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Antriebseinrichtung für Luft-, Wasser-und Landfahrzeuge Die Erfindung
betrifft eine Antriebseinrichtung für Luft-, Wasser- und Landfahrzeuge unter Verwendung
mindestens eines Profilkörpers, der laufend im Wechsel an verschiedenen Seiten durch
eine Strömung beaufschlagt und somit zur Erzeugung von Vortriebskräften ausgenutzt
ist.
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Die auftretende, Wirkung, nämlich das Entstehen von Vortriebskräften,
an einem Profilkörper vorzugsweise stromlinienförmigen (Querschnitts, der durch
eine Strömung laufend. im Wechsel an mindestens zwei aneinander gegenüberliegenden
Längsseiten beaufschlagt wird, ist unter dem Begriff Knoller-Betz-Effekt (zuweilen
auch Katzmayr-Effekt genannt) bekannt.
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Zum Nachweis dieses Effektes ist eine Versuchsanordnung bekanntgeworden,
bei der die Luftströmung eines Windkanals durch eine Jalousie, deren Klappen gemeinsam
auf und ab geschwenkt werden, geleitet ist und die dadurch in Wellung versetzte
Strömung laufend im Wechsel auf zwei einander gegenüberliegende Längsseiten eines
flügelförmigen Profilkörpers trifft. Mit dieser Versuchsanordnung sollen lediglich
zur Bestätigung theoretischer Untersuchungen die am Profilkörper auftretenden Vortriebskräfte
gemessen werden.
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Es hat nun ständig das Bestreben geherrscht, den Knoller-Betz-Effekt
auch praktisch auszunutzen. So ist z. B. ein Flugzeug bekanntgeworden, bei dem zur
Vortriebserzeugung die vorderen Tragflügel mit Hilfe entsprechender Antriebs- und
Steuermittel ähnlich wie Vogelflügel auf und ab geschlagen werden und ein nachgeordneter
feststehender Tragflügel durch die von den bewegten Flügeln weggedrückte Luft wechselnd
von oben und unten getroffen wird, so daß dort der Knoller-Betz-Effekt entsteht.
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Ferner wurde auch schon eine Antriebseinrichtung für Schiffe bekannt,
bei der ebenfalls durch entsprechende Antriebs- und Steuermittel eine Klappe ruderartig
um eine quer zur Schiffslängsachse liegende Achse laufend auf und ab geschwenkt
und ein nachgeordneter Profilkörper von dem durch die Klappe weggedrückten Wasser
laufend im Wechsel an gegenüberliegenden Längsseiten unter Erzeugung des Knoller-Betz-Effektes
beaufschlagt wird.
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Die vorgenannten Anwendungsmöglichkeiten des Knoller-Betz-Effektes
sind bisher nur in der Literatur bekanntgeworden, haben sich aber nicht in der Praxis
durchgesetzt. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß bei Verwendung lediglich
eines vor dem Profilkörper schwenkenden klappen- bzw. flügelartigen Körpers als
Antriebsmittel keine zufriedenstellende Antriebsleistung erreicht wird, da man hinsichtlich
der Bemessung der Klappen bzw. Flügel an die Fahrzeugkonstruktion gebunden ist und
keine genügend hohe Schwenkungsfrequenzen technisch realisieren kann. Obwohl nun
der Knoller-Betz-Effekt schon seit sehr langer Zeit bekannt ist, ist man beim Versuch,
ihn praktisch auszunutzen, bis jetzt nicht von dem klassischen Prinzip, nämlich
von dem vor dem Profilkörper schwenkenden klappen- bzw. flügelartigen Körper als
Antriebsmittel, abgegangen und demzufolge zu keiner brauchbaren Lösung gelangt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kombination
entsprechender Mittel zur Anwendung zu bringen, durch die die praktische Ausnutzung
des. Knoller-Betz-Effektes gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß vor dem Profilkörper
ein für Fahrzeuge üblicher, selbst Vortrieb bewirkender Erzeuger einer Strömung
zunächst mindestens annähernd gerader Richtung, wie z. B. der rotierende Propeller
eines Flugzeuges, das Strahltriebwerk eines Flugzeuges bzw. einer Rakete bzw. die
rotierende Schraube eines Schiffes ori. dgl., und mindestens ein diese Strömung
laufend im Wechsel auf verschiedene Seiten des Profilkörpers. ablenkendes Mittel
vorgesehen ist, wobei Strömungserzeuger, Ablenkungsmittel und Profilkörper eine
Einheit mit dem Fahrzeug bilden.
