DE10115766A1 - Schuberzeuger - Google Patents

Abstract

Es wird ein Schuberzeuger zur Verfügung gestellt, der eine sehr einfache Handhabung ermöglicht und erheblich preiswerter herzustellen ist als bekannte Strahltriebwerke, was dadurch erreicht wird, dass als Verdichterantrieb (4) eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Elektromotor an den Turboverdichter (1) angekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schuberzeuger gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind Strahltriebwerke bekannt, die einen Turboverdichter, einen Brenner und eine Turbinenstufe aufweisen, wobei Turbinenstufe und Turboverdichter über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind und die Turbinen­ stufe den Turboverdichter antreibt. Ein solches Strahltriebwerk weist jedoch wesentliche Nachteile auf, wenn es als Schuberzeuger beispielsweise in Segelflugzeugen oder in Modellen von Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen eingesetzt werden soll. Zum einen ist ein solches Strahltriebwerk auf Grund seines komplexen Aufbaus in wirtschaftlicher Hinsicht sehr ungünstig und zum anderen ist ein Strahltriebwerk schwer regelbar und besitzt auch im Leerlauf einen Restschub, welcher sich in einigen Einsatzbereichen, wie bei­ spielsweise beim Landeanflug eines Seglers, wenn kein Vortrieb erwünscht ist, sehr negativ auswirken kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen leichten Schuberzeuger zur Verfügung zu stellen, der eine sehr einfache Handhabung und Regelung ermöglicht und der erheblich preiswerter herzustellen ist als bekannte Strahltriebwerke.

Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerk­ malen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruches 1 angegebene technische Lehre vermittelt.

Dadurch, dass als Verdichterantrieb nicht eine Turbinenstufe, sondern eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Elektromotor an den Turboverdichter angekoppelt ist, vereinfacht sich die Handhabung des Schuberzeugers im Vergleich zu konventionellen Strahltriebwerken erheblich, da beispielsweise zum Anlassen des Schuberzeugers einfach die Verbrennungskraftmaschine oder der Elektromotor auf herkömmliche Art und Weise in Betrieb gesetzt wird, die dann den Turboverdichter antreibt. Damit entfallen die ansonsten zum Anlassen einer Turbine erforderlichen Hilfsaggregate.

Weiterhin lässt sich ein solcher Schuberzeuger erheblich preiswerter herstel­ len als ein normales Strahltriebwerk, da eine Turbinenstufe wie auch die erforderliche Wellenlagerung und die Wellenverbindung zum Antrieb des Turboverdichters entfallen können. Weiterhin kann durch ein einfaches Ab­ stellen des Verdichterantriebes der erzeugte Schub sofort auf Null herabge­ senkt werden, sodass beispielsweise im Landeanflug eines Segelflugzeuges oder Segelmodellflugzeuges kein Restschub mehr vorhanden ist, welcher sich in der Regel negativ auf das Landeverhalten auswirken würde. Durch die einfache Beeinflussung der Drehzahl des Turboverdichters über den verwendeten Verdichterantrieb lässt sich die Leistung des Schuberzeugers optimal einem momentan benötigten Leistungsbedarf anpassen. Herkömm­ liche Strahltriebwerke weisen weiterhin den Nachteil auf, dass Leistungsver­ luste durch eine nötige Kühlluftentnahme auftreten, die bei dem erfinderi­ schen Schuberzeuger nicht erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil des Schuberzeugers entsteht beim Ersatz eines propel­ lerbetriebenen Hilfsantriebes, da der Schuberzeuger anders als ein Propel­ ler keinerlei Dreh- oder Kippmomente in ein damit angetriebenes Land-, Luft oder Wasserfahrzeug einleitet und absolut torque-frei arbeitet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung erge­ ben sich mit und in Kombination aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichterantrieb innerhalb des im Betrieb unter Überdruck stehenden Innenraumes des Gehäuses des Schuberzeugers hinter dem Turboverdich­ ter angeordnet, sodass bei Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine als Verdichterantrieb ein besserer Füllungsgrad ihrer Arbeitsräume erreicht wird, als dies bei einer bei Umgebungsdruck arbeitenden Verbrennungs­ kraftmaschine der Fall wäre. Auch die Motorkühlung einer solchen Verbrennungskraftmaschine kann auf Grund der sie umgebenden Luft­ menge optimiert werden, sodass ein Verdichterantrieb im Bereich seiner optimalen Arbeitstemperatur betrieben werden kann. Die Motor- und Ab­ gaswärme kann dabei gleichzeitig zur Druckerhöhung und zur Wirkungs­ gradsteigerung des Schuberzeugers verwandt werden. Die verbesserte Zy­ linderfüllung bringt als weiteren positiven Nebeneffekt eine Steigerung der Motorleistung mit sich.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Schuberzeugers ist im Gehäuse im Bereich der Ausströmdüse eine Schubrichtungsdüse verstellbar angeordnet, sodass beispielsweise beim Einbau des Schuberzeugers in ein Segelflugzeug oder in ein Modellflugzeug eine Unterstützung der Höhen- und/oder Seitenruder erfolgen kann und gleichzeitig deren erforderlicher Anstellwinkel verringert oder die Ruder insgesamt kleiner dimensioniert wer­ den können, wodurch eine weitere Verbesserung des Flugverhaltens erreicht wird, da alle Ruderbewegungen unnötige Widerstandskräfte erzeugen.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Stellmotoren für die Schubrich­ tungsdüse innerhalb des Gehäuses des Schuberzeugers, da sie sich dort nicht negativ auswirken, aber eine universelle Verwendung des Schuber­ zeugers für die unterschiedlichsten Verwendungszwecke ermöglichen, da er bei äußerst kompakten Außenabmessungen nur mit wenigen Versorgungs- und Steuerleitungen versehen werden muß.

