DE102008044856A1

DE102008044856A1 - Anordnung eines Turbo-Schubgebläses und Verfahren zum Antrieb von Luftfahrzeugen

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Publication number: DE102008044856A1
Application number: DE200810044856
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anordnung eines Turbo-Schubgebläses in der Funktion eines "kalten" Luftstrahltriebwerkes zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits-Luftstromes, gekennzeichnet dadurch, dass nach dem Prinzip eines Doppelflügel-Wälzkolbengebläses zwei Rotationszylinder achsenparallel drehbar gelagert sind und sich tangierend an ihren Mantelflächen berühren. Durch die Abwälzung wird eine Dichtwirkung erzielt. Dabei werden zwei Arbeitszylinder angeordnet, die mittels einer Antriebseinheit in Rotation versetzt und synchron geschaltet werden. Die Mantelflächen der Rotationszylinder berühren sich tangential virtuell und bilden dadurch Arbeitsräume für gasdynamische Prozesse. Dies wird erfindungsgemäß durch die Anordnung von speziellen Impulsflügeln an jedem Rotationszylinder sowie synchron und dichtend angeordneten Zylinderschächten auf dem jeweils benachbarten Rotationszylinder realisiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, vermittels dessen infolge der Förderung großer Luftmengen durch vorgenannte Arbeitsräume infolge der Luftmassen und der Wirkung des Impulssatzes ein Schub zum Vortrieb von Luftfahrzeugen, vorrangig von Flächenflugzeugen, erzielt wird. Dazu wird die Luft mit Umgebungstemperatur eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung eines Turbo-Schubgebläses in der Funktion eines „kalten” Luftstrahltriebwerkes zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits-Luftstromes, gekennzeichnet dadurch, daß nach dem Prinzip eines Doppelflügel-Wälzkolbengebläses zwei Rotationszylinder achsenparallel drehbar gelagert sind und sich tangierend an ihren Mantelflächen berühren. Durch die Abwälzung wird eine Dichtwirkung erzielt. Dabei werden zwei Arbeitszylinder angeordnet, die mittels einer Antriebseinheit in Rotation versetzt und synchron geschaltet werden. Die Mantelflächen der Rotationszylinder berühren sich tangential virtuell und bilden dadurch Arbeitsräume für gasdynamische Prozesse. Dies wird erfindungsgemäß durch die Anordnung von speziellen Impulsflügeln an jedem Rotationszylinder sowie synchron und dichtend angeordneten Zylinderschächten auf dem jeweils benachbarten Rotationszylinder realisiert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, vermittels dessen infolge der Förderung großer Luftmengen durch vorgenannte Arbeitsräume infolge der Luftmassen und der Wirkung des Impulssatzes ein Schub zum Vortrieb von Luftfahrzeugen, vorrangig von Flächenflugzeugen, erzielt wird.
Für den Vortrieb von Luftfahrzeugen werden allgemein zwei Arten von Antrieben verwendet. Dies wird entweder durch das Prinzip der Luftschraube mit Motorantrieb (z. B. Teledyn Continental TSIOL-550 der Grob Strato) oder das Prinzip des Düsenantriebes vermittels Strahltriebwerk mit oder ohne Turbofan (z. B. CFM 56-5-A1 des Airbus A 320 oder EJ 200 des Eurofighter) bzw. auch als Kombination von beiden Prinzipien, dem Turbogrob-Antrieb (z. B. Allison AE2100 D3 der C-130 Hercules), realisiert.
Die Luftschraube begrenzt die Fluggeschwindigkeit deutlich unterhalb der Schallgrenze. Auch stellen Flugmotoren nach dem Prinzip des Hubkolbenmotors mit einer Vielzahl von oszillierenden Teilen hohe Anforderungen an das Antriebssystem und bergen immanent die Gefahr einer Störung in sich. So werden für größere Flugzeuge fast ausschließlich Propellerturbinen für den Antrieb von Luftschrauben eingesetzt.
