CN116133915A - 飞行体发动机、飞行体发动机操作方法及具有至少一个发动机的飞行体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞行体(1)的发动机(2),其环形涡流引导件(3)从截面来看具有关于发动机(2)的纵向中轴线(4)居中布置的进风口(6)以及与进风口(6)间隔且关于纵向中轴线(4)居中布置的出风口(7),进风口(6)与出风口(7)经由进气道(5)彼此流体连通,进气道(5)由涡流引导件(3)界定且容纳送风装置(8),出风口(7)被空气偏转件(9)重叠,当发动机(2)正常运行时,空气偏转件(9)从测地线角度布置于涡流引导件(3)上方,空气偏转件(9)自出风口(7)起沿径向向外延伸,与涡流引导件(3)界定出与出风口(7)流体连通的排风隙(11)。根据本发明,涡流引导件(3)呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;进风口(6)直接通往发动机(2)的外界环境(19),以当发动机(2)正常运行时,将来自发动机(2)背向空气偏转件(9)一侧的空气通过进风口(6)输送到进气道(5)中。本发明还涉及一种用于操作飞行体(1)的发动机(2)的方法以及一种具有至少一个发动机(2)的飞行体(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行体的发动机,其环形涡流引导件从截面来看具有关于发动机的纵向中轴线居中布置的进风口以及与进风口间隔且关于纵向中轴线居中布置的出风口,进风口与出风口经由进气道彼此流体连通,进气道由涡流引导件界定且容纳送风装置,其中,出风口被空气偏转件重叠,当发动机正常运行时,空气偏转件从测地线角度布置于涡流引导件上方,空气偏转件自出风口起沿径向向外延伸,与涡流引导件界定出与出风口流体连通的排风隙。本发明还涉及一种用于操作飞行体的发动机的方法以及一种具有至少一个发动机的飞行体。
背景技术
现有技术例如参阅专利文献DE 202018104722 U1。该文献描述了一种飞行器,其包括框架结构以及多个布置于框架结构上的升力旋翼,借助于这些升力旋翼可产生竖直向上的主升力和推进力。这里提出,另设喷射涡轮机,其推力射流可定向为能够产生基本上平行于主升力的次升力,该次升力可叠加到主升力上。
此外,专利文献US 5,203,521公开了一种飞行器,其包括限定中央通道的环形主体、上方的偏转器、下方的收集器以及通道中的流体驱动器。通过驱动器使空气加速并围绕环体循环。收集器将循环空气分开,将一部分空气引导到通道中,将一部分空气引导到飞行器下方以提供推力。其他飞行器可参阅专利文献US 3,747,726号和US 2,997,254。专利文献US 3,215,218也公开了一种用于增强牵引力的机动车装置。
发明内容
本发明目的是提出一种发动机,其优势优于现有发动机,特别是在由其提供的推力方面,既能在很大程度上扩展,又能格外高效地运行。
为了达成上述目的,本发明提出了一种具有权利要求1所述特征的飞行体发动机。本发明提出,涡流引导件呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;进风口直接通往发动机的外界环境,以当发动机正常运行时,将来自发动机背向空气偏转件一侧的空气通过进风口输送到进气道中。
所述发动机配设用于驱动飞行体,故又称之为飞行体驱动器。不言而喻,发动机也可与飞行体分立设置。由发动机驱动或发动机可驱动的飞行体原则上可采取任意设计,例如呈无名飞行器(例如无人机)或优选为航空器。航空器是指在地球大气层内飞行的交通工具。它代表用来运送人员、货物等的移动运输工具。航空器就配设用于客运和/或货运。
优选地,航空器比空气重,并具有推进装置或动力驱动装置,这样飞行体便可整体上称为飞行器。飞行器一般是一种比空气重的航空器,利用非回转升力面来产生飞行所需的动态升力。航空器(特别是发动机)整体上也可比空气轻。为此,航空器或发动机例如具有升力产生机构。
飞行体当然也可以采取不同设计,例如呈适航机动车形式。这种机动车配设为例如至少有时在地面上移动或触地移动,特别是用机动车的车轮移动,有时离地飞行,即借由发动机驱动。发动机就至少用于在机动车飞行操作期间驱动机动车。然而,它也可用于在机动车用车轮支撑在地面上时产生推进力。
发动机的主要元件是涡流引导件和空气偏转件。涡流引导件和空气偏转件协作产生用于驱动飞行体并指向特定方向的推力。优选地,发动机的推力至少有时定向为使得飞行体升空。为此,推力方向从测地线角度通常向下,即从飞行体朝地下或地面的方向。这一点上应强调特别重要的是,发动机从发动机同一侧输送或吸入环境空气,随后该侧出现推力或发动机产生的推力射流。换言之,当发动机正常运行时,优选地,从发动机或飞行体的测地线下方吸入空气。
涡流引导件基本上呈环形设计,并在周向上完全连贯围绕发动机的纵向中轴线。涡流引导件的纵向中轴线优选地相当于发动机的纵向中轴线。例如,涡流引导件关于对称轴旋转对称。在此情况下,对称轴优选地与发动机的纵向中轴线重合。上述截面尤应理解为关于涡流引导件的纵向中轴线或关于发动机的纵向中轴线的纵向截面。优选地,发动机提供的推力平行于发动机的纵向中轴线和/或涡流引导件的纵向中轴线。换言之,发动机的推力矢量平行于上述纵向中轴线之一。这至少适用于涡流引导件和空气偏转件彼此相对的至少一个位置(若它们可以彼此相对位移)。
优选地,涡流引导件从截面或半截面来看具有连续外圆周。这意味着,又从截面来看,特别是在关于涡流引导件的纵向中轴线的纵向截面中,涡流引导件的外圆周无间断或无突跳,而是均匀延伸。例如,从半截面来看,涡流引导件呈卵形,特别是圆形或椭圆形。半截面应理解为通过剖切平面的截面,其中仅考虑垂直于剖切平面的另一平面的一侧。例如,剖切平面和另一平面都采纳涡流引导件的纵向中轴线。换言之,半截面仅占实际截面的一半。
