DE2748724A1

DE2748724A1 - Vortriebsduese fuer luft- oder wasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE2748724A1
Application number: DE19772748724
Authority: DE
Inventors: Ole Jacob Mogens Arborg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-29
Publication date: 1978-05-03
Also published as: FR2369427A1; JPS5360100A; DK493076A; FI773236A; DK140426C; NO144791B; SE7712273L; US4192461A; NO773719L; NO144791C; DK140426B

Description

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28.Oktober 1977

Patentanmeldung des Herrn
Öle Jacob Mogens Arborg
Mordrupvej 52
DK - 3060 Espergarde

Vortriebsdüse für Luft- oder Wasserfahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine Vortriebsdüse für Luft- oder Wassertransportmittel, bei der die Düsenwand eine nach vorn hin auswärts gekrümmte Kurvenfläche aufweist, und bei der aus einer die Düse umgebenden Kammer durch eine vor der Kurvenfläche so angeordnete Spalte in die Düse Luft oder Wasser unter Druck einströmt, dass das Druckmittel tangential zur Fläche aus der Spalte austritt.

Der Rückstossvortrieb von Transportmitteln wie Luftkissenfahrzeugen, Luftfahrzeugen oder Schiffen mit Hilfe eines von einem Propeller oder Ventilator erzeugten Luft- oder Wasserstrahls ist bekannt. Dabei wird die gesamte durchströmende Luft- oder Wassermasse vom Propeller oder Ventilator beschleunigt und in der Form eines Strahls ausge-

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stossen. Die Austrittsgeschwindigkeit ist im zentralen Strahlteil am grössten und an der Peripherie am niedrigsten. Der Strahl bildet dabei einen Streukegel, so dass der Rückstoss um eine Komposante lotrecht zur Achsrichtung abnimmt. Bei Propellern entstehen ausserdem um die Propellernaben Wirbelströme, die Leistungsverluste zur Folge haben. Ausserdem ist bei Luftpröpellern das durch die Bewegungsgeschwindigkeit der Fitigelspitzen erzeugte Luftgeräusch so stark, dass es die Verwendung von Luftschrauben auf Bereiche ausserhalb von Städten begrenzt.

Aus der am 20. April 1972 von Öle Jacob Mogens Arborg eingereichten und am 20. Oktober 1973 offengelegten dänischen Patentanmeldung 1928/72 ist eine Vortriebsdüse für Luft- oder Wassertransportmittel bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die DUsenwand sich nach vorn hin in einer Kurvenfläche auswärts erstreckt, und dass aus einer die Düse umgebenden Kammer durch eine vor der Kurvenfläche so angeordnete Spalte Luft oder Wasser unter Druck in die Düse eingelassen wird, dass das Druckmittel hauptsächlich rechtwinklig zur Richtung des austretenden Stroms und tangential zur Fläche strömt.

Diese Vortriebsdtise beruht auf dem physikalischen Effekt, dass ein Rückstossstrahl an einer dicht an diesem befindlichen Fläche entlang abgebogen wird, was erstmals vom rumänischen Ingenieur Henri Coanda im Jahre 1910 anlässlich eines Versuchs mit einem Strahltriebmotor beobachtet und nach diesem als Coanda-Effekt bezeichnet worden ist. Dieser Effekt war bisher recht unbeachtet und ist, soweit bekannt, nur bei einem sogenannten Nassstaubsauger sowie bei einer Düse zur Erzeugung eines Gasvorhangs beim Schutzgasschweissen praktisch ausgenutzt worden.

Erst bei der in der vorgenannten dänischen Patentanmeldung offenbarten Erfindung hat es sich herausgestellt, dass es möglich ist, eine Vortriebsdtise zu bauen, bei der der Bewegungsschub unter Ausnutzung des Coanda-Effekts durch Umbildung von Druckenergie in einem unter hohem Druck rechtwinklig zu einem sehr grossen Volumenstrom ausströmenden kleinen Volumenstrom in Geschwindigkeitsenergie im grossen Volumenstrom entsteht, und dass dadurch im Vergleich zu den obengenannten, bisher bekannten Vortriebsmitteln bedeutende Vorteile erzielbar sind.

