DE1951425A1

DE1951425A1 - Antrieb eines Fahrzeuges vermittels einer Mantelluftschraube

Info

Publication number: DE1951425A1
Application number: DE19691951425
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl-Ing Ufer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1969-10-11
Filing date: 1969-10-11
Publication date: 1971-04-22
Also published as: US3672169A; FR2064251A7; FR2064251B3; GB1327618A

Description

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Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 7» Oktober 1969

Gesellschaft mit beschränkter BP 857

Haftung ZVP2 Ha/räu München

Antrieb eines Fahrzeuges vermittels einer Mantelluftschraube.

Zur Erhöhung des Standschubes eines mit einer freifahrenden Luftschraube versehenen Antriebes ist es bekannt, die Luft" schraube mit einer ringförmigen Ummantelung zu versehen, eo daß bereits in der Schraubenebene volle Strömungsgeschwindigkeit vorhanden 1st. Dabei wird infolge höherer Durchflußmengen

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Energie gewonnen und in von der Ummantelung aufgenommenen Schub umgesetzt. Solchen als "Mantelluftschraube" bekannten Reaktionsantrieben/ z.B. von Luftfahrzeugen, sind bezüglich der. Formgebung des Mantels verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt; insbesondere sind wegen der dann auftretenden Diffusorverluste Profilformen mit Querschnittserweiterungen im Inneren des Mantels zu vermeiden. Eine weitere beim Entwurf des Mantels zu berücksichtigende Größe ist sein Profilwiderstand, der bei einer Mantelluftschraube zu schlechteren Schnellflugwirkungsgraden führt als bei einer freien Luftschraube gleicher Abmessung. Dabei ist nur in verhältnismäßig kleinen Geschwindigkeitsbereichen der durch die Ummantelung gewonnene Schub größer als die Reibungsverluste.

Bei den bekannten Antrieben mit Mantelluftschraube für Luftfahrzeuge ist deshalb für die beiden extremen Flugzustände Start und Schnellflug noch keine optimale Lösung erreicht worden, d.h. sie sind entweder überwiegend für hohen spezifischen Schub bei geringen Geschwindigkeiten oder für den Schnellflug bei ungünstigem Standschubwirkungsgrad ausgelegt. Dabei ist es möglich, den wirksamen Geschwindigkeitsbereich der Mantelluftschraube mittels Vorringe oder durch Veränderung des Anstellwinkels der Luftschraube zu strecken.

_Ej£-isJt_Aufgabe der Erfindung, mit einem eine Mantelluftschraube aufweisenden Antrieb eines Fahrzeuges bei konstanter Strahlflächenleistung für die beiden extremen Geschwindigkeitszustände, bei Luftfahrzeugen also: SJbart und Schnell£lag ι annähernd gleiche spezifische Schübe zu erreichen.

Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Mantel derart auszubilden, daß sein Auslaufquerschnitt veränderlich ist,

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wobei Mittel zur Grenzschichtbeeinflussung vorgesehen sind.

Es sind zwar Schwenkaggregate für Vertikalstartflugzeuge mit Mantelluftschraüben bekannt, deren Mantel mit Spreizklappen versehen ist. Die Schwenkaggregate sind jedoch im wesentlichen für den Schnellflug ausgelegt, wobei die der Mantelnase - also nicht dem Mantelauslauf - zugeordneten Spreizklappen eine Standschuberhöhung durch Beeinflussung der Nasenströmung ermöglichen sollen. Im Schnellflug bilden die eingefahrenen Spreizklappen keinen zusätzlichen Profilwiderstand.

Ferner ist in der DAS 1 078 877 eine querschnittsveränderliche Düse beschrieben, deren Mündung zur Verengung oder Erweiterung in radialer Richtung aus in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden und miteinander verbundenen elastisch verformbaren Abschnitten besteht. Dabei soll jedoch durch Erweiterung der Düsenmündung ein reduzierter Rückstoß erreicht werden.

Nach der Erfindung ist es dagegen möglich, einen Luftschraubenmantel zur Standschuberhöhung in einen extrem steilen Diffusor zu verändern, so daß der Mantelauslauf für die Startphase einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweist; für große Geschwindigkeiten bzw. für den Schnellflug kann der Mantelauslauf dann düsenförmig verengt werden. Dabei wird im Falle eines Diffusors ein Ablösen der Strömungsgrenzschicht von der Mantelwandung durch Mittel zur Grenzschichtbeeinflussung vermieden.

