WO2020074304A1

WO2020074304A1 - Rekuperatives antriebssystem für umströmte fahrzeuge mit strahlantrieb

Info

Publication number: WO2020074304A1
Application number: PCT/EP2019/076454
Authority: WO
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Martin Ziegler
Priority date: 2018-10-07
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-04-16
Also published as: CH715437A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb von mit gasförmigen oder flüssigen Fluiden umströmten Fahrzeugen (Land, Wasser, Luft) mit einem Rumpf und einem Strahlantrieb, bestehend aus mindestens einem vorderen Propulsor P1 und mindestens einem hinteren Propulsor P2 mit mindestens je einer Antriebsmaschine M1 und M2, wobei sich der mindestens eine vordere Propulsor P1 am Bug des Rumpfes befindet und von einer oder mehreren Maschinen M1 angetrieben wird, und wobei sich der mindestens eine hintere Propulsor P2 am Heck des Rumpfes befindet und von einer oder mehreren Maschinen M2 angetrieben wird, wobei der mindestens eine vordere Propulsor P1 ab einer bestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs in den Turbinenbetrieb übergeht und im Reisefall Leistung an die mindestens eine Maschine M1 liefert, die dann als Nutzleistung an die mindestens eine Maschine M2 und bei Bedarf auch an andere Verbraucher an Bord des Fahrzeugs übertragen wird.

Description

Rekuperatives Antriebssvstem für umströmte Fahrzeuge mit Strahlantrieb

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz von Antrieben für umströmte Fahrzeuge mit Strahlantrieb. Dazu gehören Flugzeuge, Landfahrzeuge, und Schiffe.

Strahlantriebe nach dem Stand der Technik fördern Luft oder Wasser mit Hilfe eines Propulsors und erzeugen einen Strahl hoher Geschwindigkeit, der rückwärts gegen die Fahrtrichtung ausgestossen wird. Der Propulsor wird mit einer Antriebsmaschine angetrieben, das kann eine Wärmekraftmaschine sein, oder ein Elektromotor. Nach der allgemeinen Strahltheorie ergibt sich eine Schubkraft aus der Differenz der Strömungsimpulse an den Bilanzgrenzen eines Strahlantriebs. Diese Theorie basiert auf den Kraftgesetzen von Newton, und so entsteht Schub als Reaktion auf Trägheitskräfte aus der Beschleunigung ruhender Fluide. Damit werden Fahrzeuge angetrieben.

Ein Fahrzeug dient der Beförderung von Fracht oder Personen, die sich während der Fahrt in der Regel im Inneren eines umströmten Transportbehälters befinden. Bei Flugzeugen und Schiffen ist das der Rumpf, bei Landfahrzeugen die Fahrgastzelle oder der Laderaum. Der Transportbehälter wird dann mit Hilfe des Strahlantriebs durch Luft oder Wasser bewegt, so dass die Aussenhaut des Fahrzeugs umströmt wird. Dadurch entsteht ein Reibungswiderstand, der vom Strahlantrieb kompensiert werden muss um das Fahrzeug zu bewegen. Bei stationärer Fahrt sind die Kräfte aus Strömungs- widerstand und Strahlantrieb im Gleichgewicht.

Die Erfindung wird am Beispiel von Flugzeugen erläutert, das Prinzip kann dann auf andere Anwendungen wie Schiffe und Landfahrzeuge übertragen werden.

Rekuperative Antriebe gewinnen einen Teil der Energie aus der Strömung und mindern so den Bedarf an Antriebsenergie, und daher den Verbrauch an Treibstoff. Bekannt ist hier das Leitrad nach Otto Grim EP0148965, bei dem ein Teil der Strömungsenergie im Abstrom eines Schiffspropellers zurück gewonnen wird, was die Effizienz des Antriebs verbessert. Bekannt sind auch rekuperative Strahlantriebe nach EP3214290 und PCT/EP2018/063914 bei denen die Strömungskräfte im Zustrom eines Propulsors genutzt werden, um die Effizienz des Strahlantriebs zu steigern. All diese Antriebe nutzen Strömungskräfte im Nahfeld der Propulsoren, um die Effizienz zu steigern. Nachteilig ist hier der begrenzte Wirkungseinfluss auf das Strömungsfeld in unmittelbarer Nähe des Propulsors. Um die Effizienz des Gesamtsystems weiter zu verbessern und damit dessen Treibstoffbedarf zu senken, muss der Transportbehälter und die an ihm wirkenden Strömungskräfte in die Betrachtung einbezogen werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung im Sinne eines Antriebs-Systems zu finden, mit der man den Energiebedarf für die Fortbewegung von umströmten Fahrzeugen gegenüber bekannten Strahlantrieben weiter senken kann.

