DE1456031A1 - Axialgeblaese mit Luftstromumkehr,insbesondere fuer die Steuerung der Bewegungen von Senkrechtstart-Flugzeugen - Google Patents

Description

• Axialgebläse mit Luftstromumkehr, insbesondere für die Steuerung der Bewegungen von Senkrechtstart-Flugzeugen Die Erfindung betrifft ein Axialgebläs'e mit Luftstromumkehr, insbesondere ein Axialgebläse mit radialer Beschaufelung, das in beiden Richtungen gleicherweise wirksam ist und zur Steuerung von Flugzeugen für Bewegungen um deren Längsachse angewendet werden kann.
• Bei Flugzeugen, wie z.B. bei Senkrechtstartern, muB eine Vor-. richturig zu deren Steuerung um ihre Längsachse vorhanden sein, vor allem während des Stadiums des Schwebens. Zahlreiche Vor-Schläge wurden hierfür bereits gemacht, und die Anwendung von Steuerdüsen, die sich in einigem Abstand von der Rumpflängsachse befinden, und so &n Drehmoment zur Steuerung der Flugzeugbewegungen um die Längsachse erzeugen, ist allgemein ge.-bräuchlich. Normalerweise zeigen diese Steuerdüsen oder ähnlache Einrichtungen nach unten, so daß die Tragfläche durch die an ihr angebrachten Düsen hochgedrückt wird. Auf diese Waise wird durch Einschalten einer Steuerdüse auf der einen Seite und durch Abschalten der Steuerdüse auf der gegenüberliegenden Seite der Rumpfmittellinie ein Drehmoment um die Längsachse auf das Flugzeug ausgeübt. Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung von Bewegungen uni die Flugzeuglängsachse besteht in der Anwendung von kleinen Gebläsen, die in der Nähe der Tragflächenenden angebracht-sind; diese wirken ebenfalls nach unten und erzeugen so eine- nach oben gerichtete Kraft auf die Fläche, und somit ein Drehmoment auf das Flugzeug. In beiden Fällen werden die die gewünschten Bewegungen hervorrufenden Kräfte nur in einer Richtung wirksam; dies macht eine Vorrichtung von vorbestimmter Größe erforderlich, um die für ein ausreichend großes Dreh-Moment um die Längsachse nötige Kraft zu erzeugen.
• Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der vorstehend erwähnten vorbekannten Vorrichtungeg,um eine Reihe von Vorteilen zu erreichen. So wäre es verständlicherweise vorteilhaft, wenn man die das Drehmoment erzeugende Kraft in zwei entgegengesetzten Richtungen wirken lassen könnte, nämlich einmal nach oben oder ein andermal nach unten. Hierdurch würden die Größe und das Gewicht der Vorrichtung. und die aufzuwendenden Kräfte reduziert werden können, weil nunmehr ein Kräftepaar gleichsinnig wirksam wird, so daß die eine Tragfläche hochgedrückt und die andere heruntergedrückt wird. Dies steht im Gegensatz zu der herkömmlichen Methode der Steuerung, bei welcher eine einzige nach unten gerichtete Kraft von einem Wert Null bis zu einem maximalen Wert wirksam wird. Durch eine Einrichtung zur Umkehrung der Kräfte kann man aber gleichgroße Kräfte nach unten oder oben erzeugen, so daß dann bei Anwendung eines Kräftepaares zur Erzeugung eines gewünschten, bestimmten Drehmoments um die Längsachse die erforderliche Einzelkraft praktisch nur halb so groß zu sein braucht; auch ist die Größe der Vorrichtung, deren Umfang und das Gewicht entsprechend reduzierbar. Die Erfindung bezieht sich somit auf ein solches Gebläse mit Luftstromumkehr, um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen. Das Gebläse mit Luftstromumkehr soll in der Lage sein, zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Kräfte zu erzeugen. Der Luftstrom soll so durch das Gebläse geführt werden, daß die Reaktionszeit bei einer Umsteuerung kurz ist. Weiter hin soll die Antriebsenergie für das Gebläse möglichst der Hauptenergiequelle entnommen werden. Auch soll zur Umsteuerung des Gebläses möglichst kein aufwendiges Antriebsaggregat erforderlich sein: Gemäß der Erfindung soll. somit