-
Die Erfindung betrifft eine Antriebsanlage für ein Flugzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Zum Betreiben eines ummantelten Schaufelwerks (Mantelpropeller) passt am besten eine Kolbenkraftmaschine mit kontinuierlichem Arbeitsprozess und großer Drehzahl. Das ermöglicht trotz unvermeidlichem Reduziergetriebe die Entwicklung eines Triebwerks, das wirtschaftlicher und umweltfreundlicher ist als Triebwerken mit einer Gasturbine als Kraftmaschine.
-
Kolbenkraftmaschinen mit gleichmäßigem Arbeitsprozess bei gleichzeitig hohen Drehzahlen sind bekannt. Der allseits bekannten Wankelmotor bzw. dessen Modifikationen, (z. b.
WO 95/16116 A1 ,
WO 96/11334 A1 ,
WO 96/12878 A1 , oder
WO 98/49435 A1 ) sowie verschiedene Arten der Rotations- und Kreiskolben-Motoren (z. B.,
DE 4324997 A1 ,
WO 99/46494 A1 ) sind Kraftmaschinen, die gleichmäßig und mit hohen Drehzahlen arbeiten. Diese Projekte haben bis heute keine große Verwendung als Triebwerke für Flugapparate und auch im sonstigen Verkehrswesen gefunden.
-
Ein großes Manko sind die freien Massenkräfte, die die Drehzahlen begrenzen oder große Abmessungen und Gewicht zur Folge haben, oder aber sie haben erhöhten Verschleiß an Verdichtungsteilen.
-
Aber auch der gewöhnliche Kolbenmotor bietet noch Möglichkeiten.
-
Weitere Perspektiven öffnen sich mit der Entwicklung von hybriden kolbenhydraulischen Konstruktionen, die eine kompakte und spindelförmliche Gestalt haben und sich gut mit Mantelpropellem oder ummantelten Schaufelwerken kombinieren lassen, und die ohne Kurbelwellenmechanismus auskommen können.
-
Eine solche Konstruktion zeigt die
DE 102 14 534 A1 , die den nächstliegenden Stand der Technik dargestellt. Hierbei sind die Zylinderkolbenkraftmaschine und die Hydraulik kombiniert, um Synergieeffekte nutzen zu können. Die Kolben sind für beide Medien (Gas und Hydraulikflüssigkeit) Kontakt- und Übertragungselement und trennen auch beide Medien.
-
Vorteile ergeben sich aus der Verbindung der hohen wirtschaftlichen Leistung der Kolbenmotoren mit der hohen Leistungsmasse der Hydrogetriebe bei der Kraftübertragung. Erstens werden Unregelmäßigkeiten in der Arbeitsweise durch das Hydrogetriebe eingeebnet, zweitens dient das Hydrogetriebe auch als Reduziergetriebe, und drittens, entfällt der gesamte Kurbelwellenmechanismus.
-
Dadurch ergibt sich eine hybride kolbenhydraulische Kraftmaschine in Freiflugkolbenbauart, bei der man allerdings auch Maßnahmen zur Regulierung der Arbeitsweise benötigt, d. h. für den Ablauf der Phasen: Ansaugung, Komprimierung, Arbeitsgang und Ausstoß.
-
Kolbenmotoren, in denen der Kurbelwellenmechanismus fehlt, bildet ein System mit Freiflugkolben, die miteinander verbunden sind. Dieses Kolbenmotorart ist auch aus der
WO 85/03979 ,
DE 3029287 A1 , oder
DE 33277334 A1 bekannt.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung dergestalt weiter zu bilden, dass eine ordentliche Spülung der Arbeitskammern gewährleistet ist.
-
Die Einzelheiten der Erfindung sind im Folgenden näher erläutert und in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt
-
1 ein Triebwerk, das aus einem ummantelten Schaufelwerk (Mantelpropeller) und einer Kraftmaschine besteht,
-
2 ein Achsschnitt durch die Kraftmaschine mit Querschnitten.
-
Das in 1 dargestellte Triebwerk umfasst eine spindelförmige Kraftmaschine (3), die die Funktion einer Druckquelle erfüllt und aus zwei ähnlichen, symmetrisch zu den Achsen eingerichteten Einheiten besteht, ein Schaufelwerk (30) mit Zahnradhydromotor in der Nabe, die zwischen beiden Einheiten angeordnet ist, einen Mantel) (31) und einen Holm (32), der die Kraftmaschine (3) mit dem Schaufelwerk (30) und dem Mantel in einer Einheit verbindet.