Um zugleich die Diffusorwirkung zu verstärken, können zur Grenzschichtbeeinflussung stabilisierte^Potentialwirbel vorgesehen sein.

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Zur Stabilisierung kann dabei eine Hilfsströmung dienen, der Strömungsenergie von der Hauptströmung zugeführt wird. Die Hilfsströmung kann jedoch auch aus einer Druckkammer zugeleitet werden.

Um eine Qüerschnittserweiterung zu ermöglichen, ist der Auslaufquerschnitt mittels Spreizklappen veränderlich; sie können jedoch auch eine düsenförmige Verengung des Mantelauslaufs bewirken.

h Eine Verengung des Mantelauslaufs kann auch durch ein an sich bekanntes Mündungsstück erfolgen, das aus elastisch verformbaren Abschnitten besteht, die jeweils einen nach außen konvex gekrümmten Querschnitt aufweisen und in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend miteinander verbunden sind. Eine solche Mantelmündung wirkt zugleich geräuschdämpfend.

Zum Zwecke einer verstärkten Zuleitung von Strömung in den Manteleinlauf können weitere Mittel zur Grenzschichtbeeinflussung vorgesehen sein, die dann an der äußeren Wandung eines Zentralkörperprofils angeordnet sind. Sie dienen zur Bildung mittels Strömungsenergie stabilisierter Potentialwirbel.

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Im Falle eines ummantelten SentralkÖrpers, beispielsweise bei einem "Frontbläser"-Triebwerk, kann die Strömungsgrenzschicht an der Zentralkörperwandung auch durch Anblasen beschleunigt werden. Dazu ist nach der Erfindung ein Ringspalt vorgesehen.

Durch die Konfiguration der gewählten Anordnung ist es möglich, daß ein Antrieb mit Mantelluftschraube in weiten

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Geschwindigkeitsbereichen optimal arbeitet) d«h· es werden beispielsweise für den Start und den Schnellflug «ines Luftfahrzeug·* _v aber auch für den dazwischen liegenden Geschwindigkeitsbereich, gute spezifische Schub· erreicht· Ale günstige Nebenwirkung ergibt sich weiterhin, daß die Durchsatsgeschwindigkeit einer Luftschraube von Start bis sum Schnellflug durch entsprechende Spreis- oder DQsenstellung des Man* tels konstant gehalten werden kann· Die Luftschraube kann somit aus Blättern bestehen, die auf einer Nabe fest und unverstellbar angeordnet sind·

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen* Dazu'sind drei Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt, und zwar zeigt

Fig· 1 einen Längsschnitt durch eine hinter einem Zentralkörper angeordnete Kantelluftschraube, teilweise gebrochen, ·

Fig· 2 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung nach Pig.l und

Fig. 3 eine vor einer Triebwerksgondel angeordnete Mantelluftechraube, teilweise geschnitten·

Ein Propellerblatt 1 der Hantelluftschraube nach Fig.l ist auf einen Nabenkörper 2 befestigt, der mit der welle eines Antriebes, 2.3« eines Turbinen-Aggregates, verbunden ist· Dabei ist der Nabenkörper 2 hinter einem den Antrieb aufnehmenden Zentralkörper 3 angeordnet· Das Propellerblatt 1 ist an seinen Blattspitzen mit einem Ring 4 versehen, der mit den Blattspitzen rotiert· Der Ring 4, der einen tropfenförmigen Profilquerschnitt aufweist, begrenzt durch seine stirnseitige Wandung gemeinsam mit einem vor dem Ring 4 am Zentralkörper 3 befestigten ringförmigen Rohr 5 einen Ringspalt 6· Zu diesem Zweck ist das Rohr 5 mit einer dem Ring 4 entgegengerichteten Ablenknase 7 versehen·