in der Tragfläche eines Flugzeugs für 5ankrechtstarte und -landungen ein in einem vertikalen Kanal oder Schacht anzuordnendes Gebläse vorgesehen sein welches mit einer Einrichtung zur Luftstromumkehr ausgerüstet ist, so daß die in den Tragflächen befindlichen Gebläse einerseits Luft von der Unterseite der Tragfläche zur Oberseite durch den vertikalen Kanal hindurch zur Oberseite fördsrn: und andererseits nach erfolgter Umsteuerung die entsprechende Luftförderung in umgekehrter Richtung bewirken. Bei den erfindungsgemäßen, an den Tragflächen anzudrdnenden Gebläsen weist das vorzugsweise turbienengetriebene Laufrad des Gebläses, welches in einer zur Tragfläche parallelen Ebene liegt, an seinem Umfang radiale Aktions- bzw. Gleichdruckschaufeln auf, auf deren beiden Seiten, d.h. über oder unter denen in dem vertikalen Kanal oder Schacht verstellbare Leitschaufeln vorhanden sind, die um ihre Schaufelachsen schwenkbar gelagert und mit Vorrichtungen zum Schwenken der Schaufeln gekuppelt sind, damit die Leitschaufeln zur Änderung der Richtung des.Luftstromes umgesteuert bzw. verstellt werden können. Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Gebläses mit Luftstromumkehr ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
• In den Figuren 1 bis 6 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbei-Spiels dargestellt, welches nachstehend im einzelnen näher beschrieben ist. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch das Gebläse mit Luftstromumkehr, welches in eine Tragfläche des Flugzeugs eingebaut ist; Fig. 2 und :).je eine schematische Darstellung der gegenseitigen Lage der Laufrad- und der Leitschaufeln zueinander hinsichtlich der beiden unterschiedlichen Luftstromricht ungen; Fig. 4 eine Ansicht einer Verstellvorrichtung für die Leitschaufeln; Fig. 5 und 6 je eine Ansicht eines Teils einer Flugzeugtragfläche mit in diese eingebautem Luftstromumkehrgebläse zur-Neranschaulchung eines asymmetrischen, sowie eines symmetrischen Betriebs zum Zwecke der gewünschten Steuerung des Flugzeugbewegungen.
• Der Gegenstand der Erfindung ist mchatehend hinsichtlich seiner Anwendung bei Flugzeugen beschrieben, da diese Anwendungsmöglich-Reit in erster Linie für diese in Betracht kommen dürfte. Es bedarf aber keiner besonderen Erörterung, daß die erfindungsgemäßen Gebläse ebensogut zur Steuerung von Bewegungen um die Querachse Anwendung finden könnten.
• Bei Flugzeugen für Senkrechtstarts und -landurigen ist es wünsehenswert, eine Steuerungsmöglichkeit hinsichtlich der Bewegungen des Flugzeugs um seine Längsachse während des Schwebestadiums zuhaben, da in dieser Phase keiner Steuerung des -Flugzeugs im .normalen Sinn durch-Reaktlonen auf Betätigung der Startklappen oder Querruder hin möglich ist. Diese Steuerung kann aber ohne weiteres mittels der Gebläse an den Tragflächenenden des Flugzeugs erfolgen.
• In Fig. 1 ist ein Gebläse mit Luftstromumkehr dargestellt, das alle bereits genannten Vorteile aufweist, und welches in die Tragfläche 10 mit ihren üblichen Längsholmen 11 eingebaut ist. Das Gebläse gemäß der Erfindung liegt zwischen den Holmen 11 in der Tragfläche 10. Um einen Luftstrom von der einen Seite der Tragfläche zur anderen zu ermöglichen, befindet sich in der Tragfläche ein Luftschacht 12, welcher.. durch diese ganz hindurchgeführt ist. Der Luftbewegung im Luftschacht 12 dient ein in diesem in der Ebene der Tragfläche angeordnetes Schaufelrad 13, welches mit seiner Achse 14 von den Lagern 15 getragen wird. Die Luftströmung im Luftschacht 12 wird von den radial am Schaufelrad 13 angeordneten Schaufeln 16 hervorgeru@ ,fen, die Luft durch den Luftschacht 12 hindurch fördern, deren Bewegungsrichtung von der Stellung der Leitschaufeln abhängt, wie'dies noch beschrieben ist.