-
Eine Weiterentwicklung ist in 2 zu sehen. Die Kraftmaschine (3) besteht aus zwei Zylindern (2), zwei medientrennenden Kolben (4), die mit einer starren Stange (15) verbunden sind, zwei Basisbuchsen (6) mit festeingebautem Achsenteil (19) und einem zum Rotor gehörenden Hydromotor.
-
Zu den wichtigsten Teilen gehören auch noch Dehnbuchsen (8), Lufteinlassventile (5, 9 und 17) und Festhaltemechanismen (10).
-
Beide Basisbuchsen (6) sind durch den Holm (32), durch die feststehenden Achsenteile (19) und die eine feststehende Hydromotorwelle (18) miteinander verbunden.
-
Das festeingebaute Achsenteil (19) dient als Stütze für die Lager der rotierenden Einheit und als Leitung für die flüssigen Medien. Die beiden Zylinder (2) stehen durch die Dehnbuchsen (8) in Verbindung mit den Basisbuchsen (6). Sie haben Auslassöffnungen, die in Auspuffkollektoren (7) mit angesetzten Dehnbuchsen (16) münden.
-
Wände und Boden der Kolben (4) und Basisbuchsen (6) bilden eine Vorverdichtungskammer. Im Boden der Basisbuchsen sind Lufteinlassklappen (20) und Kanäle (21) für flüssige Medien vorgesehen.
-
In dieser Gestalt erscheint die Kraftmaschine als hydraulischer Freiflugkolbenmotor, der allerdings zusätzliche Spülphasenregler braucht. Der Festhaltemechanismus (10) besteht aus einer harten Feder, die in der Lage sein muss, dem Kompressionsdruck im gegenüber liegenden Zylinder zu widerstehen, und einem Kugeleinschnappschloss, das die Feder in zusammengedrücktem Zustand festhält. Die Kugeln können in die Vertiefungen auf der Stange (15) bei deren Vorbeikommen einschnappen und so die Feder zur Wirkung freigeben.
-
Das kinematische Schema sieht vor, dass das Gehäuse des Hydromotors sich um eine feststehende Zahnradwelle dreht. Das zum Rotor gehörendes Gehäuse des Hydromotors (29) ist in die Nabenplattform (14) eingebaut, an der auch das Schaufelwerk (30) befestigt ist. Im Gehäuse ist an der feststehenden Zahnradwelle (18) ein unbewegliches Zahnrad (27) und ein umlaufendes Zahnrad untergebracht, so wie zum Motor gehörende Einlass- und Auslasshydroventile (22), (23), (24), (25).
-
In der Nabe des Schaufelrades und an seiner Peripherie ist ein Schwingungsdämpfer (nicht näher gezeigt) als auch ein Steuersystem für den Neigungswinkel der Schaufeln installiert.
-
Das Steuersystem besteht aus einem Kranz von Zahnrädern (35) für ein gemeinsames Schwenken der Schaufeln, einem Kugelgewindegetriebe (33), einem Bügel (34), Hydrozylindern (26), Schlangen und einem Verdichtungspaket (13).
-
Der Rotor ist durch Lager mit dem feststehenden Achsenteil (19) verbunden (zentriert) und rotiert um es. Für Dichtung sorgen die Gleitringdichtungen (11) und das Verdichtungspaket (13).
-
Zu den weiteren Bedienungselementen gehören Einspritzklappen (1), Zündkerzen und ein Vorverdichterrad (nicht näher gezeigt).
-
Der als leer gezeichnete Raum (12) könnte für weitere Bedienungseinrichtungen wie Luftfilter, Teile der Hydrotransmission zum Triebwerk und zur einen Ersatz-Kraftmaschine, aber auch für die Einspritzpumpe und einem Dynamo genutzt werden. Das Schaufelwerk ist nur im Ansatz gezeigt, da seine Gestalt erst durch zusätzliche Berechnungen ermittelt werden kann.
-
Im Schnitt D-D ist der Querschnitt durch den Hydromotor mit innerer Verzahnung dargestellt.
-
Der Motor arbeitet als Zweitakter. Zwischen beiden Köpfen pendelt mit der Frequenz des Arbeitstaktes eine gewisse Menge von Flüssigkeit (ca. 0,5 Liter, wie aus dem Berechnungsbeispiel folgt).