Strahltriebwerke hingegen sind empfindlich gegen äußere Einwirkungen (Vogelschlag, Hagel) und neigen sowohl zu Triebwerksbränden als auch zum Verlöschen (Pumpen), was umfangreiche Sicherheits- und Stabilisierungseinrichtungen bedingt. Insbesondere jedoch erfordern sie einen deutlich höheren Treibstoffverbrauch. Der Verbrauch bei Strahltriebwerken liegt im Allgemeinen deutlich über 200 g/kWh, wohingegen Hubkolbenmotoren weniger als die Hälfte benötigen. Auch bedürfen Strahltriebwerke einer außerordentlichen Präzision in der Fertigung und zeichnen sich nicht durch hohe Laufleistungen, wie etwa ein Dieselmotor, aus.
Der Vollständigkeit halber seien noch Rotationskolbenmotoren für den möglichen Antrieb von Luftschrauben genannt (z. B. Wankelmotor/Renesis). Diese haben sich jedoch im Flugzeugbau infolge konzeptioneller Nachteile nicht durchgesetzt.
Bemerkenswert am Einsatz konventioneller Luftfahrtantriebe ist, daß sowohl das Propellertriebwerk incl. Turboprop als auch das Strahltriebwerk incl. Turbofan keine definierten bzw. „portionierten” Gasmengen weder hinsichtlich der Menge noch des Druckes bewegen. Eine physikalisch definierte Optimierung der Gaszustände ist damit nur empirisch möglich. Der Propeller erzeugt den Impuls durch einen schwer zu erfassenden offenen Luftstrom. Das Düsentriebwerk erzeugt zwar einen geschlossenen Gasstrom, ist jedoch hinsichtlich seiner Auslegung auf einen engen Einsatzbereich festgelegt und erfordert für seine zuverlässige Funktion die Einhaltung strenger Randbedingungen.
Für die Förderung von Luft sind darüber hinaus vielfältige Verdichteranlagen und Kompressoren eingesetzt. Bekannt sind Kolbenverdichter nach dem Prinzip des Hubkolbens ( DE 19840354 ), jedoch auch mit rotierenden Verdichtereinheiten, z. B. Schraubenkompressoren (Kaeser der Serie SX-HS mit Sigma-Profil) oder Taumelscheiben ( DE 10052895 ) und Zellrädern DE 10354718 oder Roots-Verdichter ( DE 3726648 ). Weiterhin sind Turboverdichter im Einsatz, vorzugsweise um Ladeluft für Turbinen bereitzustellen. Dem Wirkprinzip des erfindungsgemäß vorgestellten Verdichtungskonzeptes kommt das Wälzkolbengebläse (z. B. Kaeser der Serie Omega oder EP 0603698 ) am nächsten. Dieses Konzept stellt zwar beachtliche Fördermengen mit vergleichsweise geringem Druck zur Verfügung, da infolge geringvolumiger Arbeitsräume hohe Verdichterleistung nicht avisiert und technisch schwer zu realisieren ist (z. B. FB620 bei 2970 U/min mit 55 m³/min bei 55 kW Antriebsleistung und 400 mbar Druck). Für die Erzeugung eines kalten Luftstromes zur Bildung von Vortrieb in Flugzeugen sind diese Anlagen jedoch nicht ausgelegt und nach diesem Prinzip auch nicht realisierbar. Insbesondere ein hohes spezifisches Gewicht (hier 1.300 kg) bei relativ geringer Fördermenge stehen einer Verwendung in der Luftfahrt entgegen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Luftstrahltriebwerk zu konzipieren, welches zum einen grundsätzlich auf die oszillierenden Bauteile eines Hubkolbenmotors verzichtet und auch das Wirkprinzip der „heißen” Strahltriebwerke vermeidet. Dazu sind große Fördermengen bei geringen Verdichterleistungen erforderlich.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei rotierende, vorzugsweise baugleiche Zylinder nach dem Prinzip eines Wälzkolbengebläses in einem Verdichtergehäuse tangential zueinander angeordnet werden, wobei deren Achsen parallel verlaufen und im Verdichtergehäuse axial gelagert sind. Die Zylinder wälzen sich dabei auf ihren Mantelflächen ab und sind jeweils über ein Getriebesystem, vorzugsweise als Zahnradgetriebe, miteinander gekoppelt und synchronisiert. Der Arbeitsraum wird aus einer rotierenden Ringkammer gebildet, welche begrenzt wird durch die Innenwandung des Verdichtergehäuses, die Mantelfläche des rotierenden Arbeitszylinders A, die Mantelfläche des rotierenden Nachbarzylinders B und vorzugsweise zwei auf jedem Zylinder angeordnete spezielle Impulsflügel, welche wiederum in adäquate Zylinderschächte des jeweils benachbarten Rotationszylinders dichtend eintauchen.
