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Radialgebläse für den Antrieb von Flugzeugen Die Erfindung betrifft
ein verstellbares bzw. umschaltbares Radialgebläse, insbesondere ein Gebläse für
den Antrieb von Flugzeugen beim Vertikal- und Geradeausflug.
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Bei Flugzeugen für Senkrechtstarts und -landungen, die mit Auftriebsgebläsen
ausgerüstet sind, verwendet man für den Antrieb normalerweise solche Gebläse, welche
grosse Luftmengen mit geringer Geschwindigkeit bewegen. Ein solches Auftriebsgebläse
kann z.B. von einer Blattspitzenantriebsturbine getrieben sein und ist an der Tragfläche
oder am Rumpf angeordnet; seine Antriebsturbine wird von den heissen Abgasen eines
entfernt liegenden Gasgenerators getrieben. Das Auftriebsgebläse kann aber auch
ein solches Gebläse sein, dessen Achse während der Auftriebsphase eine vertikale
Lage einnimmt und dann so geschwenkt werden kann, daß seine Achse dann für den .Vorwärts-
,
bzw. Geradeausflug horizontal liegt. Die Auftriebsgebläse sind
üblicherweise solche mit grossem Luftdurchtritt bei Niederdruckverhältnissen. Eine
derartige Antriebsvorrichtung ist zwecks starker Schubsteigerung für das Abheben
des Flugzeugs vom Boden erforderlich. Dagegen ist zur Fortbewegung des Flugzeugs
in der Luft mit hoher Geschwindigkeit ein Gebläse mit geringem Luftdurchtritt bei
Hochdruckverhältnissen erforderlich, um einen ausreichend schnellen Vorwärts- bzw.
Geradeausflug zu gewährleisten. Diese verschiedenen Voraussetzungen für die beiden
erwähnten Betriebsarten werden im allgemeinen beide von derselben Vorrichtung erfüllt.
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Für beide Betriebsarten werden Gebläse verwendet. Für die Phase des
Vertikalfluges, d.h. des Senkrechtstarts und der entsprechenden Landung wird der
Luftstrom mittels einer Ablenk- bzw. Leitvorrichtung nach unten, und dann für den
Hori-
geringen Luftdurchsatzes unter Hochdruckverhältnissen für einen
schnellen Vorwärtsflug mit hoher Geschwindigkeit erfüllt. Überdies wäre eine solche
Vorrichtung, die an bereits vorhandenen Flugzeugen angebracht werden könnte, sehr
vorteilhaft, zumal sie nicht einen völlig neuen Flugzeugkörper, der um das Antriebssystem
herumgebaut werden müßte, notwendig machen würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verstell- bzw. umschaltbares
Radialgebläse zu schaffen, das an Flugzeuge angebaut werden kann; dieses Gebläse
soll der Erzeugung einer ausreichenden Auftriebskraft für einen Senkrechtstart des
Flugzeugs, und nach erfolgter Umstellung o.dgl. mit Hilfe einer Schalt- oder Umkehreinrichtung
der Erzeugung einer Schubkraft für den Vorwärts- bzw. Geradeausflug mit hoher Geschwindigkeit
dienen. Zur Lösung der vorerwähnten Aufgabe wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen,
ein umschaltbares Radialgebläse für den Antrieb von Flugzeugen beim Vertikal- als
auch beim Horizontalflug durch Schubkräfte in der Seise auszubilden, daß ein flaches
Gehäuse mit einem sich von einer vorderen Stirnfläche zur entgegengesetzten hinteren
Stirnfläche erstreckenden Strömungskanal vorgesehen wird, indessen Innenraum eine
um eine vertikale Achse drehbar gelagerte und angetriebene Scheibe angeordnet ist,
an welcher entlang ihres Umfangs achsparallel in den.Strömungskanal ragende Laufschaufeln
befestigt sind, vor und hinter denen in Strömungsrichtung am Gehäuse befestigte
Leitschaufeln angeordnet sind., wobei der
Strömungskanal im Gehäuse
durch eine von zwei gegenüberliegenden Seiten gegen die Scheibe und deren Schaufelkranz
ragende Trennwand in einen Eintrittskanal und in einen Austrittskanal unterteilt
ist. Das Gebläse besitzt an der rotierenden Scheibe befestigte Laufschaufeln, die
als Aktions- oder Gleichdruckschaufeln ausgebildet sind, sowie Leitschaufeln im
hinteren Teil des Strömungskanals, die zwecks Strömungsumkehr um ihre Schaufelachsen
zwischen zwei Endlagen schwenkbar gelagert und mittels einer Antriebsvorrichtung
gemeinsam verstellbar sind. Im Boden des Gebläsegehäuses zentral unterhalb der rotierenden
Scheibe mit den Laufschaufeln und innerhalb der Leitschaufelkränze, befindet sich
eine wahlweise verschliessbare Luftaustrittsöffnung.
