DE19931035A1 - Rotor mit gespaltenem Rotorblatt - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (1), der in einer Hauptströmungsrichtung (H) von einem Fluid durchströmt und mit zumindest einem um eine Rotorachse drehbar angeordneten Rotorblatt (4) ausgestattet ist. Das Rotorblatt (4) erstreckt sich zumindest abschnittsweise von der Drehachse (2) weg in das Fluid. Durch die Drehung (D) des Rotorblattes (4) um die Drehachse (2) in eine vorbestimmte Drehrichtung wird eine gegen die Hauptströmungsrichtung gerichtete Vortriebskraft erzeugt. Um bei derartigen Rotoren eine Verringerung der Blattspitzenwirbel an den Enden des Rotorblattes und dadurch eine Verringerung der strömungsmechanischen Verluste und der Strömungsgeräusche zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich das Rotorblatt (4) in einem vorbestimmten Abstand von der Drehachse in zumindest zwei Teilblättern (5, 6) fortsetzt. Dabei erstreckt sich das eine Teilblatt (5) zumindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt relativ zum Rotorblatt (4) in Drehrichtung (D) und das andere Teilblatt erstreckt sich zumindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt (4) relativ zum Rotorblatt (4) entgegen der Drehrichtung (D).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor, der in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmt und mit zumindest einem um eine Rotorachse drehbar angeordneten Ro­ torblatt ausgestattet ist, wobei sich das Rotorblatt zumindest abschnittsweise von der Drehachse weg in das Fluid erstreckt und durch das Rotorblatt bei dessen Drehung um die Drehachse in eine vorbestimmte Drehrichtung eine gegen die Hauptströmungsrich­ tung gerichtete Vortriebskraft erzeugbar ist.

Die Erfindung betrifft auch einen Rotor, der in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmt und mit zumindest einem um eine Rotorachse drehbar angeordneten Rotorblatt ausgestattet ist, wobei sich das Rotorblatt zumindest abschnittsweise von der Drehachse weg in das Fluid erstreckt und durch das Rotorblatt aufgrund der Strömung des Fluids ein Drehmoment um die Drehachse in einer vorbestimmten Drehrichtung er­ zeugbar ist.

Derartige Rotoren sind im Stand der Technik bekannt und umfassen im ersten Fall Pro­ peller und Schiffsschrauben, Gebläse, Lüfter, Ventilatoren etc. im zweiten Fall strö­ mungsangetriebene Repeller, Turbinen und Windräder. Bei Schiffspropellern oder Flug­ zeugpropellern dreht sich ein Rotorblatt, das an einer Nabe befestigt ist, um die Roto­ rachse und erzeugt aufgrund seiner Profilform oder aufgrund seiner Anstellung bei Dre­ hung um die Drehachse eine Vortriebskraft. Die Vortriebskraft verläuft über eine Umdre­ hung des Rotorblattes gemittelt meist parallel zur Drehachse und treibt das Schiff oder Flugzeug voran. Bei Hubschrauberrotoren kann durch Verstellung der Rotorblätter wäh­ rend der Drehung um die Drehachse eine gegenüber der Drehachse geneigte Vortriebs­ kraft erzeugt werden. Hierbei wird unter der Haupströmungsrichtung diejenige Richtung verstanden, unter der die Strömung den Rotor passiert, wenn man den Rotor in einer Fernfeldbetrachtung auf eine Ebene reduziert.

Aufgrund der Drehung des Rotorblattes wird eine Strömung durch die vom Rotorblatt überstrichene Fläche und damit eine Vortriebskraft erzeugt, welche sich mit der auf das Fluid übertragenen Kraft im Gleichgewicht befindet. Aus diesem Gleichgewicht resultie­ ren zwei Nutzungsmöglichkeiten. Bei ortsfest installierten Rotoren (Lüfter, Gebläse) bil­ det die Erzeugung einer Strömung, also der Transport des Fluids das Hauptziel. Bei der Installation an beweglichen Objekten steht die Nutzung des Vortriebs im Vordergrund. Beide Anwendungen beruhen jedoch auf den gleichen Vorgängen am Rotor. Die für die Erfindung wesentlichen Aspekte seien nachfolgend am Beispiel der Vortriebserzeugung näher beschrieben.

Die Erzeugung von Vortrieb durch ein Rotorblatt ist unvermeidbar mit der Erzeugung ei­ ner Wirbelschicht im Nachlauf verbunden. Die darin enthaltene Energie muß vom Rotor bzw. dem Rotorblatt in Form von Arbeit zur Überwindung des induzierten Widerstandes aufgebracht werden. Bei Anströmung bzw. Drehung des Rotors bildet sich auf dem Ro­ torblatt eine mit einem Unterdruck beaufschlagte Saugseite und eine mit einem Über­ druck beaufschlagte Druckseite aus. An den Spitzen des Rotorblattes findet eine Aus­ gleichsströmung von der Saugseite zur Druckseite statt, so daß in den Außenbereichen des Nachlauffeldes die Wirbel eine höhere Konzentration erreichen. An den Außenbe­ reichen des Rotors bilden sich starke Druck- und Geschwindigkeitsgradienten aus und die Wirbelschicht rollt sich auf. Dies ist eine wesentliche Ursache für die Geräuschentwick­ lung der Rotoren. In Folge der Umfangsgeschwindigkeit sind bei einigen Anwendungen die Rotorblätter im Spitzenbereich zusätzlich belastet. So kann bei Schiffsschrauben der Druck auf der Saugseite eines Rotorblattes so stark absinken, daß es zu Kavitationser­ scheinungen kommt, die Materialerosion verursachen und den Wirkungsgrad des Rotors senken.

Aus energetischen Betrachtungen des Strömungsnachlaufes bei Rotoren ist bekannt, daß die konzentrierten Spitzenwirbel an den Spitzen der Rotorblätter und bei vorhande­ ner Nabe zusätzlich noch die Nabenwirbel und der Drall des Nachlaufes des Rotors die wesentlichen Verlustquellen darstellen. Ein Großteil der in diesen Verlusten enthaltenen Energie ist für die eigentliche Aufgabe des Rotors, die Erzeugung eines Vortriebes, bzw. den Transport von Fluid nicht nutzbar. Um diese Verluste aber zu überwinden, muß zum Betrieb des Rotors eine erhöhte Arbeit aufgebracht werden. Dies geht in der Regel mit einem erhöhten Treibstoffverbrauch und in Folge damit mit einem erhöhten Schadstof­ fausstoß einher. Bei Turbinen sinkt aufgrund der Wirbelverluste analog der Wirkungs­ grad der Energieerzeugung.

Der Wirkungsgrad, die im Strömungsnachlauf zurückgelassene Energie, die Geräu­ schentwicklung und, vor allem beim Betrieb des Rotors in flüssigen Fluiden, auch die Kavitation eines Rotors sind demnach eng miteinander verknüpft. Der von Schiffs- und Flugzeugpropellern, Hubschrauberrotoren, Windkraftanlagen, diversen Lüftern und Ge­ bläsen, beispielsweise in Klimaanlagen, verursachte Lärm hat einen erheblichen Anteil an der heutigen akustischen Umweltbelastung.

Im Stand der Technik gibt es zahlreiche Ansätze und zum Teil auch recht erfolgreiche Maßnahmen, die oben genannten Probleme vermindern.

