als gegenläufige Propeller oder gegenläufige Dual-Rotor-Konfiguration ausgebildet sind. An optional embodiment of the vehicle according to the invention is provided in that the vehicle comprises at least two devices according to the invention, the devices being arranged coaxially on a common rotor axis one behind the other and in particular being designed as counter-rotating propellers or counter-rotating dual-rotor configuration.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben: The invention is shown schematically in the following on the basis of particularly advantageous but not restrictive exemplary embodiments in the drawings and is described by way of example with reference to the drawings:
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in isometrischer Ansicht, Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1 , Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform zur individuellen Verstellung der Blattneigung für zwei oder mehr Rotorblätter, Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zu Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter mittels eines Hebelelements, Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit versetzt angeordnetem Steuerantrieb, Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit redundanten Steuerelementen und Steuerantrieben, Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung als Doppelrotorkonfigurationen, Fig.8 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung als Ringpropellerkonfiguration und Fig.9 und Fig.10 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur individuellen Blattverstellung. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern 9 eines Rotors dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Hauptantrieb 2 mit einem Hauptrotor 3, der um eine Hauptachse 1 durch den Hauptantrieb 2 angetrieben wird, sodass der Hauptrotor 3 um die Hauptachse 1 rotiert. Der Hauptantrieb 2 kann beispielsweise ein Elektromotor, Hydraulikmotor oder ein durch eine Turbine angetriebener Antrieb sein und weist eine Hauptregeleinheit 11 auf, die den beispielsweise als Rotor oder Propeller ausgebildeten Hauptrotor 3 in eine Drehbewegung um die Hauptachse 1 antreibt. An dem Hauptrotor 3 sind eine Anzahl von Rotorblättern 9, bei dieser Ausführungsform drei Rotorblätter 9, angeordnet, deren jeweilige Blattachse 7 im rechten Winkel zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Die Rotorblätter 9 sind rechtwinkelig zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs1 shows a first embodiment of the device according to the invention in an isometric view, FIG. 2 shows a simplified schematic view of the embodiment according to FIG. 1, FIG. 3 shows an embodiment for the individual adjustment of the blade inclination for two or more rotor blades, FIG. 4 shows a device for adjusting the pitch of the rotor blades by means of a lever element, FIG. 5 shows a further embodiment of the device according to the invention with an offset control drive, FIG. 6 shows an embodiment of the device according to the invention with redundant control elements and control drives, FIG. 7 shows an embodiment of the device as Double rotor configurations, Fig. 8 shows an embodiment of the device as a ring propeller configuration and Fig. 9 and Fig. 10 a further embodiment of the device for individual blade adjustment. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention for adjusting the inclination of rotor blades 9 of a rotor. The device comprises a main drive 2 with a main rotor 3, which is driven about a main axis 1 by the main drive 2, so that the main rotor 3 rotates about the main axis 1. The main drive 2 can, for example, be an electric motor, hydraulic motor or a drive driven by a turbine and has a main control unit 11 which drives the main rotor 3, designed for example as a rotor or propeller, in a rotary movement about the main axis 1. A number of rotor blades 9, in this embodiment three rotor blades 9, are arranged on the main rotor 3, the respective blade axis 7 of which is arranged at right angles to the main axis 1 of the main drive 2. The rotor blades 9 are at right angles to the main axis 1 of the main drive
2 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und über den Umfang des Hauptrotors 3 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Rotorblätter 9 sind jeweils mit ihrer Blattachse 7 in einem Lager 6 gelagert, sodass die Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 verkippt bzw. verdreht werden können. Koaxial zum Hauptantrieb 2 ist ein Steuerantrieb 4 auf der Hauptachse 1 angeordnet, der mit den Rotorblättern 9 mechanisch über ein Steuerelement 5 verbunden ist, sodass die Rotorblätter 9 durch den Steuerantrieb 4 in der Blattachse 7 verdrehbar bzw. verstellbar sind. 2 arranged in a common plane and arranged evenly distributed over the circumference of the main rotor 3. The rotor blades 9 are each mounted with their blade axis 7 in a bearing 6, so that the rotor blades 9 can be tilted or rotated in the blade axis 7. A control drive 4 is arranged coaxially to the main drive 2 on the main axis 1, which is mechanically connected to the rotor blades 9 via a control element 5, so that the rotor blades 9 can be rotated or adjusted in the blade axis 7 by the control drive 4.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Steuerantrieb 4 als Elektromotor ausgebildet, dessen Stator 41 an der Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Der Rotor 42 des Steuerantriebs 4 ist über das Steuerelement 5 mit den Rotorblättern 9 verbunden, wobei das Steuerelement 5 ein Kegelradgetriebe 8 aufweist. Das Kegelradgetriebe 8 besteht aus einem Tellerrad 81 und drei segmentierten Kegelrädern 82. Die segmentierten Kegelräder 82 sind jeweils in der Blattachse 7 mit einem der Rotorblätter 9 drehbar verbunden, sodass die relative Verdrehung des Tellerrads 81 zum Hauptrotor 3 zu einer Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 führt und derart der sogenannte Pitch verstellt werden kann. As shown in FIG. 2, the control drive 4 is designed as an electric motor, the stator 41 of which is arranged on the main axis 1 of the main drive 2. The rotor 42 of the control drive 4 is connected to the rotor blades 9 via the control element 5, the control element 5 having a bevel gear 8. The bevel gear 8 consists of a ring gear 81 and three segmented bevel gears 82. The segmented bevel gears 82 are each rotatably connected in the blade axis 7 to one of the rotor blades 9, so that the relative rotation of the ring gear 81 to the main rotor 3 results in an adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9 leads in the blade axis 7 and so the so-called pitch can be adjusted.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, rotiert das Steuerelement 5 mit dem Hauptrotor 3 um dessen Hauptachse 1 mit, sodass die Neigung der Rotorblätter 9 konstant bleibt. Wird nun zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem Steuerantrieb 4 ein Differenzdrehmoment aufgebracht, bewirkt dies eine relative Verstellung des Steuerelements 5 zum HauptrotorAs shown in FIGS. 1 and 2, the control element 5 rotates with the main rotor 3 about its main axis 1, so that the inclination of the rotor blades 9 remains constant. If a differential torque is now applied between the main drive 2 and the control drive 4, this causes a relative adjustment of the control element 5 to the main rotor
3 in der Hauptachse 1 , sodass das Tellerrad 81 relativ zum Hauptrotor 3 verdreht wird und die segmentierten Kegelräder 82 um die Blattachse 7 verdreht werden und so die Rotorblätter 9 jeweils in der Blattachse 7 verdrehen bzw. verstellen. Der Steuerantrieb 4 weist weiters eine Steuer- und Regeleinheit 10 auf, die den Steuerantrieb 4 ansteuert und mittels der ein positives oder ein negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb 1 und dem Steuerantrieb 4 bzw. an dem Rotor 42 des Steuerantriebs 4 vorgegeben bzw. aufgebracht werden kann. 3 in the main axis 1, so that the ring gear 81 is rotated relative to the main rotor 3 and the segmented bevel gears 82 are rotated about the blade axis 7 and thus rotate or adjust the rotor blades 9 in each case in the blade axis 7. The control drive 4 also has a control and regulating unit 10 which controls the control drive 4 and by means of which a positive or negative differential torque between the main drive 1 and the control drive 4 or on the rotor 42 of the control drive 4 can be specified or applied.