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2 i

Aufgrund des Coanda-Effekts ist öie Austrittsgeschwindigkeit des Mittels an Düsenumkreis entlang am grössten. Hierdurch wird erreicht, dass beim Austritt aus der Düse der Strahlquerschnitt erhalten bleibt, so dass die Rückstosskraft nur in der Achsrichtung wirkt. Ausserdem ist das Verhältnis zwischen dem Energieniveau (Druck und Geschwindigkeit) auf der Einlasseite und dem Energieniveau (Druck und Geschwindigkeit) auf der Abströmseite so regelbar, dass ein optimales Verhältnis zwischen der Austrittsgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und damit eine optimale Ausnutzung des zugeführten Energie gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäss erzielten allgemeinen Vorteile bestehen darin,

dass der Bewegungsdruck in Luft mit einem sehr grossen Vortriebseffekt bei niedrigem Geräuschniveau erreichbar ist;

dass Schnellrouten nach Stadtgebieten mit Luftkissenzügen, Luftkissenamphibienfahrzeugen, STOL-Maschinen m.w. betreibbar sind;

dass "offen" umlaufende Elemente nicht Bestandteil des Vortriebssystems sind; und

dass das Vortriebssystem bei verschiedenen Geschwindigkeiten mit dem gleichen Wirkungsgrad arbeiten kann.

Die in der genannten dänischen Patentanmeldung offenbarte Vortriebsdüse hat vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, kann für gewisse Verwendungszwecke aber auch einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen oder spaltförmig ausgebildet sein.

Bei der genannten bekannten Vortriebsdüse, wo das Druckmittel die Spalte im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des austretenden Stroms verlässt, hat die umgebende Druckkammer notwendigerweise im Vergleich zur Düsenquerschnittsfläche grosse Querschnittsabmessungen, so dass beispielsweise eine Düse mit einem für ein Luftkissenfahrzeug angemessenen Schub für die Anbringung am Fahrzeug viel zu gross wäre und wegen der grossen projizierten Fläche in der Bewegungsrichtung einen unangemessen grossen Luftwiderstand aufweisen würde.

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Es hat sich herausgestellt, c.ass b'ii eirer VorschubdUse dieser Gattung eine ebenso gute Energieausnutzung erzielbar ist, wenn das Mittel der Spalte in einem spitzen Winkel zur Richtung des austretenden Massenstroms entströmt. Die erfindungsgemässe Vortriebsdüse ist in Übereinstimmung hiermit dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte im Verhältnis zur Kurvenfläche so orientiert ist, dass das Mittel aus der Spalte in einem spitzen Winkel zur Richtung d?s die Düse verlassenden Massenstrahls austritt, indem die innere Kante der Spalte nicht über den engsten umkreis (die Kehle) der Düse hii nach innen ragt. Hierdurch ist eine drastische Reduktion der äusseren Düsenabmessungen erzielbar, und zwar ohne Verringerung des inneren Düsenwirkungsgrads, so dass die Düse praktisch brauchbar ist.

Dabei ist es zweckmässig, erfindungsgemäss die Düse so auszubilden, dass das Mittel aus der Spalte in einem Winkel von unter 45° mit der Richtung des die Düse verlassenden Massenstrahls austritt.

Eine praktische Ausführungsform der Düse mit ausgezeichneten Ergebnissen hinsichtlich der Ausnutzung der zugeführten Energie bei Verwendung in Luft ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel in einem Winkel von ungefähr 15° mit der Richtung des die Düse verlassenden Massenstrahls austritt.

Ein sich zur Auslassöffnung hin erweiterndes Düsenrohr ist auch zur Ausnutzung der zugeführten Energie zur Gewährleistung des höchstmöglichen Vortriebsdrucks in der Auslassöffnung der Düse von Bedeutung. Unter normalen Venturibedingungen für das durchströmende Mittel sollte man die besten Ergebnisse bei einem Divergenzwinkel von ungefähr 30 erwarten, was jedoch nur bei annähernd homogenem Durchströmen der gesamten Luftmasse gilt. Versuche mit der genannten AusfUhrungsform der erfindungsgemässen Düse haben ergeben, dass bei einem Divergenzwinkel des DUsenauslasses von 7 1/2° die besten Ergebnissen erzielt werden.

