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Schwingflügel-Strahltriebwerk Strahlturbinen für kleine Schubleistungen
haben bekanntlich einen schlechten Wirkungsgrad; dazu stehen die Herstellungskosten
und der Wartungsaufwand in ungünstigem Verhältnis zur Leistung. Für den direkten
Strahlantrieb von Hubschrauberrotoren müssen sehr kleine Turbineneinheiten paarweise
und gegenläufig an jeder Flügelspitze angebracht werden, was neben der Unwirtschaftlichkeit
auch Schwierigkeiten bei der Regelung bringt.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein nach instationären Methoden arbeitendes
Strahltriebwerk, welches insbesondere für kleine Schubleistungen bei mittleren Unterschall-Fluggeschwindigkeiten,
vorzugsweise aber für den Verwendungszweck des direkten Strahlantriebs von Hubschrauberrotoren
ausgelegt ist. Dabei wird angestrebt, daß mit geringstem Herstellungs- und Wartungsaufwand
ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird als bei Strahlturbinen der gleichen Leistungsgröße.
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Nach dem technischen Stand gibt es bereits Strahltriebwerke, die nach
instationären Methoden arbeiten. Hierzu gehören solche, welche keinen mechanischen
beweglichen Leistungsteil aufweisen und demnach auch mit sehr niedrigen Verbrennungsdrücken
und entsprechend schlechtem Wirkungsgrad arbeiten; sie haben zum Teil mechanische
Ventile, zum Teil aber auch sogenannte aerodynamische Ventile, wobei durch die gleiche
Öffnung abwechselnd Verbrennungsgas ausgestoßen und Luft eingesaugt wird.
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Es sind auch Pulso-Strahltriebwerke bekanntgeworden mit einem in einem
halbkugelförmigen Gehäuse frei schwingenden Flügelkolben, mit Lufteinlaßventilen
an der Gehäusefrontseite und mit einer Auslaßöffnung und daran anschließendem Saugrohr
an der Gehäuserückseite, wobei der Flügelkolben das Gehäuse in zwei Brennräume teilt
und die Einlaß-Membranventile jeweils den Brennraumboden bilden. Der Flügelkolben
verdichtet in den Brennräumen ein brennfähiges Gemisch und wird durch die Verbrennungsenergie
dieses Gemisches in Schwingbewegung versetzt, wobei seine Hauptfunktion neben der
Vorverdichtung des Brenngemisches darin besteht, den Gaswechsel, die Gemischbildung
und die Verbrennung in gleichmäßiger periodischer Phasenfolge zu steuern. Die Schuberzeugung
beruht dabei überwiegend auf der Verpuffung der Verbrennungsgase. Nachteilig ist
bei dieser Triebwerkskonstruktion, daß infolge der Anordnung der einen Auslaßöffnung
der Flügelkolben nur ein kleines Pumpvolumen ausnutzen und deshalb die ihm von den
Verbrennungsgasen erteilte Energie nicht unmittelbar durch Beschleunigen von Luft
schuberzeugend abgeben kann, daß der Frischlufteinlaß durch Ventile gesteuert werden
muß und die hierzu benutzten Membran- oder Flatterventile dem hohen Gasdruck und
der Verbrennungstemperatur ausgesetzt und deshalb äußerst störanfällig sind. Ferner
wirkt sich die Anordnung der Einlaßventile ungünstig auf die Gestaltung der Brennräume
aus.
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Bekannt sind ferner Strahltriebwerke mit einem parallel zur Längsachse
liegenden Arbeitszylinder und darin frei fliegendem Arbeitskolben mit Ventilgesteuertem
Gaswechsel. Außerdem sind sogenannte Flügelmotoren bekannt, welche einen schwingenden
Kolben und einen ventil- oder schiebergesteuerten Gaswechsel haben, die aber vorwiegend
für mechanische Leistungsabgabe oder auch für reine Drucklufterzeugung ausgelegt
sind.
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Den bekannten Strahltriebwerken mit instationärer Arbeitsweise haftet
allgemein der Nachteil an, daß sie entweder bei verhältnismäßig einfachem Aufbau
einen für die praktische Verwendung zu schlechten Wirkungsgrad erreichen, der weit
unter demjenigen gleich starker Strahlturbinen liegt, oder aber daß sie bei verbessertem
Wirkungsgrad zuviel mechanischen Aufwand erfordern.
