DE4417144A1

DE4417144A1 - Aircraft buoyancy rotor with tangential drive

Info

Publication number: DE4417144A1
Application number: DE19944417144
Authority: DE
Inventors: Friedbert Schaefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1995-11-23
Also published as: DE4445409A1

Abstract

The rotor with tangential drive provides lift for aircraft. A ring system with radial, outwardly directed rotor blades, runs around a circular surface which is not part of the rotor. The ring rotor may be part of a circular rotating aircraft wing. The circular surface of this wing is fully or partly covered with bearing surfaces which are profiled for straight line flight in a given direction. Preferably, the ring rotor drive is along the circumference of the circular wing, using an electromotor. A ring disc functions as the rotor and carries out a tangential acceleration, working alternately with the magnetic field of a stator.

Description

STATE OF THE ART

Drehflügler besitzen gegenüber Flugzeugen mit starren Tragflügel den Vorteil, daß die zur Überwindung der Schwer kraft zur Verfügung stehende Triebwerksleistung nur einem Bruchteil der Gewichtskraft entsprechen muß. Zur Auftriebs erzeugung muß bei ihnen nicht die Gesamtmasse des Flugzeugs sondern nur die Masse der Drehflügel beschleunigt werden. Die bisher zur Auftriebserzeugung an Flugzeugen gebauten Rotoren haben den gemeinsamen Nachteil, daß der Kräfte ausgleich zwischen Gewichtskraft und Auftriebskraft immer über einen zentralen Rotorkopf erfolgt, dessen geometrische Ausdehnung wesentlich kleiner als die Rotorkreisfläche ist und dessen mechanische Belastbarkeit nur relativ kleine Drehflügelflächen zuläßt.Rotary wing aircraft have rigid aircraft Wing has the advantage of being able to overcome the heavy only one engine power available Fraction of the weight must correspond. For buoyancy They do not have to produce the total mass of the aircraft but only the mass of the rotary wing can be accelerated. The previously built to generate lift on aircraft Rotors have the common disadvantage that the forces balance between weight and buoyancy always via a central rotor head, the geometric Expansion much smaller than the area of the rotor circle and its mechanical resilience is only relatively small Allows wing surfaces.

Dabei haben die Bauformen, welche die Drehbewegung der Trag flächen mittels tangential angreifender Kräfte bewirken, den Vorteil, daß sie den Umweg der Antriebskraft über Getriebe, Achse und Rotorkopf vermeiden und durch Wegfall der Torsionskräfte eine Steigerung der Auftriebskraft er möglichen. Aber auch diese Bauformen sind nicht geeignet für den schnellen Massentransport über weite Strecken, da ihr Widerstandsbeiwert für den Geradeausflug zu groß und der Aufwand für eine aerodynamische Anpassung anscheinend zu teuer ist. Entsprechend konstruierte Verwandlungs flugzeuge konnten sich jedenfalls nicht am Markt behaupten. The designs have the rotational movement of the support cause surfaces by means of tangentially acting forces Advantage that it detours the driving force via gears, Avoid axis and rotor head and by eliminating the Torsional forces increase the buoyancy possible. But these designs are also not suitable for fast mass transport over long distances, because their drag coefficient is too big and too straightforward the effort for an aerodynamic adjustment apparently is too expensive. Accordingly constructed metamorphosis in any case, aircraft could not assert themselves on the market.

PROBLEM POSITION

Mit der hier offenbarten Erfindung sollen folgende Probleme gelöst werden:
Der Vorteil des Hubschraubers, bei verhältnismäßig geringer Triebwerksleistung Start und Landung senkrecht durchführen zu können soll mit der Fähigkeit des Tragflächenflugzeugs zum schnellen Geradeausflug zu einer neuen Bauart vereinigt werden. Der Einsatz elektrischer Antriebe sollte zugunsten einer Verringerung der Schadstoff- und Geräusch- Emission gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren bevorzugt in Betracht gezogen werden.The following problems are to be solved with the invention disclosed here:
The helicopter's advantage of being able to carry out take-off and landing vertically with relatively low engine power should be combined with the wing plane's ability to fly straight ahead to a new design. The use of electric drives should preferably be considered in favor of reducing pollutant and noise emissions compared to conventional internal combustion engines.