Die Vorrichtung weist weiters zwei Drehgeber 13, 14 auf, die mit dem Steuerelement 10 verbunden sind und entsprechend interner Kennwerte des Steuerelements 10, beispielsweise über eine Momentanstrom- oder Phasenversatzsteuerung, eine definierte Drehmomentdifferenz zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 eingebracht oder auf einen gewünschten Winkelversatz in Bezug auf den Hauptrotor 3 hin geregelt werden kann. The device also has two rotary encoders 13, 14, which are connected to the control element 10 and, according to internal parameters of the control element 10, for example via an instantaneous current or phase offset control, a defined torque difference between the main rotor 3 and the control element 5 is introduced or a desired one Angular offset with respect to the main rotor 3 can be regulated.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung abgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Steuerantriebe 4a und 4b auf, wobei jeweils einer der Steuerantriebe 4a und 4b mit jeweils einem der Rotorblätter 9 über ein jeweiliges Steuerelement 5a, 5b verbunden ist. Wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben, sind die Steuerantriebe 4a, 4b jeweils als Elektromotoren ausgebildet, wobei deren Rotor 42a, 42b jeweils mit einem zueinander entkoppelten Kegelradgetriebe 8 mit dem jeweiligen Rotorblatt 9 verbunden sind. So können über die Steuerantriebe 4a, 4b die Rotorblätter 9 bzw die Kegelradgetriebe 8 unabhängig voneinander angesteuert werden, sodass die einzelnen Rotorblätter 9 individuell und unabhängig voneinander in der Blattachse 7 verstellt werden können. So kann beispielsweise bei einem Hubschrauber die Blattneigung der Rotorblätter 9 für jedes Rotorblatt 9 unterschiedlich eingestellt und derart ein vorteilhaftes Flugverhalten erreicht werden. Für jeden der Steuerantrieben 4a, 4b ist jeweils ein Drehgeber 13 vorgesehen, dessen Messwerte an die Steuer- und Regeleinheit 10 übermittelt wird und derart durch die Steuer- und Regeleinheit 10 die als Elektromotoren ausgebildeten Steuerantriebe 4a, 4b geregelt bzw. eingestellt werden können. So kann beispielsweise durch das Steuerelement 10 an dem Steuerantrieb 4a ein unterschiedliches Differenzdrehmoment zum Hauptrotor 3 als am Steuerantrieb 4b aufgebracht werden, wodurch über das Kegelradgetriebe 8a eine unterschiedliche Blattneigung des mit dem Steuerantrieb 4a verbundenen Rotorblatts im Gegensatz zu dem mit dem Steuerantrieb 4b verbundenen Rotorblatts 9 eingestellt werden kann. So können beispielsweise über einen Umlauf des Hauptrotors 3 die Rotorblätter 9 unabhängig voneinander in der Blattachse 7 verstellt werden und dabei vorteilhafte Strömungsverhältnisse an den Rotorblättern 9 in unterschiedlichen Umlaufabschnitten des Hauptrotors 3 erreicht werden. Die jeweiligen Steuerantriebe 4a, 4b bzw. deren Steuerelemente 5a, 5b mit den Kegelradgetrieben 8a, 8b rotieren jeweils mit dem Hauptantrieb 2 mit und bewirken erst bei einer Aufbringung eines Differenzdrehmoments zum Hauptantrieb 2 bzw. zum Hauptrotor 3 eine Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9. In Fig. 3, a further embodiment of the device according to the invention is shown in a schematic representation. The device according to the invention has two control drives 4a and 4b, one of the control drives 4a and 4b being connected to one of the rotor blades 9 via a respective control element 5a, 5b. As described in connection with FIGS. 1 and 2, the control drives 4a, 4b are each designed as electric motors, their rotors 42a, 42b being connected to the respective rotor blade 9 by means of a mutually decoupled bevel gear 8. Thus, the rotor blades 9 or the bevel gears 8 can be controlled independently of one another via the control drives 4a, 4b, so that the individual rotor blades 9 can be adjusted individually and independently of one another in the blade axis 7. In a helicopter, for example, the blade inclination of the rotor blades 9 can be set differently for each rotor blade 9 and an advantageous flight behavior can be achieved in this way. A rotary encoder 13 is provided for each of the control drives 4a, 4b, the measured values of which are transmitted to the control and regulation unit 10 and the control drives 4a, 4b designed as electric motors can be regulated or set in this way by the control and regulation unit 10. For example, the control element 10 on the control drive 4a can apply a different torque difference to the main rotor 3 than on the control drive 4b, as a result of which, via the bevel gear 8a, a different blade inclination of the rotor blade connected to the control drive 4a in contrast to the rotor blade 9 connected to the control drive 4b can be adjusted. Thus, for example, the rotor blades 9 can be adjusted independently of one another in the blade axis 7 over one revolution of the main rotor 3, thereby achieving advantageous flow conditions on the rotor blades 9 in different circumferential sections of the main rotor 3. The respective control drives 4a, 4b or their control elements 5a, 5b with the bevel gears 8a, 8b each rotate with the main drive 2 and only take effect when applied of a differential torque to the main drive 2 or to the main rotor 3, an adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Steuerelemente 5a, 5b weisen jeweils neben dem Kegelradgetriebe 8a, 8b einen Hebelmechanismus auf, der jeweils das Kegelradgetriebe 8a, 8b mit den Rotorblättern verbindet. Der Hebelmechanismus weist