• - Bei einem Propeller lassen sich beispielsweise die Drallverluste beispiels­ weise mittels eines gegendrehenden Konterpropellers oder eines Stators minimieren, welcher einen gleich starken Gegendrall erzeugt, so daß die Nachlaufströmung weniger Rotationsenergie enthält. Damit vermindert sich gleichzeitig das vom Rotor an den angetriebenen Körper übertragene Drehmoment. Wesentlich komplizierter ist hingegen die Beeinflussung der Randwirbel, die insbesondere bei Freistrahl-Propeller eine sehr große Zir­ kulationsdichte aufweisen können und einen entsprechend großen indu­ zierten Widerstand erzeugen.
• - Aus der Tragflügeltheorie ist es bekannt, zur Reduzierung des induzierten Widerstandes die Spannweite der Tragflügel zu vergrößern. Bei Rotoren bedeutet dies einen größeren Radius des Rotorblattes. Eine beliebige Ver­ größerung des Rotorblattes ist allerdings aufgrund konstruktiver Vorgaben meist nicht möglich.
• - Der induzierte Widerstand kann auch dadurch vermindert werden, daß an­ stelle planarer sogenannte nicht-planare Bauformen verwendet werden, mittels derer eine energetisch günstigere (räumliche) Verteilung der Nach­ laufzirkulation erreicht werden kann. In diesem Zusammenhang sind vor allem an den Flügelspitzen angebrachte große Endscheiben, abgewinkelte oder gekrümmte, gelegentlich auch noch zusätzlich gefeilte Flügelspitzen, sogenannte Winglets, zu nennen. In jüngerer Zeit kamen auch Multi- Winglets zum Einsatz, die an die aufgespreizten Handschwingen der Landsegler-Vögel erinnern. Gewissermaßen als Weiterentwicklungen die­ ser Multi-Winglets kann man den Split-Wing-Loop und den Spiroid-Wingtip ansehen, die beide sehr günstige Verteilungen der Nachlaufzirkulation er­ reichen. Im Gegensatz zu Doppeldeckern, Mehrdeckern und Kastenflüg­ lern wird bei diesen Ausgestaltungen der Tragflügelspitzen auch gleichzei­ tig der Reibwiderstand und das Strukturgewicht minimal gehalten. Eine Reihe dieser Prinzipien findet auch bei Rotoren, speziell bei Propellern, Anwendung. Speziell bei Freistrahlpropellern sind die Rotorblätter oftmals sichelförmig ausgebildet, wobei die Spitzen oftmals weit nach hinten aus­ gezogen sind.
• - Ein alternatives Konzept zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Rotoren besteht darin, den Rotor zu kapseln, d. h. in einem feststehenden Mantel­ gehäuse laufen zu lassen. In einigen Ausgestaltungen kann dieses Mantel­ gehäuse fest mit den Rotorblättern verbunden sein und sich mit diesen drehen. Diese Konstruktionen sind jedoch konstruktiv sehr aufwendig und bieten nur wenige Verstellmöglichkeiten, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb in der Regel nur nahe eines Auslegungspunktes erreicht werden kann.
• - Ferner sind Versuche bekannt, die Propellerblätter durch eine mit den Pro­ pellern mitlaufende Ringstruktur zu verbinden, die so konstruiert ist, daß sie an den Verbindungsstellen mit den Rotorblättern jeweils zu den an den Rotorblattspitzen erzeugten Wirbeln gegenläufige Wirbel produziert. Diese gegenläufigen Wirbel sollen sich mit den Spitzenwirbeln der Rotorblätter überlagern und zu einer gegenseitigen Auslöschung führen. Diese Konfi­ guration benötigt jedoch je nach Betriebspunkt ständig spezielle Einstel­ lungen, was ebenfalls sehr aufwendig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch einfache konstruk­ tive Maßnahmen die eingangs genannten Rotoren dahingehend zu verbessern, daß ihr Wirkungsgrad erhöht wird.

Insbesondere wird angestrebt, daß der Rotor neben einem verbesserten Wirkungsgrad weniger Lärm erzeugt und im Nachlauf eine minimale Wirbelenergie zurück läßt und somit besonders umweltfreundlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die beiden Rotoren der eingangs genannten Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß sich das Rotorblatt in einem vorbestimmten Abstand von der Drehachse in zumindest zwei Teilblättern fortsetzt, wobei sich das eine Teilblatt zu­ mindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt relativ zum Rotorblatt in Drehrichtung und sich das andere Blatt zumindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt relativ zum Rotorblatt entgegen der Drehrichtung erstreckt.

Diese Lösung ist einfach und erreicht durch die Aufspaltung der Blattenden in jeweils zwei Teilblätter eine auf diese beiden Teilblätter verteilte Zirkulation. Je nach Anwen­ dungsfall können dabei asymmetrische Lösungen mit einer ungleichen Verteilung der Wirbelstärke auf die beiden Teilblätter bevorzugt sein. Durch die Erstreckung der beiden Teilblätter in entgegengesetzte Richtung relativ zum Rotorblatt divergieren die Traglinien entsprechend. Die Verlängerung der Blattspitzen hat damit einen ähnlichen Effekt wie eine Vergrößerung der Spannweite, nur daß die Blätter im Raum gekrümmt sind und folglich der Radius der Außenkontur kleiner ist als die Länge der einzelnen Traglinien.

Durch die gegenüber dem Stand der Technik gleichmäßigere Zirkulationsverteilung entlang des Rotorblattes und der Teilblätter wird eine Konzentration des Nachlaufwirbels an der Rotorblattspitze vermieden und die Wirbelstärke wird räumlich über einen größe­ ren Bereich verteilt, was zu geringeren Verlusten und zu einer geringeren Erzeugung von Strömungslärm führt.

Das Rotorblatt und die Teilblätter können für einfache Anwendungen wie beispielsweise einfache Lüfter oder Ventilatoren sowie Spielzeugflugzeuge und Spielzeugwindräder beispielsweise durch schräg angestellte Flächen, für technisch komplexere Anwendun­ gen wie Flugzeugpropeller oder Schiffspropeller beispielsweise durch tragflügelähnliche Profile mit einer bestimmten Dickenverteilung und Wölbung gebildet sein. Ein sich ent­ lang des Rotorblattes und der Teilblätter in Abhängigkeit von den lokalen Strömungsbe­ dingungen änderndes Profil führt zu besonders günstigen Strömungseigenschaften und zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Im gleichen Zusammenhang können auch der Blatt-Tiefenverlauf und die örtlichen Anstellwinkel den lokalen Strömungsbedingungen angepaßt werden.

Die Teilblätter können entweder vom Rotorblatt abknicken oder, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, sich allmählich im wesentlichen übergangsfrei vom Rotorblatt weg krümmen. Durch den kontinuierlichen Formübergang der Teilblätter können Eckenströmungen, welche bei sich stark ändernden Betriebsbedingungen des Rotors ansonsten an den Knickstellen auftreten und zu Verlusten führen können, ver­ mieden werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das eine Teilblatt zumindest in ei­ nem Bereich in der Nähe des Rotorblattes sowohl in Drehrichtung als auch in Haupt­ strömungsrichtung vor dem anderen Teilblatt liegen. Zumindest kann sich die Anström­ kante des einen Teilblattes in Hauptströmungsrichtung stromauf der Anströmkante des anderen Teilblattes befinden. Allerdings kann das eine Teilblatt auch vollständig strom­ auf des anderen Teilblattes liegen. Diese Anordnung der Teilblätter erzeugt eine beson­ ders gleichmäßige Wirbelstärkeverteilung über das Rotorblatt und die Teilblätter und verringert die Konzentration an Wirbelstärke im Nachlauf. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration liegt darin, daß aufgrund der Umströmung des vorderen, stromauf gelege­ nen Teilblattes der Strömung um das hintere, stromab gelegene Teilblatt Energie zuge­ führt werden kann, so daß auch bei hohen lokalen Anstellwinkeln des hinteren, stromab gelegenen Teilblattes die Strömung weitgehend verlustfrei und anliegend bleibt.