• Ein Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen Gebläses mit Luftstromumkehr ist, daß die Schaufeln 16 Aktions- oder GleIchdruckschaufeln sind. Bei einer solchen Schaufel sind der statische Druck auf der An- und Abströmkante der Schaufel und der Luftausström- und-abströmwinkel gleich, was bedeutet, daß die Schaufel eiin symmetrisches Querschnittsprofil mit scharfer Vorder-und Hinterkanten hat, wie Fig. 2 zeigt. Um den Luftstrom 17 in der gewünschten Richtung zu führen, sind über und unter dem Laufrad 13 bzw. dessen Schaufeln 16 geeignete Leitschaufeln 18 bzw. 19 bzw. Leitschaufelkränze angeordnet.
• Zur Verdeutlichung sei angenommen, daß Luft von der Oberseite der Tragfläche nach der Unterseite durch den Luftschacht 12 hindurchströmen soll, wie durch den ausgezogenen Pfeil 17 angedeutet ist. Bei dieser Arbeitsweise - vgl. in Fig. 2,rechte Hälfte,die Schaufeln unterhalb des ausgezogenen, abwärtsgerichteten Pfeils 17 - sind verstellbare Einlaßleitschaufeln 18 oberhalb der Laufradschaufeln 16 vorgesehen und ähnliche verstellbare Auslaßleitschaufeln 19 unterhalb von diesen. Die Leitschaufein 18 bzw. 19 sind vorzugsweise gewölbte Profilschaufeln. Die Lage der Leit- und Laufschaufeln gegeneinander geht am besten aus Fig. 2 hervor, und zwar auf der rechten Seite mit ausgezogenen Linienzügen bei der Lustströmung von oben nach unten und auf der linken Seite mit gestrichelten Linienzügen bei der Luftströmung von unten nach oben.
• Um das Laufrad und die an ihm befestigten Schaufeln in Drehbewegung zu versetzen, kann jede geeignete, bekannte Antriebsvorrichtung Anwendung finden. Eing geeignete und vorteilhafte Antriebsvorrichtung besteht aus einer Blatt spitzenturbine, deren Schaufeln 20 in dem kreisförmigen Auetrittekanal 21a eines Schneckengehäuses 21 umlaufen; als Antriebsmittel dienen die heißen Abgase oder Kompressionsluft von einer Hauptenergiequelle, die nicht näher dargestellt ist. In dem Austrittskanal 21a sind Leitschaufeln 22 zur Führung des Antriebsmittelstromes gegen die Schaufeln 20 angeordnet.
• Es ist ersichtlich, daß bei entsprechender Lage der Schaufeln 18 und 19 gegenüber den Schaufeln 16 eine abwärts gerichtete Luftströmung durch das Gebläse hindurch erzeugt wird, wie durch den ausgezogenen Pfeil 17 oberhalb der-Tragfläche 10 angedeutet ist, wodurch auf die Tragfläche 10 eine nach oben gerichtete Kraft einwirkt.
• Um nun eine Luftströmung durch das Gebläse in umgekehrter oder aufwärtsführender Richtung zu erzeugen .. entsprechend den gestrichelten Pfeilen 17 in Fig. 1 unterhalb der Tragfläche 10 -, so müssen die Leitschaufeln 18 und 19 verstellt werden, wodurch die Schaufeln 19 Eintrittsschaufeln und die Schaufeln 18 Austrittsschaufeln werden. Daher sind die Schaufeln 18 und 19 um ihre innerhalb ihres Querschnittsprofils liegende-Achse 23 in richtung des Pfeils 24 schwenkbar, um sie aus der ausgezogenen in die gestrichelte Lage - Fig. 3 - und umgekehrt verstellen zu können. Beim Schwenken der Leitschaufeln 18 bzw. 19 ist vorteilhafterweise der kleinstmögliche Schwenkwinkel vorzusehen.
• Eine günstige Arbeitsweise und korrekte Richtung der Eintritts-und Austrittsvektoren der Luftströmung wird durch eine BewEgzng der Leitschaufeln 18 und 19 gegenüber den Laufradschaufeln 16 zwischen 80o und 120o erzielt. Feststehende zusätzliche Wirbel verhindernde Schaufeln 19a können ggf. bei Bedarf vorgesehen werden.
