NO144791B - Fremdriftsdyse for transportmidler i luft eller vann - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremdriftsdyse for transportmidler i luft eller vann og av den type hvor dyseyeggen foran går utover i en kurveflate, og det fra et omgivende kammer sendes luft eller vann under trykk inn i dysen gjennom en spalte anordnet foran kurveflaten på en slik måte at mediet utsendes tangentialt med denne.

Reaksjonsfremdrift av transportmidler, såsom luft-putefartøyer, fly eller skip, ved hjelp av en luft- eller vann-stråle tilveiebragt ved hjelp av en propell eller ventilator,

er kjent. Ved de kjente anordninger akselereres hele den gjen-nomstrømmende luft- eller vannmasse av propellen eller ventila-toren og utsendes i en stråle i hvilken utstrømningshastigheten er størst i den sentrale del og minst vei periferien. Strålen danner da en spredningskjegle slik at reaksjonskraften reduseres med en komponent vinkelrett på akseretningen. Propeller danner dessuten hvirvelstrømmer rundt propellnavene med resulterende effekttap. Ved luftpropeller er videre den luftstøy som opp-står ved "bladspissenes" bevegelseshastighet, så stor at den begrenser anvendelsen av luftpropeller til områder utenfor by-messig bebyggelse.

Fra . den ålment tilgjengelige danske patent-søknad nr. 1928/72 er det kjent en fremdriftsdyse for transportmidler i luft eller vann som er kjennetegnet ved at dyseveggen foran går utover i en kurveflate, <p>g at det fra et omgivende

kammer sendes luft eller vann under trykk inn i dysen gjennom

en spalte anordnet foran kurveflaten på en slik måte at mediet strømmer tangentialt med denne i.hovedsaken vinkelrett på av-gangsstrømmens retning.

Denne framdriftsdyse bygger på den fysiske effekt at en jetstråle avbøyes langs en hosliggende flate, hvilket først ble observert av den rumenske ingeniør Henri Coanda ved et forsøk med en jetmotor i 1910 og etter ham har fått navnet Coanda-effekten. Denne effekt har hittil vært forholdsvis upå-aktet og har såvidt vites bare funnet praktisk anvendelse i en såkalt våtstøvsuger samt i en dyse for frembringelse av et gass-teppe ved beskyttelsesgassveising. Ingen har tidligere antydet at det kunne oppstå fordeler ved utnyttelse av Coanda-effekten i forbindelse med fremdrift.

Først ved oppfinnelsen ifølge den ovennevnte danske patentsøknad viste det seg at det er mulig å konstruere en fremdriftsdyse i hvilken bevegelsestrykket dannes under utnyttelse av Coanda-effekten ved omforming av trykkenergi i en liten volum-strøm, som utsendes under høyt trykk vinkelrett på en meget stor volumstrøm, til hastighetsenergi i den store volumstrøm,

og at det derved kan oppnåes betydelige fordeler i forhold til de ovennevnte,hittil kjente fremdriftsmidler.

Som følge av Coanda-effekten, er mediet utstrøm-ningshastighet størst langs dysens periferi. Herved oppnåes at strålen bevarer sitt tverrsnitt ved utstrømningen av dysen, slik at reaksjonskraften virker bare i akseretningen. Dessuten kan forholdet mellom energinivået (trykk og hastighet) på inn-gangssiden og energinivået (trykk og hastighet) på avgangssiden justeres slik at utstrømningshastigheten fra dysen står i et ideelt forhold til fartøyshastigheten (slLppkoeffisient), slik at en optimal utnyttelse av den tilførte energi sikres.

De generelle fordeler som oppnåes som følge av dette, er: at bevegelsestrykk i luft kan tilveiebringes med meget stor fremdriftseffekt ved et lavt støynivå,

at hurtigruter til byområder kan betjenes av luftputetog,luft-puteamfibiefartøyer, STOL-maskiner osv.,

at det ikke inngår "åpent" roterende deler i fremdriftssystemet, og

at fremdriftssystemet kan arbeide med samme virkningsgrad ved forskjellige hastigheter.

Fremdriftsdysen ifølge den nevnte danske patent-søknad har fortrinnsvis sirkulært tverrsnitt, men kan også for visse anvendelser ha ovalt eller rektangulært tverrsnitt eller ha form av en spalte.

