HEID, Oliver (Luitpoldstraße 63, Erlangen, 91052, DE)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Drehmomentenausgleich für einen Helikopter (100), welcher einen Hauptrotor (110) aufweist, der in Betrieb um eine Rotationsachse (RH) rotiert und dadurch ein Drehmoment erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Querstromgebläse mit einem Gehäuse (210) und einem im Gehäuse (210) gelagerten Rotor (220) umfasst, wobei das Querstromgebläse (200) derart an einem Ausleger (130) des Helikopters (100), insbesondere am Heckausleger, angeordnet ist, dass es in Betrieb eine Schubwirkung aufweist, die das Drehmoment des Hauptrotors (110) ausgleicht . 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) derart am Ausleger (130) angeordnet ist, dass es in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Rotationsachse (RH) des Hauptrotors (110) aufweist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) derart am Ausleger (130) angeordnet ist, dass in Betrieb die Richtung des Schubs senkrecht zur Rotationsachse (RH) des Hauptrotors (110) orientiert ist. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) derart am Ausleger (130) angeordnet ist, dass es in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Längsachse des Auslegers (130) aufweist . 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) derart am Ausleger (130) angeordnet ist, dass in Betrieb die Richtung des Schubs senkrecht zur Längsachse des Auslegers (130) orientiert ist. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) in den Ausleger (130) integriert ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (132) des Auslegers (130) das Gehäuse (210) des Querstromgebläses (200) bildet. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (130) einen Hohlraum (131) aufweist, der von einer Wandung (211, 212, 213) begrenzt ist, die das Gehäuse (210) des Querstromgebläses (200) bildet. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) außen am Ausleger (130) befestigt ist. 10. Helikopter (100) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 11. Verfahren zum Drehmomentenausgleich bei einem Helikopter (100), mit dem ein bei rotierendem Hauptrotor (110) des Helikopters (100) erzeugtes Drehmoment ausgeglichen wird, wobei an einem Ausleger (130) des Helikopters (100), insbesondere am Heckausleger, ein Querstromgebläse (200) angebracht wird, welches in Betrieb eine Schubwirkung aufweist, die das Drehmoment des Hauptrotors (110) ausgleicht . 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Rotationsachse (RH) des Hauptrotors (110) aufweist. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die senkrecht zur Rotationsachse (RH) des Hauptrotors (110) orientiert ist. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Längsachse des Auslegers (130) aufweist . 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Querstromgebläse (200) in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die senkrecht zur Längsachse des Auslegers (130) orientiert ist. |
Drehmomentenausgleich für einen Helikopter Die Erfindung betrifft den Ausgleich des vom Hauptrotor eines Helikopters erzeugten Drehmoments.
Zum Drehmomentenausgleich bei Helikoptern werden üblicherweise Axialgebläse in Form von Heckrotoren zum Ausgleich des vom Hauptrotor erzeugten Drehmoments verwendet. Dabei wird von dem am Heckausleger des Helikopters angebrachten Heckrotor ein horizontal, d.h. weitestgehend senkrecht zur Hochachse, gerichteter Schub erzeugt, um der Drehung des Rumpfes um die Hochachse entgegen zu wirken.
