(Seite-1) Dieser Vortrag behandelt ein Schubgebläse mit Verbrennungsmotor, das auf diesem Bild vor der Do-Halle des DLR in Göttingen zu sehen ist.

Transkript

1 Schubgebläse für einen Strahlsegler mit Verbrennungsmotor (Vortrag gehalten am 33. Segelflugsymposium ( 19. und ) in Darmstadt von Georg E. Koppenwallner) Ein Antrieb ist so etwas wie das Herzstück eines Flugzeuges; und weil es sich um eine Herzensangelegenheit handelt, klammern sich viele noch mit dem Herzen an der Vergangenheit oder besser an den Herzen der Vergangenheit fest. (Seite-1) Dieser Vortrag behandelt ein Schubgebläse mit Verbrennungsmotor, das auf diesem Bild vor der Do-Halle des DLR in Göttingen zu sehen ist. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 1 von 29

2 (Seite-2) Die Idee wurde auf dem Segelflugsymposium 2003 als Abschätzung vorgestellt, 2005 als erstes Funktionsmodell mit normalem Spiralabgriff und 2007 als Gebläse mit Schräglippenabgriff. Diese Funktionsmodelle wurden mit einem 4kW Elektromotor angetrieben. Dieser Vortrag handelt von einem Schubgebläse, das mit einem 18 kw Göbler-Hirth Motor angetrieben wird. Der Vortrag untergliedert sich in eine prinzipielle Einleitung zum Thema: Wie soll oder kann man ein Flugzeug antreiben? Welche Art von Turbomaschine soll man verwenden axial oder radial? Wo soll der Antrieb angebracht sein extern oder intern? Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 2 von 29

3 (Seite-3) Es wird ein Überblick über die Schutzrechte, die Funktionsmodelle bis 2009 gegeben. Darauf werden die Tests und Messungen mit dem Rollwagen vorgestellt. Danach gehe ich auf ein Laufrad aus GFK ein und ein mögliches Mock-up. Wie jeder Vortrag schließt auch dieser Vortrag mit einem Fazit und Ausblick. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 3 von 29

4 (Seite-4) Ein Propeller ist ein externer axialer Antrieb. Aber auch die Schubgondeln unter einem Verkehrsflugzeug stellen eine Art von externem Antrieb außerhalb der Rumpf- bzw. Flügelkontur dar. Die englischen Ingenieure der 40ger und 50ger Jahre verfolgten eine andere Philosophie und ordneten die Turbomaschinen innerhalb der Flugzeugstruktur an, wie die beiden unteren Bilder (z. B. de Havilland Comet rechts) zeigen. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 4 von 29

5 (Seite-5) Die ersten Turbinen wurden in England radial ausgeführt. Ich habe auf der Abbildung die Umlenkung radial zu axial extra vergrößert, weil dies das Problem darstellt, das ich mit meinem Funktionsmodell-FM-6 auch mittels Umlenkgitter gelöst habe, das aber mittels des Schräglippenverfahrens von 2007 vermieden wurde und sogar mit 20% mehr Schub belohnt wurde. doch davon später. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 5 von 29

6 (Seite-6) Für den Strahlsegler wurde mittlerweile 2008 ein Schutzrecht erteilt. Eine Entgegenhaltung ist hier zu sehen, eine Art Piper-Flugzeug mit abenteuerlichen Schubrohren. Diese werden beim Strahlsegler nicht benötigt, denn die Antriebsstrahlen treten aus in die Rumpfoberfläche eingelassenen, verschließbaren Öffnungen aus. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 6 von 29

7 (Seite-7) Eine sehr kuriose Patentanmeldung zeigt wenn auch naiv die prinzipiellen Probleme, wenn man ein Segelflugzeug mit einem internen Gebläse ausstatten will. Vorne rein und hinten raus ist ziemlich uneffektiv. Vor allem der Austritt aus dem Schwanz wird extrem hohe Austrittsgeschwindigkeiten hervorrufen. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 7 von 29

8 (Seite-8) Besser ist es dann doch wie beim Strahlsegler vorzugehen oben anzusaugen und fast direkt an der selben Position seitlich wieder auszublasen. Weiterhin werden die Gebläse hintereinander angeordnet, was das Problem der widerstandserhöhenden Stirnfläche vermindert. Für den Strahlsegler wurde 2008 ein deutsches Patent erteilt; DE Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 8 von 29

9 (Seite-9 und 10) Das Schräglippenverfahren habe ich anlässlich des Segelflugsymposiums 2007 angemeldet. Wesentliches Merkmal ist die schrägestellte Abgriffslippe und ein Übergangsbereich von Einströmen und Ausströmen an der selben Umfangsposition. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 9 von 29

