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Stand der Technik
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Die Luftfahrt auf der Basis der Tragfläche, von Propeller- und Strahltriebwerk ist als eine Technik der begrenzten Nutzlast und der Tendenz zu immer schnelleren Fluggeräten bekannt. Die Bereitstellung der Auftriebskraft basiert dabei auf Lilienthals Entwicklungsschritt hin zu widerstandsarmen Tragflächen, die auch heute noch die bestehenden Grenzen der Fliegerei kennzeichnen. Die Nutzlastgrenzen großer Flugzeuge sind mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Triebwerke etwas verbessert worden, werden von den Fluggästen jedoch als unkomfortabel empfunden. Ein Teil der Fortschritte wurde durch verbesserte Auftriebswerte der Tragflächen und die Möglichkeiten der Profilverstellung mit Hilfe von Klappen und einer verstellbaren Flügelnase erreicht. Erkennbar wird die Entwicklung begleitet durch erhöhten kostspieligen Aufwand nicht nur auf Seiten der Flugzeuge, sondern auch der Flughäfen, wo Start- und Landebahnen hohe Geschwindigkeiten am Boden zulassen müssen und damit große Längen aufweisen. Sind die Grenzen der Auftriebserzeugung mit Hilfe der Tragfläche erreicht, kann nur die Steigerung der Geschwindigkeit zur Erhöhung des Nutzgewichts herangezogen werden. Natürlich wäre es auch neben der Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Fluggeräts ein wichtiger Beitrag zu mehr Sicherheit, wenn die Start- und Landegeschwindigkeiten bei gleicher Auftriebskraft verringert werden könnten. Neben solchen Vorzügen darf man unbescheiden auch an den erheblichen Vorteil denken, den kleinere Tragflächen bieten könnten.
Auch im Bereich der Sportflugzeuge und der kleinen Passagierflugzeuge wird deutlich, dass der Flugzeugbau aus physikalischer Sicht zu extremer Form des Leichtbaus gezwungen ist und Komfort- und Sicherheit nicht im Vordergrund stehen. So sind z.B. zweisitzige Kleinflugzeuge für ein Startgewicht von weniger als 1t ausgelegt und haben damit das Gewicht eines Klein-PKWs, wobei allerdings die Gepäckmitnahme praktisch auf null schrumpft. Erst wenn der Nutzer sich mit deutlich erhöhter Motorleistung anfreunden kann, steht ihm die Möglichkeit des Reisegepäcks in begrenzter Form wieder offen.
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In der Strömungslehre wird die vom Tragflächenumfang, dem Profil erzeugte Druckdifferenz in senkrechter Richtung der Auftriebskraft zugrunde gelegt, während in Anströmungsrichtung die Drucksteigerung dem Widerstand zugerechnet wird. Die gegenüber dem Staudruck sich ergebenden Kennzahlen werden entsprechend als Kennziffern ca und cw bezeichnet. Für schlanke Profile mit kleinen cw -Werten zeigt die Fachliteratur Auftriebskennziffern ca , die den Wert 1,0 kaum überschreiten. Dabei ist schon die Notwendigkeit eingeschlossen, durch eine Profilanstellung, z.B. bis zu einem Winkel von 7°, die Wirksamkeit des Auftriebs unter Hinnahme von großen cw -Werten zu verbessern. Die bei großen Flugzeugen moderner Art genutzten Zusatzmaßnahmen einer stellbaren Profilform-Beeinflussung mit Hilfe von Erweiterungsbauteilen führen zu ca -Werten bis etwa 3,2 und verschieben cw ebenfalls deutlich nach oben. Diese Profilveränderungen werden mit Hilfe elektrischer Antriebe und Getriebeeinsatz erzielt und lassen sehr schnelle Verstellungen nicht zu. Sie empfehlen sich ausschließlich zum Einsatz bei herabgesetzter Fluggeschwindigkeit. Für die Anwendung bei Kleinflugzeugen sind diese Maßnahmen aus Aufwandsgründen nicht einsetzbar. Immerhin ist das stellbare Profil ein bedeutender Schritt zur Auftriebssteigerung im unteren Geschwindigkeitsbereich und für Flugmanöver, bei denen der hohe Treibstoffverbrauch hingenommen werden kann.