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Mit der Erfindung wird somit erstmalig die bei diesen Fahrzeugantrieben
ohnehin vorhandene Strömung zur Erzeugung des Knoller-Betz-Effektes ausgenutzt.
Es ergibt sich somit auch die Möglichkeit, bereits in Fahrzeuge eingebaute Strömungserzeuger
entsprechend der Erfindung noch mit einem Ablenkungsmittel und einem Profilkörper
zu kombinieren, ohne da.B eine wesentliche Änderung der vorhandenen Konstruktion
erforderlich ist. Dadurch lassen sich Antriebseinrichtungen, mit denen eine Strömung
zum Antrieb des Fahrzeuges erzeugt wird, in technischer und ökonomischer Hinsicht
wesentlich verbessern.
Bekanntlich wird bei der z. B. hinter dem
Propeller eines Flugzeuges, hinter der Austrittsdüse eines Strahltriebwerkes für
Flugzeuge und Raketen bzw. hinter der Schraube eines Schiffes auftretenden Strömung
der Vortrieb durch die Übergeschwindigkeit dieser Strömung gegenüber der Fahrt-
bzw. Fluggeschwindigkeit erzeugt. Er ist bekanntlich um so größer, je größer der
Strömungsquerschnitt und die Übergeschwindigkeit ist. Demgegenüber ist der Wirkungsgrad
um so besser, je kleiner die übergeschwindigkeit ist, d. h. je mehr die Stömungsgeschwindigkeit
der Fahrt bzw. Fluggeschwindigkeit angenähert ist. Man hat bisher, um einen größeren
Vortrieb bei zugleich gutem Wirkungsgrad zu erhalten, den Strömungsquerschnitt möglichst
groß und die Übergeschwindigkeit möglichst klein gewählt. Die Bemessung des Strömungsquerschnittes
findet jedoch in vielen Fällen bei noch nicht befriedigenden Werten des Wirkungsgrades
ihre Begrenzung. Dies ist bei Schiffen in flachen Gewässern und bei Propellerschlitten
offensichtlich der Fall. Ferner treten bei Flugzeugen mit Propellerantrieb Beschränkungen
dadurch auf, daß, wenn die Umlaufgeschwindigkeit der Propellerspitzen die Schallgeschwindigkeit
erreicht, der Wirkungsgrad abfällt. Auch bei Flugzeugen mit Strahltriebwerken ist
man aus technisch konstruktiven Gründen in der Bemessung des Strömungsquerschnitts
beschränkt und liegt mit dem Wirkungsgrad erheblich noch unter dem Wirkungsgrad
von Flugzeugen mit Propellerantrieb.
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Ähnlich wie der Wirkungsgrad hängt auch der Lärm von der Größe der
Übergeschwindigkeit ab. Er steigt mit wachsender Übergeschwindigkeit an, so daß
man auch aus diesem Grunde bestrebt ist, die Übergeschwindigkeit möglichst klein
zu halten.
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Durch die Erfindung wird nun der Vorteil erreicht, daß bei gleicher
Leistung die Übergeschwindigkeit gegenüber den bisher erreichten Werten wesentlich
vermindert werden kann, ohne auf die Vergrößerung des Strömungsquerschnittes angewiesen
zu sein.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Knoller-Betz-Effekt
ausgenutzt ist, indem die z. B. vom Flugzeugpropeller, von der Schiffsschraube bzw.
vom Flugzeug- oder Raketenstrahltriebwerk erzeugte, zunächst gerade Strömung durch
die Richtung dieser Strömung ändernde Mittel laufend auf verschiedene, mindestens
jedoch im Wechsel auf zwei einander gegenüberliegende und in bzw. annähernd in Vortriebsrichtung
verlaufende Seiten eines Profilkörpers gelenkt ist.