Es hat sich dabei im allgemeinen als vorteilhaft erwiesen, wenn die Teilblätter derart an­ geordnet sind, daß die Strömung von der Druckseite des vorderen, stromauf gelegenen Teilblattes zumindest im Bereich nahe des Rotorblattes auf die Saugseite des hinteren, stromab gelegenen Rotorblattes gerichtet wird. Dies bedeutet üblicherweise, daß das vordere, stromauf gelegene Rotorblatt in Drehrichtung gekrümmt ist, während das hinte­ re, stromab gelegene Teilblatt gegen die Drehrichtung sich von dem Rotorblatt weg er­ streckt. Bei dieser Konfiguration kann der saugseitigen Strömung des hinteren, stromab gelegenen Teilblattes zusätzliche kinetische Energie von der Umströmung der Druck­ seite des vorderen Teilblattes zugeführt werden.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Teilblätter an ihren Enden einstückig miteinander verbunden sein. Dieser Aufbau ist dank der mechani­ schen Verbindung der Teilblätter besonders stabil und belastbar. Außerdem wird die Verletzungsgefahr, die durch die Spitzen der Teilblätter entsteht, minimiert. Dabei kön­ nen in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die beiden Teilblätter vorzugswei­ se stoßfrei ineinander übergehen. Dies bedeutet, daß die beiden Teilblätter an ihrem Verbindungspunkt im wesentlichen die selben Profilformen aufweisen und deren Kontu­ ren weitgehend stoßfrei miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch einstückige Ausformung der beiden miteinander verbundenen Teilblätter geschehen. Auch können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die beiden Teilblätter eine vom Fluid durchströmte Schlaufenfläche umschließen, die sich im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung erstreckt. Diese Schlaufenfläche kann entsprechend der Rich­ tung der lokalen Umströmung der Teilblätter gegen die Hauptströmungsrichtung geneigt sein.

Statt nun frei in der Strömung zu enden, geht also das eine Teilblatt fließend in das an­ dere Teilblatt über. Betrachtet man nun die Drehrichtung der entsprechenden gebunde­ nen Wirbel, so ergibt sich an den Verbindungsstellen der beiden Teilblätter eine Umkehr des Drehsinnes der Zirkulation. Durch eine vom Fachmann durch einfache Experimente zu bestimmende Schlaufengeometrie, Profiltiefenverteilung der Teilblätter und Variation der Profilierung der Teilblätter entlang ihrer Konturlinien, kann ausgehend von der erfin­ dungsgemäßen Ausgestaltung eine optimale Zirkulations- bzw. Druck- oder Geschwin­ digkeitsverteilung entlang der Teilblätter - beispielsweise mit einem kontinuierlich flie­ ßenden Übergang von dem einen auf das andere Teilblatt - erreicht werden. Wie ein­ gangs erwähnt, soll durch eine solche Maßnahme die Zirkulation in der im Nachlauf er­ zeugten peripheren Wirbelschleppe gleichmäßig verteilt werden.

Die Strömungsverluste können unabhängig voneinander dadurch minimiert werden, daß in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sich die Abströmkante des Rotorblattes in der Abströmkante des hinteren, stromab gelegenen Teilblattes vorzugsweise fließend fortsetzt. Ebenso kann sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Anström­ kante des Rotorblattes in der Anströmkante des vorderen, stromauf gelegenen Teilblat­ tes fortsetzen. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Strömung durch Unregelmäßig­ keiten an der Anströmkante ungünstig beeinflußt wird. Ebenso kann sich die Zirkulati­ onsverteilung bereits bei kleinen Unregelmäßigkeiten an der Abströmkante am entspre­ chenden Rotor- bzw. Teilblatt stark verändern. In einer weiteren Ausgestaltung, die ins­ besondere bei einem erfindungsgemäßen Rotor mit nur einem Rotorblatt vorteilhaft ist, kann die Drehachse durch die Schlaufenfläche verlaufen.

Durch den schlaufenförmigen Ringschluß der Teilblätter wird eine hohe mechanische Stabilität erreicht. Dadurch kann das Strukturgewicht verringert und eine insgesamt fili­ granere Konstruktion erreicht werden. Auch kann in den Abschnitten der von den Teilblättern gebildeten Schlaufe, an denen die Zirkulation nur gering ausgeprägt ist, die also nur einen geringen Beitrag am Vortrieb leisten, die Profiltiefe vermindert werden. Auf diese Weise läßt sich der Reibungswiderstand verringern.

Verläuft die Drehachse bei einem Rotor mit nur einem Rotorblatt durch die Schlaufene­ bene, so lassen sich durch diese einfache konstruktive Maßnahme Unwuchten bei der Drehung des Rotors vermeiden.

In einer weiteren Grundausgestaltung kann der Rotor zumindest zwei in Drehrichtung beabstandete Basisblätter aufweisen, bei denen das vordere, stromauf gelegene Teilblatt des einen Rotorblattes jeweils mit dem hinteren, stromab gelegenen Teilblatt des anderen Rotorblattes verbunden ist. Auch kann in einer weiteren Ausgestaltung eine Mehrzahl von in Drehrichtung vorzugsweise gleich beabstandeten Rotorblättern vorge­ sehen sein, bei denen das vordere, stromauf gelegene Teilblatt eines Rotorblattes je­ weils mit dem hinteren, stromab gelegenen Teilblatt eines in Umfangsrichtung nächsten Rotorblattes verbunden ist. Diese Ausgestaltungen bewirken bei geringem Materialauf­ wand eine Zirkulationsumkehr entlang der beiden miteinander verbundenen Teilblätter, die jeweils unterschiedlichen Rotorblättern zugeordnet sind. Wie beim erfindungsgemä­ ßen Rotor mit nur einem Rotorblatt läßt sich so eine gleichmäßige Verteilung der Zirku­ lation im Nachlauf des Rotors erreichen. Durch die höhere Anzahl an Rotorblättern läßt sich ein insgesamt größerer Vortrieb bei kleinerem Bauvolumen erreichen. Oftmals ist ein hoher Vortrieb mit einer entsprechend starken Zirkulation auf den Rotorblättern ver­ bunden. Diese Zirkulation wird durch die erfindungsgemäße miteinander verbundenen Rotorblättern im Nachlauf gut verteilt, was zu einer Verringerung der Strömungsverluste und einer Verminderung der Lärmabstrahlung der Rotoren führt.

Um bei verschiedenen Betriebsbedingungen eine optimale Strömungsverhältnisse am Rotorblatt und an den Teilblättern des Rotors zu erreichen, sollten die Rotorblätter und/oder die Teilblätter an veränderte lokale Strömungsbedingungen, also Strömungs­ bedingungen, die auf den Ort des jeweiligen Rotorblattes und/oder Teilblattes be­ schränkt sind, angepaßt werden können. Hierzu kann das Rotorblatt und/oder das Teilblatt zumindest abschnittsweise mit einer elastischen Außenhaut versehen sein. Bei geeigneter Materialabstimmung und/oder entsprechender Vorspannung der Außenhaut sind lokale Veränderungen der Profilgeometrie von Rotorblatt und/oder Teilblatt entwe­ der allein aufgrund der auf das Profil einwirkenden strömungsmechanischen Kräfte, also passiv, oder mittels einer Konturverstelleinrichtung, also aktiv, möglich, ohne daß Auf­ wertungen, Falten oder Knicke, die die Strömung negativ beeinflussen, an der Außen­ haut entstehen. Außerdem kann eine elastische Außenhaut bei geeigneter Wahl der Elastizität zu einer verlustfreieren Umströmung des Rotorblattes und/oder Teilblattes führen. Eine elastische Außenhaut ist in der Lage, durch lokal eng begrenzte Verfor­ mung auf Druckstörungen zu reagieren und diese Druckstörungen abzufangen, was in einer ruhigeren und auch geräuschärmeren Umströmung des Rotorblattes und/oder Teilblattes führt.