• Das Schwenken der Leitschaufeln 18 und 19 kann durch jeden beliebigen und geeigneten Mechanismus erfolgen, der beispielsweise in einem Gehäuse 25 zentral zum Gebläse untergebracht sein kann. Obwohl sich die Erfindung nicht auf einen bestimmten Antriebsmechanismus bezieht, ist in Fig. 4 ein solcher schematisch dargestellt.-Die Antriebsvorrichtungen 26 zum Schwenken der Leitschaufeln 18 bzw. 19 weisen einen Ventilschieber 27 auf, der den Austritt von Druckluft aus den Kanälen 28 steuert, um die Schwenkplatte 29 in der Kammer der Vorrichtung 26 und damit die Schaufel 19 aus der einen Lage in die andere zu verstellen, wie aus Abb. 4 ersichtlich ist. Der Ventilschieber 27 kann zentral von der Nabe aus durch einen Stellhebel 30 geschwenkt werden, der so aasgelenkt sein kann, daß die Schaufeln unabhängig voneinander und nacheinander verstellt werden, indem die Gelenkbolzen 31_ gruppenweise verschoben werden oder gleichzeitig, daß alle Schaufeln einsprechend geschwenkt werden.
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer sogenannte n aW=etrischen Steuerung, um die Einstellung der einzelnen Leitschaufeln zu zeigen. Bei dieser Betriebssituation soll etwa die eine Hälfte der verstellbaren Schaußtn-,des Gebläses eine Strömung in senkrecht abwärtsführender Richturig bewirken, und die andere Hälfte der Schaufeln eine Aufwärtsströmung. Dies geschieht, wie durch die Pfeile 17 gekennzeichnet, im vorderen bzw. hinteren Teil des Gebläses. Hieraus ergibt sich eine neutrale Einstellung, in welcher keine Steuer- oder Reaktionskräfte wirksam sind, da die eine Strömung die andere ausgleicht. Bei dieser Betriebsart werden die Schaufelbewegungen, wie zuvor erwähnt, einzeln gesteuert. Der Vorteil eines derart eingestellten Systems besteht darin, daß der Rotor in allen Steuerpositionen bzw. Phasen einschließlich der Nullstellung stets dieselbe Antriebsenergie benötigt; das Gebläse bzw. sein Laufrad neigt daher nicht dazu, zu überdrehen. Zu Steuerungszwek..@1 ken sind hierbei die Schaufeln einzeln und nacheinander verstellbarg wobei z.B. ein Paar oder mehrere Schaufeln, die-eine Gruppe bilden, geschwenkt werden können, um Segmente 32 dem Bereich hinzuzufügen, in welchem eine bestimmte Luftströmung bereits vorhanden ist, um so nach und nach den Luftstrom nur in der einen gewünschten Richtung wirken zu lassen. Die stufenweise aufeinanderfolgende und unabhängige asymmetrische Steuerung hät aber noch einen weiteren Vorteil. Sobald die Schaufeln in den Segmenten 32 geschwenkt werden, so daß sich die sie passierende Strömung aus der Abwärts- in eine Aufwärtsströmung verwandelt, bewirkt der Aufwärtsluftstrom sofort eine entgegengesetzte Reaktion; anders ausgedrückt: der Luftstrom ändert sofort und sehr rasch seine Richtung. ' Die andere Steuerung- und Betriebsart ist bei Anwendung eines symmetrischen Steuersystems - vgl. Fig. 6 - gegeben, bei den die Schaufeln sämtlichst zur Erzielung einer nach unten führenden Strömung durch das Gebläse praktisch in gleicher Weise eingestellt sind. Bei dieser Betriebsart werden alle Schaufeln gleichzeitig-aus einer Position in die andere verstellt. Wenn eine weniger große, an der Tragfläche in der einen Richtung angreifende Kraft bzw. eine entgegengesetzt gerichtete Kraft gewünscht wird, so werden die Eintrittsleitschaufeln 18 und die darunter liegenden Austrittsleitschaufeln 19 in derjenigen Richtung geschwenkt, bei welcher die Strömung schließlich eine entgegengesetzte Richtung hat. Es ist offensichtlich, daß die Schaufeln dabei eine Nullwertposition passieren. Falls das Gebläse nicht in der Lage ist, in der Nullwertposition korrekt zu arbeiten, so besteht die Möglichkeit, den Gebläseantrieb momentan mittels eines geeigneten Mechanusmis zu unterbrechen. Bei Blattspß.tzenturbinenantrieb kann in einfacher Weise die Strömungszufuhr zu den Spi.tzenturbinenschaufeln 20 mit Hilfe von Ventilen o.dg1: abgeschaltet werden, um so ein Überdrehen des Gebläses in der sog. Nullstellung zu verhindern, da die vom Gebläse verbrauchte Kraft in der Nullstellung nur sehr gering ist.
