DE4004514A1

DE4004514A1 - Ducted propeller for aircraft or ship - has axially sliding cones to vary effective areas of duct inlet and outlet

Info

Publication number: DE4004514A1
Application number: DE4004514A
Authority: DE
Inventors: Graf Von Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1990-11-22

Abstract

An aircraft or ship is fitted with a ducted propeller (1). The duct (2) is so shaped that it has a cross-sectional area (A1) at the inlet, a cross-sectional area (Ap) in the plane of the propeller, and a cross-sectional area (An) at the duct outlet. Axially sliding cones (3,4) enable the effective cross-sectional areas of the duct outlet and inlet to be varied. The aircraft or ship velocity is denoted by (V) and the velocity of the airstream in the plane of the propeller is denoted by (Up). The effective area (Ai) and (Ap) are varied so that when V is less than Up, Ai is greater than Ap and when V is greater than Up, Ai is less than Ap. USE/ADVANTAGE - Increased propulsive efficiency.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren Antrieb für Flugzeuge und Schiffe und eine Einstellungsvorschrift dafür.The invention relates to an adjustable drive for Airplanes and ships and a recruitment requirement for them.

Als Propulsionsmittel für Flugzeuge und Schiffe sind freie Propeller, ummantelte Propeller und Strahltriebwerke bekannt. Ein Nachteil derartiger Propulsionsmittel ist, daß sie als Strömungsmaschinen nur für eine Ausleggeschwindigkeit optimiert sind und bei Abweichen von dieser Geschwindigkeit teilweise drastische Wirkungsgradabfälle aufweisen.Free propellers as propellants for aircraft and ships are jacketed propellers and jet engines known. A disadvantage of such propellants is that they act as turbomachines are only optimized for one design speed and sometimes drastic if you deviate from this speed Have efficiency drops.

Ein weiterer Nachteil von freien Propellern ist, daß sie für hohe Durchströmgeschwindigkeiten nicht geeignet sind oder bisher als Prop-Fan-Propeller zu Lärm und Vibrationen führen. Bei konventionellen Schiffspropellern fordern Kavitationserscheinungen Geschwindigkeitsgrenzen, bei Flugzeugpropellern die Fliehkräfte. Nichtummantelte Propeller sind daher für hohe Fahrgeschwindigkeiten nicht geeignet.Another disadvantage of free propellers is that they are designed for high Flow velocities are not suitable or so far as a prop fan propeller lead to noise and vibrations. In conventional ship propellers, cavitation phenomena are required Speed limits, in the case of aircraft propellers the centrifugal forces. Uncovered propellers are therefore suitable for high driving speeds not suitable.

In der amerikanischen Patentschrift US-48 43 814 und der europäischen Patentanmeldung EP 86/9 06 787.8 ist ein Propulsionsmittel beschrieben, bei dem die Ansaugrichtung und/oder der Ansaugquerschnitt eines Manteltriebwerks veränderbar ist. Für unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten ist auch angegeben, wie die Ansaugrichtung verändert werden soll.In the American patent specification US-48 43 814 and the European Patent application EP 86/9 06 787.8 is a propulsant described in which the suction direction and / or the suction cross section a jacket engine is changeable. For different ones Driving speeds are also given, such as the direction of intake should be changed.

Für die Variation der Ansaugquerschnittsfläche über der Fahrgeschwindigkeit ist jedoch keine Vorschrift vorhanden.For the variation of the intake cross-sectional area over the driving speed however, there is no regulation.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, bietet für einen ummantelten Propeller oder ein Strahltriebwerk die Möglichkeit für jeden gewünschten Schub bei jeder Fahrgeschwindigkeit den Einlaßquerschnitt, die Durchsatzmenge durch den Mantel und gegebenenfalls den Auslaßquerschnitt so einzustellen, daß die Strömungsverluste am Propulsionsmittel möglichst gering werden.The invention seeks to remedy this. The invention, as it is characterized, offers for a jacketed Propeller or a jet engine the possibility for every desired thrust at every driving speed the inlet cross-section, the throughput through the jacket and possibly adjust the outlet cross-section so that the flow losses on the propellant should be as low as possible.

Dies wird dadurch erreicht, daß bei gegebener Propellersteigung und gegebener Fahrgeschwindigkeit die Abströmgeschwindigkeit aus der Düse und damit der Schub mit der Propellerdrehzahl festgelegt wird und in Abhängigkeit davon die Einlaufquerschnittsfläche A₁ so festgelegt wird, daß die Strömungsverluste am Triebwerk gering sind. Dies ist dann der Fall, wenn bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit u _p durch die Propellerebene A _p und gegebener Fahrgeschwindigkeit v bei v < u _p gilt A _i ≧ A _p und bei v < u _p gilt A _i < A _p. Bei Antrieben, bei denen die Einlauffläche senkrecht oder fast senkrecht zur Fahrtrichtung nach vorne offen ist, soll die Einlauföffnung A _i so eingestellt werden, daß A _i = (A _p · u_p · ρ _p)/(v · ρ _i) mit ρ _i = spezifisches Fluidgewicht in Ebene A _i. This is achieved in that for a given propeller pitch and given driving speed the outflow speed the nozzle and thus the thrust with the propeller speed and, depending on this, the inlet cross-sectional areaA₁ is determined so that the flow losses at the engine are low are. This is the case if at a given flow rate u _p through the propeller planeA _p and given driving speed v atv <u _p appliesA _i ≧A _p and atv <u _p appliesA _i <A _p. For drives where the inlet surface is vertical or almost the inlet opening should be open vertically to the direction of travel A _i be set so thatA _i =(A _p · U_p ·ρ _p) / (vρ _i) Withρ _i = specific fluid weight in levelA _i.