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Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, aus einigen nach dem technischen
Stand bekannten Elementen, welche jedoch allein nicht Gegenstand der Erfindung sind,
eine Kompromißlösung zu finden und mit neuartigen Elementen und Methoden derart
zu kombinieren, daß mit einem möglichst geringen Materialaufwand und einfachsten
Bauteilen unter Ausschaltung unkrontrollierbar beanspruchter Teile und Hilfsgeräte
trotzdem ein günstiger Gesamtwirkungsgrad erreicht wird.
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Das Strahltriebwerk gemäß der Erfindung arbeitet im wesentlichen nach
dem Verdrängungsprinzip einer Kolbenmaschine. Eine dünnwandige Platte, die hier
als
Schwingflügel bezeichnet wird, schwingt mit hoher Frequenz um eine Drehachse in
einem Gehäuse, welches nur nach rückwärts entgegen der Fortbewegungseinrichtung
geöffnet ist. Die oszillierende Bewegung des Schwingflügels bedingt in dem Gehäuse
brannt und bei dessen Expansion dem Schwingflügel wechselseitige Volumenveränderungen,
wobei einerseits ein Brennstoff-Luft-Gemisch verdichtet und vereine kinetische Energie
erteilt wird, andererseits zugleich Luft angesaugt und nach rückwärts unter Schuberzeugung
ausgestoßen wird. Der Schwingflügel ist das einzige bewegte Maschinenteil; er dient
zur unmittelbaren Leistungsübertragung zwischen den arbeitsleistenden Verbrennungsgasen
und den zu beschleunigenden Luftmassen.
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In F i g. 1 ist das Strahltriebwerk gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt. Da das Verdrängungsvolumen durch die Triebwerksabmessungen gegeben
ist, kann der zur Erzeugung eines günstigen Reaktionsgrades erforderliche Luftdurchsatz
nur durch eine hohe Frequenz der Arbeitsspiele und zwangläufig großer Geschwindigkeit
des Leistungsteils erreicht werden. Der Leistungsteil bei diesem Strahltriebwerk
hat zwar die Funktion eines Kolbens, wird aber auf Grund seiner weitgehenden Abweichung
von der herkömmlichen Kolbenform wegen seiner relativ geringen Masse und der Eigenart
seiner Arbeitsbewegung als Schwingflügel 1 bezeichnet. Dieser schwingt periodisch
um seine Drehachse 0-O, welche senkrecht zur Triebwerkslängsachse x-x steht. Der
Schwingungswinkel qq liegt symmetrisch zur Längsachse x-x und kann etwa 60 bis 300°
betragen, vorzugsweise jedoch 180 bis 240°, was folgend noch begründet wird. Die
Fläche des Schwingflügels bildet vorzugsweise ein Rechteck mit den Kantenlängen
r in radialer Richtung und h parallel zur Drehachse 0-O. Das Verhältnis der Kantenlängen
r : h wird mit Rücksicht auf die Lagerbelastung und auf bestmögliche Raumausnutzung
zwischen 1 und 2 betragen, wobei aber je nach Auslegung jedes beliebige Verhältnis
möglich ist. Ebenso kann die Schwingflügelfläche beliebige Formen haben; die reine
Rechteckform wird deshalb vorgezogen, weil die geraden Kanten leicht herzustellen
sind und weil man damit auch ebene, einfach zu bearbeitende Gehäusewände erhält,
wobei man bei der Auswahl des Werkstoffes keine Rücksicht auf die Formgebung nehmen
muß.
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Das Schwingflügelprofil zeigt eine veränderliche Dicke s. Der Verlauf
ist in F i g. 2 dargestellt. Ist s,. die Dicke an der Schwingflügelspitze am Radius
r und bezeichnet man einen beliebigen Abstand vom Drehpunkt mit a und die
Dicke an dieser Stelle mit s, dann gilt für den Verlauf der Flügeldicke die
Gleichung: s - a = s,- r = konst. oder s = s,.- rla Das ist die Gleichung
einer Hyperbel. Dieser Zusammenhang gründet auf folgender Überlegung: Der Schwingflügel
1 wird an den Totpunkten seiner Schwingbewegung nur durch Gaskräfte verzögert und
beschleunigt, wobei der Gasdruck ziemlich gleichmäßig über die ganze Flügelfläche
wirkt. Auf jedes Flügelteilchen wirkt damit die gleiche Kraft P. Außerdem ist die
Winkelgeschwindigkeit an jeder Stelle der Flügelfläche gleich. Da der Schwingflügel
1 infolge seiner geringen Dicke keine nennenswerten Biegemomente übertragen kann,
muß die Schwingflügelmasse über dem Radius r so verteilt werden, daß jedes Flügelteilchen
durch die Gaskraft P die gleiche Winkelgeschwindigkeit erhält. Dafür ergibt sich
nach dem Impulssatz für ein Masseteilchen m im Abstand a von der Drehachse: P-t=
m-v=m-a-oo oder m-a= P-tlco=konst. Die sich aus obiger Gleichung ergebende hyperbolische
Schwingflügelprofilierung endet im Übergang zur Schwingflügelnabe; es ist aus Herstellungsgründen
vorteilhaft, wenn die Profilierung nur einseitig und näherungsweise erfolgt. Mit
Stahl als Werkstoff beträgt die Dicke s,. an der Schwingflügelspitze größenordnungsmäßig
etwa 0,01 - r. -Der vom Schwingflügel einbeschriebene Raum, der die Form eines Zylindersektors
hat, wird an fünf Seiten von den Wänden des Schwingflügelgehäuses 4 bis 6 begrenzt.