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An Hand der Abbildungen ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In den Abbildungen ist die Lenkung der Strömung auf die Längsseiten
des Profilkörpers gezeigt, und zwar erfolgt dies in Abb.l mittels eines in Schwenkungen
versetzten Körpers, in Abb. 2 und 3 mit Hilfe von Strömungsimpulsen, in Abb. 4 durch
ein elektrisches Feld und in Abb. 5 und 6 mittels rotierender Ablenkkörper.
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In Abb. 1 ist die Strömung 1 durch einen Propeller 2 erzeugt. Diese
Strömung 1 wird durch einen um die strichpunktiert angedeutete Achse 3 in Schwenkungen
versetzten Körper 4 nacheinander auf die obere und untere Seite eines flügelförmigen
Profilkörpers 5 gelenkt. Dabei ist der Einfallswinkel a der Strömung in bezug auf
die durch den Pfeil 6 angedeutete Vortriebsrichtung abwechselnd größer und kleiner
als 0°. Zur Bewirkung der Schwenkungen des Körpers 4 ist ein an sich bekanntes,
mit der Welle 7 in Wirkungsverbindung stehendes Getriebe 8 vorgesehen, das die rotierende
Bewegung der Welle 7 in eine durch Pfeil 9 angedeutete Schwenkbewegung des Körpers
4 umformt. Um die Schwenkungszahl des Körpers 4 zu beeinflussen, kann ein Regelglied
10 vorgesehen sein, z. B. eine in die Welle 7 eingefügte elektromagnetische Kupplung,
deren Kupplungsgrad durch einen regelbaren Widerstand 11 einstellbar ist. Anstatt
in Schwenkungen kann der Körper 4 auch z. B. mittels eines geeigneten Kurbelgetriebes
mindestens annähernd senkrecht zur Strömung in Schwingungen versetzt und in seiner
Schwingungszahl ebenfalls regelbar ausgeführt sein.
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In Abb. 2 wird die beispielsweise durch einen Hohlkörper 12 geführte
Strömung 1 mittels zusätzlicher Strömungsimpulse 13 und 14 wechselweise auf die
obere und untere Seite des flügelförmigen Profilkörpers 5 gelenkt. Der Einfallswinkel
der Impulse ist dabei in bezug auf die normale Strömung größer als 0° und kleiner
als 90°. Der Hohlkörper 12 kann dabei doppelwandig ausgeführt und in den Zwischenraum
15 zwischen den beiden Wandungen eine zusätzliche Strömung 16 geführt sein, wobei
diese Strömung 16 ausgangsseitig an zwei gegenüberliegenden Schlitzen 17 und 18
im Wechsel durch rotierende, miteinander, wie strichpunktiert angedeutet, gekuppelte
Verschlußwalzen 19 und 20 zum Austritt freigegeben wird. Zweckmäßig ist es, sowohl
die Strömung 16 in dem Zwischenraum 15 z. B. durch verstellbare Klappen 21 als auch
die Drehzahl der Verschlußwalzen 19 und 20 z. B. mit Hilfe eines regelbaren schematisch
angedeuteten Getriebes 22 steuerbar auszuführen. Gegebenenfalls kann auch die Richtung
der Impulse 13 und 14 durch entsprechende Verstellung der austrittsseitigen Enden
des Hohlkörpers 12 regelbar gestaltet sein.
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In Abb. 3 ist die obere und untere Seite des Profilkörpers 5 im Wechsel
durch eine Strömung beaufschlagt, die aus zwei diesen Seiten zugeneigten Austrittsdüsen
23 und 24 austritt. Es kann eine Gesamtströmung auf die zwei Austrittsdüsen 23 und
24 aufgeteilt werden und, da eine Beaufschlagung der Seiten des Profilkörpers 5
im Wechsel erfolgt, jede Düse im vorgegebenen Rhythmus durch entsprechende, an sich
bekannte bewegte Abdeckglieder abgesperrt werden. Die Austrittsdüsen können aber
auch je einem Strahltriebwerk zugeordnet sein, wobei diese Strahltriebwerke wechselweise
gezündet werden. Soweit die Strahltriebwerke eine Strömung liefern, die in bzw.
