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Einrichtung zum Ablenken einer aus einem Kanal austretenden Strömung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ablenken einer aus einem Kanal
austretenden Strömung durch Ausblasen eines Strahles im Winkel zur Strömungsrichtung,
insbesondere für Flugzeuge.
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Eine bekannte Möglichkeit, einen vertikalen Auftrieb zu erzielen,
besteht bei Flugzeugen mit vertikalem Start und vertikaler Landung und bei Flugzeugen
mit Kurzstart und Kurzlandung darin, daß große Mengen von Niederdruckluft bewegt
werden. Es wurden verschiedene Anordnungen, die sich als erfolgreich erwiesen haben,
ausprobiert. So wurden beispielsweise große, in den Tragflächen oder im Flugzeugrumpf
montierte, vertikal ausgerichtete Gebläse oder horizontal ausgerichtete, in den
Flugzeugrumpf montierte Gebläse in Verbindung mit Hilfsflügeln verwendet, um große
Mengen von Niederdruckluft nach unten zu richten und einen Aufwärtsschub auf das
Flugzeug auszuüben. Eine zweite Möglichkeit ist die Verwendung der gleichen Triebwerksanlage
sowohl für den vertikalen als auch für den horizontalen Flug. Eine solche Anordnung
setzt voraus, daß der Gasgenerator, welcher gewöhnlich ein Strahltriebwerk zur Lieferung
kleinerer Mengen von Hochdruckluft ist, seine Ausstoßgase abhängig von der Bewegungsrichtung
nach hinten oder nach unten richtet. Ein übliches Mittel, um dies zu erzielen, besteht
darin, das gesamte Triebwerk zu kippen oder eine Ablenkvorrichtung vorzusehen, welche
beispielsweise aus einer Kaskade von Leitgliedern in der Form von gewölbten Flügeln
besteht, welche die Treibgase abfangen und während des vertikalen Auftriebs nach
unten richten. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von umlenkenden Absperrorganen,
welche die Treibgase abhängig von ihrer Stellung zur Erzielung eines horizontalen
Schubes nach hinten und zur Erzielung eines vertikalen Schubes nach unten austreten
lassen.
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Bei einigen Anlagen ist es erforderlich, getrennte Energiequellen
für den horizontalen und den vertikalen Flug zu verwenden, da die Bedingungen beträchtlich
unterschiedlich sind und die Triebwerkleistungsfähigkeit für einen Flugzustand für
den anderen Flugzustand nicht notwendig zufriedenstellend ist. So erfordert die
Verwendung einer einzigen Triebwerksanlage zur Schaffung sowohl des horizontalen
als auch des vertikalen Schubes eine Kompromißlösung insofern, als die mittels Leitglieder
oder umlenkenden Absperrorganen bewirkte Umlenkung oder Ablenkung der großen Gasmengen
in eine vertikale Richtung mit Verlusten der Leistungsfähigkeit verbunden ist, wenn
der Ablenkwinkel groß wird.
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Bei den bekannten Einrichtungen der eingangs genannten Art wird der
Strahl auf derjenigen Seite in die Strömung hinein ausgestoßen, die der Seite entgegengesetzt
ist, gegen welche der Strahl abgelenkt werden soll.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahl am Ende des Kanals auf derjenigen Seite der Strömung und in diejenige
Richtung ausgeblasen wird, nach der die Strömung abgelenkt werden soll.
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Gegenüber den bekannten Einrichtungen hat die erfindungsgemäße Einrichtung
den Vorteil, daß die von dem Unterdruck an der unteren Fläche des Kanals herrührenden
Auftriebskräfte wesentlich größer sein können als die Auftriebskräfte, die sich
aus einem Überdruck ergeben, der durch einen ablenkenden Strahl in der oberen Fläche
des Kanals erzeugt wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können am Ende des Kanals
auf der Seite gegenüber dem ausgeblasenen Strahl Klappen zur Unterstützung der Ablenkung
der Strömung vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann ferner mit Absperrorganen zum
Regeln des ablenkenden Strahls ausgestattet sein.