Es steht außer Frage, dass Tragkraft-fördernde technische Schritte den Flugzeugbau immer dann befruchten können, wenn die Maßnahmen mit begrenztem Aufwand umsetzbar sind. Nach gegenwärtigem Stand der Technik kann davon ausgegangen werden, dass die auftriebsfördernden Profilveränderungen weithin bekannt und erprobt sind. Weit weniger bekannt und erprobt sind Schritte zur Auftriebssteigerung durch Profil-Oberflächenbewegung. Gemeint ist hier eine im Flugbetrieb genutzte Bewegung eines Teils der Flügelfläche zur Auftriebssteigerung, also zur Erhöhung des vertikalen Druckangebots einer Tragfläche. Hierbei ist zunächst daran gedacht, Auftriebskennziffern ca gegenüber den bekannten Grenzen ohne Anstellung (ca = 0,2 bei schlankem Profil) etwa um einen Faktor 100 zu verbessern. Es dürfte dabei als besonders wertvoll gelten, wenn eine weitgehende Unabhängigkeit der Auftriebsbildung von der Anströmgeschwindigkeit (Startgeschwindigkeit beim Flugzeug) erreicht werden kann, und wenn die oberflächenaktive Auftriebsbereitstellung darüber hinaus eine Reduktion der Tragflächengröße zuließe. Die technische Ausstattung von Fluggerät und Flughäfen würde davon profitieren.
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Die Auftrieb steigernde Maßnahme folgt der Vorstellung der Druckerzeugung und versucht eine Effizienzsteigerung durch zusätzliche Einführung der Oberflächenbewegung. Letztere ist für das Beispiel eines in der Strömung rotierenden Zylinders in der Strömungslehre als Magnus-Effekt bekannt, wobei auch die Anwendung senkrecht stehender rotierender Zylinder anstelle von Segeln für den Schiffsantrieb von Flettner bekannt gemacht wurde. Rotierende Zylinder sind bekannt dafür (Literatur z.B. L. Prandtl: „Strömungslehre“, F.Vieweg u.S.), dass damit quer zur Anströmungsrichtung eine Kraftkomponente erzeugt wird, deren Kennziffer ca auch deutlich über 1,0 liegen kann. An Flugmodellen wurden ebenfalls erfolgreiche Versuche mit rotierenden Zylindern anstelle von Tragflächen vorgenommen. Ein Ergebnis der bekannten Versuche besteht allerdings darin, dass eine Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit u oberhalb eines bestimmten Verhältnisses zur Anströmgeschwindigkeit v0 keine weitere Steigerung der Auftriebskraft mehr zulässt und der Widerstand (cw ) stark zunimmt.
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Die Erklärung dafür liegt in Folgendem:
- Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten u, die deutlich größer als die Anströmgeschwindigkeit v0 sind, nähert sich (im Querschnitt gesehen) die Größe der unteren Strömungsgeschwindigkeit v2 der oberen Strömungsgeschwindigkeit v1 an. Da die Druckdifferenz der Differenz der Staudrücke gleichzusetzen ist, also Δp=ρ/2(v1 2 - v2 2) beträgt, zeigt dieser Wert eine Art Stillsand für hohe Verhältnisse u/v0. Auch die starke Widerstandszunahme lässt sich durch großes v2 , das sich entgegengesetzt zu v0 durchsetzt, erklären. Diese Schwäche des Magnus-Effekts muss sich im oberen Geschwindigkeitsbereich von u stark wirksam zeigen. Sie beinhaltet auch, dass ganz ohne Anströmung, also für v0 = 0 kein Auftrieb erzeugt werden kann. Auch dafür folgt die Erklärung der Tatsache, dass dabei die Beträge von oberer und unterer Strömungsgeschwindigkeit (v1 und v2 ) gleich groß sind. Für kleine Zylinderdurchmesser kommt hinzu, dass bei großer Umfangsgeschwindigkeit u durch zunehmenden Druck in Folge der Zentrifugalkraft sich verstärkt eine Tendenz zur Strömungsablösung ergibt.