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Das Rohr 5 kann am Zentralkörper 3 durch an sich bekannte strömungsgünstige Leitflächen, wie Leitschaufeln o.dgl., befestigt sein. Zur Ummantelung des Propellerblattes 1 sind sich in Umfangsrichtung des ringförmigen Rohres 5 überlappende und an diesem mittels nicht dargestellter Scharniergelenke befestigte Spreizklappen 8 und 8¹ vorgesehen. Durch die Spreizklappen 8 und 8' ist die Ummantelung in Strömungsrichtung diffusorförmig erweitbar (Stellung der Klappe 8') oder kann düsenförmig verengt werden (Stellung der Klappe 8). Dabei erfüllt das ringförmige Rohr 5 zugleich die Funktion eines Manteleinlaufs 9. Der Zentralkörper 3 ist vor dem Manteleinlauf 9 mit einer ringförmigen Mulde 10 für einen gebundenen Potentialwirbel versehen, der mittels Strömungsenergie stabilisierbar ist. Zu diesem Zweck kann ein in einen Ringspalt 11 mündender Hilfskanal vorgesehen sein, der dann zweckmäßig mit in der Zentralkörperwandung an Stellen hohen statischen Druckes angeordneten Einlaßöffnungen verbunden sein kann. Der Ringspalt U ist dabei derart angeordnet, daß die von ihm zugeleitete Hilfsströraung den Potentialwirbel tangiert. Am Zentralkörperende befindet sich eine Ausströmöffnung 12 für Auspuffgase oder zum Absaugen von Kühlluft des Antriebes, wobei im letzteren Falle die Auspuffgase zum Ringspalt 11 geleitet werden können. ■ ··">

Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt eine Mantelluftschraube, die im wesentlichen der Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht, jedoch unterschiedlich zu dieser ein ringförmiges mit Spreizklappen 17 und 17' versehenes Rohr 13 besitzt, das in einem Ringflügel 14 geführt ist. Der Ringflügel 14 ummantelt dabei ein Propellerblatt 15 mit geringem Spiel zwischen den BIatt:~ spitzen. Anstelle eines mit dem Propellerblatt 15 rotieren-

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den Ringes zur Begrenzung eines Ringspaltes ist der Ringflügel 14 mit einem Ringspalt 16 versehen, der an eine nicht dargestellte Blasluftleitung zur Zuleitung einer HilfsstrÖ-mung angeschlossen ist. Die Hilfsströmung soll einem zwischen den Spreizklappenwandungen und dem Ringflügel 14 gebildeten Potentialwirbel Strömungsenergie zuführen. Dazu 1st das Rohr 13 als Druckkammer verwendbar und mit dem Ringspalt 16 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, Zuleitungen an einen Verdichter des Antriebes anzuschließen. Die Zuleitungen sind dann zwischen dem Ringflügel 14 und dem Zentralkörper 3 zweckmäßig in nicht dargestellten Leitflächen zur Ringflügelbefestigung angeordnet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Mantelluftschraube einem als "Frontbläser" bezeichneten Triebwerk zugeordnet. Ein Propellerblatt 18 sitzt auf einer aus einem Mantelring 19 nach vorn herausragenden Nabe 20, die mit einer Welle des in einer Gondel 21 angeordneten Antriebes verbunden sein kann. Der Mantelring 19 ist an seinem Auslauf mit Spreizklappen 22 und 22· versehen, die hinsichtlich ihrer Anordnung den bereits beschriebenen Spreizklappen 8 und 8' bzw. 17 und 17' entsprechen. Bei dieser Anordnung ist wegen der Halterung 23 für den Mantelring 19 eine Ummantelung gewählt, die nur teilweise aus Spreizklappen gebildet wird. Dabei ist es aus strömungstechnischen Gründen zweckmäßig, vor dem Mantelring 19 einen Ringvorflügel anzuordnen, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Mantelring H9 ist außerdem an seiner Hinterkante 24 zur Bindung eines Potentialwirbels ringmuldenförmig ausgebildet, wobei der Potentialwirbel mittels durch einen Ringspalt 25 zugeführter Strömungsenergie stabilisierbar ist. Ein weiterer Ringspalt 26 für eine Hilfsströmung zur Beschleunigung der« Hauptströmungsgrenzschicht ist an der äußeren Wandung der Gondel 21 und etwa lotrecht unterhalb von Scharniergelenken 27 für die Spreizklappen 22 und 22' angeordnet.

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Zur Verstellung der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Spreizklappen können übliche Mittel, wie hydraulische oder pneumatische Kolben, verwendet werden, die auf Verstellmittel, beispielsweise Kniehebel oder dgl., wirken. Diese in der Zeichnung nicht dargestellten Betätigungsmittel können hinsichtlich eines günstigen Strömungsverlaufes mit einer weiteren Ummantelung versehen sein.