Ved ovennevnte kjente fremdriftsdyse, hvor mediet utsendes fra spalten i hovedsaken vinkelrett på avgangsstrømmens retning, må det omgivende trykkammer nødvendigvis ha store tverrsnittsdimensjoner i forhold til dysens tverrsnittsareal. Dette medfører at en dyse med et passende fremdriftstrykk for anvendelse i f.eks. et luftputefartøy ville bli altfor stor til i praksis å kunne anbringes på fartøyet, og den ville gi en uønsket høy luftmotstand på grunn av det store projiserte areal i fartsretningen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse har det nå overraskende vist seg at man kan oppnå like god energiutnyttelse i en fremdriftsdyse av den angitte type når mediet utsendes fra spalten i en spiss vinkel med avgangsstrømmens retning.

I overensstemmelse med dette er fremdriftsdysen ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at spalten er slik anordnet i forhold til kurveflaten at mediet utsendes i en spiss vinkel på under 45° med avgangsstrømmens retning, idet spaltens innerkant ikke rager innenfor dysens snevreste omkrets (strupen).

På denne måte kan det oppnåes en drastisk reduk-sjon av dysens ytre dimensjoner uten at dysens interne virkningsgrad forringes, slik at dysen blir egnet for praktisk bruk.

En praktisk utførelsesform av dysen ifølge oppfinnelsen, som har gitt utmerkede resultater med hensyn til utnyttelse av den tilførte energi ved bruk i luft, er kjennetegnet ved at mediet utsendes fra spalten i en vinkel.- med avgangsstrøm-mens retning på ca. 15°.

Dyserørets spissing eller konisitet utad har også betydning for utnyttelse av den tilførte energi for oppnåelse av høyest mulig fremdriftstrykk i dysens avgangsåpning. Under vanlige Venturi-betingelser for gjennomstrømningen skulle man forvente de beste resultater ved en konisitet på ca. 30°, men dette gjelder bare ved tilnærmet homogen gjennomstrømning av hele luftmassen. Forsøk med ovennevnte utførelsesform av dysen ifølge oppfinnélsen har vist at de optimale resultater oppnåes når dyseavgangen har en konisitet utad på ca. lh°.

I dysen ifølge oppfinnelsen innføres trykkmediect gjennom én rundtgående spalte anordnet foran dysens snevreste omkrets (strupen) og utenfor denne, sett i dysens tverrsnitt. For et gitt trykk i det omgivende trykkammer er det totale spalteareal bestemmende for den volumstrøm av mediet som sendes inn i dysen gjennom spalten. Videre har forholdet mellom spåltearealet og strupearealet også betydning for omsetningen av den tilførte energi til fremdriftsenergi i dyseavgangen.

Det har ifølge oppfinnelsen vist seg at det for fremdrift i luft normalt skal anvendes forhold mellom spalteareal og strupeareal på mellom 1:3 og 1:12.

Dysen ifølge oppfinnelsen kan utføres med sirkulært, ovalt eller rektangulært tverrsnitt eller ha form av en spalte. Ifølge oppfinnelsen har det vist seg mest fordelaktig at dysen har rektangulært tverrsnitt da den derved kan utføres av enkeltkrumme plater, hvilket i høy grad reduserer fremstillingsomkost-ningene.

Vanligvis er man som foran nevnt interessert i at dysekonstruksjonen frembyr minst mulig projisert areal i fartsretningen for å gi minst mulig luftmotstand. Dette oppnåes generelt ved den tverrsnittsform som har minst mulig omkrets i forhold til tverrsnittsarealet, hvilket som kjent er sirkel-formen, og for et rektangulært tverrsnitt er kvadratet. Av konstruktive grunner ønsker man samtidig å gjøre dysens høyde så liten som mulig. Ifølge oppfinnelsen har man funnet at det beste kompromiss mellom disse to hensyn for en dyse med rektangulært tverrsnitt oppnåes ved et forhold mellom dysens høyde og bredde på ca. 4:7.