Die beiden Mantelflächen berühren sich tangential virtuell und dichten sich durch Abwälzung gegenseitig ab.
Die Anordnung der Impulsflügel ermöglicht die Förderung großer Luftmengen und gestattet durch variable Geometrie dieser Flügel, das Gebläse den unterschiedlichen Leistungsparametern anzupassen. Die Rotationszylinder sowie das Gebläsegehäuse sind vorzugsweise in Leichtbauweise konzipiert, also zum einen weitgehend durch Hohlkörper dargestellt und zum anderen durch Leichtbaumaterialien realisiert (Aluminium, Verbundbaustoffe, bewehrtes Carbon).
Gegenüber herkömmlichen Gebläseeinheiten zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung dadurch aus, daß infolge großvolumiger Ausbildung große Arbeitsräume geschaffen werden können.
Die Abdichtung der einzelnen rotierenden Bauteile gegeneinender soll vorzugsweise durch entsprechende Paßgenauigkeit erfolgen.
Der Antrieb des Turbo-Schubgebläses erfolgt vermittels eines leichtbauenden und kompakten Wälzkolbenmotors (WKM) gem. Pat.-Anm. 10 2007 056 621.4 sowie Zusatzanmeldungen vorzugsweise über direkte Wellenkopplung. Dadurch sind hohe Umdrehungs- und damit Förderleistungen realisierbar. So wird z. B. durch einen WKM Quattro von 3.500 kW bei 6000 U/min mit einer Gebläseeinheit von 4 × 50 × 50 cm Flügelfläche eine Luftmenge von ca. 8.500 m/³ pro min bei +20 grd gefördert und damit ein Schub von ca. 47 kN erwartet. Die Abstromgeschwindigkeit erreicht dabei durchaus den Bereich des Überschalls. Infolge des Impulssatzes wird die Geschwindigkeit in der zweiten Potenz wirksam, was bei Steigerung der Drehzahl den Schub überproportional im entsprechenden Verhältnis erhöht (so für vorgenanntes Beispiel bei 8.000 U/min mit 85 kN Schub).
Die Steigerung der Umdrehungszahl ist lediglich konstruktions- und materialabhängig, da der WKM mühelos 20.000 U/min erreicht.
Zum Aufbau zusätzlichen Förderdruckes und damit zur Unterstützung definierter Schubvorgänge oder zur Nachbeschleunigung ist die Nachschaltung von Aggregaten zur Pulsation möglich, z. B. Taumelscheiben, Zellräder oder Wälzkolbenverdichter gem. Pat.-Anm. 10 2007 057 813.1. Die Steigerung der Schubkraft kann weiterhin für den Startvorgang durch praxisübliche Verfahren kurzfristig erhöht werden, z. B. Einspritzen von Wasser bzw. eines Wassergemisches in den kalten Luftstrom oder auch Schaltung eines Nachbrenners.
Da kalte Gase, also Luft bei Umgebungstemperatur, gegenüber heißen Gasen, also Verbrennungsgasen, ein wesentlich höheres spezifisches Gewicht aufweisen, erhöht sich der Wirkungsgrad von „kalten” Luftstrahltriebwerken ganz erheblich. Dies bedeutet, daß zur Förderung einer äquivalenten schubwirksamen Gasmenge eine deutlich höhere Menge an Heißgas gegenüber Kaltgas gefahren werden muß.
Im Flugbetrieb wird eine Erhöhung des Luftdurchsatzes durch die übliche Nutzung des Anstrom-Impulses wirksam.