The solution

könnte in der nach Anspruch 1 bis 4 definierten Ausführung eines Ringrotors liegen, dessen Vorteil darin zu sehen ist, daß bei ihm die notwendige Rotorblattfläche auf viele Einzelflächen verteilt und im Unterschied zu bisherigen tangential angetriebenen Rotoren der Kräfteausgleich zwi schen den auftretenden Kräften nicht mehr über das Zentrum erfolgt sondern entlang einer großen Wirklinie verteilt verteilt werden kann.could in the embodiment defined in claim 1 to 4 of a ring rotor, the advantage of which can be seen in this is that with him the necessary rotor blade area on many Individual areas distributed and in contrast to previous ones tangentially driven rotors the balancing of forces between forces no longer over the center but is distributed along a large line of action can be distributed.

Die Mindestausdehnung des Ringrotors ist dabei durch die mechanische Belastbarkeit der Materialien abhängig und durch die Gesetzmäßigkeit der proportionalen Fliehkraft abnahme mit zunehmender Entfernung vom Rotationszentrum.The minimum expansion of the ring rotor is due to the mechanical resilience of the materials and through the law of proportional centrifugal force decrease with increasing distance from the center of rotation.

Der beim konventionellen Rotor vorhandene ungünstige Luft widerstand während des Geradeausflugs wird beim Ring-Rotor nicht im gleichen Ausmaß wirksam, da die Rotorflächen im Verhältnis zur gesamten Tragfläche besonders bei Ausgestal tung der Erfindung nach Anspruch 2 eine untergeordnete Rolle spielen.The unfavorable air present in the conventional rotor resistance during straight flight is with the ring rotor not effective to the same extent because the rotor surfaces in the Relationship to the entire wing, especially with Ausgestal device of the invention according to claim 2 a subordinate Role-play.

Um die benötigte Rotorfläche klein zu halten, muß der Ring- Rotor auf die maximal zulässige Umlaufgeschwindigkeit be schleunigt werden (evtl. Schallgeschwindigkeit ?). Dabei dürfte eine mechanische Kraftkopplung über Getriebe und herkömmliche Lager versagen. Eine Lösung für dieses neue Problem könnte die elektromagnetische Lagerung sein, wie sie bei der Magnetschwebebahn zur Anwendung kommt, wobei sich die Erwägung eines elektromotorischen Antriebs anbietet, der auch die Antriebstechnik der Magnet schwebebahn übernimmt, adaptiert auf die in Anspruch 3 definierte Bauart. In order to keep the required rotor area small, the ring Rotor to the maximum permissible rotational speed be accelerated (possibly speed of sound?). A mechanical power coupling via gears is likely and conventional bearings fail. A solution to this electromagnetic storage could be a new problem be how they apply to the magnetic levitation railway comes, considering an electromotive Drive that also offers the drive technology of the magnet Schwebebahn takes over, adapted to claim 3 defined design.