Auch kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Rotor mit einer Profilver­ stelleinrichtung versehen sein, die auf die Außenhaut einwirkt und durch die Außenhaut zur lokalen oder auch globalen Veränderung einer Profilgeometrie des Rotorblattes und/­ oder des Teilblattes zumindest abschnittsweise verschiebbar ist. Dabei wird unter einer lokalen Veränderung eine Veränderung der Profilgeometrie bzw. der Kontur des Ro­ tor- bzw. Teilblattes verstanden, die sich nur in einem eng umgrenzten Bereich des Ro­ torblattes und/oder Teilblattes abspielt und die Umströmung in anderen Bereichen des Rotorblattes und/oder Teilblattes im wesentlichen unbeeinflußt läßt. Eine globale Ver­ änderung der Profilgeometrie ändert dagegen einen großen Bereich der Profilgeometrie von Rotorblatt und/oder Teilblatt und führt zu einer wesentlichen Änderung der Um­ strömungscharakteristik von Rotorblatt und/oder Teilblatt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Rotor eine Nabe aufweisen, an der das Rotorblatt gehalten ist. Das Rotorblatt kann über eine Anstellwinkeleinstellein­ richtung zur Veränderung seines Anstellwinkels drehbar an der Nabe gehalten sein. Durch die Veränderung des Anstellwinkels kann auf recht einfache Weise der vom Rotor erzeugte Vortrieb über große Bereiche der Drehgeschwindigkeit des Rotors konstant gehalten bzw. den aktuellen Betriebsbedingungen angepaßt werden. Ebenso kann eine Anstellwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen sein, durch die das Teilblatt zur Verände­ rung eines Anstellwinkels drehbar am Rotorblatt gehalten ist. Unter einem Anstellwinkel versteht man dabei in der Strömungstechnik im allgemeinen eine Neigung der Profilseh­ ne des Rotorblattes und/oder Teilblattes relativ zur lokalen Anströmung des Rotorblat­ tes und/oder Teilblattes. Die Profilsehne verbindet die Anströmkante, d. h. die Verbin­ dungslinie der vorderen Staupunkte des Rotorblattes und/oder Teilblattes, mit der Ab­ strömkante, also der Verbindung der hinteren Staupunkte des Rotorblattes und/oder Teilblattes.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Pfeilwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen sein, durch die das Rotorblatt im wesentlichen in Richtung des Vortriebes schwenkbar relativ zur Nabe gehalten ist. Durch diese Verstelleinrichtung kann der Pfeilwinkel des Rotorblattes, also der Winkel der Anströmkante relativ zur Richtung der Hauptströmung verändert werden und sich die im Nachlauf des Rotorblattes erzeugte Zirkulation besser verteilen. Eine ähnliche Einrichtung kann auch zwischen Rotorblatt und Teilblatt vorgesehen sein, um auch die Pfeilung des Teilblattes zu ändern. Um bei der Einstellung des Pfeilwinkels auch die Drehkomponente der Anströmung von Rotor­ blatt bzw. Teilblatt zu berücksichtigen, kann die Pfeilwinkeleinstelleinrichtung vorteilhaft das Rotorblatt bzw. Teilblatt auch um eine parallel zur Drehachse verlaufende Strömung verschwenken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen Rotorblatt und Teilblatt eine Spreizwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen sein, mit der zumindest ein Teilblatt des Rotors derart verbunden ist, daß sich ein im wesentlichen in Drehrichtung weisender Spreizwinkel zwischen zwei Teilblättern eines Rotorblattes in Abhängigkeit vom Be­ triebszustand des Rotors einstellen läßt.

Eine weitere adaptive Einstellmöglichkeit der Rotorgeometrie, die den Wirkungsgrad bei einer Vielzahl von Betriebssituationen verbessert, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung durch eine Ausfahreinrichtung erreicht werden, die zwischen Rotorblatt und Teilblatt vorgesehen ist und durch die das Teilblatt relativ zur Erstreckungsrichtung des Rotorblattes ausfahrbar gehalten ist. Durch Ausfahren der Teilblätter und/oder des Rotorblattes wird die den Vortrieb erzeugende Fläche vergrößert, so daß bei gleichblei­ bender Zirkulation pro Flächeneinheit des Rotorblattes und/oder des Teilblattes ein hö­ herer Vortrieb erzeugt werden kann.

Schließlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwei Rotoren in Reihe zu schalten, die sich relativ zueinander in entgegengesetzte Richtung drehen. Im Nachlauf dieser beiden Rotoren überlagern sich die jeweiligen Wirbelstärken und löschen sich teilweise aus. Bei geeigneter Abstimmung kann dadurch sogar eine vollständige Auslöschung der Kompo­ nente der Wirbelstärke in Richtung der Drehachse, des Dralls, zumindest eines der Ro­ toren erreicht werden. Damit lassen sich durch Wegfall des Dralls im Nachlauf der hin­ tereinander geschalteten Propeller die Verluste minimieren. Eine optimale Überlagerung der Wirbelstärken wird erreicht, wenn die Rotoren in etwa gleiche Durchmesser aufwei­ sen. Der stromauf gelegene Rotor kann auch als Stator ausgebildet sein, wodurch der konstruktive Aufwand gesenkt wird.

Im folgenden wird der Aufbau und die Funktion eines erfindungsgemäßen Rotors mit ei­ nem in Teilblätter aufgespaltenen Rotorblatt anhand von Ausführungsbeispielen erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit zwei Teilblättern;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit zwei Teilblättern;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit zwei Teilblättern;

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in zwei Teilblätter gespaltenen Rotorblatt;

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors ähnlich dem Rotor der Fig. 4;

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors mit zwei je­ weils gespaltenen Rotorblättern;

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6;

Fig. 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors mit drei jeweils gespaltenen Rotorblättern;

Fig. 9A-9D zeigen Veränderungen der Profilgeometrie eines adaptiven Rotorblattes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 zeigt die Verstellmöglichkeiten bei einem adaptiv ausgebildeten, erfindungs­ gemäßen Rotorblattes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 11A zeigt das Wirbelfeld im Nachlauf eines herkömmlichen Propellers;

Fig. 11B zeigt das Wirbelfeld im Nachlauf eines erfindungsgemäßen Propellers;

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Rotoren hintereinander geschaltet sind;

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rotors.

Zunächst wird der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Rotors anhand des in der Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben.

In der Fig. 13 ist der Rotor 1 in einer Draufsicht entlang einer Drehachse 2 dargestellt, um die der Rotor drehbar gelagert ist. In der dargestellten Form kann der Rotor 1 für Lüfter, Propeller, Rotoren, aber auch als Turbine oder Windkraftanlage benutzt werden. Um die Drehachse ist eine Nabe 3 angeordnet, an der zwei Rotorblätter 4 befestigt sind. Diese Rotorblätter 4 erstrecken sich jeweils im wesentlichen in radialer Richtung weg von der Nabe in ein Fluid, daß den Propeller umgibt.

In einem vorbestimmten Abstand A ist jedes Rotorblatt 4 in zwei Teilblätter 5, 6 gespal­ ten.

Im Betrieb dreht sich der Rotor 1 um die Drehachse 2 in eine Drehrichtung D. Der Rotor 1 kann sich dabei passiv mitdrehen, wie dies beispielsweise bei Windkraftanlagen der Fall ist. In diesem Fall wird der Rotor 1 im wesentlichen entlang der Achse 2 angeströmt. Bei entsprechender Profilierung und/oder Anstellung der Rotorblätter 4 sowie der Teilblätter 5, 6 wird dann ein Drehmoment um die Drehachse 2 erzeugt, das über einen Generator (nicht gezeigt), der mit einer sich mit dem Rotor drehenden Rotorwelle (nicht gezeigt) verbunden ist, zur Energieerzeugung verwendet werden kann. Umgekehrt kann der Rotor 1 durch einen Antriebsmotor (nicht gezeigt) auch aktiv angetrieben werden, wodurch durch die Drehung des Rotors aufgrund der Profilierung und/oder Anstellung der Rotorblätter 4 und/oder Teilblätter 5, 6 eine Strömung durch die von den Rotor­ blättern 4 und den Teilblättern 5, 6 überstrichenen Fläche und ein Vortrieb erzeugt wird.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist das Rotorblatt 4 im Abstand A in ein vorne oder in Hauptströmungsrichtung stromauf gelegenes Teilblatt 5 und ein hinteres oder in Hauptströmungsrichtung stromab gelegenes Teilblatt 6 aufgespalten. Das Rotorblatt 4 geht dabei fließend in das jeweilige Teilblatt 5, 6 über.

Die in Hauptströmungsrichtung gelegene Anströmkante 7 des Rotorblattes 4 setzt sich nach nahtlos in der Anströmkante 7a des vorderen Teilblattes 5 fort. Die Abströmkante 8 des Rotorblattes 4 setzt sich nahtlos in der Abströmkante 8b des hinteren Teilblattes 6 fort. Das vordere Teilblatt 5 bildet nach der Aufspaltung des Rotorblattes 4 in die beiden Teilblätter 5, 6 eine eigene Abströmkante 8a aus, die sich zumindest im Bereich nahe des Rotorblattes 4, also im Bereich um die Aufspaltung, abschnittsweise mit einer An­ strömkante 7b, die vom hinteren Teilblatt 6 ausgebildet wird, überlappt. Allerdings kann diese Überlappung auch wegfallen.

