Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vortriebskraft durch Impulsanderung an ein- und ausströmenden Fluiden.

Derartige Antriebe sind als Propeller oder Strahl- triebwerke für Flugzeuge und Schiffe bekannt. Dabei wird bei Propellern oder Strahltriebwerken ein Fluid der Masse m entgegen der gewünschten Bewegungsrichtung des zu bewegenden Körpers mit der Geschwindigkeit w angesaugt, die relative Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch den Propeller oder das Strahltriebwerk auf die Geschwindigkeit c erhöht und mit der Relativgeschwindigkeit c (relativ zum Propeller¬ oder Strahltriebwerk) entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers ausgestoßen. Das heißt, der Impuls des den Körper durchströmenden Fluids wird innerhalb des Körpers in seiner Höhe verändert. Damit wirkt auf den Körper eine Stützkraft, die als Reaktionskraft entgegen der Impulsanderung am Fluid gerichtet ist und daher in Bewegungsrichtung des Körpers wirkt. Die Impulshöhe in Bewegungsrichtung ist I = (c-w) . Bei Raketen wird der Impuls durch Ausstoß mit der Geschwindigkeit c eines mitgeführten Mediums erzeugt. Die Impulshöhe ist damit I = .c.

Bei derartigen Antrieben liegt die Höhe des maximalen Impulses bei kleinen Geschwindigkeiten kaum über dem Impuls bei höheren Geschwindigkeiten. Bei Propellern und Strahl- triebwerken steigt mit der Körpergeschwindigkeit v auch die Einströmgeschwindigkeit w. Damit sinkt zwar der spezifische Impuls pro kg durchgesetztes Medium. Mit steigender Ge¬ schwindigkeit v steigt auch der Staudruck vor dem Trieb¬ werk und damit die Ausströmgeschwindigkeit c und ebenso steigt die durchgesetzte Masse m, so daß insgesamt der Impuls (Schub) mehr oder weniger konstant bleibt. Bei Raketen ist die Konstanz der Vortriebkraft direkt aus der Formel ablesbar.

Von Fahrzeugantrieben her kennt man die Wirkungsweise

von Getrieben. Mit Hilfe der Getriebe läßt sich für kleine Geschwindigkeiten das maximale Abtriebsdrehmoment an den Rädern erhöhen, damit die Vortriebskraft und das Beschleunigungsverhalten verbessern und der Energie- verbrauch senken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erhöhung der Vortriebskraft bei kleinen Geschwindigkeiten auch bei solchen Antrieben zu ermöglichen, die mit einer Impulsanderung eines angesaugten und ausgestoßenen Fluids arbeiten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Danach erfährt das durch die Unterdruck¬ erzeugung beschleunigte und angesaugte Fluid in einem an dem angetriebenen Körper festen Kanal eine Änderung der Strömungsrichtung. Das durch den Kanal strömende Fluid erzeugt durch die Richtungsänderung einen Impuls gegen die Kanalwände. Dieser Impuls ist dabei so ge¬ richtet, daß er zusätzlich zu dem durch das ausgestoßene Fluid erzeugten Impuls in Bewegungsrichtung wirkt. Dadurch wird einerseits der Impuls mw, der aus dem entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers einströmenden Fluid resultiert, vermieden und andererseits der gegen die Kanalwand gerichtete Impuls zu dem "Rückstoßimpuls" des ausgestoßenen Fluids addiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es somit, bei Luft- und Wasserfahrzeugen den Startschub drastisch zu erhöhen und/oder den Triebstoffverbrauch wesentlich zu senken. Infolge der höheren Startbeschleunigung kommen Flugzeuge mit kürzeren Startbahnen aus; der geringere Treibstoffverbrauch führt nicht nur zu einer Verringerung der Umweltbelastung, sondern gestattet es auch, den mitgeführten TreibstoffVorrat zu verkleinern und damit die Nutzlast und Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs zu erhöhen. Vorteilhafte Weiterbildungen zur Impulsverbinding sowie Anwendungen und Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine in Verbindung mit einem Propellerantrieb verwendbare Vorrichtung zur Erhöhung der