Die notwendige elektrische Energie kann in einem Kombi nationstriebwerk erzeugt werden, welches für den Geradeaus flug als Schubtriebwerk umfunktioniert wird. (Der Ring- Rotor soll während des Geradeausflugs antriebslos sein) Alternativ zum elektrischen Antrieb könnte der Antrieb über tangential wirkende Staustrahltriebwerke diskutiert werden, analog zum Reaktionsantrieb bei Hubschraubern. Min destens die für den Start benötigten Treibstoffvorräte müßten dann in mitrotierenden Tanks untergebracht sein, welche man während des Geradeausflugs notfalls wieder für den Bedarf der Landung, die auch wieder senkrecht und mit Hilfe des Ring-Rotors durchgeführt werden soll, nachbetanken kann. Dieser Lösungsansatz soll hier nicht weiter erörtert werden. Statt dessen soll ein Gleichstrom-Antrieb gemäß Anspruch 4 nachfolgend beschrieben werden, von dem eine effizientere Beschleunigung als vom Wechselstromantrieb erwartet wird:
Der Rotor-Ring sei an der Außenseite einer Ringscheibe befestigt, die in den horizontalen Luftspalt eines Stators eintaucht, der entlang des Randes der in Anspruch 1 erwähn ten Kreisfläche angeordnet ist. Der Stator liefert ein senkrechtes, homogenes Magnetfeld, welches die Ring scheibe orthogonal, beispielsweise von oben nach unten durchdringt, zeitlich konstant ist und entlang des Umfangs keine Schwächung aufweist.The necessary electrical energy can be generated in a combination engine, which is converted into a thrust engine for straight flight. (The ring rotor should be without drive during straight flight) As an alternative to the electric drive, the drive could be discussed via tangential ramjet engines, analogous to the reaction drive for helicopters. At least the fuel supplies required for take-off would then have to be accommodated in rotating tanks, which can be refilled during the straight flight if necessary for the need for the landing, which should also be carried out vertically and with the help of the ring rotor. This approach will not be discussed further here. Instead, a DC drive according to claim 4 is to be described below, which is expected to accelerate more efficiently than the AC drive:
The rotor ring is attached to the outside of an annular disc which is immersed in the horizontal air gap of a stator, which is arranged along the edge of the circular surface mentioned in claim 1. The stator provides a vertical, homogeneous magnetic field which penetrates the ring disk orthogonally, for example from top to bottom, is constant in time and has no weakening along the circumference.

Die Ringscheibe hat die Funktion des Läufers und ist, in Umlaufrichtung gesehen, fortlaufend abwechselnd mit Leiterstäben und Spulen bepackt, die jeweils radial ausge richtet sind. Die geraden Leiterstäbe führen den Läufer gleichstrom beispielsweise von außen nach innen während die Rückführung in den Außenbereich von den Spulen besorgt wird. Auf die geraden Leiterstäbe wirkt unter dem Einfluß des Stator-Magnetfeldes die Lorentz-Kraft mit dem Resultat einer tangentialen Beschleunigung, während auf die Spulen keine Kraftwirkung durch das Statorfeld er folgen soll. Eine weitgehende Neutralität des magnetischen Verhaltens dieser Rückleiterspulen sollte durch die Anwen dung zweier gegensinniger Wicklungen in einer Spule etwa durch Umkehr des Wicklungssinns auf halber Baulänge zu erreichen sein, wobei vor allem das Entstehen einer tangentialen Bremskraft verhindert werden muß.The ring disc has the function of the rotor and is seen in the direction of rotation, alternating continuously with Ladder bars and coils packed, each radially out are aimed. The straight ladder bars guide the runner direct current, for example, from the outside in while returning to the outside from the coils is concerned. The straight ladder bars act under the Influence of the stator magnetic field with the Lorentz force the result of a tangential acceleration while no force is exerted on the coils by the stator field should follow. A broad neutrality of the magnetic Behavior of these return coils should be determined by the user approximately two opposite windings in a coil by reversing the winding direction to half the length be achieved, especially the emergence of a tangential braking force must be prevented.

Da entlang des Umlaufweges überall gleiche Bedingungen vor liegen, ist somit eine Umlaufwegkonstante Tangentialbe schleunigung zu erreichen, deren Stärke über das Statorfeld und den Läuferstrom geregelt werden kann und nur durch die induzierte Gegenspannung und mechanische Widerstände wie dem Luftwiderstand der Rotorblätter gebremst wird. Den benö tigten Gleichstrom können grundsätzlich alle Stromquellen liefern, die auch zur Versorgung des Antriebs von Elektro kraftfahrzeugen geeignet sind, wobei solche Systeme beson ders geeignet erscheinen, die relativ leicht sind und durch Umschalten des Rotors in den Generatorbetrieb nach der Start- bzw. Lande-Phase eine Rückumwandlung von elektr. En ergie in elektrochemische Speicherenergie zulassen. Because the conditions are the same everywhere along the circulation route lie, is therefore a circumferential constant Tangentialbe to achieve acceleration, its strength over the stator field and the rotor current can be regulated and only by the induced counter voltage and mechanical resistances like the air resistance of the rotor blades is braked. The necessary All direct current sources can in principle be used supply that also to supply the drive of electrical Motor vehicles are suitable, such systems esp appear suitable, which are relatively light and through Switching of the rotor into generator operation after the Take-off or landing phase a reverse conversion of electr. En Allow energy in electrochemical storage energy.