本发明提出,涡流引导件呈现为回转体。回转体应理解为闭合曲线围绕旋转轴线或图形轴线旋转而成的几何体。该旋转轴线相当于涡流引导件的纵向中轴线,它优选地与发动机的纵向中轴线和/或飞行体的纵向中轴线重合。在涡流引导件和空气偏转件的至少一个位置下,它也可以与空气偏转件的纵向中轴线重合。在此,该曲线特别优选地与旋转轴线连贯间隔以形成进气道,该进气道则关于旋转轴线居中。该曲线至少局部具有连续线程,即至少关于旋转轴线在其径向上位于外侧,特别优选呈连贯状。这意味着,涡流引导件的径向外侧无棱,特别是无边棱,进而避免了断续。这样实现了流动损失极低。
例如,曲线连续线程在径向上从曲线径向最外点起向内延伸,特别是从穿过发动机的截面或半截面来看,延伸过曲线径向长度的至少10%、至少15%、至少20%或至少25%。曲线从两侧最外点起沿径向向内延伸,从而形成涡流引导件的第一轮廓面和第二轮廓面,它们在轴向上的相对两侧界定涡流引导件。曲线从两侧最外点起沿径向连续向内延伸,即均延伸过上述曲线比例。更优选地,该曲线的两个区域位于与旋转轴线平行又与曲线相交的假想平面的相对两侧。
第一区域位于径向外侧,第二区域位于径向内侧。基于曲线在径向最外点与径向最内点之间的径向距离,例如,该平面与最外点的距离占至少10%、至少20%、至少30%、至少40%或至少50%。但特别优选地,这二者的距离占至少60%、至少70%、至少80%或至少90%,特别优选为至少80%以上的值。曲线在第一区域中始终连续延伸。曲线在第二区域中也可连续,替选地也可至少局部断续。特别优选地,第一区域直接毗邻曲线在第二区域中的至少一个断续点,特别是直接毗邻多个断续点。但本发明又可提出,曲线在其关于旋转轴线的径向内侧区域中呈现断续。在这个区域(又称断续区域)之外,曲线始终连续。例如,曲线在断续区域中具有一段直线段,曲线自此在至少一侧形成断续点。该直线段例如在进风口与出风口之间延伸,就此界定径向上向外的进气道。直线段优选地从进风口延伸到出风口。
本发明例如提出,从半截面来看,涡流引导件的轴向尺寸等于其在径向尺寸的至少25%或至少50%。替选地,轴向尺寸也可以更大,等于径向尺寸的至少75%或至少100%。上述曲线围成平面的轴向尺寸就等于其径向尺寸的上述至少一个比例。
进气道贯穿涡流引导件,并优选地居中布置于涡流引导件中,即与涡流引导件同轴。进气道特别优选地呈连贯直线。进气道从进风口延伸到出风口。进气道中布置有送风装置,用于从进风口方向朝排气口方向输送空气通过进气道。送风装置例如可借助于驱动装置来驱动。驱动装置例如呈电动机、涡轮机或内燃机的形式,或者至少具有这样一种装置。送风装置例如为螺旋桨,该螺旋桨布置于进气道中,受涡流引导件环绕,故又可称为叶轮。原则上,也可以实施送风装置的其他配置,只要能够用于输送空气通过进气道即可。
进风口应优选理解为始终位于假想平面中的开口,该开口关于涡流引导件的纵向中轴线在周向上始终由涡流引导件界定。假想平面在周向上始终与涡流引导件相交或至少与之相切。特别优选地,假想平面在周向上始终与涡流引导件相切。假想平面例如垂直于涡流引导件的纵向中轴线。这同样适用于出风口。出风口也就在周向上始终由涡流引导件界定。优选地,它也始终位于(另一)假想平面中,该假想平面在周向上始终与涡流引导件相交或与之相切,特别优选地在周向上始终与涡流引导件相切。该假想平面也可以垂直于涡流引导件的纵向中轴线。
除了涡流引导件外,发动机还具有空气偏转件。当发动机或飞行体正常运行时,空气偏转件从测地线角度至少部分地、特别是大部分地或完全地布置于涡流引导件上方。换言之,涡流引导件面向空气偏转件的一侧从测地线角度布置于涡流引导件背向空气偏转件的一侧上方。从测地线角度来看,涡流引导件在正常操作期间就位于空气偏转件与地面之间。原则上也可提出,空气偏转件和涡流引导件从测地线角度的定向不同。但重点是,空气通过进风口吸入的方向与通过排风隙排出的方向不同。
特别地,在相同的坐标系中,相应速度矢量的轴向速度分量在符号方面互不相同。如果一个速度矢量的轴向速度分量小于零,则另一个速度矢量的轴向速度分量至少等于零(特别是正好为零)或大于零,反之亦然。原则上提出,空气通过进风口直接从外界环境吸入,并通过出风口直接排放到外界环境中。空气就通过进风口流入发动机,特别是流入飞行体,并通过排风隙流出发动机,特别是流出飞行体。
优选地提出,进风口和出风口如此定向,即当发动机正常运行时,空气通过进风口流入的方向与空气通过排风隙流出发的方向相反或与之垂直。来自外界环境的空气沿第一方向或以第一速度矢量通过进风口进入进气道。另一方面,空气沿第二方向或以第二速度矢量从排风隙离开径向通道。第一方向和第二方向例如关于发动机的纵向中轴线在轴向上互相垂直或彼此相对。例如也可提出,第一速度矢量只有轴向速度分量,第二速度矢量只有径向速度分量,而相应其他速度分量等于零。如果第一速度矢量和第二速度矢量均有轴向速度分量,则它们的方向相反。在相同坐标系中,一个速度分量为正,另一个速度分量为负。
空气偏转件至少局部重叠涡流引导件。在此,空气偏转件布置于涡流引导件含出风口的那侧上。优选地,空气偏转件的纵向中轴线布置为至少暂时平行于涡流引导件的纵向中轴线和/或发动机的纵向中轴线。优选地,特别是在涡流引导件和空气偏转件彼此相对的至少一个位置下,空气偏转件的纵向中轴线相当于上述纵向中轴线之一。换言之,空气偏转件有利地与涡流引导件同轴布置。
