通用螺旋桨、操作方法和最佳用途与流程

1.本发明涉及一种新型的通用螺旋桨，包括可旋转地安装在轴上的轮毂，其中，在该轮毂上，有两个彼此相对设置的转子叶片或者相对于彼此以星形构造设置的至少三个转子叶片，其中，在该轮毂上，每个转子叶片在其纵向轴线的端部处，相对于轴的中心轴线成角度α处被设置成，使得每个转子叶片的纵向轴线在旋过360
°
时描绘出正圆锥的外周表面，并且其中该轮毂包括正时齿轮，该正时齿轮使得转子叶片能够绕其纵向轴线旋转。
2.本发明还涉及一种用于操作这种通用螺旋桨的方法，以及涉及有利的用途。


背景技术：

3.螺旋桨(来自拉丁语propellere
‘
to propel’)是发动机的机器部件，发动机具有通常围绕轴径向布置(呈星形)的叶片(以下称为转子叶片)。
4.在流体动力学或空气动力学中，螺旋桨用于在流体中产生运动；或者用流动的流体来驱动螺旋桨。流体中的运动的典型应用是用作船舶用螺旋推进器的螺旋桨。在飞行器的场景中，螺旋桨有时被称为空气螺旋桨；在直升机的场景中，推进力主要由上升运动控制，在这种情况下使用术语旋翼(rotor)。由流动流体驱动的螺旋桨的典型应用是风力发电设备或水力发电设备，它们根据相同的原理运作，除了相反地，它们从气流或水流中提取动力，而不是产生动力用于推进或提升(a)。以这种方式使用的螺旋桨也被称为推进器。
5.用于风力发电设备的最早的螺旋桨可以追溯到11世纪，已经有将近1000年的历史了。即使在当前具有水平轴的风力发电设备(hawt)中，风能的阻力分量(w)也损失了，只有升力分量(a)用于从气流中产生能量。特别是，为了增加功率，转子直径变得越来越大，因为根据圆形公式，转子叶片长度加倍会使转子面积增加四倍。直到20世纪90年代末，最新安装的设备的直径通常小于50米；大约2003年以后，通常在60到90米之间。到2018年，平均转子直径已经增加到118米，并且平均轮毂高度已经增加到132米。这种发展的缺点是由阵风或暴风引起的风力发电设备损坏事件的增加。
6.与hawt风力发电设备相比，所谓的萨伏纽斯(savonius)转子或竖直轴风力发电设备(vawt)的设计突出得多，但仅使用阻力分量(w)，因此浪费了所有的升力分量(a)。
7.在运行中，许多vawt设备遇到的问题是，只能在特定风速(即所谓的启动速度或切入速度)以上经济高效地运行。在风速低于启动速度时，vawt设备进入空闲状态，控制电子设备和致动器(例如用于转子叶片俯仰)仍然必须被供电，使得该设备成为电力消耗者。为了解决这个问题，从ep 1626176 a2中已知一种类似于savonius转子的风力发电设备，在其竖直设置的转子叶片上设置太阳能转换器，用于将太阳能转换成不同于太阳能的能量形式，优选转换成电能。由太阳能转换器产生的能量能够有利地在低风速下供应给设备，从而使得所描述的设备能够独立于电网运行，甚至在低于启动速度时也是如此。
8.在vawt设备的场景中，启动速度问题的一种可替代的可能的解决方案是确保转子叶片相对于风流或流体尽可能最佳地对准。为此目的，在wo2017/187229a1中公开了一种vawt设备，该设备包括多个转子叶片，一方面，这些转子叶片相对于主竖直旋转轴线成30
°‑
60
°
，并且另一方面，这些转子叶片具有特殊的空气动力学轮廓，该轮廓旨在产生所谓的“二次诱导流”，这有利地增加了所描述的设备的空气动力学效率。在这种情况下，转子叶片本身刚性连接到此处描述的vawt设备的轮毂上。相比之下，从us4355956a中已知一种vawt设备，其同样具有与竖直方向成角度的转子叶片，但是其特征不在于特殊的轮廓，而是在于它们的材料组成。所描述的转子叶片由柔性材料制成，因此在一定程度上是自调整的，即响应于风压和它们自身的恢复力，它们能够在一定程度上独立地改变它们的方向。这里，转子叶片也刚性连接到所描述的vawt设备的轮毂上。
9.此外，从us2011/0076144a1和wo2014/188289a1中已知的是涡轮机或螺旋桨装置，其分别提供了其转子叶片相对于风流或流体的机械对准。最后，cn 105863957 a和gb 2495745a公开了一种vawt设备，该设备具有相对于竖直旋转轴线成角度的转子叶片，其中转子叶片的迎角也可以在一定程度上与风流机械地对准。cn 105863957 a提供了独立的驱动装置，例如特别是电动机或气动驱动装置，用于改变转子叶片的迎角。最后，gb 2495745 a为此目的提供了一种行星齿轮，该行星齿轮被构造成，在轮毂连同设置在其上的转子叶片一起旋转360
°
的过程中，在每种情况下使转子叶片自身相对于轮毂围绕转子叶片的纵向轴线旋转180
°
。然而，所提供的齿轮构造将连接到转子叶片的齿轮与中心固定齿轮(太阳齿轮)的尺寸比约束为2比1，这迅速导致非常大的齿轮膨胀，并且因此不利地，这导致当转子叶片的数量增加时临界轮毂尺寸。在某些情况下，在现有技术的齿轮设计中，即使轮毂上只有三个转子叶片的布置也会有问题。


技术实现要素：

10.从这一点出发，本发明基于提供一种螺旋桨的目的，该螺旋桨是对现有技术的改进，特别是比传统螺旋桨更紧凑，同时允许设置尽可能多的转子叶片，优选地使用升力分量(a)和阻力分量(w)，并且特别优选地，适用于同时用于通过风力或水力产生能量以及作为船舶或飞行器的驱动装置的通用用途。
11.该目的通过具有权利要求1的特征的通用螺旋桨来实现。从属权利要求提供了进一步有利的改进和发展，这些改进和发展可以单独应用或彼此组合应用。
12.根据本发明的通用螺旋桨与普通螺旋桨的区别在于，在每个转子叶片上设置有齿轮，该齿轮直接可操作地连接到正时齿轮的基准齿轮，该正时齿轮可操作地连接到轮毂齿轮，其中，该轮毂齿轮被配置成感测并处理轮毂的旋转运动的角速度ωn，并且该基准齿轮和该正时齿轮的转子叶片的齿轮通过以下方式被设计成，使得该基准齿轮的角速度ωr与该轮毂的旋转运动的角速度ωn之比如下：ωr/ωn＝1
±
(1/2)*(s
rot
/sr)，其中s
rot
＝转子叶片的齿轮的尺寸，sr＝基准齿轮的尺寸。
