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Stand der Technik
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Die durch Tragflächen erzeugte Auftriebskraft geht auf den Vogelflug zurück und nutzt den Druckunterschied zwischen entsprechend gekrümmten Profilseiten, wobei der Begriff Profil für den Querschnitt der Tragfläche verwendet wird. Die Auftriebskennziffer oder der Beiwert zum Staudruck kennzeichnen im technischen Bereich die Wirksamkeit der Auftriebserzeugung durch die Profilgebung. Da im Allgemeinen große Auftriebskennziffern ca auch große Widerstandsbeiwerte cw nach sich ziehen, werden die kennzeichnenden Parameter meist gemeinsam in Diagrammen einander zugeordnet. In Fachbüchern findet man für Anwendungen in Fluggeräten Profilklassen mit typischen ca, cw-Wertepaaren. Diese Typisierung schließt z. B. für hohe Fluggeschwindigkeit mit kleinem cw-Wert Profile mit hohen ca-Werten aus. Andererseits werden für kleine Fluggeschwindigkeit Profile mit großen ca-Werten möglich, wenn große cw-Werte zulässig sind. Allerdings beeinträchtigt ein hoher Widerstand der Tragflächen den wirtschaftlichen Einsatz des Fluggeräts. Die einschränkende Paarbeziehung zwischen Auftriebskraft und Widerstand ist der Heranziehung der Druckunterschied-Physik zur Auftriebsbildung geschuldet. Sie basiert auf der mit verschiedener Krümmung (bei Ober- und Unterseite des Profils) erreichbaren Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit (in Oberflächennähe) und natürlich darauf, dass nur starke Unterschiede der Krümmung zu starken Geschwindigkeits- und damit Druckunterschieden führen. Unvermeidlich folgt daraus auch ein erhöhter Widerstand. Um sich dieses Zwanges wenigstens teilweise zu entziehen, wird bekanntlich (wie auch im Vogelflug) auf die Veränderbarkeit des Profils zurückgegriffen und für den Langsamflug mit Hilfe einer Profilverstellung (temporär Einsatz von Klappen oder veränderlicher Flügelnase) eine bessere Anpassung an die Flugbedingungen erzielt. Der topologische Eingriff am Profil ist hinsichtlich der Einwirkungsgröße auf ca (unter Hinnahme der cw-Steigerung) aerodynamisch und hinsichtlich der technischen Gestaltbarkeit begrenzt und bewirkt im Grenzbereich ein höheres Störfallrisiko (Strömungsabriss). Der starke topologische Profileingriff bedeutet zunehmende Instabilität der Strömung, ähnlich wie im Falle großer Profil-Anstellwinkel (gegenüber der Anströmrichtung).
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Angesichts der physikalisch-topologisch begrenzten c
a-Werte von Tagflächen erscheinen auch Maßnahmen als aussichtsreich, die sich eines bewegungsaktiven Eingriffs zur weiteren Steigerung der Druckdifferenz bedienen. Damit ist gemeint, dass sich durch den Einsatz von Energie für die zusätzliche Bewegung der Profiloberfläche der dort wirkende Unterdruck zur vermehrten Auftriebskraftbildung einsetzen lässt. Das zu verwendende Luft-Beschleunigungsgerät (ein rotierender Zylinder oder ein Bandtrieb, die teilweise umbaut sind) ermöglicht auch bei kleiner Fluggeschwindigkeit durch den stark vergrößerten c
a-Wert eine deutlich größere Auftriebskraft und stellt zusätzlich mit einem Teil der eingesetzten Energie auch einen Teil der Vortriebskraft; (Patentanmeldung
DE 10 2015 012 945.7 ). Die Wirksamkeit des Profils wird nun durch weitere Parameter, wie z. B. die Umfangsgeschwindigkeit des Beschleunigungszylinders oder des Bandtriebs und auch im Zusammenhang mit der notwendigen Antriebsleistung beschrieben. Ebenso werden auch die Grenzen der technischen Anwendung neu definiert. Das Konzept des Auftriebskraft erzeugenden Profils bleibt jedoch erhalten, auch wenn das zusätzliche Hilfsmittel der Oberflächenbewegung zur Steigerung der Vortriebsleistung herangezogen wird. Die Bedeutung der Geschwindigkeit der dem Profil zulaufenden Strömung (Anströmgeschwindigkeit) wird durch die nun vorhandene Eigenbewegung der Profiloberfläche reduziert.
