DE102008002896A1

DE102008002896A1 - Schubgenerator für ein Antriebssystem

Info

Publication number: DE102008002896A1
Application number: DE102008002896A
Authority: DE
Inventors: Andrei Tristan Evulet; Ludwig Christian Haber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2008-12-24
Also published as: CH704302B1; US20080315042A1; CN101327844B; CN101327844A; JP2009002336A

Abstract

Es wird ein Schubgenerator (12) zur Verfügung gestellt. Der Schubgenerator (12) umfasst einen Lufteinlass (78), der dafür ausgelegt ist, Luft (80) in den Schubgenerator (12) einzuführen, sowie ein Plenum (72), das dafür ausgelegt ist, Abgas (64) aus einem Gasgenerator (30) aufzunehmen und das Abgas (64) über ein Coanda-Profil (74) zur Verfügung zu stellen, wobei das Coanda-Profil (74) dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases (64) an dem Profil (74) zu ermöglichen, um eine Grenzschicht (106) zu bilden und einströmende Luft (80) aus dem Lufteinlass (78) mitzuziehen, um Schub zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Antriebssysteme und insbesondere auf einen Schubgenerator zur Verbesserung eines Antriebssystems.
Es sind verschiedene Antriebssysteme bekannt und in Gebrauch. Zum Beispiel bei einem durch ein Strahltriebwerk angetriebenen Düsenflugzeug tritt Luft durch einen Einlass ein, um dann durch einen rotierenden Verdichter auf einen höheren Druck verdichtet zu werden. Die verdichtete Luft wird zu einer Brennkammer weitergeleitet, wo sie mit einem Brennstoff gemischt und entzündet wird. Die heißen Verbrennungsgase strömen dann in eine Turbine, wo ihnen Energie zum Antreiben des Verdichters entzogen wird. Bei einem Strahltriebwerk werden die Abgase aus der Turbine durch eine Düse beschleunigt, um Schub zu erzeugen.
Überdies wird der Abgasstrom durch die Schubdüse, die Nettoschub zum Antreiben des Düsenflugzeugs erzeugt, auf Atmosphärendruck ausgedehnt. Üblicherweise ist bei einem Strahltriebwerk die Schubdüse nahe am Choke-Zustand. Die Antriebseffizienz derartiger Triebwerke ist daher beschränkt, da der einzige Weg, den Schub zu vergrößern, darin besteht, die thermodynamische Verfügbarkeit des Abgasstroms zu verbessern.
Bei bestimmten anderen Antriebssystemen wird ein Turbobläser-Triebwerk eingesetzt. Turbobläser-Trieb werke enthalten typischerweise das Strahl-Kerntriebwerks in Verbindung mit zusätzlichen Turbinenstufen, die eingesetzt werden, um den Abgasen Energie zum Antreiben eines großen Bläsers zu entziehen, der Umgebungsluft beschleunigt, unter Druck setzt und durch eine eigene Düse beschleunigt. Der in einem Turbobläser-Triebwerk eingesetzte Verdichter, wie auch die Brennkammer und die Hochdruckturbine sind mit denen eines Strahltriebwerks identisch und werden üblicherweise als Kerntriebwerk oder Gasgenerator bezeichnet. Derartige Systeme erfordern jedoch bewegliche Teile, wie beispielsweise einen Bläser und eine zweite, von der Niederdruckturbine angetriebene Welle. Aufgrund gewisser praktischer Einschränkungen bei Parametern wie der Maschinenhaus- und Bläsergröße verfügen diese Vorrichtungen über eine beschränkte Antriebseffizienz und sind anfällig für Triebwerksschäden durch Fremdobjekte auf den Flugbetriebsflächen (FOD, foreign object debris).
Folglich existiert ein Bedarf an einem Antriebssystem mit hoher Antriebseffizienz und geringem spezifischen Brennstoffverbrauch. Ferner wäre es wünschenswert, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die zur Verbesserung der Antriebseffizienz in vorhandene Antriebssysteme integriert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG
Kurz gesagt, wird gemäß einer Ausführungsform ein Schubgenerator zur Verfügung gestellt. Der Schubgenerator umfasst einen Lufteinlass, der dafür ausgelegt ist, Luft in den Schubgenerator einzuführen, und ein Plenum, das dafür ausgelegt ist, Abgas von einem Gasgenerator aufzunehmen und dieses über ein Coanda-Profil zur Verfügung zu stellen, wobei das Coanda-Profil dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases an dem Profil zu ermöglichen, um eine Grenzschicht auszubilden und aus dem Einlass eintretende Luft mitzuziehen, um Schub zu erzeugen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Flugzeug zur Verfügung gestellt. Das Flugzeug umfasst eine Flugzeugzelle und einen mit der Flugzeugzelle verbundenen Gasgenerator, der für die Erzeugung von Abgas ausgelegt ist. Das Flugzeug umfasst außerdem eine Vielzahl von mit der Flugzeugzelle verbundenen Schubgeneratoren, die dafür ausgelegt sind, das Abgas von dem Gasgenerator aufzunehmen und Schub zum Antrieb des Flugzeugs zu erzeugen, wobei jeder aus der Vielzahl der Schubgeneratoren zumindest eine Oberfläche mit einem Coanda-Profil umfasst, das dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases an dem Profil zu ermöglichen, um eine Grenzschicht auszubilden und aus einem Einlass eintretende Luft mitzuziehen, um einen Luftstrom mit großer Durchflussmenge und hoher Geschwindigkeit zu erzeugen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Erzeugung von Schub zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst das Einleiten von Abgas eines Gasgenerators über ein Coanda-Profil eines Schubgenerators, um eine Grenzschicht auszubilden und durch die Grenzschicht Luft mitzuziehen, um aus einer Impulsdifferenz zwischen den Einlass- und Ablassflüssen des Luftstroms Schub zu erzeugen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verbesserung der Antriebseffizienz eines Flugzeugs zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Verbindung zumindest eines Schubgenerators mit einem Gasgenerator des Flugzeugs, wobei der zumindest eine Schubgenerator dafür ausgelegt ist, Schub zu erzeugen, indem Abgas aus dem Gasgenerator über ein Coanda-Profil umgeleitet wird, um eine Grenzschicht auszubilden und anschließend eintretende Luft durch die Grenzschicht mitzuziehen.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser zu verstehen, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen durchweg gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
1 ist ein Diagramm eines Flugzeugs mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration eines Gasgenerators des Flugzeugs aus 1 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
3 ist ein Diagramm einer Teilung des Abgasstroms aus dem Gasgenerator aus 2 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
4 ist ein Diagramm eines Befestigungsmechanismus des Gasgenerators an dem Flugzeug aus 1 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
5 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration des Schubgenerators aus 1 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
6 ist ein Blockdiagramm, das den Betrieb des Schubgenerators aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens darstellt.
