TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Triebwerk für ein Flugzeug, mit mindestens einem um eine in Reiseflugrichtung ausgerichtete Rotorachse drehangetriebenen und mehrere Rotorblätter aufweisenden Rotor, wobei mindestens ein den Vortrieb des Rotors beeinflussender geometrischer Parameter der Rotorblätter veränderbar ist.

Die voranstehende Definition soll nicht bedeuten, dass die Rotorachse exakt parallel zu der Reiseflugrichtung gegenüber der Struktur des jeweiligen Flugzeugs ausgerichtet sein muss, für das das Triebwerk vorgesehen ist. Zudem ergibt sich über die verschiedenen Betriebszustände eines Flugzeugs eine Variation des Anstellwinkels der Rotorachse zur Reiseflugrichtung. Der Anstellwinkel der Rotorachse zur Reiseflugrichtung bleibt aber regelmäßig klein und immer kleiner als 45°, in der Regel kleiner als 15°. Bei der vorliegenden Erfindung ist es auch nicht ausgeschlossen, aber keinesfalls zwingend, die Rotorachse des Triebwerks der Reiseflugrichtung nachzuführen. Normalerweise ist die Rotorachse gegenüber der Struktur des Flugzeugs jedoch fest.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Triebwerke, die als CROR-(Contra-Rotating Open Rotor- )Antrieb bezeichnet werden und bei denen zwei offene Rotoren gegenläufig um die in Reiseflugrichtung ausgerichtete Rotorachse angetrieben werden. STAND DER TECHNIK

Flugzeuge mit Triebwerken der eingangs beschriebenen Art, die allgemein auch als Propellerflugzeuge bezeichnet werden, weisen zumindest im Kurzstrecken betrieb grundsätzliche Vorteile gegenüber Düsenflugzeugen auf. Dies gilt insbesondere für Flugzeuge mit CROR-Antrieben. Propellerflugzeuge sind jedoch auch mit prinzipiellen Nachteilen verbunden. Hierzu zählt die Anregung von Schwingungen der Struktur eines Propellerflugzeugs, d. h. von Körperschall, und von Luftschall mit einer Frequenz, die sich aus dem Produkt der Blattzahl der Rotoren und deren Drehzahl ergibt, sowie mit höheren Harmonischen davon.

Bei CROR-Antrieben bilden sogenannte Interaktionstöne eine weitere Laermquelle, die durch Interaktionen der Strömung, z.B. der Blattspitzenwirbel und Blattnachlaeufe, beider Rotoren entstehen. Die Frequenzen der Interaktionstöne ergeben sich durch beliebiges Aufusmmieren der Produkte der Blattzahl des jeweiligen Rotors mit seiner Drehzahl und deren hoeheren Harmonischen. Außerdem sind die Blätter von Propellern und offenen Rotoren direkt etwaigen Ungleichförmigkeiten der Zuströmung, bedingt durch Anstellwinkel- oder Installationseffekte, ausgesetzt, was zu azimuthal veränderlichen Blattlasten und damit auch zu Lärmentwicklung führt.

Bei einem bekannten Triebwerk der eingangs beschriebenen Art dient die Veränderbarkeit des geometrischen Parameters, der den Vortrieb des Rotors beeinflusst, dazu, um neben der Drehzahl des Rotors eine weitere Variable zur Einstellung des Schubs des Treibwerks zur Verfügung zu haben. Dabei wird der den Vortrieb des Rotors beeinflussende geometrische Parameter bei alen Rotorblättern eines Rotors gleichzeitig verstellt, und dies erfolgt mit einer verglichen mit der Drehzahl des Rotors sehr niedrigen Frequenz. In der Regel handelt es sich bei dem den Vortrieb des Rotors beeinflussenden geometrischen Parameter um den Anstellwinkel der Rotorblätter zu ihrer Rotationsebene um die Rotorachse.

Bei CROR-Antrieben ist es bekannt, dass eine Reihe von Entwurfsparametern Einfluss auf die Lärmentwicklung hat, indem die Interaktion des hinteren Rotors mit den Blattspitzenwirbeln und Blattnachlaeufen des vorderen Rotors reduziert wird. Hierzu zählen der Abstand zwischen den beiden Rotoren, die Belastung insbesondere des vorderen Rotors, ein reduzierter Durchmesser des hinteren Rotors und die Drehzahlen bzw. die daraus resultierenden Blattspitzengeschwindigkeiten der Rotoren. Diese Maßnahmen zur Lärmreduktion führen jedoch meist zu einer Reduktion der Leistung und/oder der Effizienz des Triebwerks. Daher muss bislang immer ein Kompromiss zwischen Leistung und Lärmemission gefunden werden.