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Im Falle der Auftriebsbildung bei Hubschlaubern wird davon Gebrach gemacht, dass bei dem aus einzelnen Rotorblättern gebildeten Rotor in (gemeinsamer) Umlaufbewegung der Auftrieb gewissermaßen in Eigenbewegung erzeugt wird. Auch für die Horizontalbewegung des Fluggeräts lässt sich durch den Rotor die Vortriebskraftkomponente stellen. Diese Hinwendung der Auftriebserzeugung zur Rotorumfangsgeschwindigkeit, deren Obergrenze im Allgemeinen unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt, bedeutet im Verglich zur normalen Tragfläche einen beträchtlichen Kraftdichte-Zuwachs und sichert die Möglichkeit des Starts ohne (horizontale) Anströmgeschwindigkeit. Die Leistungssteigerung geht hauptsächlich auf die quadratisch mit der Profil-Drehgeschwindigkeit steigende Kraftdichte zurück. Allerdings wird auch hier die Auftriebskraft durch die Druckdifferenz am profilgerecht geformten Rotorblatt erzeugt und ist den erwähnten Grenzen unterworfen. Um nachteilige Strömungsbeeinflussungen zu vermeiden werden die Rotorblätter im leistungsstarken äußeren Bereich als Flachprofile mit nur geringem Anstellwinkel eingesetzt, sodass der Auftriebsbeiwert nicht über 0,25 liegt. Berücksichtigt man, dass die Gesamtfläche der Rohrblätter in der Regel kaum 1/10 der Gesamt-Spitzenkreisfläche beträgt, so darf als mittlerer Auftriebsbeiwert (bezogen auf die Spitzengeschwindigkeit) kaum mehr als 0,025 erwartet werden. Dieser Wert schließt ein, dass in Nabennähe deutlich höhere örtliche ca-Werte möglich sind, dort aber der Staudruck stark herabgesetzt ist. Selbst das bewegte Profil, das in diesem Falle rotiert, vermag den mittleren Auftriebswert nur in begrenztem Umfang zu steigern und führt deshalb zu beträchtlichen Rotordurchmessern. Mit der Eigenbewegung der Rotorblatter wird die Luft parallel zur Drehachse (entgegen der Auftriebskraft), aber auch in Umfangsrichtung und zugleich radial bewegt. Der Leistungsaufwand ist verhältnismäßig hoch, da nur ein Teil der dem Rotor (und der Luft) übertragenen Leistung zur Erzeugung der Auftriebskraft führt und die Überlagerung mehrerer Strömungskomponenten Nachteile nach sich zieht.
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Dies wird besonders im Falle einer Horizontalbewegung des Fluggeräts deutlich, wo Maßnahmen zur umfangsbezogenen Rotorblattsteuerung eine teilweise Abhilfe bringen. Die dem Tragprofil eigenen Besonderheiten und die notwendige Rotorblattsteuerung sowie die gleichzeitig starke mechanische Belastung der Rotorblatter durch radiale Zug- und überlagerte Biegespannung beeinträchtigen die Anwendung der gewählten Technik stark. Dieser Befund gilt einschließlich der daraus abgeleiteten Vorschläge insoweit auch für den Einsatz anderer gasförmiger Medien (neben Luft), wie deren spezifische Dichte mit jener der Luft vergleichbar ist.