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Ein derart ausgebildetes umschaltbares Gebläse vermag bei horizontaler
Lage beim Horizontalflug einen horizontalen Schub zu erzeugen, da hierbei-die Öffnung
im Gehäuseboden verschlos-
es die durch die vordere stirnseitige Eintrittsöffnung eintretende Luft in der vorderen
Hälfte des Strömungskanals bzw. der dort befindlichen Beschaufelung verdichtet;
das gleiche geschieht im hinteren Teil des Strömungskanals bzw. im Bereich der hinteren
Hälfte der Beschaufelung, so daß die Luft horizontal aus der hinteren Schubdüse
mit hoher Geschwindigkeit ausströmt. Für den Vertikalflug beim Starten und Landen
ist die Bodenöffnung im Gehäuse geöffnet und die im hinteren Bereich des hinteren
Teils des Strömungskanals befindlichen
Leitschaufeln sind umgestellt,
so daß das Gebläse nunmehr einstufig arbeitet, wobei die Luft durch die vordere
mintrittsöffnung und die hintere Austrittsöffnung in das Gebläse eintritt und nach
unten durch die Öffnung im Gehäuseboden ausgedrückt wird. Dadurch werden grosse
Luftmengen bei relativ gerlnger Luftgeschwindigkeit bewegt, um einen stanken Auftrieb
zu erzeugen,, Vorteilhafterweise wird die rotierende Scheibe des Gebläses von einer
Gasturbine angetrieben, deren Laufschaufeln ebenfalls an der rotierenden Scheibe
achsparallel angebracht sind., so daß der Strömungskanal für die Antriebsturbine
und, der Strömungskanal für die Luft in parallelen Ebenen übereinanderliegend angeordnet
sind.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemässen Gebläses
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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In den Figuren 1 bis 5 ist der Gegenstand der Erfindung anhand eines
besonders dargestellt, welches nachstehend im einzelnen näher beschriehen ist. Es
zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch das an einer Tragfläche bzw unter dieser
anbringbare, verstellbare, turbinengetriebene Radialgebläse;
Fig.
2 einen Horizontalschnitt durch-das Gebläse, und zwar dessen Antriebsturbinenteil
entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 4 eine Aufsicht auf ein mit den erfindungsgemässen Radialgebläsen nach den
Figuren 1 bis 3 ausgerüstetes Flugzeug; Fig. 5 ist eine Vorderansicht des Flugzeugs
nach Fg. 4 Bei der Konstruktion des verstellbaren turbinengetriebenen Radialgebläses
gemäss der vorliegenden Erfindung ist, wie Fig. 1 erkennen lässt, vorzugswese davon
ausgegangen worden, das Antriebsaggregat-so niedrig wie möglich zu gestalten, damit
es eine möglichst kleine, d.h. niedrige Stirnquerschnittsfläche erhält. Das Gebläse
wird von den heissen Gasehaus einem Gasgenerator angetrieben-, der wirgendwo an
geeigneten Stelle untergebracht ist. Selbstverständlich kaln man das Radialgebläse
auch mittels anderer Antriebsmaschinen als durch eine geeignete Gasturbine antreiben,
auch wenn der dargestellte und beschriebene Antrieb vorzuziehen ist.