空气偏转件在径向上向外延伸,特别是延伸自其纵向中轴线和/或发动机的纵向中轴线,其中,该空气偏转件在径向上完全重叠出风口。空气偏转件的径向尺寸大于出风口的径向尺寸,故从截面来看,空气偏转件比出风口在径向上更加向外突出。在出风口远处,即在出风口的径向外面,空气偏转件与涡流引导件共同界定排风隙。排风隙通过径向通道与出风口流体连通,该径向通道也由涡流引导件和空气偏转件共同界定。就流动方面而言,径向通道便从出风口延伸到排风隙。
在发动机运行期间,空气偏转件使得通过出风口离开进气道的空气在径向上向外偏转,从而沿排风隙的方向流动,随后自此进入发动机的外界环境。例如,排风隙与进风口位于假想平面的同一侧,而出风口布置于与该侧相反的假想平面一侧。假想平面例如垂直于涡流引导件的纵向中轴线。
离开排风隙的空气继续沿着涡流件流动,随后有助于发动机产生推力。例如,当发动机正常运行时,空气偏转件从测地线角度布置于涡流引导件上方。换言之,涡流引导件应位于空气偏转件与地面之间。这又意味着,发动机在测地线角度从发动机或飞行体下方吸入空气,即最终(从测地线角度来看)从发动机或飞行体底侧吸入来自外界环境的空气,首先将空气送往发动机顶侧的方向。然后空气至少部分地重新到达底侧,从而在此处产生推力。
进风口布置于涡流引导件背向空气偏转件的一侧上。为了确保高效提供推力,该进风口直接通往发动机的外界环境。这意味着,进风口与外界环境之间并未布置发动机和/或飞行体的任何其他元件。确切而言,进气道在进风口那侧通往外界环境的假想延长部分采取无阻构造。假想延长部分中就未设发动机和/或飞行体的任何其他元件。这样,当发动机正常运行时,空气从发动机背向空气偏转件的一侧通过进风口输送到进气道中。
这意味着,当发动机正常运行时,空气从外界环境吸入的方向与发动机推力矢量的方向相反。当发动机按推力矢量提供推力时,它就会沿反向(即直接从外界环境)吸入用于提供推力的空气。另一方面,如上所述,进风口直接通往发动机的外界环境,也就直接从外界环境吸入空气。换言之,进风口采取无覆盖设计,从而在发动机的外界环境中,进风口下方布置有自由空气空间。自由空气空间应理解为完全充满空气进而其内部没有发动机和/或飞行体的任何其他元件的空气空间。
该自由空气空间在进风口下方延伸,特别是直接始于进风口。例如,自由空气空间作为进气道道的假想延长部分,即始于进风口。这里例如提出,该空气空间关于发动机的纵向中轴线在轴向上的延伸度至少等于涡流引导件和/或空气偏转件在同一方向上的延伸度。该空气空间便有特定尺寸,即至少在轴向上。这意味着,从进风口开始,至少在上述延伸度上,涡流引导件含进风口的一侧上未设发动机和/或飞行体的任何其他元件。
优选地,该空气空间的延伸度比涡流引导件的延伸度、空气偏转件的延伸度或涡流引导件和空气偏转件的联合延伸度长至少2倍、至少3倍、至少4倍或至少5倍。这些考虑当然仅适用于发动机或飞行体的飞行操作。如果飞行体靠近地面,则自由空气空间会受到地面限制。但在此情况下,进风口与地面之间同样未设发动机和/或飞行体的任何其他元件。
附加地或替选地可以提出,关于发动机的纵向中轴线在轴向上界定的空气空间完全充满空气,该空气空间一侧由进风口界定而另一侧由送风装置并在径向上向外由涡流引导件界定。作为一部分进气道并就此由涡流引导件界定的空气空间也就设计为自由空气空间。该空气空间中未设发动机和/或飞行体的任何其他元件,故其完全充满空气。该空气空间在轴向上从进风口延伸到送风装置,它在径向上向外由涡流引导件界定。
这些实施方案明确了涡流引导件周围的环流尽量畅通无阻,从而来自外界环境的空气能够无阻地通过进风口进入进气道。这样实现了发动机的高效运行。发动机、特别是涡流引导件优选地作为飞行体的外侧部件。它们便形成飞行体的最外侧元件,相应地位于其外侧。换言之,发动机、特别是飞行体朝外界环境的方向上由涡流引导件界定,使得飞行体的外界环境直接延伸到涡流引导件。
在发动机运行期间,来自外界环境的空气通过进风口输送到进气道中。随后空气自此通过出风口离开,进入径向通道,通过径向通道流往排风隙。排风隙呈环形围绕涡流引导件,即优选地关于涡流引导件的纵向中轴线和/或发动机的纵向中轴线在周向上完全连贯环绕涡流引导件。从截面来看,从排风隙离开的空气继续沿着涡流引导件或涡流引导件的外廓流动,即至少部分地由于科恩达效应(-Effekt)流动。
本发明可提出,从截面来看,空气沿着涡流引导件流动到进风口,使得至少一部分离开排风隙的空气通过进风口重新输送到进气道中。任何情况下,发动机以围绕涡流元件环流的方式运行,从而最终出现环绕涡流引导件的涡流,该涡流优选地呈回转体形状,特别是回转环面形状。借助发动机产生的涡流又可称为支援涡流,从截面来看完全环绕涡流引导件。优选地,它在周向上也连贯不间断地环绕涡流引导件。换言之,支援涡流包络涡流引导件。
发动机产生的推力是通过不同的作用机制得以实现。一方面,涡流引导件面向空气偏转件的一侧(即径向通道中)的流速高于涡流引导件背向空气偏转件的一侧(即外界环境中)的流速。由于流速不同,根据伯努利方程,相较于涡流引导件背向空气偏转件的一侧,涡流引导件面向空气偏转件的一侧上产生负压。由于面向空气偏转件一侧的空气流速高于背向空气偏转件一侧的空气流速,因此面向空气偏转件一侧的压力低于背向空气偏转件一侧的压力。涡流引导件相对两侧压力之间的压力差引起发动机产生一部分的推力。
支援涡流一旦出现便间接提供另一部分推力。支援涡流将来自外界环境的空气从空气偏转件背向涡流引导件的一侧输送到涡流引导件背向空气偏转件的一侧。例如,一部分空气加入支援涡流并被推往涡流引导件背向空气偏转件的一侧上,即特别是推往发动机面向地面的一侧上。这样提供的推力不是直接由支援涡流本身的流动引起,而是由支援涡流额外输送的外界环境空气引起。原则上,可以说发动机在其从外界环境吸入空气的一侧提供推力。发动机引起的推力射流相应地位于涡流引导件背向空气偏转件的一侧上。发动机从外界环境吸入空气的进风口也位于这一侧上。