Die beiden Planwände 4 sind so lang, daß sie den Umfangskreis 10 in jedem Fall überdecken;
ihre rückwärtigen Kanten sind abgerundet und verlaufen etwa geradlinig. Die Stirnwand
5 schließt den Gehäusearm nach vorn ab und grenzt in der Mitte über den Mittelsteg
7 an die Schwingflügelnabe. Die seitlichen Mantelwände 6 schließen vorn mit der
Stirnwand 5 ab, begrenzen den Umfangskreis 10 über einen Winkelbereich von etwa
25° bis zum Schließpunkt 9, um von hier ab etwa tangential zum Umfangskreis 10 und
annähernd parallel zur Längsachse x-x auszulaufen. Sie sind über die hinteren Kanten
der Planwände hinaus verlängert.
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Zwischen den vier Kanten des Schwingflügels i und den begrenzenden
Gehäusewänden 4 bis 6 ist gerade so viel Spielraum, daß unter Berücksichtigung der
Fertigungstoleranzen und Wärmedehnungen mit Sicherheit keine Körperberührung eintreten
kann. Besondere Vorrichtungen zur Abdichtung des Luftspaltes zwischen Schwingflügelkanten
und Gehäuse sind nicht vorgesehen. Dementsprechend tritt hier auch keine Reibung
auf, und es ist keinerlei Schmierung an den Gehäusewänden erforderlich.
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Die Schwingflügelwelle 2 ist in Gleitlagern 3 in der oberen und unteren
Planwand 4 gelagert. Dies sind die einzigen Reibungsstellen des Triebwerks, welche
einer Schmierung bedürfen. Die Schwingflügellager 3
sind von außen zugänglich
und liegen außerhalb der heißen Verbrennungszonen. Das für die Lager erforderliche
Schmiermittel kommt daher nicht mit den Verbrennungsgasen in Berührung. Die Lager
3 werden durch die von der Schwingflügelmasse erzeugte radiale Fliehkraft belastet
und können so dimensioniert werden, daß ihre Beanspruchung noch innerhalb der von
Gleitlagern erreichbaren Tragfähigkeit liegt. Dazu kommt der günstige Umstand, daß
keine unkontrollierbaren -Belastungsstöße auftreten und daß die Lagerkräfte zwangläufig
gleichsinnig mit der Gleitgeschwindigkeit abnehmen und anwachsen.
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Die nach rückwärts offene Gehäuseseite wird von einer Blende 8 teilweise
so abgedeckt, daß zwei seitliche symmetrisch zur Längsachse x-x liegende Öffnungen
13 verbleiben, welche die Einlaß- und Auslaßöffnungen sind. Die Blende 8 ist starr
zwischen den Planwänden 4 befestigt; ihre Innenseite begrenzt den Umfangskreis 10,
während die Außenseite wesentlich stärker gewölbt ist, und zwar halbkreis- bis ellipsenförmig
derart, daß ein von außen in das Schwingflügelgehäuse einströmendes Gas im engsten
Öffnungsquerschnitt parallel zur Mantelwand 6 und ohne Einschnürung strömt.
Der
Schwingflügel trennt das von den Gehäusewänden abgegrenzte Volumen in zwei Arbeitsräume,
in welchen unabhängig voneinander, jedoch in einem Abstand von einer halben Schwingungsperiode
wechselnd das Arbeitsspiel vollzogen wird.
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In F i g. 4 a bis 4 d sind einzelne Phasenstellungen für den linken
Arbeitsraum dargestellt, welche nachfolgend beschrieben werden.