I en hensiktsmessig utførelsesform av en dyse ifølge oppfinnelsen for bruk i luft tilføres trykkluften til trykkammeret nedenfra og strømmer opp gjennom sidedelene av kammeret til kammerets topp, samtidig som trykkluften strømmer ut gjennom spalten forrest i trykkammeret. For å sikre en konstant volumstrøm gjennom alle deler av spalten, må trykk-kammerets volum innsnevres svarende til den luftmengde som passerer vedkommende del av kammeret, slik at det dynamiske trykk overalt er det samme. Dette oppnåes i praksis ved en trinnvis innsnevring av trykkammeret slik at dette er bredest i bunnen, smalere langs sidene og smalest i toppen av dysen.

Det har vist seg at det er mulig å kombinere de ovennevnte parametre for en dyse ifølge oppfinnelsen på en.slik måte i en dyse for bruk ved fremdrift av et luftputefartøy, hvor det forutsettes to sådanne dyser, at trykkluften til fremdrif tsdysene kan leveres fra to radialvifter av samme type.som dem som forsyner luftputen. På denne måte oppnåes en meget enkel utførelse av luftputefartøyet hvor drivmotoren kan frem-bringe både det nødvendige løft og fremdriften bare ved å trekke et antall vifter som er anbragt på samme aksel.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen hvis ene figur viser et loddrett snitt på langs gjennom en utførelsesform av en fremdriftsdyse ifølge oppfinnelsen for bruk i et luftputefartøy.

Den viste dyse har rektangulært tverrsnitt og er' oppbygget av plane flater utvendig og enkeltkrumme flater inn-vendig. Som vist på tegningen, blåses trykkluften nedenfra opp i bunnen av.trykkammeret 1 hvor det i midten på langs av dysen er anbragt en luftfordelingsplate som er avskåret ved kantene 3. Det fremgår at trykkammeret er bredest nedentil og smalest oventil.

Fra trykkammeret 1 strømmer luften ut gjennom en spalte 4 som er rettet i en vinkel v = 15° med dysens lengderetning. I spalteåpningen er anbragt ledeplater 5 parallelt 'med dysens lengderetning og med en innbyrdes avstand på 3 ganger spaltebredden. Disse ledeplater, som ender ved spaltens for-kant, tjener til å sikre en jevn utstrømning av luften og virker samtidig som avstivning for den innhylling som avgrenser spalten.

Dysens indre rør 2 er smalest ved 6 (strupen) og har derfra en utadrettet konisitet i strømningsretingen på 7k°• Forholdet mellom det totale spalteareal og strupearealet er i den viste dyse 1:4,12. I dyserøret overføres energien i den lille volumstrøm som utsendes fra spalten 4 med stor hastighet, til energi i den store volumstrøm som medrives i rørets 2 indre og utsendes fra dysens reaksjonsåpning 7 med en mindre hastighet.

Ved målinger på eksperimentelle oppstillinger er det for fremdriftsdysen ifølge oppfinnelsen funnet en sammen-heng mellom hastigheten i jetstrømmen, avbøyningsradien, "strupediameteren" og dyselengden. Jetstrømmens trykk og hastighet representerer et energinivå, og trykk- og lufthastighet ut av dysen representerer et annet energinivå. Forholdet mellom disse energinivåer kan bli over 0,9, hvilket i praksis

betyr at man her har en form for energiomsetning med meget høy virkningsgrad. Dysen er altså ikke en "energisluker", og hertil kommer at fremdriftsventilatorens dimensjoner kan reduseres svarende til forholdet mellom den tilførte og den avgitte luftmengde. Det siste forhold kan belyses ved en sammenligning med direkte reaksjonsfremdrift med sentrifugalventilatorer.

Det maksimale fremdriftstrykk fra reaksjonsåpning-ene på et fartøy som ikke er i bevegelse, betegnes her som "peletrekket" P og bestemmes som det spesifikke lufttrykk i åpningen ganger åpningens areal.

For vurdering av fremdriftssystemets hoveddata

ved direkte reaksjonsfremdrift kan følgende uttrykk oppstilles: 1) Pp = Pr <*> f» hvor pr er reaksjonstrykket og f åpningsarealet; 2) f velges; ;P ;3) pr = P , hvor pr settes svarende til det dynamiske ;trykk pd; ;/ Pr ' 2 g * , , 4) lufthastigheten i åpningen v^ = v - = / p^ ' 15,95;

hvory er luftens massetetthet, som ved 20° C settes lik 1,23; 5) luftmengden ut av åpningen Q = vr f;

6^ effektforbruket N = Pr • Q, hvor n er viftens virkings-75 • n

grad, som her settes lik 0,8.