Durch die flache Bauweise sowohl von Gebläse als auch von Antriebsmotor ist eine Anordnung des Turbo-Schubgebläses direkt in den Flügels des Flugzeuges möglich.
Durch das Konzept des kalten Luftstromes und der Ableitung des Strahlstromes über die Flügeloberseite kann nach dem Prinzip des Coanda-Effektes der Auftrieb deutlich erhöht werden, wobei keinerlei Risiken hinsichtlich der Hitzeeinwirkung auf Materialien der Leichtbauweise sowie der Flügeltanks zu befürchten sind. Damit werden die Kurzstart- und Landeeigenschaften wesentlich verbessert.
Inwieweit die Anordnung von nachgeordneten Sekundärflügeln und deren Anströmung weitere Effektsteigerungen bringen, ist gesonderten Untersuchungen vorbehalten. Insbesondere kann dies interessant werden zur Nutzung von Senkrechtstart- und Schubumkehreffekten.
Die Lufteinläufe der Gebläse sind mittels horizontal angeordneter Flügellamellen insbesondere gegen Vogelschlag zu schützen, wobei die Lamellenöffnung bzw. -anstellung über ein Radarwarnsystem gesteuert werden kann und gegebenenfalls die Funktion von Vorflügeln übernehmen können.
Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des Turbo-Schubgebläses im Radialschnitt, jedoch ohne Darstellung der Antriebseinheit.
Das Turbo-Schubgebläse besteht vorzugsweise aus zwei baugleichen und parallel angeordneten Rotationszylindern (1). Beide bilden gemeinsam rotierende Arbeitskammern (2). Die Förderung wird durch auf den Rotationszylindern angeordnete Impulsflügel (3) realisiert. Adäquate Zylinderschächte (4) in den Rotationszylindern gewährleisten eine dichtende, jedoch gleichzeitig berührungsarme Lade- und Transportfunktion für den Luftstrom. Dabei durchdringen die Impulsflügel die virtuellen Zylinderwände. Zur Schaffung eines pulsierenden Abstromes kann durch nachgeschaltete Pulsatoren (5) ein erhöhter Druck aufgebaut werden.
Große Einfachheit der Fertigung, geringer Instandhaltungsbedarf hohe Betriebssicherheit, relativ geringer Platzbedarf und geringes Gewicht sind die charakteristischen Merkmale dieses erfindungsgemäß beschriebenen Turbo-Schubgebläses.
Sie werden dazu führen, daß der hohe Treibstoffverbrauch im Luftverkehr mit immensem Schadstoffausstoß weltweit stark reduziert werden kann. Es kann eine Absenkung des spezifischen Verbrauches deutlich unter die Hälfte der von Strahltriebwerken herkömmlicher Bauart erforderlichen Treibstoffmenge erwartet werden. Damit einher geht eine äquivalente Senkung des Schadstoffausstoßes.
Explizit soll auf die hohe Funktionssicherheit der erfindungsgemäßen Anordnung hingewiesen werden, die mit Zuverlässigkeit Triebwerksbrände ausschließt und eine hohe Arbeitssicherheit auch im Schwachlastbereich garantiert.
Interessant für die militärische Nutzung ist die starke Reduzierung der Wärmesignatur von Strahltriebwerken.

1: Rotationszylinder
2: Arbeitskammer
3: Impulsflügel
4: Zylinderschacht
5: Ansaugkanal
6: Abstromkanal
7: Pulsator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19840354 [0008]
- DE 10052895 [0008]
- DE 10354718 [0008]
- DE 3726648 [0008]
- EP 0603698 [0008]

Claims

Anordnung eines Turbo-Schubgebläses zur Erzeugung von Schub aus Beschleunigung von Luft mit Umgebungstemperatur, gekennzeichnet dadurch, daß zwei axial gelagerte Rotationszylinder tangential zueinander angeordnet sind und sich deren Mantelflächen gegenseitig abwälzen.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf den Rotationszylindern jeweils mindestens 2 Impulsflügel angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden Rotationszylinder in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse laufen.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich die beiden Rotationszylinder über ihre Mantelflächen infolge Abwälzung gegenseitig abdichten.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß peripher in den Mantelflächen der Rotationszylinder adäquate Zylinderschächte angeordnet sind, welche während der Rotation partiell die Impulsflügel aufnehmen.
