DE102014001583A1

DE102014001583A1 - Luftfahrzeug mit hybridfan

Info

Publication number: DE102014001583A1
Application number: DE102014001583.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-06

Abstract

Architektur und Antriebskonzept für Flugzeuge, vorzugsweise Leichtflugzeuge mit Mantelpropellern in Reiseflugauslegung und mit Boostersystemen für erhöhte Schubkräfte im Stand und im Steigflug.

Description

Leichtflugzeuge, vorzugsweise solche, die mit Kolbenmotoren angetrieben werden, weisen im Wesentlichen eine identische Architektur auf, bei der ein Propeller vorne im Rumpf den Vortrieb erzeugt. Unterschiede sind in solchen Flugzeugen allenfalls in der Anordnung der Tragflächen zu finden, die entweder als Hochdecker oben am Rumpf oder als Tiefdecker an der Rumpfunterseite angebracht sind.
Dieses Konzept hat den Nachteil, dass die beschleunigte Luft an den größten Teilen der Zelle, nämlich am Rumpf, Leitwerk und am Flügel/Rumpfübergang entlang geführt wird und dort erhöhten Oberflächenwiderstand erzeugt, da dieser Luftstrahl ja eine deutlich höhere Geschwindigkeit als die Fluggeschwindigkeit aufweist.
Zusätzlich ist dieser Luftstrahl mit Drall behaftet, weist stark ausgeprägte Wirbel auf und verstärkt durch die Strahlkontraktion die oben beschriebenen, negativen Effekte noch weiter.
Der Einbauwirkungsgrad dieser Antriebssysteme ist somit sehr schlecht.
Deutlich besser verhalten sich Druckpropeller, die am Rumpfende angebracht sind, da die Umströmung von Rumpf und Flügel/Rumpfübergang damit laminar bleibt und zusätzlich durch den Absaugeffekt des Druckpropellers im Bereich des Druckanstieges durch die Verjüngung der Querschnitte zum Heck hin ein Abreißen der Strömung verhindert wird.
Diese Antriebe haben sich dennoch nicht durchgesetzt, da sie zwangsläufig im Zustrom vor der Propellerebene Störungen ausgesetzt sind, z. B. im Schatten von Tragwerks- oder Leitwerksteilen oder auch tragenden Elemente des Rumpfes. Diese Störungen führen dazu, dass die Propellerblätter während eines Umlaufes zyklisch in diesen Schattenzonen reduzierte Anströmungsgeschwindigkeiten vorfinden, die wiederum die aerodynamisch wirksamen Blattanstellwinkel beeinflussen, so dass neben lärmerzeugenden Druckschwankungen auch ungünstige Strömungszustände an den Propellerblättern entstehen, die den Propellerwirkungsgrad erheblich verschlechtern.
Eine elegante Lösung dieses Problems liegt in der Verwendung von Mantelpropellern, da damit sehr viel kleinere Propellerkreisflächen benötigt werden und sich somit neue Anordnungsmöglichkeiten der schuberzeugenden Systeme ergeben.
Eine Möglichkeit dazu ist in der De 10 2012 018 499.9 beschrieben, bei der zwei Mantelpropeller im Winkel zwischen Rumpf und Tragwerk so angeordnet werden, dass ein Teil der Mantelflächen im Rumpf bzw. im Tragwerk verschwinden. Damit soll erreicht werden, dass der Widerstand der Mantelflächen, der im Reiseflug deutlich wird, verringert werden kann. Allerdings wird dabei auch ein Teil des Nasenschubes, der im Stand und Steigflug den Schub erhöht, aufgegeben.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem zunächst ebenfalls zwei Mantelschrauben im hinteren Rumpfbereich angeordnet werden, allerdings weiter hinten und im Abstand zu Rumpf und Tragwerk, so dass ein vollständiger Umfang eines jeden Mantels frei umströmt wird.
Um den Widerstand der Mantelflächen im Reiseflug zu minimieren, wird das Profil des Mantels klein gewählt, wodurch allerdings der Standschub wegen der Reduktion der Nasenumströmung verschlechtert wird.
Um diesen Verlust auszugleichen, wird ein Elektroantrieb parallel zum Verbrennungsmotor zugeschaltet, der die Leistung im Stand und im Startsteigen erhöht. Bei z. B. einer Leistungserhöhung von 30% würde der Schubverlust durch das Schnellflugprofil des Mantels vollständig ausgeglichen.
Die Propellerblätter können zur Anpassung an diese Zusatzleistung auf erhöhte Anstellwinkel fest eingestellt werden, so dass die Leistungsaufnahme im Stand der erhöhten Leistung angepasst ist und im Reiseflug die gleiche Einstellung weitgehend zur Dauerleistung des Verbrennungsmotors angepasst ist.
Die Ummantelung der Propeller wird damit nur zur Reduktion der Blattspitzenumströmung genutzt, also zur Verminderung der induzierten Widerstände der Propellerblätter und nicht zur Schubmaximierung durch Nasenschub des Mantels.