7 ist ein Diagramm einer Coanda-Profil-Oberfläche des Schubgenerators aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
8 ist ein Diagramm von Strömungsprofilen von Luft und Abgasen in dem Schubgenerator aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
9 ist ein Diagramm der Bildung einer an ein Coanda-Profil angrenzenden Grenzschicht in dem Schubgenerator aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
10 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Untersuchungsergebnisse zur Antriebseffizienz existierender Antriebssysteme und eines Antriebssystems mit dem Schubgenerator aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens.
11 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Untersuchungsergebnisse zu dem durch existierende Antriebssysteme und ein Antriebssystem mit dem Schubgenerator aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens erzeugten Schub.
12 stellt ein beispielhaftes Flugzeug mit an den Flügelenden angeordneten Schubgeneratoren nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie unten detailliert beschrieben wird, dienen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens dazu, die Effizienz von Antriebssystemen, wie beispielsweise ein durch ein Strahltriebwerk angetriebenes Düsenflugzeug, zu verbessern. Bei dem vorliegenden Verfahren wird insbesondere die Verbindung eines Arbeitsfluids mit Umgebungsluft eingesetzt, um Schub zum Antreiben des Antriebssystems zu erzeugen und dadurch die Effizienz eines derartigen Systems zu erhöhen und seinen spezifischen Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu und beziehen uns zuerst auf 1, wo ein Flugzeug 10 mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren dargestellt ist, die durch das Bezugszeichen 12 gekennzeichnet sind. Das Flugzeug 10 umfasst eine Flugzeugzelle 14 und einen mit der Flugzeugzelle 14 verbundenen Gasgenerator 16. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst der Gasgenerator 16 ein Strahltriebwerk, das für die Erzeugung eines Abgases ausgelegt ist. Wie dargestellt, umfasst das Flugzeug 10 zwei auf den Flügeln 18 des Flugzeugs angeordnete Strahltriebwerke 16. Jedoch kann auch eine größere oder kleinere Anzahl von Gasgeneratoren oder Strahltriebwerken 16 eingesetzt werden, um das Flugzeug 10 anzutreiben und das Abgas zu erzeugen.
Die Schubgeneratoren 12 sind mit den Flügeln 18 verbunden oder in diese integriert und dafür ausgelegt, Abgas aus dem Gasgenerator 16 aufzunehmen, um Schub zum Antreiben des Flugzeugs 10 zu erzeugen. Bei dieser beispiel haften Ausführungsform umfasst das Flugzeug 10 vier Schubgeneratoren 12, wobei je zwei Schubgeneratoren 12 auf jedem der Flügel 18 angeordnet sind. Es kann jedoch auch eine größere oder kleinere Anzahl Schubgeneratoren eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass die Vielzahl der Schubgeneratoren 12 des Flugzeugs 10, die durch den einzigen Gasgenerator 16 Abgase erhalten, Generatoren unterschiedlicher Größe enthalten kann. Ferner kann bei bestimmten Ausführungsformen die Vielzahl von Schubgeneratoren 12 auf dem Rumpf des Flugzeugs 10 angeordnet sein. Jeder der Schubgeneratoren 12 ist dafür ausgelegt, das Abgas des Gasgenerators 16 zum Mitziehen eintretender Luft zu nutzen, um unter Verwendung eines unten detaillierter beschriebenen Coanda-Profils einen Hochgeschwindigkeitsstrom zu erzeugen. Der Begriff „Coanda-Profil" wird hier für ein Profil gebraucht, das dafür ausgelegt ist, das Anliegen eines Fluidstroms an einer nahe gelegenen Oberfläche sowie das Aufrechterhalten dieser Haftung zu ermöglichen, selbst wenn sich die Oberfläche von der ursprünglichen Richtung der Fluidbewegung weg krümmt.