jeweils ein Hebelelement 21 auf, das eine Blattverstellstange 22 jeweils in Richtung der Hauptachse 1 des Hauptrotors 3 verstellt und derart die Blattneigung der Rotorblätter 9 verstellen kann. So kann vorteilhaft der Höhenunterschied durch die gestapelten Steuerantriebe 4a, 4b ausgeglichen werden und derart ein kompakter und einfacher Aufbau bereitgestellt werden. Wird also ein Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem Steuerantrieb 4a, 4b aufgebracht, werden die jeweiligen Hebelelemente 21 über die Kegelradgetriebe 8a, 8b in den jeweiligen Lagerungen 23a, 23b verdreht und derart die jeweilige Blattverstellstange 22 in Richtung der Hauptachse 1 verschoben, sodass die mit den Rotorblättern 9 verbundenen Blattverstellstangen 22 jeweils eine Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 bewirken. Wird an den jeweiligen Steuerantrieben 4a, 4b ein gleiches Differenzdrehmoment zum Hauptrotor 3 aufgebracht, wird die Blattneigung der Rotorblätter 9 jeweils gemeinsam bzw. gleich verstellt. Weiters kann bei Aufbringen eines unterschiedlichen Drehmoments zwischen dem Hauptantrieb 2 und dem jeweiligen Steuerantrieb 4a, 4b eine unterschiedliche Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 erzielt werden. In Fig. 4, a further embodiment of the device according to the invention is shown. The control elements 5a, 5b each have, in addition to the bevel gear 8a, 8b, a lever mechanism which each connects the bevel gear 8a, 8b to the rotor blades. The lever mechanism in each case has a lever element 21 which adjusts a blade adjustment rod 22 in the direction of the main axis 1 of the main rotor 3 and can adjust the blade inclination of the rotor blades 9 in this way. The height difference can thus advantageously be compensated for by the stacked control drives 4a, 4b and a compact and simple structure can be provided in this way. If a differential torque is applied between the main drive 2 and the control drive 4a, 4b, the respective lever elements 21 are rotated via the bevel gears 8a, 8b in the respective bearings 23a, 23b and the respective blade adjustment rod 22 is displaced in the direction of the main axis 1 so that the Blade adjustment rods 22 connected to the rotor blades 9 each cause an adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9. If the same differential torque is applied to the main rotor 3 at the respective control drives 4a, 4b, the blade inclination of the rotor blades 9 is adjusted jointly or equally. Furthermore, when a different torque is applied between the main drive 2 and the respective control drive 4a, 4b, a different adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9 can be achieved.
In Fig. 5 ist eine alternative Ausbildung des Steuerantriebs 4 dargestellt. Der Steuerantrieb 4 ist wiederum als Elektro- oder Hydraulikmotor ausgebildet, der parallel zur Hauptachse 1 des Hauptantriebs 2 neben der Hauptachse 1 angeordnet ist. Zwischen dem Steuerantrieb 4 und dem Kegelradgetriebe 8 ist eine weitere Getriebestufe 23 angeordnet, die beispielsweise als Zahnradgetriebe oder Zahnriementrieb ausgebildet sein kann. Über die Getriebestufe 23 wird sodann das Differenzdrehmoment zwischen dem Steuerantrieb 4 und dem Hauptantrieb 2 an das Kegelradgetriebe 8 bzw. das Steuerelement 5 abgegeben und so eine alternative Verstellung der Blattneigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 erreicht. In Fig. 5, an alternative embodiment of the control drive 4 is shown. The control drive 4 is in turn designed as an electric or hydraulic motor, which is arranged parallel to the main axis 1 of the main drive 2 next to the main axis 1. A further gear stage 23 is arranged between the control drive 4 and the bevel gear 8, which can be designed, for example, as a gear drive or toothed belt drive. The differential torque between the control drive 4 and the main drive 2 is then output via the gear stage 23 to the bevel gear 8 or the control element 5, thus achieving an alternative adjustment of the blade inclination of the rotor blades 9 in the blade axis 7.
Wie in Fig. 6 dargestellt, kann der Steuerantrieb 4, das Steuerelement 5, das Getriebe und andere teile auch doppelt bzw. redundant ausgebildet sein, sodass zwei Steuerantriebe 4a, 4b jeweils die Blattneigung der Rotorblätter 9 gemeinsam über die jeweiligen Steuerelemente 5a, 5b verstellen oder der Steuerantrieb 4b beispielsweise beim Ausfall des Steuerantriebs 4a dessen Aufgabe übernehmen kann. Die gleichartig ausgebildeten Steuerantriebe 4a, 4b sind dabei, wie in Fig. 6 dargestellt, in der Hauptachse 1 bezüglich der Blattachse 7 der Rotorblätter 9 gespiegelt angeordnet und bewirken derart einen einfachen und kompakten Aufbau bei wie im Flugbetrieb oft gefordert redundantem bzw. doppeltem Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.As shown in FIG. 6, the control drive 4, the control element 5, the gearbox and other parts can also be designed twice or redundantly, so that two control drives 4a, 4b each adjust the blade inclination of the rotor blades 9 together via the respective control elements 5a, 5b or the control drive 4b can take over its task, for example if the control drive 4a fails. The same trained control drives 4a, 4b are, as shown in Fig. 6, mirrored in the main axis 1 with respect to the blade axis 7 of the rotor blades 9 and thus cause a simple and compact structure with redundant or double structure of the device according to the invention, as is often required in flight operations .