Die Einbindung eines Ring-Rotors nach Anspruch 1 in ein flugtaugliches Gesamtkonzept könnte so aussehen, daß dort, wo schwerste Lasten auf rel. kurzen Entfernungen transportiert werden sollen, die Ausgestaltung nach Anspruch 2 nicht er folgen muß, sondern der Kreisinhalt weitgehend leer bleibt und die Konstruktion sich auf eine Versteifung der Ring struktur beschränkt, von der aus die Verbindung zu einer tiefer liegenden Lastaufnahmevorrichtung hergestellt wird. Für den Einsatz als schnelles Verkehrsflugzeug erfolgt die Ausgestaltung nach Anspruch 2, die zweckmäßig so aussieht, daß der Rumpf auch wieder den Kreis als Grundform besitzt, und über einen großzügigen Verbindungsteil im Zentrum des Kreisflügels nach Anspruch 2 mit diesem verbunden ist, wobei der Kreisflügel Teile der Rumpf-Funktion übernehmen kann und der Rumpf wiederum tragflächenartig profiliert wird und mit dem oberen Kreisflügel optisch zu einer Einheit ver schmilzt.The incorporation of a ring rotor according to claim 1 in a The overall airworthy concept could look like that where heaviest loads on rel. transported short distances should be, the design according to claim 2 not he must follow, but the content of the circle remains largely empty and the construction focused on stiffening the ring structure from which the connection to a lower-lying load suspension device is manufactured. For use as a fast airliner, the Design according to claim 2, which looks expediently so that the fuselage again has the circle as the basic shape, and via a generous connecting part in the center of the Circular wing according to claim 2 is connected to this, wherein the circular wing can take over parts of the fuselage function and the fuselage is in turn profiled like a wing and with the upper circular wing optically ver melts.

Der Schwerpunkt des Gesamtflugzeugs sollte so gewählt wer den, daß bei Start und Landung ein selbsttätiges Einpendeln in die Horizontale erfolgt.The focus of the entire aircraft should be chosen in this way the one that self-leveling at take-off and landing into the horizontal.

Die zum Vortrieb bestimmten Triebwerke sollen, wenn möglich elektrisch arbeiten, um für alle Flugphasen einen umwelt freundlichen Antrieb zu gewährleisten.The engines intended for propulsion should, if possible work electrically to create an environment for all flight phases to ensure friendly drive.

Das Landegestell soll so beschaffen sein, daß es wie bei an deren Flugzeugen üblich eingezogen werden kann und eine Landung auch auf natürlichem Gelände zuläßt, um eine Ent flechtung des Flugverkehrs zu ermöglichen.The landing gear should be designed so that it is like at whose aircraft can usually be pulled in and one Landing on natural terrain also allows for a Ent to enable the integration of air traffic.

Claims

1. rotor with tangential drive for generating lift on aircraft, characterized in that on a circular area that is not part of the rotor, a ring system rotates with radially outwardly directed rotor blades (short "ring rotor").

2. circular wing with rotating ring rotor according to claim 1, whose circular area completely or partially with Wings are filled in for straight flight are profiled in a certain preferred direction.

3. Ring rotor according to claim 1, wherein the drive ent long the circumference of the circular wing according to claim 2 done electromotively via an annular disc, which as Runner acts and interacts with the magnet field of a stator a tangential acceleration experiences.

4. DC motor, which has the general design according to claim 3 with the special feature that

- Radially aligned coils are embedded in the ring disk, which return the rotor current magnetically neutral to the exit zone and so on
- Along the circumference, a constant interaction between the direct current-carrying radial rotor rods of the annular disc can take place with a homogeneous stator magnetic field without the current direction having to be changed by commutators.

5. DC motor according to claim 4, adapted to other applications, derived from the type described

- by stretching into a linear form or
- by tilting the ring disc together with the stator to form a cylinder or to an internal ring disc or geometric arrangements in between.

6. DC generators that are reversed of the engine principle to the generator principle from the Motor described in claims 4 or 5 derive designs.