Die erfindungsgemäße
Einrichtung zeichnet sich durch eine geringe Zahl mechanischer Bauteile, niedrige
Verluste, eine hohe Ablenkkapazität und verstärkte Auftriebskräfte aus.
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Beispielsweise Ausführungen der Erfindung zeigt die Zeichnung, und
zwar ist Fig. 1 eine die Erfindung darstellende schaubildartige Querschnittsansicht
durch einen Körper, welcher ein Flugzeugrumpf sein kann, Fig. 2 ein Diagramm, welches
die Arbeitskennlinien von Gebläsen und Propellern zeigt, Fig. 3 eine der Fig. 1
ähnliche Ansicht, in welcher der Körper als Tragflügel eines Flugzeuges angesehen
werden kann, Fig.4 eine Querschnittsteilansicht einer Abwandlung der Ausführung
nach Fig. 3 und Fig. 5 eine teilweise Draufsichtansicht entlang der Linie 5-5 der
Fig. 3.
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Es sei bemerkt, daß die hier beschriebene Vorrichtung zum Ablenken
der Strömung auch auf anderen Gebieten verwendet werden kann als in Verbindung mit
den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen angegeben und daß sie überall
dort von Nutzen ist, wo Mengen eines strömungsfähigen Mediums wirksam, über große
Winkel abgelenkt werden sollen. Die Erfindung ist jedoch insbesondere auf dem Gebiet
des Vertikal- oder Kurzstarts und der Vertikal- oder Kurzlandung anwendbar, so daß
sie im Zusammenhang mit diesem besonderen Gebiet beschrieben wird.
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In. Fig. 1 ist ein stromlinienförmiger Körper 10 gezeigt, welcher
als Rumpf eines Flugzeuges angesehen werden kann, jedoch auch andere Anwendungen
haben kann. Als Flugzeugrumpf ist der Körper dafür bestimmt, sich durch die umgebende
Luft in normaler Weise in einer im wesentlichen horizontalen Richtung zu bewegen.
Zu diesem Zweck ist ein im allgemeinen längsgerichteter, durch den Körper hindurchgehender
Kanal 11 vorgesehen, da sich der Körper durch Strahlrückstoß bewegen soll. Dieser
Rückstoß wird durch , eine durch den Kanal 11 hindurchgehende Luftströmung
bewirkt, wobei die Luft an dem vorzugsweise nach vorn gerichteten; jedoch nicht
auf diese Vorwärtsrichtung begrenzten Einlaß 12 angesaugt und in einer im
wesentlichen horizontalen Richtung durch eine Düse 13 ausgestoßen wird, welche
vorzugsweise an der unteren hinteren Fläche des Körpers 10 angeordnet ist. Zur Schaffung
der Luftströmung durch den Kanal 11 ist eine geeignete Vorrichtung, beispielsweise
ein Gebläse 14, in dem Kanal vorgesehen, welche durch eine Energiequelle,
beispielsweise ein Gasturbinentriebwerk 15, angetrieben wird. Das Gebläse
14 bewegt große Mengen von Niederdruckluft durch den Kanal 11, welche in
einer im wesentlichen horizontalen Richtung durch die Düse 13 mit niedrigem Druckverhältnis
ausgestoßen wird.
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Es ist ersichtlich, daß eine auf den Körper 10 einwirkende vertikale
Kraft erzielbar ist, wenn das aus der Düse 13 ausgestoßene Medium wirksam
in eine vertikale Richtung abgelenkt werden kann. Wie bereits erwähnt, wurden für
diesen Zweck bisher Kaskaden von Schaufeln vorgesehen. Es ist jedoch erwünscht,
die Verwendung von mechanischen Bauteilen wegen deren Leistungsunfähigkeit bei großen
Ablenkwinkeln und wegen ihres Widerstandes während des horizontalen Reiselluges
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird das ausgestoßene Medium mittels eines Hochdruckstrahles
abgelenkt, welcher eine aerodynamische Begrenzung schafft, die das Äquivalent einer
mechanischen Wand ist und das ausgestoßene Medium ablenkt, ohne daß die Geometrie
verändert wird und Flächen vorhanden sind, welche bewegt werden müssen.