In Fig. 7 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als sogenannter Doppelrotor dargestellt. Die Ausführungsform umfasst zwei Hauptantriebe 2a, 2b, die an einer gemeinsamen Hauptachse 1 angeordnet sind. Jeder Hauptantrieb 2a, 2b weist eine Anzahl von Rotorblättern 9a, 9b auf, die über ein Steuerelement 5a, 5b jeweils in der Blattachse 7a, 7b verdreht werden können. Der Aufbau der als Doppelrotor ausgebildeten Vorrichtung kann dabei für jeden Hauptantrieb 1 und den dazugehörigen Steuerantrieb bzw. das dazugehörige Steuerelement 5a, 5b entsprechend der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 6 ausgebildet sein. Das Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor 3 und den Steuerelementen 5a, 5b wird jeweils über ein Kegelradgetriebe 8a, 8b an die Rotorblätter 9a, 9b übertragen, sodass deren Neigung in der jeweiligen Blattachse 7a, 7b verstellt werden kann. Die einzelnen Steuerantriebe 4a, 4b werden jeweils durch eine Steuer- und Regeleinheit 10a, 10b angesteuert und so das Differenzdrehmoment für das jeweilige Steuerelement 5a, 5b aufgebracht. In Fig. 7, an embodiment of the device according to the invention is shown as a so-called double rotor. The embodiment comprises two main drives 2a, 2b which are arranged on a common main axis 1. Each main drive 2a, 2b has a number of rotor blades 9a, 9b which can each be rotated in the blade axis 7a, 7b via a control element 5a, 5b. The structure of the device designed as a double rotor can be designed for each main drive 1 and the associated control drive or the associated control element 5a, 5b in accordance with the embodiments of FIGS. The differential torque between the main rotor 3 and the control elements 5a, 5b is transmitted via a bevel gear 8a, 8b to the rotor blades 9a, 9b so that their inclination can be adjusted in the respective blade axis 7a, 7b. The individual control drives 4a, 4b are each activated by a control and regulating unit 10a, 10b and the differential torque for the respective control element 5a, 5b is thus applied.
In Fig. 8 ist eine weitere optionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet. Die Vorrichtung ist dabei als sogenannter Ringpropeller ausgebildet, bei dem sich die Rotorblätter 9 in Richtung der Hauptachse 1 nach innen erstrecken. Die Vorrichtung weist dabei einen zylinderförmigen Ring 30 auf, an dem der Stator 24 des Hauptantriebs angeordnet ist. Der Steuerantrieb 4 ist ebenfalls an dem Ring 30 angeordnet, sodass der Stator 41 des Steuerantriebs 4 ebenfalls an dem Ring 30 in Bezug auf die Hauptachse 1 weiter unten zum Stator 24 des Hauptantriebs 2 angeordnet ist. Das Steuerelement 9 ist entsprechend der Ausführungsformen in Fig. 1 bis 6 ausgebildet, wobei bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform das Steuerelement 5 über ein Umlenkgetriebe bzw. ein Kegelradgetriebe 8 das zwischen dem Steuerelement 5 und dem Hauptrotor 3 aufgebrachten Differenzdrehmoment an die Rotorblätter 9 überträgt. Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform wird üblicherweise auch als Ringpropeller oder Ringturbine bezeichnet, wobei auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen der Rotorblätter 9 mit nach innen zeigenden bzw. weisenden Rotorblättern 9, entsprechend der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwirklicht werden können. 8 shows a further optional embodiment of the device according to the invention. The device is designed as a so-called ring propeller, in which the rotor blades 9 extend inwards in the direction of the main axis 1. The device has a cylindrical ring 30 on which the stator 24 of the main drive is arranged. The control drive 4 is also arranged on the ring 30, so that the stator 41 of the control drive 4 is also arranged on the ring 30 with respect to the main axis 1 further down to the stator 24 of the main drive 2. The control element 9 is designed according to the embodiments in FIGS. 1 to 6, whereby in the embodiment shown in FIG. 8 the control element 5 transfers the differential torque applied between the control element 5 and the main rotor 3 to the rotor blades 9 via a deflection gear or a bevel gear 8 transmits. The embodiment shown in FIG. 8 is usually also referred to as a ring propeller or ring turbine, with other arrangements of the rotor blades 9 known from the prior art with inwardly pointing or pointing rotor blades 9, corresponding to the embodiment shown in FIG a device according to the invention can be realized.
Optional kann, wie in den Fig. 1 bis 6 dargestellt, dass der Ausschlag des Steuerelements 5 mittels einer Neigungsbegrenzungseinheit 12 begrenzt wird, sodass die Neigung der Rotorblätter 9 in der Blattachse 7 jeweils nur in einem begrenzten Umfang verstellt werden kann. So kann beispielsweise die Neigungsbegrenzungseinheit 12 mittels eines in Fig. 1 dargestellten Anschlags ausgebildet sein, der die Verdrehung des Tellerrads 81 relativ zum Hauptrotor 3 begrenzt. Alternativ kann die Neigungsbegrenzungseinheit 12 auch mittels eines Koppelelements ausgebildet sein und beispielsweise, wie in den Fig. 2 bis 6 dargestellt, als Federelement ausgebildet sein, das zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 angeordnet ist. Wie in den Fig. 3 bis 6 dargestellt, kann die Neigungsbegrenzungseinheit 12 jeweils für jeden Steuerantrieb 4, 4a, 4b vorhanden oder jeweils die Rotorblätter 9 über die Neigungsbegrenzungseinheit 12 mit dem Hauptrotor 3 gemeinsam verbunden sein, sodass jeweils eine minimale bzw. maximale Verstellung der Blattneigung begrenzt werden kann. Optionally, as shown in FIGS. 1 to 6, the deflection of the control element 5 is limited by means of an inclination limiting unit 12, so that the inclination of the Rotor blades 9 in the blade axis 7 can only be adjusted to a limited extent. For example, the inclination limiting unit 12 can be designed by means of a stop shown in FIG. 1, which limits the rotation of the ring gear 81 relative to the main rotor 3. Alternatively, the inclination limiting unit 12 can also be designed by means of a coupling element and, for example, as shown in FIGS. 2 to 6, be designed as a spring element which is arranged between the main rotor 3 and the control element 5. As shown in FIGS. 3 to 6, the inclination limiting unit 12 can be provided for each control drive 4, 4a, 4b or the rotor blades 9 can be jointly connected to the main rotor 3 via the inclination limiting unit 12, so that in each case a minimum or maximum adjustment of the Blade tilt can be limited.