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration 30 des Gasgenerators 16 des Flugzeugs 10 in 1. Die Gasturbine 30 umfasst einen Verdichter 32, der für die Verdichtung von Umgebungsluft ausgelegt ist. Eine Brennkammer 34 ist strömungstechnisch mit dem Verdichter 32 verbunden und dafür ausgelegt, verdichtete Luft aus dem Verdichter aufzunehmen und einen Brennstoffstrom zu verbrennen, um einen Brennkammer-Abgasstrom zu erzeugen. Zusätzlich umfasst die Gasturbine 32 eine stromab der Brennkammer 34 liegende Turbine 36. Die Turbine 36 ist dafür ausgelegt, den Abgasstrom der Brennkammer auszudehnen, um eine externe Last anzutreiben. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Verdichter 32 über eine Welle 38 durch die von der Turbine 36 erzeugte Energie angetrieben. Ferner wird bei regulären Gasturbinen, wie beispielsweise Turbobläsers, ein Hochgeschwindigkeits-Abgasstrahl aus der Turbine 36 durch eine Schubdüse 40, die einen Nettoschub erzeugt, dessen Richtung der Richtung des Strahls entgegengesetzt ist, auf Atmosphärendruck ausgedehnt.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform erzeugen der Brennstoffstrom und Luft nach der Verbrennung in der Brennkammer 34 bei einer gewünschten Temperatur und einem gewünschten Druck Abgase. Nach dem Entzug von Energie zum Antreiben des Verdichters 32 des Gasgenerators 30 werden die erzeugten Abgase zu den Schubgeneratoren 12 (s. 1) geleitet. Die Schubgeneratoren 12 sind dafür ausgelegt, eine wachsende Grenzschicht zu bilden und einen zusätzlichen Luftstrom mitzuziehen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird ein geringer Teil der mitgezogenen Frischluft schnell mit den Abgasen gemischt, was an der Wand in einem konvergenten Bereich des Schubgenerators 12 über eine kurze Entfernung durch schnelles Mitziehen und Mischung mit dem Abgas stattfindet und zu einer wachsenden, verdünnten Abgas-Frischluft-Grenzschicht hoher Energie führt. Dies beruht auf der Einführung von Abgas durch mehrere einzelne, um den Umfang angeordnete Schlitze, was das Mitziehen von Frischluft ermöglicht, die sich zwischen den Schlitzen befindet. Ein weiterer Teil der mitgezogenen Luft bildet ferner eine Scherschicht mit der aus Luft und Abgas gemischten wachsenden Grenzschicht, um die Luft in dem konvergenten Bereich des Schubgenerators 12 weiter zu beschleunigen und die weitere Vermischung von Grenzschicht und einströmender Luft zu ermöglichen, um den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom in einem stromab liegenden Bereich des Schubgenerators 12 zu erzeugen. Der stromab liegende Bereich des Schubgenerators 12 erzeugt ferner den Schub aus der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der mitgezogenen Luft aus dem Einlass und dem Hochgeschwindigkeits-Gasgemisch. Zusätzlich wird das Mitziehen durch den Einfluss radialer statischer Druckgradienten verstärkt, die durch das Strömen der antreibenden Abgase um das Coanda-Profil erzeugt werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der stromab liegende Bereich einen divergenten Bereich.
Die im Kern des Schubgenerators 12 mitgezogene Luft hat daher beim Startzustand des Flugzeugs 10 eine geringere Geschwindigkeit, aber viel höhere Geschwindigkeiten während des Fluges, was das Mitziehen der Luft und den Impulstransfer von den antreibenden Abgasen sehr effizient macht und den Unterschied zwischen der Flugzeuggeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des austretenden Strahls relativ verkleinert. Dies bedeutet eine größere Antriebseffizienz des Schubgenerators 12. Der oben beschriebene Schubgenerator 12 ermöglicht das Mitziehen von Luft durch die Abgase. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt das Verhältnis zwischen der von dem Schubgenerator 12 mitgezogenen Masse und der Masse der Abgase circa 5 bis circa 15. Der Betrieb des Schubgenerators 12 wird unten detailliert beschrieben.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein Teil des Abgases durch die Schubdüse 40 ausgedehnt (s. 2), um Schub zu erzeugen, und der verbleibende Anteil der Abgase wird zu den Schubgeneratoren 12 geleitet, um zusätzlichen Schub zu liefern. Alternativ ist die Vielzahl der Schubgeneratoren 12 dafür ausgelegt, den Gesamtschub zu er zeugen, der erforderlich ist, um das Flugzeug 10 durch die Abgase des Gasgenerators 30 anzutreiben.
3 ist ein Diagramm einer Strömungsteilung 50 des Abgasstroms aus dem Gasgenerator 30 aus 2 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird der Abgasstrom 52 der Turbine 36 (s. 2) in zwei Ströme 56 und 58 geteilt, die zu der Vielzahl von Schubgeneratoren 12 (s. 1) geleitet werden. Die unter Druck stehenden Abgasströme 56 und 58 werden ferner über ein Coanda-Profil eingeführt, um die Grenzschicht zu bilden und einströmende Luft durch die Grenzschicht mitzuziehen, um Schub zu erzeugen.
Aus dem Einführen der Abgasströme 56 und 58 über das Coanda-Profil durch einzelne Positionen oder Schlitze resultiert eine starke Beschleunigung und Richtungsänderung der Ströme 56 und 58, die das Mitziehen einströmender Luft zwischen diesen einzelnen Strahlen ermöglicht. Die einströmende Luft wird ferner beschleunigt und bei einem Ausgang des Coanda-Profils mit einem Druck abgelassen, der sich dem Umgebungsdruck annähert. Vorteilhafterweise resultieren das Mitziehen von Luft, der schnelle Energie- und Momenttransfer durch den Schubgenerator 12 und ein geringer Druckabfall im Schubgenerator 12 in einer verbesserten Schuberzeugung. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Abgasstrom 52 aus dem Gasgenerator 30 gedrosselt und hat eine Temperatur von circa 648,9°C (1200°F). Daher bewegt sich der Abgasstrom 56 oder 58 an der Peripherie des Schubgenerators 12, an einem Einlass des Schubgenerators 12, mit Schallgeschwindigkeit oder Überschallgeschwindigkeit und verlangsamt sich danach, während er sich ausdehnt und mit Umgebungsluft vermischt.