10 (Seite-11 und 12) Die Luft wird in diesem Übergangsbereich bereits in axiale Richtung umgelenkt. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 10 von 29

11 die Schräglippen sind auf den folgenden beiden Fotos noch einmal dargestellt, denn ein Bild zeigt oft mehr als viele Worte ausdrücken können. Die Einströmung in den Spiralkanal geschieht über einen sich keilförmig erweiternden Bereich über dem Laufrad. In diesem Übergangsbereich beginnt außerdem die Abströmung vom Spiralkanal in axiale Richtung umgelenkt zu werden. (Seite-13) Die derzeitigen Segelflugantriebe möchte ich anhand eines Diagramms, das die Differenzgeschwindigkeit über den Massenstrom zeigt, für den Referenzschub von 120 Newton darstellen und einteilen. Ganz rechts mit sehr hohem Massenstrom der Propellerantrieb, ganz links mit extrem kleinen Massenströmen aber sehr hohen Austrittsgeschwindigkeiten (sprich Differenzgeschwindigkeiten) der Turbinenantrieb. Der von mir propagierte Strahlseglerantrieb nimmt mit 3-5 kg/s Massenstrom eine Zwischenstellung ein. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 11 von 29

12 (Seite-14) Um dies weiter zu verdeutlichen, stelle ich im nächsten Diagramm die Leistungen (in anderen Worten die Energieströme) über dem Massenstrom dar. Konstant für alle Antriebe, bzw. Massenströme ist die Schubleistung horizontale Linie. Das ist die Leistung, die der Antriebsstrahl auf das Flugzeug überträgt, indem er z.b. beim stationären Schwebeflug die Wirkung der Reibung aufhebt. Die Differenz von austretendem Energiestrom und einströmendem Energiestrom, also die so genannte Strahlleistung geht für hohen Massenstrom gegen die Schubarbeit, eine Tatsache, die die Vorrangstellung des Propellers für viele Antriebe bedeutet. Wichtig für das hier vorgestellte Konzept ist hingegen das Minimum des austretenden Energiestromes. Bei einem Antrieb, bei dem die Strömung durch eine Rohrleitung strömt, hängt der Verlust innerhalb dieser Leitung sicherlich von diesem Energiestrom ab, und es ist deswegen sinnvoll den Massenstrom eines derartigen Antriebes im Bereich dieses Minimums zu halten. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 12 von 29

13 (Seite-15) Man kann den austretenden Energiestrom nach dem Massenstrom differenzieren und erhält eine sehr einfache Beziehung für den Massenstrom beim geringsten austretenden Energiestrom F m & MIN = = u FLUG F SCHWEBE u FLUG Der minimale Massenstrom ist gleich dem Quotienten aus Schub durch Fluggeschwindigkeit. Für den Spezialfall des Schwebeschubes, den man ja aus jeder Polare in Form des Widerstandes bei der jeweiligen Fluggeschwindigkeit entnehmen kann, habe ich diese Beziehung für verschieden Segelflugzeuge einmal aufgetragen. Für eine Club-Libelle, ein Typ aus den 70ger Jahren, und ein derzeitiges Hochleistungsflugzeug deutscher Produktion, erhalte man ähnliche Verläufe. Es gibt zwischen 20 m/s und 40 m/s eine Minimumsregion um 3 kg/s Massenstrom. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 13 von 29

14 (Seite-16) Für An dieser Stelle möchte ich die derzeitigen Segelflugzeug- Antriebsverfahren miteinander vergleichen. Propeller: - Aufwändiger Wechsel zwischen Kraft- und Gleitflug, - begrenzte Reisegeschwindigkeit und Reichweite, - bewährte Technologie (70 Jahre Entwicklung) Turbine: Gebläse: - klein und leicht zu integrieren, - einfacher Wechsel zwischen Kraft- und Gleitflug, - hohe Geschwindigkeit, - geringer Eingriff in die Gesamtstruktur eines Flugzeuges, - Technologie serienreif, - sehr hoher Verbrauch, - Technologie bislang nicht fertig entwickelt, - großer Eingriff in die Gesamtstruktur eines Flugzeuges, - keine aufwändigen elektronischen Steuerungen (Mopedprinzip), - einfacher Wechsel zwischen Kraft- und Gleitflug, - hohe Geschwindigkeit bei mäßigem bis geringem Verbrauch, - Heimkehrhilfe mit Drehzahlen unter Rot/min machbar, - Großes Potential (Grenzschichtabsaugung, Windkraft) Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 14 von 29

