DE1040907B

DE1040907B - Strahlgeblaese fuer Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE1040907B
Application number: DEL26395A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Laing
Original assignee: BRUNO ECK DR ING
Current assignee: BRUNO ECK DR ING
Priority date: 1956-12-07
Filing date: 1956-12-07
Publication date: 1958-10-09
Also published as: US3212735A

Description

Strahlgebläse für Luftfahrzeuge Es ist bekannt, für den Antrieb von Flugzeugen Radial- oder Axialgebläse zu verwenden. Dagegen ist die Verwendung auch an sich bekannter Querstromgebläse, bei denen die Steuerung des Durchsatzes innerhalb des Schaufelgitters durch einen Leitapparat oder eine Zwangströmung, vorzugsweise durch das Feld eines Potentialwirbels, erfolgt, für den Antrieb von Flugzeugen nicht bekannt. Solche Querstromgebläse sind aber allen anderen Gebläsen einschließlich der Luft- und Hubschrauben in ihrem Produkt p p und damit im Leistungsfluß um fast eine Größenordnung überlegen. Das bedeutet, daß diese Gebläse einen Raumbedarf haben, der kleiner ist als der irgendeines anderen Gebläses, womit auch das Gebläsegewicht auf entsprechend kleine Werte sinkt. Weiterhin haben diese Gebläse den Vorteil, daß auf Grund der kleinen Läuferdurchmesser außerordentlich hohe Drehzahlen zur Anwendung gelangen können, so daß bei Kolbenmotoren und in vielen Fällen auch bei Gasturbinen Untersetzungsgetriebe fortfallen.
Neben all diesen Vorteilen ist die Regelung der Querstromgebläse mit einfachsten Mitteln zu bewerkstelligen. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß für den Antrieb von Luftfahrzeugen und anderen schnellen Fahrzeugen Querstromgebläse zur Erzeugung einer Strahlreaktion verwendet werden. Dabei können diese gleich gut zur Erzeugung von Vortrieb als auch von Auftrieb Verwendung finden, desgleichen zur Bremsung des Luftfahrzeuges, wie auch zur Bremsung anderer schneller Fahrzeuge, z. B. von Schienenfahrzeugen.
Fig.1 zeigt schematisch den Strömungsverlauf eines erfindungsgemäß angetriebenen Luftfahrzeuges bei Verwendung von zwei gegenläufigen Rotoren. Die Luft tritt bei 10 in die Rotoren ein, erfährt beim Schaufelgitterdurchtritt in an sich bekannter Weise einen Impulsaustausch, wird im Anschluß daran durch das Feld eines Potentialwirbels, der durch einen bei 14 das Schaufelgitter durchsetzenden und radial nach innen gerichteten Teilstrom angestoßen und gesteuert wird, umgelenkt und tritt im Sektor 15 in Pfeilrichtung aus. Der wirbelanfachende Teilstrom wird vorzugsweise durch den zwischen den Leitkörpern 11 und 12 oder 13 und 12 gebildeten Kanal erzeugt. Erfindungsgemäß werden die Schaufelparameter so gewählt, daß sich die günstigsten Anströmverhältnisse im Bereich 16 einstellen, während die Anströmverhältnisse im Bereich 17 wegen der dort herrschenden kleinen Geschwindigkeit vernachlässigt werden können. Hierdurch wird erreicht, daß der wirbelkernnahe Bereich, durch den der größte Durchsatzanteil strömt, einen möglichst verlustarmen Impulsaustausch erfährt. Eine Beeinflussung des Durchsatzes erfolgt erfindungsgemäß durch Verschiebung des Wirbelkernes. Diese wiederum wird durch Veränderung der Rückströmung durch den Kanal in Richtung 14, z. B. durch die Klappe 18, bewirkt. Mit diesem Verfahren läßt sich ein außerordentlich großer Regelbereich beherrschen, wobei die zur Betätigung der Klappe 18 erforderlichen Kräfte verschwindend klein sind. Die Wirkungsgrade ändern sich bei dieser Regelungsart für die Teillastgebiete kaum.
Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf den Rotor eines erfindungsgemäßen Strahlgebläses. Die Schaufeln 20 sind durch nur auf Zug belastete Zwischenscheiben 21 abgestützt, so daß die Durchbiegungskräfte, die mit 13 (l = Schaufelabschnittlänge 22) wachsen, klein gehalten werden.
Fig.3 zeigt eine andere Ausführung eines erfindungsgemäßen Läufers, bei welchem die Schaufeln 30 angenähert dem hyperbolischen Kosinus entsprechend gebogen sind. Auch die Verwendung flexibler Schaufelwerkstoffe sieht die Erfindung vor, wobei Verbundwerkstoffe mit längs zur Schaufel verlaufender maximaler Reißzahl, z. B. durch parallel hierzu gelegte Glasfaserverstärkung, bevorzugt werden.
Fig.4 zeigt den Läufer eines erfindungsgemäßen Strahlgebläses, der durch einen Gasstrom, beispielsweise den einer Gasturbine, angetrieben wird. Die Zwischenscheiben 40 tragen Axialschaufelgitter 41, die im abgedeckten Bereich 42 durchströmt werden. Die Treibgase treten durch das Leitschaufelsystem 43, die Abgase werden in Pfeilrichtung 44 durch das Schaufelgitter fortgetragen und erhöhen den Schub. Die Gaszufuhr erfolgt durch den hohlen Querschnitt des Leitelementes 45.
Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung, bei der Läuferenden 50 als Axialturbinenstufen ausgebildet sind. Die Leitschaufelkränze 51 erstrecken sich über den gesamten Umfang, die Abgase treten durch das Radinnere aus. Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung, bei der die Antriebsgase durch das Spiralrohr 60 aus tangential gestellten Düsen 61 austreten und den ringförmigen Schaufelabschnitt 62, der eine Aktionsturbinenbeschaufelung 63 trägt, beaufschlagen.
Fig.7 zeigt eine erfindungsgemäße Beschaufelung, bei der sich die Schaufelkanäle 70 in Richtung des Pfeiles 71 monoton verengen, so daß sich bei der ersten Durchströmung negative und. bei der zweiten in entgegengesetzter Richtung 72 positive Reaktionsgrade einstellen. Während einer Durchströmung herrscht also Impulsaustausch im Bereich beschleunigter und damit ablösungsfreier Strömung. Die innere Kante 73 ist erfindungsgemäß zur Verringerung der Stoßverluste stumpf gehalten.
Fig. 8 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Strahlers 80 als Antriebseinheit für kolbenmotorgetriebene Kleinflugzeuge. Vorteilhaft wirkt sich hier aus, daß hochtourige Verbrennungsmotoren 81 ohne Untersetzungsgetriebe Verwendung finden können und daß der Widerstand der Luftschraube bei motorlosem Flug wegfällt. Ein weiterer Vorteil ist in dem günstigen Leistungsverhalten des Gebläses in Abhängigkeit von der Drosselung zu suchen, denn bei dem zuvor erwähnten kleinen Reaktionsgrad fallen die maximalen p- und p- Werte annähernd zusammen, so daß entsprechend der stark drosselgradabhängigen Leistungskurve in Bodennähe in gedrosseltem Zustand eingesetzt wird und erst beim Höhenflug mit vollem Durchsatz arbeitet, ohne daß die Wellenleistung oder die Drehzahlen sich ändern. Durch Variieren der Austrittsbreite 82 kann die Strahlgeschwindigkeit verändert werden und damit eine weitere Anpassung an den gewünschten Flugzustand erreicht werden. Schließlich ist noch hervorzuheben, däß eine erfindungsgemäße Triebwerkseinheit am Boden keine Gefahren bildet, wie dies bei der Luftschraube der Fall ist. Die Erfindung sieht weiterhin vor, die Motoren 81, die durch Axialkupplungen 84 mit den Rotoren 80 verbunden sind, abwerfbar so auszubilden, daß bei Motorausfall, beispielsweise über See, eine Gewichtsverminderung durch Abwerfen des defekten Motors durch eine Luke 83 erreicht wird.