Die Antriebsleistung des Elektromotors wird aus einer Batterie gespeist, die nur für eine sehr kurze Phase von 2–8 Minuten zur Verfügung stehen muss und entsprechend leicht und preiswert ist. Außerdem kann sie genutzt werden zur Bordnetzversorgung und zur Balance der Schwerpunktwanderung bei wechselnden Passagierzahlen, in dem sie im Bug angebracht wird. Auf diese Weise können Pilot und Passagier z. B. bei einem zweisitzigen Flugzeug näher am Schwerpunkt positioniert werden, da sie nicht mehr zum Massenausgleich des Triebwerks benötigt werden. Die Schwerpunktänderung zwischen einsitzigem und zweisitzigem Flug wird damit erheblich reduziert.
Nach dem Start oder spätestens im Sinkflug läuft die E-Maschine im Generatorbetrieb und lädt die Batterie wieder auf.
Im Falle eines Ausfalls des Verbrennungsmotors steht der E-Antrieb zur Verfügung, um den Sinkflug zu einem Ausweichflugplatz oder zu einem Notlandefeld auf einen deutlich erhöhten Radius zu erweitern. In einer besonderen Ausführung wird in diesem Fall des Ausfalles des Verbrennungsmotors eine Trennkupplung vorgesehen, um den Schleppwiderstand des Verbrennungsmotors zu vermeiden.
In einer erweiterten Variante ist die Trennkupplung beliebig ab- und zuschaltbar und die Leistung der E-Maschine so dimensioniert, dass im reinen Elektroflug noch die vorgeschriebenen Minima der Steigfähigkeit wie bei 2-motorigen Flugzeugen festgelegt erfüllt werden, so dass der Verbrennungsmotor beim Landeanflug oder in der Platzrunde nach dem Start völlig abgeschaltet werden kann. Auf diese Weise wird die Lärmemission in Flugplatznähe weitgehend eliminiert. Der Lärm des Verbrennungsmotors im Start wird wegen der mit E-Maschine unterstützen Steigfähigkeit des so angetriebenen Flugzeuges ebenfalls deutlich reduziert.
Die Mantelpropeller können je nach Auslegung sowohl von einem zentralen Verbrennungsmotor mit der E-Maschine auf der gleichen Welle über ein Verteilergetriebe und Transmission z. B. durch Riementriebe angetrieben werden, oder es können die E-Maschinen außen auf den Propellerwellen angebracht werden.
In einer anderen Variante ist die E-Maschine mit der Welle des Verbrennungsmotors fest verbunden und wird über eine Leistungselektronik zyklisch gesteuert, so dass die Drehungleichförmigkeiten und die freien Kräfte und Momente erster und höherer Ordnung des Verbrennungsmotors durch die zyklische Kompression und Zündung ganz oder teilweise kompensiert werden.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, statt eines größeren Verbrennungsmotors einzelne 1- oder 2-Zylinderaggregate mit je einer elektrischen Maschine so anzuordnen, dass sie zusammengeschaltet die Leistung z. B. eines 6-Zylindermotors gleichen Hubraumes erzielen, ohne jedoch eine entsprechend aufwendige Kurbelwelle zu benötigen und mit dem weiteren Vorteil, dass die Total-Ausfallwahrscheinlichkeit von z. B. drei unabhängigen 2-Zylindermaschinen um einen Faktor 9 geringer ist als bei einem 6-Zylinder Motor gleicher Leistung. Hinzu kommt der Vorteil der Modularität, mit der solche Aggregate additiv zusammengefasst werden können aus einer Vielzahl von Wiederholteilen.
In einer weiteren Ausführung ist die Antriebsmaschine keine getaktete Verbrennungsmaschine sondern beruht auf einem stetigen Verbrennungsprozess, bei dem ein Strömungsmedium (Wasser oder Luft) erhitzt wird und eine Turbine antreibt. Eine solche Maschine erzielt bei hohen Drehzahlen hohe Leistungsdichten und ist erfindungsgemäß mit einer ebenfalls sehr hochdrehenden elektrischen Maschine gekoppelt, die im Generatorbetrieb die elektrische Leistung zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschinen sicherstellt. Ein Getriebe kann somit vollständig entfallen.
Die durch Reihenschaltung (Antriebsmaschine, Generator, E-Motor) bedingte Verschlechterung der Ausfallsicherheit wird in diesen Ausführungen vorzugsweise dadurch kompensiert, dass eine oder mehrere Pufferbatterien integriert wird, die bei Ausfall der Antriebsmaschine und/oder des Generators und evtl. auch eines der beiden Motoren noch eine – zeitlich begrenzte – Flugfortführung mit ausreichender Leistung ermöglicht, ähnlich wie bei zweimotorigen Flugzeugen bei Ausfall eines Triebwerks. Die Pufferbatterie dient dabei gleichzeitig auch als Booster zur Leistungserhöhung bei Start oder Notsituationen, in denen besondere Steig- oder Beschleunigungsfähigkeit erforderlich ist.
Beschreibung der Skizzen:
1 zeigt ein erfindungsgemäß gestaltetes Leichtflugzeug 100 als 2-Sitzer mit den beiden Mantelschrauben 101, die auf Auslegern 102 montiert sind und über den ausgeprägten Flügel/Rumpfübergang 103 mit laminarer Strömung und ungestörtem Zustrom arbeiten. Die Antriebskomponenten sind im Rumpf und – je nach Ausführung – in den Naben der Mantelpropeller positioniert und hier nicht genauer dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012018499 [0008]