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Der leichteren Darstellung wegen ist nachstehend eine Ausführungsform
des Radialgebläses beschrieben, welches an bzw. -' unter der Tragfläche eines Flugzeuges
angebracht und als ein abnehmbares Bauteil ausgebildet ist, wie dies insbesondere
aus Fig. 4 und 5 hervorgeht.
wird, welche die unten liegende Luftaustrittsöffnung überbeückt. Zum Antrieb der
Scheibe 10 dient ein Turbinensystem, dessen Beschaufelung auf der Oberseite der
Scheibe bzw. oberhalb der Scheibenebene angeordnet ist. Diè Scheibe 10 trägt auf
ihrer Oberseite einen Kranz von Laufschaufeln 14, wie Fig. 1 und 2 zeigen, vor denen
in Strömungsrichtung Leitschaufeln 15 angeordnet sind, die die Gase im richtigen
Winkel die Laufschaufeln 14 anströmen lassen. Da der heisse Gasstrom immer dieselbe
Richtung hat, sind keine verstellbaren Leitschaufeln für die Antriebsturbine erforderlich.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können die heissen Gase eines Gasgenerators 32 über
einen Zwischenkanal in die Turbineneintrittskammer 16 m Gehäuse 12 gelangen, welche
sich weitgehend um den vorderen Teil der Scheibe 10 herum erstreckt, wie Fig. 2
zeigt.
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Die Trennwände 17 und 18 trennen die Eintrittskammer 16 von dem Austrittsschacht
19. Hei dieser Ausführungsform bildet der einfache, an der Oberseite der Scheibe
10 befindliche Kranz von Turbinenlaufschaufeln 14 eine zweistufige Turbine, deren
erste Stufe Inder vorderen, eintrittseitigen Hälfte vor den Trennwänden
17 und 1$ und deren zweite Stufe in der
hinteren austrittseitigen
Hälfüeliegt. Der Gasstrom durch-
strömt den ganzen Innenraum
zwischen den vorn liegenden Laufschaufeln 14 und den hinteren Leitschaufeln 15 oberhalb
der Scheibe 10, um nach dem Austritt aus den hinteren Laufschaufeln 14 durch den
Austrittsschacht 19 abzuströmen. Auf diese Weise wird mit einem einfachen Kranz
von Turbßinenlaufschaufein 14 eine zweistufige Turbine gebildet.
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Zur Förderung grosser Luftmengen bei Niederdruckverhältnissen ist
gemäss der vorliegenden Erfindung ein verstellbares Radialgebläse an der Unterseite
der Scheibe 10 angeordnet.
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Wie die Figuren 1 und 3 erkennen lassen, erfolgt die Luftförderung
durch einen an der Unterseite der Scheibe 10 befindlichen Kranz von ebenfalls achsparallel
angebrachten Aktions- bzw. Gleichdruckschaufeln 20. Die Laufschaufeln 20 des Gebläses
müssen Gleichdruckschaufeln sein, da der Luftstrom sowohl radial nach innen als
auch radial nach aussen zwischen ihnen hindurchströmen muss. Hieraus ergibt sich,
daß der Luft durch die Gleichdruckbeschaufelung infolge Änderung der Geschwindigkeit
und ohne Veränderung des statischen Druckes Energie zugeführt wird. Somit erfolgt
keine Druckänderung durch die Schaufeln 20, sondern ledigleich eine Änderung der
Geschwindigkeit. Demzufolge arbeiten die Schaufeln 20 in beiden Richtungen gleich
gut.
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Auf der Unterseite des Radialgebläses befindet-sich die Gehäusewand
21, die in der vorderen Hälfte den Lufteintrittskanal 22 und in der hinteren Hälfte
den Lufteintritts- bzw. -austrittskanal 23 bildet, wie aus Fig. 1 und. 3 ersichtlich.
Die
Richtung des Luftstroms ist durch die Pfeile gekennzeichnet. Hieraus ist erkennbar,
daß sich jeder der Lufteintritte 22 und 23 über einen grossen Peripheriebereich
von nahezu 180° der rotierenden Scheibe 10 erstrecken kann. Um der durch die Laufschaufeln
20 geförderten Luft die richtige Richtung zu geben, sind beiderseits der Laufschaufeln
20 Leitschaufeln 24, 25 und 26 vorgesehen, die in den Kanälen 22 und 23 an der Gehäusewand
21 angebracht sind. Da die Leitschaufeln in dem Kanal 23 für den Vorwärts- bzw.
Gerädeausflug oder den Senkrechtstart in unterschiedlicher Richtung durchströmt
werden, ist zunächst ihre Arbeitsweise beim Vorwärtsflug beschrieben.
