DE10060548A1 - Exhaust gas diffuser for gas-turbine-powered aircraft - Google Patents
Exhaust gas diffuser for gas-turbine-powered aircraftInfo
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Abstract
Description
Das vorliegende Patent befaßt sich mit der Nutzung der Abgaseigenschaften von Gasturbinen Flugzeugen zur Erzeugung eines zusätzlichen Auftriebs, da Auftrieb Sicherheit bedeutet und weil dieser aus Energie gewonnen wird, wird der Auftrieb immer teuerer werden.The present patent deals with the use of exhaust gas properties of gas turbine aircraft to generate additional lift, because buoyancy means security and because it is obtained from energy the buoyancy is becoming more and more expensive.
Aus dem Enthalpie-Entropie-Diagramm (Gasturbinen Kreisprozess - Skizze 1) geht hervor, daß am Ende der Düse immer ein ungenutztes Druckpotential im Abgasstrahl verbleibt.From the enthalpy-entropy diagram (gas turbine cycle - sketch 1) shows that at the end of the nozzle there is always an unused pressure potential in the Exhaust jet remains.
Andererseits kann eine Gasturbine nur dann Schub erzeugen, wenn die Geschwindigkeit der ausgetretenen Gase grösser ist als die der eingetretenen Luft (Grundprinzip).On the other hand, a gas turbine can only generate thrust if the The speed of the escaping gases is greater than that of the entering air (Basic Principle).
Aus diesen zwei Feststellungen ist zu entnehmen, daß die Abgase einer Flugzeug-Gasturbine am Ende der Düse über einen Schubrest und eine große Geschwindigkeit verfügen.It can be seen from these two findings that the exhaust gases are one Aircraft gas turbine at the end of the nozzle over a thrust rest and a large one Speed.
Aus der Gasenmechanik ist bekannt, daß der Schub von Gasen in einem Diffusor
deren Geschwindigkeit verändert (vergrößert). Geschwindikeitsänderungen der
Luft (Gase) um die Tragflächen eines Flugzeugs, Unter- oder Überdruck erzeugt,
welcher der Maschine einen (zusätzlichen) Auftrieb bzw. Abtrieb verleiht.
Um die Abgase einer Gasturbine in den Dienst eines Flugzeuges zu stellen,
müssen diese zunächst
It is known from gas mechanics that the thrust of gases in a diffuser changes their speed (increases). Changes in the speed of the air (gases) around the wings of an aircraft, negative or positive pressure, which gives the machine an (additional) lift or downforce. In order to put the exhaust gases of a gas turbine into the service of an aircraft, they first have to
- a) aufgefangen,a) collected,
- b) gebündelt undb) bundled and
- c) dahin gebracht werden, wo diese zum Einsatz kommenc) brought to where they are used
Diese drei fundamentalen Aufgaben übernimmt der Diffusor der Erfindung, eine spezielle Konstruktion aus Alu-Legierung, Skizze 2, Pos. 1.The diffuser of the invention, a special construction made of aluminum alloy, sketch 2 , item 1, takes on these three fundamental tasks.
Um die austretenden Gase aufzufangen und diese an die Tragflächen zu leiten, wird der Diffusor zwischen dem hinterem Teil der Gasturbine und der vorderen Stelle der Tragfläche eines Flugzeugs untergebracht, Skizze 2.To collect the escaping gases and direct them to the wings, the diffuser is placed between the back of the gas turbine and the front of the wing of an aircraft, sketch 2 .
Von außen betrachtet besteht der Diffusor aus dem zylindrischen Teil 2, in wel chen die Turbinenabgase eintreten und aus der Flosse, Teil 3, von deren Ende die Abgase um die Tragflächen geleitet werden.Viewed from the outside, the diffuser consists of the cylindrical part 2 , in which the turbine exhaust gases enter and the fin, part 3 , from the end of which the exhaust gases are conducted around the wings.
Skizze 3 zeigt die innere Struktur und Ausrüstung des Diffusors, die erforderlich sind, um den vielfältigen Aufgaben, die er vollbringen soll, zu genügen. Sketch 3 shows the internal structure and equipment of the diffuser, which are required to fulfill the various tasks that it is supposed to perform.