Derartige Heckrotoren sind überwiegend frei am Ausleger ange ¬ ordnet und stellen daher ein Sicherheitsrisiko bspw. für Personen am Boden dar. Zur Lösung dieses Problems und anderer Nachteile der freien Heckrotoren wurde in DE 102008015073 AI ein gekapselter Heckrotor vorgestellt, ein sog. Fenestron, mit dem sowohl das Sicherheitsrisiko herabgesetzt als auch bspw. Geräuschentwicklung und Vibrationen reduziert werden können, da die Blattspitzen nicht frei umlaufen. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass aufgrund der Kapselung ein höheres Gewicht und ein höherer Bauaufwand resultieren. Weiterhin weisen derartige Heckrotoren eine vergleichsweise geringe Größe auf, was jedoch zur Folge hat, dass zum Drehmo ¬ mentausgleich ein höherer Energiebedarf entsteht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit zum Drehmomentausgleich bei einem Heli ¬ kopter anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird im Unterschied zum üblichen Axialgebläse als Schuberzeuger ein Querstromgebläse eingesetzt, um den Drehmomentenausgleich zu bewirken. Die Rotationsachse des Querstromgebläses ist dabei zweckmäßig pa- rallel zur Rumpflängsachse bzw. zur Längsachse des Auslegers des Helikopters orientiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Drehmomentenausgleich für einen Helikopter, welcher einen Hauptrotor aufweist, der in Betrieb um eine Rotationsachse rotiert und dadurch ein Drehmoment erzeugt, umfasst ein Querstromgebläse mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse gelagerten Rotor, wobei das Querstromgebläse derart an einem Ausleger des Helikopters, insbesondere am Heckausleger, angeordnet ist, dass es in Betrieb eine Schubwirkung aufweist, die das Drehmoment des Hauptrotors ausgleicht.
Das Querstromgebläse ist derart am Ausleger angeordnet, dass es in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Rotationsachse des Hauptrotors aufweist. Idealerweise ist die gesamte Schub ¬ richtung, d.h. nicht nur eine Komponente hiervon, senkrecht zur Rotationsachse des Hauptrotors orientiert ist. Weiterhin ist das Querstromgebläse derart am Ausleger
angeordnet, dass es in Betrieb einen Schub in einer Richtung erzeugt, die zumindest eine Komponente senkrecht senkrecht zur Längsachse des Auslegers aufweist. Idealerweise ist die gesamte Schubrichtung, d.h. nicht nur eine Komponente
hiervon, senkrecht zur Längsachse des Auslegers orientiert ist .
Durch eine derartige Anordnung des Querstromgebläses wird sichergestellt, dass das vom Schub des Querstromgebläses erzeugte Drehmoment am effektivsten dem vom Hauptrotor erzeugten Drehmoment entgegen wirkt. Das Querstromgebläse kann in den Ausleger integriert sein. Bspw. kann der Rotor walzenartig und der Ausleger zylindrisch geformt sein, so dass der Rotor vollständig in den Ausleger integrierbar ist. Im Gegensatz zum offenen oder gekapselten Heckrotor ist somit eine bessere Integration des Schuberzeu ¬ gers in die Rumpfform möglich.
Dabei kann ein entsprechender Abschnitt des Auslegers das Gehäuse des Querstromgebläses bilden. Mit anderen Worten wird also ein geeigneter Abschnitt des Auslegers derart einge ¬ richtet, dass er die Funktion des eigentlichen Gehäuses des Querstromgebläses gewährleistet. Im Wesentlichen bedeutet das, dass im Ausleger Vorrichtungen zur Lagerung des Rotors sowie Eingangs- und Ausgangsöffnungen für den vom Gebläse erzeugbaren Luftstrom bzw. Schub vorgesehen sein müssen. Das Gebläse benötigt also kein explizit eigenes bzw. separates Gehäuse, so dass Material und Gewicht eingespart werden kön ¬ nen . Hierzu weist der Ausleger einen Hohlraum auf, der von einer Wandung begrenzt ist, die das Gehäuse des Querstromgebläses bildet .
Das Querstromgebläse kann alternativ auch außen am Ausleger befestigt ist.
Ein erfindungsgemäße Helikopter zeichnet sich dadurch aus, dass er die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist .
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Drehmomentenausgleich bei einem Helikopter, mit dem ein bei rotierendem Hauptrotor des Helikopters erzeugtes Drehmoment ausgeglichen wird, wird an einem Ausleger des Helikopters, insbesondere am Heckausleger, ein Querstromgebläse angebracht, welches in Betrieb eine Schubwirkung aufweist, die das Drehmoment des Hauptrotors ausgleicht. Das Querstromgebläse erzeugt in Betrieb einen Schub in einer Richtung, die zumindest eine Komponente senkrecht zur
Rotationsachse des Hauptrotors aufweist. Idealerweise ist nicht nur eine Komponente der Schubrichtung, sondern der gesamte Schub senkrecht zur Rotationsachse des Hauptrotors orientiert ist.