13.特别是在这种情况下，齿轮的半径、直径和/或齿数可以用作确定相应齿轮尺寸的参数。
14.此外，在本发明的上下文中，术语“齿轮”应理解为不仅包括具有各种形状和材料的可见实现的齿的传统齿轮，还包括所谓的“摩擦齿轮”，即彼此接触的非滑动齿轮，其可以由例如橡胶制成，并且能够通过摩擦接合彼此驱动。
15.由于基准齿轮和正时齿轮的转子叶片的齿轮是根据上面给出的公式设计的，所以与现有技术不同，有利的是，可以省去在基准齿轮和正时齿轮中的转子叶片的齿轮之间设
置定向轮，从而实现基准齿轮和转子叶片的齿轮之间的直接操作连接，这提供了轮毂的更紧凑的设计。第二，与现有技术相比，根据上面给出的公式的正时齿轮和轮毂齿轮的相互作用有利地使得有可能免除关于正时齿轮中使用的齿轮(即基准齿轮和转子叶片的齿轮)的尺寸规格，这不仅允许在轮毂上设置多于三个的转子叶片，而且使得轮毂设计紧凑、坚固和灵活。因此，实际布置在根据本发明构造的通用螺旋桨的轮毂上的转子叶片的数量可以有利地适应于相应的应用，特别是在风力发电设备、水力发电设备、或船舶或飞行器的发动机中。
16.此外，由于每个转子叶片在旋过360
°
时的纵向轴线描绘了正圆锥的外周表面，所以提供了紧凑设计的螺旋桨，其中每个转子叶片在沿着正圆锥的外周表面旋转时能够交替地利用升力分量(a)和阻力分量(w)。
17.在本发明的第一改进中，基准齿轮可以布置在正时齿轮的中心，并且被转子叶片的齿轮围绕。在这种“内部构造”的情况下，该基准齿轮和该转子叶片的齿轮可以优选地通过以下方式被设计成，使得基准齿轮的角速度ωr与轮毂的旋转运动的角速度ωn之比如下：ωr/ωn＝1+(1/2)*(s
rot
/sr)，其中s
rot
＝转子叶片的齿轮的尺寸，以及sr＝基准齿轮的尺寸。该“内部构造”有利地提供了具有不同尺寸的基准齿轮和转子叶片的齿轮的各种齿轮组合的选择，并且允许多个转子叶片设置在轮毂上，并且基准齿轮与待选择的转子叶片的齿轮的具体尺寸比可以根据本发明的公式的上述变型以及根据所选择的转子叶片的数量来确定。在这种“内部构造”中，基准齿轮比轮毂旋转得更快。
18.可选地，在本发明的改进中，基准齿轮(优选地实现为行星齿轮、环形齿轮或冠形齿轮)可设置在正时齿轮的中心之外，并进而围绕转子叶片的齿轮。在这种“外部构造”的情况下，该基准齿轮和该转子叶片的齿轮可以优选地通过以下方式被设计成，使得该基准齿轮的角速度ωr与该轮毂的旋转运动的角速度ωn之比如下：ωr/ωn＝1-(1/2)*(s
rot
/sr)，其中s
rot
＝转子叶片的齿轮的尺寸，以及sr＝基准齿轮的尺寸。就转子叶片的数量和可能的齿轮组合而言，这种“外部构造”与“内部构造”一样灵活，但是另外导致齿轮的磨损或损耗更少。根据本发明的公式的上述变型，处于“外部构造”的基准齿轮比轮毂旋转得更慢。
19.在本发明的进一步改进中，每个转子叶片的纵向轴线可以相对于轴的中心轴线以30
°
和60
°
之间、或35
°
和55
°
之间、或40
°
和50
°
之间的角度α设置。根据本发明，已经证明以45
°
设置是优选的，该设置有利地最大限度地同时利用升力分量(a)和阻力分量(w)。
20.在这点上，已经证明，如果当轮毂围绕轴旋转时，在第一过渡点(t1)处，每个转子叶片与相对于通用螺旋桨的三维坐标系(x，y，z)的垂直面(x，z)对准是有用的。转子叶片与垂直面的对准，优选地垂直于气流或水流，有利地利用了阻力分量(w)的(理论上的)最大值。
21.在这种情况下，在第一过渡点(t1)处，每个转子叶片的纵向轴线在垂直面(x，z)内可能具有高达+/-15
°
的竖直偏差。
22.此外，已经证明，如果当轮毂围绕轴旋转时，在第三过渡点(t3)处，每个转子叶片与相对于通用螺旋桨的三维坐标系(x，y，z)的水平面(x，y)对准是有用的。转子叶片与水平面的对准，优选地平行于气流或水流，有利地利用了升力分量(a)的(理论上的)最大值。
23.在这种情况下，在第三过渡点(t3)处，每个转子叶片的纵向轴线可能在水平面(x，y)外具有高达+/-15
°
的水平偏差。
24.在本发明的另一优选改进中，已经证明如果每个转子叶片(至少部分地)具有两个大体上平坦的上侧是有用的。
25.大体上平坦的上侧有利地允许太阳能电池布置在其上，用于从太阳能额外产生电力。
26.在本发明的另一优选改进中，已经证明，如果每个转子叶片的侧边缘是倒圆形的或圆锥形的是有用的。倒圆形或圆锥形的侧缘具有减小或最小化阻力系数的优点。
27.为了避免由于转子叶片的振动而导致的性能下降，已经证明，如果相互邻近和/或彼此相对的转子叶片通过缆绳相互连接是有用的。在这种情况下，缆绳可以在中心位置和末端位置之间附接到转子叶片，优选地在它们的转子叶片尖端的区域中或邻近转子叶片尖端。这种缆绳有利地为转子叶片提供了额外的稳定性、支撑和强度。
28.本发明尤其适用于以下安装布置，在该布置下，轴的中心轴线相对于与通用螺旋桨相关的安装坐标系(x，y，z)的水平线(x)成0
°
至360
°
之间的角度β，优选为45
°
。角度β＝45
°
的布置有利地使得根据本发明的通用螺旋桨能够安装在山顶、倾斜或平坦的屋顶上，或者甚至安装在建筑物墙壁或类似的竖直面上。然而，即使在传统的桅杆安装布置的情况下，轴的中心轴线以角度β＝45
°
的布置有利地使得根据本发明的通用螺旋桨能够远离桅杆安装，从而有利地避免桅杆上的转子叶片的损坏或断裂，这种情况经常发生，特别是在强风或暴风期间已知的hawt装置的情况下。
29.本发明另外涉及一种用于操作如前所述的通用螺旋桨的方法，其中，借助于齿轮机构，转子叶片围绕其纵向轴线的旋转与转子叶片沿着圆锥的外周表面旋过360
°
同步实现。
30.在该方法的改进中，已经证明，如果转子叶片围绕其纵向轴线的旋转速度是该转子叶片沿着圆锥的外周表面旋过360
°
的旋转速度的一半是有用的。因此，该转子叶片沿着圆锥外周表面的旋转速度与轮毂或通用螺旋桨整体的旋转速度同步。相反，转子叶片围绕其纵向轴线旋转，优选地与该转子叶片沿着圆锥的外周表面旋过360
°