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Im Sinne einer erfindungsbezogenen Effizienzsteigerung der Auftriebsbildung, insbesondere zum Einsatz für Hubschrauber-ähnliche Fluggeräte mit von der Anströmgeschwindigkeit weitgehend unabhängigem Schwebeverhalten erscheint ein Konzeptschwenk für die Auftriebskraftbildung erforderlich. Anzustreben ist dabei eine deutlich höhere mittlere Kraftdichte (Auftriebskraftbeiwert ca). Bei gegebener Rotorgeschwindigkeit und bei verminderter Beeinflussbarkeit der Auftriebsbildung durch unterschiedliche Flugzustände und deren Einfluss auf die Strömung. Erfindungsgemäß soll der Effekt der Differenzdruckerzeugung durch verstärkte Profilkrümmung gekoppelt mit unvermeidlicher cw-Steigerung dadurch umgangen werden, dass die Auftriebskomponente aus einer vom Rotor erzeugten Zentrifugalkraft (des Strömungsmediums) abgeleitet wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des Rotors und einer entsprechenden Einflussnahme auf die austretende Strömung lässt sich die der Strömung durch den Antrieb vermittelte kinetische Energie zur Erhöhung der Auftriebskraftkomponente nutzen. Im folgenden Abschnitt wird durch eine ausführliche Textdarstellung und mit Hilfe einiger in den Text einbezogener zeichnerischer Darstellungen die Ausführbarkeit und der Zusammenhang zu den wesentlichen Merkmalen (in den Patentansprüchen erfasst und) ausführlich beschrieben.
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Beschreibung
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Ein Basismodell
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Die einer Auftriebskraftverstärkung nach 1 dienende physikalisch-technische Lösung bedient sich der Anwendung einer Druckerzeugung, die hauptsächlich mit Hilfe der in einem Laufrad (Verdichter-Rad) Rv der Luft mitgeteilt wird und verzichtet auf den Einsatz des Tragprofils. In einem dem Laufrad Rv nachgeschalteten Leitgerät Lg wird durch Umlenkung der Luft in axiale Richtung zusätzlich ein Druckanteil für die Auftriebsbildung nutzbar gemacht. Das Laufrad Rv ist, wie auch 2 ausschnittsweise in der Draufsicht zeigt, zirkularsymmetrisch aus der Nabe Nr, dem Schaufelstern Ar und dem konisch angelegten Trichterrand Gr aufgebaut, wobei letzterer gegenüber der axialen Richtung einen Winkel β im Bereich von 45° einnimmt. Alle drei Bauteile dienen sowohl einer Strömungsbeeinflussung wie auch einer die Festigkeit stärkenden Funktion. Über die Nabe Nr und der darin befestigten Welle We ist das Laufrad Rv mit dem Teil Lg drehbar verbunden. Ein elektrischer Antrieb Ea (als Beispiel), dessen Rotor mit der Welle We verbunden ist und das Lager der Welle sind der Nabe Ln des Leitgeräts Lg zugeordnet und ermöglichen dem Laufrad hohe Umfangsgeschwindigkeit bei kleinen Reibungsverlusten.
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Am Leitgerät Lg ist außer der Lagerung für das Laufrad auch eine Abdeckung Gl in kleinem Abstand δ gegenüber dem Laufradaußenteil Gr eingesetzt. Sie verhindert Einwirkungen der äußeren Strömung z. B. von deren Horizontalkomponente auf die Auftriebskraft und minimiert Reibungsverluste. Die Abdeckung Gl ist am Bauteil Gl', das den zylindrischen Außenabschluss Lg darstellt, befestigt, das seinerseits mit dem Fluggerät Fg bzw. einem seiner Bauteile verbunden ist.