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Während des Vorwärts- bzw. Geradeausfluges tritt Luft in den Eintrittskanal
22 ein, passiert die erste Gebläsestufe im Bereich der vorderen eintrittsseitigen
Hälfte der Scheibe 10, wobei sie-verdichtet wird, strömt durch den Innenraum- iriner*-halb
der Beschaüfelung und passiert dann d.ie zweite Gebläsestufe im Bereich der hinteren
Hälfte der Scheibe 10, wo die Luft eine weitere Verdichtung erfährt, um dann durch
den Austrittsschacht bzw. -kanal 23 auszuströmen. Damit das Gebläse
art immer nach rechts (Fig. 1 und. »,, strömt, sind die Eintrittsleitschaufeln
25 und 26 im Bereich der beiden Gebläsestufen erforderlich. Im Bereich hder zweiten
Stufe sind die Leitschaufeln 26auf jeden Fall erforderlich. Sie verbessern möglicherweise
die Strömung im Eintrittskanal 22. Bei der zuvor beschriebenen Arbeitsweise beim
Vorwärts- bzw. Geradeausflug tritt eine geringe Luftmenge in das Gebläse ein bzw.
durch dieses hindurch, wobei sie in zwei Stufen komprimiert wird. Sie tritt schliesslich
aus dem Austrittskanal 23 mit hoher Geschwindigkeit aus. Das heisse, dem Antrieb
des Gebläses dienende Gas, welches in zwei Stufen der Antriebsturbine Arbeit geleistet
hat, tritt durch Kanal 19 aus. Gas und Luft erzeugen so einen großen Horizontalschub.
Hierbei ist die das Gebläse durchströmende geringere Luftmenge deshalb gering, da
-die Luft nur durch den Eintrittskanal 22 eintritt. Infolge der zweistufigen Kompression
wird die Luft auf einen so hohen Druck gebracht, daß ihr Austritt mit ausreichend
großer Geschwindigkeit erfolgt, um für den Vorwärtsflug einen starken Schub zu erzeugen.
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Wie erwähnt, sind für den Senkrechtstart ebenso spezielle Bedingengen
einzuhalten, nämlich die Förderung einer sehr großen Luftmenge bei niedrigen DruckverhältiAssen,
um eine große Schubsteigerung zum vertiklen Abheben des Flugzeuges zu erreichen.
Zu diesem Zweck ist das Gebläse auf die Vertikal-schub-Betriebsweise umzuschalten.
Hierzu müssen die beiden
Leitschaufelsätze 26 und 24b in der hinteren,
austrittsseitigen Hälfte des Gebläses um ihre Schaufelachse geschwenkt
wer-
den, um ihre Arbeitsweise umzukehren. Während sie bisher
Eintritts- bzw. Austrittsleitsehaufeln 26 bzw. 24b waren, sind sie nunmehr, infolge
entgegengesetzter Strömungsrichtung, Austritts- bzw. Eintrittsleitschaufeln 26'
bzw. 24b'. Wie aua Fig. 1 bzw. 3 ersichtlich, kann jede der Leitschaufeln 26 bzw.
24b durch einen geeigneten Mechanismus aus der ausgezogen dargestellten in die gestrichelte
Lage geschwenkt werden, Zwecks einwandfreier Arbeitsweise muss der Schwenkwinkel
der Leitschaufeln mehr als 80° betragen. Bei der Umstellung auf den Vertikalschubbetrieb
arbeitet das Gebläse nunmehr einstufig. Der Austrittskanal 23 wird hierbei zu einem
Eintrittskanal, da die zuvor zweite Gebläsestufe nun die durch diesen eintretenden
Luft radial in das Gebläsezentrum fördert. Aufgrund der nun vorhandenen zwei Eintrittskanäle
22 und 23, die sich nahezu über den ganzen Umfang des Gebläses erstrekken, und der
Einstufigkeit des Gebläses, wird eine große Luftmenge bei niedrigem Druck in den
Innenraum des Gebläses radial nach innen gefördert.
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Um diene Luft für den Vertikalschub zu nutzen, befindet sich in der
Gehäusewand 21 die Öffnung 28, die zentral unterhalb der Scheibe 10 angeordnet ist,
wie Fig. 1 und 3 zeigen-Mitteln der parallelen Klappen 29 kann die Öffnung 28 -
wie in Fig. 1 dargestellt - geöffnet oder geschlossen werden,-
wie dies durch die gestrichelte I:nie angedeutet ist, und im Falle
den
zuvor beschriebenen horizontalen Vorwärtsfluges geschieht.