的方向相反。这具有以下优点，即当该转子叶片沿着圆锥的外周表面旋过360
°
时，转子叶片恒定地对准，以利用最大升力分量(a)或阻力分量(w)。
31.本发明尤其适用于有利的用途，例如在风力发电设备、水力发电设备、或轮船或飞行器的发动机方面的用途。
附图说明
32.下面基于优选的示例性实施例并结合附图描述本发明的附加细节和进一步的优点，然而，本发明不限于此。
33.在示意图中：
34.图1示出了通用螺旋桨的透视图；
35.图2示出了图1的通用螺旋桨的侧视图；
36.图3示出了由每个转子叶片的旋转产生的圆锥，作为示例选择了四个过渡点t1、t2、t3和t4；
37.图4示出了具有倒圆转子叶片尖端的通用螺旋桨的侧视图；
38.图5示出了可想象到的转子叶片轮廓的纵览图；
39.图6至图18示出了根据本发明的通用螺旋桨的各种安装情况和具体应用；
40.图19示出了现有技术中的正时齿轮的示例；
41.图20以截面图示出了根据本发明的螺旋桨的改进，其中正时齿轮处于“内部构造”；以及
42.图21以截面图示出了根据本发明的螺旋桨的改进，其中正时齿轮处于“外部构造”。
具体实施方式
43.在本发明的优选实施例的以下描述中，相同或可比的部件用相同的附图标记表示。
44.图1示出了通用螺旋桨1的透视图。所示的通用螺旋桨1包括可旋转地安装在轴20上的轮毂10。在轮毂10上，或者设有彼此相对设置的两个转子叶片30，或者设有相对于彼此以星形构造设置的至少三个转子叶片30。示出了特别优选的示例性实施例，其具有以星形构造设置的四个转子叶片30，其中，根据本发明，在轮毂10上，每个转子叶片30在其纵向轴线31的端部、相对于轴20的中心轴线21成角度α处被设置成，使得每个转子叶片30的纵向轴线31当旋过360
°
时描绘出正圆锥70的外周表面71。
45.图2示出了图1的通用螺旋桨1的侧视图。可以看出，由于以下事实：当旋过360
°
时，每个转子叶片30的纵向轴线31描绘了正圆锥70的外周表面71，因此提供了紧凑设计的螺旋桨1，其中每个转子叶片30当沿着正圆锥的外周表面旋转时，能够交替地利用升力分量a和阻力分量w(由粗体箭头指示)。
46.在本发明的改进中，每个转子叶片30的纵向轴线31可以相对于轴20的中心轴线21成30
°
和60
°
之间、或35
°
和55
°
之间、或40
°
和50
°
之间的角度α处设置。根据本发明，如所示的，成45
°
的设置被证明是优选的，该设置有利地最大限度地同时利用升力分量a和阻力分量w。
47.在这点上，已经证明，如果当轮毂10围绕轴20旋转时，在第一过渡点t1处，每个转子叶片30与三维坐标系(x，y，z)的垂直面(x，z)对准是有用的，该三维坐标系(x，y，z)与通用螺旋桨1有关。转子叶片30与垂直面的对准，优选地垂直于气流或水流，有利地利用了处于其(理论上的)最大值的阻力分量w。
48.在这种情况下，在第一过渡点t1处，每个转子叶片30的纵向轴线31在垂直面(x，z)内可能具有高达+/-15
°
的竖直偏差(未示出)。
49.此外，已经证明，如果当轮毂10围绕轴20旋转时，在第三过渡点t3处，每个转子叶片30与三维坐标系(x，y，z)的水平面(x，y)对准是有用的，该三维坐标系(x，y，z)与通用螺旋桨1相关。转子叶片30与水平面的对准，优选地平行于气流或水流，有利地利用了处于其(理论上的)最大值的升力分量a。
50.在这种情况下，在第三过渡点t3处，每个转子叶片30的纵向轴线31在水平面(x，y)外部可能具有高达+/-15
°
的水平偏差(未示出)。
51.为了避免由于转子叶片30的振动导致的性能降低，已经证明，如果相互邻近和/或彼此相对的转子叶片30通过电缆40彼此连接是有用的。在这种情况下，缆绳40可以附接到转子叶片30的中心位置和末端位置之间，优选地在转子叶片30的转子叶片尖端34的区域或
邻近转子叶片尖端34。这种缆绳40有利地为转子叶片30提供了额外的稳定性、支撑和强度。
52.图3示出了由每个转子叶片30的旋转产生的圆锥70，作为示例选择了四个过渡点t1、t2、t3和t4。众所周知，圆锥是一个几何体，当位于一个平面内的一个有限且连续的曲面的所有点以直线连接到该平面外的顶点72时，该几何体形成。如果该曲面是圆盘73(如此处的情况)，该物体被称为圆锥70。如果顶点72垂直于圆盘73(如此处的情况)，该物体被称为正圆锥70。在根据本发明的通用螺旋桨1的情况下，顶点72由轮毂10形成。
53.通用螺旋桨1的这个改进具有以下优点，即当转子叶片30通过选定的过渡点t1到t4时，它们具有(不仅但至少理论上)以下阻力w和升力a值：
[0054] t1t2t3t4阻力分量(w)最大平均最小平均升力分量(a)最小平均最大平均
[0055]
图4示出了具有倒圆转子叶片尖端34的通用螺旋桨1的侧视图。已经证明，如果每个转子叶片30(至少部分地)具有两个大体上平坦的上侧32是有用的。大体上平坦的上侧32有利地允许太阳能电池布置在其上，用于从太阳能(未示出)额外产生电力。还设置了正时齿轮50(这里没有以功能上精确的方式或以真实比例示出)使得转子叶片30能够围绕它们的纵向轴线31旋转。基于两个改进示例，根据本发明的正时齿轮50的更详细的解释可以在图19至图21的描述中找到。
[0056]
如前所述的用于操作通用螺旋桨1的方法的特征在于，借助于正时齿轮50(在图4和图8中未以功能上精确的方式或以真实比例示出)，转子叶片30围绕其纵向轴线31的旋转与转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
同步实现。
[0057]
在该方法的改进中，已经证明，如果转子叶片30围绕其纵向轴线31的旋转速度是转子叶片沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