Der erfindungsgemässen Düse wird das Druckmittel durch eine vor dem engsten Düsenumkreis (der Kehle) und im Querschnitt gesehen ausserhalb desselben befindliche umlaufende Spalte zugeführt. Bei einem vorgegebenen Druck in der die Düse umgebenden Druckkammer ist die totale Spaltenfläche für den durch die Spalte in die Düse eintretenden Volumenstrom des Mittels ausschlaggebend. Das Verhältnis zwischen dem Spaltenareal und dem Kehlenareal ist auch für den Umsatz der

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zugeführten Energie in Vortiüebsener^ie in der Düsenaustrittsöffnung von Bedeutung. Beim Vortrieb in Luft ist erfindungsgemäss das Verhältnis Spaltenfläche:Kehlenfläche 1:3 Ms 1:12.

Die erfindungsgemässe Düse kann einen kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen oder spaltenförmig ausgebildet sein. Ein rechteckiger Querschnitt ist insofern vorteilhaft, als eine solche Düse aus einfach gekrümmten Blechen herstellbar ist, v/odurch die Herstellung wesentlich verbilligt wird.

In der Regel ist man wie bereits erwähnt daran interessiert, dass die Düsenkonstruktion zur Erzielung eines möglichst geringen Luftwiderstandes in Fahrtrichtung die kleinstmögliche projizierte Fläche darbietet. Dies wird generell durch diejenige Querschnittsform erreicht, welche im Verhältnis zur Querschnittsfläche den kleinsten Umkreis aufweist. Diese Querschnittsformen sind bekanntlich der Kreis sowie ein rechteckiger Querschnitt, nämlich das Quadrat. Dabei wünscht man aus baulichen Gründen eine möglichst niedrige Düse. Der beste Kompromiss zwischen diesen beiden Forderungen wird bei einer Düse mit rechteckigem Querschnitt erfindungsgemäss durch ein Verhältnis von annähernd 4:7 zwischen der Düsenhöhe und der Düsenbreite erzielt.

Bei einer in Luft arbeitenden zweckmässigen Ausführungsform der erfindungsgemässen Düse wird die Druckluft der Druckkammer von unten zugeführt. Diese Luft strömt durch Kammerseitenteile zum oberen Kammerteil, während die Druckluft durch die vorn in der Druckkammer befindliche Spalte austritt. Zur Gewährleistung eines konstanten Volumenstroms durch alle Teile der Spalte, muss sich das Druckkammervolumen der durch den betreffenden Kammerteil passierenden Luftmenge entsprechend so vermindern, dass der dynamische Druck überall gleich gross ist. Dies wird in der Praxis durch eine stufenförmige Verengerung der Druckkammer erreicht, und zwar derart, dass die Druckkammer unten am breitesten, an den Seiten schmaler und oben am schmälsten ist.

Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, die genannten Parameter der erfindungsgemässen Düse zum Vortrieb eines Luftkissenfahrzeugs mit zwei Vortriebsdüsen so zu kombinieren, dass die Druckluft für die Vortriebsdüsen von zwei Radialgebläsen geliefert wird, die den das Luftkissen versorgenden Gebläsen entsprechen.

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Ein solches Luftkissenfahrzeug hat einen sehr einfachen Aufbau, v/obei der Antriebsmotor mehrere auf der gleichen Welle sitzende Gebläse treibt und somit das Fahrzeug hebt und es auch vortreibt.

Die Zeichnung zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch eine für ein Luftkissenfahrzeug vorgesehene Ausführungsform der erfindungsgemässen Vortriebsdüse.

Die Düse weist einen rechteckigen Querschnitt mit ebenen äusseren Flächen und einfach gekrümmten inneren Flächen auf . Die Druckluft wird wie aus dep Zeichnung ersichtlich von unten in den unteren Teil der Druckkammer 1 gedrückt, wo mittig in der Düsenlängsrichtung ein an Kanten 3 entlang abgeschnittenes Luftverteilungsblech vorgesehen ist. Die Druckkammer hat wie ersichtlich unten ihre grosste Weite, die nach oben hin abnimmt.

Der Druckkammer entströmt die Luft durch eine Spalte 4, deren Richtung mit der Düsenlängsrichtung mit einem Winkel ν von 15° bildet. In der Spaltenöffnung sind parallel zur Düsenlängsrichtung orientierte Leitplatten 5 vorgesehen. Der Abstand zwischen den Leitplatten entspricht dem Dreifachen der Spaltenbreite. Die Leitplatten enden an der vorderen Spaltenkante, sichern das gleichmässige Abströmen der Luft und versteifen den die Spalte begrenzenden Mantel.