Bei
erheblich vergrösserten Eintrittsöffnungen und einstufiger Kompression liefert das
Gebläse nun eine große Luftmenge bei Niederdruckverhältnissen und eine große Schubkraft
in vertikaler Richtung. Das umstellbare Gebläse mit den schwenkbaren Leitschaufeln
24b und 26 im Austrittskanal 23 zwecks Umkehrung der Luftströmung und mit Klappen
29 zur Schliessung oder Öffnung der Luftaustrittsöffnung 28 ergibt für den Vorwärts-
oder Geradeaußflug eine Antriebsvorrichtung mit zweistufiger Kompression des Schubluftstromes
bei geringer Luftmenge aber ausreichend hoher Geschwindigkeit. Zur Vermeidung von
Rückströmungen ist es vorteilhaft aber nicht unbedingt nötig, eine Trennwand 30
zwischen den beiden Austrittskanälen 19 und 23 vorzusehen.
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Diese Trennwand 30 ist hauptsächlich während des Senkrechtstartvorgangs
wirksam, während der Kanal 23 als Eintrittskanal dient. Während des Vorwärtsfluges
können sich die beiden Gasströme im Kanal 19 und 23 ohne negative Auswirkung vermischen
und Schub erzeugen, wenn auch die größere Schubkraft von dem Gebläseluftstrom im
Kanal 23 herrührt. Die Trennwand. 30 erstreckt sich vorzugsweise von der Peripherie
der Scheibe 10 aus bis ganz nach hinten, um den warmen Abgasstrom möglichst gut
von der den Kanal 23 durchströmenden Luft abzuschirmen.
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Das beschriebene, umschaltbare Radialgebläse ist eine verhältnismässig
sehr niedrige bzw..flache Antriebsvorrichtung und. weist eine sehr kleine Stirnfläche
auf, wenn für den Antrieb des Gebläselaufrades eine Turbine in der beschriebenen
und
dargestellten Ausführung verwendet wird, die sich an der oberen
Seite der Scheibe befindet. Daher kann die ganze Antriebsvorrichtung, zu der noch
geeignete Gasgeneratoren gehören, auch an bereits existierenden Flugzeugen angebracht
werden, um diesen Senkrechtstarts und -landungen zu ermöglichen. Die Figuren 4 und
5 zeigen ganz allgemein, wie eine solche Antriebsvorrichtung gemäss der Erfindung
im Prinzip an bekannten Flugzeugen angebracht werden kann. Von den drei Antriebsgebläseeinheiten
12 werden zwei Einheiten 12l und 12r unter den Tragflächen 31 angebracht, die dritte
12m unter dem vorderen Ende des Rumpfes. Diese Dreiecksanordnung dient der Stabilisierung.
Die beiden Gasgeneratoren 32 sind beiderseits am Rumpf und vor den Tragflächen 31
befestigt.
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Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemässen Vorrichtung liegt
in ihrer sehr niedrigen Höhe, was z.B. aus Fig. 5 deutlich hervorgeht; die drei
Einheiten 12 sind praktisch nicht viel stärker als die Tragflächen selbst. Somit
sind sie auch leicht und einfach an vorhand.enen Flugzeugen zu befestigen, da sie
keine Änderungen am Flugzeug erforderlich machen.
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Hieraus ergibt,sich, daß das erfindungsgemässe Gebläse durch seine
Umschaltvorrichtung in einfacher Weise den wechselseitigen Anforderungen angepasst
werden kann,. wodurch es, unter Beibehaltung desselben Aufbaus, zuverlässig einerseits
als
Antriebsvorrichtung für Senkrechtstart und -landung infolge des Vertikalschubs,
arbeiten kann, indem es Luftströmung fast völlig radial in das Gebläse aufnimmt,
diese einmal komprimiert und durch Öffnung 28 ausstösst und andererseits nach Verstellung
der Leitschaufeln als Antriebavorrich-
infolge des starken horizontalen Schubes arbeitet.
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Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschrei-bung
enthalten und bzw.oder in der Zeichnung dargestellt ist,
einschließlich
dessen, was in Abweichung von den konkreten
Ausführungsbeispielen
für den Fachmann naheliegt.