Bei einer weiteren vorteilhafte Weiterbildung des Schuberzeugers bzw. ei­ nes damit ausgestatteten Seglers oder eines Modells ist hinter der Aus­ strömdüse mit einer Luftleitvorrichtung für eine Schubumkehr vorgesehen, um beispielsweise eine Bremswirkung zu erzielen. Auf Grund des Bauprin­ zips des Schuberzeugers kann bei einer Ausführungsform ohne nachge­ schalteten Brenner die Luftleitvorrichtung entsprechend kostengünstig aus­ geführt werden, da sich die Strahltemperatur in der Regel weit unterhalb von 100°C bewegt, sodass keine entsprechenden Schutzmaßnahmen für im Bereich hinter der Ausströmdüse befindliche Bauteile vorgesehen werden müssen.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Schuber­ zeugers ist der Turboverdichter als Radialverdichter ausgebildet, er kann jedoch auch als Axial- oder auch als Diagonalverdichter ausgeführt sein, wobei es insbesondere bei einem Axialverdichter denkbar ist, mehrere Schaufelkränze hintereinander anzuordnen und sowie auch die einzelnen Schaufelkränze mit separaten Verdichterantrieben auszustatten.

Bei der Verwendung des erfinderischen Schuberzeugers in einem Segel­ flugzeug kann dieser als Hilfsantrieb in einen Flugzeugrumpf eingebaut sein, wobei sich hier als Verdichterantrieb die Verwendung eines Verbren­ nungsmotors anbietet, sei es eine Hubkolbenmaschine oder auch eine Kreiskolbenmaschine. Eine Verwendung anderer Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise die einer Gasturbine oder eines Sterlingmotors sind jedoch nicht ausgeschlossen. Ein solcher Schuberzeuger lässt sich bei Bedarf ein­ fach starten, ohne dass ein Hilfsantrieb in Form eines Propellers aus dem Rumpf ausgefahren werden müsste, da der Schuberzeuger keine oder nur geringfügig über die Kontur eine Rumpfes hervorstehenden Bauteile auf­ weist. Nach einer Benutzung des Schuberzeugers kann eine Schöpfklappe bzw. die Einlassöffnung im Flugzeugrumpf zur Belüftung so lange geöffnet bleiben, bis der Verdichterantrieb auf eine vorherbestimmte Temperatur abgekühlt ist, ohne dass sich dieser Vorgang nachteilig auf das Flugverhal­ ten oder den Gleitwinkel auswirkt. Die Einlassöffnung ist dabei vorzugswei­ se als strömungstechnisch optimierter Lufteinlauf ausgebildet.

Bei einem Modell eines Land-, Luft- oder Wasserfahrzeuges ist bevorzug­ terweise als Haupt- oder Hilfsantrieb ein hochdrehender Elektromotor ein­ gesetzt, der die Handhabung eines solchen Modells extrem vereinfacht. Die Maximaldrehzahl kann bei einem solchen Elektromotor beispielsweise etwa 60-80.000 Umdrehungen pro Minute betragen. Als besonders vorteilhaft ist bei mit einem solchen Antrieb ausgestatteten Flugmodell hervorzuheben, dass eine Brandgefahr eines beispielsweise in ein Gehölz abgestürzten Models erheblich geringer ist als bei Flugmodellen mit flüssigem Brennstoff, da Stromakkumulatoren im wesentlichen schwer entflammbar ausgeführt sind.