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In 1 sind einige Strömungslinien im Laufradbereich gezeichnet, die den Zustrom im Eintritt zum Laufrad mit hoher Eintrittsgeschwindigkeit vre kennzeichnen, während die Austrittsgeschwindigkeit vra dem vergrößerten Querschnitt von Rv entsprechend kleiner ausfällt. vr stellt die Relativgeschwindigkeit der Strömung gegenüber Rv dar. Ihr Absolutwert ergibt sich durch Hinzufügen der Umfangsgeschwindigkeit u, die proportional dem Abstand zur Laufachse ist und ihren Höchstwert am unteren Endpunkt von Rv erreicht. Hier verbindet sich die Schaufel Ar mit dem Trichterrand Gr. Gleichzeitig wird hier der Höchstwert des Druckanteils Δprc als Folge der Zentrifugalwirkung erzielt, während an der Eintrittssstelle (bei etwa halbem Radius) nur etwa 25% dieses Wertes entsteht. Immerhin umfasst die in der Draufsicht in 2 erkennbare Kreisringfläche von Gr auf die Spitzenkreisfläche bezogen nun rund 75%. Die auf das Laufrad wirkende Axialkomponente, die der Auftriebsbildung zugrunde liegt, wird aus dem Produkt Δprc·cosβ berechnet. Auf die Laufradströmung wirkt die entgegengesetzt gerichtete Druckkomponente (s. h. 1), die der nach unten gerichteten Bewegung der Luft als Antriebskraft dient. Dem im Bauteil Gr nach oben gerichteten Druckanteil wird nach 1a noch der in der Regel kleinere Anteil Δprt an die Seite gestellt, der sich aus dem Staudruckunterschied an Ein- und Austritt von Rv berechnen lässt. Da die Laufradgeometrie die Verwirklichung verhältnismäßig kleiner mechanischer Spannungen für ihre Bauteile ermöglicht, lassen sich sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten und damit auch das Verhältnis u > v verwirklichen. Daraus folgt auch die Relation Δprc > Δprt. Dieses Verhältnis zwischen den Geschwindigkeitskomponenten v und u ist auch, wie in 1b dargestellt, für die v-Komponenten am Strömungseintritt zum Leitgerät Lg zu erwarten. Um Eintrittsstöße der Strömung beim Einlauf in den Schaufelbereich von Lg zu vermeiden, wird dort der Eintrittswinkel der Schaufel Sl so angepasst, dass sich Übereinstimmung zwischen den Richtungen der Geschwindigkeit vLe und der Schaufel Sl ergibt. In der Ausschnittsdarstellung für zwei Schaufeln Sl, die gegenüber dem restlichen Teil 1 um 90% gedreht ist, ist dies erkennbar. Mit der Annahme, dass der weitere Verlauf von Sl im Einlaufteil ein Kreisbogen ist, (mit Radius rL), kann die zugeordnete Geschwindigkeit vL' den in 1a angegebenen Zentrifugaldruck ΔpL entwickeln. Da vL' ≈ vL gilt, ist bei Annahme des Schaufelabstands gleich rL, die Ermittlung des Druckanteils nach der bereits angegebenen Gleichung für Δprc möglich. Es sollte erwähnt werden, dass auch zur Reduktion des Einlaufstoßes beim Laufrad Rv eine Neigungsanpassung der Schaufelstellung von Ar am Eintritt sinnvoll ist. Dabei gilt, dass die Umfangskomponente u kleiner und die Vertikalkomponente v der Strömung größer als am Austritt ist mit der Folge, dass die für die Schaufelneigung von Ar (gegenüber der senkrechten Radialebene) zu empfehlende Abweichung deutlich geringer als beim Leitgerät ist. Es wirkt sich für die Festigkeit des Laufrads Rv günstig aus, dass sein Schaufeistern Ar gleich dem Armstern ist und dieser im Verhältnis zum Durchmesser in axialer Richtung eine große Abmessung (auch im Vergleich zu einem Rotorblatt) aufweist. Auch die Verbindung von Armstern und Trichterteil Gr erweist sich festigkeitsmäßig als sehr zweckmäßig. Es werden hierdurch hohe Widerstandsmomente gegen Biegung in axialer und in Umfangsrichtung erreicht. Selbst bei kleiner Materialdicke werden folglich nur geringe Spannungen erzeugt. Hervorzuheben ist auch, dass gegenüber dem biegeweichen Blattrotor der