Weiterhin erzeugt das Querstromgebläse in Betrieb einen Schub in einer Richtung, die zumindest eine Komponente senkrecht zur Längsachse des Auslegers aufweist. Auch hier ist
idealerweise nicht nur eine Komponente der Schubrichtung, sondern der gesamte Schub senkrecht zur Längsachse des
Auslegers orientiert. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Querstromgebläses ergibt sich zusätzlich zu den oben erwähnten Vorteilen, dass ein besseres Strömungsverhalten bei Schräganströmung erreichbar ist, wie sie sich bspw. durch Vorwärtsflug ergibt (siehe hierzu DE 4121995 C2) . Darüber hinaus wird durch die system- bedingt geringere periodisch unstetige Strömungs-Interaktion mit dem Hauptrotor eine signifikante Lärmreduktion erreicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen Helikopter mit einem an den Heckausleger an- gebrachten Querstromgebläse,
Figur 2 einen Helikopter mit einem in den Heckausleger integrierten Querstromgebläse.
Die Figur 1 zeigt einen Helikopter 100, der erfindungsgemäß mit einem Querstromgebläse 200 ausgestattet ist. Der Helikop ¬ ter 100 weist einen Hauptrotor 110 zum Erzeugen des Auf- und/oder Vortriebs für denn Flugbetrieb auf. Im Betrieb, d.h. bei Rotation des Hauptrotors 110 rotiert dieser um eine Rota- tionsachse RH und erzeugt so bekanntermaßen ein Drehmoment. Dieses würde ohne entsprechenden Ausgleich bewirken, dass auch der Rumpf 120 des Helikopters 100 um die Drehachse RH rotiert .
Erfindungsgemäß wird der Drehmomentenausgleich nicht durch einen am Heckausleger 130 des Helikopters 100 vorgesehenen Heckrotor bewirkt, sondern durch ein Querstromgebläse 200. Dieses zeichnet sich bspw. gegenüber einem Heckrotor nach Bauart eines Propellers o.ä. dadurch aus, dass der durch das Gebläse erzeugte Luftstrom L quer, insbesondere senkrecht, zur Rotationsachse RQ des Gebläses 200 befördert wird. Dem ¬ entsprechend ist der vom Luftstrom L bewirkte Schub quer zur Rotationsachse RQ des Gebläses 200 orientiert. Ein Propeller dagegen erzeugt einen Luftstrom parallel zu seiner Rotations ¬ achse bzw. einen axialen Schub.
Das Querstromgebläse 200 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 210 und einem im Gehäuse drehbar untergebrachten wal- zenförmigen Rotor 220 mit einer Vielzahl von Schaufeln 230.
Das Gehäuse ist wie in der Figur 1 dargestellt hinten am Aus ¬ leger 130 des Helikopters 100 angebracht.
Das Gehäuse 210 weist an zwei gegenüberliegenden Seiten je- weils eine bspw. schlitzförmige Öffnung 240, 250 auf. Im Be ¬ triebszustand versetzt ein Antrieb 260 den Rotor 220 in Rota ¬ tion um die Rotationsachse RQ. Dabei wird Luft durch die ers ¬ te Öffnung 240 angesaugt und durch die zweite Öffnung 250 wieder ausgestoßen, so dass letztlich ein Luftstrom L erzeugt und ein Schub bzw. eine Kraft F auf das Gebläse 200 und damit auf den Ausleger 130 ausgeübt wird, deren Richtung dem Luftstrom entgegengesetzt ist.
Demzufolge bewirkt ein am Heckausleger 130 des Helikopters 100 vorgesehenes derartiges Querstromgebläse 200, dass auf den Ausleger 130 eine Kraft F in der durch den Pfeil dargestellten Richtung ausgeübt werden kann, die ein entsprechendes Drehmoment auf den Rumpf 120 des Helikopters 100 zur Fol- ge hat, mit dem das vom rotierenden Hauptrotor 110 erzeugte Drehmoment ausgeglichen werden kann.