Eine periodische Verstellung des Anstellwinkels der einzelnen Rotorblätter eines Rotors ist von Hubschraubern bekannt und bei diesen Voraussetzung für eine Bewegung quer zu der im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Rotorachse.

Aus der DE 202 20 134 LM ist eine dynamische Pitch-Steuerung für Windenergieanlagen bekannt. Durch die Integration von Sensoren in die Rotorblätter einer Windenergieanlage wird die Energieaufnahme der einzelnen Rotorblätter ermittelt. Auf Basis dieser Daten wird eine gezielte Verstellung des Pitch-Winkels, d. h. des Anstellwinkels, der einzelnen Rotorblätter zur Beeinflussung der Energieaufnahme jedes einzelnen Rotorblatts vorgenommen. Hierdurch wird die Krafteinleitung in den Antriebsstrang der Windenergieanlage über die gesamte von den Rotorblättern überstrichene Fläche gleichmäßiger verteilt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei dem eine mit der Leistung oder der Effizienz zunehmende bzw.eine durch Installationseffekte bedingte Lärmentwicklung verhindert oder verringert wird.

LÖSUNG

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Triebwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Triebwerks. Der Patentanspruch 13 ist auf ein Flugzeug mit einem neuen Triebwerk in Pusher-Konfiguration gerichtet.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei dem neuen Triebwerk wird der veränderbare und den Vortrieb des Rotors beeinflussende geometrische Parameter der Rotorblätter von einer Steuerung mit mindestens einer Frequenz periodisch verändert, die ihrerseits mindestens so groß ist wie die Drehzahl des Rotors. Das heißt, die Veränderung des geometrischen Parameters der Rotorblätter erfolgt bei dem neuen - A -

Triebwerk viel schneller als dies notwendig und sinnvoll ist, um den Rotor an unterschiedliche Betriebszustände des Triebwerks anzupassen, beispielsweise um ihn für die Bereitstellung eines unterschiedlich großen Schubs zu optimieren. Bei der vorliegenden Erfindung wird bei jedem Rotorblatt der den Vortrieb des Rotors beeinflussende geometrische Parameter über jeden Umlauf des Rotorblatts um die Rotorachse mindestens einmal geändert und wieder auf seinen Ausgangswert zurückgeführt. Grundsätzliches Ziel ist es dabei, instationäre Blattlasten an den Rotorblättern zu verhindern, durch die Schwingungen, insbesondere Lärm, angeregt werden können. Dies wird im Prinzip dadurch erreicht, dass unterschiedliche Anströmungen des einzelnen Rotorblatts über seine verschiedenen Drehstellungen um die Rotorachse durch Variationen des den Vortrieb beeinflussenden geometrischen Parameters derart kompensiert werden, dass die Last auf das jeweilige Rotorblatt möglichst konstant gehalten wird.

Dabei hängt die Frequenz, mit der die Steuerung den geometrischen Parameter zur Konstanthaltung der Last verändern muss, von den Besonderheiten des Triebwerks im Einzelfall ab. Regelmäßig ist sie genauso groß wie die Drehzahl des Rotors oder beträgt ein Vielfaches davon.

Konkret kann die Steuerung den geometrischen Parameter bei den einzelnen Rotorblättern abhängig von deren Winkellage relativ zu einer Aufhängung des Triebwerks verändern. Der Ort der Aufhängung des Triebwerks beeinflusst durch die Aufhängung selbst bzw. die dadurch resultierende Lage des Triebwerks relativ beispielsweise zu einem Tragflügel des jeweiligen Flugzeugs die Anströmungsverhältnisse des Rotors und insbesondere die Verteilung unterschiedlicher Anströmungen über den Umfang des Rotors. Ein diesbezüglich bekanntes Phänomen ist das durch die Rotorblätter induzierte Flügelkastenbrummen bei Propellermaschinen, wenn die Rotorblätter aufeinanderfolgend durch den Bereich vor der Überdruckseite und der Unterdruckseite des Tragflügels hindurch treten. Auch dieses Flügelkastenbrummen kann mit der vorliegenden Erfindung reduziert, wenn nicht gar beseitig werden.