Anordnung nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Impulsflügel und die Zylinderschächte ein gasdichtes Rotationssystem miteinander bilden.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Rotationszylinder über ein Synchronisationsgetriebe miteinander in entgegengesetztem Drehsinn bei gleicher Drehgeschwindigkeit synchron laufen.
Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Synchronisationsgetriebe vorzugsweise durch ein Zahnradgetriebe realisiert wird.
Anordnung nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Rotationszylinder durch einen separaten Antrieb außerhalb des Arbeitsraumes in Rotation versetzt werden.
Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Antrieb vorzugsweise durch einen Wälzkolbenmotor (WKM) nach Pat.-Anm. 10 2007 056 621.4 dargestellt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ringförmig rotierende Arbeitsräume gebildet werden aus den Mantelflächen der Rotationszylinder, der innerer Wandung des Verdichtergehäuses und den Impulsflügeln, wobei die Arbeitsräume durch den Luftstrahl gefüllt werden und als Beschleunigungsräume fungieren.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in das Schubgebläse Zustromkanäle und Abstromkanäle zur Führung des Luftstrahles einmünden.
Anordnung nach Anspruch 1 und 12, gekennzeichnet dadurch, daß im Abstromkanal Pulsatoren angeordnet sein können, welche eine Erhöhung der Schubwirkung durch spezifische Einwirkungen auf den Luftstrom bewirken.
Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß vor den Lufteinlauf horizontale Schutzlamellen angeordnet werden, welche die Gefahr eines Vogelschlages oder das Eindringen anderer Gegenstände verhindern sollen.
Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzlamellen über ein Gerät zur Abstandsmessung gesteuert werden können und entsprechend den Erfordernissen die Durchlässigkeit verändern oder als Abweiser dienen können.
Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzlamellen in das System der Vorflügel integriert werden können.
Anordnung von Sekundärflügeln hinter den Hauptflügeln eines Flächenflugzeuges, gekennzeichnet dadurch, daß diese Sekundärflügel vorzugsweise eine Erhöhung des Auftriebes bewirken sollen.
Anordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet dadurch, daß die Sekundärflügel schwenkbar um die Flugzeugquerachse gelagert sein können.
Verfahren zur Erzeugung eines Vortriebsschubes aus einem Luftstrahl mit Umgebungstemperatur, gekennzeichnet dadurch, daß in dem nach Anspruch 11 gebildeten Arbeitsraum die angesaugte Luft auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt ein damit ein hoher Massedurchsatz an Vortriebsluft bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 19, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschleunigungsleistung durch die Impulsflügel innerhalb der definierten Arbeitsräume erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 und 19, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstrom aus Gebläseleistung über die Flügeloberseite der Primärflügel (Hauptflügel) des Flugzeuges geleitet werden kann und damit nach dem Prinzip des Coanda-Effektes einen erhöhten Auftrieb erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 und 19, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstrom aus Gebläseleistung über die Flügeloberseite der Sekundärflügel geleitet werden kann und damit nach dem Prinzip des Coanda-Effektes ein erhöhter Auftrieb erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, daß die Anströmung der Sekundärflügel die Funktion zur Umkehr des Schubstrahles oder eines direkten schubgestützten Auftriebes übernehmen können.
Verfahren nach Anspruch 17 und 19, gekennzeichnet dadurch, daß die Anströmung der Sekundärflügel für Flug- und Lageregelungen des Flugzeuges genutzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzlamellen aktiv für Flug- und Lageregelungen des Flugzeuges genutzt werden können.
Verfahren nach Anspruch 12 und 13, gekennzeichnet dadurch, daß in den Abstromkanal masseerhöhende Medien, z. B. Wasser, eingegeben werden können, um damit den Schub kurzzeitig zu steigern.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß in den Abstromkanal ein Luft-Treibstoffgemisch eingegeben werden kann, um nach dem Prinzip eines Nachbrenners den Schub kurzzeitig zu steigern.