Bei bestimmten Ausführungsformen können die Abgasströme 56 und 58 aus dem Gasgenerator aus 2 zu einem Plenum geleitet werden, um die Abgasströme 56 und 58 in die Schubgeneratoren 12 einzuführen. 4 ist ein Diagramm eines Befestigungsmechanismus 60 zur Befestigung des Gasgenerators 30 aus 2 an dem Flugzeug 10 aus 1 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, ist der Gasgenerator 30 durch eine Flügelstrebe 62 mit jedem der Flügel 18 (s. 1) verbunden bzw. in diesen integriert. Der Gasgenerator 30 ist dafür ausgelegt, das Abgas 52 zu erzeugen, das in ein Plenum geleitet wird, wie es das Bezugszeichen 64 zeigt. Das Plenum ist ferner dafür ausgelegt, das Abgas 52 radial in den Schubgenerator 12 und das Coanda-Profil entlang zu leiten, wie es unten mit Bezug auf die 5–9 beschrieben wird.
5 ist ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration 70 des Schubgenerators 12 des Flugzeugs 10 aus 1 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, umfasst der Schubgenerator 70 ein Plenum 72, das dafür ausgelegt ist, das Abgas 64 (s. 4) aus dem Gasgenerator 30 (s. 4) aufzunehmen und das Abgas über ein Coanda-Profil 74 bereitzustellen, das dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases 64 an dem Profil 74 zu ermöglichen. Bei bestimmten Ausführungsformen erhöht das Einführen von Wärme in das Plenum 72 – unter Verwendung eines Brennstoffs – die Energie und bewirkt, dass das Abgas 64 mehr Luft mitzieht oder die Luft auf größere Geschwindigkeiten beschleunigt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist das Plenum 72 ringförmig um eine Luftleiteinrichtung (cowl) des Schubgenerators 70 angeordnet. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Plenum 72 in eine Viel zahl von Plenen aufgeteilt sein, die Abschnitte von Abgasschlitzen versorgen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Coanda-Profil ein logarithmisches Profil. Beim Betrieb wird ein unter Druck stehender Strom des Abgases 64 aus dem Plenum 62 entlang dem Coanda-Profil 74 eingeführt, wie unter dem Bezugszeichen 76 dargestellt. Der Schubgenerator 70 umfasst ferner einen Lufteinlass 78 zum Einführen des Luftstroms 80 in den Schubgenerator 70.
Beim Betrieb zieht das unter Druck stehende Gas 76 den Luftstrom 80 mit, um einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom 82 zu erzeugen. Das Coanda-Profil 74 ermöglicht insbesondere das relativ schnelle Mischen des unter Druck stehenden Abgases 76 mit dem mitgezogenen Luftstrom 80 und erzeugt den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom 82 durch einen Energie- und des Impulstransfer von dem unter Druck stehenden Abgas 76 zu dem Luftstrom 80. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ermöglicht das Coanda-Profil 74 die Haftung des unter Druck stehenden Abgases 76 an dem Profil 74 bis an einen Punkt, wo die Geschwindigkeit auf einen Bruchteil der ursprünglichen Geschwindigkeit abfällt, während Impuls und Energie auf den Luftstrom 80 übertragen werden. Es ist zu beachten, dass die Konstruktion des Schubgenerators 70 so gewählt ist, dass sie die Beschleunigung des eintretenden Luftstroms 80 verstärkt, der, ausgehend von einem Umgebungszustand, zum Auslass des Schubgenerators 70 strömt und dadurch den durch den Schubgenerator 70 erzeugten Schub maximiert. Der Hochgeschwindigkeits-Luftstrom 80 kann überdies eingesetzt werden, um Schub zum Antreiben des Flugzeugs 10 zu erzeugen.
6 ist ein Blockdiagramm, das den Betrieb des Schubgenerators 70 aus 5 darstellt. Wie dar gestellt, ist das Plenum 72 dafür ausgelegt, das Abgas 64 aus dem Gasgenerator 30 aufzunehmen. Das Abgas 64 aus dem Plenum 72 wird in einen Mitziehbereich 84 des Schubgenerators 70 eingeführt. Wie oben beschrieben, umfasst der Mitziehbereich 84 das Coanda-Profil 74 zum Mitziehen von Luft 80, um ein Gasgemisch (Luft und Abgase) 82 mit hohen Mischverhältnissen und hohen Geschwindigkeiten zu erzeugen. Ein derartiger Hochgeschwindigkeitsstrom 82 wird dann zu einem Schuberzeugungsbereich 86 des Schubgenerators 70 geleitet, um aus dem Hochgeschwindigkeitsstrom 82 Schub 88 zu erzeugen.