Es wurde bereits angesprochen, dass die Steuerung den geometrischen Parameter vorzugsweise so verändert, dass auf die Rotorblätter einwirkende instationäre Kräfte minimiert werden. Dazu können an den Rotorblättern entsprechende Kraftsensoren vorgesehen sein, deren Signal der Steuerung als von dieser konstant zu haltenden Größe zugeführt wird. Die Steuerung ist in diesem Fall eine Regelung zum Konstanthalten dieser Signale. Die Steuerung kann auch so ausgelegt sein, dass sie einen sekundären Effekt der instationären Anströmung der Rotorblätter minimiert, indem sie den geometrischen Parameter so variiert, dass Anregungen von Luft- oder Körperschall durch den Rotor minimiert werden. In diesem Fall sind entsprechende Schwingungssensoren zur Erfassung des jeweiligen Schalls vorzusehen, deren Signale der Steuerung zugeführt wird. Hier ist dann die Steuerung eine Regelung, die die zugeführten Signale minimiert.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Anwendung bei Triebwerken mit offenen Rotoren vorgesehen. Ganz insbesondere handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk um einen CROR-Antrieb mit zwei gegenläufig um die Rotorachse drehangetriebenen Rotoren. In diesem Fall verändert die Steuerung zumindest den den Vortrieb beeinflussenden geometrischen Parameter bei den Rotorblättern des hinten, d. h. stromab liegenden Rotors. Zusätzlich kann sie den geometrischen Parameter auch bei dem vorne liegenden Rotor variieren.

Besonders günstige Verhältnisse zur Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem CROR- Antrieb liegen dann vor, wenn die Blattzahlen der beiden Rotoren gleich groß sind. In diesem Fall kann die Steuerung den geometrischen Parameter bei allen Rotorblättern des hinten liegenden Rotors jeweils gleichzeitig verändern, um die aufgrund der Rotorblätter des vorne liegenden Rotors variierende Anströmung der Rotorblätter des hinten liegenden Rotors zu kompensieren.

Bei einem CROR-Antrieb ist es grundsätzlich bevorzugt, wenn die Steuerung den den Vortrieb beeinflussenden geometrischen Parameter zumindest bei dem hinteren Rotor in Abhängigkeit von der relativen Winkellage der beiden Rotoren verändert, weil diese relative Winkellage den Einfluss der Anströmung der Rotorblätter des hinteren Rotors durch die Rotorblätter des vorderen Rotors bestimmt. Die Frequenz, mit der die Steuerung den den Vortrieb beeinflussenden geometrischen Parameter verändert, ist bei einem CROR-Antrieb insbesondere mindestens 2n-mal so groß wie die Drehzahl des Rotors, wobei n die Blattzahl des vorderen Rotors ist. Absolut liegt die Frequenz, mit der die Steuerung den geometrischen Parameter verändert, in einem typischen Bereich von 10 bis 250 Hz.

Der den Vortrieb beeinflussende geometrische Parameter kann insbesondere der Anstellwinkel des jeweiligen Rotorblatts sein, der auch als "Pitch" bezeichnet wird. Es kann sich aber auch um die Verdrillung des jeweiligen Rotorblatts oder den Profilverlauf des Rotorblatts handeln, soweit diese/dieser jeweils bei den Rotorblättern des Rotors veränderbar ist.

In einer konkreten Ausführungsform eines Flugzeugs mit einem erfindungsgemäßen Triebwerk ist dieses als CROR-Triebwerk in Pusher-Konfiguration vorgesehen. Dabei können durch einen Pylon, an dem das Triebwerk aufgehängt ist, variierende Anströmungen der Rotorblätter beider Rotoren des Triebwerks ebenfalls durch eine erfindungsgemäße Variation des den Vortrieb der Rotorblätter beeinflussenden geometrischen Parameters so kompensiert werden, dass hierdurch keine Schwingungen, insbesondere Lärm, induziert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird i m F o l genden anhand des Beispiels eines CROR-Antriebs unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines CROR-Antriebs mit zwei Rotoren mit jeweils acht Rotorblättern.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des CROR-Antriebs gemäß Fig. 1 ; und Fig. 3 zeigt neben einer Vorderansicht des CROR-Antriebs gemäß den Fig. 1 und 2 eine Auftragung der instationären Blattlasten über den Drehwinkel der beiden Rotoren des CROR-Antriebs.