Die Wirkungsweise der Anordnungen ist folgendermaßen:

In Standschubstellung der Mantelluftschraube nach Fig. 1 umfaßt die ummantelung einen sich in Auslaufrichtung erweiternden Strömungsquerschnitt. Die Spreizklappen nehmen dabei eine die Hauptströmung verzögernde Stellung ein (Spreizklappe 8')· Bin Ablösen'der Strömungsgrenzschicht von der Spreizklappen- und Zentralkörperwandung wird durch Potentialwirbel vermieden. Dabei wird der dem Zentralkörper in der Mulde 10 zugeordnete Potentialwirbel von der durch den Ringspalt 11 zugeleiteten Hilfsströmung stabilisiert, Ein weiterer Potentialwirbel 28 ummantelt den Ring 4 und rotiert dabei in der Propellerblattebene. Durch die stabilisierten Potentialwirbel wird ein Abreißen der Strömung von der Zentralkörperwandung vermieden und im Inneren der Ummantelung eine verstärkte Expansion der Hauptströmung erreicht. Die,,einzelnen Stromfäden nehmen dabei etwa den oberhalb der Mittellinie durch Pfeile angedeuteten Verlauf. Damit wird ein hoher spezifischer Standschub der Mantelluftschraube erreicht. Für den Schnellflug wird der Auslauf der Ummantelung mittels der Spreizklappen düsenförmig verengt (Spreizklappe 8), wodurch eine Beschleunigung der Hauptströmung im Inneren der Ummantelung und damit ein großer spezifischer Schub bei verringertem Mantelwiderstand erreicht wird (Strömungsverlauf entsprechend der Pfeile unterhalb der Mittellinie).

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ORIGINAL

Mit den in Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnungen wird im wesentlichen die gleiche Wirkung erzielt. Für die Mantelluftschraube nach Fig. 2 ist jedoch eine Anordnung gewählt, bei der ein sich hinter dem Ringflügel 14 bildender Potentialwirbel mittels einer HilfsstrÖmung stabilisiert wird. Bei der Mantelluftschraube nach Fig. 3 wird das Ablösen der Strömungsgrenzschicht von der inneren Wandung der Spreizklappen 22 und 22* durch einen an der Hinterkante 24 des Mantelringes 19 gebundenen Potentialwirbel verhindert. Zusätzlich wird die Strömungsgrenzschicht an der Gondelwandung beschleunigt, wodurch ein Ablösen der Grenzschicht, insbesondere bei Standschubstellung der Spreizklappen, durch sich infolge des Druckanstiegs an der Gondelwandung bildende Wirbel vermieden wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen konstruktiven Einzelheiten der Ausführungsbeispiele. Insbesondere der Mantelauslauf kann zusätzlich mit in Umfangsrichtung verteilten elastisch verformbaren Klappen versehen sein, die miteinander verbunden sind. Dabei können die Platten einen nach außen konvex gekrümmten Querschnitt aufweisen. Die Plätten ermöglichen eine Veränderung der Form des

Auslauf querschnitts. Außerdem wirken sie geräuschdämpfend'. Anstelle sich überlappender Spreizklappen kann auch eine Anordnung vorgesehen sein, bei der die einzelnen Spreizklappen durch elastische Abschnitte miteinander verbunden sind.

Versuche im Rauchkanal mit einer nach der Erfindung ausgebildeten zweidimensionalen Sprelzklappenummanteluhg haben ergeben, daß mittels durch Strömungsenergie stabilisierter Potentialwirbel extrem große Diffusorwinkel von etwa 70° bis 80° erreicht werden können.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche ■ ·

Antrieb eines Fahrzeuges vermittels einer Mantelluftschraube, dadurch gekennzeichne t, daß der Auslaufquerschnitt des Mantels veränderlich ist, wobei Mittel (4,6,7, 14,16,24,25) zur Grenzschichtbeeinflussung vorgesehen sind.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze i c h η et, daß der Auslaufquerschnitt mittels Spreizklappen (8,8·,17, 17',22,22') veränderlich ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grenzschichtbeeinflussung stabilisierte Potentialwirbel vorgesehen sind. —-—
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch ge ken η ze i ohne t, daß als Mittel zur Grenzschichtbeeinflussung zusätzlich ein Ringspalt (26) vorgesehen ist.
5. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch ge k β η η ζ eic h η e t, daß zur Stabilisierung eine Hilfsströmung vorgesehen ist.
6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ e ich η e t, ' daß der Hilfsströmung Strömungsenergie von der Hauptstömung zugeführt wird.
7. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Hilfsströmung aus einer Druckkammer zugeleitet wird.

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8. Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Hantele in lauf .(9) weitere Mittel (10,11) zur Grenzschichtbeeinflussung vorgesehen sind.
9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet/ daß die weiteren Mittel (10,11) an der äußeren Wandung eines Zenttalfcörperprofils (3) vorgesehen sind.

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