Anhand von Fig. 1 soll der Zweck dieser Festlegungen beschrieben werden.The purpose of these definitions is to be described with reference to FIG. 1.

Ein Düsenpropeller besteht aus dem Propeller 1 und der Düse 2. Bei unveränderlichen Ein- und Auslaßquerschnitten werden bei gegebener Propellersteigung über die Propellerdrehzahl eindeutig die Fluidgeschwindigkeiten u _i, u_p und u _n = c in den drei Ebenen A _i, A_p und A _n festgelegt.A nozzle propeller consists of propeller 1 and nozzle 2 . With constant inlet and outlet cross-sections, the fluid velocities u _i , u _p and u _n = c are clearly defined in the three planes A _i , A _p and A _n for a given propeller pitch over the propeller speed.

Wenn die Fahrgeschwindigkeit v < u _i ist, entsteht an der Frontfläche des Düsenmantels 2 ein Unterdruck, der eine zusätzliche Schubkraft liefert. Wenn die Fahrgeschwindigkeit v < u _i wird, erzeugt die Düse eine Bremskraft. Dieser Sachverhalt ist in Meßdiagrammen von Kortdüsen eindeutig als Knick bei v = u _i in der Schubkurve erkennbar (vgl. Van Manen, J. D.; Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdüsensystemen, in: Jahrbuch der schiffbautechnischen Gesellschaft Bd. 47; Springer Verlag 1953).When the driving speed v < u _i , a negative pressure is created on the front surface of the nozzle jacket 2 , which provides an additional thrust. When the vehicle speed becomes v < u _i , the nozzle generates a braking force. This fact can be clearly seen in measurement diagrams of Kort nozzles as a kink at v = u _i in the thrust curve (cf. Van Manen, JD; results of systematic tests with ship nozzle systems, in: Yearbook of the Shipbuilding Society Vol. 47; Springer Verlag 1953).

Für langsame Fahrgeschwindigkeiten ist bei Schiffen somit ein Düsenpropeller, für höhere Fahrgeschwindigkeiten ein nichtummantelter Propeller vorzuziehen.For slow speeds, a jet propeller is therefore an uncoated for higher driving speeds Prefer propellers.

Ebenso ist bei Flugtriebwerken die zulässige Durchströmgeschwindigkeit durch die Verdichter- oder Gebläseräder beschränkt. Damit erzeugt auch der Mantel eines Flugtriebwerks bei hohen Fahrgeschwindigkeiten eine Bremskraft.The permissible flow rate is also the same for aircraft engines limited by the compressor or fan wheels. In order to also creates the casing of an aircraft engine at high speeds a braking force.

Diese Bremskraft ist auch berechenbar.This braking force can also be calculated.

Die Geschwindigkeit u _i in A _i ist durch die Geschwindigkeit u _p in A _p festgelegt. Es gilt u _i = (A _p · u_p · ρ _p)/(A_i · ρ _i) mit ρ _i = spezifisches Gewicht in A _i.The speedu _i inA _i is by speedu _p in A _p fixed. It appliesu _i =(A _p · U_p ·ρ _p) / (A_i ·ρ _i) Withρ _i = specific Weight inA _i.

Wenn nun v < u _i wird, lastet auf der Fläche A _i der dynamische Druck:If v < u _i , the dynamic pressure is on the surface A _i :

(F) p _i (d) = (v - u _i) ² · ρ _i/2 (F) p _i (d) =(v - u _i) ² ·ρ _i/ 2nd

Da für die Masse m, die durch das Triebwerk strömt, gilt:Since for the mass m that flows through the engine:

m = A _i · ρ _i · u_i, m =A _i ·ρ _i · U_i,

liefert ein ummantelter Propeller also für v < u _i nurmehr den Schub S:a coated propeller therefore only provides thrust S for v < u _i :