Die Erfindung wird mit 8 Figuren am Beispiel„Flugzeugantrieb“ beschrieben:

1. Darstellung der aerodynamischen Kräfte an einem Flugzeugpropeller, der zum einen als Propeller arbeitet, zum anderen als Turbine.

2. Darstellung der Flächenanteile zur Strömungsreibung an der Aussenhaut eines Flugzeugs.

3. Darstellung von Geschwindigkeitsprofil und Strömung mit Grenzschicht am Rumpf eines Propellerflugzeugs mit einem Propulsor.

4. Darstellung von Geschwindigkeitsprofil und Strömung mit Grenzschicht am Rumpf eines erfindungsgemässen Antriebssystems für den Start.

5. Darstellung von Geschwindigkeitsprofil und Strömung mit Grenzschicht am Rumpf eines erfindungsgemässen Antriebssystems für den Reiseflug.

6. Darstellung des Strömungsfeldes am Rumpf eines umströmten Fahrzeugs mit dem erfindungsgemässen Antriebssystem und Beispiele von Flugzeugkonfigurationen unter Verwendung eines rekuperativen Strahlantriebs.

7. Beispiele von elektrischen Antriebssystemen für Solarflugzeuge.

8. Beispiel für ein elektrisches Antriebssystem mit verteilten Propulsoren. Der Propulsor jedes Strahlantriebs erzeugt die Propulsionsströmung für den

Vortrieb des Fahrzeugs. Dabei handelt es sich um freie oder ummantelte Propeller mit zwei oder mehr Propellerblättern, oder aber um grosse Fanrotoren mit vielen Schaufelblättern in einem Triebwerksgehäuse. Die Kraftübertragung zwischen Rotor bzw. Propellerblatt und Strömung erfolgt mittels dynamischer Auftriebskräfte, ähnlich wie bei der Tragfläche eines Flugzeugs. Bei konstantem Blattwinkel hängt die Wirkung des Rotors nur von der relativen Anströmung am Blattprofil ab.

Figur 1 zeigt die Luftkräfte an einem rotierenden Propellerblatt. Es rotiert um die senkrecht dargestellte Achse und bewegt sich in Flugrichtung mit der Geschwindigkeit vl bzw. v2.

In Figur 1.1 fliegt das Flugzeug langsam mit geringer Geschwindigkeit vl . Der Propeller rotiert mit Umfangsgeschwindigkeit ul , die relative Blattanströmung ist wl . Senkrecht zur Anströmung entsteht eine Auftriebskraft Fal, und in Richtung der Anströmung die Widerstandskraft Fwl . Beide gemeinsam ergeben die wirksame Luftkraft Fl , die in eine Umfangskraft Ful und eine Axialkraft Fxl in Bewegungsrichtung zerlegt werden kann. Der Rotor arbeitet als Propeller und erzeugt eine Schubkraft in Flugrichtung. Dafür ist infolge der Umfangskraft Ful ein Drehmoment erforderlich, und der Rotor muss angetrieben werden. Er beschleunigt die zuströmende Luft von der langsameren Fluggeschwindigkeit vl auf die abströmende Strahlgeschwindigkeit cl, die grösser ist als die Geschwindigkeit der Zuströmung. Aus der Beschleunigung der Luft entsteht der Schub des Strahlantriebs für den Vortrieb des Flugzeugs.