很明显,仅当发动机与地面之间存在足够的距离时,才能形成支援涡流。因此,为了利用支援涡流产生的升力,首先需要将发动机或飞行体与地面隔开一定距离。例如,这一点借助机械升空装置使飞行体和发动机相对于地面升空来完成。当然,飞行体也可以采用另外的发动机来启动,然后发动机才投入运行。
利用支援涡流至少部分地提供发动机推力,使得发动机的运行格外节能,因为产生和维持支援涡流的能耗相对较低,远低于直接产生推力所需的能耗。支援涡流还会保证发动机和飞行体在空中极高的稳定性,因为支援涡流占据大量空气或者为发动机或飞行体产生大量气垫。发动机和相应的飞行体在承载能力方面几乎可按需缩放,因为支援涡流采取潜在涡流的方式设计而大致可按需缩放。
本发明一改进方案提出,从截面来看,涡流引导件一侧由第一轮廓面界定而另一侧由第二轮廓面界定,这两个轮廓面在两侧直接连续汇合,特别是在垂直于中轴的假想平面中汇合。第一轮廓面和第二轮廓面位于与涡流引导件相交的假想平面的相对两侧。该假想平面优选地垂直于涡流引导件的纵向中轴线。例如,假想平面关于纵向中轴线在轴向上贯穿涡流引导件,便将涡流引导件分成两部分,这两部分在轴向上具有相同的延伸度。涡流引导件的两部分可以关于假想平面彼此对称。第一轮廓面位于涡流引导件背向空气偏转件的一侧上,而第二轮廓面位于涡流引导件背向空气偏转件的一侧上。两个轮廓面在每一侧连续汇合,即无间断或无突跳。这样创建的涡流引导件表面上的空气流动损失极低,从而提高效率。
优选地,从截面来看,第一轮廓面的曲率半径和/或第二轮廓面的曲率半径始终符号相同。从截面来看,第一轮廓面由第一轮廓线界定,第二轮廓面由第二轮廓线界定。轮廓面或轮廓线各自的曲率半径在其延伸度内可变,也可保持不变。但本发明至少提出,一个曲率半径或两个曲率半径符号始终相同,即相应曲率半径的符号在相应轮廓面的延伸度内不会变化,而是保持相同。
例如,从截面来看,第一轮廓面的曲率半径在第一轮廓面的整体延伸度内选择相同的符号。与之类似,附加地或替选地,第二轮廓面的曲率半径可以在第二轮廓面的整体延伸度内具有相同的符号。优选地,第一轮廓面和第二轮廓面具有符号相同的曲率半径。特别优选地,第一轮廓面和第二轮廓面的曲率半径也相同,即从截面来看,特别是从半截面来看,涡流引导件呈圆形。这样实现了极利于流动的涡流引导件配置。
本发明一改进方案,涡流引导件构造为回转体,特别是回转环面。回转体是闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的几何体。例如,曲线至少局部弯曲,特别是连贯弯曲。曲线的曲率半径优选地在整个曲线上符号相同。本发明即可提出,曲率半径始终至少为零或始终至多为零,或者若曲线连贯弯曲,曲率半径则始终大于零或始终小于零。回转环面又指回转体,其通过圆围绕平面内与该圆互不相交的旋转轴线旋转而成。这里,回转体的旋转轴线尤其是涡流引导件的纵向中轴线。回转体设计为关于其旋转轴线在周向上连贯无间断。这样就能特别高效地引导支援涡流,同时流动损失极低。
本发明一改进方案提出,排风隙与出风口经由径向通道流体连通,该径向通道的流通横截面沿排风隙的方向缩小,从而呈喷嘴式设计。径向通道优选地关于发动机的纵向中轴线在周向上连贯,并且除了可选地的一个或多个支柱之外无间断。它在径向上从出风口延伸到排风隙,从而通过出风口从进气道排出的空气经过径向通道流向排风隙。径向通道的流通横截面沿排风隙的方向缩小。径向通道的形状特别是选择为使得排风隙中的空气具有预期的流速。该流速优选地处于亚音速范围内,故预计不会因流动冲击等因素而对发动机产生负面机械影响。喷嘴形式的径向通道配置允许发动机高效运行。
本发明一改进方案提出,空气偏转件重叠涡流引导件,使得径向通道中的空气至少部分地从出风口到进风口贴靠涡流引导件,在流动方面不会脱节。如上指出,发动机以支援涡流环绕涡流引导件的方式运行。为了使涡流引导件周围的环流实现流动损失极低,应尽量避免、特别是完全避免流动脱节或支援涡流与涡流引导件脱离。为此,空气偏转件环绕涡流引导件。重叠程度选择为使得从出风口排出的空气在不脱节的情况下环绕涡流引导件流动。至少一部分从出风口流出又随后从排风隙流出的空气应贴附涡流引导件,使得空气重新流往进风口并经此重新输送到进气道中。这一点达成了上述发动机高效运行,这里是通过低损形成支援涡流的方式来实现。
本发明一改进方案提出,空气偏转件在径向上完全重叠涡流引导件,特别是使得排风隙的曲面法线平行于发动机的纵向中轴线,或者曲面法线在涡流引导件下方与涡流引导件的纵向中轴线相交。空气偏转件就在径向上向外突出于涡流引导件。由空气偏转件和涡流引导件界定的排风隙在周向上始终在中心被假想平面剖切或完全位于该假想平面中。该假想平面垂直于涡流引导件的纵向中轴线和/或空气偏转件的纵向中轴线。
排风隙的曲面法线例如平行于发动机的纵向中轴线。在此情况下,排风隙完全位于假想平面内。但本发明又可提出,该曲面法线在涡流引导件下方与涡流引导件的纵向中轴线相交。在此情况下,假想平面以特定角度与排风隙相交。这种大范围重叠也能可靠防止空气在径向通道之外脱离涡流引导件,从而至少一部分通过排风隙离开的空气流向进风口,并通过进风口重新输送到进气道。
本发明一改进方案提出,空气偏转件具有接合到进气道中的突出部,该突出部附接有用于驱动送风装置的驱动装置。突出部从空气偏转件的基础件延伸到进气道中。例如,该基础件位于进气道之外,从而只有突出部伸入进气道。突出部优选地关于空气偏转件的纵向中轴线旋转对称而成。附加地或替选地,突出部的纵向中轴线相当于涡流引导件的纵向中轴线。这样就能尽量减小因突出部引起的流动阻力。突出部附接有用于驱动送风装置的驱动装置。例如,送风装置(例如螺旋桨、压缩机叶轮等)以可转动的方式安置于突出部上。这样实现了特别紧凑的发动机配置。