Alternativ zu der in Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausbildung der Steuerantriebe 4, 4a, 4b, ... als Elektromotoren können die Steuerantriebe 4, 4a, 4b, ... auch als Hydraulik- oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Motoren bzw. Antriebe ausgebildet sein. Die Regelung der Blattneigung über die Steuer- und Regeleinheit 10 kann dabei als Constant- Position- oder Constant-Torque-Regelung, als Drehmomentregelung, (Winkel)positionsregelun, insbesondere mit einem FOC Regler oder einer Vektorregelung für Bürstenlose Gleichstrommotoren, ausgeführt werden, sodass je nach Betrieb bzw. Flugbetrieb eine optimale Verstellung der Rotorblätter 9 bewirkt werden kann. As an alternative to the embodiment of the control drives 4, 4a, 4b,... As electric motors shown in FIGS. 1 to 6, the control drives 4, 4a, 4b, Drives be designed. The regulation of the blade inclination via the control and regulation unit 10 can be carried out as a constant position or constant torque regulation, as a torque regulation, (angle) position regulation, in particular with a FOC controller or a vector controller for brushless DC motors, so that each an optimal adjustment of the rotor blades 9 can be effected after operation or flight operations.
In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen als Elektromotor ausgebildeten Steuerantrieb 4, dessen Stator 41 koaxial zur Hauptachse 1 des Hauptrotors 3 angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst drei Rotorblätter 9, die jeweils über ein Steuerelement 5 mit dem Steuerantrieb verdrehbar verbunden sind. Die Rotorblätter 9 sind gleichmäßig über den Umfang des Hauptrotors 3 verteilt im Abstand von 120° zueinander angeordnet. Der Steuerantrieb 4 weist dabei eine Anzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Wicklungen 43 auf, in denen ein jeweils zueinander unabhängiges elektrisches Feld aufgebracht werden kann. Die Steuerelemente 5 sind als Rotorsegmente ausgebildet und sind jeweils zueinander in der Hauptachse 1 verstellbar. Zwischen den Steuerelementen 5 und den Rotorblättern 9 ist jeweils ein Kegelradgetriebe 8 angeordnet, das sowohl einen Teil eines Tellerrads 81 als auch ein segmentiertes Kegelrad 82 umfasst (Fig. 10). Die Steuerelemente 5 weisen jeweils einen sich entlang eines Umfangsabschnitts des Steuerantriebs 4 erstreckenden Rotor 42 auf, auf dem das segmentierte Tellerrad 81 des Kegelradgetriebes 8 angeordnet ist. Die Rotoren 42 erstrecken sich dabei jeweils über einen Umfangabschnitt des Steuerantriebs 4 und sind zueinander relativ entlang des Umfangs des Steuerantriebs 4 verstellbar. In den segmentierten Rotoren 42 sind jeweils ein Teil der Rotormagnete des als Elektromotor ausgebildeten Steuerantriebs 4 angeordnet. Zwischen den einzelnen Steuerelementen 5 ist ein entsprechender Freiraum angeordnet, sodass diese eine Relativposition zueinander in Bezug auf den Hauptrotor 3 einnehmen können. Um die einzelnen Steuerelemente individuell über die Steuer- und Regeleinheit 10 ansteuern zu können, ist es notwendig, dass die einzelnen Statorspulen bzw. Wicklungen 43 einzeln angesteuert werden können. So kann beispielsweise für jedes einzelne Steuerelement 5 ein eigener Regelkreis, der durch die Steuer- und Regeleinheit 10 kontrolliert bzw. zentral gesteuert wird, vorgesehen sein. Wird beispielsweise entsprechend einem Umfangssegment die einzelnen Wicklungen 43 bzw. Spulen angesteuert, so kann für ein einzelnes, segmentiertes Steuerelement 5 ein Differenzdrehmoment zwischen diesem und dem Hauptrotor 3 aufgebracht werden, sodass das jeweilige Steuerelement 5 relativ zum Hauptrotor entlang des Umfangs (Fig. 9) verstellt wird. Durch die Relativverstellung des Steuerelements 5 zum Hauptrotor 3 bzw. den Rotorblättern 9 oder der Blattachse 7 wird das Tellerrad 81 mit dem Steuerelement 5 verstellt und das segmentierte Kegelrad 82 verdreht die Rotorblätter 9 in der Blattachse 7, wodurch die Neigung der Rotorblätter 9 verstellt wird. Über den Umfang des Steuerantriebs 4 können so die Wicklungen 43 unterschiedlich angesteuert werden, sodass in einem beliebigen aus einer bestimmten Anzahl an Statorspulen bestehenden Umfangsabschnitt für jedes einzelne Steuerelement 5 oder je Umfangsabschnitt gemeinsam die Neigung der Rotorblätter 9 verstellt werden kann. So kann beispielsweise bei Hubschraubern je nach Umlauf des Hauptrotors 3 in den unterschiedlichen Umfangsabschnitten des Hauptrotors 3 eine unterschiedliche Blattneigung der Rotorblätter 9 eingestellt werden, sodass der Hubschrauber ein positives Flugverhalten erhält. 9 and 10 show a further embodiment of the device according to the invention. The device comprises a control drive 4 designed as an electric motor, the stator 41 of which is arranged coaxially to the main axis 1 of the main rotor 3. The device comprises three rotor blades 9, each of which is rotatably connected to the control drive via a control element 5. The rotor blades 9 are distributed evenly over the circumference of the main rotor 3 at a distance of 120 ° from one another. The control drive 4 has a number of independently controllable windings 43 in which a mutually independent electrical field can be applied. The control elements 5 are designed as rotor segments and are each adjustable in relation to one another in the main axis 1. Between the control elements 5 and the rotor blades 9, a bevel gear 8 is arranged in each case, which comprises both a part of a ring gear 81 and a segmented bevel gear 82 (FIG. 10). The control elements 5 each have a rotor 42 which extends along a circumferential section of the control drive 4 and on which the segmented ring gear 81 of the bevel gear 8 is arranged. The rotors 42 each extend over a circumferential section of the control drive 4 and can be adjusted relative to one another along the circumference of the control drive 4. In the segmented rotors 42 are each part of the rotor magnets of the control drive 4 designed as an electric motor. A corresponding free space is arranged between the individual control elements 5 so that they can assume a position relative to one another in relation to the main rotor 3. In order to be able to control the individual control elements individually via the control and regulating unit 10, it is necessary that the individual stator coils or windings 43 can be controlled individually. For example, a separate control circuit, which is controlled or centrally controlled by the control and regulation unit 10, can be provided for each individual control element 5. If, for example, the individual windings 43 or coils are controlled in accordance with a circumferential