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Für die erfindungsgemäß zu formulierende Problemstellung und den Weg zur effizienteren Erzeugung hoher Auftriebskräfte durch eine Strömungs-beschleunigende Einrichtung sind offenbar systembedingte Sperrfaktoren im oberen Bereich der Umfangsgeschwindigkeit u des rotierenden Zylinders auszuschalten, und es ist dafür zu sorgen, dass die zur Beschleunigung eingesetzte Energie aus dem Bereich der Zylinderoberseite (zur Druckdifferenzbildung zwischen Ober- und Unterseite) möglichst vollständig genutzt wird und sie nicht in größerem Umfang zur Bremsung (Behinderung) der Strömung wirken kann. Darüber hinaus soll auch angestrebt werden, die Bildung der Auftriebskraft weitgehender unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit v0 zu erzeugen. Wenn eine bessere Prozessanpassung zur Steigerung der ca -Werte verhilft, darf auch erwartet werden, dass sich Möglichkeiten ergeben, diese Kraftkomponente für den Vortrieb zu nutzen. Anhand einer ausführlichen Textdarstellung und mehreren in den Text einbezogenen Bildern werden die technischen Verbesserungsschritte erklärt und beschrieben. Der Kern der Verbesserungen wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. In den Text einbezogen sind auch die berücksichtigten
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Beschreibung
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Die Heranziehung der bewegten Oberfläche zur Erzeugung der Auftriebskraft und deren Steigerung basiert auf dem Einsatz des rotierenden Zylinders und auf der Tatsache, dass rotierende ringförmige Körper mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden können. Insbesondere hochfestes Fasermaterial mit kleiner spezifischer Masse, wie etwa CFK, eignet sich zur Anwendung und wird z.B. auch für den Bau von Schwungrädern (zur Energiespeicherung) eingesetzt. Die erzielbare Umfangsgeschwindigkeit kann bis in den Bereich von 600 ÷ 700 m/s angehoben werden und liegt damit deutlich über der Fluggeschwindigkeit für Passagierflugzeuge.
In Anlehnung an die Grundlagen der bekannten Tragflügel-Physik wird mit Hilfe der 1 und 2 die Auftriebserzeugung unter Einbezug der bewegungsaktiven Profilgestaltung für zwei verschiedene Anströmfälle dargestellt. 1 bezieht sich auf den Auftrieb ohne eine Anströmgeschwindigkeit, also für den Fall v0 = 0, während 2 eine Anströmgeschwindigkeit v0 in endlicher Größe voraussetzt. Die Druckdifferenz Δp zwischen unterem und oberem Profilrand ist die Grundlage der Auftriebskraft und lässt sich auf die am Profilrand erwartete Strömungsgeschwindigkeit zurückführen. Anhand der beiden Profile mit integriertem Beschleunigungszylinder BZ im Profilkörper PK lässt sich in beiden Fällen ein stark von der Umfangsgeschwindigkeit u des Zylinders abhängiger Differenzdruck Δp nachweisen, wie in den Tabellen von 1a und 2a beschrieben ist. Für den unteren Zylinderbereich bildet die dichte Umbauung durch PK für die Strömung eine Einwirksperre. Der Spalt δ wird klein ausgeführt und verhindert in diesem Bereich eine nennenswerte Einwirkung auf die Strömung. Es entstehen dort auch nur geringe Reibungsverluste. Gegenüber dem Vollrotor (nach Flettner) mit allseitiger Einwirkung auf die Strömung wird die im oberen Bereich der Strömung zugeführte kinetische Energie gezielt und verlustarm der weiteren Druckerzeugung zugeführt. Für beide Anwendungsfälle (nach 1 und 2) besteht die Anordnung des ruhenden Teils, des Profilkörpers PK aus den miteinander verbundenen Teilen Kl und dem Auslaufteil am Profilende Kf, die im Bereich Kr durch Rippen verbunden sind. Der rotierende Zylinder BZ ist im Teil Kl gelagert, wobei Kl volumensparend und mit glatter Oberfläche ausgeführt ist, sodass die umgebende Strömung widerstandsarm verläuft. Die gezeichneten Strömungslinien zeigen die beschleunigende Wirkung auf die Strömung durch enger werdende Abstände im oberen Bereich beim Verlauf der Strömung mit v1 von rechts nach links. Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt dort der Druck. Die Berandungen der beiden Profilteile Kl und Kf bilden einen sich von oben nach unten öffnenden trichterförmigen Strömungskanal Kr, dessen Querschnittszunahme eine Drucksteigerung zur unteren Profilkante hin bewirkt. Für den Profilbereich des Zylinders von 1 (gestrichelte Linien) addiert sich für Δp1 zum bekannten Staudruckanteil ρ/2(v12-v2'2) der Anteil Δpt' entsprechend 1a. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch die Beschleunigungswirkung des Zylinders BZ die obere Geschwindigkeit v1 sehr groß sein kann, während die untere Geschwindigkeit v2' einen kleinen Wert annimmt. Auch Δpt lässt sich aus der Differenz der Quadrate der Geschwindigkeiten entsprechend 1a berechnen, wobei sich zeigt, dass auch diese Differenz einen sehr großen Wert annimmt. Die Geschwindigkeiten v1m und vt' lassen sich in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit u und dem jeweiligen Schlupf s der Strömungsgeschwindigkeit (gegenüber u) ausdrücken. Zur Ermittlung des gesamten ca -Wertes für das Profil nach 1 sind auch die an den Zylinderabschnitt angrenzenden Differenzdruckwerte zu bestimmen und in einen Gesamtwert für ca einzubeziehen. Diese Druckanteile sind niedriger als der Anteil für den Zylinderabschnitt und verringern den Gesamtwert in begrenztem Umfang. Er berechnet sich in starkem Maße abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit u und nimmt vergleichsweise hohe Werte an.