Vortriebskraft, Fig. 2a und 2b Vektordiagramme zur Erläuterung der

Wirkungsweise, Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Strahltriebwerk mit einer Vorrichtung der

Vortriebskraft , Fig. 4 die Anwendung der Erfindung bei einem Segner ' sehe

Rad, Fig. 5 bis 7 die Anwendung der Erfindung bei der Niederdruckturbine einer zweiwelligen Gasturbine, wobei Fig. 5 eine Stirnansicht, Fig. 6 einen Axialschnitt und Fig. 7 einen ringförmigen Schnitt um die Achse in Höhe der Linie A-A der Fig. 6 zeigt, und Fig. 8 die Anwendung der Erfindung bei einem Fluggerät. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist einen ver¬ stellbaren Kanal zur Umlenkung des Saugstroms vor einem Propeller auf. Der Propeller 1 sitzt auf einer Antriebs¬ welle 2, die von einer Kraftmaschine gedreht wird. Der Propeller 1 diene zum Antrieb eines Schiffes; d.h. die

Bewegungsrichtung des getriebenen Schiffes sei in Richtung der Antriebswelle 2 (durchgezogener Pfeil) , die Aussto߬ richtung des Fluids in Richtung des gestrichelten Pfeiles 3, also entgegen der Bewegungsrichtung des Schiffes. Der Propeller 1 ist in einem Kanal 4 angeordnet, der an seinem vorderen Ende in zwei gekrümmten Kanälen 5, 6 endet. Die Kanäle 5, 6 werden durch einzelne teleskopähnlich ineinander verschiebbare Rohrstücke 7 gebildet. Durch Ineinanderschieben der Rohrstücke wird der gekrümmte Kanalabschnitt verkürzt und der Krü mungswinkel verkleinert. Damit wird die Richtungsänderung des einströmenden Fluids

verringert. Bei völlig auseinandergeschobenen Rohrstücken 7 wird das Fluid vom Propeller 1 in Bewegungsrichtung des Schiffes angesaugt und durch die Kanäle 5, 6 so (um 180°) umgelenkt, daß es durch den Propeller 1 entgegen der Bewegungsrichtung des Schiffes ausgestoßen wird. Sind die Rohrstücke 7 vollständig ineinander geschoben, wird das Fluid nahezu entgegen der Bewegungsrichtung des Schiffes angesaugt und entgegen der Bewegungsrichtung des Schiffes ausgestoßen. Es gleicht dann der herkömm- liehen Schiffsschraube.

Die verbessernden Effekte lassen sich folgendermaßen erläutern: Durch die Erzeugung eines Unterdruckes wird das zunächst als ruhend angenommene Fluid der Umgebung in Richtung der Stelle des Unterdruckes beschleunigt. Dadurch entsteht eine Art Wind zum Ort des Unterdruckes. Bei herkömmlichen Propellern und Strahltriebwerken weht dieser Wind von vorne, also entgegen der Bewegungsrichtung und erzeugt so einen bremsenden Impuls. Bei der erfindungs¬ gemäßen Lösung bläst dieser Wind in Bewegungsrichtung gegen den gekrümmten Kanal, erzeugt somit einen Impuls in Bewegungsrichtung und dadurch einen Schub.

Die Kräfte, die den Vortrieb erzeugen, kann man anhand der 'Geschwindigkeitsdreiecke" der Figuren 2a und 2b erläutern. Figur 2a zeigt die "Geschwindigkeits- dreiecke" eines konventionellen Propellers und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich bei geringen Geschwindigkeiten. Das Diagramm I gibt dabei die Verhält¬ nisse für einen konventionellen Propeller wieder. Der konventionelle Propeller erzeugt einen Unterdruck und saugt das den Körper umgebende Fluid der Masse m mit der Relativgeschwindigkeit w. gegen die Richtung des Geschwindigkeitsvektors v ein. Die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs bzw. des Propellers ist v. Das den Körper umgebende, zunächst ruhende Fluid wird damit auf die Absolutgeschwindigkeit c. vor dem Propeller gebracht.

Durch Vektoraddition erhält man c . In der Propellerebene findet praktisch ein Drucksprung statt.

