DE2004604A1 - Geblasepropeller Vorrichtung - Google Patents

Description

• Gebläsepropeller-Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine Gebläsepropeller-Vorrichtun,, insbesondere Hubschrauber-Rotorvorrichtung.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in erster Linie als Rotoreinrichtung fdr Hubschrauber von Vorteil. Die bisher für Hubschrauber verwendeten langflüglichen und völlig frei oberhalb des Hubschraubergehäuses angebrachten Rotorblätter bedingen einen großen Raumbedarf und unterliegen auch erheblichen Energieverlusten, da der von den Rotorblättern zentrifugal erzeugte Luftstrom für jeden Antrieb verloren geht. Außerdem wird die verfügbare Hubenergie durch den Aufprall des unter den Rotorblättern angeordneten Hubschraubergehäuses gemindert.
• Andererseits unterliegen aber auch Hubgebläse mit ummantelten Propeller dem erheblichen Nachteil, daß sich ihre Hubenergie durch höhere Drehzahlen nicht zufriedenstellend erhöhen läßt und daß vor allem auch ein erheblicher Spaltverlust zwischen den Propellerenden und der denigegenüber feststehenden Ummantelung eintritt.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgegentiber, eine Gebläsepropeller-Vorrichtung, insbesondere eine Rotorvorrichtung flir Hubschrauber zu schaffen, die sowohl die Nachteile des Bekannten vermeidet als vor allem auch bei einfacherer Arltriebsart und erhöhtem Wirkungsgrad der aufzuwendenden Hubenergie die Konstruktion erheblich kompakterer urld billigerer IIubschraube erlaubt, in die zudem auch ei optimal freier Zugan@ möglich ist.
• Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller zu ihren äußeren Enden hin mittels eines zu ihrer Rotationsachse konzentrischer Rings fest miteinander verbunden sind, der an seinem inneren Durchmesser eine ringförmige Leitfläche aufweist, welche die Propeller mindestens in der Breite der seitlichen Projektionsfläch@ der Propcllerblätter umgibt und deren Durchmesser sie zur Austrittsseite des Gebläses derart erweitert, da;3 der von den Propellerblättern radial auswärts gedrängte Gebläsestroranteil in Richtung zur Gebläsestrom-Hauptrichrung hin u gelenkt wird.
• Mit diesem grundsätzlichen Konstruktionsprinzip werden die Propeller an ihren freien Enden abgestützt, so daß sie leichter gebaut werden können ohne sich durch den Schubwiderstand durchzubiegen. Vo allem aber trägt die zentrifugal von den Rotorblätter verdrängte Luft aber Ausnutzung ihrer Schubkraft zum Schub bei. Dadurch kann einerseits die Rotorblattanstellung erhöht und von Innen nach Außen unterschiedlich (fallend) gestaltet werden.
• Schließlich wirkt der Ring noch als Schwungmasse, so daß leistungsärmere Antriebe Verwendung finden können, wobei die gegebenenfalls benötigten Veränderungen des Schubs bei praktisch konstant gehaltener Drehzahl durch Änderung der Anstellung der Rotorblätter erreichbar sind. Mit dieser Lösung wird die Wirkung des Gegendrehmoments gegebenenfalls dadurch überwunden, daß der Rotor vor dem Abheben auf Nenndrehzahl gebracht wird.
• Man kann den Rotor aber auch mit mindestens zwei dicht hintereinander angeordneten, gegenläufigen Propellersätzen derart ausbilden, daß jeder der Propellersätze einen konzentrischen Ring aufweist, von denen der in Gebläsestrom-Hauptrichtung vordere Band der Leitfläche des zum ausgangsseitigen. Propellersatzes gehörenden Rings praktisch übergangelos an den histeren Rand der Leitfläche des Rings des eingangsseitigen Propellersatzes anschließt. Auf diese Weise werden die vorhergehend gea tel Vorteile noch verstärkt und das Ge endrehmoment bedarf keiner speziallen Berücksichtigung mehr.
• Wenn die Rotorvorrichtung eine Konstruktion aufweist, bei der die einzelnen Propellerblätter jeweils auf einer Spelche in Propeller-Anstellrichtung Schwenkbar angebracht sind und die Speichen mit ihrem inneren Ende an der Rotornabe und mit ihrem äußeren Ende am Ring befestigt sind, dann kann man bei direktem Düsenantrieb der Rotoren diesen nicht nur bei hohler Speiche den Brennstoff auf einfachste Weise zuführen, sondern auch Kunststoff für die Propellerblätter verwenden. Die Rotornabe und die Speichen mit dem Ring bieten dabei eine außerordentlich formstabile Konstruktion, während die von den Speichen getragenen Propellerblätter aus Kunststoff bestehen können, die von dem Ring gegen die Zentrifugalkräfte abgestützt werden.