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Um dies zu erzielen, ist im Körper 14 ein Kanal 16 vorgesehen, welcher
dafür bestimmt ist, Hochdruckmedium aufzunehmen. Der Kanal 16 kann in dem Körper
10 in irgendeiner passenden Weise angeordnet sein und wird gewöhnlich ein Behälter
oder eine verzweigte Anordnung sein. Das in dem Kanal 16 befindliche Hochdruckmedium
wirkt durch einen Schlitz 17, welcher der Düse 13 eng benachbart ist und in Querrichtung
verläuft, wobei er das Hochdruckmedium in einer Richtung ausstößt, die näher bei
der vertikalen Richtung liegt als die durch den Pfeil 19 angegebene Ausstoßrichtung
der Niederdruckluft. Der in Richtung des Pfeiles 18 austretende Hochdruckstrahl
beeinfiußt die in Richtung des Pfeiles 19 austretende Niederdruckluft dahingehend,
daß diese abgebogen und, wie durch den gestrichelten Pfeil 20 gezeigt, mehr in die
vertikale Richtung gezogen wird. So wird während des Vertikalbetriebes die Hochdruckluft
aus dem Schlitz 17 ausgestoßen, um die ausgestoßene Niederdruckluft in die durch
den Pfeil 20 angegebene vertikale Richtung umzulenken. Für den Betrieb während
des normalen Reisefluges ist eine geeignete selektive Steuereinrichtung, beispielsweise
ein Absperrorgan 21, vorgesehen, welche den Einlaß des Hochdruckmediums in
den Kanal 16 steuert.
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Die Anwendung des Strahles auf der Seite, gegen welche die Umlenkung
beabsichtigt ist - in den Figuren bei 17 -, stellt einen Vorteil dar im Vergleich
zum Ausstoßen des Strahles auf der entgegengesetzten Seite - dies wäre in den Figuren
bei 13 -, weil der Strahl bei 17 bewirkt, daß die Strömung der unteren Fläche
des Kanals 11 folgt und die Hauptströmung folglich in der durch den gestrichelten
Pfeil 20 in Fig. 1 angedeuteten Richtung und nicht in der durch den ausgezogenen
Pfeil 19 angegebenen Richtung austritt. Die Strömung folgt der unteren Fläche
wegen des Strahles um eine große Winkeländerung, und zwar bis zu 160°. Dieser Effekt
wird manchmal als »Coanda-Effekt« bezeichnet.
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Die Auftriebskraft, die von dem Unterdruck herrührt, der an der unteren
Fläche des Kanals 11 unmittelbar über der Stelle 17 erzeugt wird, kann wegen der
verhältnismäßig kleinen Machzahlen (kleiner als 0,5), die zur Erzeugung des Auftriebes
an einem Flugzeug für Senkrechtstart und -landung durch den Kanal hindurch zu erwarten
sind, wesentlich größer sein als die Auftriebskräfte, die sich aus einem überdruck
ergeben, der durch einen ablenkenden Strahl in der oberen Fläche des Kanals 11 unmittelbar
unter der Stelle 13 erzeugt wird.
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Zum Beispiel kann bei einer Kanalgeschwindigkeit von etwa 100,6 Meter/Sekunde
(Machzahl 0,3) der durch einen ablenkenden Strahl an der Oberseite erzeugte Überdruck
pro Flächeneinheit nicht größer sein als der Staudruck der Kanalgeschwindigkeit,
der etwa 6,6 % des statischen Kanaldruckes betragen würde (was man aus dem Verhältnis
des Staudruckes zum statischen Druck bei der Machzahl 0,3 erhält).