segment, a differential torque can be applied between this and the main rotor 3 for a single, segmented control element 5, so that the respective control element 5 relative to the main rotor along the circumference (FIG. 9). is adjusted. By adjusting the control element 5 relative to the main rotor 3 or the rotor blades 9 or the blade axis 7, the ring gear 81 is adjusted with the control element 5 and the segmented bevel gear 82 rotates the rotor blades 9 in the blade axis 7, whereby the inclination of the rotor blades 9 is adjusted. The windings 43 can thus be controlled differently over the circumference of the control drive 4, so that the inclination of the rotor blades 9 can be adjusted together for each individual control element 5 or for each circumferential section in any circumferential section consisting of a certain number of stator coils. In the case of helicopters, for example, a different pitch of the rotor blades 9 can be set depending on the rotation of the main rotor 3 in the different circumferential sections of the main rotor 3, so that the helicopter has a positive flight behavior.
Optional kann ein negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptrotor 3 und dem Steuerelement 5 auch durch ein Bremsmoment aufgebracht werden, das beispielsweise bei einem Elektromotor im Generatorbetrieb erzeugt wird. So kann beispielsweise auch das negative Drehmoment zur Energiegewinnung genutzt werden und dem System wieder zugeführt oder gespeichert werden. Optionally, a negative differential torque between the main rotor 3 and the control element 5 can also be applied by a braking torque that is generated, for example, in an electric motor in generator mode. For example, the negative torque can also be used to generate energy and fed back into the system or stored.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise bei Hubschraubern oder auch bei anderen propellergetriebenen Fluggeräten oder bei Propellerantrieben von Landfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen sowie auch bei stationären Turbinen- oder Gebläse-Anwendungen Verwendung finden. The device according to the invention can be used, for example, in helicopters or in other propeller-driven aircraft or in propeller drives for land vehicles or watercraft and also in stationary turbine or fan applications.

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1. Vorrichtung zur Verstellung der Neigung von Rotorblättern (9) eines Rotors, insbesondere Rotoren, Propellern oder Turbinen von Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen sowie stationären Turbinen- oder Gebläseanordnungen, umfassend 1. A device for adjusting the inclination of rotor blades (9) of a rotor, in particular rotors, propellers or turbines of land, air or water vehicles as well as stationary turbine or fan arrangements, comprising
- einen Hauptantrieb (2) mit einem Hauptrotor (3) der um eine Hauptachse (1) des Hauptrotors (3) angetrieben rotierbar angeordnet ist, - A main drive (2) with a main rotor (3) which is arranged to be driven and rotatable about a main axis (1) of the main rotor (3),
- eine Anzahl von an dem Hauptrotor (3) im rechten Winkel zur Hauptachse (1) angeordneter, insbesondere gleichmäßig verteilten, Rotorblättern (9), die jeweils in einem Lager (6) um ihre jeweilige Blattachse (7) drehbar gelagert sind, wobei die Blattachse (7) jeweils rechtwinklig zur Hauptachse (1) angeordnet ist, - A number of rotor blades (9) arranged on the main rotor (3) at right angles to the main axis (1), in particular evenly distributed, which are each rotatably mounted in a bearing (6) about their respective blade axis (7), the Blade axis (7) is arranged at right angles to the main axis (1),
- einen Steuerantrieb (4) mit dem die Neigung zumindest eines der Rotorblätter (9) in der jeweiligen Blattachse (7) über ein Steuerelement (5) verstellbar ist, wobei insbesondere der Steuerantrieb (4) koaxial zur Hauptachse (1) und/oder zum Hauptantrieb (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (5) mit dem Hauptrotor (3) um die Hauptachse (1) mitrotierbar ist, dass das Steuerelement (5) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass durch den Steuerantrieb (4) zwischen dem Hauptrotor (3) und dem Steuerelement (5) ein aufgebrachtes Differenzdrehmoment um die Hauptachse (1) aufbringbar ist, sodass die Blattneigung zumindest eines der Rotorblätter (9) in der Blattachse (7) bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb (1) und dem Steuerantrieb (4) über das Steuerelement (5) verstellbar ist, und dass die Vorrichtung eine Steuer- und Regeleinheit (10) aufweist, mit der der Steuerantrieb (4) ansteuerbar ist und mittels der ein positives oder negatives Differenzdrehmoment zwischen dem Hauptantrieb (1) und dem Steuerantrieb (4) an dem Steuerantrieb (4) vorgebbar ist. - A control drive (4) with which the inclination of at least one of the rotor blades (9) in the respective blade axis (7) can be adjusted via a control element (5), in particular the control drive (4) being coaxial to the main axis (1) and / or to the Main drive (2) is arranged, characterized in that the control element (5) can be rotated with the main rotor (3) about the main axis (1), that the control element (5) is designed and arranged in such a way that the control drive (4) an applied differential torque about the main axis (1) can be applied between the main rotor (3) and the control element (5) so that the blade inclination of at least one of the rotor blades (9) in the blade axis (7) when a differential torque is applied between the main drive (1) and the control drive (4) is adjustable via the control element (5), and that the device has a control and regulating unit (10) with which the control drive (4) can be controlled and by means of which a positive or negative the differential torque between the main drive (1) and the control drive (4) on the control drive (4) can be specified.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (5) ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere ein Kegelradgetriebe (8), aufweist, über das das Differenzdrehmoment zwischen dem Steuerantrieb (4) und dem Hauptantrieb (1) als Drehmoment auf die Rotorblätter (9) zur Einstellung der Neigung der Rotorblätter (9) in der Blattachse (7) aufbringbar ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the control element (5) has a gear or deflection gear, in particular a bevel gear (8), via which the differential torque between the control drive (4) and the main drive (1) as a torque on the Rotor blades (9) can be applied to adjust the inclination of the rotor blades (9) in the blade axis (7).