Das innere Düsenrohr 2 hat bei 6 (der sogenannten Kehle) seine geringste Weite und erweitert sich in Strömungsrichtung entsprechend einem Winkel von 7 1/2°. Das Verhältnis zwischen der totalen Spaltenfläche und der Kehlenquerschnittsfläche beträgt bei der dargestellten Düse 1:4,12. Im Düsenrohr 2 wird die Energie des der Spalte 4 mit grosser Geschwindigkeit entströmenden kleinen Volumenstroms in Energie des im Innern des Düsenrohrs 2 mitgerissenen und aus der Ruckstossoff nung 7 der Düse mit geringerer Geschwindigkeit austretenden grossen Volumenstroms umgewandelt.

Messungen an Versuchsaufstellungen haben bei der erfindungsgemässen Düse einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit im Hauptvolumenstrom, dem Ablenkradius, dem "Kehlendurchmesser" und der DUsenlänge ergeben. Der Druck und die Geschwindigkeit des Reaktionsstroms repräsentieren ein Energieniveau, während der Druck und die Luftgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse ein anderes Energie-

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niveau repräsentieren. Das Verhältnis zwischen diesen kann über 0,9 liegen, was in der Praxis bedeutet, dass hier eine Art Energieumsatz mit sehr hohem Wirkungsgrad vorliegt. Die Düse ist somit kein "Energieschlucker". Dazu kommt, dass die Abmessungen des Vortriebsgebläses entsprechend dem Verhältnis zwischen der zugeführten und abgegebenen Luftmenge reduzierbar sind, was sich aus einem Vergleich mit dem direkten Rückstossvortrieb mit Zentrifugalgebläsen ergibt.

Der maximale Vortriebsschub aus den Rückstossöffnungen eines sich nicht bewegenden Fahrzeugs wird nachstehend als statischer Schub P bezeichnet und entspricht dem Produkt aus dem spezifischen Luftdruck in der Öffnung und der Offnungsflache.

Zur Beurteilung der Hauptdaten des Vortriebssystems bei direktem Rückstossvortrieb kann folgender Ausdruck aufgestellt werden:

1) P = ρ . f, wo ρ den Ruckstoss und f das Offnungsareal bezeichnen;

2) f wird gewählt;

Ρ_π

3) ρ = -E— _f wo ρ dem dynamischen Druck p_d gleichgesetzt wird;

4) Die Luftgeschwindigkeit in dsr Öffnung v_r =^—Γ-Ι-2-S = yp_r· 15,95;

wo Y das spezifische Gewicht der Luft bezeichnet, das bei 20°C angenommen dem Wert 1,23 entspricht;

5) Die aus der Öffnung austretende Luftmenge Q = v_r · f;

6) Der Effektverbrauch N = -£--— , wo h den Wirkungsgrad des

75 k

Gebläses bezeichnet, der hier gleich 0,8 gesetzt wird.

Bei abnehmendem Querschnitt einer Rückstoss*ö*ffnung ist zur Gewährleistung eines bestimmten statischen Schubs ein zunehmender Effektverbrauch erforderlich.

Die Offnungsfläche ist eine primäre Konstruktionsgrösse, welche die Werte des Volumenstroms, der Geblaseabmessungen und des erforderlichen Effekts bestimmt.

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Die Wahl des Offnungsareals wird daher bestimmt vom Verhältnis Fläche/Effekt. Dies wird deutlich, wenn man einige Beispile mit

ρ konstantem statischen Schub bei Offnungsarealen von 0,5 m bis 2,5 m mit Intervallen von 0,5 m durchrechnet. Dabei ergibt sich bei konstantem statischem Schub P = 250 kp:

44,6 m³/s

63.2 -

77.3 89,3 99,8

595 HK 263 215 186 166 -

Das Verhältnis zwischen Energiebedarf und Offnungsfläche bei einem vorgegebenen statischen Schub wird durch die unten angegebene Kurve 1 veranschaulicht, wo der erforderliche Volumenstrom für jeden Punkt angegeben ist.