本发明一改进方案提出,空气偏转件的偏风面界定径向通道,面向涡流引导件,从截面来看连贯弯曲,特别是其曲率半径始终处于特定曲率半径范围内。在径向上来看,偏风面从出风口向外延伸到排风隙。该偏风面在背向涡流引导件的方向上沿轴向界定径向通道。
为了在径向通道内实现流动损失极低,偏风面连贯弯曲。在此,该偏风面的曲率半径在其从出风口到排风隙的延伸度内可以恒定不变。但本发明又可提出,曲率半径在偏风面的延伸度内径向向外变化。但在此情况下,该曲率半径优选地始终保持在曲率半径范围内。曲率半径特别是选择为使得其在偏风面的整体延伸度内沿径向自内向外变化至多10%、至多5%、至多2.5%或至多1%。如果曲率半径保持不变,则偏风面从截面来看呈圆段形状。这样就能实现流量损失极低。
本发明一改进方案提出,从截面来看,径向通道由涡流引导件的导风面界定,偏风面的曲率半径大于该导风面的曲率半径。即,从截面来看,径向通道一侧由空气偏转件的偏风面界定而另一侧由涡流引导件的导风面界定。在此,导风面至少局部地形成第二轮廓面。关于偏风面的曲率半径的描述类似地适用于导风面的曲率半径。优选地,曲率半径在偏风面的整体延伸度内恒定,即从出风口到排风隙保持恒定。就此,偏风面的曲率半径大于导风面的曲率半径。涡流引导件面向空气偏转件的一侧也可呈圆形截面。这同样有助于实现降低流动损失。
本发明一改进方案提出,偏风面的曲率半径和导风面的曲率半径选择为使得径向通道的流通横截面从出风口到排风隙连贯缩小。通过选择不同的曲率半径,就能采取结构上简单的方式实现喷嘴状径向通道。
本发明一改进方案提出,涡流引导件可相对于空气偏转件位移,以使排风隙的流通横截面发生全局和/或局部变化,特别是可调整发动机的推力矢量。因此,特别是借助于控制驱动器,空气偏转件可相对于涡流引导件位移,使得排风隙的尺寸发生变化,即在周向上发生全局和/或局部变化。排风隙或排风隙流通横截面的全局变化应理解为排风隙或排风隙流通横截面的尺寸在整体延伸度内均匀变化,即变大或变小。另一方面,局部变化是指排风隙或流通横截面仅局部变大或变小。例如,对于局部变化,空气偏转件移位成使得排风隙局部变大且局部变小。通过改变排风隙的流通横截面,能够采取简单的方式控制推力矢量。
本发明一改进方案提出,空气偏转件与涡流引导件之间的距离可均匀变化,以便排风隙的流通横截面发生全局变化。均匀变化应理解为排风隙均匀变大或均匀变小。为此,空气偏转件例如平行于涡流引导件的纵向中轴线进行位移,即移离涡流引导件来扩大出风口面积,移向涡流引导件来缩小流通横截面。这样就能通过调整支援涡流的涡流强度来特别高效地控制推力矢量。
本发明一改进方案提出,空气偏转件可相对于涡流引导件倾斜,以便排风隙流的通横截面发生局部变化。通过使空气偏转件倾斜实现了排风隙的局部变化,特别是局部变大和局部变小。例如,关于涡流引导件的纵向中轴线发生倾斜。优选地,空气偏转件设计为当空气偏转件平行于涡流引导件的纵向中轴线,就此角度为0°时,排风隙关于纵向中轴线在周向上的尺寸始终恒定。反之,如果角度发生变化,则流通横截面会发生局部变化。这种配置又能特别高效地控制推力矢量。
本发明一改进方案提出,各具控制翅片的控制件以可转动的方式安置于径向通道中。控制件用于调整发动机的推力矢量,即通过影响空气离开排风隙的方向进行调整。每个控制件均有控制翅片,例如呈片状或翼状设计。后一种情况下,控制翼片可以弦向对称或具有流线轮廓。例如,控制件能够在周向上产生推力,从而使发动机或由其驱动的飞行体可以绕其纵向中心轴原地旋转。
本发明一改进方案提出,控制件在驱动技术方面经由公共耦合件耦合到发动机的控制驱动器。该控制驱动器用于调整控制件,它在驱动技术方面仅通过公共耦合件间接连接到控制件。为此,一方面控制件与另一方面控制驱动器作用于耦合件。特别地,控制驱动器与控制件相距一定距离地作用于耦合驱动器。这样实现了借助控制驱动器同时调整控制件。附加地或替选地,空气偏转件也可以连接到耦合件。
本发明一改进方案提出,耦合件经由球窝节和杠杆臂耦合到控制件和/或控制驱动器。就此而言,每个控制件和/或控制驱动器均配有球窝节和杠杆臂,借此使之在驱动技术方面连接到控制驱动器。利用球窝节确保了借助控制驱动器格外灵活调节控制件。
本发明一改进方案提出,耦合件构造为控制环。该控制环优选地在周向上完全连贯环绕发动机的纵向中轴线,它作用于控制件,以将控制件耦合到控制驱动器。控制环布置为使其不仅可以表明关于纵向中轴线的周向旋转运动,而且还可倾斜进而呈旋转斜盘式。这一点实现了上述借助控制驱动器灵活操纵控制件。
本发明一改进方案提出,控制驱动器具有多个致动器,它们分别彼此间隔并在驱动技术方面耦合到耦合件。致动器优选地彼此均匀间隔,从而在两个致动器的情况下,它们在180°间距下作用于耦合件,在三个致动器的情况下,它们在120°间距下作用于耦合件,在四个致动器的情况下,它们在90°间距下作用于耦合件。利用多个致动器允许耦合件不仅关于纵向中轴线在周向上位移而且还在径向上位移,从而实现了上述灵活调节控制件。
本发明一改进方案提出,空气偏转件和/或涡流引导件具有流体密封的升力室,该升力室填充有比空气密度低的气体。因此,涡流引导件和/或空气偏转件设计为浮体。借气体产生的升力与发动机的实际推力解耦或至少可解耦。例如,发动机设计为借助于升力室中存在的气体产生了飞行体升空所需的大部分升力。其余升力由发动机的推力来提供,为此相应调整其推力矢量。这种气体例如使用到氦气等,气体使发动机或飞行体的运行格外节能。
本发明一改进方案提出,空气偏转件和/或涡流引导件中(分别)布置有飞行体的至少一个可用空间,特别是客舱和/或货舱。为此,空气偏转件和/或涡流引导件的尺寸相应设定为使得发动机具有相应的尺寸。客舱中例如布置有至少一个乘客座椅,特别是例如呈多排布置的多个乘客座椅。货舱用于容纳货物,特别是要行李和/或运货。为此,它也有相应的尺寸。为了装卸可用空间,空气偏转件具有至少一个可逆关闭的入口,例如呈门、闸门、舱门等形式。