über der Schallgeschwindigkeit liegt, können ihre Austrittsdüsen auch parallel zur
gedachten Längsachse des Profilkörpers liegen und schräg abgeschnitten sein, derart,
daß die jeweiligen Schnittebenen verschiedenen Seiten des Profilkörpers zugeneigt
sind. Ferner ist es auch möglich, mehr als zwei Austrittsdüsen dieser Art vorzusehen
und einen tropfeiförmigen Profilkörper anzuwenden, der dann am gesamten Umfang wechselweise
bzw. nacheinander an verschiedenen Seiten angeströmt wird. Auch bei der vorgenannten
Maßnahme ist es zweckmäßig, die Austrittsstärke der Strömung bzw. deren Neigung
gegen den Profilkörper 5 oder aber die Impulsfolge regelbar zu gestalten.
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Ferner ist es möglich, wie in Abb. 4 schematisch dargestellt, das
Strömungsmedium elektrisch aufzuladen bzw. mit Ladungsträgern zu impfen und dann
mit Hilfe eines im vorgegebenen Rhythmus sich ändernden elektrischen Feldes 25 die
Strömung 1 auf mindestens zwei gegenüberliegende Seiten des Profilkörpers 5 zu lenken.
Dabei ist es auch hier zweckmäßig,
die das elektrische Feld erzeugende
Spannung in ihrer Höhe und/oder Frequenz in an sich bekannter Weise regelbar auszuführen.
Außerdem kann im Bedarfsfall anstatt des elektrischen Feldes auch ein elektromagnetisches
Feld Anwendung finden.
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In Abb. 5 ist ein Ablenkkörper 26 vorgesehen, der auf einer strichpunktiert
angedeuteten Achse 27 angeordnet und durch einen entsprechenden Antrieb in Drehung
versetzt ist. Die zum Vortrieb des Fahrzeuges ausgenutzte Strömung 1 ist im vorliegenden
Falle wieder durch einen rotierenden Propeller 28 erzeugt. Die Strömung 1 wird durch
die Fläche 29 bei Drehung des Ablenkkörpers 26 so abgelenkt, daß sie den nachgeordneten
flügel- bzw. tropfeiförmigen Profilkörper 5 an seinen Seiten trifft, wodurch der
Knoller-Betz-Effekt auftritt. Bildet man den Profilkörper 5 als Tragflügel aus,
so wird die abgelenkte Strömung nach Art einer gewellten Strömung wechselweise von
oben und von unten auf ihn wirken. Man kann aber ebenso einen tropfeiförmigen Profilkörper
oder einen Profilkörper, bei dem beide Formen kombiniert sind., anwenden, um den
gewünschten Effekt zu erhalten.. Es ist ferner auch möglich, den Ablenkkörper 26
und den Propeller 28 baulich zu vereinigen, indem man sich den Propeller 28 auf
der gedachten Rotationsachse an bzw. in den Ablenkkörper 26 verschoben denkt und
in der gedachten Lage beide Teile fest miteinander verbunden sind. Obwohl das ruhende
Medium in, der Umgebung bei entsprechender Fahrtgeschwindigkeit zur Lenkung der
Strömung mit beiträgt, da es das ungehinderte Abströmen, der abgelenkten Strömung
in die abgelenkte Richtung unterdrückt, sind im vorliegenden Falle ebene oder auch
konzentrisch zur Rotationsachse 27 gebogene Leitbleche 30 und. 31 vorgesehen, um
die Strömung besonders gut auszunutzen und exakt auf den Profilkörper 5 zu lenken.
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In Abb.6 ist als Antriebseinrichtung ein Strahltriebwerk gewählt,
wobei die Strömung 1 durch einen Hohlkörperteil 32 mit einem lichten Kreisquerschnitt,
das ist im vorliegenden Falle die Austrittsdüse des Strahltriebwerkes, geführt ist.