Der zylindrische Teil 2 des Diffusors besteht aus 2 (oder 3) ineinander gehen den Zylindern (Skizze 4.), d. h. aus dem Festzylinder 4 und den aüßeren beweglichen Zylindern 5 und 6., deren innere Flächen mit schallschluckendem Material 7 bezogen sind, wobei das freie Ende des aüßeren Zylinders eine trichterförmige Gestalt erhält. Die in axialer Richtung beweglichen Zylinder 5 und 6 werden, mit Hilfe des Schiebers 9, der Verzahnung 10 und der endlosen Schraube 11 des Bügels 12, zwischen dem festen Zylinder 4 des Diffusors und dem hinteren Teil der Turbine in die jeweils erforderliche Position gebracht. Die Flosse (Skizze 3) besteht aus den Flächen 14 (oben) und 15 (unten) unter teilt in rechteckige Schächte durch die Leitfläche 16, welche die Abgase bis auf die Tragfläche führen. Der Verteiler 17, der sich um die Scharniere 18 dreht, regelt das Volumen der Abgase. 17 und 18 sind an dem Konus 19 befestigt, der wiederum an der vorderen Seite des Tragflügels befestigt ist. Die Klappen 22 und 23, die sich um die Scharniere 20 und 21 drehen, regeln die Geschwindig keit der auf die Tragfläche strömenden Gase.The cylindrical part 2 of the diffuser consists of 2 (or 3) interlocking cylinders (sketch 4. ), That is, the fixed cylinder 4 and the outer movable cylinders 5 and 6. , Whose inner surfaces are covered with sound-absorbing material 7 , the free end of the outer cylinder receives a funnel-shaped shape. The axially movable cylinders 5 and 6 are, with the help of the slide 9 , the teeth 10 and the endless screw 11 of the bracket 12 , brought between the fixed cylinder 4 of the diffuser and the rear part of the turbine in the required position. The fin (sketch 3 ) consists of the surfaces 14 (above) and 15 (below) divided into rectangular shafts by the guide surface 16 , which lead the exhaust gases to the wing. The distributor 17 , which rotates around the hinges 18 , regulates the volume of the exhaust gases. 17 and 18 are attached to the cone 19 , which in turn is attached to the front side of the wing. The flaps 22 and 23 , which rotate about the hinges 20 and 21 , regulate the speed of the gases flowing onto the wing.
Skizze 3 (Pos. c) zeigt den Hebel 31, welcher um die Achse 32 gedreht, drückt mit dem Drucker 33 die untere Seite des Gemischaustrittkanals zwischen den Scharnieren 34 und 21 nach unten. Durch die entsprechende Einstellung der Klappe 23 findet eine Umlenkung der Strömung statt. Diese erzeugt einen star ken Druck auf die untere Tragfläche, welcher kombiniert mit einem gleichzeiti gen Unterdruck auf die obere Tragfläche eine Maximierung des Auftriebsan stiegs zufolge hat.Sketch 3 (item c) shows the lever 31 , which rotates about the axis 32 , presses the lower side of the mixture outlet channel between the hinges 34 and 21 down with the printer 33 . The flow is deflected by the appropriate adjustment of the flap 23 . This creates a strong pressure on the lower wing, which combined with a simultaneous vacuum on the upper wing maximizes the rise in lift.
Skizze 5 und 6 zeigen die Aufhängung der Turbine an der Maschine durch den Träger 41, des Diffusors an die Turbine durch den Bügel 12 und das Trennblech 42 der Diffusor Strömung.Sketches 5 and 6 show the suspension of the turbine on the machine by the carrier 41 , the diffuser on the turbine by the bracket 12 and the separator plate 42 of the diffuser flow.
Weil die Geschwindigkeit der Gase über der Tragfläche größer sind als üblich, um einen Abriss der Strömung an die Landeklappen zu vermeiden (Skizze 7, Pos. c) wird im Bereich der Diffusor-Strömungsbreite über das hintere Ende der Tragfläche 24 (Skizze 8) und der Landeklappe 25 eine Strömungsumlenkunsfüh rung 28 in der Hülle 29 angebracht (siehe auch Skizze 9, Pos. a und b), welche bei allen Positionen der Landeklappen die Kontinuität der Strömung sichern (Skizze 9 Pos. c und d) bzw. das Nichtzustandekommen von Turbulenzen und somit optimal als zusätzlicher Auftriebsverstärker arbeiten.Because the velocity of the gases above the wing is higher than usual, to avoid a break in the flow to the flaps (sketch 7 , item c), in the area of the diffuser flow width over the rear end of the wing 24 (sketch 8 ) and the flap 25 has a flow deflection guide 28 attached in the casing 29 (see also sketch 9 , items a and b), which ensure the continuity of the flow at all positions of the flaps (sketch 9 items c and d) or the failure of Turbulence and thus work optimally as an additional buoyancy amplifier.