Denkbar ist jedoch auch hier die Verwendung von bekannten Miniatur- Modell-Brennkraftmaschinen zum Antrieb des Turboverdichters.

Ein weiterer Vorteil des in ein Flugmodell oder ein Segelflugzeug eingebau­ ten Schuberzeugers ist darin zu sehen, dass der Verdichterantrieb bzw. der gesamte Schuberzeuger in dessen Flugzeugrumpf eingebaut werden kann, welcher damit einen sehr tiefen Schwerpunkt aufweist, der sich nicht negativ auf das Flugverhalten auswirkt. Zusätzlich kann die Ausströmdüse eben­ falls in einer horizontalen Achse des dynamischen Schwerpunktes eines Seglers angeordnet werden, sodass sich der Schub nicht negativ auf das Flugverhalten auswirkt, wie das bei ausklappbaren Notantrieben von Segel­ flugzeugen der Fall ist. Die Abgasführung einer als Verdichterantrieb ver­ wendeten Brennkraftmaschine erfolgt in vorteilhafter Weise koaxial mit der Druckluft bis in den bereich der Ausströmdüse.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Schuberzeuger hinter dem Turboverdichter und vor der Ausströmdüse mit einem Brenner versehen sein, in dem die durch den Turboverdichter verdichtete Luft erwärmt wird, sodass sich durch die temperaturbedingte Volumenzunahme der erzielbare Schub wesentlich vergrößert. Auch eine solche vorteilhafte Ausführungsform ist im Gegensatz zu einem bekannten Strahltriebwerk noch erheblich wirtschaftlicher herzustellen und besitzt zu­ dem ein verbessertes Leistungsgewicht.

Der erfinderische Schuberzeuger kann des weiteren auch zu einer gänzlich anderen Verwendung herangezogen werden, nämlich als Hilfsantrieb für ein Fahrrad, wobei seine Ausströmdüse mit Leitschaufeln ausgestattet ist und der Schuberzeuger selber seitlich eines Laufrades im Bereich der Fel­ gen an einem Fahrzeugrahmen angeordnet ist und in dem Laufrad ein Leitschaufelkranz angeordnet ist, dessen Leitschaufeln korrespondierend zu den Leitschaufeln des Schuberzeugers angeordnet sind. Auf der entgegen­ gesetzten Seite des Schuberzeugers kann an dem Fahrzeugrahmen zusätz­ lich ein Leitblech angeordnet sein, welches an dem Leitschaufelkranz des Rades vorbeiströmende Luft nach hinten umleitet und so einen weiteren An­ teil zur Verbesserung des Vortriebs liefert.

Entsprechend einer anderen erfinderischen Weiterbildung kann der Schub­ erzeuger ebenfalls als Antrieb eines Gleitschirmfliegers dienen und ist dafür in einem Rückentragegestell angeordnet, in dem auch, je nach verwende­ tem Verdichterantrieb, Energiespeicher in Form von Tanks mit flüssigem Brennstoff oder alternativ Batterien vorgesehen sein können.

Nachfolgend sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze eines ersten Schuberzeugers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze einer Einbaulage des Schuberzeugers in einem Rumpf eines Segelflugzeuges und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Prinzipskizze eines Schuberzeugers mit nachgeschaltetem Brenner.

Der Schuberzeuger besteht aus einem Gehäuse 3; 13; 23, in dem ein Tur­ boverdichter 1; 11; 21 hinter einem Lufteinlauf 6; 16; 26 angeordnet ist und der als Radialverdichter ausgeführt ist. Dieser wird über einen Verdichter­ antrieb 4; 14; 24 angetrieben, wobei dieser Antrieb unmittelbar oder über ein Getriebe 20 erfolgen kann, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Luftauslass des Gehäuses 3; 13; 23 ist als Ausströmdüse 5; 15; 25 ausgebil­ det, wobei, wie in Fig. 1 dargestellt, dort eine Schubrichtungsdüse 7 ange­ ordnet sein kann, die zusätzliche Bypassöffnungen 8 aufweist, die verhin­ dern sollen, dass dort ein Strömungsabriss erfolgt. Zeichnerisch nicht dar­ gestellt sind innerhalb des Gehäuses 3; 13; 23, in dessen Innenraum 9; 19; 29 angeordnete Servo-Motoren zur Verstellung der Schubrichtungsdüse 7.