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Bewegt sich z. B. der Schwingflügel 1 vom Schließpunkt 9 an gegen
seine linke Totlage, so ist das im linken Arbeitsraum verbliebene Luftvolumen vollkommen
abgeschlossen und wird allein durch die kinetische Energie des Schwingflügels hoch
verdichtet, wobei dieser abgebremst wird. Der zwischen der äußersten zulässigen
Totlage und der Stirnwand 5 liegende freie Raum ist der eigentliche Brennraum 11.
Noch vor Erreichen der Totlage wird im Brennraum 11 Brennstoff entzündet. Durch
den Gasdruck wird der Schwingflügel nun in entgegengesetzter Richtung beschleunigt
und erhält infolge des höheren Verbrennungsdruckes auch eine größere kinetische
Energie, als zum Verdichten aufgewendet werden mußte. Entlang des Schwingungsweges
von der Totlage bis zum Schließpunkt 9 geben die expandierenden Verbrennungsgase
ihre Energie nur an den Schwingflügel 1 ab, indem sie diesen beschleunigen. Bei
der Weiterdrehung des Schwingflügels 1 über den Schließpunkt 9 hinaus entfernt sich
die Schwingflügelspitze wieder von der Mantelwand 6 und gibt damit allmählich zunehmend
die linke Blendenöffnung frei, durch welche nun ein Teil der Verbrennungsgase infolge
des Innendruckes nach rückwärts etwa tangential zum Umfangskreis 10 ausströmt und
dabei eine Reaktionswirkung auf das Triebwerk ausübt. Dieser Betriebszustand ist
in F i g. 4 a dargestellt.
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Da einerseits durch die Weiterdrehung des Schwingflügels 1 das Expansionsvolumen
stetig vergrößert wird und andererseits Verbrennungsgase durch die sich rasch vergrößernde
Auslaßöffnung in die Atmosphäre ausströmen, expandieren die Verbrennungsgase im
Arbeitsraum schnell auf den Atmosphärendruck. Dieser Zustand muß erreicht sein,
wenn die nach rechts drehende Schwingflügelspitze die linke Blendenkante passiert.
Die Weiterbewegung des Schwingflügels 1 erzeugt nun im linken Arbeitsraum einen
Unterdruck, wodurch jetzt in der linken Blendenöffnung 13 sich die Strömungsrichtung
umkehrt. Da aber die bereits ausgeströmten Gase infolge ihrer kinetischen Energie
zunächst ihre Bewegungsrichtung behalten, gelangen sie außerhalb des Sogbereiches
vor der Öffnung 13 und ziehen zugleich aus der Umgebung atmosphärische Frischluft
nach. Damit ist es möglich, daß bei Beginn der nun anschließenden Saugphase bereits
überwiegend Frischluft eingesaugt wird.
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Die Außenwölbung der Blende 8 ist derart gestaltet, daß der Saugstrahl
sich nicht ablöst und auch keine Kontraktion erfährt: er nutzt dadurch den ganzen
öffnungsquerschnitt aus und durchströmt diesen parallel zur Mantelwand 6. F i g.
4b zeigt den Beginn der Saugphase.
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Von ausschlaggebender Bedeutung für den gesamten Triebwerkseffekt
ist der durch das Zusammenwirken von Blende und Schwingflügelbewegung erzeugte Saugwirbel.
Der Wirbelkern entsteht immer zu Beginn der Saugphase auf der Saugseite des Schwingflügels
1 an der Blendenkante. Sein Drehsinn ist grundsätzlich dem Flügeldrehsinn entgegengesetzt
gerichtet. Mit fortschreitender Vergrößerung des Saugraumes rollt sich dieser Wirbel
spiralenförmig auf, wobei sein Kern etwa bis zur Triebwerksmitte hin wandert. Der
Wirbel wird von Luftmassen gebildet, welche den Potentialwirbelgesetzten folgend
regelmäßig um den Kern rotieren. F i g. 4 c zeigt den Schwingflügel 1 kurz vor der
rechten Totlage mit voll ausgebildetem Saugwirbel.