的旋转速度的一半是有用的。因此，转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71的旋转速度与轮毂10或通用螺旋桨1整体的旋转速度同步。相反，转子叶片30围绕其纵向轴线31旋转，优选地，与转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
的方向相反(转子叶片30的旋转方向和轮毂10的旋转方向由图2中相应的箭头表示)。这具有这样的优点，即当转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
时，转子叶片30总是对准的，以利用最大的升力分量a或阻力分量w。
[0058]
图5示出了优选的转子叶片轮廓的纵览图。其中，图5a示出了大体上矩形的转子叶片30。图5b所示的转子叶片与其不同之处在于具有倒圆侧边缘33。相比之下，图5c示出了具有类似的倒圆侧边缘33的大体上菱形的转子叶片30。最后，图5d示出了具有圆锥形侧边缘33的大体上椭圆形轮廓的转子叶片30。倒圆形或圆锥形的侧边缘33具有减小或最小化阻力系数的优点。此外，也可以使用超平坦的转子叶片30。图5e至图5h示出了不同实施例，其中，为了稳定性，可以在转子叶片30的中心和/或端部设置加强件35。图5a至图5h中所示的转子叶片30可以由已知的复合纤维材料制成。可替代地，特别是在图5e至图5h所示的转子叶片30的情况下，由加强件35张紧的纺织材料也是合适的。
[0059]
本发明尤其适用于有利的用途，例如用于风力发电设备(图6至图9)、水力发电设备(图10至图14)或船舶(图15)或飞行器(图16至图18)的发动机。在这种情况下，合适的安装布置是这样的，其中，轴20的中心轴线21相对于水平面成0
°
至360
°
之间的角度，优选为45
°
。
[0060]
图6示出了作为纵列式风力发电设备的一部分的两个通用螺旋桨1的优选的安装布置。可以看到，在桅杆81上，桅杆81是如何从地面80沿着安装坐标系(x，y，z)的竖直线z升起的，其中，该安装坐标系(x，y，z)与通用螺旋桨1相关，并且，该桅杆81承载用于发电的两个发电机60，每个发电机由根据本发明的通用螺旋桨1的轮毂10驱动。在这种情况下，轴20的中心轴线21(未示出)相对于水平线x以优选的角度β＝45
°
远离桅杆81设置。为了同步转子叶片30围绕其纵向轴线31的旋转，转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
和/或发电机60的驱动，可以例如在轮毂10本身中(参见图4)或在轮毂10和发电机60之间，设置一个或多个正时齿轮50(在图4和图8中未以功能精确的方式或以真实比例示出)。
[0061]
图7示出了作为四驱动(quattro)风力发电设备的一部分的四个通用螺旋桨1的优选的安装布置。显然，通用螺旋桨1以星形构造分组，使得由于升力分量a和阻力分量w而作用在桅杆81上的力尽可能平衡。进一步的细节如图6所示。
[0062]
图8示出了作为纵列式风力发电设备的一部分的两个通用螺旋桨1的优选的安装布置，其中，公共发电机60通过正时齿轮50驱动，该公共发电机60不设置在桅杆81上，而是设置在地面80上(这里未以功能精确的方式或以真实比例示出)。
[0063]
当然，根据本发明的单个通用螺旋桨1也可以设置在桅杆81的端部，特别是移动电话基站桅杆的端部(图9)。在这种情况下，轴20(未示出)的中心轴线21相对于水平线x以优选的角度β＝90
°
设置在桅杆81的端部。
[0064]
图9a至图9c示出了在各种建筑物82上的各个通用螺旋桨1的进一步优选的安装布置。
[0065]
从图9a可以看出，根据本发明的通用螺旋桨1可以部分地横向布置在建筑物82的正面821上。在这种情况下，轴20(未示出)的中心轴线21远离建筑物82的正面821，相对于水平线x以优选的角度β＝45
°
成角度设置。
[0066]
可替代地或附加地，根据本发明的通用螺旋桨1也可以是设置在建筑物82的斜屋顶822(图9b)或平屋顶823(图9c)上的风力发电设备的一部分。在这种情况下，轴20的中心轴线21(未示出)相对于水平线x以45
°
至90
°
之间的优选角度β分别设置在建筑物82的屋顶822或屋顶823上。
[0067]
图10示出了作为水力发电设备一部分的通用螺旋桨1的优选的安装布置。可以看到，根据本发明的通用螺旋桨1如何设置在轴承84上的，该轴承84锚定在水体83的河床831中。该装置可以优选地以这样的方式配置，即，在所示的过渡点t1的情况下，相对于水流具有最高阻力分量w的转子叶片30完全浸没在水体83中，而其余的转子叶片30((至少部分地或者优选地全部地)在水位832之外旋转。水体83可以是河流、海峡或其他流动的水体，例如大坝的出口或水电站的压力管道。
[0068]
图11示出了作为纵列式水力发电设备的一部分的两个通用螺旋桨1的优选的安装布置，其中，每个通用螺旋桨1具有单独的轴承84。进一步的细节如图10所示。
[0069]
图12示出了作为纵列式水力发电设备的一部分的两个通用螺旋桨1的优选的安装布置，其中，该布置具有锚定在水床831中的公共承重桅杆85。进一步的细节再次如图10所示。
[0070]
图13示出了图11的纵列式水力发电设备如何优选地设置在桥86下方，并且轴承84可以是桥墩861的一部分。进一步的细节再次如图10所示。
[0071]
图14示出了具有设置在桥元件862下方的轴承84的可替代的纵列式水力发电设备。进一步的细节如图10所示。
[0072]
图15示出了两个通用螺旋桨1作为船87的发动机的优选用途。与发电应用不同，每个通用螺旋桨1的轴20现在由马达90(这里未示出)或类似的驱动装置驱动。可以理解的是，驱动装置使得通用螺旋桨1以这样的方式旋转，即当船直线行进时，作用在船87上的所有力通过通用螺旋桨1被平衡。
[0073]
图16示出了四个通用螺旋桨1作为能量风筝88的一部分的优选用途。如在根据图7的示例性实施例中，这里通用螺旋桨1也以星形构造分组，使得由于升力分量a和阻力分量w而作用在能量风筝88上的力被尽可能地平衡。可以看到每个通用螺旋桨1的轮毂10如何驱动相应的发电机60，这些发电机60围绕中央轴承84以星形构造分组，使得通用螺旋桨1的力被平衡。在其他方面，可以类似地参考上面给出的解释。