2,5 2,0

1,5 1,0

0,5 O

	) 99	15.3 m³/s	I	j	\	,8 ι	»3 m	³/s	44,6 m³y
	V A) RQ		νοω *i-tr-i*	H CM		U³S	63	,2 m³/s
e				I	,3 m³/s		"" --■	PS.
		κ- νε CM	77
			b)

>


a) ¹ —.
I I I
595

Kurve 1: Verhältnis Energie/Fläche bei einem statischen Schub von 250 kp.

Wie aus der Kurve ersichtlich ist der Kurvenbereich um e) bei direktem Ausströmen energiemässig zwar vorteilhaft, da aber ein Volumenstrom von annähernd 100 m/s sehr grosse Gebläse und Düsen erfordert, ist diese Lösung baulich unzweckmässig.

Der Punkt (f) der Kurve 1 ist der "Arbeitspunkt" der erfindungsgemässen Vortriebsdüse in der vorstehend anhand der Zeichnung

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beschriebenen Ausführungsform mit einer Ruckstos3Öffnung von Im. Die Werte für diesen Punkt sind aus Hessreihen anhand einer Versuchsdüse im Massstab 1:10 mit einer Rückstossöffnung von 0,1 m' errechnet, wie in der nachstehenden Kurve 2 dargestellt.

m³/h 6ooo_ 5ooo_ 4ooo_ 3ooo_ 2ooo_ looo

5)

6)

7)

2)

öl & 7 8 9 Io 11 12 13 14 15 16 17 10 19 20 21 22 23 24

kp/o,l m

Kurve 2: Funktionsdiagramm für den Rückstossschub und die Luftraenge

2
einer Rückstossdüse von 0,1 m .

Aus Kurve 2 ist ersichtlich, dass für einen statischen Schub von 25 kp (in der Mähe von 8) ein Voluinenstrom von 55OO nr/h = 1,53 nr/s, erforderlich ist. Hierbei wird mit einem Druck ρ von 440 mmWS gearbeitet. Setzt man den Wirkungsgrad des Gebläses gleich 0,8, ist eine Leistung von 11,2 PS erforderlich. Da bei den Ergebnissen eine gewisse Streuung vorausgesetzt v/ird, v/erden in allen Fällen unter 15 PS verwendet. Bei der Umrechnung auf vollen Massstab gelangt man zum Punkt (f) der Kurve 1, wonach für einen statischen Schub von 250 kp ein Volumenstrom von 15,3 nr/s und eine Leistung von höchstens I5O PS erforderlich sind.

Es ergibt sich somit, dass bei der erfindungsgemässen Düse bei einem niedrigeren Leistungsbedarf nur etwa I/6 der Luftmenge und ca. 2/5 der Offnungsfläche genügt, die bei direktem Gebläsevortrieb zur Gewährleistung des gleichen Vortriebsschubs erforderlich sind.

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Claims

76.804 Ny/Ha/an Patentansprüche:

1.) Vortriebsdüse für Luft- oder Wassertransportmittel, bei der die Düsenwand eine nach vorn hin auswärts gekrümmte Kurvenfläche aufweist, und bei der aus einer die Düse umgebenden Kammer in die Düse Luft oder Wasser unter Druck durch eine Spalte einströmt, v/elche vor der Kurvenfläche so angeordnet ist, dass das Druckmittel tangential zur Kurvenfläche aus der Spalte austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte im Verhältnis zur Kurvenfläche so orientiert ist, dass das Mittel aus der Spalte in einem spitzen Winkel zur Richtung des die Düse verlassenden Massenstrahls austritt, indem die innere Kante der Spalte nicht über den engsten Umkreis (die Kehle) der Düse hin nach innen ragt.

2. Vortriebsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel in einem Winkel von unter 45° mit der Richtung des die Düse verlassenden Massenstrahls aus der Spalte austritt.

3. Vortriebsdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel in einem ¥inkel von ungefähr 15° mit der Richtung des die Düse verlassenden Massenstrahls aus der Spalte austritt.

4. Vortriebsdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse einem Divergenzwinkel von ca. 7 1/2° entsprechend nach hinten erweitert.

5. Vortriebsdüse nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Spaltenfläche/Kehlenfläche 1:3 bis 1:12 beträgt.

6. Vortriebsdüse nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

7. Vortriebsdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Höhe und Breite der Düse ungefähr 4:7 beträgt.

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