DE102014001583A1 - AIRCRAFT WITH HYBRID FAN - Google Patents
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Abstract
Architektur und Antriebskonzept für Flugzeuge, vorzugsweise Leichtflugzeuge mit Mantelpropellern in Reiseflugauslegung und mit Boostersystemen für erhöhte Schubkräfte im Stand und im Steigflug.Architecture and propulsion concept for aircraft, preferably light aircraft with side-by-side propellers in cruising configuration and with booster systems for increased thrust in standing and in climb.
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.Light aircraft, preferably those powered by reciprocating engines, have substantially identical architecture in which a propeller generates propulsion in the front of the fuselage. Differences are to be found in such aircraft at most in the arrangement of the wings, which are attached either as a high-winger at the top of the fuselage or as low-wing aircraft at the bottom of the fuselage.
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.This concept has the disadvantage that the accelerated air is guided along the major parts of the cell, namely at the fuselage, tail unit and at the wing / fuselage transition, where it generates increased surface resistance, since this jet of air has a speed significantly higher than the airspeed.
Zusätzlich ist dieser Luftstrahl mit Drall behaftet, weist stark ausgeprägte Wirbel auf und verstärkt durch die Strahlkontraktion die oben beschriebenen, negativen Effekte noch weiter.In addition, this air jet is associated with swirl, has strong vortices and further amplified by the beam contraction, the negative effects described above.
Der Einbauwirkungsgrad dieser Antriebssysteme ist somit sehr schlecht.The installation efficiency of these drive systems is thus very poor.
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.Significantly better behave pressure propeller, which are attached to the trunk end, as the flow around the fuselage and wing / fuselage transition remains laminar and additionally by the suction effect of the pressure propeller in the region of the pressure increase by the tapering of the cross sections to the rear tearing of the flow is prevented.
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.These drives have not yet enforced because they are inevitably exposed in the influx in front of the propeller level disturbances, z. B. in the shadow of structural or tail parts or supporting elements of the fuselage. These disturbances cause the propeller blades during a cycle cyclically find in these shadow zones reduced flow velocities, which in turn affect the aerodynamically effective blade pitch, so that in addition to noise-generating pressure fluctuations and unfavorable flow conditions occur on the propeller blades, which significantly affect the propeller efficiency.
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.An elegant solution to this problem lies in the use of ducted propellers, since this requires much smaller propeller circular areas and thus results in new arrangements of thrust-generating systems.
Eine Möglichkeit dazu ist in der
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.The present invention solves this problem by first two shell screws are also arranged in the rear fuselage area, but further back and at a distance from the fuselage and the structure, so that a complete circumference of each shell is freely flowing around.
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.In order to minimize the resistance of the lateral surfaces in cruise, the profile of the shell is chosen small, whereby, however, the stall due to the reduction of the nose circulation is deteriorated.
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.To compensate for this loss, an electric drive is connected in parallel to the internal combustion engine, which increases the power in the state and at the start. At z. B. a power increase of 30%, the thrust loss would be completely compensated by the high-speed profile of the shell.
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.The propeller blades can be fixed to adapt to this additional power to increased angle of attack, so that the power consumption is adjusted in the state of increased performance and in cruising the same setting is largely adapted to the continuous performance of the engine.
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.The casing of the propeller is thus used only to reduce the blade tip flow, so to reduce the induced resistances of the propeller blades and not to maximize thrust by nasal force of the shell.
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.The drive power of the electric motor is fed from a battery, which must be available only for a very short phase of 2-8 minutes and is accordingly easy and inexpensive. In addition, it can be used for on-board power supply and to balance the emphasis migration with changing passenger numbers, in which it is attached in the bow. In this way, pilot and passenger z. B. be positioned closer to the center of gravity in a two-seater aircraft, since they are no longer needed for mass balance of the engine. The change in emphasis between one-seater and two-seater flight is thus significantly reduced.
Nach dem Start oder spätestens im Sinkflug läuft die E-Maschine im Generatorbetrieb und lädt die Batterie wieder auf.After starting, or at the latest when descending, the electric motor runs in generator mode and recharges the battery.
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 the event of a failure of the internal combustion engine, the electric drive is available to extend the descent to an alternate aerodrome or to an emergency landing field to a significantly increased radius. In a particular embodiment, a disconnect clutch is provided in this case, the failure of the engine to avoid the drag resistance of the internal combustion engine.
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.In an extended version, the clutch can be switched off and added as desired and the power of the electric motor dimensioned so that in the pure electric flight nor the prescribed minima of climbing ability as set in 2-engine aircraft are met, so that the engine during landing approach or in the course can be completely switched off after the start. In this way, the noise emission near the airport is largely eliminated. The noise of the internal combustion engine in the start is also significantly reduced because of the e-machine support climbing ability of the thus driven aircraft.
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.Depending on the design, the ducted propellers can be driven by a central combustion engine with the electric motor on the same shaft via a transfer case and transmission z. B. be driven by belt drives, or it can be mounted on the outside of the propeller shafts the electric motors.
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.In another variant, the electric motor is firmly connected to the shaft of the internal combustion engine and is cyclically controlled by a power electronics, so that the rotational irregularities and the free forces and moments of the first and higher order of the internal combustion engine compensated in whole or in part by the cyclic compression and ignition become.
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.By this measure, it is possible, instead of a larger internal combustion engine to arrange individual 1- or 2-cylinder units, each with an electric machine so that they connected together the power z. B. a 6-cylinder engine same displacement, but without requiring a correspondingly complex crankshaft and with the further advantage that the total failure probability of z. B. three independent 2-cylinder engines by a factor of 9 is lower than in a 6-cylinder engine of the same power. Added to this is the advantage of modularity with which such aggregates can be summarized additively from a large number of repeatable parts.
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.In another embodiment, the prime mover is not a timed combustion engine but is based on a steady combustion process in which a flow medium (water or air) is heated and drives a turbine. Such a machine achieves high power densities at high rotational speeds and, according to the invention, is coupled to an electrical machine which is also very high-revving and which ensures the electrical power for supplying the electric drive machines during generator operation. A transmission can thus be completely eliminated.
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.The series connection (drive machine, generator, electric motor) caused deterioration in reliability is compensated in these embodiments preferably by one or more backup batteries is integrated in case of failure of the prime mover and / or the generator and possibly also one of the two engines still allows a - limited time - flight continuation with sufficient power, similar to twin-engine aircraft in case of failure of an engine. At the same time, the backup battery also serves as a booster to increase the power at startup or in emergency situations in which special climbing or acceleration capability is required.
Beschreibung der Skizzen:Description of the sketches:
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