• Wenn man dem Ring nun noch dahingehend ergänzt, daß man ihn in eine relativ zu ihm feststeh@@de Strömungsummantelung münden läßt, die etwa von der Ebende des austrittsseitigen Rands bzw. vom hinteren Rand der Leitfläche ausgehend koaxial zur Rotationsachse den Gebläsestrom umgibt, erhält man auch bei rotierendem Ring den Energievorteil einer solchen Ummantelung.
• Ein entscheidender Vorteil läßt sich aber damit erreichen, wenn sich das zu den Propeller@ hin liegende Ende der Strömungsummalterung und der austrittseitige wand bzw. der hintere Rand des Rings teilweise überlappe und zwischen der Außenfläcghe des Rings und dem dazu radial auswärts angeordneten Endabschnitt das zu den Propeilern hin liegenden Endes der Strömungsummantelung ein breites, ringförmiger Radialspalt vorgesehen ist und vom Endabschnitt und der Außenfläche ein Strömungskanal ebildet wird, der derart ausgebildet ist, daß der aus den Propellern mit hohen Geschwindigkeit austretenden Strom durch den singförmigen Radialspalt Luft ansaugt.
• Bei einer solchen Konstruktion wird der Nachteil überwunden, daß der Schub mit steigender Drehzahl nur depressiv ansteigt. Durch die innerhalb des Rings erzeugte und von der Leitfläche des Rings gelenkte Strahlwirkung des Rotors entsteht eine Injektorstrahlwirkung, durch die durch den Radialspalt zusätzliche Luft angesaugt wird, die sich mit dem eillc hohe Geschwindigkeit aufweisenden Rotorstrahl mischt, so daß sich am Auslaß der Strömungs-Ummantelung eine an die stillstehende Umgebungsluft optimal angepasste Strömungsgeschwindigkeit ergibt.
• Dieser Vorteil karn noch erhöht werden, wenn die D:isen auf der Au3enseite im Querschnittprofil des Rings versenkt angebracht sind. Dabei werden die Abgase der Düsen mit durch den Radialspalt angesaugt und erh?jien die Strahlgeschwindigkeit durch Erwärmung.
• Mit der erfindungsgemäßen Rotorvorrichtunr lassen sich kompakte Hubschrauber bauen, die von oben gesehen etwa elliptisch bzw. eitörmig aussehen und in deren Mitte frei durchgehend die Rotorvorrichtung angeordnet ist, während die Sitzplätze und der Motor- und Tankraum etc. in den Endbereichen der Ellipse angeordnet sind.
• Die Erfindung ist nachstehend in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt: Fig. 1 eine teilweise schematisch dargestellte Draufsicht auf eine in einem erfindungsgemäßen Hubschrauber eingebaute Rotorvorrichtung, Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß der Linie A-A in Fig.1, wobei einzelne Teile nur schematisch dargestellt sind, Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Rotorvorrichtung in Teilschnittdarsteilung entsprechend Bereich B in Fig. 2, Fig. 1; die Anbringung von Antriebsdüsen an der Rotorvorrichtung entsprechend dem Teilaufsichtsbereich C in Fig. 1, Fig. 5 eine entscheidend abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in einer Teilschnittdarstellung entspreehend Bereich B in Fig, 2;.
• Die in deti-Fig. 1 und 2 darge-stellte Rotorvorrichtung besitzt Propeller 1, die an ihrem inneren Ende an einer von einem schematisch dargestellten Antriebsmotor 57 getriebenen Welle sitzenden Rotornabe 16 befestigt sind und an ihren äußeren Enden 2 einen zur Rotationsachse 3 konzentrischen in 4 traten. Beim Drehen der Rotorvorrichtung wird Luft von der Eintrittsseite 8 zur Ansaugseite des von der Rotorvorrichtung gebildeten Gebläses befördert.
• Beim Drehen der Rotorvorrichtung insbesondere mit hoher Drehzahl wird ein T il der Luft nicht in die Geblasestrom-Hauptrichtung 10, sondern zentrifugal radial auswärts geschleudert. Dieser Strömungsluftanteil wird an einer an der Innenseite des Rings 4 im uerschnitt schräg auswärts verlaufenden ringförmigen Leitfläche 5 in Richtung der Gebläsestrom-Hauptrichtung 10 umgelenkt. Damit ergibt sich im näheren Bereich der Leitfläche 5 ein etwa dem Pfeil L entsprechender Strömungsverlauf. Der H 4 und seine Leitfläche 5 sind in Axialrichtung mindestens so breit wie die seitliche Projektionsfläche der Propeller 1 und ragen vorzugsweise zur Ausgangsseite 8 hin, um dem gesamten Zentrifugalanteil der Gebläseluft zu erfassen.