Im Idealfall ist das Querstromgebläse 200 derart ausgebildet und am Heckausleger 130 angebracht, dass seine Rotationsachse RQ senkrecht zur Rotationsachse RH des Hauptrotors 110 orien ¬ tiert ist bzw. dass die Richtung des erzeugten Luftstroms L senkrecht zur Rotationsachse RH des Hauptrotors 110 und senk ¬ recht zur Längsachse des Auslegers 130 orientiert ist.
Wesentlich für einen möglichst effizienten Betrieb ist, dass die Richtung der durch das Querstromgebläse 200 erzeugten Kraft F eine möglichst große Komponente in einer Richtung aufweist, die sowohl senkrecht zur Längsachse des Auslegers 130 als auch senkrecht zur Rotationsachse RH des Hauptrotors 110 orientiert ist, da dann das entsprechende Drehmoment zur Kompensierung des Drehmoments des Hauptrotors maximal wird.
Da es nicht unüblich ist, den Ausleger 130 eines Helikopters 100 im Wesentlichen hohlzylindrisch auszubilden, kann das Querstromgebläse 200 wie in der Figur 2 angedeutet auch in den Ausleger 130 bzw. in einen entsprechenden Hohlraum 131 im Ausleger 130 integriert werden. Für den Fall, dass der Hohlraum 131 einen geeigneten Innenquerschnitt aufweist, die an den Umfang des Rotors 220 des Querstromgebläses 200 angepasst ist, kann dieser Abschnitt 132 des Auslegers 130 das Gehäuse 210 des Querstromgebläses 200 bilden. Das Gebläse 200 benö ¬ tigt also kein explizit eigenes bzw. separates Gehäuse 210, so dass Material und Gewicht eingespart werden können.
Der Heckausleger 130 des Helikopters 100 ist also idealerwei ¬ se derart ausgebildet, dass er einen Hohlraum 131 mit einem Innenquerschnitt und einer Länge aufweist, der an die Ausmaße des Rotors 220 des Querstromgebläses 200 angepasst ist und in dem der Rotor 220 des Querstromgebläses 200 unterbringbar ist. Der entsprechende Abschnitt 132 des Auslegers 130 bzw. die den Hohlraum 131 begrenzenden Wandungen umfassend zwei Stirnwände 211, 212 und eine Mantelfläche 213 bilden dann das Gehäuse 210 des Querstromgebläses 200. In der Figur 2 ist der Rotor 220 nebst Blättern 230 mit gestrichelten Linien dargestellt, da diese Komponenten aufgrund der Stirnwand 212 na ¬ türlich nicht sichtbar sind. Entsprechendes gilt für die Stirnwand 211.
Der minimale Innendurchmesser des Hohlraums 131 wird bspw. derart gewählt, dass die Schaufeln 230 des Rotors 220 die In ¬ nenwand des Hohlraums 131 gerade nicht berühren. Dabei müssen natürlich bspw. wegen Temperatureffekten gewisse Toleranzen berücksichtigt werden.
Der Antrieb 260 des Rotors 220 des Querstromgebläses 200 kann ein Elektromotor o.ä. sein. Es ist ebenso denkbar, den An- trieb 140 des Hauptrotors 110 auch zum Betrieb des Querstrom ¬ gebläses 200 zu verwenden, wobei dann je nach Auslegung ggf. zusätzliche Umlenkgetriebe und/oder Über- bzw. Untersetzungen benötigt werden (nicht dargestellt) . Die Öffnungen 240, 250 müssen natürlich weder exakt gegenüber liegen noch müssen sie schlitzförmig sein. Die genaue Auslegung und Dimensionierung des Gehäuses 210 kann bspw. mit Hilfe von Simulationen ermittelt werden. Das Querstromgebläse 200 kann auch außerhalb des Heckausle ¬ gers 130 angeordnet sein, bspw. auf oder unter dem Heckausle ¬ ger 130. Dabei wäre die Anordnung unter dem Heckausleger 130 zu bevorzugen, da dann die Wechselwirkung mit dem Hauptrotor 110 minimiert würde.