Der darin angeordnete rotierende Ablenkkörper 26 hat auch hier die Aufgabe, die
Strömung auf verschiedene Seiten des Profilkörpers 5 zu lenken, um den Knoller-Betz-Effekt
zu erzeugen. Anstatt eines einzigen Profilkörpers 5 können im Bedarfsfall hier sowie
auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen mehrere vorgesehen sein. Man kann sich
den Ablenkkörper 26 hier aus einem zum Teil punktiert angedeuteten rotationssymmetrischen,
tropfen- oder kegelförmigen Körper 33 entstanden denken, der in einen annähernd
schräg abgeschnittenen, zum Teil punktiert angedeuteten, rotationssymmetrischen,
austrittsseitig abgerundeten Zylinder 34 eindringt. Die Form des Ablenkkörpers 26
ist nicht nur auf die in der Abb. 6 gezeigten beschränkt, sondern kann beliebig
anders gewählt sein. Beispielsweise ist es auch möglich, bei geeigneter Formgebung
den Ablenkkörper auf einer quer zur Strömung angeordneten Achse rotieren zu lassen.
Ferner kann der Ablenkkörper bei entsprechender Form auch in einem die Strömung
leitenden Hohlkörper angeordnet sein, dessen Querschnittsform von der einer Kreisfläche
abweicht. Sehr zweckmäßig ist es jedoch, den Ablenkkörper 26, wie aus der Abb. 6
ersichtlich, mit seiner Achse 27 in die Richtung der ursprünglichen zentralen Strömung
vor der Ablenkung zu legen und seine Form so zu wählen, daß er den lichten Kreisquerschnitt
des Hohlkörperteils 32 an mindestens einer Stelle mindestens annähernd sektor- oder
segmentförmig abschließt bzw. frei läßt. Dabei empfiehlt es sich, der der Strömung
1 zugekehrten Fläche des Ablenkkörpers 26 mindestens annähernd eine abgeschrägte
Form zu geben derart, daß der Ablenkwinkel größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Es ist auch möglich, das Hohlkörperteil 32 mit einem weiteren austrittsseitig etwas
längeren Hohlkörperteil 35 zu umgeben und durch den Raum 36 zwischen den beiden
Hohlkörperteilen 32 und 35 eine pulsierende bzw. kontinuierliche Strömung, beispielsweise
durch Abzweigung von der ursprünglich erzeugten Strömung, zu leiten. Bei Verwendung
zweier übereinander angeordneter Hohlkörperteile 32 und 35 kann auch der innere
Hohlkörperteil 32 zum Zwecke der Rotation angetrieben und der Ablenkkörper 26 dann
an ihm fest angebracht sein, wobei der lichte Querschnitt des Hohlkörperteils 32
durch den Ablenkkörper 26 an mindestens einer Stelle mindestens annähernd Sektor-
oder segmentförmig abgedeckt bzw. frei gelassen ist.
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Ferner kann das in Rotation versetzte Hohlkörperteil 32 austrittsseitig
auch bis auf eine exzentrisch angeordnete Austrittsdüse abgeschlossen sowie auf
einen besonderen Ablenkkörper 26 verzichtet sein und die Austrittsdüse an ihrem
austrittsseitigen Ende einen lichten Querschnitt ovaler bzw. rechteckiger Form besitzen,
wobei in diesem Falle auch das umgebende Hohlkörperteil 35 im Bedarfsfall weggelassen
werden kann. Soweit aus dem in Rotation versetzten Hohlkörperteil 32 eine Strömung
austritt, deren Geschwindigkeit an bzw. über der Schallgeschwindigkeit liegt, kann
z. B. unter Verzicht auf den Ablenkkörper 26 und das umgebende Hohlkörperteil 35
das Hohlkörperteil 32 schräg abgeschnitten sein, wodurch sich ebenfalls eine Ablenkung
der Strömung im Sinne der Erfindung erzeugen läßt. Der Ablenkkörper 26 und im oben
geschilderten Falle der Ablenkkörper 26 samt Hohlkörperteil 32, ist zweckmäßig längs
verschiebbar auf der Achse 27 gelagert. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, eine
Kugellagerung 37 zwischen der Achse 21 und dem Ablenkkörper 26 vorzusehen. Die Einleitung
der Verstellkraft geschieht über ein Hebelgetriebe 38, das, wie strichpunktiert
angedeutet, an dem Ablenkkörper 26 angreift. Durch die Längsverschiebung des Ablenkkörpers
26 ist die Strömung in ihrer Wirksamkeit regelbar. Der Antrieb ist dem rotierenden
Ablenkkörper 26 über ein Getriebe 39, z. B. einem Planetenradgetriebe, zugeleitet,
so daß sich durch regelbare Gestaltung des Getriebes eine weitere Möglichkeit ergibt,
die Strömung in ihrer Wirksamkeit zu beeinflussen. Zu diesem Zweck kann anstatt
des Getriebes auch ein anderes Mittel zur Regelung der Drehzahl des Ablenkkörpers
26 Verwendung finden, z. B. eine elektromagnetische Kupplung, die über ein entsprechendes
elektrisches Schaltmittel manuell betätigt oder aber auch durch ein entsprechendes
Regelglied, z. B. einen Zentrifugalregler, zur selbsttätigen Beeinflussung bzw.