Vorteilhafterweise kann bei Verwendung des Schubgenerators 70 die Mitnahmerate der Luft 80 über die gegenwärtigen Kapazitäten von Bläsern hinaus verbessert werden, ohne dass Bläser und andere bewegliche Teile, deren Vergrößerung schwierig ist und in einer hohen Komplexität und großen Masse resultiert, in dem Flugzeug 10 (s. 1) zur Anwendung kommen. Es ist zu beachten, dass der von dem Schubgenerator 70 erzeugte Schub 88 von der Masse und Energie des Strahls 82 abhängt. Bei der dargestellten Ausführungsform ermöglichen die große Mitnahmerate und der schnelle Impulstransfer durch den Schubgenerator 70 die Erzeugung des gewünschten Schubs 88 aus dem Hochgeschwindigkeitsstrahl 82. Darüber hinaus ist der oben beschriebene Schubgenerator 70 nicht mit einem Kern mit hohem Luftwiderstand verbunden, so dass das einströmende Frischluftvolumen 80, das sich auf den Kern des Schubtriebwerks 70 zu bewegt, mit Flugzeuggeschwindigkeit hindurchströmt und nur wenig beschleunigt wird. Die hohe Mitnahmerate in Verbindung mit dem Geschwindigkeitswert beim Verlassen des Schubgenerators 70, der der Geschwindigkeit des Flugzeugs 10 nahe kommt, hat eine sehr große Antriebseffizienz zur Folge. Günstiger weise wird auf dem Weg durch den Schubgenerator 70 der Schub 88 groß gehalten, aber die Schubtriebwerks-Ausgangsgeschwindigkeit wird zum Erreichen eines geringeren Schubes als bei vergleichbaren Turbobläser-Triebwerken eingesetzt, was eine größere Antriebseffizienz bewirkt. Außerdem ist das effektive Nebenstromverhältnis der vorgeschlagenen Gasgenerator- und Schubtriebwerkanordnungen höher als beim Einsatz konventioneller Turbobläser-Technologie erreichbar.
7 ist ein Diagramm einer Coanda-Profil-Oberfläche des Schubgenerators 70 aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, werden die Abgase 76 aus dem Plenum 72 in den Schubgenerator 70 und das Coanda-Profil 74 entlang geleitet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Druckerhöhungsvorrichtung (nicht gezeigt) mit dem Plenum 72 verbunden und dafür ausgelegt, den Druck der Abgase 76 in dem Plenum 72 zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Druckerhöhungsvorrichtung eine Pumpe. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Schubgenerator 70 in einem gedrosselten Zustand betrieben werden, um die Effizienz des Schubgenerators 70 zu verbessern. Der Schubgenerator 70 ist ferner dafür ausgelegt, bei bestimmten Betriebszuständen des Flugzeugs 10, beispielsweise während eines Startzustands, den Schub durch eine Vergrößerung des Drucks der Abgase in dem Plenum 72 – entweder durch den Gasgenerator 30 oder durch Anwendung der Druckerhöhungsvorrichtung in dem Plenum 72 – zu vergrößern. Das Coanda-Profil 74 ermöglicht die Haftung der Abgase 76 an dem Profil durch Einführen der Abgase an verschiedenen Positionen in Umfangsrichtung und zieht zwischen diesen Positionen einen einströmenden Luftstrom 80 mit, um den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom 82 zu erzeugen. Die durch den Lufteinlass 78 (siehe 5) zugeführte Luft 80 bildet eine Scherschicht mit der Grenzschicht, um den Luftstrom 80 in einem konvergenten Bereich des Schubgenerators 70 zu beschleunigen und die Vermischung von Grenzschicht und eintretendem Luftstrom 80 zu ermöglichen, um den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom 82 in einem Ausgangsbereich des Schubgenerators 70 zu erzeugen. Die Bildung der Grenz- und Scherschicht zwecks Erzeugung des Hochgeschwindigkeits-Luftstroms 82 wird mit Bezug auf die 8–9 unten detailliert beschrieben.
Die Abgase 76 werden radial in die Achse des Schubgenerators 70 geleitet, und zwar durch eine Vielzahl von einzeln verteilten Schlitzen 92 und entlang dem Coanda-Profil 74, das eine Kurvatur 94 aufweist, um das Mitziehen durch die Kombination des Scher- und Radialdruckgradienten zu maximieren, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Grenzschicht an der Wand des Schubgenerators haften bleibt. Als Ergebnis haftet in einem Kehlbereich 96 des Coanda-Profils 74 der Strom noch und die Grenzschicht weist einen relativ großen Impuls auf, mit einer Maximalgeschwindigkeit, die circa das 0,8fache der anfänglichen Einspritzgeschwindigkeit beträgt. Zu beachten ist, dass die Reduzierung der Anfangsgeschwindigkeit der Abgase 76 auf dem Mitziehen des langsameren Luftstroms 80 und dem Impuls- und Energietransfer zu dem mitgezogenen Luftstrom 80, wie auch auf gewissen Reibungsverlusten an den Wänden beruht. Das Hochgeschwindigkeits-Abgas 76 aus dem Plenum 72 erzeugt ferner einen Niederdruckbereich aufgrund der Kurvatur des antreibenden Stroms entlang dem Coanda-Profil, die zum Mitziehen von Luft beiträgt.