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Andererseits können für eine große Ablenkung um die Kanalfläche oberhalb
der Stelle 17 herum die maximalen Geschwindigkeiten leicht das Zweifache der Kanalgeschwindigkeit
oder z. B. 201,2 Meter/Sekunde (Machzahl 0,6) betragen. Bei dieser Geschwindigkeit
ist
die von dem Unterdruck herrührende Auftriebskraft pro Flächeneinheit 16,5 % des
statischen Kanaldruckes (was man aus dem Verhältnis des statischen Druckes bei der
Machzahl 0,6 zum statischen Druck bei der Machzahl 0,3 erhält).
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Es ist ersichtlich, daß die Verwendung der durch den Pfeil 18 dargestellten
aerodynamischen Begrenzung keinerlei mechanische Bauteile erfordert und doch dem
gleichen Zweck dient wie mechanische Leitglieder, indem sie das ausgestoßene Niederdruckmedium
ablenkt. Diese Anordnung gestattet auch die Verwendung von zwei getrennten Antriebssystemen,
falls dies erwünscht ist, wobei ein System 14, 15 für den Reiseflug benutzt und
dafür wirksam bemessen werden kann. Ein getrenntes System 16 bis 18 kann für den
Vertikalbetrieb vorgesehen sein, wobei die Bemessung dieses Systems eine Kompromißlösung
zwischen Leistungsfähigkeit, Gewicht und Kosten darstellen kann. Es ist ersichtlich,
daß dieses vertikale System den von dem Hauptsystem erhaltenen Schub vergrößert.
In der Regel muß das Fahrzeug bei vielen der VTOL-Systeme hinsichtlich des Reiseflugbetriebes
leistungsmäßig überbemessen werden, damit der erforderliche Auftrieb erhalten wird.
Die soeben beschriebene Anordnung schafft ein anderes Schema, bei welchem zwei Energiequellen
vorgesehen sind, von denen eine in der Hauptsache für den Reiseflug ausgelegt ist.
Das Reiseflugsystem 14, 15 wird auch für den vertikalen Auftrieb verwendet, wobei
es dann während des Vertikalbetriebes durch das Hilfskraftsystem 16 bis 18 ergänzt
wird. Dies hat den grundlegenden Vorteil, daß das Hauptsystem für den Reiseflug
optimal ausgelegt werden kann, d. h., das Gebläsegetriebe, die Größe des Gebläses
und andere Komponenten können für eine Leistung ausgelegt werden, welche in der
Größenordnung eines Drittels der Leistung liegt, die erforderlich wäre, wenn das
gleiche System für den vertikalen Auftrieb verwendet würde. Darüber hinaus liegt
der Triebwerksbetrieb beim Reiseflug wesentlich näher beim Zustand maximaler Leistungsfähigkeit
des Triebwerkes und nicht beim üblichen unwirksamen Zustand der Teillast. So kann
die Kraftanlage für den Reiseflug sowohl thermodynamisch als auch hinsichtlich der
Größe und des Gewichts den Erfordernissen des Reisefluges optimal angepaßt werden,
und es wird durch Verwendung des erwähnten Hilfssystems für vertikalen Auftrieb
ein insgesamt leistungsfähigeres System erzielt.
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Des weiteren kann das Hauptsystem für den Reiseflug bei der geschilderten
Kombination aus Gebläse und Schubrichtsystem einen größeren Auftrieb erzeugen als
im Fall eines getrennten Betriebes. Wenn das Gebläse beispielsweise so eingerichtet
werden kann, daß es unter einem Zustand großer Strömung bei kleinem Druckanstieg
arbeitet, was dem Punkt A der Fig. 2 entspricht (dies entspricht dem Reiseflugzustand),
ist die verfügbare Auftriebskraft größer als im Fall einer Verwendung der gleichen
Pferdestärken für einen Betrieb mit kleiner Strömung und hohem Druck, was dem Punkt
B der Fig. 2 entspricht (dies entspricht den gewöhnlichen Startbedingungen).