mehrschauflige Trichterrotor in seinem Auftrieb erzeugenden Verhalten weder stark strömungsablösende Tendenzen aufweist, noch Auftrieb schwächende Richtungsabhängigkeit beider Rotorseiten zeigt, (die bei Horizontalbewegung wirksam wird). Die feststehende Abdeckung Gl trägt hierzu ihren Teil bei. Eine Anstellwinkelsteuerung ist deshalb hier nicht in Betracht zu ziehen. Es darf angenommen werden, dass die große Schaufelzahl, deren sehr schmale widerstandsarme Ausführung und der längere dreidimensionale Einschluss der Schaufelströmung (im Laufrad Rv) ein vergleichsweise geringes Maß an Wirbelanregung bietet, und sich auch hierdurch die Ausführung erhöhter Umfangsgeschwindigkeit (auch über die Schallgeschwindigkeit hinaus) rechtfertigt. Schließlich ist auch aufgrund der in 1a angedeuteten Abhängigkeit der Druckanteile eine zahlenmäßige Abschätzung der mittleren Auftriebskraftdichte (der Gesamtdruck in Auftriebsrichtung) und damit ein Effizienz-Vergleich mit dem Blattrotor möglich. Dabei zeigt sich vorteilhaft sowohl ein erhöhter mittlerer Auftriebsdruck im Laufradbereich als auch die stark erhöhte Einwirkungsfläche gegenüber dem Blattrotorkonzept. Selbst im restriktiven Fall der Annahme gleicher Spitzengeschwindigkeit für Schaufel- und Blattrotor kann noch ein Unterschiedsfaktor von 20 nachgewiesen werden.
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Weitere Anpassungen für die Anwendung
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Die Ausführbarkeit mit kleinem Materialeinsatz (hohe Widerstandsmomente, der Wegfall aerodynamischer Beeinträchtigungen durch unterschiedliche Anströmbedingungen beim Blattumlauf) sowie die sich stark auswirkende Steigerungsmöglichkeit für die mittlere Auftriebsdichte kennzeichnen das beschriebene Konzept. Die Druckerzeugung auf der Grundlage der Zentrifugalbeschleunigung erscheint als ein zweckmäßiges und aussichtsreiches Prinzip für den Einsatz in Fluggeräten. Hierbei ist besonders an die Anwendung zu denken, bei der Hubschrauber-ähnlichen Bedingungen zu entsprechen ist.
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Es liegt nahe, in diesem Zusammenhang auch an weitere Möglichkeiten der Merkmalsverbesserung durch zusätzliche Formanpassung und Prozessoptimierung zu denken. Mit der nun vorgesehenen umgrenzten Luftführung wird es z. B. möglich, in einem Fluggerät (z. B. wie in Drohnen) mehrere Auftrieb erzeugende Geräte in dichter Nachbarschaft und zugleich mit unterschiedlichen Betriebsvorgaben zu betreiben. Ohne dass (wie beim Blattrotor) eine nachteilige Beeinträchtigung zu erwarten ist. Auch an einen Steuereingriff zur Anpassung des Schaufel-Eintrittswinkels an die Rotationsgeschwindigkeit von Rv für das Leitgerät Lg und seine Leitschaufeln Gl ist zu denken. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass neben dem als Beispiel erwähnten elektrischen Antrieb Ea auch andere Antriebsformen einsetzbar sind. Das Laufrad Rv kann z. B. auch in Verbindung mit einem dem Leitgerät Lg nachgeschalteten Turbinenrad (einer Gasturbine) angetrieben werden.
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Es ist aus der Hubschraubertechnik bekannt, dass ein die Auftriebskraft erzeugender Rotor durch Schwenken (des Rotors oder des Fluggeräts) mit Hilfe einer angepassten Blattsteuerung sich für die Vortriebsbildung einsetzen lässt. Auch im Falle der Anwendung mehrerer Rotoren (wie etwa bei Drohnen) liegt eine Steuerung der Fluggerätlage bei gleichzeitiger kombinierten Trag- und Vortriebskrafterzeugung vor, die sich auch für den Einsatz der hier beschriebenen Laufradtechnik empfiehlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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