8 ist ein Diagramm von Strömungsprofilen 100 von Luft und Abgasen in dem Schubgenerator 70 aus
5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Wie dargestellt, werden Abgase 102 in den Schubgenerator 70 (siehe 5) und über ein Coanda-Profil 104 geleitet. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Abgase 102 mit einer im Wesentlichen hohen Geschwindigkeit und mit hohem Druck durch einzelne Schlitze 92 (siehe 7) in den Schubgenerator 70 eingeführt. Beim Betrieb ermöglicht das Coanda-Profil 104 die Haftung der Abgase 102 an dem Profil 104, um eine wachsende Grenzschicht 106 zu bilden, die Abgase 102 und einen Anteil Luft 108 mitzieht und deren Vermischung ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform sind die Geometrie und die Abmessungen des Profils 104 optimiert, um den gewünschten Schub zu erzielen. Ein Teil des Stroms eintretender Luft 108 wird ferner von der wachsenden gemischten Grenzschicht 106 mitgezogen und bildet mit der Grenzschicht 106 eine Scherschicht 110. Es ist zu beachten, dass das Mitziehen von Umgebungsluft 108 durch einen statischen Radialdruckgradienten verstärkt wird, der durch die Kurvatur der Strömungslinien um das Coanda-Profil 104 entsteht. Der dem Strom aufgeprägte Radialdruckgradient wirkt überdies mit der Scherung an der Grenzschicht 106 zusammen, um den Mitzieheffekt zu verstärken. Dadurch ermöglicht die Scherschicht 110, die durch das Wachsen der energiereichen Grenzschicht 106 und deren Vermischung mit dem mitgezogenen Luftstrom 108 gebildet wird, die schnelle Ausbildung eines einheitlichen Gemisches in dem Schubgenerator 70. Die Haftung der Abgase 102 an dem Coanda-Profil 104 aufgrund des Coanda-Effekts in dem Schubgenerator 70 wird mit Bezug auf 9 unten detailliert beschrieben.
9 ist ein Diagramm der auf dem Coanda-Effekt beruhenden Bildung der Grenzschicht 106, angrenzend an das Profil 104 in dem Schubgenerator 70 aus 5. Bei der dargestellten Ausführungsform haften die Abgase 102 an dem Profil 104, wobei diese Haftung erhalten bleibt, auch wenn sich die Oberfläche des Profils 104 von der ursprünglichen Richtung des Brennstoffstroms wegkrümmt. Genauer gesagt, entsteht bei der Verlangsamung der Abgase 102 eine Druckdifferenz in der Strömung, durch die die Abgase 102 abgelenkt und näher an die Oberfläche des Profils 104 geleitet werden. Fachleute werden erkennen, dass bei der Bewegung der Abgase über das Profil 104 ein gewisses Maß an Reibung zwischen den Abgasen 102 und dem Profil 104 auftritt. Dieser Widerstand gegenüber der Strömung 102 lenkt die Abgase 102 in Richtung auf das Profil 104 ab und bewirkt so ihre Haftung an dem Profil 104. Die durch diesen Mechanismus gebildete Grenzschicht 106 zieht einen eintretenden Luftstrom 108 mit, der dann mit der Grenzschicht 106 eine Scherschicht 110 bildet, um das Mitziehen des Luftstroms und die Vermischung des Luftstroms 108 und der Abgase 102 zu fördern. Die Scherschicht 110, die durch die Ablösung der Grenzschicht 106 und deren Vermischung mit der mitgezogenen Luft 108 gebildet wird, erzeugt ferner einen Hochgeschwindigkeits-Luftstrom 112, der zur Verbesserung der Effizienz eines Antriebssystems durch die Erzeugung von Schub eingesetzt wird. Es ist anzumerken, dass beim Start des Flugzeugs 10 (siehe 1) die Geschwindigkeit des Stroms 108 reduziert und die Mitnahmerate hoch ist. Während das Flugzeug 10 sich im Flug befindet, nimmt die Geschwindigkeit des Luftstroms 108 bei weiterhin hoher Mitnahmerate zu. So wird der Impuls- und Energietransfer von dem Abgas 102 durch den eintretenden Luftstrom 108 ermöglicht, und als Folge ergibt sich eine größere Antriebseffizienz aufgrund einer geringeren Differenz zwischen der Geschwindigkeit des Strahls aus dem Schubgenerator 70 und der Flugzeuggeschwindigkeit.
10 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Untersuchungsergebnisse 120 zur Antriebseffizienz existierender Antriebssysteme und eines Antriebssystems mit dem Schubgenerator 70 aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens. Die Abszissenachse 122 steht für die in Knoten gemessene Flugzeuggeschwindigkeit, und die Ordinatenachse 124 steht für die Antriebseffizienz. Bei dieser Ausführungsform stellen die Profile 126 und 128 die Antriebseffizienz existierender, auf Turbobläser- und Turboprop-Systemen basierender Antriebssysteme dar. Die Profile 130 und 132 stellen die Antriebseffizienz von Antriebssystemen mit Schubgeneratoren 70 mit Druckverhältnissen von circa 20 psig (2,39 bar) und 35 psig (3,42 bar) dar. Wie man sieht, ist die Antriebseffizienz von Antriebssystemen mit Schubgeneratoren 70 wesentlich größer als die Antriebseffizienz existierender Antriebssysteme auf der Basis von Turbobläser- und Turboprop-Systemen. Außerdem ist die Antriebseffizienz des Antriebssystems mit dem Schubgenerator 70 mit einem Druckverhältnis von 20 psig relativ größer als die des Antriebssystems mit dem Schubgenerator 70 mit einem Druckverhältnis von 35 psig. Wie Fachleute erkennen werden, kann eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise die Geometrie des Coanda-Profils, Druckverhältnisse, Abgasdruck und so weiter angepasst werden, um eine gewünschte Antriebseffizienz zu erzielen. Die gewählten Parameter würden ferner auch die Architektur und Konfiguration (Layout) des Gasgenerators bestimmen, der als Turbobläser-Triebwerk mit einem niedrigen Nebenstromverhältnis und hohen Druckverhältnis ausgelegt werden kann, um zu ermöglichen, dass der Abgasstromdruckparameter von den Austrittsbedingungen des Kern-Gasturbinenkreisprozesses freigemacht wird.