可用空间中还可布置有用于容纳燃料的燃料箱和/或用于临时蓄电的蓄能器。燃料和/或临时蓄电优选地用于运行驱动装置。为此,例如燃料箱与驱动装置流体连通和/或蓄能器与驱动装置电气连通。本发明可以提出,涡流引导件和空气偏转件中均形成可用空间。例如,空气偏转件的可用空间中布置有货舱和/或燃料箱和/或蓄能器。另一方面,涡流引导件的可用空间用作客舱。在此,空气偏转件的可用空间优选地相对于外界环境无增压,而涡流引导件的可用空间相对于外界环境有增压。
下面阐述发动机的更多优选实施方案,可以替选地或附加地采用它们的特征。例如,空气偏转件从其纵向中轴线起在径向上与涡流引导件重叠至少25%、至少50%、至少75%或至少100%。这样实现至多50%的重叠便已足矣,例如至少25%、至少30%、至少40%或至少50%,但优选地重叠至少50%以上,特别是至少60%或至少75%,也可重叠至少80%、至少90%或至少100%。在后一种情况下,空气偏转件在径向上完全、特别是正好完全重叠涡流引导件,即不会突出于涡流引导件,从而在径向外侧与涡流引导件齐平。但本发明又可提出,空气偏转件在径向上延伸超过涡流引导件,即在径向上大于涡流引导件。例如,空气偏转件在径向上的尺寸大于涡流引导件在同向上的尺寸。特别地,空气偏转件的径向尺寸为涡流引导件尺寸的至少105%或至少110%。
但更优选地,空气偏转件在径向上尽量更小,以免流动损失。重叠程度便优选地选择为使得从出风口排出的空气刚好在不脱节的情况下环绕涡流引导件流动,理想上不再扩大。至少一部分从出风口流出又随后从排风隙流出的空气应贴附涡流引导件,使得空气重新流往进风口并经此重新输送到进气道中。为此,空气偏转件例如在径向上与涡流引导件重叠至多90%、至多80%或至多70%便足矣。
例如,空气偏转件的体积至少等于涡流引导件的体积。优选地,空气偏转件的体积大于涡流引导件的体积,特别是大了至少1.25倍、至少1.5倍、至少1.75倍或至少2倍。借此,空气偏转件优选地可用于容纳飞行体的可用空间。可用空间例如可以包含或本身作为客舱和/或货舱。但本发明又可提出,空气偏转件的体积至多等于或小于涡流引导件的体积。例如,空气偏转件的体积为涡流引导件体积的至多75%,例如至多70%、至多60%或至多50%。这种配置中,可用空间布置于涡流引导件中。
本发明可以提出,空气偏转件在轴向上的延伸度至少等于涡流引导件在同向上的延伸度。优选地,空气偏转件在轴向上的延伸度大于涡流引导件的延伸度,特别是大了至少1.25倍、至少1.5倍、至少1.75倍或至少2倍。这样就能采取简单的方式实现上述扩大空气偏转件的体积,从而例如实现了可用空间的宽敞设计。本发明还涉及一种用于操作飞行体发动机、特别是根据本说明书上下文内所述发动机的方法,其中,该发动机的环形涡流引导件从截面来看具有关于发动机的纵向中轴线居中布置的进风口以及与进风口间隔且关于纵向中轴线居中布置的出风口,进风口与出风口经由进气道彼此流体连通,该进气道由涡流引导件界定且容纳送风装置,其中,出风口被空气偏转件重叠,当发动机正常运行时,该空气偏转件从测地线角度布置于涡流引导件上方,该空气偏转件自出风口起沿径向向外延伸,与涡流引导件界定出排风隙,该排风隙与出风口流体连通。
本发明提出,涡流引导件呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;进风口直接通往发动机的外界环境,以当发动机正常运行时,将来自发动机背向空气偏转件一侧的空气通过进风口输送到进气道中。
上文说明了这种发动机配置或这种过程的优势。所述发动机及其运作方法皆可根据本说明书上下文内的实施方案有所改进,就此可参阅这些实施方案。
如上所述,发动机以围绕涡流引导件形成支援涡流的方式运行。该涡流又从外界环境吸入额外的空气并输送到发动机下方,用于提供推力。支援涡流就最终用作从外界环境输送空气的输送手段,从空气偏转件背向涡流引导件的一侧和/或从涡流引导件周围吸入空气,并且空气至少短暂加入支援涡流。
支援涡流将从排风隙排出的空气以及从外界环境引入支援涡流的空气输送到涡流引导件背向空气偏转件的一侧,即部分地输送到纵向中轴线。自此,一部分空气通过进风口输送到进气道中,而另一部分空气朝向涡流引导件背向空气偏转件的方向偏转,以便产生发动机推力射流,从而产生发动机推力。支援涡流在纵向中轴线方向上输送空气的一部分就朝向涡流引导件的方向偏转,而另一部分远离涡流引导件的方向偏转。
本发明还涉及一种具有至少一个发动机、特别是根据本说明书上下文内所述发动机的飞行体,其中,该发动机的环形涡流引导件从截面来看具有关于发动机的纵向中轴线居中布置的进风口以及与进风口间隔且关于纵向中轴线居中布置的出风口,进风口与出风口经由进气道彼此流体连通,该进气道由涡流引导件界定且容纳送风装置,其中,出风口被空气偏转件重叠,当发动机正常运行时,该空气偏转件从测地线角度布置于涡流引导件上方,该空气偏转件自出风口起沿径向向外延伸,与涡流引导件界定出排风隙,该排风隙与出风口流体连通。
本发明提出,涡流引导件呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;进风口直接通往飞行体的外界环境,以当发动机正常运行时,将来自发动机背向空气偏转件一侧的空气通过进风口输送到进气道中。
关于优势和可能有利改进方案又可参阅本说明书上下文内的更多陈述。