Für den Anströmfall v0> 0 nach 2 zeigt eine ähnliche Berechnung wie oben für den Zylinderabschnitt eine etwas geringere Druckdifferenz Δp1 , siehe (Tabelle) 2a. Die drucksteigernde Wirkung des trichterförmigen Krümmers Kr wirkt sich hier mehr auf den Bereich des Profilendes Kf aus und tritt bei der Addition der hinteren Auftriebsanteile bei Kr und Kf zum ca -Gesamtwert wieder in Erscheinung. Dieser Gesamtwert kann nun in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsverhältnis u/v0 beschrieben werden, wobei sich zeigt, dass große Werte der Umfangsgeschwindigkeit u zur ca -Steigerung stark wirksam sind.
Die Leistungsfähigkeit der Beschleunigungseinrichtung nach 1 und 2 kommt rechnerisch in kleinen Zahlen für die Schlupfwerte sc und sm zum Ausdruck. Da die Geschwindigkeit v1 ein Mittelwert für die obere Geschwindigkeit ist, hat sc ebenfalls Mittelwertcharakter. Die Schlupfwerte sc und sm tragen darüber hinaus dem Umstand Rechnung, dass die Strömung in unterschiedlichem Abstand von der Oberfläche des Zylinders unterschiedliche Geschwindigkeit aufweist. Wie bereits angedeutet, können mit Hilfe größerer Oberflächenrauigkeit oder einer gewollten Oberflächenstruktur die Schlupfwerte reduziert werden, wobei allerdings auch ein Eingriff in den Wirbelgehalt der Strömung verbunden ist. Die damit ebenfalls verbundene Einflussnahme auf einen größeren Strömungsanteil steht in Verbindung mit der Wahl des Einlaufquerschnitts in den Trichterbereich Kr. Die drucksteigernde Wirkung, die durch Δpt beschrieben wird, folgt entsprechend 1a aus der Erfassung der Staudrucksteigerung und gibt den Einfluss der Querschnittserweiterung wieder. Als Beispiel ist angenommen, dass die Austrittsgeschwindigkeit am Trichterende 20% der Eintrittsgeschwindigkeit betragen soll. Mit der damit erreichten Verzögerung werden bereits 96% der am Eintritt vorhandenen kinetischen Energie in Drucksteigerung überführt und damit der Auftriebserhöhung zugeführt.
Mit der nun in den Trichter Kr zur Entschleunigung überführten Strömung wird z.B. nach 2 vermieden, dass wie beim Vollrotor eine Verzögerung der Strömung im unteren Zylinderbereich sich als Folge eines verlustreichen Zusammenpralls mit dem ankommenden Teil der Strömung ergibt und dabei auch zusätzliche Antriebsleistung eingesetzt wird.
Zum Sonderfall u = 0 ist zu sagen, dass sich dafür entsprechend der Tabelle 2a der ca -Wert des mittleren Bereichs des Profils zu σ2(λ2-1) ergibt, was dem bekannten Ergebnis der Tragflügeltheorie (ohne Bewegungseinfluss) entspricht. Hierbei wird das Geschwindigkeitsverhältnis v1/v2 aus den Weglängen der beiden Strömungsteile (am Profilrand) festgelegt. Es wurde hier mit λ bezeichnet.
In 2 ist mit dem Winkel α' der Hochgeschwindigkeitsbereich bezeichnet, in dem bereits der Eintritt in den Trichter erfolgt und die Ablösung der Strömung vom Zylinder sich vollzieht. Es ist möglich, die Verbindung zwischen den Profilteilen Kf und dem Mittelteil Kl, der durch schmale Rippen gesichert ist, stellbar so auszuführen, dass der Kanalquerschnitt, z.B. von kleineren auf größere Werte verändert werden kann. Dieser Vorgang kann auch eine Veränderung des Ausgangsdruckes implizieren und zur Beeinflussung des Auftriebs und somit des ca -Wertes herangezogen werden. Ebenso ist es zweckmäßig, die Ausrichtung von PK gegenüber der Anströmrichtung von v0 um den Drehpunkt des Zylinders M schwenkbar vorzusehen. Damit kann über die Anströmverhältnisse zum Zylinder Einfluss auf den Beschleunigungsbereich und das Beschleunigungsergebnis v1m genommen werden.