11 ist eine grafische Darstellung beispielhafter Untersuchungsergebnisse 140 zum Schub, der durch existierende Antriebssysteme auf der Basis von Turbobläser-Systemen und einem Antriebssystem mit dem Schubgenerator 70 aus 5 nach Gesichtspunkten des vorliegenden Verfahrens erzeugt wird. Die Abszissenachse 142 steht für die Durchflussmenge in Pfund/Sek. (lbm/sec), und die Ordinatenachse 144 steht für den Gesamtschub in Pfund (lbs). Bei dieser Ausführungsform stellen die Profile 146 und 148 Schübe existierender Antriebssysteme auf der Basis von Turbobläser-Systemen mit Nebenstromverhältnissen von circa 9 bei einem Bläserdruckverhältnis von 1,5 und einem Nebenstromverhältnis von circa 5 bei einem Bläserdruckverhältnis von 1,8 dar. Die Profile 150 und 152 stellen Schub dar, der von Antriebssystemen erzeugt wurde, deren Schubgeneratoren 70 mit Mitnahmeraten von circa 6 und circa 9 arbeiten. Wie man sieht, sind die Antriebssysteme mit den Schubgeneratoren in der Lage, Schübe zum Antreiben des Antriebssystems zu erzeugen, und in Abhängigkeit von der Konstruktion und der Anzahl der Schubgeneratoren kann der erzeugte Schub dem von existierenden Antriebssystemen auf der Basis von Turbobläser-Systemen vergleichbar sein. Eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise die Mitnahmerate der Luft, können optimiert werden, um die für derartige Systeme gewünschte Effizienz zu erzielen.
Der oben beschriebene Schubgenerator 70 nutzt die Kombination aus einem Arbeitsfluid und Umgebungsluft, um Schub zum Antreiben des Antriebssystems zu erzeugen, und verbessert dadurch die Effizienz und den spezifischen Brennstoffverbrauch eines derartigen Systems. Bei bestimmten Ausführungsformen ermöglicht der Schubgenerator 70 „Short Take-Off and Landing” (STOL) und „Vertical Take-Off and Landung" (VTOL) des Flugzeugs 10 (siehe 1). 12 stellt ein beispielhaftes Flugzeug 160 mit an den Enden der Flügel 18 des Flugzeugs 160 angeordneten Schubgeneratoren 162 dar. In dieser beispielhaften Ausführungsform ermöglicht der Hochgeschwindigkeitsstrahl 82 aus den Schubgeneratoren 162 dem Flugzeug 160 das Abheben bei einem VTOL-Betriebszustand. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Ausrichtung der Schubgeneratoren 162 während des Fluges durch Bedienelemente geändert werden, um durch die Drehung der Schubgeneratoren 162 die Start- oder Landeentfernungen zu verkürzen. Da der Schubgenerator 162 vorteilhafterweise über mehrere Freiheitsgrade verfügt, kann der Schubgenerator 162 dafür eingesetzt werden, ein Verhalten des Flugzeugs 10 im Flug oder beim Schweben des Flugzeugs 10 anzupassen.
Die verschiedenen Gesichtspunkte des oben beschriebenen Verfahrens haben den Nutzen, dass sie die Effizienz verschiedener Antriebssysteme, wie beispielsweise Flugzeuge, Unterwasserantriebssysteme sowie Raketen und Raketengeschosse verbessern. Das oben beschriebene Verfahren verwendet einen Schubgenerator, der in existierende Antriebssysteme integriert werden kann, und nutzt ein Antriebsfluid, wie beispielsweise Abgase eines Gasgenerators, zum Mitziehen eines sekundären Fluidstroms, um einen Hochgeschwindigkeits-Luftstrom zu erzeugen. Der Schubgenerator nutzt insbesondere den Coanda-Effekt, um den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom zu erzeugen, der dann zur Schuberzeugung genutzt werden kann, wodurch die Effizienz derartiger Systeme verbessert wird. Vorteilhafterweise eliminiert die Schuberzeugung durch derartige Schubgeneratoren den Bedarf an beweglichen Teilen, wie beispielsweise Bläser bei Antriebssystemen auf der Basis von Turbobläser-Systemen, was die Betriebskosten solcher Systeme wesentlich reduziert. Die Schubgeneratoren ermöglichen ferner den Betrieb im gedrosselten Zustand an mehr als einer Position und verbessern dadurch die Effizienz solcher Systeme, insbesondere bei Betriebszuständen wie „Short Take-Off and Landing" (STOL) und „Vertical Take-Off and Landing" (VTOL).
Während hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, werden Fachleuten viele Abwandlungen und Änderungen einfallen. Daher ist zu beachten, dass beabsichtigt ist, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken, die dem wahren Geist der Erfindung entsprechen.
Es wird ein Schubgenerator 12 zur Verfügung gestellt. Der Schubgenerator 12 umfasst einen Lufteinlass 78, der dafür ausgelegt ist, Luft 80 in den Schubgenerator 12 einzuführen, sowie ein Plenum 72, das dafür ausgelegt ist, Abgas 64 aus einem Gasgenerator 30 aufzunehmen und das Abgas 64 über ein Coanda-Profil 74 zur Verfügung zu stellen, wobei das Coanda-Profil 74 dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases 64 an dem Profil 74 zu ermöglichen, um eine Grenzschicht 106 zu bilden und einströmende Luft 80 aus dem Lufteinlass 78 mitzuziehen, um Schub zu erzeugen.