[0074]
图17和18示出了两个通用螺旋桨1作为飞行器89(运输无人机)的发动机的优选用途。与用于发电的应用相反，每个通用螺旋桨1的轴20现在由马达90或类似的驱动装置驱动。可以理解的是，驱动装置使得通用螺旋桨1以这样的方式旋转，即当飞行器直线向前飞行时，作用在飞行器89上的所有力通过通用螺旋桨1被平衡。有利的是，在这种情况下，图17所示的飞行器89不需要额外的机翼。相反，通用螺旋桨1可以直接设置在飞行器的外壳上，这具有使飞行器89非常易于操纵的优点。可选地，如图18所示的飞行器89的情况下，可以提供短的短翼用于将通用螺旋桨1连接到飞行器89的外壳，这有利地增加了飞行器89的飞行稳定性。
[0075]
在下面的图19-21中，基于各种改进和配置示例示出了根据本发明的通用螺旋桨1的操作原理，尤其是正时齿轮50和轮毂齿轮12的相互作用。
[0076]
为此，图19示出了现有技术中的正时齿轮50的示例。
[0077]
这里所示的示例示出了用于控制五个转子叶片30的正时齿轮50。为此目的，除了基准齿轮51和转子叶片30的五个齿轮52之外，必须提供位于基准齿轮51和齿轮52之间的另外五个定向轮53，定向轮53特别用于传递动力和调节转子叶片30的齿轮52的旋转方向。在基准齿轮51和转子叶片30的齿轮52之间还需要保持s
rot
/sr＝2/1的尺寸关系，其中，s
rot
＝转子叶片30的齿轮52的尺寸，sr＝基准齿轮51的尺寸，从而确保转子叶片30绕其纵向轴线31的旋转与转子叶片30沿着圆锥70的外周表面71旋过360
°
同步。在现有技术的情况下，上述设计要求不利地导致包括这种正时齿轮50的轮毂10的相对较大的结构。此外，将多个大齿轮51、52、53设置在相对较小的轮毂10中通常在经济上不可行并且在技术上要求高，并且在一些配置中，甚至在技术上是不可能的。
[0078]
相反，图20示出了根据本发明的螺旋桨1的改进的截面图，其中，正时齿轮50处于所谓的“内部构造”中。
[0079]
可以看出，轮毂10包括正时齿轮50，该正时齿轮50使得转子叶片30能够围绕其纵向轴线31旋转。设置在每个转子叶片30上的是齿轮52，齿轮52直接可操作地连接到正时齿轮50的基准齿轮51。与现有技术相比，定向轮53在这里有利地不是必需的。正时齿轮50可操作地连接到轮毂齿轮12，轮毂齿轮12被配置成感测并处理轮毂10的旋转运动的角速度ωn。正时齿轮50和轮毂齿轮12之间的可操作连接可以以各种方式实现，在本示例中，正时齿轮50的基准齿轮51通过连接元件511可操作地连接到轮毂齿轮12，特别是连接到轮毂齿轮12
的齿轮中的一个。轮毂齿轮12可优选设计成行星齿轮或简单的齿轮。
[0080]
此处所示的正时齿轮50的“内部结构”中，基准齿轮51设置在正时齿轮50的中央，并被转子叶片30的齿轮52包围。
[0081]
根据本发明，基准齿轮51和转子叶片30的齿轮52以这样的方式设计，使得基准齿轮51的角速度ωr与轮毂10的旋转运动的角速度ωn之比如下：
[0082]
ωr/ωn＝1
±
(1/2)*(s
rot
/sr)，
[0083]
其中，s
rot
＝转子叶片30的齿轮52的尺寸，sr＝基准齿轮51的尺寸。
[0084]
此处所示的正时齿轮50的“内部构造”的情况下，基准齿轮51和转子叶片30的齿轮52优选地以这样的方式设计，使得基准齿轮51的角速度ωr与轮毂10的旋转运动的角速度ωn之比如下：
[0085]
ωr/ωn＝1+(1/2)*(s
rot
/sr)，
[0086]
其中，s
rot
＝转子叶片30的齿轮52的尺寸，sr＝基准齿轮51的尺寸。
[0087]
下表示出了各种齿轮尺寸组合、使用根据本发明的前述变型公式计算的基准齿轮51的角速度ωr、以及能够以相应组合设置在轮毂10上的转子叶片30的最大的可能的数量的示例。轮毂10的旋转运动的角速度ωn在这种情况下被设定为值1(因此ωr的值代表相对于ωn的相对速度)。
[0088][0089]
根据该表，例如，1∶1的尺寸比s
rot
/sr导致基准齿轮51的角速度ωr相对于轮毂10的旋转运动的角速度ωn为1.5，这可以通过选择相应设计的轮毂齿轮12在技术上适应。在处于“内部构造”的正时齿轮50以及轮毂齿轮12及其相互作用的上述设计的情况下，这可以通过根据本发明的公式来计算，例如，最多4至5个转子叶片30可以设置在轮毂10上。
[0090]
在这种情况下，上表仅代表一些理论上的可能的组合，从而有利地，正时齿轮50的设计可以根据应用自由地选择。
[0091]
最后，图21示出了根据本发明的螺旋桨1的改进的截面图，其中正时齿轮50处于“外部构造”。
[0092]
与图20中所示的“内部构造”相比，不同之处在于，这里基准齿轮51(优选实现为行星齿轮、环形齿轮或冠形齿轮)设置在正时齿轮50的中心外侧，并进而围绕转子叶片30的齿
轮52。关于该结构，针对图20描述的内容也相应地适用于该改进。在这种情况下，基准齿轮51和转子叶片30的齿轮52优选地被设计成，使得基准齿轮51的角速度ωr与轮毂10的旋转运动的角速度ωn之比如下：
[0093]
ωr/ωn＝1-(1/2)*(s
rot
/sr)，
[0094]
其中，s
rot
＝转子叶片30的齿轮52的尺寸，sr＝基准齿轮51的尺寸。
[0095]
下表示出了不同齿轮尺寸组合、使用根据本发明的前述变型公式计算的基准齿轮51的角速度ωr、以及能够以相应组合设置在轮毂10上的转子叶片30的最大的可能的数量的示例。轮毂10的旋转运动的角速度ωn在这种情况下被设定为值1(因此ωr的值代表相对于ωn的相对速度)。
[0096][0097]
根据该表，例如，1∶4的尺寸比s
rot