zur Stabilisierung der Drehzahl ausgenutzt ist. Eine Regelung der Strömung in ihrer
Wirksamkeit ist außerdem auch in der Form möglich, daß das austrittsseitige Ende
des Hohlkörperteiles 32 und/oder des umgebenden Hohlkörperteiles 35 im Sinne einer
Verengung bzw. Erweiterung des Austrittsquerschnittes regelbar ausgeführt ist, indem
beispielsweise das austrittsseitige Ende des Hohlkörperteiles 32 und/oder 35 aus
sich überdeckenden Platten besteht, die ineinander verschiebbar sind.
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Der Antrieb des Ablenkkörpers 26 kann in der Weise erfolgen, daß die
Achse 27 mit einem ohnehin vorhandenen Antriebsmittel, z. B. in vorliegendem. Falle
mit der Verdichterturbine 40 des Triebwerkes,
gekuppelt ist. Soweit
eine Drehzahlregelung des Ablenkkörpers 26 nicht notwendig ist, kann dieser selbstverständlich
auch mit der Turbine 40 fest gekuppelt sein. Ferner ist es auch möglich,
dem Ablenkkörper 26 einen Eigenantrieb zuzuordnen, indem man diesen Ablenkkörper
beispielsweise mit einem Flügelrad nach Art eines Windrades kombiniert. Diese Maßnahme
ist besonders für Staustrahltriebwerke geeignet. Zweckmäßig ist es, das Lagerteil
der Turbine 40 mit einem stromlinienförmigen Ansatz 41 zu versehen, damit die Strömung
1 in ihrer Wirkung nicht ungünstig beeinflußt wird. Mit 42 ist ein Teil zur Lagerung
der Achse 27 angedeutet. Im Bedarfsfall kann die Achse 27 selbstverständlich auch
an mehreren Stellen gelagert sein. Der etwa in der gedachten Verlängerung der ursprünglichen
zentralen Strömung liegende Profilkörper 5 kann auch hier als Tragflügel bzw. als
tropfemföriniger Rotationskörper ausgebildet sein oder aber auch die Kombination
beider Formen besitzen.
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Von besonderem Vorteil ist es, den Profilkörper 5 aus mehreren Teilen
43, 44, 45 zusammenzusetzen und davon, wie gestrichelt angedeutet, mindestens zwei
Teile, im Ausführungsbeispiel sind es die Teile 44 und 45, im Sinne einer Ab- bzw.
Umlenkung der Strömung verstellbar auszuführen. Es kann dadurch auf komplizierte
Stellglieder, wie sie bei den bekannten sogenannten Strahlum- bzw. -ablenkvorrichtungen
erforderlich sind, verzichtet werden. Ferner bietet der Profilkörper 5 in diesem
Fall, da er sich immer in der Strömung befindet, ja befinden muß, aber auch keinen
den Vortrieb ungünstig beeinflussenden Widerstand mehr. Diese Maßnahme ist für moderne
Luftfahrzeuge mit Strahltriebwerken von großer Bedeutung und selbstverständlich
nicht nur auf eine Strömung beschränkt, die durch einen rotierenden Ablenkkörper
abgelenkt wird, sonderni auch dort anwendbar, wo sie durch andere :Mittel ihre Ablenkung
erhält.