FIGURENBESCHREIBUNG

Das in Fig. 1 gezeigte Triebwerk 1 ist ein sogenannter CROR-Antrieb 2, bei dem zwei hintereinander angeordnete Rotoren 3 und 4 um eine gemeinsame Rotorachse 5 in gegenläufigen Drehrichtungen umlaufen. Beide Rotoren 3 und 4 sind dabei offene Rotoren, bei denen die Anströmung nicht radial zu der Rotorachse 5 begrenzt ist. Beide Rotoren 3 und 4 weisen hier jeweils acht Rotorblätter 6 bzw. 7 auf. Dabei ist der Anstellwinkel 12 der einzelnen Rotorblätter, wie bei dem Rotorblatt T skizziert, gegenüber der Rotationsebene des jeweiligen Rotors 3 bzw. 4 mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Steuerung veränderbar, und zwar mehrfach über jeden Umlauf der Rotorblätter um die Rotorachse 5 in Abhängigkeit von ihrem absoluten Drehwinkel um die Rotorachse 5 und dem relativen Drehwinkel der beiden Rotoren 3 und 4. Hierdurch werden instationäre Blattlasten auf die Rotorblätter 6 und 7 und hieraus resultierende Luft- und Körperschallanregungen reduziert bzw. beseitigt.

Der in Fig. 2 in einer Seitenansicht gezeigte CROR-Antrieb 2 ist für das Anbringen an einem Flugzeug in einer Pusher-Konfiguration vorgesehen, in der er über einen vorne liegenden, hier nicht dargestellten Pylon an der Struktur des Flugzeugs befestigt ist. Durch diesen Pylon bzw. dessen Nachläufe treten instationäre Blattlasten bei den Rotorblättern 6 und 7 mit einer Frequenz die sich durch das Produkt der Drehzahl und Blattanzahl der Rotoren 3 und 4 ergibt auf, wie sie auch bei Triebwerken mit nur einem Rotor bekannt sind. Durch die wechselweise Beeinflussung der Strömung der Rotoren 3 und 4 treten darüber hinaus instationäre Lasten mit der 2n-fachen Frequenz der Drehzahl der Rotoren 3 und 4 auf, und zwar insbesondere an den Rotorblättern 7 des hinteren Rotors 4, aber auch an den Rotorblättern 6 des vorderen Rotors 3.

Diese instationären Blattlasten sind in Fig. 3 für jeweils ein Rotorblatt über dem Drehwinkel Ψ um die Rotorachse 5 aufgetragen. Die Kurve 8 gibt dabei die Blattlasten für ein Rotorblatt 6 des vorderen Rotors 3 wieder, während die Kurve 9 die Blattlasten für ein Rotorblatt 7 des hinteren Rotors 4 wiedergibt. Die Kurven 10 und 11 zeigen den Verlauf der Mittelwerte der Kurven 8 und 9. die Schwankungen der Kurven 8 und 9 zeigen, dass die instationären Blattlasten an dem hinteren Rotor 4 größer sind, aber grundsätzlich dieselbe Frequenz wie die instationären Blattlasten an dem vorderen Rotor 3 aufweisen, was hier auf die gleiche Blattzahl der Rotoren 3 und 4 zurückzuführen ist. Dem überlagert ist eine Schwankung der Blattlasten, die durch die Kurven 10 und 1 1 wiedergegeben wird, die beispielsweise auf einen Pylon zur Aufhängung des Triebwerks 1 oder aber einen Anstellwinkel der Drehachse gegenüber d er Anströmung zurückgeht. Alle instationären Anteile der Blattlasten können minimiert werden, indem erfindungsgemäß ein den Vortrieb der einzelnen Rotorblätter 6 bzw. 7 beeinflussender Parameter, wie der Anstellwinkel des Rotorblatts T gemäß Fig. 1 von der hier nicht dargestellten Steuerung mit der Frequenz der instationären Anteile so variiert wird, dass im Fall einer überdurchschnittlichen Blattlast der Parameter zu einem kleineren Vortrieb hin geändert wird und umgekehrt.

Die Realisation der vorliegenden Erfindung kann auf einer bei den meisten Triebwerken sowieso vorhandenen Verstellung des Anstellwinkels (Pitch) der Rotorblätter basieren. Für die Realisation der vorliegenden Erfindung ist es jedoch zumindest erforderlich, dass diese Verstellbarkeit hochfrequent möglich ist. Vielfach ist es auch nötig, dass diese Verstellbarkeit für die einzelnen Rotorblätter zu unterschiedlichen Zeitpunkten möglich ist. Gerade im Fall eines CROR-Antriebs gibt es jedoch auch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen alle Rotorblätter eines Rotors synchron verstellt werden (siehe oben) und deshalb bezüglich ihres den Vortrieb verändernden Parameters nicht getrennt voneinander ansteuerbar sein müssen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Triebwerk

CROR-Antrieb

Rotor

Rotor

Rotorachse

Rotorblatt

Rotorblatt

Kurve

Kurve

Kurve

Kurve

Anstellwinkel