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In Fig. 3 ist eine ähnliche Anordnung gezeigt, die bei einem Tragflügel
eines gewöhnlichen Flugzeuges verwendet werden kann. Bei dieser Ausführung ist der
längsgerichtete Kanal 11 mit einem geeigneten Triebwerk oder Triebwerken
22 versehen, welche große Mengen von Niederdruckluft durch den Kanal 11 bewegen.
Der Einlaß 12 und der Auslaß 13 sind vorzugsweise so konstruiert, daß sie sich in
Spannweitenrichtung mittels gewöhnlicher Übergangsabschnitte zwischen dem Gebläse
und dem Einlaß und dem Auslaß so weit wie möglich entlang den Tragflügeln erstrecken.
Der Hochdruckkanal 16 weist gewöhnlich eine sich in Längsrichtung des Tragflügels
erstreckende Verzweigung auf, welche, wie gezeigt, in den Flügel eingelassen ist.
Die der Düse 13 an deren stromauf gelegenen Kante benachbarten, mit dem Kanal 16
verbundenen Schlitze 17 erstrecken sich, wie in Fig. 5 gezeigt, quer zu der Luftströmung
durch den Kanal oder über den Tragflügel hinweg und verlaufen so im wesentlichen
parallel zum Kanal. Geeignete Bauteile 23 bilden Träger, wobei der Schlitz 17 durchlaufend
oder in Segmente unterteilt sein kann. Der Schlitz 17 richtet seinen Hochdruckstrahl
in Richtung des Pfeiles 18 und stößt diesen in einer im wesentlichen fortlaufenden
Fläche aus. Die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Tragfläche ist die gleiche
wie diejenige, die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde, indem der Hochdruckstrahl
18, welcher als Luftklappe wirkt, das ausgestoßene Niederdruckmedium 19 in die vertikale
Richtung abbiegt, wenn der Strahl 18 unter der Steuerung durch das Absperrorgan
21 eingeschaltet wird.
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In Fig. 4 ist eine kleinere Abwandlung gezeigt, bei welcher eine zusätzliche
Klappe 24 an der oberen Fläche des Tragflügels oder des Rumpfes an der Düse vorgesehen
ist. Es sei bemerkt, daß die Klappe 24 entweder eine mechanische oder auch eine
aerodynamische Klappe der Art darstellen soll, die in Verbindung mit den Fig. 1
und 3 für die untere Fläche beschrieben wurde. Praktisch ist die vorzuziehende Anordnung
eine ausfahrbare mechanische Klappe vom Fowler-Typ, da sie gegenüber der Strahlklappe
hinsichtlich der Vergrößerung der Auftriebsfläche des Flügels oder Körpers 10 bestimmte
Vorteile besitzt. Die Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung stimmt mit derjenigen der Ausführungen der Fig. 1 und 3 überein.
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Bei der Erfindung werden also alle oder ein Teil der mechanischen
Bauelemente vermieden, die gewöhnlich für das Umlenken der horizontalen Strömung
benutzt werden. Statt dessen wird bei der Erfindung eine aerodynamische Fläche verwendet,
die während des normalen horizontalen Reisefluges vollständig unwirksam ist. Darüber
hinaus ist sie in der vertikalen Stellung hochwirksam und leistungsfähig, wenn sie
die Hauptströmung näher an die vertikale Lage bewegt, und sie verstärkt den vertikalen
Schub selbst. Darüber hinaus ist es bei der vorgeschlagenen Kombination möglich,
den normalen Schub des Reiseflugsystems während des statischen Zustandes über den
normalerweise verfügbaren Wert zu vergrößern. Des weiteren wird der aerodynamische
Auftrieb des Hauptkörpers (beispielsweise eines Tragflügels) infolge der Wirkung
der Strömung durch die Düse in einer Weise ähnlich derjenigen des bekannten Strahlklappenprinzips
vergrößert.