/sr导致基准齿轮51的角速度ωr相对于轮毂10的旋转运动的角速度ωn为0.875，这可以通过选择相应设计的轮毂齿轮12在技术上适应。在处于“外部构造”的正时齿轮50以及轮毂齿轮12及其相互作用的这种上述设计的情况下，这可以通过根据本发明的公式来计算，例如最多4至6个转子叶片30能够布置在轮毂10上。
[0098]
在现有技术的正时齿轮50的情况下(参见图19)，在上表的最后一行中所列出的转子叶片30的齿轮52的组合是基准齿轮51的尺寸sr的两倍大的组合，在物理上(技术上)根本不可行，并且最多可以通过链条驱动或齿形带驱动来实现。
[0099]
在这种情况下，上表再次仅代表一些理论上可能的组合，因此，有利地，在“外部构造”的情况下，正时齿轮50的设计也可以根据应用自由选择。
[0100]
本发明涉及一种新颖的通用螺旋桨1，其与普通螺旋桨1的区别在于，在每个转子叶片30上设置有齿轮52。齿轮52直接可操作地连接到正时齿轮50的基准齿轮51。正时齿轮50可操作地连接到轮毂齿轮12。其中，轮毂齿轮12被配置成感测并处理轮毂10的旋转运动的角速度ωn。并且基准齿轮51和正时齿轮50的转子叶片30的齿轮52被设计成，使得基准齿轮51的角速度ωr与轮毂10的旋转运动的角速度ωn之比如下:ωr/ωn＝1
±
(1/2)*(s
rot
/sr)，其中，s
rot
＝转子叶片30的齿轮52的尺寸，sr＝基准齿轮51的尺寸。
[0101]
本发明尤其适用于风力发电设备、水力发电设备、或船舶或飞行器的发动机。
[0102]
附图标记列表
[0103]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通用螺旋桨
[0104]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轮毂
[0105]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轮毂10的中心轴线
[0106]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轮毂齿轮
[0107]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴
[0108]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴20的中心轴线
[0109]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片
[0110]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片30的纵向轴线
[0111]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片30的上侧
[0112]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片30的侧边缘
[0113]
34
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片尖端
[0114]
35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
加强件
[0115]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电缆
[0116]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
正时齿轮
[0117]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基准齿轮
[0118]
511
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连接元件
[0119]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子叶片(30)的齿轮
[0120]
53
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
定向轮(仅在现有技术中)
[0121]
60
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发电机
[0122]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
圆锥
[0123]
71
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
圆锥70的外周表面
[0124]
72
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
圆锥70的顶点
[0125]
73
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
圆锥70的圆盘
[0126]
80
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
地面
[0127]
81
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桅杆
[0128]
82
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
建筑物
[0129]
821
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
正面
[0130]
822
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
斜屋顶
[0131]
823
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
平屋顶
[0132]