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Der vorteilhafte Wirbeleffekt besteht nun darin, daß infolge der Rotationsbewegung
die eingesaugten Luftmassen ihre kinetische Energie beibehalten. Da außerdem an
der Einsaugseite die Umfangsbewegung des Wirbels dem Saugstrom gleichgerichtet ist,
wird die Saugwirkung wesentlich unterstützt. Ferner verursacht der Wirbel eine innere
Querspülung, welche der Schwingungsbewegung gleichgerichtet und für die betrachtete
Schwingungsperiode von links nach rechts gerichtet ist, wodurch die im linken Arbeitsraum
zurückgebliebenen Verbrennungsgase zur gegenüberliegenden rechten Blendenöffnung
gespült werden, was in F i g. 4 c veranschaulicht ist. Dabei wird dann auch der
Brennraum ausgespült. Infolge ihrer Massenträgheit behalten die Luftmassen auch
ihre Rotation bei, wenn der Schwingflügel 1 aus der rechten Totlage heraus wieder
zurückbeschleunigt wird, was bewirkt, daß durch die linke Blendenöffnung noch Luft
nachgesaugt wird, während der Schwingflügel 1 mit beginnender Linksschwingung die
alten Verbrennungsgase vermischt mit Frischluft durch die rechte Blendenöffnung
13 in die freie Atmosphäre drückt. Besonders kennzeichnend füt den Wirbeleffekt
ist, daß während der gesamten Saugphase die Hauptströmungsrichtung der Frischluft
beibehalten wird, obwohl der Schwingflügel saugseitig beide Blendenöffnungen 13
freigibt. Damit wird immer nur von der Seite eingesaugt, auf welcher eine Expansionsphase
vorangegangen ist.
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Bei der nun folgenden Schwingungsbewegung von rechts nach links wird
der größte Teil der eingesaugten Luft durch die Blendenöffnungen 13 nach rückwärts
ausgestoßen, wobei Schubkraft erzeugt wird. Die Verdrängungsgeschwindigkeit ist
jedoch mit der zulässigen Schwingflügelgeschwindigkeit begrenzt und würde bei den
großen Öffnungsquerschnitten, welche andererseits für den Saugvorgang notwendig
sind, nur relativ kleine Austrittsgeschwindigkeiten ergeben. Die Ausschubwirkung
wird aber dadurch verstärkt, daß sich bei beginnender Linksschwingung vor der rechten
Blendenöffnung die Geschwindigkeitskomponenten des Schwingflügels 1 und der in den
äußeren Wirbelzonen rotierenden Luftmassen überlagern und daß an der linken Blendenöffnung
durch die Ablenkwirkung der Blendenkante eine starke Strahleinschnürung auftritt,
was in F i g. 4 d dargestellt ist. Die Strahleinschnürung beim Ausströmen durch
die Blendenöffnung ist aber wesentlich stärker, als sie mit den bekannten kreisrunden
Blenden oder Bordädüsen erreicht wird. Diese Wirkung entsteht dadurch, daß sich
den vom Schwingflügel 1 der Blendenöffnung 13 zuströmenden Gasteilchen noch die
Umfangsgeschwindigkeit des Schwingflügels überlagert. Damit wird die Querströmung
stärker als bei reinem stationärem Ausfluß. Nach Modellversuchen wird eine Kontraktionszahl
rxz .-=z:# 0,5 erreicht. Gegenüber den bekannten kreisrunden Kontraktionsdüsen unterscheidet
sich die Anordnung gemäß der Erfindung außer durch die wirkungsvollere Kontraktion
noch dadurch, daß die Ablenkkanten geradlinig sind und
daß die Kontraktion
nur einseitig und zwar von innen nach außen erfolgt, wobei der Schubstrahl dreiseitig
an der Gehäusewandung anliegt.
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Neben der erwünschten Wirkung eines mit der Durchströmrichtung stark
veränderlichen Strahlquerschnitts bringt der Blendenausfluß noch den Vorteil, daß
das kritische Druckverhältnis ß größer ist als bei einer abgerundeten Düse. Das
bedeutet, daß bei den hier vorkommenden Drücken in jedem Falle ein nahezu verlustfreier
adiabatischer Ausfluß erfolgt, was für das Triebwerk gemäß der Erfindung mit seinem
ständig veränderlichen Druckverhältnis von ausschlaggebender Bedeutung ist.
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Ein günstiges Verhältnis zwischen Einsaug- und Ausströmgeschwindigkeit
wird erreicht, wenn jede Blendenöffnung 13 vorzugsweise halb so breit ist
wie der Schwingflügelradius r. Dabei muß aber besonders herausgestellt werden, daß
die Blendenanordnung gemäß der Erfindung den Gesamteffekt des Triebwerks nur wesentlich
günstig beeinflußt, daß die Funktionsfähigkeit aber auch ohne die Blende 8 gegeben
ist.
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Wenn sich die Schwingflügelspitze bei fortgesetzter Linksschwingung
der linken Mantelwand 6 nähert, verkleinert sich der Auslaßquerschnitt, bis beim
Erreichen des Schließpunktes 9 die Hochdruckverdichtung und damit der voraus beschriebene
Arbeitsgang von neuem beginnt.