Die praktische Ausführung einer Beschleunigungsvorrichtung und ihr Einbezug in ein Tragflächenprofil spricht für die Anwendung verhältnismäßig großer Zylinderdurchmesser, wodurch auch eine große Profilkrümmung begünstigt wird, sh. 3. Der im Beschleunigungsbereich durch die Zylinderkrümmung auftretende Druckanteil Δpc als Folge der Zentrifugalkraft ist ungefähr proportional dem Produkt aus ρ/2·v1 2 und hs/r, mit hs der Schichtdicke der Strömung und r dem Zylinderradius. Für hohe Umfangsgeschwindigkeit u steigt die Strömungsgeschwindigkeit v1 sowie die Schichtdicke hs und damit auch der Druckanteil Δpc . Auch für große Zylinderdurchmesser (2r) können bei hoher Umfangsgeschwindigkeit somit nennenswerte Beträge der Zentrifugalkraft und damit Einflüsse auf die Druckdifferenz Δp1 , (sh. 3a) zustande kommen, was eine Schwächung des Auftriebs bedeutet.
Mit der 3 wird eine Absaugevorrichtung Sk im Zylinderbereich dargestellt, die zur Reduktion der Wirkung des Druckanteils Δpc dient. Der Absaugekopf Sk ist an der Innenseite des Zylinders BZ auf der Breite des Beschleunigungsbereichs mit kleinem Spalt gegenüber der radial perforierten Zylinderwand Zw eingesetzt. Durch den mit Hilfe des Verdichters V erzeugten Unterdruck-Δpi1 wird ein Teil der Strömung von außen (2 von 5 Strömungslinien in 3) nach innen abgeleitet und über den Hohlzylinder Hz dem Profilteil Kl mit dessen Unterseite Pb, die mit verteilten Öffnungen versehen ist, zugeführt. Der Durchlauf im Verdichter V bewirkt dabei eine Drucksteigerung, so dass außerhalb der Profilunterkante Pb ein positiver Differenzdruck Δpi2 zur Wirkung kommt. Der Einfluss der Zentrifugalkraft im Zylinderbereich kann durch Einsatz der Verdichterleistung in V ausgeschaltet werden.
Legt man einen guten Qualitätsstandard mit z.B. sc , = 0,3 und sm = 0,05 zugrunde, verzichtet auf die Berücksichtigung des Einflusses von Δpc und macht die Annahme v2"= 0,2 v1m, v2'= v2'' sowie vt' = 0,2 v1m, so berechnet sich mit der Umfangsgeschwindigkeit u = 300 m/s (die etwa der Schallgeschwindigkeit entspricht) und der in 1 gezeichneten Profilform die mittlere Auftriebs-Druckdifferenz zu 40 kN/m2 (für v0 = 0 und γ=1). Mit der weniger prozessfreundlichen Annahme von γ = 0,5 sinkt Δpm auf etwa 30 kN/m2. Ein Flugzeugstart ohne Fahrbahn liegt damit offenbar in Reichweite. Für die gleiche Flügelanordnung ergibt die Rechnung mit einer Anströmgeschwindigkeit von v0 =30 m/s die z.B. bei Kleinflugzeugen zum Start ausreicht, die mittlere Druckdifferenz zu etwa 38 kN/m2. Dieser Zahlenwert entspricht einem Beschleunigungsfaktor von ε =7,0 und ermöglicht gegenüber einem normalen Profil bei Anstellwinkel 0 und ca = 0,2 bis 0,3 den Zahlenwert 200 als Steigerungsfaktor. Nimmt man an, dass mit einem angestellten Profil die Auftriebskennziffer zu 2,0 erzielbar ist, ergibt sich vergleichsweise der Steigerungsbetrag zum Faktor 20. Die starken zahlenmäßigen Unterschiede sind eine Folge der Geschwindigkeitsdifferenz, die sich im Druck durch die Quadratbildung noch verstärkt auswirkt. Es zeigt sich natürlich auch, dass sich bereits bei kleineren Beschleunigungsfaktoren und kleineren Werten für u nennenswerte Auftriebsverbesserungen verwirklichen lassen. Wie groß die hier skizzierten Auftriebskräfte gegenüber heute gültigen Daten sind, vermittelt auch eine Abschätzung der möglichen Vertikalbeschleunigung, die sich aus der für v0 = 0 ermittelten Druckdifferenz von 38 kN/m2 berechnen lässt. Würde es sich um ein Sportflugzeug der Masse von 3 t handeln, das eine Tragfläche von 3 m2 aufweist, so käme eine Auftriebskraft von 114 kN zustande und die Aufwärtsbeschleunigung würde etwa 3,8 · g betragen. Eine Auftriebssteigerung, die auch nur annähernd in diesem Größenbereich liegt, müsste den Flugzeugbau sowohl die Möglichkeit zu erhöhten Nutzlasten als auch zur Reduktion der Tragflächengröße in Verbindung mit der Möglichkeit für günstigere Start- und Landebedingungen zuspielen. Natürlich denken Fluggäste auch an eine Anhebung der Sicherheitsstandards. Die Festlegung der optimalen Fluggeschwindigkeit wird durch die Zweckmäßigkeit der Ausführung des bewegungsaktiven Profils beeinflusst, wobei der Energieverbrauch und die zum Betrieb der Beschleunigungszylinder notwendige Antriebsleistung zu berücksichtigen sind. Immerhin darf erwartet werden, dass bei vergleichsweise schweren Flugzeugen mit deutlich kleineren Tragflächen und einer energetisch zweckmäßigen Auftriebserzeugung ein günstiger Ausgangspunkt für den wirtschaftlichen Einsatz besteht.