Die große Austrittsgeschwindigkeit der Abgase aus der Turbine erzeugt einen Sog bei der umgebenden Luft, eine Art Mitstromeffekt, welcher diese mitreißt, bedingt auch durch den trichterförmigen Kopf des Diffusors, so daß in den Diffusor ein Gemisch aus Abgasen und Luft hineinströmt, zunächst Gemisch genannt. The high exit velocity of the exhaust gases from the turbine creates one Suction in the surrounding air, a kind of co-current effect, which sweeps it away, also due to the funnel-shaped head of the diffuser, so that in the A mixture of exhaust gases and air flows into the diffuser, initially a mixture called.
Der axiale Bläser, welcher aus dem Restschub der Strömung angetrieben wird, macht aus der zylinderförmigen turbulenten Strömung des Gemischs eine gleichmäßige, ein homogenisiertes Gemisch, welches als flache, kastenförmige laminare Strömung den Diffusor verläßt und auf die Tragfläche der Maschine kontinuierlich strömt.The axial fan, which is driven by the residual thrust of the flow, makes one out of the cylindrical turbulent flow of the mixture uniform, a homogenized mixture, which as a flat, box-shaped laminar flow leaves the diffuser and onto the wing of the machine flows continuously.
Mit Hilfe des Verteilers 17 wird das Volumen des Gemischs an die gewünschte Austrittsseite (obere oder untere) des Tragflügels geleitet. Die Klappen 22 und 23 regeln durch die Größe ihrer Öffnung die Austrittsgeschwindigkeit des Gemischs. Das Gemisch strömt mit einer viel größeren Geschwindigkeit über die Tragflügel als die Geschwindigkeit der umgebenen Luft, die maximal gleich mit der Geschwindigkeit der Maschine ist. Die Geschwindigkeit des Gemischs ist regulierbar, selbsterzeugend und kontinuierlich. Es besteht daher zu keiner Phase des Fluges die Möglichkeit einer Unterbrechung der Strömung über die Tragflügel.With the help of the distributor 17 , the volume of the mixture is directed to the desired outlet side (upper or lower) of the wing. The flaps 22 and 23 regulate the exit velocity of the mixture by the size of their opening. The mixture flows over the wings at a much higher speed than the speed of the surrounding air, which is at most equal to the speed of the machine. The speed of the mixture is adjustable, self-generating and continuous. There is therefore no possibility of interrupting the flow over the wings at any phase of the flight.
Der Verteiler 17 und die Klappen 22 und 23 können das Volumen und die Geschwindigkeit des Gemischs über die Tragflügel so dosieren, daß auf jeder Seite der Tragflügel die gewünschte Wirkung entsteht, welche in den meisten Fällen die schnelle Vergrößerung des Auftriebs ist.The distributor 17 and the flaps 22 and 23 can dose the volume and the speed of the mixture over the wings so that on each side of the wing there is the desired effect, which in most cases is the rapid increase in lift.
Der Diffusor erzeugt eigenen regulierbaren Auftrieb unabhängig von dem Anstellwinkel der Maschine.The diffuser creates its own adjustable buoyancy regardless of that Angle of attack of the machine.
Der Diffusor erzeugt und liefert Auftrieb auf die Tragflügel der Maschine, sobald
die Triebwerke in Betrieb sind. Für das Abheben der Maschine, die beim
Anrollen an die Startbahn bereits über genügend Auftrieb auf die Tragfläche
verfügt, wird eine kleine Geschwindigkeit (V1-Diff < V1) erforderlich für das
Abheben der Maschine. Dies bedeutet:
The diffuser creates and delivers lift to the wing of the machine as soon as the engines are in operation. A low speed (V 1-Diff <V 1 ) is required to lift off the machine, which already has sufficient lift on the wing when it rolls onto the runway. This means:
- - Schubersparnis (Energie)- Slip savings (energy)
- - kleine Belastung (Ermüdung) der Strukturverbände der Maschine- small load (fatigue) of the structural associations of the machine
- - niedrigere Lärmerzeugung (Intensität und Dauer)- lower noise generation (intensity and duration)
- - Start mit großen Auftriebsreserven (Sicherheit)- Start with large buoyancy reserves (safety)
- - Startunterbrechung problemlos wegen der kleinen V1 Geschwindigkeit und der ungenutzten Landebahn- Start interruption without problems due to the low V 1 speed and the unused runway