• Zur.Ansaugseite 8 hin schließt sich eine Strömungsummantelung 18 an, deren zum Rotor hin liegendes Ende 19 den ausgangsseitigen Rand des Rings 4 auf der radial au3enliegenden Seite auch etwas Uberlappen kann Der innere Durchmesser der Strömungsummantelung 18 kann sich zu seinem Ausstoßende hin konisch erweitern, z.B. in der Größenordnung von 4 bis 7°, um einen möglichst laminaren Str;-mungsverlauf zu gewährleisten.
• Innerhalb de Strömungsummantelung 18 ist der Antriebsmotor 57 an einer lamellenförmigen Stützkonstruktion 28 befestigt, deren stromab liegende Ränder in Form von Steuerflächen 25 verschwenkt werden können, wodurch der Rotorvorrichtung ein Drehmoment um die Rotationsachse 5 erteilt wird. Die Kraftstoffzufuhr kann durch die Schwenkachse 76 dieser Steuerflächen 25 hindurcn erfolgen. Zusätzlich zu den Steuerflächen 25 kannen an der Innenfläche der Strömungsummantelung 18 auch radial arlstellbare Steuerflächen 26 vorgesehen sine, mit denen der Schub des Rotorgebläses gebremst oder die Rotationsachse des Hubschraubers angewinkelt werden kann.
• Außerdem kann die Strömungsummantelung 18 mit dem in ihr befestigte Rotor auch um Schwenkachsen 29 mittels einer Anstelleinrichtung 30 angewinkelt, d.h. gekippt, werden.
• Die Strömungsummastelung 18 ist auch bei nicht um die Schwenkachsen 28 verschwenkbarer Form etwa an der gleichen Stelle in einem formstabilen Stütz-Tragring 31 aufgehängt, der an jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten etwa zur Ebene des zum Strömungsaustritt hin liegenden Endes 20 der Strömungsummantelung 18 heruntergezogen verläuft und in diesen Abschnitten eine Kabine 32, einen Tankraum 33 und Federbeine 35 trägt. Dieser Stütz-Tragring 31 kann ein Hohlprofil 34 besitzen und aus Kunststoff sein.
• In Fig. 5 ist der Rotor mit zwei gegenläufigen Propellersätzen 1a und 1b dargestellt, deren Propeller mit ihren an äußeren Enden 2a bzw. 2b/jeweils einem Ring 4a und 4b befestigt sind, deren innere Leitflächen 5a und 5b sich insgesamt zu einer gesamten Fläche ergänzen (etwa gemäß Leitfläche 5 in Fig. 2). Demgemäß ist auch der vordere Rand 13 der Leitfläche 5a in Tropfenform ausgebildet und gehen der hintere Rard 12 der Leitfläche 5a und der vordere Rand 11 der Leitfläche 5b übergangslos ineinander über, während der hintere Rand 14 der Leitfläche 5b spitz ausläuft.
• Die Propellerblätter 7 der Propeller 1 oder 1a und ?b können gemäß Fig. 5 jeweils auf, einer Speiche 15 schwenkbar angeordnet sein und ihr Neigungswinkel von der Rotornabe 16 her auf bekannte Weise (z.B. Nockensteuerung) ausgestellt werden. Mit dieser Konstruktion lassen sich extrem hone Drehzahlen erreichen, die -bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein entscheidendes Merkmal darstellen. Die Propellerblätter 7 können auch fest auf den Speichen 15 sitzen, wobei dann die Speichen mit ihrem inneren Ende 15a in der Rotorhabe 16 und mit ihrem äußeren Ende 15b im Ritig drehbar angebracht sind, Wenn man gemäß Fig. 5 die Außenfläche 21 des Rings 5 (bzw. 5a, 5b) mit dem zu den Propeller hin liegenden Ende 19 der Strömungsummantelung 18 sich über den Bereich läßt eines Endabschnitts 22 überlappen/und zwischen dem Ring 4 und dem Endabsciinitt 22 einen ringförmigen Radialspalt 23 vorsieht sowie diesen Endabschnitt 22 gemäß Fig. 5 als Strahldüse ausgebildet, so daß ein Strömungskanal 24 entsteht, dann wird von dem durch den Rotor mit hoher Geschwindigkeit abgestrahlten Luftstrom mit Injektorstrahlwirkung weitere Luft durch den Strömungskanal 54 angesaugt, die sich innerhalb der Strömungsummantelung 18 mit dem Rotorstrom vermischt. Diese injektorartige Rotorkonstruktion ist ein wesentliches Erfindungsmerkmal.
• Wenn der Rotor gemäß Fig. 4 über Düsen 17 angetrieben wird, welche innerhalb des Querschnittsprofils des Rings 4 versenkt angeordnet sein können, dann werden die Abgase des Düsenstrahls in den rongförmigen Radialspalt 33 hineingesogen. Die Düsen 17 werden über eine Kraftstoffringleitung 40 im Ring 4 versorgt, welche an Kraftstoffleitungen ,9 in den Propellern angeschlossen ist.
• Der erfindungsgemäße Rotor eignet sich ebenso gut auch für Luftkissenfahrzeuge und dergl.