In Figurl .2 fliegt das Flugzeug schnell mit hoher Geschwindigkeit v2. Der Propeller rotiert mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit u2 = ul, und die relative Blattanströmung ist w2. Die Richtung von w2 hat sich dabei über die Nullauftriebsrichtung des Profils hinweg gedreht. Deshalb wirken die Auftriebskräfte jetzt nach hinten und das Profil arbeitet als Turbine. Senkrecht zur Anströmung entsteht eine Auftriebskraft Fa2, und in Richtung der Änströmung die Widerstandskraft Fw2. Beide gemeinsam ergeben die wirksame Luftkraft F2, die in eine Umfangskraft Fu2 und eine Axialkraft Fx2 zerlegt werden kann. Der Rotor arbeitet jetzt als Turbine und erzeugt eine Bremskraft gegen die Flugrichtung, dafür liefert er aber ein Drehmoment mit Umfangskraft Fu2. Dieser Strömungszustand kann beispielsweise im Sturzflug erreicht werden, dann wirkt der Propeller als Luftbremse. Der Rotor liefert Leistung, und verzögert die zuströmende Luft von der Fluggeschwindigkeit v2 auf die Strahlgeschwindigkeit c2, die kleiner ist als die Geschwindigkeit der Zuströmung. So entsteht im Nachstrom eine Strömung in Flugrichtung. Sie hat die Geschwindigkeit cn2 = c2 - v2. Der Nachstrom mindert dann die Relativgeschwindigkeit zwischen Strömung und Rumpf und verlangsamt lokal die Grenzschichtströmung, was die Wandreibung und den Widerstand des Rumpfes reduziert.

Figur 2 zeigt mit Figur 2.1 und Figur 2.3 die Flächenanteile eines typischen Verkehrsflugzeugs in Bezug auf die Entstehung der Strömungsreibung. Der Rumpf 11 hat rund 50% Flächenanteil an der benetzten Fläche, die Tragflächen 12 etwa 30%, Flöhen- und Seitenleitwerk 13 und 14 gemeinsam etwa 15% und die Triebwerksgondeln 15 knapp 5%. Figur 2.3 zeigt eine Darstellung mit Mittelwerten von verschiedenen Verkehrsflugzeugen. Alle Aussenflächen werden mit Reisegeschwindigkeit v umströmt. Es entsteht die Grenzschicht BL mit Strömungsreibung und daraus der Strömungs- widerstand Drag, den der Antrieb kompensieren muss (Figur 2.2). Von allen Flächen müssen die Tragflächen und das Leitwerk mit hoher Geschwindigkeit umströmt werden, damit Auftrieb entsteht, damit das Flugzeug fliegen kann, und damit es steuerbar bleibt. Die Strömung um Rumpf und Triebwerksgondel ist schädlich. Hier gibt es Optimierungspotenzial.

Figur 3 zeigt den Rumpf 1 1 eines Flugzeugs mit Propeller Pl und Motor Ml , in Figur 3.1 das Geschwindigkeitsprofil, in Figur 3.2 die Strömung mit Grenzschicht, und in Figur 3.2 den Konstruktionswinkel phil der Blattanstellung von Pl . Der Propeller wird von einem Motor Ml angetrieben. Das kann eine elektrische Maschine sein, oder ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Er wird mit Fluggeschwindigkeit v angeströmt und beschleunigt die Luft auf die Geschwindigkeit des Strahls cla. Dadurch entsteht am Rumpf die Grenzschicht BLa proportional zu cla. Sie verursacht den Strömungswiderstand Draga. Im Bilanzraum 1 bis 3 des Propellers steigt die relative Geschwindigkeit der Strömung von v auf cla, und es entsteht Schub.

In Figur 4 ist die Antriebsaufgabe auf zwei Propulsoren Pl und P2 aufgeteilt. Pl befindet sich am Bug des Rumpfes, P2 an dessen Heck, beispielhaft dargestellt sind Propeller ohne Ummantelung. Pl zieht das Flugzeug (Pull), P2 schiebt das Flugzeug (Push). Jeder Propeller hat eine Antriebsmaschine Ml und M2. Eine solche Konfiguration ist bekannt (Beispiel: Dornier Do 335 oder Adam A500). Figur 4.1 zeigt das Geschwindigkeitsprofil für den Startfall, Figur 4.2 das Strömungsfeld mit Grenzschicht am Rumpf, und Figur 4.3 die Konstruktionswinkel der Propellerblätter.