Ved avtagende tverrsnitt av en reaksjonsåpnings areal er effektforbruket stigende for oppnåelse av et gitt peletrekk.

Åpningsarealet er en primær konstruksjonsstørrelse som er dimensjonsgivende for volumstrøm, viftestørrelse og ef-fektkrav.

Valget av åpningsareal må derfor skje ut fra areal/ effekt-forholdet som kan belyses ved .å gjennomregne en rekke eksempler med konstant peletrekk ved åpningsarealer fra 0,5-2 2

2,5 m med trinn på 0,5 m .

0 Man får da for et konstant peletrekk P = 250 kp:

Forholdet mellom enérgikraV og åpningsareal ved et gitt peletrekk kan nå anskueliggjøres ved den etterfølgende. kurve 1, hvor den nødvendige volumstrøm er angitt ved hvert punkt.

Slik det fremgår, er kurveområdet for direkte ut-strømning rundt(e) fordelaktig ut fra et energisynspunkt, men da en volumstrøm på ca. 100 m 3/s krever meget store ventilatorer og dyser, er løsningen konstruktivt uheldig.

Punktet (f) i kurve 1 er "arbeidspunktet" for en fremdriftsdyse ifølge oppfinnelsen som beskrevet ovenfor i forbindelse med tegningen og med en reaksjonsåpning på 1 in 2. Verdiene for dette punkt er beregnet ut fra målerekker på en eksperimentdyse i målestokk 1:10 med en reaksjonsåpning på 0,1 m 2 som vist ved den etterfølgende kurve 2.

Kurve 2: Funksjonsdiagram for reaksjonstrykk og luftmengde tilført 0,1 m 2 reaksjonsdyse.

Det fremgår at det til et peletrekk på 25 kp (nær punktet 8) kreves en volumstrøm på 5500 iii 3 /h = 1,5.3 m 3/s.

For denne verdi anvendes et trykk p^ på 440 mmVS, og når viftens virkningsgrad settes lik 0,8, kreves en effekt på 11,2 HK.

Da det er en viss spredning i resultatene, antas at det i alle tilfelle skal anvendes mindre enn 15 HK. Ved omregning til full målestokk fåes heretter punktet (f) i kurve 1, nemlig at det for oppnåelse av et peletrekk på 250 kp kreves en volum-strøm på 15,3 m"Vs, og en effekt på høyst 150 HK.

Det fremgår således at det ved dysen ifølge oppfinnelsen med et mindre effektbehov bare kreves ca. 1/6 av den luftmengde og ca. 2/5 av det åpningsareal som kreves for

oppnåelse av samme fremdriftstrykk ved direkte vifteblåser-fremdrift.

Claims (6)

1. Fremdriftsdyse for.transportmidler i.luft eller vann og av den type hvor dyseveggen foran går utover' i en,kurve-■ flate, -og det fra et omgivende kammer sendes luft eller vann under trykk inn i dysen gjennom en spalte anordnet foran kurveflaten på en slik måte at mediet utsendes tangentialt med denne, karakterisert ved at spalten er slik anordnet i' forhold til kurveflaten at mediet utsendes i en-spiss vinkel på under'45° med avgangsstrømmens retning, idet spaltens innerkant ikke rager innenfor dysens snevreste omkrets (strupen).

2. Fremdriftsdyse ifølge krav 1, karakterisert ved at mediet utsendes fra spalten i en vinkel med' avgangsstrømmens retning.på ca. 15°.

3. Fremdrif tsdyse ifølge krav 2, a r a k t-e r i - sert ved at dyseavgangen har en utadgåehdé konisitet på ca. 7,5°. -

4. Fremdriftsdyse ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at forholdet mellom det totale spalteareal og strupen er mellom 1:3 og 1:1<2>.

5. Fremdrifsdyse ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den har rektangulært tverrsnitt.

6. Fremdriftsdyse ifølge krav 5, karakterisert ved at forholdet mellom dysens høyde og bredde er ca. 4:7.