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerantrieb (4) als Elektromotor ausgebildet ist, dessen Stator (41) an der Hauptachse (1), insbesondere koaxial zum Hauptantrieb (2), angeordnet ist, wobei der Rotor (42) des Steuerantriebs (4) mit dem Steuerelement (5) drehmomentübertragend verbunden ist und mittels des Rotors (42) des Steuerantriebs (4) ein Verstelldrehmoment über das Steuerelement (5) auf die Rotorblätter (9) aufbringbar ist. 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control drive (4) is designed as an electric motor, the stator (41) on the main axis (1), in particular coaxially to the main drive (2), is arranged, wherein the The rotor (42) of the control drive (4) is connected to the control element (5) in a torque-transmitting manner and an adjusting torque can be applied to the rotor blades (9) via the control element (5) by means of the rotor (42) of the control drive (4).
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest zwei Winkelgeber (13, 14) aufweist wobei die Winkelgeber (13, 14) derart angeordnet sind, dass die Winkelposition des Hauptrotors (3) sowie des Steuerelementes (5) mit je einem Winkelgeber (13, 14) erfassbar und an die Steuer- und Regeleinheit (10) überbermittelbar ist, sodass mittels der Steuer- und Regeleinheit (10) die Winkelposition zwischen Hauptrotor (3) und Steuerelement (5), über die Regelung der Drehmomentdifferenz zwischen Hauptrotor (3) und Steuerelement (5) vorgebbar ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has at least two angle sensors (13, 14), the angle sensors (13, 14) being arranged in such a way that the angular position of the main rotor (3) and the control element (5) each with an angle encoder (13, 14) can be detected and transmitted to the control and regulating unit (10) so that the angular position between the main rotor (3) and control element (5) is controlled by means of the control and regulating unit (10) Torque difference between the main rotor (3) and control element (5) can be specified.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zwischen dem Hauptrotor (3) und dem Steuerelement (5) angeordnete Neigungsbegrenzungseinheit (12) aufweist, wobei die Neigung der Rotorblätter (9) in der Blattachse (7) mittels der Neigungsbegrenzungseinheit (12) begrenzbar ist, wobei die Neigungsbegrenzungseinheit (12) insbesondere als Anschlag oder Koppelelement oder Feder, insbesondere Rückstellfeder, ausgebildet ist. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has an inclination limiting unit (12) arranged between the main rotor (3) and the control element (5), the inclination of the rotor blades (9) in the blade axis (7) by means of the inclination limiting unit (12) can be limited, the inclination limiting unit (12) being designed in particular as a stop or coupling element or spring, in particular a return spring.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerantrieb (4) zumindest einen Hebelmechanismus aufweist, wobei der Hebelmechanismus ein Hebelelement (21) umfasst, das zwischen dem Steuerelement (5) und dem jeweiligen Rotorblatt (9) angeordnet ist, wobei das Hebelelement (21) über eine Blattverstellstange (22) mit dem jeweiligen Rotorblatt (9) verbunden ist, wobei das Hebelelement (21) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Blattneigung der Rotorblätter (9) in der Blattachse (7) bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb (1) und dem Steuerantrieb (4) über das Steuerelement (5) und den Hebelmechanismus verstellbar ist. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control drive (4) has at least one lever mechanism, wherein the lever mechanism comprises a lever element (21) which is arranged between the control element (5) and the respective rotor blade (9), wherein the lever element (21) is connected to the respective rotor blade (9) via a blade adjustment rod (22), the lever element (21) being designed and arranged in such a way that the blade inclination of the rotor blades (9) in the blade axis (7) when in contact a differential torque between the main drive (1) and the control drive (4) is adjustable via the control element (5) and the lever mechanism.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerantrieb (4) mehrfach, insbesondere doppelt, redundant, vorzugsweise in bezug auf die Blattachse (7) gespiegelt, in der Vorrichtung ausgebildet ist. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control drive (4) multiple, in particular double, redundant, preferably mirrored with respect to the blade axis (7), is formed in the device.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerantrieb (4) versetzt, insbesondere parallel, zur Hauptachse (1) angeordnet ist, wobei die Rotation über eine Getriebestufe (23), die zwischen dem Steuerantrieb (4) und dem Steuerelement (5) zur Umlenkung und Übertragung des Drehmoments angeordnet ist, auf das Steuerelement (5) übertragbar ist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control drive (4) offset, in particular parallel, to the main axis (1) is arranged, the rotation being transmitted to the control element (5) via a gear stage (23) which is arranged between the control drive (4) and the control element (5) for deflecting and transmitting the torque.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptrotor (3) in einem zylinderförmigen Ring (30) angeordnet ist und die Rotorblätter (9) sich in Richtung des Zentrums des Rings (30) zur Hauptachse (1) hin erstrecken, wobei die Vorrichtung insbesondere als Ringpropeller oder Ringturbine ausgebildet ist. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the main rotor (3) is arranged in a cylindrical ring (30) and the rotor blades (9) extend towards the center of the ring (30) towards the main axis (1) , wherein the device is designed in particular as a ring propeller or ring turbine.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerantrieb (4) als Elektromotor ausgebildet ist, wobei der Stator (41) des Steuerantriebs (4) insbesondere koaxial zur Hauptachse (1) des Hauptrotors (3) angeordnet ist, wobei der Steuerantrieb (4) eine Anzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Wicklungen (43) aufweist, 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control drive (4) is designed as an electric motor, wherein the stator (41) of the control drive (4) is arranged in particular coaxially to the main axis (1) of the main rotor (3), wherein the control drive (4) has a number of independently controllable windings (43),