Dadurch wird das Fluid auf die Relativgeschwindigkeit w beschleunigt. Vektoraddition des Geschwindigkeit vektors v mit dem Vektor der Relativgeschwindigkeit waus führt zum Vektor caus. Die Schubleistung an dem Körper ist damit: P = πt.v. (waus„ - wi.n) .

Weg ³ en caus = waus - v und ci.n = wi.n - v ist:

P = m.v. (waus - v - wi.n + v) = m(caus.v - cm. .v) .

Das Diagramm II der Figur 2a zeigt die Geschwindig¬ keitsdreiecke für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Wieder wird das den Körper umgebende Fluid des Umgebungsdruckes p mit der Relativgeschwindigkeit w. eingesaugt, nur diesmal in gleicher Richtung mit dem Geschwindigkeitsvektor ^v - Durch den Saugvorgang wird daher das den Körper umgebende ruhende Fluid auf die sehr viel höhere Absolutgeschwindig- keit c.* beschleunigt, in den Kanälen 5, 6 der Figur 1 umgelenkt und gelangt vor den Propeller. Dort wird der Drucksprung erzeugt und das Fluid strömt mit der Relativ¬ geschwindigkeit w vom Propeller ab. Wie beim konven¬ tionellen Propeller ergibt sich die Absolutgeschwindig- keit caus durch Vektoraddition von waus und v.

Der Unterschied der erfindungsgemäßen Maschine zum konventionellen Propeller oder Strahltriebwerk ergibt sich also auf der Saugseite.

Die Schubkräfte kann man folgendermaßen herleiten: Der Druck des umgebenden, ruhenden Fluids sei p .

Beim konventionellen Propeller ist in der Propellerebene mit der Querschnittsfläche A die Durchströmgeschwindig¬ keit c = (c + v) /2 (mit: c = Abströmgeschwindigkeit relativ zum Propeller und v = Fluggeschwindigkeit.

Da direkt vor und hinter dem Propeller die Geschwindigkeit des ein- und des austretenden Fluids gleich ist, ist auch dessen Impuls gegen den Propeller gleich. Die Vortriebskraft entsteht nur durch die Druckdifferenz (p ₂ - p..) des Druckes p_ direkt hinter dem Propeller und des Druckes p ₁ direkt vor dem Propeller. Der Schub S = (p_ - P-)A ergibt sich als Produkt dieser Differenz

mit der vom Propeller überstrichenen Fläche A . Es läßt sich zeigen, daß (p- - p.,) =(c 2 - v2).p/2 ist°(vgl. z.B.

Becker, E.; Piltz, E.; Übungen zur technischen Strömungs¬ lehre; Teubner Stuttgart 1984 S. 43 ff) . Wegen m = m = Ao.σo.p = (σ + v).p.Ao/2 ist der Schub des konven- tionellen P all: S = (p2.-pI (c-v) . (c+v) m(c-v) ;

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat man einen

Rohrkrümmer mit der Zuströmgeschwindigkeit w. im Einlaß- querschnitt A. und der Abströmgeschwindigkeit w im

Auslaßquerschnitt A . Zur Vereinfachung betrachte man einen stillstehenden Rohrkrümmer (v=0) , der das Fluid um 180°umlenkt (vgl. Abb. 1) . Wenn man noch annimmt, daß A. =Λ und

(weg ³ en 2.w.n)) Ao/2, dann kann man die Kraft auf den Rohrkrümmer mit Hilfe der bekannten Formeln herleiten (vgl. z.B.

Becker, E.; Technische Strömungslehre; Teubner Stuttgart,

2 5. Aufl. 1982 S. 43 ff) . Es ist p. = p - w. .p/2 und p ^r aus = P*o- Daher erg ^r ibt sich auf den Rohrkrümmer eine

Vortriebskraft F: us)Aaus =

= (w?in.p ^κ /2)Ao + wa ² us.p.Ao 12 = (c ² /4 + c ² ).p.Ao/2 =

= 1,25.m.c.

Das heißt, daß allein durch das erfindungsgemäße Umlenken des Ansaugfluids die Vortriebskraft um 25 % erhöht wird. (Hinweis: Wegen der modifizierten BERNOULLI-Formel für Gase wird die Erhöhung bei Luft noch sehr viel stärker.)