Im Bodenstandfall beschleunigt der erste Propeller die ruhende Luft in seinem Bilanzraum 1 bis 3 auf die erste Strahlgeschwindigkeit clb. Der zweite Propeller beschleunigt sie im Bilanzraum 4 bis 7 auf die Endgeschwindigkeit c2. Zwischen den Propellern befindet sich der Rumpf. An dessen Wand entsteht die Grenzschicht BLb proportional zur Strahlgeschwindigkeit clb, und daraus der Strömungswiderstand Dragb. Weil der zweite Propeller P2 nun bereits mit höherer Geschwindigkeit clb angeströmt wird, muss der Konstruktionswinkel seiner Blattanstellung phi2 grösser sein als der Konstruktionswinkel phil des ersten Propellers Pl . Weil die Wand des Rumpfes nun mit verminderter Geschwindigkeit c2b angeströmt wird, ist die Konfiguration bei gleichem Schub energetisch günstiger als zuvor mit nur einem vorderen Propeller. Der entstehende Strömungswiderstand Dragb ist nun kleiner als Draga, was die Effizienz des Antriebssystems verbessert.

Diese Konfiguration wird auch für das erfindungsgemässe Antriebssystem verwendet. Im Unterschied zu bekannten Antriebssystemen liefert der vordere Propeller Pl seinen Schub für den Vortrieb aber nur für den Startfall. Im Reiseflug wechselt Pl in den Turbinenmodus. Dann erzeugt er eine Bremskraft und liefert Leistung an die Maschine Ml und über Maschine M2 weiter an den Propeller P2. Gemeinsam mit dem Rumpf entsteht daraus ein Systemvorteil, weil der Nachstrom des Propellers Pl die Wandgrenzschicht des Rumpfes verzögert, was die Reibung und den Widerstand senkt. Weil der zweite Propeller nun mit geringerer Geschwindigkeit angeströmt wird, benötigt er für die gleiche Schubkraft weniger Antriebsleistung als zuvor. Das System ist wie ein Antrieb mit Doppelpropeller, die um Rumpflänge auseinander gezogen sind, wobei der vordere Propeller im Reiseflug als Turbine arbeitet.

Figur 5 zeigt das erfindungsgemässe Antriebssystem im Reiseflug. Figur 5.1 zeigt das Geschwindigkeitsprofil, Figur 5.2 das Strömungsfeld, und Figur 5.3 die Konstruktionswinkel der beiden Propeller.

Im Reiseflug wird Propeller Pl mit Fluggeschwindigkeit v.cruise angeströmt. Nun arbeitet er aber im Turbinenmodus. Er verzögert die Strömung und liefert Leistung wie eine Windturbine (Ram Air Turbine). Nach dem bekannten Satz von Betz liefern Windturbinen die maximal mögliche Leistung, wenn man die Geschwindigkeit auf 1/3 verzögert, was in Figur 5.2 dargestellt ist. Nun entsteht folgendes:

1. Der vordere Propulsor arbeitet als Turbine und verzögert die Strömung in seinem Bilanzraum 1 bis 3 auf 1/3 der Fluggeschwindigkeit. Dadurch wird die Stromröhre um den Rumpf herum aufgeweitet. An der Wand des Rumpfes entsteht eine Grenzschicht BLc proportional zur verminderten Geschwindigkeit clc im Nachstrom der Turbine. Die Wandgrenzschicht am Rumpf ist verzögert, und der Widerstand aus Strömungsreibung Drage sinkt. Die Leistung der Turbine wird an die Maschine Ml abgegeben, und von dort an Maschine M2. Wenn Ml eine elektrische Maschine ist, dann wechselt sie vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb und liefert Leistung an die zweite Maschine M2.

2. Der zweite Propeller P2 wird nun mit geringerer Geschwindigkeit angeströmt. Bei konstantem Massenstrom wachsen der Impuls linear, und die Energie quadratisch mit der Geschwindigkeit. Daher kann der Propeller P2 den gleichen Schub nun mit weniger Energie erzeugen, als wenn er direkt mit Fluggeschwindigkeit angeströmt wird. Ein Beispiel mag das verdeutlichen: Bei einem Propulsionswirkungsgrad von 75% sinkt der Energiebedarf eines Propellers bei gleichem Schub auf die Hälfte, wenn man die Anströmung auf 1/3 senkt (Berechnet mit dem idealisierten Propellermodell nach Froude-Rankine).