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Mit 4 wird auf die figürliche Anordnung einer Tragfläche mit bewegter Profiloberfläche eingegangen. Es kann dabei auf die verhältnismäßig einfach zugeschnittenen Komponenten und die bereits bekannte Funktion und Zuordnung hingewiesen werden. Der aus leichtem und hochfestem Fasermaterial hergestellte Hohlzylinder BZ mit seiner Welle We ist z.B. in zwei seitlich angeordneten Wangen aus Leichtmetall Eb reibungsarm drehbar in Lagern La gefasst. Rippen und die seitlichen Wangen Eb sind die Verbindungsteile für das mittlere und hintere Profilteil Kl und Kf. Deren Abstand bildet den Trichterraum Kr, der bei Verstellung veränderlich ist. Nicht gezeichnet ist die naheliegende Unterteilung des Zylinders BZ im Falle längerer Tragflächen, bei denen Zwischenlager dafür sorgen, dass größere Biegewirkungen vom hochbeanspruchten Zylinder ferngehalten werden. Die Antriebsleistung kann mit Hilfe verschiedener Techniken bereitgestellt werden. Eine gute Voraussetzung für einen gewichtsarmen Antrieb hohen Wirkungsgrades bieten Elektromotoren, die auch hochtourig sehr effizient ausgeführt werden können. Mit einer angepassten Lagerung ist auch die Innenanwendung des Motors (im Zylinder) möglich.
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Ein wichtiger Punkt ist im Zusammenhang mit dem Antrieb dabei die Erzielung einer hohen Sicherheit gegenüber Antriebsversagen.
Der in 4 sichtbare Überstand der Wangen Eb über den Profilumriss hinaus dient der notwendigen Reduktion eines andernfalls möglichen Druckausgleichs in axialer Richtung. Es sollte erwähnt werden, dass durchaus die Möglichkeit besteht, ein Pofilelement entsprechend 4 bei einem Flugzeug herkömmlicher Bauform in eine Tragfläche mit schlankem Profil einzubeziehen. Hierdurch kann ein beträchtlicher Beitrag zur Steigerung und Stellbarkeit der Auftriebskraft erreicht werden.
Mit der in E2 beschriebenen Anordnung wird, wie in 10, auf eine vermeintliche Verbesserung des ca -Wertes durch eine forcierte Profildurchströmung im Endbereich (von unten nach oben) hingewiesen. Zur Strömungsbeschleunigung dient ein Tangentialgebläse innerhalb der Profilkontur. Es stehen hierbei stark schwächende Effekte (Drucksenkung auf der Unterseite, Störung der Oberseitenströmung) einer nur sehr begrenzten positiven Wirkung gegenüber.