Fig. 9 zeigt eine Gebläseanordnung in einer Tragfläche, die gleichzeitig zur Erzeugung von Vortrieb, zur Erhöhung des Auftriebsbeiwertes und durch Schwenken des Außenleitkörpers 90 in die Stellung 91 zur Erzeugung eines Bremsschubes in Richtung 92 eingesetzt werden kann.
Fig. 10 zeigt eine erfindungsgemäße Hubstrahlereinheit, die zur Auftriebserzeugung für Drachenflugzeuge oder für flügellose Luftfahrzeuge eingesetzt werden kann. Zwar ist die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Hubstrahlereinheit größer als die von Hubschrauben, da sich der Leistungsbedarf zum vergleichbaren Strahlquerschnitt bei konstantem Schub verhält. Andererseits aber liegt der Leistungsbedarf wesentlich niedriger als die Vortriebsleistung schneller Drachenflugzeuge. Vor allem wirkt sich bei dieser Anordnung der Vorteil aus, daß die Rotoren 100 direkt mit einer gesonderten Turbinenstufe 101 verbunden und durch Strömungssteuerung oder Kupplung abgeschaltet werden können. Das Totgewicht sinkt damit auf Werte, die sich mit Hubschrauben nie erreichen lassen, während im Fluge die vorteilhafteste Antriebsart, z. B. der Strahlantrieb, eingesetzt wird, ein Vorteil, der sich bei den Integrationsflugzeugen mit PTL-Triebwerken nicht verwirklichen läßt. Entscheidend ist, daß das Flugzeug bei Start, Flug und Landung die gleiche horizontale Lage beibehält. Analoge Baueinheiten lassen sich mit Ein-, Zwei- und Mehrläuferreihen verwirklichen und können sowohl zum Heben von autoähnlichen Flugzeugen, von Schlauchbooten für Seenoteinsatz als auch von Drachenflugzeugen, auch von solchen, die zur Starthilfe aufgesetzter Flugzeuge dienen, eingesetzt werden. Dabei kann die Unterteilung in der Lagerung so erfolgen, daß die Lagerhalter 102 bis 104 beim Anlassen fixiert werden, während diese nach Überschreiten der kritischen Drehzahl nacheinander gelöst werden, so daß der gesamte Rotorverband oder ein entsprechender Teil als elastische Welle läuft.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Strahlgebläse zur Auftriebs- und/oder Vortriebserzeugung in Luftfahrzeugen oder anderen schnellen Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Querstromgebläse verwendet werden, wobei ^.zwischen dem ersten und dem zweiten Durchtritt eine Zwangsströmung, z. B. ein stationärer Potentialwirbel die Steuerung des Durchsatzes übernimmt und der Strahlaustritt an der Unterseite eines Tragflügels oder eines Fahrzeugrumpfes, an der Seite oder am Ende eines Fahrzeugrumpfes oder einer umlaufenden Tragfläche erfolgt.
2. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenläufige Rotoren zu einer Gebläseeinheit mit gemeinsamem Ein- oder Austritt zusammengefaßt sind.
3. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, däß zwischen einem die Saug- und Druckseite trennenden Leitkörper und dem Schaufelgitter ein Kanal gebildet wird, dessen Mittellinie eine radial nach innen gerichtete Komponente besitzt.
4. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal durch Leit körper eingeschlossen und gegebenenfalls in mehrere Zweige aufgeteilt ist.
5. Strahlgebläse nach Anspruch 1 oder einem weiteren Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalquerschnitt zum Zwecke der Durchsatzregelung veränderlich ausgeführt ist.
6. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Austrittsquerschnitt veränderlich gestaltet ist.
7. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Beschaufelung des Rotors durch nur auf Zug belastete Radscheiben und/oder Ringe ein oder mehrere Male abgefangen ist. B.
Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln hohl ausgebildet sind.
9. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln aus Kunststoffen bestehen, die nur oder vorwiegend durch axial verlaufende Glasfasern verstärkt sind und vorzugsweise mit den Radscheiben verklebt werden oder eine Einheit bilden.
10. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln gebogen, vorzugsweise annähernd der Funktion des hyperbolischen Cosinus folgend, ausgebildet sind.
11. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln aus flexiblem Material bestehen.
12. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstoffe so Verwendung finden, daß die Vorzugsrichtung maximaler Reißlänge parallel zur Schaufelmittellinie verläuft.
13. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und gegebenenfalls weiteren, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelzahl zwischen 60 und 180 liegt, wobei vorzugsweise das Verhältnis von radialer Erstrekkung zur Schaufeltiefe 22 bis 40% beträgt.
14. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Schaufeltiefen größer ist als der Umfang des Schaufelgitters.
15. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse und Leitkörperelemente im läufernahen Bereich dem Verlauf der Schaufeln in der Weise folgen, daß zwischen Schaufel und Wandung an jeder Stelle annähernd gleiche Abstände gebildet werden, während diese Profilierung mit größer werdendem Abstand vom Läufer vorzugsweise in ebene Wandflächen ausläuft.
16. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch vorzugsweise hochtourige Kolbenmotoren mit Kurbelwellendrehzahl erfolgt.
17. Strahlgebläse nach Anspruch 1, insbesondere für Integrationsflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der neben- und/oder übereinander angeordneten Strahlgebläseläufer durch an sich dem Vortrieb dienende Strahlturbinen unter Zwischenschaltung mechanischer Kupplungen erfolgt, die bei Nichtgebrauch des Strahlgebläses abschaltbar sind.
18. Strahlgebläse nach Anspruch 1, insbesondere für Integrationsflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung von an sich dem Vortrieb dienenden Strahlturbinen zu den Strahlgebläsen aerodynamisch, vorzugsweise durch Umlenken des Gasturbinendurchsatzes während des Vertikalfluges erfolgt.
19. Strahlgebläse nach Anspruch 1 insbesondere für Integrationsflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch Turbinen erfolgt, die vorzugsweise durch den Durchsatz von im Horizontalflug dem Vortrieb dienenden Gasturbinen gespeist werden, wobei die Beaufschlagung sowohl axial als auch radial oder tangential erfolgen kann.
20. Strahlgebläse nach Anspruch 1 für Hubstrahler und Integrationsflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Läufer parallel zur Längsachse erfolgt.
21. Strahlgebläse nach Anspruch 1, insbesondere als Vortriebsorgan für langsame Drachenflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiteinrichtung eines annähernd parallel zur Querachse eingebauten, vorzugsweise innerhalb der Flächen untergebrachten Gebläses um die Gebläseachse so schwenkbar angeordnet ist, daß die Strahlrichtung über einen Schwenkbereich von mindestens 60 so eingestellt werden kann, daß derselbe Strahler gleichzeitig zur Vortriebserzeugung als auch zur Auftriebserhöhung und bei größerem Schwenkwinkel auch zur Bremsung herangezogen werden kann, wobei die Luft vorzugsweise an der Oberseite der Fläche eintritt.
22. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere erfindungsgemäße Strahlgebläsemotoreinheiten vorzugsweise annähernd vertikal im Rumpfheck eingebaut sind, wobei der Strahl in annähernd horizontaler Richtung austritt.
23. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch mehrere Motoren erfolgt, die möglichst unterhalb des Schwerpunktes des Flugzeuges abwerfbar angeordnet sind.
24. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere koaxial hintereinandergeschaltete langgestreckte Trommelläufer mit überkritischer Drehzahl betrieben werden.
25. Strahlgebläse nach Anspruch 1 und. 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Trommelläufern Zwischenlager oder am Umfang aufliegende Gleitrollen während des Anfahr- und Bremsvorganges zur Schwingungsdämpfung starr oder gedämpft elastisch mit dem starren Zellensystem des Flugzeuges gekoppelt werden, um spätestens nach Erreichen der Enddrehzahl entkuppelt zu werden.
26. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d'aß sie zur Auftriebserzeugung von flügellosen Luftfahrzeugen, die gleichzeitig als Landfahrzeuge, beispielsweise als Automobile, oder als Wasserfahrzeuge, beispielsweise als Schlauchboote, eingesetzt werden können, Verwendung finden.
27. Strahlgebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug- und/oder Austrittsöffnungen in ihrem Querschnitt verändert und/oder völlig verschlossen werden können.