Setzt man nun hinter die Auslaßöffnung A noch einen Injektor entsprechend Figur 3, bei dem das vom Propeller abströmende Fluid Treibstrom und das umgebende Fluid des Druckes p Förderstrom ist, der in einem Rohr¬ krümmer um 180° umgelenkt wird, dann kann man den Stand¬ schub noch weit mehr erhöhen. Man nehme dazu an, daß im Mischkanal 14 gemäß Figur 3 der Treibstrom von der Abströmgeschwindigkeit c auf die Mischgeschwindigkeit c/5 abgebremst wird. Nach dem Impulssatz (vereinfachte Herleitung) gilt:

.

^c ' ^m Treib ^{= (m} Treib ^{+ m} Pörd ^ϊ ' ^{c /S} Daraus folgt: ιr_ _Fδrd = 4 m^^. Unterstellt ma «n, daß die Einströmgeschwindigkeit des

Förderstroms m_.. , in den Rohrkrümmer 13 ebenfalls c/5 ist, dann muß der Einlaufquerschnitt A*. (wegen (Kontinuitäts- gleichung: A*^ = (4.it^^^) /(p.σ/5) und wegen: m__ _reib =

= A .p.c/2) sein: o

Erneute Anwendung der Rohrkrümmerforme1 ergibt:

⁼ "Treib ^{* (c + c} / ² ' ⁵⁾ ' Tatsächlich sind die Verbesserungen noch höher. Hinter der

Injektordüse entsteht nämlich ein Unterdruck, so daß der tatsächliche Förderström höher als 4 m _m Trei.b, wird. Die entsprechenden Formeln finden sich in Becker, E. / Piltz, E.;

Übungen ^' ... S.52 und S.110. Danach ist m__.. , = 7.m _Tre;j _ _j;) , daher Ae*i.n = 17,5.Ao und damit F s 2,3.m_rei - ^b. c .

Insgesamt ergibt sich durch Umlenken des Ansaugfluids und durch Verwendung des Injektors (vereinfachte Herleitung) eine Erhöhung des Standschubes um über 65 %.

Die absolute Einströmgeschwindigkeit c. kann nicht unbegrenzt hoch werden. Damit man dennoch mit hohen Ge¬ schwindigkeiten fahren kann, sind die Einströmkanäle verstellbar. Dies wurde für Figur 1 beschrieben und gilt auch für Figur 3.

Figur 2b zeigt die dafür gültigen Einströmdreiecke. Dabei zeigt Diagramm I das aus der Erweiterung der Quer¬ schnittsfläche der Einströmkanäle resultierende Ge- schwindigkeitsdreieck. Dadurch wird die Relativgeschwindig¬ keit wi.n und damit die Länge des Vektors wi.n verring ³ ert,

Das Diagramm II zeigt ein Geschwindigkeitsdreieck der erfindungsgemäßen Maschine bei Änderung der Einström¬ richtung. Ändert man die Richtung des Einströmvektors w.

und gibt seine Länge (= Geschwindigkeit) vor, dann ergibt sich daraus nach den Gesetzen der Vektoraddition ci.n.

Der Vortriebsanteil cvi.n ist dann die Projektion von cm. auf den Strahl auf dem v liegt. Dies entspricht der Umfangskomponente c in der Euler'sehen Formel.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Strahltriebwerk 8 sitzen ein ringförmiger Deckel 9 und ein Zentralkörper 10 vor dem Strahltriebwerk und lenken die Ansaugluft um. Deckel 9 und Zentralkörper 10 können verschoben werden. Bei geringeren Geschwindigkeiten werden zunächst Deckel 9 und Zentralkörper 10 gemeinsam nach vorne verschoben und damit Einstrδmwinkel und Einströmquerschnitt geändert. Dann wird durch Zurückziehen des Deckels 9 und Vorschieben des Zentralkörpers 10 der Ringspalt 11 geöffnet, wodurch die Ansaugluft nahezu von vorne einströmt. Zur zusätz¬ lichen Schuberhöhung bei kleinen Geschwindigkeiten ist hinter der Triebwerksdüse 12 ein Injektor (Ejektor, Strahlapparat) angebracht. Dieser besteht aus der Trieb¬ werksdüse 12, die die Treibdüse des Injektors darstellt, teleskopartig verstellbaren, gekrümmten Rohrstücken 13, die die Förderkanäle des Injektors bilden und teleskop¬ artig verschiebbaren geraden Rohrstücken 14, die den Mischungskanal des Injektors bilden. Im Injektor entsteht ein Impulsausgleich, indem der Treibstrom abgebremst und der Förderström beschleunigt wird. Insgesamt bleibt der Impuls erhalten und damit auch die Vortriebskraft. Zusätzlich entsteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Umlenkung des mit der Bewegungsrichtung einströmenden Förderfluids ein Vortriebsimpuls. Bei höheren Geschwindigkeiten werden die gekrümmten Rohrstücke 13 und die geraden Rohrstücke 14 ineinander geschoben und damit der Injektor "ausgeschaltet".

Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 21 an der Auslaßdüse 22 eines mit Dampf oder Gas betriebenen Segner'sehen Rades 20. Wie beim Injektor des Triebwerks

nach Figur 3 bewirkt der zuströmende Förderstrom ein zusätzliches Drehmoment.

Figuren 5 bis 7 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung an der Niederdruckturbine einer zweiwelligen Gasturbine. Zweiwellige Gasturbinen werden unter anderem als Fahrzeug¬ antriebe eingesetzt. Dabei treibt in der Regel die Hoch¬ druckturbine den Verdichter und die Niederdruckturbine den Fahrzeugantrieb. Die Niederdruckturbine dreht also in Abhängigkeit von der FahrZeuggeschwindigkeit unter- schiedlich schnell. Bei niedrigen Drehzahlen hat sie einen schlechten Wirkungsgrad.

Das in den Figuren 5 bis 7 gezeigte Turbinenlaufrad 25 hat die Eigenschaften zweier Turbinenlaufräder. Bei niedrigen Raddrehzahlen werden durch einen Ringschieber 26 die Hochgeschwindigkeitskanäle 27 verdeckt und die Nieder- geschwindigkeitskanäle 28 geöffnet. Damit strömt das von der Hochdruckturbine kommende Gas durch das Leitrad 29 in die Niedergeschwindigkeitskanäle 28 des Turbinenlauf¬ rades 25. Die Niedergeschwindigkeitskanäle 28 enden in Treibdüsen 30 von Injektoren. Die Förderkanäle 31 dieser Injektoren saugen das Umgebungsgas in Drehrichtung an und bewirken durch Umlenkung ein zusätzliches Drehmoment auf das Laufrad. Durch die Mischungskanäle 32 strömt das Gas aus dem Laufrad ab. Bei höheren Raddrehzahlen werden mit dem Ringschieber 26 die Niedergeschwindigkeitskanäle verschlossen und die Hochgeschwindigkeitskanäle 27 geöffnet. Dann strömt das Gas durch diese.

Figur 8 zeigt erfindungsgemäße Antriebe an einem Fluggerät. Zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 40, 41 hängen an einem Träger 42 über dem Flugkörper 43. Sie beinhalten Propeller 44, 45, die von einer Zentralwelle 46 und einer Antriebswelle 47 eines in oder über dem Flugkörper 43 angeordneten Motors angetrieben werden. Die Maschinen 40, 41 sind über eine Steuerhydraulik 50 um den Träger 42 schwenkbar. In der gezeigten Stellung bewirken die Vorrichtungen 40, 41 reinen Auftrieb.

Schwenkt man beide Vorrichtungen nach vorne, so erhält man einen Vortrieb; schwenkt man sie nach hinten, so wird das Fluggerät abgebremst. Schwenkt man eine Vorrichtung nach vorne und eine nach hinten, so dreht das Fluggerät in der Luft. Analog lassen sich durch unterschiedliche Neigungen der Vorrichtungen Kurven fliegen. Das Fluggerät kann mit einem Tragflügel 51 ausgestattet sein, so daß bei hohen Geschwindigkeiten die Vorrichtungen reinen Vortrieb erbringen können und der Tragflügel für den Auftrieb sorgt. Die Tragflügel können bei "Hubschrauber¬ betrieb" eingeschwenkt werden.