Skizze 10 zeigt den Start von Maschinen mit und ohne Diffusor bei gleichem Anstellwinkel. Die Diffusor-Maschine steigt durch den zusätzlichen Auftrieb AD des Diffusors schneller auf die optimale Flugreisehöhe und bewältigt die Flugstrecke A-B (Skizze 11) schneller bei optimaler Fluggeschwindigkeit ohne extensive Belästigung des Flughafens und der Umgebung durch den flachen Anstiegsflug als konventionelle Maschinen. Steilflug ist bekanntlich teuer und dem Anstellwinkel sind Grenzen gesetzt, Abriß der Strömung, Bildung von Turbulenzen mit Verlust des Auftriebs. Der gleiche Vorgang in umgekehrter Reihenfolge gilt beim Verlassen der Flugreisehöhe umd beim Landeanflug bzw. Landen. Der zusätzliche Auftrieb AD des Diffusors ist beim Landen viel öfter und von viel größerer Bedeutung als beim Starten. AD ermöglicht der Maschine eine kleinere Landegeschwindigkeit, was für die Sicherheit nicht selten von unermäßlicher Bedeutung ist. Sobald die Maschine auf der Landebahn aufgesetzt hat, wird auf negativen Auftrieb umgeschaltet, d. h. die Maschine übt einen großen regulierbaren Druck nach unten aus und erzeugt dadurch eine bremsende Wirkung, welcher diese schnell zum Stehen bringt.Sketch 10 shows the start of machines with and without a diffuser at the same angle of attack. Due to the additional buoyancy A D of the diffuser, the diffuser machine rises faster to the optimal flight altitude and manages the flight route AB (sketch 11 ) faster at optimal flight speed without extensive nuisance to the airport and the surrounding area due to the flat climb flight than conventional machines. Steep flights are known to be expensive and there are limits to the angle of attack, the flow breaking off, the formation of turbulence with loss of lift. The same procedure in reverse order applies when leaving the flight altitude and when approaching or landing. The additional buoyancy A D of the diffuser is much more frequent when landing and of much greater importance than when starting. A D enables the machine to land at a lower speed, which is often of immense importance for safety. As soon as the machine touches down on the runway, a switch is made to negative buoyancy, ie the machine exerts a large, adjustable pressure downwards, thereby producing a braking effect, which quickly brings it to a standstill.
Aus der Skizze 11 geht hervor, daß je kürzer die Strecke A-B ist, desdo größer sind die wirtschaftlichen Vorteile des Start/Landevorgangs mit Diffusormaschi nen.From sketch 11 it can be seen that the shorter the distance AB, the greater the economic advantages of taking off / landing with diffuser machines.
Die meisten (statistisch ca. 80%) der Flugzeugkatastrophen geschehen beim Starten und Landen. Die kleine Start/Landegeschwindigkeit, ermöglicht durch den zusätzlichen Auftrieb des Diffusors, daß solche Katastrophen sich verringern werden.Most (about 80% statistically) of the aircraft disasters happen at Taking off and landing. The small take-off / landing speed made possible by the additional lift of the diffuser that such disasters are reduced become.
Der Diffusor verbessert die aerodynamische Güte (Gleitzahl) der Maschine,
Bekanntlich ist
The diffuser improves the aerodynamic quality (glide ratio) of the machine, as is known
(wobei A = Auftrieb = Strecke)(where A = buoyancy = distance)
Da AD < A ist, vergrößert sich die Gleitstrecke, und die Maschine bekommt einen längeren Gleitflug durch die Verkleinerung des Gleitwinkels.Since A D <A, the glide distance increases and the machine gets a longer glide flight by reducing the glide angle.
Die Auftriebsgewinnung bei ausgefallenen Triebwerken von Diffusormaschinen erfolgt durch Einschaltung des axialen Bläsers, mit Stromlieferung vom APU. Der Bläser drückt die angesaugte atmosphärische Luft durch die Schächte des Diffusors auf die volle Breite der Flossen, die gleichmäßig und laminar auf die Tragfläche strömt und dadurch die optimale Auftriebsgewinnung erzeugt.Buoyancy in the case of failed engines of diffuser machines takes place by switching on the axial fan, with power supply from the APU. The blower pushes the suctioned atmospheric air through the shafts of the Diffuser on the full width of the fins, which are even and laminar on the The wing flows and thereby generates the optimal lift.
Die Diffusormaschinen verfügen über zwei wichtige Eigenschaften, welche ihnen
einen relativ weniger anfälligen Flug bei schlechter Wetterlage ermöglichen:
The diffuser machines have two important properties that enable them to fly relatively less easily in bad weather conditions:
- 1. ein großer Teil der Tragflächen fliegt in eine eigene, selbst erzeugte und gleichmäßig verbreitete kontinuierliche Luft (Gemisch) Strömung. Dadurch wird der Einfluß von Turbulenzen und starken Windböen verringert.1. a large part of the wings flies into its own, self-generated and evenly spread continuous air (mixture) flow. Thereby the influence of turbulence and strong gusts of wind is reduced.