S = m · (c - v) - A _i · p_i (d) =
= m · (c - v) - A _i · (v - u_i) ² · ρ _i/2 =
= m · (c - v) - A _i · p _i · (v² - 2 · v · u _i + u _i²/2 =
= m · (c - v) - A _i · p _i · u_i · (v²/2 · u _i) - v - u_i/2) =
= m · (c - v - v²/(2 · u _i) + v - u _i/2 =
= m · (c - u _i/2 - v²/(2 · u _i)); S =m · (c - v) - A _i · P_i (d) =
=m · (c - v) - A _i · (V - u_i) ² ·ρ _i/ 2 =
=m · (c - v) - A _i ·p _i · (V² - 2 ·v · u _i +u _i² / 2 =
=m · (c - v) - A _i ·p _i · U_i · (V² / 2 ·u _i) - v - u_i/ 2) =
=m · (c - v - v² / (2 ·u _i) +v - u _i/ 2 =
=m · (c - u _i/ 2 -v² / (2 ·u _i));

Auf einem anderen Weg kann gezeigt werden, daß diese Schubformel für alle Propeller, Mantelpropeller und Strahltriebwerke bei allen Geschwindigkeiten v < 0 gilt. Die Meßkurven bei VAN MANEN bestätigen diese Formel.Another way can be shown that this thrust formula applies to all propellers, jacketed propellers and jet engines at all speeds v <0. The measurement curves at VAN MANEN confirm this formula.

Aus diesem Grunde muß versucht werden, den Faktor (F) stets möglichst klein zu halten. Dies kann man dadurch, daß man bei gegebener Fahrgeschwindigkeit entweder die Propellerdrehzahl und den Auslaßquerschnitt A _n oder die Propellerdrehzahl und/oder den Einlaßquerschnitt A _i und/oder beides so einstellt, daß der Faktor (F) Null oder möglichst klein wird.For this reason, an attempt must always be made to keep the factor (F) as small as possible. This can be done by setting either the propeller speed and the outlet cross section A _n or the propeller speed and / or the inlet cross section A _i and / or both in such a way that the factor (F) becomes zero or as small as possible.

In Fig. 1a ist eine Einstellung für geringe Fahrgeschwindigkeiten v gezeigt. Die vordere Drossel 4 ist so zurückgezogen, daß der Einlaßquerschnitt A _i maximal wird. Die Düse 2 kann zusätzlichen Schub liefern. A setting for low driving speeds v is shown in FIG. 1a. The front throttle 4 is retracted so that the inlet cross section A _i becomes maximum. The nozzle 2 can provide additional thrust.

In Fig. 1b ist eine Einstellung für Geschwindigkeiten v < u _p gezeigt. Die vordere Drossel 4 ist soweit in die Fläche A _i geschoben, daß u _i = v. Die hintere Drossel 3 läßt die Fläche A _n noch so offen, daß gilt A _n = A _p.In Fig. 1b a setting for velocities v <u _p is shown. The front throttle 4 is pushed so far into the area A _i that u _i = v . The rear throttle 3 leaves the area A _n so open that A _n = A _p .

In Fig. 1c ist eine Einstellung für Geschwindigkeiten v < u _p gezeigt. Die vordere Drossel 4 ist soweit in A _i hineingeschoben, daß u _i = v. Die hintere Drossel 3 ist soweit in A _n hineingeschoben, daß u _n = c < v < u _p. In dieser Stellung kann also das System auch für Geschwindigkeiten, die über der Durchströmgeschwindigkeit durch die Propellerebene liegen, einen Schub erzeugen.In Fig. 1c a setting for velocities v <u _p is shown. The front throttle 4 is pushed so far into A _i that u _i = v . The rear throttle 3 is pushed so far into A _n that u _n = c < v < u _p . In this position, the system can also generate a thrust for speeds above the flow rate through the propeller plane.

Bei Flugtriebwerken kann es sinnvoll sein, die Vortriebsenergie wenigstens zum Teil nicht nur über den Propeller, sondern wie bei einem Staustrahltriebwerk direkt zwischen Propeller und Düsenquerschnittsfläche A _n die Wärme mit einem höheren thermischen Wirkungsgrad zuzuführen.In aircraft engines, it can make sense to supply the propulsion energy at least in part not only via the propeller, but, like in a ramjet engine, directly between the propeller and the nozzle cross-sectional area A _n with a higher thermal efficiency.

Claims

1. Sheathed propeller for aircraft or ships, in which the inclination and / or the cross section of the inlet surface A _{i is} adjustable, characterized in that, given the driving speed v and the given propeller pitch, the propeller speed and the front inlet cross section A _i and thus the front inflow speed u _i are set so that u _p _p by this surface for v <u _p applies A _i <A _p and v <u _p applies A _i <A propeller for a given area A _p and a given air velocity.

2. Sheathed propeller under claim 1, characterized, that the setting is made so that the factorF =(v - u _i) ² ·p _i = 0 or becomes very small( ρ _i = specific fluid weight inA _i).

3. Sheathed propeller under claim 1, 2, characterized in that the outlet cross section A _{n of} the jacket can be changed.

4. Sheathed propeller under claim 3, characterized in that the outlet cross section A _{n can} be adjusted so that the outflow velocity u _n = c < u _p with u _p = flow velocity in the propeller plane A _p .

5. Sheathed propeller for an aircraft engine under claims 1-4, characterized in that between the propeller and the outlet cross section A _n polytropic heat is supplied.