Claims (14)

Patentansprüche

1. Gebläsepropeller-Vorrichtung, insbesondere Hubschrauber-Rotorvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (1) zu ihren- äußeren Enden (2) hin mit tels einem zu ihrer Rotationsachse (3) konzentrischen Rings -(4) fest miteinander verbunden sind, der an seinem inneren Durchmesser eine ringförmige Leitfläche (5) aufweist, welche die Propeller (1) mindestens in der Bred-te der seitlichen Projektionsfläche (6) -der Propellerblätter (7) umgibt und deren Durchmesser sich zur. Austrittsseite (8) des Gebläses derart erweitert, daß der von den Propellerblättern (7) radial auswärts gedrängte Gebläsestromanteil in Richtung zur Gebläsestrom-Hauptrichtung (10) hin umgelenkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 und mit mindestens zwei dicht hintereinander angeordneten, gegenläufigen PropUllersätzen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Propellersätze (1a; 1b) einen konzentrischen Ring (4a, 4b) aufweist, von denen der in Gebläsestrom-Haupt--richtung (10) vordere Rand (11) der Leitfläche (5b) des zum ausgangsseitigen Propellersatz (1b) gehörenden Rings (4b) praktisch übergangslos an den hinteren Rand (12) der Leitfläche (5a) des Rings (4a) des eingangsseitigen Propellersatzes (1a) anschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Leitfläche (5 bzw. 5a, 5b) die seitliche Projektionsfläche (6) der Propellerblätter (7) an der Ausgangsseite (8) wesentlich weiter überragt als an der Eintrittsseite (9) des Gebläses.

4. Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geketmzeichnet, daß die einzelnen Propellerblätter (7) jeweils auf einer Speiche (15) in Propeller-Anstellriehtwg schwenkbar angebracht sind und daß die Speichen (15) mit ihrem inneren Ende (1;a) an der Rotornabe (1ö) und mit ihrem äußeren Ende am Ring (4; 4a, 4b) befestigt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Propeller durch Düsen angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (17) am Ring (4; 4a, 4b) angebracht sind,

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (17) auf der Außenseite im Querschnittprofil des Rings (4; 4a, 4b) versenkt angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (4; 4a, 4b) ein Schwungmassengewicht besitzt.

8. Vorriehtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil des Rings (4; 4a, 4b) am vorderen Rand seiner Leitfläche (5) bzw. am vorderen Rand (13) der Leitfläche (5a) ein etwa tropfenförmig abgerundetes Profil aufweist und zu seinem austrittsseitigen Rand bzw, zum hinteren Rand (1k) der Leitfläche (5 bzw. 5b) hin spitz zuläuft.

9, Vorrichtung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine rechts zum den vom Ring (4; ,4a, 4b) umgebenen Propellern (1; 1a, 1b) feststehende Strömungsummantelung (18) aufweist, die etwa von der Ebene des austrittsseitigen Rands bzw. vom hinteren Rand (14) der Leitfläche (5 bzw. 5b) ausgehend koaxial zur Rotationsachse (3) den Gebläsestrom umgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der innere Durchmesser der Strömungsummantelu- g zu ihrer zum Strömungsaustritt hin liegenden Ende (20) vergrößert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder lli dadurch gekennzeichnet, daß sich das zu den Propellern (1) hin liegende Ende (19 der Strömungsummantelung (18) und der austrittsseitige Rand bzw. der, hintere Rand (14) des Rings (4; 4a, 4b) teilweise überlappen und daß zwischen der Außenfläche (21) des Rings (4; 4a, 4b) und dem dazu radial auswärts angeordneten Endabschnitt (22) des zu den Propellern hin liegenden Endes (19) der Strömungsummantelung (18) ein breiter ringförmiger Radialspalt (25.) vorgesehen ist und daß- vom Endabschnitt (22) und Außenfläche (21) ein Strömungskanal (24) gebildet wird, der derart ausgebildet ist, daß der aus den Propellern (1; 1a, 1b) mit hoher Geschwindigkeit austretende Strom durch den ringförmigen Radialspalt (23) Luft ausaugt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Strömungsummantelung (18) verstellbare Steuerflächen (25) zur Erzeugung eines Steuermoments um die Rotationsachse ()) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Strömungsummantelung (18) verstellbare Steuerflächen (26) zur Erzeugung eines Kippmoments auf die Rotationsachse und/oder zur Verminderung der Gebläseschubs vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationslager (27) der Propeller (1; la, 1b) an einer an der Strömungsummantelung (18) befestigten Stützkonstruktion (28) gehaltert ist.

-15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch -gekennzeichnot, daß die Strömungsummantelung (18) in einer rechtwinklig zur Rotationsachse (3) liegenden Schwenkachse (29) relativ zu dem die Vorrichtung umgebenden Gehäuse, z.B. zu der Tragkonstruktion (31) eines Hubschraubers, schwenkbar angeordnet und um diese Schwenkachse (29) mittels einer Anstelleinrichtung kippbar ist.

L e e r s e i t e