- wobei eine der Anzahl der Rotorblätter (9) entsprechende Anzahl von Steuerelementen (5) über den Umfang des Stators (41) des Steuerantriebes (4) angeordnet sind, wobei die Steuerelemente (5) jeweils einen entlang des Umfangs des Steuerantriebs (4) bewegbaren, segmentierten, sich jeweils entlang eines Umfangsabschnittes des Steuerantriebes (4) erstreckenden Rotor (42) aufweist, wobei die jeweiligen Rotoren (42) relativ zueinander entlang des Umfangs des Steuerantriebes (4) bewegbar ausgebildet sind, - A number of control elements (5) corresponding to the number of rotor blades (9) being arranged over the circumference of the stator (41) of the control drive (4), the control elements (5) each being movable along the circumference of the control drive (4) , segmented rotor (42) each extending along a circumferential section of the control drive (4), the respective rotors (42) being designed to be movable relative to one another along the circumference of the control drive (4),
- wobei jedes Steuerelement (5) jeweils derart mit dem jeweiligen Rotorblatt (9) über einen Hebelmechanismus, ein Getriebe oder Umlenkgetriebe, insbesondere einem Kegelradgetriebe (8), verbunden ist, dass die Neigung der Rotorblätter (9) in der jeweiligen Blattachse (7) unabhängig voneinander verstellbar ist, und - each control element (5) being connected to the respective rotor blade (9) via a lever mechanism, a gear or deflection gear, in particular a bevel gear (8), in such a way that the inclination of the rotor blades (9) in the respective blade axis (7) is independently adjustable, and
- wobei die Steuer- und Regeleinheit (10) derart ausgebildet ist, dass die einzelnen Spulen (43) des Steuerantriebs (4) unterschiedlich durch die Steuer- und Regeleinheit (10) ansteuerbar sind, sodass entlang des Umfangs des Steuerantriebs (4) für jedes Steuerelement (5) ein unterschiedliches Differenzdrehmoment zwischen dem jeweiligen Steuerelement (5) und dem Hauptrotor (3) aufbringbar ist, sodass in jedem beliebigen Umfangabschnitt des Steuerantriebs (4) die Neigung der Rotorblätter (9) unabhängig von den jeweils anderen Rotorblättern (9) einstellbar ist. - The control and regulating unit (10) is designed such that the individual coils (43) of the control drive (4) can be controlled differently by the control and regulating unit (10), so that along the circumference of the control drive (4) for each Control element (5) a different torque difference between the respective control element (5) and the main rotor (3) can be applied, so that the inclination of the rotor blades (9) can be set independently of the other rotor blades (9) in any circumferential section of the control drive (4) is.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung jeweils eine den Rotorblättern (9) entsprechende Anzahl von Steuerantrieben (4a, 4b, ...) aufweist, wobei jeweils ein Steuerantrieb (4a, 4b, ...) jeweils über ein, insbesondre gleich ausgebildetes, Steuerelement (5a, 5b, ...) mit jeweils einem Rotorblatt (9) verbunden ist, wobei bei Anliegen eines Differenzdrehmoments zwischen dem Hauptantrieb (2) und dem jeweiligen Steuerantrieb (4a, 4b, ...) die Neigung des jeweils mit diesem Steuerantrieb (4a, 4b, ...) verbundenen Rotorblatts (9) verstellbar ist. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has in each case a number of control drives (4a, 4b, ...) corresponding to the rotor blades (9), one control drive (4a, 4b, ...) in each case. is connected to a rotor blade (9) each via a control element (5a, 5b, ...) of identical design, with a difference in torque between the main drive (2) and the respective control drive (4a, 4b, ..) .) the inclination of the respective rotor blade (9) connected to this control drive (4a, 4b, ...) is adjustable.
12. Fahrzeug, insbesondere Landfahrzeug, Luftfahrzeug oder Wasserfahrzeug, umfassend zumindest einen Hauptrotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, 12. Vehicle, in particular land vehicle, aircraft or watercraft, comprising at least one main rotor (3), characterized in that the vehicle comprises at least one device according to one of claims 1 to 11,
13. Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug zumindest zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei die Vorrichtungen koaxial an einer gemeinsamen Rotorachse (3) hintereinander angeordnet sind und insbesondere als gegenläufige Propeller oder gegenläufige Dual- Rotor-Konfiguration ausgebildet sind. 13. Vehicle according to claim 12, characterized in that the vehicle comprises at least two devices according to one of claims 1 to 11, wherein the devices are arranged coaxially on a common rotor axis (3) one behind the other and in particular as counter-rotating propellers or counter-rotating dual-rotor Configuration are formed.
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