-
Diese Flüssigkeit wird wechselseitig mit den Kolbenunterteilen (4) aus den Hydroräumen der Dehnbuchsen (8) verdrängt und, geleitet von Druckventilen (22, 23, 24 und 25) von einem Arbeitsraum des Hydromotors zu anderen, betreibt unterwegs den Hydromotor und dient gleichzeitig als Schmiermittel für alle sich bewegenden Teile. Ein Schwingungsdämpfer, der auch in der Nabe bei der Drucklinie platziert ist, unterstützt den Druck bei Umschaltung der Druckquelle.
-
Der Arbeitszyklus der Kraftmaschine reguliert sich durch das Zusammenwirken von Einspritzanlage (3), Festhaltemechanismen (10), Lufteinlassventilen (5) und (9), Druckventilen (22–25) und Dehnbuchsen (8).
-
In 1 kann man den Arbeitszyklus des Triebwerks und die ganze Fließbahn der Flüssigkeit verfolgen. Der Arbeitszyklus beginnt mit der Verbrennung des komprimierten Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder (2). Dabei verdrängt der medientrennende Kolben (4) die Flüssigkeit aus der Hydrokammer der Dehnbuchse (8), und die fließt durch den festen Achsenteil (19) und durch das entsprechende Einlassventil (22) in den hydraulischen Motor (29), wobei sich die Rotationsbewegung des umlaufenden Zahnrades (samt Motorgehäuse) um das unbewegliche Zahnrad (27) vollzieht. Das Auslassventil (25) ist gesperrt.
-
Anschließend fließt das Medium durch das Auslassventil (24) und wieder durch den zweiten Achsenteil in die hydraulische Kammer im gegenüberliegenden Kopf, folgt dem medientrennenden Kolben, der (verbunden durch die gemeinsame Stange) hier die angesaugte frische Luft komprimiert.
-
Dabei wird hier eine neue Portion frische Luft durch den Filter (12) und das Einlassventil (9) in die Vorkammer angesaugt.
-
Nach der Einspritzung des Kraftstoffes, initiiert durch den Kontakt der Einspritzung mit dem Ventil im Boden des Kolbens, und nach der Zündung beginnt der Arbeitszyklus im zweiten Kopf. In der Endphase der Gasausdehnung, wenn der Kolben (4) fast unten ist, Öffnen sich die Auslassschlitze in den Zylinderwänden, und unter Beihilfe der in Vorverdichtungskammer komprimierter Luft beginnt der Prozess des Ausstoßes (Ausspülung). Vorher schon spricht der Festhaltemechanismus (10) durch das Kugeleinschnappschloss an. Dabei zieht die Stange (15) unter Wirkung der Feder den Kolben am Heckteil des Ventilsitzes zum Boden der hydraulischen Kammer in der Büchse (8) und hält ihn in dieser Lage zurück, um die Spülphase zu verlängern. Das Ende der Spülphase und Freisetzung des Kolbens beginnt mit Beginn der Arbeitsphase jeweils im gegenüberliegenden Kopf (dafür sorgt die gemeinsame Stange 15). Mit dem Beginn dieser Bewegung spannt sich die Feder erneut bis die Kugeln durch ihre Ausweichen in die Einkerbungen die Feder in dieser Stellung fixieren.
-
Eine wichtige Rolle spielen dabei die beiden Dehnbuchsen (8). Sie ebnen den Druck in der Hydrokammer, dämpfen die kinetische Energie der Kolben und Medium und liefern dem Motor Energie in der Übergangsphase, wenn die Zylinder ausgespült werden müssen, in dem sie die akkumulierte Energie bei Anhalten der Kolben (vor Richtungswechsel) abgeben.
-
Außerdem dehnen sich die Dehnbüchsen aus und versetzen dabei die Masse der Köpfe in die Gegenrichtung der Kolben- und Mediumbewegung und dienen damit dem Massenausgleich.
-
Die gemeinsame Stange bewegt sich zusammen mit dem Medium und mindert dabei den hydraulischen Widerstand. Durch die Gegenwirkung der beiden Dehnbuchsen bewegt sich das Medium wie ein fester Körper; es entsteht keine Kavitation die zu einem Hydroschlag führen könnte.
-
Für das Anlassen der Maschine sorgt ein autonome Druckluft- und Einspritzsystem.
-
Die Abkühlung der Maschinenköpfe stellt kein Problem dar, denn sie sind ständig dem Luftstrom ausgesetzt.
-
Zum Nachweis, dass so ein Antrieb einen Senkrechtstarter mit einem Annahmestartgewicht tatsächlich betreiben kann, und dabei zu den Abmessungen und dem Gewicht des Antriebes zu kommen, die dann in die Dimensionsverhältnisse bei Zeichnungen sein Ausdruck finden können, dient folgende Beispielberechnung.