Die in den Lufteinlauf 6; 16; 26 angesaugte Luft wird im Turboverdichter 1; 11; 21 mit seinen Leitschaufeln 2; 12; 22 verdichtet und umströmt dabei den Verdichterantrieb 4; 14; 24 und dessen ebenfalls nicht dargestellte Kühlvor­ richtung. Im Falle der Ausbildung des Verdichterantriebs 4; 14; 24 als Verbrennungskraftmaschine wird auf Grund des im Innenraum 9; 19; 29 des Gehäuses 3; 13; 23 vorhandenen Überdrucks der Füllungsgrad der Arbeits­ räume und damit auch die Leistung der Maschine wesentlich verbessert.

Wie in Fig. 3 dargestellt, kann sich dem Gehäuse 23 des Schuberzeugers ein Brennkammergehäuse 27 anschließen, in dem ein Brenner 28 mit einer sich darin anschließenden Brennkammer 33 angeordnet ist, wobei der Brenner 28 über eine Kraftstoffzuführung 32 mit Kraftstoff versorgt wird und der Brenner 28 über eine Zündvorrichtung 31 gezündet werden kann. In der Brennkammer 33 sind Kühlluftbohrungen 30 angeordnet.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann der Schuberzeuger im Flugzeugrumpf 18 eines Seglers eingebaut sein, wobei dort eine Einlassöffnung 17 als strö­ mungstechnisch optimierter Lufteinlauf und eine Auslassöffnung in Form ei­ ner Ausströmdüse 15 angeordnet ist, hinter der eine bei Bedarf ausfahrba­ re Luftleitvorrichtung 34 angeordnet ist, mit der der erzeugte Schub zu Bremszwecken nach vorne umgeleitet werden kann. Das Abgasrohr 36 der Verbrennungsgase eines als Brennkraftmaschine ausgebildeten Verdichter­ antriebs 14 ist koaxial bis zur Ausströmdüse 15 geführt.

Claims (16)

1. Schuberzeuger aus einem Gehäuse mit einem Lufteinlauf, einem Ver­ dichterantrieb und einer Ausströmdüse sowie einer Energieversorgung für den Verdichterantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichter­ antrieb (4; 14; 24) eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Elektromotor an den Turboverdichter (1; 11; 21) angekoppelt ist.

2. Schuberzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterantrieb (4; 14; 24) innerhalb des im Betrieb unter Überdruck stehenden Innenraum (9; 19; 29) des Gehäuses (3; 13; 23) hinter dem Turboverdichter (1; 11; 21) angeordnet ist.

3. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Gehäuse (3) im Bereich der Ausströmdüse (5) eine Schubrichtungsdüse (7) verstellbar angeordnet ist.

4. Schuberzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schubrichtungsdüse (7) Stellmotoren angreifen, die innerhalb des im Be­ trieb unter Überdruck stehenden Innenraumes (9) des Gehäuses (3) an­ geordnet sind.

5. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass hinter der Ausströmdüse (15) eine Luftleitvorrichtung (34) für eine Schubumkehr vorgesehen ist.

6. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Turboverdichter (1; 11; 21) als Radialverdichter ausgebildet ist.

7. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass der Verdichter als Axialverdichter ausgebil­ det ist.

8. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass im Gehäuse (3; 13; 23) mehrere separate Turbover­ dichter (1; 11; 21) oder mehrere Verdichterstufen hintereinander ange­ ordnet sind.

9. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mehrere Verdichterantriebe (4, 14; 24) in dem Ge­ häuse (3; 13; 23) angeordnet sind.

10. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass hinter dem Turboverdichter (21) und vor der Ausströmdüse (25) ein Brenner (35) angeordnet ist, mit dem die verdichtete Luft im Innenraum (29) des Gehäuses (23) erwärmbar ist.

11. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass er in einem Segelflugzeug als Hilfsantrieb in einem Flugzeugrumpf (18) eingebaut ist und mit einem Verbrennungsmotor als Verdichterantrieb (14) ausgestattet ist.

12. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, dass er in einem Modell eines Land-, Luft- oder Wasserfahrzeuges als Haupt- oder Hilfsantrieb eingebaut ist.

13. Schuberzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterantrieb (4; 14; 24) als hochdrehender Elektromotor ausgebil­ det ist.

14. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, dass er an seiner Ausströmdüse (25) mit Leit­ schaufeln ausgestattet ist und er seitlich eines Laufrades eines Fahrra­ des an einem Fahrzeugrahmen angeordnet ist und dass an dem Lauf­ rad ein Leitschaufelkranz vorgesehen ist.

15. Schuberzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Schuberzeuger entgegen gesetzten Seite des Laufrades ein den Luftstrom nach hinten umleitendes Leitblech an dem Fahrzeug­ rahmen festgelegt ist.

16. Schuberzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, dass er zusammen mit einem Energiespeicher in einem Rückentragegestell eines Gleitschirmfliegers angeordnet ist.