- 2. die schnelle Erzeugung von großem (zusätzlichen) Auftrieb.2. the rapid generation of large (additional) buoyancy.
Diese Eigenschaft, zusammen mit 1), hilft der Maschine bei der sofortiger Rückgewinnung der verlorenen Flughöhe (Sturz) beim Durchfliegen von LuftlöchernThis feature, along with 1), helps the machine in the instant Recovery of the lost flight altitude (fall) when flying through air holes
Die Fähigkeit des Diffusors auf jeder Seite eines Tragflügels Auftrieb oder Ab trieb zu erzeugen steigert schnell die Leistung des Höhen - und Querruders weit über deren Kapazität hinaus und dadurch die Wendigkeit der Maschine insge samt. Der Diffusor kann im Notfall das Höhen- und Querruder ersetzen. Die Wendigkeit der Maschinen wird zunehmend wichtiger durch die ständig wachsenden Starts und Landungen bei allen großen Flughäfen von wo aus zunehmend von "beinahe" Zusammenstößen gemeldet wird.The ability of the diffuser on either side of a wing to lift or descend Generating propulsion quickly increases the performance of the elevator and ailerons beyond their capacity and thereby the maneuverability of the machine in total velvet. The diffuser can replace the elevator and ailerons in an emergency. The maneuverability of the machines is becoming increasingly important due to the constant growing takeoffs and landings at all major airports from where "almost" clashes are increasingly reported.
Das Problem der Lärmbelästigung der Flughäfen und deren Umgebung wächst ständig durch die ständig wachsende Anzahl der Maschinen.The problem of noise pollution at airports and their surroundings is growing constantly by the ever increasing number of machines.
Der Diffusor, welcher den steilen Flug der Maschine beim Starten (und Landen) leicht ermöglicht, kann die Lärmbelästigungsdauer für den Flughafen und seine Umgebung verkürzen.The diffuser, which takes the steep flight of the machine when starting (and landing) allows easy, the duration of noise pollution for the airport and its Shorten the environment.
Die Hauptursache der Lärmquelle jedoch ist bekanntlich die Phase der intensiven "Mischung" des Abgase-Strahls mit der umgebenden Luft der Atmosphäre, gleich nach dem Austritt der Abgase aus der Turbine.The main cause of the noise source, however, is known to be the intensive phase "Mixing" the exhaust gas jet with the surrounding air of the atmosphere, equal after the exhaust gases exit the turbine.
Aus diesen Gründen findet der "Mischungs"-Vorgang nicht im Freien statt, sondern innerhalb eines dafür mit schallschluckendem Material verkleideten Raumes, welcher bis zu dem Abgas-Austritt der Turbine herangefahren werden kann. Diesen Raum liefern die Zylinder 6 und 5 der Skizze 4. Bei dem Mischungs-Vorgang wandelt sich die Rest-Energie des Abgas-Strahls in kinetische Energie um, welche vom Diffusor absolut kontrollierbar und daher nützlich ist.For these reasons, the "mixing" process does not take place outdoors, but within a room covered with sound-absorbing material, which can be moved up to the exhaust gas outlet of the turbine. This space is provided by cylinders 6 and 5 of sketch 4 . In the mixing process, the residual energy of the exhaust gas jet is converted into kinetic energy, which is absolutely controllable by the diffuser and is therefore useful.
Durch diese Verlegung des "Mischungs"-Vorgangs wird eine beträchtliche Lärmminderung erwartet.This postponement of the "blending" process becomes a considerable one Noise reduction expected.
Dieser Vorgang soll beim Starten und Landen angewandt werden.This process should be used during takeoff and landing.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009029400A (en) * | 2007-06-22 | 2009-02-12 | Toyota Motor Corp | Flying unit |
DE102011112941A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | Helmut Tank | Engine assembly for aircraft, has engine that is arranged either before air wings or behind the air wings, where engine flame is directed around or on or below air wings if engine is arranged before air wings |
-
2000
- 2000-12-06 DE DE10060548A patent/DE10060548A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009029400A (en) * | 2007-06-22 | 2009-02-12 | Toyota Motor Corp | Flying unit |
DE102011112941A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | Helmut Tank | Engine assembly for aircraft, has engine that is arranged either before air wings or behind the air wings, where engine flame is directed around or on or below air wings if engine is arranged before air wings |
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