-
Für einen Senkrechtstarter mit Startgewicht m = 1000 kg und zwei Triebwerken mit Durchmessern der ummantelten Schaufelwerke D = 1,2 m und Leistungsreserve K = 1,3 last sich errechnen:
- – der für den Senkrechtstart erforderliche Schub jedes der beiden Triebwerke beträgt
F0 = 6370 N;
- – bei der Annahme eines Standgütergrades η0 = 0,75 für einen 8–12 Blattpropeller beträgt die erforderliche Leistung jedes Triebwerks Pw,o = 144000 W;
- – bei der Annahme, dass die Drehzahl η0 = 3500 1/min (der Grenzwert für einen Hydromotor mit innerer Verzahnung) ist, beträgt das Drehmoment auf die Motorwelle
Mw,o = 393 Nm;
- – die Parameter des Hydromotors sind: m = 0,008 m; Zähnezahlen z1 = 10, z2 = –11; Betriebswälzkreisdurchmesser dW¹ = 0,08 m; dW² = –0,088 m; Außendurchmesser da¹ = 0,096 m; da² = –0,072 m; Zahnlänge b = 0,103 (m);
- – Verdrängungsvolumen bei Δp = 60 (bar) VHz = 0,000405 m3;
- – theoretischen Förderstrom V*th = 0,0236 m3;
- – Motorhubvolumen VH2z = 0,0047 m3;
- – Parameter der gemeinsamen Kolben: S/D = 0,6: äußeren Durchmesser D = 0,171 m; inneren Durchmesser d = 0,1579 m.
-
Mit Hinblick auf den Kolbendurchmesser D = 0,19 m ist der Durchmesser des spindelförmigen Körpers DM = 0,3 m und die Länge L = 1 m.
-
Bei dem spezifischen Gewicht der Konstruktion (Annahme) γ = 2 kg/L beträgt das Gewicht der Kraftmaschine GM = 141 kg.
-
Die Leistung/Bauvolum-Relation
übertrifft bei weitem den Kennwert für die Kolbenmotoren (bis 200 kW/m
3 beim Kolbenmotor, bis 8000 kW/m
3 bei der Gasturbine).
-
[Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17 Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 1990, s P72, R85]
-
Ausgehend von diesen Berechnungen können zwei Kolbenhydromotoren mit einem Gesamtgewicht von ca. 280 kg einen Flugapparat mit einem Abfluggewicht von 1000 kg mit Schubreserve von 30% senkrecht starten lassen.
-
Diese Ergebnisse erlauben es zu behaupten, dass Kolbenhydromotoren geeignet sind für Verwendung als Kraftmaschine im Mantelluftstromtriebwerk für den Antrieb kleiner Senkrechtstarter. Sie haben mehrfach größere Leistung/Gewichts Charakteristiken als herkömmliche Kolbenmotoren. Hier hat man mit bekannten Herstellungstechnologien von Kolben- und Hydromotoren zu tun.
-
Dabei läst sich auch eine hydraulische Verbindung zu anderen Triebwerken oder Ersatztriebwerken herstellen, was von großer Bedeutung für die Sicherheit des Flugapparates ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Einspritzklappe
- 2
- Zylinder
- 3
- Kraftmaschine
- 4
- Kolben
- 5
- Lufteinlassventil
- 6
- Basisbuchse
- 7
- Auspuffkollektor
- 8
- Dehnbuchse
- 9
- Lufteinlassventil
- 10
- Festhaltemechanismus
- 11
- Gleitringdichtung
- 12
- leerer Raum
- 13
- Verdichtungspaket
- 14
- Nabeplattform
- 15
- Stange
- 16
- Dehnbuchse
- 17
- Lufteinlassventil
- 18
- Hydromotorwelle
- 19
- Achsenteil
- 20
- Lufteinlassklappe
- 21
- Kanal
- 22
- Einlasshydroventil
- 23
- Einlasshydroventil
- 24
- Auslasshydroventil
- 25
- Auslasshydroventil
- 26
- Hydrozylinder
- 27
- unbewegliches Zahnrad
- 28
- bewegliches Zahnrad
- 29
- hydraulischen Motor
- 30
- Schaufelwerk
- 31
- Mantel
- 32
- Holm
- 33
- Kugelgewindegetriebe
- 34
- Bügel
- 35
- Kranz von Zahnräder