Claims

Auslegung und Architektur für Flugzeuge, hilfsweise für Leichtflugzeuge mit einem Antriebssystem, in dem statt eines oder mehrerer Propeller zwei oder mehr Mantelpropeller den Vortrieb erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelpropeller seitlich am hinteren Rumpfende angebracht sind und die Mantelprofile auf Reiseflug optimiert sind, also relativ geringe Profildicken aufweisen und dass die damit verbundenen Defizite im Standschub durch eine Boosterleistung der Antriebskraftmaschinen ausgeglichen wird.
Flugzeugauslegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Propellerblätter auf Reiseflug ausgelegt sind und nur durch Zuschalten der Boosterleistung im Stand die volle Drehzahl erreicht werden kann.
Flugzeugauslegung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Booster ein Elektromotor ist, der aus einer Batterie gespeist wird.
Flugzeugauslegung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine kuppelbar ist und ein Antrieb nur mit dem Elektromotor bei Ausfall der Verbrennungsmaschine möglich ist.
Flugzeugauslegung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist, die im Generatorbetrieb und/oder im Motorbetrieb mit zyklisch variierenden Drehmomenten so angesteuert wird, dass die Drehungleichförmigkeit des verbrennungsmotorischen Antriebes teilweise oder vollständig eliminiert wird.
Flugzeugauslegung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Verbrennungsmotors nicht mechanisch an die Mantelschrauben übertragen wird, sondern dass der (die) Verbrennungsmotor(en) nur den Generator antreibt(en) und die elektrische Leistung von dort auf die elektrischen Antriebsmotoren der Mantelschrauben übertragen wird und dass in diesem Fall der Aufbau der Verbrennungskraftmaschine in mindestens zwei separate, voneinander unabhängig lauffähige Antriebsmodule mit zyklischem Ausgleich der Drehungleichförmigkeit aufgeteilt ist.
Flugzeugauslegung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine nicht mit einer getakteten instationären Verbrennung arbeitet sondern mit einer stationären Verbrennung eine kompakte Turbine hoher Drehzahl und einen Generator auf gleichem Drehzahlniveau antreibt und eine elektrische Leistungsübertragung die Motoren an den Mantelschrauben treibt.