本发明一改进方案提出,所述飞行体设计为航空器或适航机动车。在设计为航空器的情况下,航空器的可用空间(例如客舱或货舱)优选地位于空气偏转件中。在此,发动机构成飞行体,或换言之,飞行体完全或至少基本上完全由发动机组成。然而,飞行体当然也可以具有多个彼此间隔布置的发动机。另一方面,如果飞行体构造为适航机动车,则其优选地包括多个发动机,它们在机动车上彼此间隔,从而有时将机动车升离地面。
附图说明
下面结合附图所示的实施例对详述本发明予以详述,但不旨在限制本发明。
图中:
图1示出了飞行体与发动机的示意图。
具体实施方式
图1示出了飞行体1的纵向剖视示意图,该飞行体1具有为飞行体1提供驱动的发动机2。本图所示的实施例中,飞行体1基本上由发动机2组成。当然,飞行体也可以具有多个发动机2,在此情况下,它们经由公共结构相互连接。
发动机2具有环形涡流引导件3。本图所示的实施例中,涡流引导件3关于涡流引导件3的纵向中轴线4构造为回转体,特别是回转环面。纵向中轴线4同时也是飞行体1的纵向中轴线。涡流引导件3在周向上连贯完全环绕具有进风口6和出风口7的进气道5。进气道5中布置有送风装置8,该送风装置8例如设计为螺旋桨并可通过驱动装置(图中未示出)来驱动。进风口6和出风口7皆关于纵向中轴线4居中布置。就此,它们彼此同轴。
空气偏转件9至少部分地重叠涡流引导件3。空气偏转件9也具有纵向中轴线,本图所示的实施例中,该纵向中轴线与纵向中轴线4重合。空气偏转件9关于涡流引导件3居中布置,就此至少重叠出风口7,即完全沿径向布置。图中示出了飞行体1或发动机2的实施例,其中空气偏转件9在径向上延伸出涡流引导件3。换言之,空气偏转件9从截面来看完全重叠涡流引导件3而在径向上向外超出涡流引导件3。
涡流引导件3和空气偏转件9共同界定了径向通道10,该径向通道10一侧开始于出风口7而另一侧延伸到排风隙11。可以看出,本图所示的实施例中,径向通道10从出风口7向排风隙11连续缩小,即其流通横截面变小。为此,空气偏转件9的偏风面12在径向上向外连续逼近涡流引导件3的导风面13。
涡流引导件3关于纵向中轴线4在轴向上中心处被假想平面14剖切,该假想平面14从截面来看将涡流引导件3分成第一轮廓面15和第二轮廓面16。在此,第一轮廓面15位于空气引导件3背向空气偏转件9的一侧上,而第二轮廓面16位于涡流引导件3面向空气偏转件9的一侧上。可以看出,送风装置8也在轴向上大致居中布置于进气道5中,从而假想平面14与送风装置8相交。送风装置8安置于从空气偏转件9的基体18延伸出的突出部17。突出部17延伸穿过进气道5中的出风口7。
本发明提出,发动机2如此运行,即空气从外界环境19通过进风口6输送到进气道5中。空气然后从进气道5经由出风口7输送到径向通道10中,空气最终从径向通道10通过排风隙11再排出到外界环境19中。在此,空气偏转至少90°、至少135°、至少150°、至少165°或至少180°。本图所示的实施例中,空气通过进风口6进入进气道5之后近乎偏转180°直到通过排风隙11离开径向通道10。即,空气逆向于进入发动机2的方向退出发动机2。
这也适用于整个飞行体1,其最低部分形成发动机2。这意味着,涡流引导件3背向空气偏转件9的一侧上并未布置飞行体1和/或发动机2的任何其他元件。就此,进风口6采取无覆盖设计,从而外界环境19在进风口6下方存在自由空气空间或形成外界环境19的一部分。进风口6下方的自由空气空间完全充满空气。换言之,涡流引导件3与地面20(飞行体1位于地面上方)之间不存在飞行体1和/或发动机2的任何其他元件,使之呈现无阻塞或无封锁构造。
通过进风口6向进气道5输送空气并通过排风隙11排出空气,从而产生支援涡流21,该支援涡流21从截面来看环绕涡流引导件3。正如涡流引导件3,支援涡流21呈环形,特别是回转环形。此时,发动机2的推力一方面因径向通道10之内的空气流速高于径向通道10之外或涡流引导件3面对径向通道10一侧上的空气流速而得以实现。
另一部分推力至少暂时借助于支援涡流21来提供。支援涡流将来自外界环境19的空气沿着流线22(本图仅举例示出)输送到涡流引导件3背向空气偏转件9的一侧。特别地,空气又从空气偏转件9背向涡流引导件3的一侧吸入并按流线22输送到发动机2的相对侧。这样就在涡流引导件3背向空气偏转件9的一侧形成推力射流23,从而产生上述部分推力。支援涡流21就用作送风手段,明显提高了送风装置8的效率。
本图所示的涡流引导件3和空气偏转件9彼此相对的布置中,发动机2的推力矢量平行于纵向中轴线4。为了使推力矢量倾斜并使飞行体1能够就此得到控制,涡流引导件3和空气偏转件9可彼此相对位移,即,使得排风隙11的尺寸可变,特别是局部可变。这意味着,排风隙11的尺寸在发动机2的圆周上均匀变化,又或者不均匀变化。例如,排风隙11在发动机2一侧变大而另一侧变小,使得从排风隙11流出的空气流速不同。
由于利用支援涡流21提供了至少部分推力,所述飞行体1具备工作极其节能的优势。此外,通过使涡流引导件3和空气偏转件9彼此相对运动,能够极其精确地控制飞行体1。特别地,飞行体1可以类似于直升机那样悬停在空中。然而,该飞行体1与直升机的区别是不受旋翼叶尖处最大流速的限制,因此能够达到相当高的速度。
Claims (15)
1.一种飞行体(1)的发动机(2),其环形涡流引导件(3)从截面来看具有关于所述发动机(2)的纵向中轴线(4)居中布置的进风口(6)以及与所述进风口(6)间隔且关于所述纵向中轴线(4)居中布置的出风口(7),所述进风口(6)与所述出风口(7)经由进气道(5)彼此流体连通,所述进气道(5)由所述涡流引导件(3)界定且容纳送风装置(8),其中,所述出风口(7)被空气偏转件(9)重叠,当所述发动机(2)正常运行时,所述空气偏转件(9)从测地线角度布置于所述涡流引导件(3)上方,所述空气偏转件(9)自所述出风口(7)起沿径向向外延伸,与所述涡流引导件(3)界定出与所述出风口(7)流体连通的排风隙(11),