3. Weil der Rumpf jetzt weniger Widerstand hat, gibt es einen Überschuss an Schub aus dem zweiten Propeller P2, wobei der Überschuss nun zur Kompensation der Bremskraft aus dem ersten Propeller verwendet werden kann. Wenn man die Turbine so dimensioniert, dass ihre Bremskraft der Reibungsminderung am Rumpf entspricht, dann ist die Turbine im System kräfteneutral. Man tauscht die Strömungsreibung des Rumpfes gegen die Bremskraft aus der Turbine, das ist ein „Nullsummenspiel“. Im Gegenzug gewinnt man aber aus zwei Gründen. a. Der vordere Propeller wirkt als Turbine und liefert Leistung, die für den Antrieb des hinteren Propellers genutzt werden kann. b. Der hintere Propeller wird langsamer angeströmt und liefert die gleiche Schubkraft mit weniger Antriebsenergie.

Figur 5.1 zeigt den Energietransport zwischen den Propellern Pl und P2, bei verringertem Strömungswiderstand des Rumpfes. Pl verzögert die Strömung als Windturbine und liefert Leistung an die Maschine Ml, diese gibt sie weiter an M2, und diese treibt den Propeller P2 zur Schuberzeugung an. An der Wand des Rumpfes entsteht die Grenzschicht BLc aus der auf clc verzögerten Strömung. Weil die Reibungskräfte in turbulenter Strömung mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ansteigen, sinkt die Wandreibung am Rumpf um bis zu 90%, wenn der Propeller Pl die Strömung auf ein Drittel der Fluggeschwindigkeit verzögert. Weil der Rumpf bei Verkehrsflugzeugen einen Anteil von über 50% der benetzten Oberfläche ausmacht, sinkt der Widerstand um bis zu 45%, und dieser Anteil steht zur Kompensation der Bremskraft aus dem Turbinenbetrieb von Pl zur Verfügung.

Figur 5.2 zeigt das Strömungsfeld, das sich hinter dem Propeller Pl aufweitet, weil die Strömung relativ zum Flugzeug verzögert wird (im Beispiel auf v/3). Weil das Flugzeug sich aber mit der Geschwindigkeit v in Flugrichtung bewegt, entsteht hinter dem Propeller Pl ein Nachstromfeld, das sich nun ebenfalls in Flugrichtung bewegt (im Beispiel mit 2/3 v). Zwischen den Bilanzräumen der beiden Propeller Pl und P2 bildet sich zwischen 3 und 4 eine lokale Strömung in Flugrichtung aus, eine Art „Luftpaket“ oder„Windblase“, die den Rumpf einhüllt. Sie liefert den Zustrom für den zweiten Propeller, der die Luft aus dem Paket dann beschleunigt und als Strahl mit Geschwindigkeit c2 nach hinten abgibt. Zwischen den Propellerebenen fliegt ein Luftpaket als„Windblase“ (Bubble) in Flugrichtung mit, hinter dem zweiten Propeller tritt die Luft als Strahl nach hinten aus (Jet). Das Antriebssystem ist ein„BubbleJet“.

Gemäss Figur 5.3 müssen die Konstruktionswinkel der beiden Propeller wieder verschieden sein. Der vordere Propeller Pl hat einen kleineren Konstruktionswinkel phil als der hintere Propeller P2 mit Winkel phi2. Für grosse Fluggeschwindigkeiten ist es vorteilhaft, wenn die Propeller verstellbar sind.

Figur 6 zeigt beispielhaft zwei Flugzeugkonfigurationen mit BubbleJet-Antrieb. Der vordere Propeller Pl im Beispiel hat acht Blätter. Für den Start liefert er zusätzlichen Schub, denn dann wird mehr Schub gebraucht als im Reiseflug, und im Reiseflug liefert er zusätzliche Leistung, die den Treibstoffbedarf senkt. Der Nachstrom aus dem Turbinenbetrieb des Rotors hüllt den Rumpf in ein lokales Luftpaket, eine „Windblase“ oder„Bubble“, die sich mit dem Rumpf in Flugrichtung bewegt. Aus dem Luftpaket wird der zweite Propeller P2 gespeist, der die Luft beschleunigt und als Strahl „Jet“ nach hinten abgibt. In den Beispielen ist P2 ein rekuperativer Strahlantrieb nach PCT/EP2018/063914. Alle Trag- und Steuerflächen ragen aus der„Bubble“ heraus.