Mit 5 wird darauf eingegangen, dass eine Tragflächenerweiterung durch größere Flächenbreite, z.B. bei Aneinanderreihung von zwei ähnlichen Teilprofilen erreichbar ist. Die Verbindung der beiden Profilhälften mit den Beschleunigungszylindern BZ 1 und BZ 2 ist nun für einen Strömungsübertritt so angepasst, dass etwa eine Hälfte der oberen Strömung in der Mitte nach unten abgeleitet wird. Durch die zusätzliche Wirkung von BZ 2 entsteht nun eine vergrößerte Saugwirkung, die auch ein größeres Strömungsvolumen in den Beschleunigungsbereich einziehen lässt. Für den zusätzlich gewonnenen Teil der Strömung bedeutet dies nach Verlassen des Bereichs von BZ 1 eine Vorbeschleunigung, sodass im Bereich BZ 2 kleinere Schlupfwerte und eine höhere Druckabsenkung erzielt werden kann. Der mittlere Wirkungsgrad der Anordnung wird durch die Hintereinanderstellung mehrerer Zylinder verbessert. Es ist bei dieser Gruppenanordnung ebenso möglich, die in der Strömung folgenden Zylinder mit zunehmend höherer Umfangsgeschwindigkeit zu betreiben, um damit eine Leistungs- bzw. Auftriebssteigerung zu erzielen.
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Die Erzielung hoher Differenzdrucke führt zu kleinerer Profilausdehnung oder kleiner Tragfläche und kann, sofern der Strömungswiderstand nicht zu hoch ist, auch zur Fortbewegung (Vortriebsbildung) einen Beitrag leisten. Es geht hierbei um die Frage, ob für bestimmte Geschwindigkeiten und Anströmbedingen einsatzgerechte Kraftkomponenten erzeugt werden können. Zu erwarten ist, dass hierbei der Geräteeinsatz für einen Grenzfall im Vordergrund steht.
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6 zeigt für eine schematisierte Geräteanordnung ein wahrscheinliches Strömungsbild. Anders als in 2 liegt nun eine Rückenanströmung des Profils vor und die Strömung verläuft hier zunächst parallel zur Flugkörperachse von Fr und wird aus dem Bereich BZ durch dessen Niederdruckzone angesaugt. Etwa die Hälfte der Strömungslinien, die in den Trichter Kt einlaufen, erfährt eine stärkere Krümmung als in 2. Der entsprechende Widerstandsanteil für die Anordnung nach 6 drückt sich in einem gegenüber 2 begrenzt erhöhten cw -Wert aus. Für den ca -Wert kann sich der Strömungsverlauf über eine Vergrößerung des mittleren Schlupfes sc ebenfalls leicht schwächend bemerkbar machen. Dennoch wird die vom Mittelabschnitt der Anordnung entwickelte resultierende Kraft F mit ihrer Komponente FA , die nun gegen die Anströmrichtung von v0 orientiert ist, einen großen Wert darstellen. Er wird auch für die Verwendung von FA als Antriebskraft Fx in Betracht zu ziehen sein. Die Erzeugung von Vortriebskraft und Auftrieb durch eine einzige Einrichtung ist ähnlich wie bei Vögeln möglich.
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Der integrierte Bandtrieb
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Im Vergleich zum Einsatz eines rotierenden Beschleunigungszylinders BZ erweist sich die Anwendung eines Bandtriebs BT nach 7 und 8 zur Verwirklichung eines bewegungsaktiven Profils als noch vorteilhafter. Es wird mit 7 durch den Einsatz von zwei rotierenden Zylindern (oder Rädern) Rt1 und Rt2, die zur Führung und dem Antrieb des bewegten Bandes Bd dienen, ein dem Zylinderabstand E' bis A' entsprechendes bewegtes ebenes Profilteil in den Profilrücken integriert. Das Auftreten des im Profilrücken unerwünschten Zentrifugaldruckes Δpc beschränkt sich nun auf den Einlaufbereich der Strömung zwischen E und E' sowie den Auslaufbereich zwischen A und A'. In beiden Bereichen kann die verbleibende Wirkung von Δpc akzeptiert werden. Im Einlaufbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit v1 ' noch gering und außerdem wirkt dort der Anpressdruck durch v0 . Im Auslaufbereich ist ein nur geringer Krümmungseinfluss auf kurzer Strecke wirksam.
Um die Wirkung der bewegten Bauteile auf die Strömung an anderen Stellen zu minimieren, wird der Profilkörper mit seinen Teilen K1 sowie dem zusätzlichen Teil Kb so geformt, dass gegenüber den bewegten Bauteilen Rt1 und Rt2 sowie Bd jeweils nur ein kleiner Spalt δ eingehalten wird. Hierdurch vermindert sich die zum Betrieb von BT notwendige Antriebsleistung und der Widerstandbeiwert cw wird in günstigem Sinne beeinflusst. Zur Verringerung der zwischen beschleunigter Strömung und dem Band auftretenden Schlupfwerte spielt, wie im Falle des Beschleunigungszylinders BZ, die Oberflächenrauigkeit (des Bandes) eine wichtige Rolle.