其特征在于,
所述涡流引导件(3)呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;
所述进风口(6)直接通往所述发动机(2)的外界环境(19),以当所述发动机(2)正常运行时,将来自所述发动机(2)背向所述空气偏转件(9)一侧的空气通过所述进风口(6)输送到所述进气道(5)中。
2.根据权利要求1所述的发动机,其特征在于,所述涡流引导件(3)从截面来看一侧由第一轮廓面(15)界定而另一侧由第二轮廓面(16)界定,其中,两个轮廓面(15、16)在两侧直接连续汇合。
3.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述涡流引导件(3)构造为回转体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述排风隙(11)与所述出风口(7)经由径向通道(10)流体连通,所述径向通道(10)的流通横截面沿所述排风隙(11)的方向缩小,使其呈喷嘴式设计。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述空气偏转件(9)与所述涡流引导件(3)在径向上完全重叠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述空气偏转件(9)具有突出部(17),所述突出部(17)接合到进气道(5)中并附接有用于驱动所述送风装置(8)的驱动装置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述空气偏转件(9)的偏风面(12)面向所述涡流引导件(3)并界定所述径向通道(10),从截面来看连贯弯曲。
8.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,从截面来看,所述涡流引导件(3)的导风面(13)界定所述径向通道(10),所述偏风面(12)的曲率半径大于所述导风面(13)的曲率半径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述偏风面(12)的曲率半径和所述导风面(13)的曲率半径选择为使得所述径向通道(10)的流通横截面从所述出风口(7)到所述排风隙(11)连贯缩小。
10.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述涡流引导件(3)相对于所述空气偏转件(9)可移位,以使所述排风隙(11)的流通横截面发生整体和/或局部变化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述空气偏转件(9)和/或所述涡流引导件(3)具有流体密封的升力室,所述升力室填充有比空气密度低的气体。
12.根据前述权利要求中任一项所述的发动机,其特征在于,所述空气偏转件(9)和/或所述涡流引导件(3)中布置有所述飞行体(1)的至少一个可用空间。
13.一种用于操作飞行体(1)的发动机(2)、特别是根据前述权利要求中任一项或多项所述的发动机(2)的方法,所述发动机(2)的环形涡流引导件(3)从截面来看具有关于所述发动机(2)的纵向中轴线(4)居中布置的进风口(6)以及与所述进风口(6)间隔且关于所述纵向中轴线(4)居中布置的出风口(7),所述进风口(6)与所述出风口(7)经由进气道(5)彼此流体连通,所述进气道(5)由所述涡流引导件(3)界定且容纳送风装置(8),其中,所述出风口(7)被空气偏转件(9)重叠,当所述发动机(2)正常运行时,所述空气偏转件(9)从测地线角度布置于所述涡流引导件(3)上方,所述空气偏转件(9)自所述出风口(7)起沿径向向外延伸,与所述涡流引导件(3)界定出与所述出风口(7)流体连通的排风隙(11),
其特征在于,
所述涡流引导件(3)呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;所述进风口(6)直接通往所述发动机(2)的外界环境(19),以当所述发动机(2)正常运行时,将来自所述发动机(2)背向所述空气偏转件(9)一侧的空气通过所述进风口(6)输送到所述进气道(5)中。
14.一种具有至少一个发动机(2)、特别是根据前述权利要求中任一项或多项所述的发动机(2)的飞行体(1),所述发动机(2)的环形涡流引导件(3)从截面来看具有关于所述发动机(2)的纵向中轴线(4)居中布置的进风口(6)以及与所述进风口(6)间隔且关于所述纵向中轴线(4)居中布置的出风口(7),所述进风口(6)与所述出风口(7)经由进气道(5)彼此流体连通,所述进气道(5)由所述涡流引导件(3)界定且容纳送风装置(8),其中,所述出风口(7)被空气偏转件(9)重叠,当所述飞行体(1)正常运行时,所述空气偏转件(9)从测地线角度布置于所述涡流引导件(3)上方,所述空气偏转件(9)自所述出风口(7)起沿径向向外延伸,与所述涡流引导件(3)界定出与所述出风口(7)流体连通的排风隙(11),
其特征在于,
所述涡流引导件(3)呈至少在径向外侧具有连续线程的闭合曲线围绕旋转轴线旋转而成的回转体;
所述进风口(6)直接通往所述飞行体(1)的外界环境(19),以当所述发动机(2)正常运行时,将来自所述发动机(2)背向所述空气偏转件(9)一侧的空气通过所述进风口(6)输送到所述进气道(5)中。
15.根据权利要求14所述的飞行体,其特征在于,所述飞行体配置为航空器或适航机动车。
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