83
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水体
[0133]
831
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水体的河床
[0134]
832
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水面
[0135]
84
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴承
[0136]
85
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
承重桅杆
[0137]
86
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桥梁
[0138]
861
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桥墩
[0139]
862
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
桥元件
[0140]
87
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
船舶
[0141]
88
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量风筝
[0142]
89
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
飞行器
[0143]
90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发动机
[0144]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
升力分量
[0145]wꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阻力分量
[0146]
t1、t2、t3、t4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
过渡点
[0147]
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通用螺旋桨1的三维坐标系下的纵向轴线31和中心轴线21之间的角度
[0148]
β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴20的中心轴线21和通用螺旋桨1的安装坐标系下的水平线x之间的角度
[0149]
xyz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通用螺旋桨1的三维坐标系
[0150]
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平面的第一方向
[0151]yꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平面或竖直面的第二方向
[0152]zꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
竖直面的第一方向
[0153]
x，y，z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通用螺旋桨1的安装坐标
[0154]
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平线
[0155]yꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水平线(垂直于x)
[0156]zꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
竖直线

技术特征：
1.一种通用螺旋桨(1)，包括可旋转地安装在轴(20)上的轮毂(10)，其中，在所述轮毂(10)上，设有两个转子叶片(30)，所述两个转子叶片(30)彼此相对设置；或者设有至少三个转子叶片(30)，所述至少三个转子叶片(30)相对于彼此以星形构造设置，其中，在所述轮毂(10)上，每个转子叶片(30)在转子叶片(30)的纵向轴线(31)的端部、在相对于所述轴(20)的中心轴线(21)成角度α处被设置成：使得每个转子叶片(30)的所述纵向轴线(31)在旋过360
°
时描绘出正圆锥(70)的外周表面(71)，并且其中，所述轮毂(10)包括正时齿轮(50)，所述正时齿轮(50)使得所述转子叶片(30)能够围绕所述转子叶片(30)的所述纵向轴线(31)旋转；其特征在于，在每个转子叶片(30)上设置有齿轮(52)，所述齿轮(52)直接地可操作地连接到所述正时齿轮(50)的基准齿轮(51)；所述正时齿轮(50)可操作地连接到轮毂齿轮(12)，其中，所述轮毂齿轮(12)被配置成感测并处理所述轮毂(10)的旋转运动的角速度ω
n
；并且所述基准齿轮(51)和所述转子叶片(30)的所述正时齿轮(50)的所述齿轮(52)被设计成，使得所述基准齿轮(51)的角速度ω
r
与所述轮毂(10)的所述旋转运动的角速度ω
n
之比如下:ω
r
/ω
n
＝1
±
(1/2)*(s
rot
/s
r
)，其中，s
rot
＝所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)的尺寸，以及s
r
＝所述基准齿轮(51)的尺寸。2.根据权利要求1所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，所述基准齿轮(51)设置在所述正时齿轮(50)的中心，并且被所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)包围，并且所述基准齿轮(51)和所述转子叶片的所述齿轮(52)被设计成，使得所述基准齿轮(51)的角速度ω