Das vordere Teilblatt 5 ist gegenüber dem hinteren Teilblatt 6 in Drehrichtung D ge­ krümmt, so daß sich das vordere Teilblatt 5 vom hinteren Teilblatt 6 wegspreizt.

In der Darstellung der Fig. 13, mit Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung entlang der Drehachse 2, stellt die Fläche 9 des Rotorblattes 4 sowie der beiden Teilblätter 5, 6 die Druckseite dar, bei einem Propeller, Rotor und dgl. die Saugseite. Saugseite und Druck­ seite unterscheiden sich durch die auf ihnen herrschenden Druckverhältnisse voneinan­ der. Der mittlere Fluiddruck auf der Saugseite ist niedriger als der mittlere Fluiddruck auf der Druckseite. Durch diese Druckdifferenz wird der in Richtung der Drehachse 2 ge­ richtete Vortrieb des Propellers bzw. bei einer Windkraftanlage das Drehmoment er­ zeugt. Saugseite und Druckseite werden jeweils durch die Anströmkanten 7, 7a und 7b sowie durch die Abströmkanten 8, 8a und 8b voneinander getrennt.

Die Anströmkante ist dabei die in Richtung der Anströmung des Blattes weisende Ver­ bindungslinie der Staupunkte des Rotorblattes bzw. der Teilblätter, also derjenigen Punkte, an denen die mittlere Geschwindigkeit relativ zur betreffenden Rotorstruktur null wird. Die Abströmkante ergibt sich entsprechend aus der Verbindungslinie der hinteren Staupunkte.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist das vordere Teilblatt 5 größer ausgestaltet, als das hintere Teilblatt 6.

Durch die Krümmung des Teilblattes 5 in Drehrichtung des Rotors 1 wird das vom vor­ deren Teilblatt 5 schnell strömende Fluid in Richtung des hinteren Teilblattes 6 gelenkt. Dies führt zu einer verstärkten Umströmung der hinteren Teilblattes.

Bei der Fig. 13 ist das Rotorblatt 4 in der Profiltiefe geteilt.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 4, das ebenfalls in zwei Teilblätter 10 und 11 aufgespalten ist. Im Unterschied zum Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 13 ist das Rotorblatt 4 nicht in Richtung der Profiltiefe, sondern in Dickenrichtung, beispielsweise entlang der Mittenlinie, in ein saugseitiges Teilblatt 11 und in ein druckseitiges Teilblatt 10 aufgespalten. Die Mittenlinie eines Profils ist dabei die Linie aus den Kreismittelpunkten derjenigen Kreise, die in das Profil eingeschrieben Ober- und Unterseite des Profils berühren.

Das saugseitige Teilblatt 11 bildet dabei eine eigene Druckseite (nicht bezeichnet), das druckseitige Teilblatt 10 eine eigene Saugseite 9a aus. Das saugseitige Teilblatt 11 er­ streckt sich gegenüber dem Hauptrotor 4 in Drehrichtung D, das druckseitige Teilblatt 10 erstreckt sich gegenüber dem Rotorblatt 4 entgegen der Drehrichtung. Die Saugseite des Teilblattes 11 geht in die Saugseite des Rotorblattes 4 über, die Druckseite des Teilblattes 10 in die Druckseite des Rotorblattes. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die beiden Teilblätter 10, 11 in etwa gleich groß ausgestaltet. Allerdings ist hierbei auch, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13, eine unterschiedlich große Ausgestaltung der Teilblätter 10, 11 möglich. Die Erfordernis einer derartigen Ausge­ staltung ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall. Die Anströmkanten der beiden Teilblätter 10, 11 verschmelzen fließend zur Anströmkante des Rotorblattes 4, die Ab­ strömkanten der beiden Teilblätter 10, 11 verschmelzen fließend zur Abströmkante des Rotorblattes 4.

Zwischen dem in der Fig. 1 gezeigten Rotorblatt und dem Rotorblatt der Fig. 13 sind beliebige Übergangsformen des erfindungsgemäßen Rotorblattes denkbar, bei denen die Anströmkante oder die Abströmkante eines Teilblattes jeweils mit der Saug- oder Druckseite des Rotorblattes verschmilzt.

In den Fig. 2 und 3 ist ebenfalls wie in der Fig. 1 nur beispielhaft ein Rotorblatt mit Teilblättern eines Rotors mit einer ansonsten beliebigen Anzahl von Rotorblättern ge­ zeigt.

Die Fig. 2 und 3 stellen weitere Ausführungsbeispiele des Rotorblattes, wie es im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 gezeigt ist, dar.

Diese Rotorblätter unterscheiden sich voneinander in der Krümmung des Rotorblattes in oder entgegen Drehrichtung, im Abstand A, an dem das Rotorblatt 4 gespalten ist, sowie in der relativen Größe der Teilblätter 5, 6 zueinander sowie in der relativen Größe der Teilblätter 5, 6 zum Rotorblatt 4.

Des weiteren ist ein Spreizwinkel W in die Fig. 2 und 3 eingezeichnet, der den Be­ trag kennzeichnen soll, um den die beiden Teilblätter 5, 6, bzw. 10, 11 auseinanderklaf­ fen.

Der Spreizwinkel W kann im Raum zwischen der Abströmkante des einen (vorderen) Teilblattes und der Anströmkante des anderen (hinteren) Teilblattes oder zwischen den Mittenlinien M der beiden Teilblätter gemessen werden. Die Mittenlinie verbindet dieje­ nigen Punkte, die in einem Radialschnitt die Sehnen halbieren.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist das hintere Teilblatt 6 größer ausgestaltet als das vordere Teilblatt 5. Dadurch wird vom hinteren Teilblatt 6 bei einem Propeller verstärkt Vortrieb bzw. bei einem Repeller ein größeres Drehmoment erzeugt als vom vorderen Teilblatt 5, was zu einer entsprechend höheren Konzentration an Wirbelstärke im Nach­ lauf des hinteren Teilblattes 6 führt. Durch Verlängerung der Blattspitze kann aber auch in diesem Fall eine günstige Wirbelverteilung im Nachlauf erreicht werden.

Im Gegensatz zu den Fig. 3 und 13 sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die beiden Teilblätter 5, 6 im wesentlichen gleich groß ausgestaltet. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Zirkulation entlang der Teilblätter 5, 6. Des weiteren sind die beiden Teilblätter 5, 6 derart gekrümmt, daß ihre Spitzen nahezu tangential zur Drehrichtung D weisen. Die Blattspitzen der Teilblätter 5, 6 erzeugen daher selber kei­ nen Vortrieb, so daß die in ihrem Nachlauf erzeugte Wirbelstärke sinkt bzw. sogar ge­ gen Null geht. Der Übergang ist kontinuierlich. Durch diese einzelne Maßnahme wird ebenfalls eine verbesserte Verteilung der Wirbelstärke im Nachlauf erreicht.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Rotors, der hier als ein sogenannter "Schlaufenpropeller" ausgestaltet ist. Der Schlaufenpropeller ermöglicht eine sehr gleichmäßige Verteilung der Zirkulation in seinem Nachlauf.

Beim Schlaufenpropeller mit nur einem Rotorblatt 4, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist, ist das vordere Teilblatt 5 mit dem hinteren Teilblatt 6 so verbunden, daß eine Schlau­ fenfläche 12 gebildet wird. Diese Schlaufenfläche rotiert in Drehrichtung D und wird vom Fluid durchströmt. Die beiden Teilblätter 5, 6 sind so gekrümmt, daß die Drehachse 2 innerhalb der Schlaufenfläche 12 liegt. Der Zusammenschluß der Teilblätter 5, 6 liegt al­ so bezüglich dem Rotorblatt 4 typischerweise auf der entgegengesetzten Seite der Drehachse. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist das vordere Teilblatt 5 jedoch rela­ tiv lang und spiralförmig gekrümmt, wohingegen das hintere Teilblatt 6 kürzer ist und sich im wesentlichen radial von der Drehachse 2 weg erstreckt. Das vordere Teilblatt 5 und das hintere Teilblatt 6 sind in einem Bereich B miteinander verbunden, welcher in dieser speziellen Konfiguration in etwa in der Verlängerung des Hauptblattes liegt. In diesem Bereich B ändert auch die Zirkulation ihr Vorzeichen.