Die Figuren 6.1 und 6.2 zeigen eine Konfiguration ohne Leitwerk mit Steuerflächen am Ende der beiden Tragflächen. Dort befinden sie sich ausserhalb der „Bubble“, sie werden mit Fluggeschwindigkeit angeströmt und können die erforder- lichen Lenkkräfte liefern. Die Figuren 6.3 und 6.4 zeigen eine konventionelle Konfiguration mit einem T-Leitwerk, das ebenfalls aus der„Bubble“ herausragt.

Es ist offensichtlich, dass sich die Erfindung besonders für elektrische Antriebe eignet, weil der Wechsel von Propeller zu Turbine mit einer elektrischen Maschine besonders einfach zu realisieren ist: Sie wechselt bei gleicher Drehrichtung vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb und liefert dann Strom. Wenn die zweite Maschine auch elektrisch ist, dann kann die Generatorleistung aus Pl direkt an M2 zum Antrieb von P2 gegeben werden, oder sie steht für Verbraucher an Bord zur Verfügung (Nutzlast). Elektrische Energie kann mittels Solarzellen gewonnen werden, so dass ein rein elektrisches Flugzeug möglich ist.

Figur 7 zeigt beispielhaft zwei Konfigurationen für Solarflugzeuge. Für höhere Effizienz kommen in den Beispielen vome und hinten jeweils Mantelpropeller zum Einsatz. Für den vorderen Propeller Pl ist der Mantel als Diffusor ausgeführt, für den hinteren Propeller P2 als Düse.

Figur 7.1 zeigt das Schema eines Antriebs für ein Solarflugzeug, das elektrische Energie aus Solarzellen SOLAR in einer Batterie BAT speichern kann. Die erste elektrische Maschine Ml /Gl ist ein Motor-Generator, der entweder den Propeller Pl antreibt (Propeller-Modus, Motorbetrieb) oder von ihm angetrieben wird (Turbinen- Modus, Generatorbetrieb). Je nachdem ist die Maschine Verbraucher oder Lieferant von elektrischer Leistung, die sie aus der Batterie BAT bezieht, oder an einen elektrischen Verbraucher abgibt. Das kann sowohl die zweite Maschine M2 sein, oder eine elektrische Nutzlast LAST, oder auch die Batterie BAT. Die zweite Maschine M2 und die Nutzlast LAST sind elektrische Verbraucher. Sie beziehen ihre Energie aus der Batterie BAT, und bei Turbinenbetrieb des Propellers Pl auch aus der Maschine Ml im G ener atorbetrieb .

In Figur 7.2 sind die beiden elektrischen Maschinen zwecks Gewichtserspamis zu einer einzigen Maschine Ml 2 vereinigt. Wenn man beide Propeller dann auf eine gemeinsame Maschinenwelle montiert, wird das System mechanisch besonders einfach und robust. Ein solches System ist für unbemannte Fluggeräte geeignet.

Figur 8 zeigt schliesslich das Konzept mit verteilten elektrischen Antrieben. Dabei werden die beiden Propulsoren Pl und P2 durch eine Anzahl von Einzelantrieben realisiert, vorne Pli (i=l bis n) und hinten P2j (j=l bis m), die um den Rumpf verteilt angeordnet sind. Figur 8.1 und Figur 8.2 zeigen beispielhaft einen Flugzeugrumpf mit am Umfang des Rumpfes gleichmässig verteilten Propulsoren in Seitenansicht und in Vorderansicht. (Schiffe benötigen verteilte Propulsoren in der Regel nur unter Wasser).

Die Erfindung kombiniert Flugzeug, Antrieb und Strömung in ein gemeinsames System, was beim Flugzeugentwurf bisher nicht üblich ist. In der Kräfte- und Energiebilanz tauscht das Antriebssystem Widerstand gegen Schub und mindert die Strömungsverluste im System: Das Gesamtsystem ist effizienter als seine einzelnen Komponenten. Energetisch betrachtet tauscht das Antriebssystem die Energieverluste des Widerstands aus der Wandreibung des Rumpfes gegen Zusatzleistung aus der Turbine, die dann zur Schuberzeugung genutzt werden kann. Das ist Rekuperation. Der Widerstand sinkt, und der Schub steigt bei gleicher Leistung. Im Nullsummenspiel sinkt der Energiebedarf bei gleichem Schub.