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Der für den linken Arbeitsraum beschriebene Vorgang vollzieht sich
gleichermaßen auch im rechten Arbeitsraum, lediglich um eine Halbperiode verschoben
und mit umgekehrter Drehrichtung.
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Für das Arbeitsprinzip des Strahltriebwerks gemäß der Erfindung muß
als besonders kennzeichnend hervorgehoben werden, daß sich ein volles Arbeitsspiel
im gleichen Arbeitsraum in einen Hochdruckbereich und in einen Niederdruckbereich
aufteilt, welche während einer Schwingungsperiode durchlaufen werden. In F i g.
3 ist für beide Arbeitsräume über dem Schwingungsweg einer Schwingungsperiode schematisch
der Druckverlauf aufgetragen. Der Hochdruckbereich umfaßt die Hochdruckverdichtung
und die Expansion der Verbrennungsgase, wobei also im wesentlichen thermodynamische
Energie frei wird. Zum Niederdruckbereich gehört das Selbstansaugen von Frischluft
und das Ausspülen der Brennräume sowie das Ausstoßen des größten Teils der eingesaugten
Luft mit niedrigem Überdruck, wobei unter Energieverbrauch in der Hauptsache Schubkraft
erzeugt wird. Der Übergang von der Expansions- zur Saugphase sowie von der Niederdruck-
zur Hochdruckverdichtung erfolgt dabei stetig und ohne räumliche Absperrung bei
fortlaufender Bewegung des Schwingflügels I<. Für die Erzielung eines günstigen
Reaktionswirkungsgrades ist es notwendig, daß ein möglichst großer Schubanteil durch
das Beschleunigen von reiner Luft erzeugt wird, während der kleinere Schubanteil
durch die Auspuffeng der Verbrennungsgase entsteht. Bei gleichem Arbeitsinhalt muß
deshalb der Niederdruckbereich den weitaus größeren Abschnitt des Schwingungswinkels
cp einnehmen.
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Die Wahl des Schwingungswinkels q@ von vorzugsweise 180 bis 240° bietet
den Vorteil, daß mit genügender Abgrenzung des Hochdruckbereiches die Expansionsgase
zwangläufig in Schubrichtung ohne verlustbringende Umlenkungen ausströmen können.
Eine Erweiterung des Schwingungswinkels bis etwa 300° bedingt weit vorgezogene Brennräume,
welche dann nicht mehr ausgespült werden. Die Vergrößerung des Verdrängungsvolumens
ist damit nur scheinbar und bringt keine Steigerung des Luftdurchsatzes.
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Die zur Erzielung eines großen Luftdurchsatzes erforderliche große
Schwingflügelgeschwindigkeit, welche an der Schwingfiügelspitze größenordnungsmäßig
etwa 200 m/Sek. betragen kann, läßt sich vom mechanischen Gesichtspunkt aus nur
dadurch verwirklichen, daß man zwischen Schwingflügelkanten und Gehäusewänden auf
jegliche Berührungsabdichtung verzichtet, welche mit der damit notwendigen Schmierung
bei den gegebenen Verhältnissen kaum zu beherrschen wäre. Dafür muß infolge des
freizuhaltenden Luftspaltes am gesamten Schwingflügelumfang ein Gasleckverlust in
Kauf genommen werden, welcher jedoch bei der dieses Triebwerk kennzeichnenden großen
Verdrängungsgeschwindigkeit keinen störenden Verlust darstellt. Er tritt lediglich
im Hochdruckbereich spürbar in Erscheinung und ist somit ein maßgebender Faktor
bei der Wahl des Verdichtungsdruckes. Da jedoch der Hochdruckbereich vorzugsweise
unter einem mittleren Winkel von etwa 90° links und rechts der Längsachse x-x liegt,
können hier die Leckgase in Schubrichtung nach rückwärts austreten und üben dadurch
noch eine Reaktionswirkung auf das Triebwerk aus. Damit wird ein Teil der Leckgasverluste
unmittelbar als Schubleistung wieder zurückgewonnen. Diese günstige Leckgasausnutzung
begründet ebenfalls die vorzugsweise Wahl des Schwingungswinkels (p von 180 bis
240°.
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Nach dem Stand der Technik ist die berührungsfreie Abdichtung bereits
bei Hub- und Rotationskolbenmaschinen bekannt. Bei diesen Maschinen sind jedoch
die Leckverluste wegen der wesentlich kleineren Verdrängungsgeschwindigkeit relativ
größer; außerdem kann die Leck gasströmung nicht leistungsgewinnend ausgenutzt werden.