r
与所述轮毂(10)的所述旋转运动的角速度ω
n
之比如下:ω
r
/ω
n
＝1+(1/2)*(s
rot
/s
r
)，其中，s
rot
＝所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)的尺寸，以及s
r
＝所述基准齿轮(51)的尺寸。3.根据权利要求1所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，所述基准齿轮(51)，优选地实现为行星齿轮、环形齿轮或冠状齿轮，设置在所述正时齿轮(50)的中心的外侧，并且进而围绕所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)，并且所述基准齿轮(51)和所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)被设计成，使得所述基准齿轮(51)的角速度ω
r
与所述轮毂(10)的所述旋转运动的角速度ω
n
之比如下:ω
r
/ω
n
＝1-(1/2)*(s
rot
/s
r
)，其中，s
rot
＝所述转子叶片(30)的所述齿轮(52)的尺寸，s
r
＝所述基准齿轮(51)的尺寸。4.根据权利要求1至3中任一项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，每个转子叶片的所述纵向轴线(31)相对于所述轴(20)的所述中心轴线(21)成以下角度范围之间的角度α设置：在30
°
到60
°
之间，或者在35
°
和55
°
之间，
或者在40
°
和50
°
之间，或者45
°
。5.根据前述权利要求中任一项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，当所述轮毂(10)围绕所述轴(20)旋转时，在第一过渡点(t1)处，每个转子叶片(30)与三维坐标系(x，y，z)的垂直面(x，z)对准，所述三维坐标系(x，y，z)关联于所述通用螺旋桨(1)。6.根据权利要求5所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，在所述第一过渡点(t1)处，每个转子叶片(30)的所述纵向轴线(31)在所述垂直面(x，z)内可能具有高达+/-15
°
的竖直偏差。7.根据前述权利要求中任一项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，当所述轮毂(10)围绕所述轴(20)旋转时，在第三过渡点(t3)处，每个转子叶片与三维坐标系(x，y，z)的水平面(x，y)对准，所述三维坐标系(x，y，z)关联于所述通用螺旋桨(1)。8.根据权利要求7所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，在所述第三过渡点(t3)处，每个转子叶片(30)的所述纵向轴线(31)在所述水平面(x，y)外可能具有高达+/-15
°
的水平偏差。9.根据前述权利要求中任一项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，每个转子叶片(30)至少部分地具有大体上平坦的两个上侧(32)，其中，优选地，在每个转子叶片(30)的所述平坦的上侧(32)上设置有太阳能电池。10.根据前述权利要求中一项或多项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，每个转子叶片(30)的侧边缘(33)为倒圆形或圆锥形。11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，相互邻近和/或彼此相对的转子叶片(30)借助缆绳(40)彼此连接，所述缆绳(40)优选地在中心位置和端部位置之间附接到所述转子叶片(30)，优选地在所述转子叶片(30)的转子叶片尖端(34)的区域中或邻近所述转子叶片尖端(34)的位置附接到所述转子叶片(30)。12.根据前述权利要求中一项或多项所述的通用螺旋桨(1)，其特征在于，所述轴(20)的所述中心轴线(21)相对于安装坐标系(x，y，z)的水平线(x)成0
°
至360
°
之间的角度，优选为45
°
，其中，所述安装坐标系(x，y，z)关联于所述通用螺旋桨(1)。13.一种用于操作如前述权利要求中的一项或多项所述的通用螺旋桨(1)的方法，其中，借助于正时齿轮(50)，转子叶片(30)围绕所述转子叶片(30)的纵向轴线(31)的旋转与所述转子叶片(30)沿着圆锥(70)的外周表面(71)旋转过360
°
的旋转同步地实现。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述转子叶片(30)围绕所述转子叶片(30)的所述纵向轴线(31)的转速是所述转子叶片(30)沿所述圆锥(70)的所述外周表面(71)旋转过360
°
的转速的一半。15.一种如前述权利要求中的一项或多项所述的通用螺旋桨(1)在风力发电设备、水力发电设备、或船舶或飞行器的发动机中的用途。

技术总结
本发明涉及一种新型的通用螺旋桨(1)，其与普通螺旋桨(1)的区别在于，在每个转子叶片(30)上设置有齿轮(52)，该齿轮(52)直接地可操作地连接到正时齿轮(50)的基准齿轮(51)。该正时齿轮(50)可操作地连接到轮毂齿轮(12)，其中，该轮毂齿轮(12)被配置成感测并处理轮毂(10)的旋转运动的角速度ω


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：S
技术研发日：2020.07.27
技术公布日：2023/6/3