Die Erfindung ist besonders für elektrische Flugantriebe geeignet, aber ebenso für Schiffe, über und unter Wasser, und Landfahrzeuge. Der„BubbleJet“ hüllt den Rumpf des Fahrzeugs mittels der Turbine an dessen Bug in eine sich mit dem Fahrzeug bewegende„Strömungsblase“, wodurch die Strömungsreibung am Rumpf sinkt und damit dessen Widerstand. Der so frei werdende Schubüberschuss des hinteren Propulsors kompensiert die Bremskraft der Turbine, so dass deren Leistung neutral für den Antrieb des Propulsors P2 zur Verfügung steht. Das Antriebssystem„BubbleJet“ tauscht Widerstand gegen Schub und ist effizienter als jeder bekannte Strahlantrieb.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Antrieb von mit gasförmigen oder flüssigen Fluiden umströmten Fahrzeugen mit einem Rumpf 1 1 und einem Strahlantrieb, bestehend aus mindestens einem vorderen Propulsor PI und mindestens einem hinteren Propulsor P2 mit mindestens je einer Antriebsmaschine Ml und M2, wobei sich der mindestens eine vordere Propulsor Pl am Bug des Rumpfes befindet und von einer oder mehreren Maschinen Ml angetrieben wird, und wobei sich der mindestens eine hintere Propulsor P2 am Heck des Rumpfes befindet und von einer oder mehreren Maschinen M2 angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine vordere Propulsor Pl ab einer bestimmten Geschwindigkeit des Fahrzeugs in den Turbinenbetrieb übergeht und bei Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs Leistung an die mindestens eine Maschine Ml liefert, die dann als Nutzleistung an die mindestens eine Maschine M2 und bei Bedarf auch an andere Verbraucher an Bord des Fahrzeugs übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine vordere Propulsor Pl mittels Turbinenbetrieb die relative Geschwindigkeit des Propulsor-Zustroms bei Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs im Bilanzraum 1 bis 3 nach Figur 5 auf mindestens die Hälfte der Reisegeschwindigkeit verzögert.

3. Vorrichtung zum Antrieb von mit gasförmigen oder flüssigen Fluiden umströmten Fahrzeugen mit einem Rumpf 1 1 und einem Strahlantrieb bestehend aus mindestens einem vorderen Propulsor Pl und mindestens einem hinteren Propulsor P2 mit mindestens je einer Antriebsmaschine Ml und M2, wobei sich der mindestens eine vordere Propulsor Pl am Bug des Rumpfes befindet und von mindestens einer Maschine Ml angetrieben wird, und wobei sich der mindestens eine hintere Propulsor P2 sich am Heck des Rumpfes befindet und von mindestens einer Maschine M2 angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Propulsor Pl im Turbinenbetrieb auch Leistung an die Maschine Ml abgeben kann, und diese Leistung von Maschine Ml an Maschine M2 oder andere Verbraucher an Bord des Fahrzeugs übertragbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Propulsor P2 ein rekuperativer Strahlantrieb ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Konstruktionswinkel der Blattanstellung phil des vorderen Propulsors Pl kleiner ist als der Konstruktionswinkel der Blattanstellung phi2 des hinteren Propulsors P2.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktionswinkel der Rotorblätter der Propulsoren P 1 und/oder P2 im laufenden

Betrieb verstellbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Propulsoren Pl und/oder P2 ummantelte Rotoren bzw. Propeller haben, wobei der vordere Mantel für Pl vorteilhafterweise als Diffusor ausgeführt sein kann, und der hintere Mantel für P2 als Düse.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen Ml und/oder M2 elektrische Maschinen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen Ml im Reiseflug als Generator arbeiten und elektrische Energie erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische

Energie von Ml im Reiseflug an einen elektrischen Verbraucher an Bord des Fahrzeugs übertragen wird.

1 1. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Maschinen Ml und M2 in einer Maschine Ml 2 zusammengefasst sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die

Propulsoren Pl und P2 als verteilte Propulsoren ausgeführt und um den Rumpf herum verteilt angeordnet sind, mit Pli (i = 1 bis n) und P2j (j = 1 bis m)

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Propulsoren sich bei einem Schiffsrumpf nur unter Wasser befinden.