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Für die Treibstoffverbrennung, welche bei jeder Schwingflügeltotlage
erfolgt, können grundsätzlich alle bei Kolbenverbrennungsmaschinen bekannten Zündverfahren
angewendet werden. Da bei dem Triebwerk gemäß der Erfindung den Gaskräften allein
die Massenkraft des Schwingflügels 71 entgegenwirkt, womit eine exakte Festlegung
des Zündzeitpunktes nicht notwendig ist, bietet das Glühzündverfahren weitgehende
Vorteile. Als Zündquelle dient dabei ein Glühkörper 15, welcher lediglich beim Anlassen
elektrisch aufgeheizt und während des Betriebes durch die Verbrennungsgase auf Zlindtemperatur
gehalten wird. Unterstützt wird der Zünd-und Vrebrennungsvorgang noch dadurch, daß
der Brennraum 11 mit einem hitzebeständigen Material gegen die Gehäusewand
wärmeisolierend ausgekleidet ist; diese Brennrauminnenwand 12 erhält während des
Betriebes eine wesentlich höhere Temperatur als die übrigen Geheäusewände. Da innerhalb
der Arbeitsräume kein Schmiermittel erforderlich ist, kann die Wandtemperatur höher
gehalten werden, als dies bei Kolbenmotoren allgemein zulässig ist. Damit kann die
Verbrennung begünstigt und der Wirkungsgrad gesteigert werden.
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Um in der ungewöhnlich kurzen zur Verfügung stehenden Zeit eine möglichst
vollständige Verbrennung zu erreichen, muß der Gemischbildungsvorgang den gekennzeichneten
Bedingungen angepaßt werden. Dazu wird der für eine Verbrennung erforderliche
kleinem
zeitlichen Abstand an diejenige der anderen Seite an; dasselbe gilt für die Auspuffphasen.
Diese unmittelbare Folge gleichgerichteter Phasen bedingt eine fast kontinuierliche
Saug- und Schubströmung. Dazu kommt der günstige Umstand, daß Auspuff-und Saugphase
gegensymmetrisch auftreten. Es ist dabei die Hauptaufgabe des Vorkammervolumens,
die wechselseitig auftretenden Druckdifferenzen von Saug- und Auspuffvorgang gleichzeitig
auszugleichen.
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Da der größte Teil der geförderten Luft nicht an der Verbrennung beteiligt
wird, kann zur Erhöhung der Schubleistung, insbesondere bei höheren Fluggeschwindigkeiten
unter Ausnutzung des Staudruckes in der Strahldüse noch nachträglich Treibstoff
verbrannt werden, wobei das Schwingflügeltriebwerk auch für die Nachverbrennung
die Treibstofförderung übernimmt. .
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Da die hohen Verbrennungstemperaturen während einer Arbeitsperiode
nur über einen relativ kleinen Zeitanteil auf die Triebwerksteile einwirken, ergibt
sich für diese nur eine geringe mittlere thermische Belastung. Der große Luftüberschuß
ermöglicht zudem in Verbindung mit der lebhaften Innenzirkulation eine ausreichende
Innenkühlung, insbesondere des Schwingflügels. Die durchgeförderte Luft umströmt
außerdem das Schwingflügelgehäuse von außen und sorgt damit für eine genügende Kühlung
der Schwingflügellager.
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Die hinsichtlich der Materialbeanspruchung kritischste Stelle ist
die Verbindung von Schwingflügel 1 und Welle 2. Mit Rücksicht auf einen günstigen
Kraftfluß sowie auf die Bearbeitung wird vorzugsweise eine geteilte Konstruktion
gewählt. Dabei können Schwingflügel I. und Welle 2 aus dem jeweils geeignetsten
Material hergestellt werden. Die Verbindung erfolgt nach F i g. 6 a auf die Weise,
daß als Schwingflügelnabe ein hochfestes dünnes Band 1a mit einem Umschließungswinkel
von etwa 180 bis 210° um die Welle 2 gelegt und mit dem Schwingflügel vernietet
oder verschraubt ist, welcher dann aus einer einfachen Platte hergestellt werden
kann. Eine andere Verbindungsart nach F i g. 6 b besteht darin, daß Schwingflügel
und Nabe aus einem Materialstück gefertigt werden. Für beide Ausführungen ist wichtig,
daß das Nabenband, welches die Welle 2 teilweise umschließt, unter Vorspannung steht;
dadurch wird die Dauerfestigkeit wesentlich erhöht.
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Das der Erfindung zugrunde gelegte Arbeitsverfahren ermöglicht Betriebszustände,
welche sowohl im thermodynamischen Bereich als auch in strömungstechnischer Hinsicht
Wirkungsgrade erwarten lassen, wie sie in bekannten Strahltriebwerken für kleine
Schubleistungen wenn überhaupt, so nur mit weitaus größerem Aufwand erreicht werden
können.