Die Teilblätter 5 und 6 gehen übergangslos ineinander über, so daß möglichst geringe Störungen in der Umströmung des Schlaufenpropellers erzeugt werden. Im Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 4 ist der Hauptrotor stark in Drehrichtung D gekrümmt und spal­ tet sich in einem relativ geringen Abstand A von der Drehachse in die beiden Teilblätter 5, 6 auf.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Teilblätter 5, 6 unterschiedlich lang, be­ sitzen aber in etwa die gleiche Profiltiefe. Allerdings können hier auch gleich große Teilblätter verwendet werden bzw. kann die Profiltiefe der Teilblätter variieren.

Entlang des Übergangs des Teilblattes 5 zum Teilblatt 6, entlang der Schlaufenrandes, muß sich der Drehsinn der Zirkulation ändern. Setzt man für einen Drehsinn der Zirkula­ tion ein positives Vorzeichen und bezeichnet den Betrag der Zirkulation im Bereich der Aufspaltung des Rotorblattes 4 in die beiden Teilblätter 5, 6 bzw. 10, 11 mit Γ₀, so muß bei gleich großen Teilblättern die Zirkulation entlang der Schlaufe von +Γ₀/2 zu -Γ₀/2 wechseln.

Dieser Wechsel der Zirkulation findet entlang des Schlaufenelementes allmählich statt. Da die Stärke der im Nachlauf induzierten Wirbel von der örtlichen Änderung der Stärke des gebundenen Wirbels abhängt, würde sich in diesem Fall insgesamt eine kontinuier­ liche Wirbelschicht im Nachlauf ergeben, die den Propellerstrahl einhüllt und überall in etwa die gleiche Stärke hat.

Beim Schlaufenpropeller der Fig. 4 kann die gesamte Außenkontur genutzt werden, um für jede Anwendung die jeweils günstigste Vortriebsverteilung (bei einem angetrie­ benen Rotor) oder Energieausbeute (bei einem passiv betriebenen Rotor) entlang der Rotorblätter und Teilblätter zu erhalten. So kann beispielsweise durch stärker nach au­ ßen gezogene Schlaufenelemente oder eine etwas mehr ringförmige Gestaltung die Traglast der Außenteile variiert werden. Das wiederum läßt sich nutzen, um beispiels­ weise bei Schiffsschrauben die Kavitationsgefahr zu verringern. Durch den schlaufen­ förmigen Ringschluß der Teilblätter 5, 6 erreicht der Schlaufenpropeller eine hohe me­ chanische Stabilität, was es ermöglicht, den Schlaufenpropeller leichter zu bauen. Auch in Abschnitten des Schlaufenpropellers, an denen die Zirkulation nur gering ist, also ins­ besondere im Bereich des Vorzeichenwechsels der Zirkulation, die Profiltiefe vermindert werden.

In den Fig. 5 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele des Schlaufenpropellers ge­ zeigt.

Der einblättrige Schlaufenpropeller der Fig. 5 weist gegenüber dem Ausführungsbei­ spiel der Fig. 4 ein weniger stark gekrümmtes Rotorblatt 4 auf. Der Abstand A, bei dem sich das Rotorblatt 4 teilt, ist größer und die Teilblätter sind in etwa gleich lang. Insge­ samt ist die Schlaufenfläche 12 beim Schlaufenpropeller der Fig. 5 runder ausgebildet, was das Auswuchten des Rotors erleichtert.

Die Ausführungsbeispiele der Fig. 6 und 7 zeigen zweiblättrige Schlaufenpropeller. Zwei sich im wesentlichen bzgl. der Drehachse diametral gegenüberliegende Rotorblät­ ter 4 sind jeweils in zwei Teilblätter 5, 6 auf die erfindungsgemäße Weise geteilt worden. Das vordere Teilblatt 5 des einen Rotorblattes 4 ist jeweils mit dem hinteren Teilblatt 6 des anderen Rotorblattes 4 verbunden, so daß an beiden Seiten der Rotorblätter 4 je­ weils eine Schlaufenfläche 12 entsteht. Durch Experimente läßt sich ausgehend von dieser Grundform leicht herausfinden, welche Schlaufenform, welche Profilform der Ro­ torblätter und/oder Teilblätter, welcher Abstand A und welche relative Größe der Teilblätter zueinander und zum Rotorblatt 4 notwendig sind, um für einen gegebenen Anwendungsfall die optimalen Ergebnisse zu erzielen.

Beispielsweise ist der Schlaufenpropeller der Fig. 7 mit länglicheren Schlaufenflächen 12 versehen, die im wesentlichen durch einen größeren Abschnitt A zwischen der Auf­ spaltung des Rotorblattes 4 in die beiden Teilblätter 6 erreicht wird. In der Fig. 7 ist der Bereich B dargestellt, in dem das vordere Teilblatt 5 des einen Rotorblattes 4 mit dem hinteren Teilblatt 6 des anderen Rotorblattes 4 verbunden ist. In diesem Bereich B wechselt die Zirkulation ihr Vorzeichen und weist einen Betrag nahe Null auf. Dieser Bereich B ist mit einer geringen Profiltiefe versehen. Außerdem kann in diesem Bereich das Profil sehr schlank und symmetrisch gehalten werden, da der Bereich B zum Vor­ trieb oder zur Energieerzeugung des Schlaufenpropellers 1 nur sehr wenig beiträgt. Damit können in diesem Bereich sowohl der Formwiderstand als auch die Reibung mi­ nimiert werden.

Das nunmehr aus den Fig. 6 und 7 klar gewordene Prinzip des Schlaufenpropellers kann auch auf mehrblättrige Rotoren übertragen werden, wie in der Fig. 8 gezeigt ist. Dort ist ein Rotor 1 aus drei Rotorblättern 4, die in Drehrichtung D gleichmäßig vonein­ ander beabstandet sind, aufgebaut. Die Rotoren 4 sind in jeweils gleichem Abstand A von der Drehachse 2 in ein vorderes Teilblatt 5 und ein hinteres Teilblatt 6 aufgeteilt. Das vordere Teilblatt 5 eines Rotorblattes 4 ist mit dem Teilblatt 6 des in Drehrichtung nächsten Rotorblattes 4 verbunden. Je nach Anwendungsfall kann diese Richtung, in der die Teilblätter miteinander verbunden sind, auch umgekehrt werden.

Es entstehen so drei Schlaufenflächen 12. Die Schlaufenflächen 12 weisen jeweils eine gemeinsame Anströmkante 7 auf, die durchgängig vom vorderen Teilblatt 5 des einen Rotorblattes 4 und vom hinteren Teilblatt 6 des anderen Rotorblattes 4 gebildet wird. Ebenso ist die Abströmkante 8 der von den Teilblättern 5 und 6 gebildeten Schlaufe je­ weils durchgängig ausgebildet.

Basierend auf dem Prinzip gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 lassen Schlau­ fenrotoren mit einer beliebigen Anzahl von Rotorblättern 4 verwirklichen. Dabei sind auch kompliziertere Geometrien möglich, bei denen die Schlaufen ineinander ver­ schachtelt werden, indem das vordere Teilblatt 5 des einen Rotorblattes beispielsweise nicht mit dem hinteren Teilblatt 6 eines benachbarten Rotorblattes 4, sondern mit einem hinteren Teilblatt eines weiter entfernt liegenden Rotorblattes 4 verbunden ist.

Als Weiterentwicklung dieser Variationsmöglichkeit sind auch Aufspaltungen in mehr als zwei Teilblätter möglich, die auf die erfindungsgemäße Weise zu räumlicheren Rotor­ strukturen verknüpft werden können.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß der Rotor 1 mit Einrichtungen versehen ist, die eine Anpassung der Rotorblatt- und Teilblatt-Geometrie an verschiedene Strö­ mungsbedingungen ermöglicht.