10: Flugzeug
12: Schubgenerator
14: Flugzeugzelle
16: Gasgenerator
18: Flügel
30: Gasgenerator
32: Verdichter
34: Brennkammer
36: Turbine
38: Welle
40: Schubdüse
50: Abgasstrom
52: Abgase aus der Brennkammer
54: Abgasstrom zum Schubgenerator
56: Abgasstrom zum Schubgenerator
60: Befestigungsmechanismus
62: Strebe
64: Abgas
70: Schubgenerator
72: Plenum
74: Coanda-Profil
76: Gasstrom über Coanda-Profil
78: Lufteinlass
80: Luftstrom
82: Hochgeschwindigkeitsstrom
84: „Mitziehbereich" (entrainment section)
86: Schuberzeugungsbereich
88: Schub
92: Schlitze
94: Kurvatur
96: Kehle
100: Strömungsprofile
102: Abgase
104: Coanda-Profil
106: Grenzschicht
108: einströmende Luft
110: Scherschicht
112: Hochgeschwindigkeitsstrom
120: Untersuchungsergebnisse zur Antriebseffizienz
122: Flugzeuggeschwindigkeit
124: Antriebseffizienz
126–128: Antriebseffizienz existierender Antriebssysteme
130–132: Antriebseffizienz von Antriebssystemen mit Schubgenerator
140: Untersuchungsergebnisse zum Schub
142: Kern-Strömungsgeschwindigkeit
144: Schub
146–148: Schub bei existierenden Antriebssystemen
150–152: Schub bei Antriebssystemen mit Schubgenerator

Claims

Schubgenerator (12), umfassend: einen Lufteinlass (78), der dafür ausgelegt ist, Luft (80) in den Schubgenerator (12) einzuführen; ein Plenum (72), das dafür konfiguriert ist, Abgas (64) aus einem Gasgenerator (30) aufzunehmen und das Abgas (64) über ein Coanda-Profil (74) zur Verfügung zu stellen, wobei das Coanda-Profil (74) dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases (64) an dem Profil (74) zu ermöglichen, um eine Grenzschicht (106) zu bilden und aus dem Lufteinlass (78) einströmende Luft (80) mitzuziehen, um Schub zu erzeugen.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 1, wobei der Gasgenerator (30) ein Flugzeugtriebwerk umfasst und der erzeugte Schub für den Antrieb eines Flugzeugs (10) genutzt wird.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 2, wobei der Schubgenerator (12) in einem gedrosselten Zustand betrieben wird, um die Effizienz des Schubgenerators (12) zu verbessern.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 2, ferner eine Druckerhöhungsvorrichtung umfassend, der dafür ausgelegt ist, den Druck des Abgases (64) in dem Plenum (72) zu erhöhen.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 1, wobei das Coanda-Profil (74) ein logarithmisches Profil umfasst.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 1, wobei die Menge der einströmenden Luft (80) mittels Mitziehen der Luft durch den Lufteinlass (78) vergrößert wird, und wobei die Luft schnell mit der Grenzschicht (106) vermischt wird, um die Dicke der Grenzschicht in einem konvergierenden Bereich des Schubgenerators (12) zu vergrößern, während der Impuls- und Energietransfer der Grenzschicht (106) über Scherschichten (110) sowie einen radialen Druckgradienten auf die einströmende Luft (80) ermöglicht wird, um einen Luftstrom hoher Geschwindigkeit in einem stromab liegenden Bereich des Schubgenerators (12) zu erzeugen.
Schubgenerator (12) nach Anspruch 6, wobei der stromab liegende Bereich des Schubgenerators (12) den Schub aus einer Impulsdifferenz zwischen den Einlass- und Ablassflüssen des Luftstroms erzeugt.
Flugzeug (10), umfassend: eine Flugzeugzelle (14); einen Gasgenerator (30), der mit der Flugzeugzelle (14) verbunden und dafür ausgelegt ist, Abgas (64) zu erzeugen, und eine Vielzahl von Schubgeneratoren (12), die mit der Flugzeugzelle (14) verbunden und dafür ausgelegt sind, das Abgas (64) aus dem Gasgenerator (30) aufzunehmen und Schub zum Antreiben des Flugzeugs (10) zu erzeugen, wobei jeder aus der Vielzahl von Schubgeneratoren (12) zumindest eine Oberfläche mit einem Coanda-Profil (74) umfasst, das dafür ausgelegt ist, die Haftung des Abgases (64) an dem Profil (74) zu ermöglichen, um eine Grenzschicht (106) zu bilden und die aus einem Lufteinlass (78) einströmende Luft (80) mitzuziehen, um einen Luftstrom mit großer Durchflussmenge und hoher Geschwindigkeit zu erzeugen.
Verfahren zur Schuberzeugung, umfassend: Einführung von Abgasen aus einem Gasgenerator über ein Coanda-Profil eines Schubgenerators, um eine Grenzschicht zu bilden, und Mitziehen von Luft durch die Grenzschicht, um aus einer Impulsdifferenz zwischen den Einlass- und Ablassflüssen des Luftstroms Schub zu erzeugen.
Verfahren zur Verbesserung der Antriebseffizienz eines Flugzeugs, umfassend: Verbindung zumindest eines Schubgenerators mit einem Gasgenerator des Flugzeugs, wobei der zumindest eine Schubgenerator dafür ausgelegt ist, durch Umleitung des Abgases aus dem Gasgenerator über ein Coanda-Profil – um eine Grenzschicht zu bilden und anschließend einströmende Luft durch die Grenzschicht mitzuziehen – Schub zu erzeugen.