Mit Blick auf die Ausführbarkeit des Bandtriebs BT für hohe Betriebsgeschwindigkeiten u ist anzuführen, dass sich ähnliche Grenzwerte, wie sie für den Zylinder BZ gelten, ergeben. Um z.B. das Abheben des Bandes Bd von den Zylindern (Rädern) Rt zu vermeiden, muss in den Bandteilen zwischen den Rädern eine Mindestzugkraft aufgebracht werden, die zu einer Bandspannung γb · u2 mit γb der spezifischen Masse des Bandes führt. Ein gewisser Zuschlag zu diesem Wert ergibt sich aus der Funktion des Antriebs durch eines der beiden Räder. Er beträgt jedoch nur einen kleinen Teil der angegebenen Spannung.
Es ist bekannt, dass für den rotierenden Zylinder die durch die Zentrifugalkraft verursachte Zugspannung bei der Umfangsgeschwindigkeit u sich ebenfalls aus dem Produkt γ z u2 berechnet und in beiden Fällen (bei kleiner Abmessung für Zw bzw. Bd) die Spannung unabhängig von der Abmessung ist.
In 8 sind im Vergleich zu 7 einige Änderungen im Sinne einer Effizienzsteigerung vorgenommen. Mit Hilfe weiterer in den Bandtrieb BT übernommener Führungsrollen, wie z.B. Rv, kann die Profil-Verträglichkeit von BT (im Sinne verbesserter Betriebsbedingungen) erhöht werden. Der Widerstandsbeiwert cw kann auf diese Weise als Folge günstigerer Profilkrümmung gesenkt werden. In diesem Sinne wirkt auch die erkennbare Reduktion des Durchmessers von Rt1 gegenüber Rt2. Im Bereich Rt2 wurde mit Kr der drucksteigernde Auslauftrichter Kr angeordnet, der einen Teil der Strömung am Beschleunigerende übernimmt und verlangsamt an die Profilunterseite abgibt. Ein Teil des Druckanteils Δpt des Trichters kann so als Auftriebsverstärkung wirken. Darüber hinaus entsteht ein Bremseffekt für die Geschwindigkeit v'2 auf der Profilunterseite, der ebenfalls den Auftrieb verstärkt.
Im Gegensatz zu den in 7 und 8 beschriebenen Bandtrieben, die annähernd der Profilmitte zugeordnet sind, werden in E1, 3, 4 und 5 den Profilen jeweils übereinander Doppeltriebe implantiert. Die dabei angestrebte Unabhängigkeit der Geschwindigkeitsrichtungen an Profilober- und Unterseite wird jedoch mit nicht kompensierbaren Nachteilen der Effektivität und Anwendbarkeit erkauft. Mit den nun sehr geschrumpften Durchmessern der Bandtriebsrollen entsteht bei gegebener Bandgeschwindigkeit eine sehr viel höhere Bandfliehkraft, die zu höheren Spannkräften und folglich erhöhter Bandreibung mit reduziertem Wirkungsgrad führt. So lassen sich allenfalls nur sehr kleine Bandgeschwindigkeiten ausführen.
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Erkennbar setzt die Anwendung der Beschleunigungseinrichtung zur Erzeugung einer Antriebskraft einen kleinen Flächenbedarf mit insgesamt kleinem Strömungswiderstand für die Gesamtanordnung des aktiven Profils voraus. Die hohen Grenzgeschwindigkeiten der bewegungsaktiven Teile, ihre Kombinierbarkeit ebenso wie die Anpassbarkeit des Profilkörpers PK sprechen für die Möglichkeit eines auch dem Antrieb dienenden Einsatzes. Besonders auch bei dieser Anwendung dürfte die Möglichkeit der schlupfmindernden Oberflächenrauigkeit eine große Rolle spielen.
In E3 wird eine Anordnung beschrieben, die eine einstellbare Oberflächenrauhigkeit bei Zylindern ermöglichen kann. Mit ihren Merkmalen ist sie für Bandtriebe nicht anwendbar und für profilintegrierte Zylinder im Flugbetrieb ist das Verfahren aus Gewichtsgründen leider nicht einsetzbar.
Außer dem naheliegenden Einsatz in der Flugtechnik darf auch an Möglichkeiten des Einsatzes in der Schiffstechnik erinnert werden, wobei zunächst weiterhin das Medium Luft als Arbeitsmedium herangezogen wird. Die Vorteile gegenüber dem Flettner-Rotor wurden mehrfach hervorgehoben. Aber auch Anwendungen in anderen Gasen oder auch in Flüssigkeiten sind in entsprechend angepasster Form vorteilhaft denkbar.