Eine derartige Anpassung kann dadurch erreicht werden, daß das Rotorblatt 4 und/ oder das Teilblatt 5 aus einem elastischen Material bestehen oder eine elastische Au­ ßenhaut aufweisen.

Mit einer elastischen Außenhaut kann beispielsweise die Geometrie eines Profiles des Rotorblattes 4 und/oder eines Teilblattes 5 verändert werden.

Dies ist in den Fig. 9A bis 9D schematisch dargestellt.

Die Fig. 9A zeigt einen Schnitt entlang der Linie IX-IX der Fig. 13. Die Schnittlinie IX-IX verläuft senkrecht zu einem von der Drehachse 2 abgehenden Radiusstrahles. Das Profil 13 ist mit einer elastischen und flexiblen Außenhaut 14 bedeckt. Das Profil 13 des Rotorblattes 4 oder eines der Teilblätter 5, 6 ist mit einer flexiblen Außenhaut 14 verse­ hen. Die flexible Außenhaut 14 kann das Profil 13 vollständig, oder auch nur abschnitts­ weise an den Stellen umgeben, an denen die Kontur des Profiles 13 gezielt verändert werden soll.

Im Inneren des Profiles 13 ist eine Konturverstelleinrichtung vorgesehen, die in der Fig. 9 exemplarisch anhand einer die Nase 15 des Profiles bildenden, exzentrisch gelagerten Nocke 16 und anhand von Verbindungselementen 17, die die Saugseite 9 des Profiles 13 mit der Druckseite 18 verbinden. Die Konturverstelleinrichtung kann in Abhängigkeit von der Anströmung des Profiles 13 die Form des Profiles verändern. Beispielsweise kann, wie in den Fig. 9B und 9C gezeigt ist, durch die exzentrisch gelagerte Nocke 16 bei deren Drehung um die Drehachse 19 der Neigungswinkel der Nase verändert werden. So hat sich von der Fig. 9B zur Fig. 9C der Anstellwinkel N zwischen der durch den Pfeil gekennzeichneten Anströmung des Profiles 13 und der die Anström­ kante mit der Abströmkante verbindenden Sehne S vergrößert. Um auf der Saugseite 9 bei dem starken Anstellwinkel N der Fig. 9C eine Ablösung zu vermeiden, wurde die Krümmung des Profiles 13 in der Fig. 9C durch die Konturverstelleinrichtung erhöht, und die Nase in Richtung der Anströmung abgesenkt.

Dies kann beispielsweise durch Drehung der Nocke 16 und durch Verschieben der Ver­ bindungselemente 17 relativ zueinander erreicht werden. Durch die Verschiebung der Verbindungselemente 17 ergibt sich eine segmentweise Verformung des Profils, der die elastische Außenhaut problemlos folgen kann, ohne daß die Konturglätte beeinträchtigt wird. Auf ähnliche Weise läßt sich auch eine Veränderung des hinteren Profilbereichs herbeiführen, beispielsweise ein S-Schlag erzeugen. Im Zusammenwirken von mehre­ ren Konturverstelleinrichtungen kann somit die Profilgeometrie auf sehr komplexe Weise beeinflußt werden. Andere Prinzipien der Konturverstelleinrichtung sind ebenfalls denk­ bar, wie beispielsweise mehrere über das Profil verteilt angeordnete, exzentrische Nocken, die Teile der Außenhaut bei Drehung nach außen oder innen wölben, durch Druck­ luft aufgeblasene oder durch Rotationskräfte entfaltete Profile 13.

Auch flexible Profile, die sich unter Einwirkung der von der Umströmung erzeugten Kräfte zumindest abschnittsweise verformen, sind denkbar. Mit derartigen Profilen läßt sich die Umströmung passiv, also ohne Energiezufuhr von außen, allein aufgrund der von der Umströmung selbst aufgebrachten Energie beinflussen.

In der Weiterführung dieser Prinzipien sind schließlich Ausführungsbeispiele denkbar, die aktive und passive Profilveränderungen auf vorteilhafte Weise kombinieren.

Weitere Verstellmöglichkeiten eines Rotors sind in der Fig. 10 gezeigt. Durch eine ge­ lenkige Verbindung eines Rotorblattes 4 mit der Nabe 3 kann über eine nicht gezeigte Pfeilwinkelverstelleinrichtung die Neigung der Anströmkante des Rotorblattes 4 relativ zur Rotationsebene des Rotors 1 entlang des Pfeiles PR, also in Richtung des Vortiebs bzw. in Hauptströmungsrichtung eingestellt werden. Durch den Pfeilwinkel läßt die Wir­ belstärkekonzentration im Nachlauf durch die Sekundärströmung entlang der Anström­ kante in radialer Richtung ebenfalls beeinflussen. Eine ähnliche Wirkung läßt sich auch bei den Teilblättern 5 und 6 erzielen, wenn diese ebenfalls über eine Gelenkverbindung mit einer eigenen Pfeilwinkeleinstellvorrichtung entlang der Pfeile PT in Richtung des Vortriebs und/oder in Hauptströmungsrichtung verstellbar sind. Ebenso kann eine An­ stellwinkeleinstellvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, in der das Rotorblatt 4 um eine im wesentlichen radial zur Drehachse 2 verlaufende Drehachse entlang der Pfeile AR schwenkbar ist. Durch die Veränderung des Anstellwinkels läßt sich bei verschiede­ nen Drehzahlen und Anströmgeschwindigkeiten des Rotorblattes 4 der Vortrieb bzw. bei einen passiv betriebenem Rotor das Drehmoment optimieren. Auch die Teilblätter 5, 6 können über eine Anstellwinkeleinstelleinrichtung am Rotorblatt 4 derart angeordnet sein, daß der Anstellwinkel der Teilblätter in Richtung der Pfeile AT relativ zum Rotor­ blatt 4 verändert werden kann.

In den Fig. 11A und 11B ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Rotors 1 schematisch dargestellt. In Fig. 11A ist ein herkömmlicher zweiblättriger Propeller 20 gezeigt. An den Spitzen jedes Rotorblattes des Rotors 20 bildet sich ein Spitzenwirbel aus, der im Nachlauf zu zwei schraubenförmig ineinander verdrillten Wirbelschleppen 21, 22 führt. Die Wirbelstärke ist bei einem derartigen herkömmlichen Rotor in diesen Wirbelfäden 21, 22 konzentriert. Diese starke Wirbelkonzentration ist mit hohen Verlu­ sten und einer erhöhten Geräuschentwicklung verbunden. Trifft ein derartiger Wirbelfa­ den 21, 22 auf einen Körper, so führt dies bekanntermaßen zur Erzeugung von Strö­ mungslärm.

Beim in der Fig. 11B gezeigten erfindungsgemäßen Schlaufenrotor 1 ist dagegen die Zirkulation im Nachlauf des Schlaufenpropellers 1 bzw. des Rotors 1 mit erfindungsge­ mäß geteiltem Rotorblatt 4 gleichmäßig hüllenförmig verteilt. Dies führt zu geringeren Verlusten und zu einem geringeren Strömungslärm. Die gleichmäßige, hüllenförmige Verteilung der Wirbelstärke kann im Nachlauf des erfindungsgemäßen Rotors ähnlich wie ein Mantelgehäuse eines Mantelpropellers wirken. Durch die gleichmäßige Vertei­ lung der Wirbelstärke im Nachlauf des Rotors ist es möglich, durch Überlagerung von zwei Nachläufen mit entsprechenden Wirbelstärken im jeweiligen Nachlauf die Kompo­ nente der Wirbelstärke in Richtung der Drehachse auszulöschen. Eine praktische Reali­ sierung dieses Prinzips ist beim folgenden Ausführungsbeispiel diskutiert.