• Zn beiden Fällen ändern die Eintrittsschaufeln und die Austrittsechaufeln ihre Lage und ihre Funktion. Hierdurch,'und in Verbindung mit den Aktions- bzw. Gleichdruckschaufeln, er- folgt eine sehr rapide Luftstromumkehr in dem Gebläse, das heißt, daß der Luftstrom ebenso rasch veränderbar ist wie die Schaufeln ihre Lage verändern. Es ergibt sich praktisch keine aerodynamische Verzögerung im Luftstrom und der Luftstrom tut das, was die Schaufeln von ihm verlangen und dies im-Bruchteil einer Sekunde. Dies macht sich noch deutlicher bei der asymmetrischen Steuerung aufgrund des Induktionseffektes der Luft im Abschnitt 33 zu dem Zeitpunkt bemerkbar, in dem die Schau- feln zur Umkehrung des Luftstromes in den angrenzenden Segmen- ten 32 verstellt werden. Da ein Teil der Schaufeln geschlossen ist, wird im Bereich dieser Schaufeln der nach unten gerichtete Luftstrom gestoppt. Neben diesen geschlossenen Schaufeln ist aber ein rasch aufsteigender Luftstrom vorhanden, so daß* so- bald die Schaufeln geöffnet sind, durch diesen angrenzenden Luftstrom die Luft induziert wird, die außerdem durch die Rotorschaufeln vorwärts bewegt wird. Bei der symmetrischen Steuerung wird die Luft insgesamt gestoppt und durch Wirkung der Rotorschaufeln und der Leitsohaufeln erneut-in Bewegung versetzt.
• Es ist somit ersidtlich, daß Gebläse mit Luftstromumkehr, unter Verwendung von Aktions- bzw. Gleichdruckschaufeln und von verstellbaren Leitschaufeln mit veränderlicher Einstellung, kleinere Gebläse zu verwenden ermöglichen, die I£raftwirkunge n in beiden Richtungen erzeugen, wenn sie, wie zuvor beschrieben, für Flugzeuge angewendet werden. Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Claims (3)

1. P a t e n t a n sp r ü c h e 1. In der Tragfläche eines Flugzeuges für Senkrechtstart in einem vertikalen Kanal angeordnetes Gebläse, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Einrichtung zur Luftstromumkehr ausgerüstet ist.
2. 2. Gebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise turbinengetriebene Laufrad des Gebläsen radiale Aktions- bzw. Gleichdruckschaufeln aufweist, . auf deren beiden Seiten in dem vertikalen Kanal verstellbare Leitschaufeln vorhanden sind, die um -Achsen. schwenkbar gelagert und mit Vorrichtungen zum Schwenken der Schaufeln gekuppelt sind.
3. 3. Gebläse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da13 die Leitschaufeln in einem Winkelbereich zwischen 800 und '120o schwenkbar sind.' _1+, Gebläse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln gleichzeitig schwenkbar sind. 5. Gebläse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln in Gruppen zusammengefaßt sind, deren Schaufeln gemeinsam oder einzeln unabhängig voneinander und nacheinander verstellbar sind. 6. Gebläse nach einem der Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch zusätzliche feste Leitschaufeln unterhalb von den unteren verstellbaren Leitschaufeln. 7. Gebläse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln mittels einer ventilgesteuerten, pneumatischen Stellvorrichtung schwenkbar sind. B. Gebläse nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine auf der Schwenk- und Schaufelachse sitzende, in einer Kammer schwenkbare Platte, welche auf der einen- oder der anderen Seite durch von einem Ventil gesteuerte Druckluft beaufschlagbar ist. Gebläse nach einem odermehreren der Ansprüche 1 bis 8, ' nusonat wie beschrieben und bzw,i oder dargestellt.