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Gegenüber den bereits bekannten, mit Flügelkolben arbeitenden Strahltriebwerken
wird jegliche Art mechanischer Ventilsteuerung und mechanischer Hilfsgeräte vermieden
und dadurch die Betriebssicherheit weitgehend erhöht. Das Fehlen von Ventilen im
Brennraumbereich ermöglicht eine freizügige, thermodynamisch günstigste Brennraumauslegungund
erlaubt höhere Verbrennungsdrücke und Temperaturen. Durch die Gestaltung des Schwingflügelgehäuses
und vor allem durch die Anordnung der Aus- und Einlaßöffnungen kann der größte Teil
des gesamten Schwingungsvolumens als reines Pumpvolumen ausgenutzt werden, und es
ist damit möglich, daß die durch die Verbrennung gewonnene Energie unmittelbar über
den Schwingflügel durch Ansaugen und Ausschieben von Luft in Schubkraft umgesetzt
wird.
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Infolge der äußerst leichten bewegten Masse ist die gespeicherte Massenenergie
so gering, daß die Leistungsregelung ohne spürbare Verzögerung erfolgen kann und
daß bei einem Triebwerksschaden eine Totalzerstörung ausgeschlossen und eine Gefährdung
der Umgebung nur in engsten Grenzen möglich ist.
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Da alle Bewegungsvorgänge innerhalb des Triebwerks einem periodischen
Richtungswechsel unterliegen, erzeugt das Triebwerk nach außen hin keine Kreiselwirkung.
Diese Eigenart ist insofern von Bedeutung, als das Triebwerk ja insbesondere für
den unmittelbaren Strahlantrieb an den Flügelspitzen von Hubschrauberrotoren vorgesehen
ist.
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Daneben wird die zu erwartende Wirtschaftlichkeit sowie die Anspruchslosigkeit
in Wartung und Treibstoffgüte den Einsatz als Haupttriebwerk für Leichtflugzeuge
an Stelle des Kolbenmotors und als Hilfsantrieb für Segelflugzeuge in Aussicht stellen.
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Durch parallelen Zusammenschluß mehrerer Einzeltriebwerke zu einer
Triebwerksbatterie lassen sich beliebige Schubkräfte erzeugen. Derartige Triebwerksbatterien
können dann vertikal schwenkbar oder direkt als Landeklappen ausgebildet an Tragflügel
montiert werden, womit durch die vertikal verstellbare Strahlrichtung die Start-
und Landeeigenschaften günstig beeinflußt werden können. Patentansprüche: 1. Strahltriebwerk
mit Schwingflügel, insbesondere für kleine Schubleistungen, wobei der verhältnismäßig
sehr leichte Schwingflügel um eine Drehachse in einem Gehäuse symmetrisch zu dessen
Längsachse mit hoher Geschwindigkeit frei schwingt, dabei gegensymmetrische, periodisch
wechselnde Volumenveränderungen erzeugt und im Bereich der Totlagen seines $chwingungsweges,
welche jeweils von einem Brennraum begrenzt werden, durch Verdichtung eines Brennstoff-Luft-Gemisches
verzögert und durch die Verbrennungsenergie dieses Gemisches wieder entgegengesetzt
beschleunigt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Schwingflügelgehäuse
nur nach rückwärts entgegen der Flugbewegung für jeden der beiden Brennräume je
eine Öffnung hat, welche außerhalh der Brennraumzone und dem zugehörigen Brennraum
in Längsrichtung nach rückwärts gegenüberliegend an den Umfangskreis des Schwingflügels
anschließt, daß der öffnungsquerschnitt der beiden Öffnungen unverändert und ständig
offen bleibt und durch jede Öffnung zeitlich nacheinander infolge der Schwingbewegung
des Schwingflügels sowohl Frischluft in das Gehäuse eingesaugt als auch Luft und
Verbrennungsgas nach rückwärts schuberzeugend ausgestoßen werden, wobei die Öffnungen
durch die Formgebung ihrer seitlichen Begrenzungen und unter Einbeziehung des Bewegungszustandes
des Schwingflügels sogenannte aerodynamische Ventile bilden, welche bei konstantem
öffnungsquerschnitt abhängig von der Durchflußrichtung unterschiedliche Durchflußquerschnitte
aufweisen, und daß durch die Formgebung der seitlichen Begrenzungswände des Schwingflügelgehäuses
in bezug auf den Umfangs-