Fig. 12 zeigt eine Anordnung von Schlaufenpropellern 1 bzw. von Rotoren 1 mit erfin­ dungsgemäß geteiltem Rotorblatt 4, durch die die strömungsmechanischen Verluste nochmals verringert werden können. In Hauptströmungsrichtung H sind zwei erfin­ dungsgemäße Rotoren 1a und 1b hintereinander angeordnet. Die Drehgeschwindigkei­ ten der beiden Rotoren 1a und 1b sind unterschiedlich groß. Bei entsprechender Ab­ stimmung der relativen Drehgeschwindigkeiten der Rotoren 1a und 1b kann der Drall aus dem Nachlauf 30 des vorderen Rotors 1a herausgenommen werden, so daß der Nachlauf des Rotors 1b nicht mehr drallbehaftet ist. Der Strömungsdrall führt mit zu der oben angesprochenen schraubenförmigen Verdrillung der Wirbelfäden im Nachlauf des Rotors, wie dies schematisch in der Fig. 12 angedeutet ist. Durch den Drall wird also zusätzliche Energie in die Drehung des Strömungsfeldes im Nachlauf gesteckt, die zur eigentlichen Energieerzeugung oder Vortrieberzeugung des aktiv oder passiv betriebe­ nen Rotors nicht verwendet werden kann. Durch entsprechende Gegendrehung des hinteren Rotors 1b wird dieser Drall herausgenommen, in Vortrieb umgewandelt und im Nachlauf des Rotors 1b findet die schraubenartige Verdrillung des Wirbelfeldes nicht mehr statt.

Die Rotoren 1a und 1b weisen zur Reduzierung der Strömungsgeräusche und von Vi­ brationen infolge Interferenz nicht dieselben Blattzahlen bzw. Blattgeometrien auf. Durch entsprechende Ausgestaltung kann der vordere Rotor 1a beispielsweise mehr Drall als Vortrieb erzeugen und der hintere Rotor 1b mehr Vortrieb als Drall. Im Extremfall kann der vordere Rotor 1 als Stator ausgebildet sein.

Claims (25)

1. Rotor, der in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmt und mit zumindest einem um eine Rotorachse drehbar angeordneten Rotorblatt ausgestattet ist, wobei sich das Rotorblatt zumindest abschnittsweise von der Drehachse weg in das Fluid erstreckt und durch das Rotorblatt bei dessen Drehung um die Drehachse in eine vorbestimmte Drehrichtung eine gegen die Hauptströmungsrichtung gerich­ tete Vortriebskraft erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Rotorblatt (4) in einem vorbestimmten Abstand (A) von der Drehachse (2) in zumindest zwei Teilblättern (5, 6; 10, 11) fortsetzt, wobei sich das eine Teilblatt (5, 10) zumindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt (4) relativ zum Rotorblatt (4) in Drehrichtung (D) und sich das andere Teilblatt (6, 11) zumindest in einem Bereich nahe dem Rotor­ blatt (4) relativ zum Rotorblatt (4) entgegen der Drehrichtung (D) erstreckt.

2. Rotor, der in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmt und mit zumindest einem um eine Rotorachse drehbar angeordneten Rotorblatt ausgestattet ist, wobei sich das Rotorblatt zumindest abschnittsweise von der Drehachse weg in das Fluid erstreckt und durch das Rotorblatt aufgrund der Strömung ein Drehmoment um die Drehachse in einer vorbestimmten Drehrichtung erzeugbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich das Rotorblatt (4) in einem vorbestimmten Abstand (A) von der Drehachse (D) in zumindest zwei Teilblättern (5, 6; 10, 11) fortsetzt, wobei sich das eine Teilblatt (5, 10) zumindest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt (4) relativ zum Rotorblatt (4) in Drehrichtung (D) und sich das andere Teilblatt (6, 11) zumin­ dest in einem Bereich nahe dem Rotorblatt (4) relativ zum Rotorblatt (4) entgegen der Drehrichtung (D) erstreckt.

3. Rotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest eine Anströmkante (7a) des einen Teilblattes (5) zumindest in einem Bereich in der Nähe des Rotorblattes (4) in Hauptströmungsrichtung stromauf der Anström­ kante (7b) des anderen Teilblattes (6) liegt.

4. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilblätter (5, 6) an ihren Enden einstückig miteinander verbunden sind.

5. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilblätter (5, 6) vorzugsweise glatt ineinander übergehen.

6. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilblätter (5, 6) eine vom Fluid durchströmte Schlaufenfläche (12) um­ schließen, die sich im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung erstreckt.

7. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abströmkante (8) des Rotorblattes (4) in der Abströmkante (8b) des hinte­ ren, stromab gelegenen Teilblattes (6) fortsetzt.

8. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anströmkante (7) des Rotorblattes (4) in der Anströmkante (7a) des vorde­ ren, stromauf gelegenen Teilblattes (5) fortsetzt.

9. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (2) durch die Schlaufenfläche (12) verläuft.

10. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei in Drehrichtung (D) beabstandete Rotorblätter (4) vorhanden sind, wobei das vordere, stromauf gelegene Teilblatt (5) des einen Rotorblattes (4) jeweils mit dem hinteren, stromab gelegenen Teilblatt (6) des anderen Rotorblattes (4) ver­ bunden ist.

11. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von in Drehrichtung (D) vorzugsweise gleich beabstandeten Rotor­ blättern (4) vorgesehen ist, bei denen das vordere, stromauf gelegene Teilblatt (5) eines Rotorblattes (4) jeweils mit dem hinteren, stromab gelegenen Teilblatt (6) des in oder entgegen der Drehrichtung (D) benachbarten Rotorblattes (4) verbunden ist.

12. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (4) und/oder Teilblatt (5, 6; 10, 11) zumindest abschnittsweise mit ei­ ner elastischen Außenhaut (14) versehen ist.

13. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Profilverstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die die Kontur (13) des Rotor­ blattes (4) zumindest abschnittsweise verstellbar ist.

14. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Profilverstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die die Kontur (13) des Teilblattes (5, 6; 10, 11) zumindest abschnittsweise verstellbar ist.

15. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) des weiteren eine Nabe (3) aufweist, an der das Rotorblatt (4) gehalten ist.

16. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anstellwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die das Rotorblatt zur Veränderung eines Anstellwinkels (N) drehbar an der Nabe (3) gehalten ist.

17. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anstellwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die das Teilblatt (5, 6; 10, 11) zur Veränderung eines Anstellwinkels drehbar am Rotorblatt gehalten ist.

18. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pfeilwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die das Rotorblatt (4) im wesentlichen in Richtung des Vortriebs und/oder in Hauptströmungsrichtung schwenkbar an der Nabe (3) gehalten ist.

19. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pfeilwinkeleinstelleinrichtung vorgesehen ist, durch die das Teilblatt (5, 6; 10, 11) im wesentlichen in Richtung des Vortriebs und/oder in Hauptströmungsrichtung schwenkbar am Rotorblatt (4) gehalten ist.

20. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotorblatt (4) und Teilblatt (5, 6; 10, 11) eine Spreizwinkeleinstellvorrich­ tung vorgesehen ist, durch die zumindest ein Teilblatt (5, 6; 10, 11) derart schwenk­ bar am Rotorblatt (4) gehalten ist, daß ein in wesentlichen in Drehrichtung (D) wei­ sender Spreizwinkel (W) zwischen zwei Teilblättern (5, 6; 10, 11) eines Rotorblattes (4) veränderbar ist.

21. Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausfahreinrichtung zwischen Rotorblatt (4) und Teilblatt (5, 6; 10, 11) vorgese­ hen ist, durch die das Teilblatt (5, 6; 10, 11) relativ zur Erstreckungsrichtung des Rotorblattes (4) in das Fluid ausfahrbar gehalten ist.

22. Bausatz mit einem ersten Rotor nach einem der oben genannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rotor (1b) nach einem der oben genannten Ansprüche im wesentlichen koaxial zum ersten Rotor (1a) angeordnet ist, wobei sich der erste Rotor (1a) relativ zum zweiten Rotor (1b) in entgegengesetzte Richtung dreht.

23. Bausatz nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (1a) und der zweite Rotor (1b) im wesentlichen gleiche Außendurchmesser aufweisen.

24. Bausatz nach einem der Ansprüche 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (1a) als Stator ausgebildet ist.

25. Bausatz nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rotor (1a) stromauf des zweiten Rotors (1b) angeordnet ist.