15 (Seite-17) Bevor ich das aktuelle Funktionsmodell vorstelle, gebe ich einen Überblick über die bisherigen Funktionsmodelle. Auf dieser Abbildung ist das Funktionsmodell FM-6 zu sehen, das eine ähnliche Lösung bei der Umlenkung radial zu axial wie die frühen Radialturbinen aufweist- Rolls Royce Nene Triebwerk. Ich habe das Bild von einer vorherigen Folie noch einmal unten links auf diese Seite kopiert. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 15 von 29

16 (Seite-18) Abgelöst wurde dieses Funktionsmodell durch das FunktionsmodellFM-8 (einflutig) und FM-9 (zweiflutig) mit Schräglippenabgriff. Hier wird es von einem 4kW Elektromotor angetrieben. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 16 von 29

17 (Seite-19) Das derzeitige Funktionsmodell FM-19 wird durch einen Göbler-Hirth F33 Motor über eine dreirillige Keilriemenscheibe angetrieben. Wichtig ist dabei, dass Motor und Gebläse starr miteinander verbunden sind, und dass die ganze Einheit an sich schwingend aufgehängt wird. Im Gegensatz zum Propellerantrieb (dessen Keilriemenflansch und Anlasserhalterung verwendet wurde) wird die Drehzahl hochgesetzt. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 17 von 29

18 (Seite-20) Die Schübe sind auf Seite-20 dargestellt. Ganz links ist die Messung mit dem Funktionsmodell FM-8 (einflutig) mit Elektromotor aufgetragen. Diese Messung wurde rechnerisch zweiflutig gemacht, indem die Schubwerte verdoppelt wurden. Die Messung am Funktionsmodell FM-10 mit Verbrennungsmotor folgt dieser Kurve in etwa. Gestrichelt gezeichnet ist eine Extrapolation der Schübe ausgehend von einem bestimmten Schub- Drehzahl (ca. bei 7000 Rot/min an der Gebläsewelle). Diese Extrapolation geht von einem drehzahlunabhängigen Wirkungsgrad aus. Allerdings scheint der Wirkungsgrad des Gebläses bei hohen Drehzahlen abzufallen, denn die Messkurve weicht von der Abschätzung ab. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 18 von 29

19 (Seite-21 und 22) Die Strömung wurde bei den ersten Rolltests mittels Mehl sichtbar gemacht. Das zeigen die folgenden beiden Abbildungen. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 19 von 29

20 (Seite-23) Die Handhabung des Antriebes und des Funktionsmodells FM-10 ist so einfach wie die eines Mopeds: Anlassen und Gasgeben. (Seite-24) Die erreichte Rollgeschwindigkeit beträgt 45 km/h. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 20 von 29

21 Soweit der jetzige Stand. Wie kann es weitergehen? (Seite-25) Hier ist das Laufrad des VW-Käfers zu sehen. Ein modernes Laufrad sollte in Faserverbundbauweise hergestellt werden. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 21 von 29

22 Folgende Verbesserungsmöglichkeiten gibt es: 1. Profilierte Laufräder 2. Größere Durchmesser Laufrad/ Spiralkanäle 3.a. Höhere Drehzahlen ( rückwärts gekrümmte Schaufeln) 3.b. Geringere Drehzahlen ( vorwärts gekrümmte Schaufeln) 4. Übergang Einströmkanal - Laufrad optimieren 5. Einströmkörper an der Grundplatte 6. 3-dimensionale Schaufeln 7. Erhöhung der Laufradtiefe 8. Vordrall durch S-förmige Zuströmung 10. Kürzere Austrittswege 11. Laufräder aus Faserverbundstoffen GFK oder CFK (Seite-35) Als Mock-up ist eine Club-Libelle vorgesehen. Folgende Gründe sprechen dafür. - Verfügbarkeit - GFK Bauweise - Hochdecker - Relativ großer Freiraum im Rumpf unter den Tragflächen - Geringe Einschnürung da 70ger-Jahre-Entwurf - Festes Fahrwerk (mehr Platz im Rumpf) - Automatische Ruderanschlüsse - Tragflügel mit Hinterkantenholm erlauben Tests für Hinterkantenabsaugung Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 27 von 29

23 Der letzte Punkt klingt sicherlich etwas utopisch. Aber das hier vorgestellte Gebläse, besser gesagt die Gebläseeinheit, den das Gebläse besteht ja aus einer Vielzahl von Laufrädern, liefert die Absaugeinheit als Zugabe sozusagen mit. (Seite-36) Ich komme zum Schluss des Vortrages. Es wurde ein Schubgebläse gebaut, das mit 140 N Schub als Heimkehrhilfe arbeiten könnte. Es gibt ein sehr großes Entwicklungspotential, das durch Schutzrechte gesichert ist. Das Nahziel ist ein Mock-up mit GFK-Laufrädern. Das Fernziel ist der Bau eines eigenstartfähigen Strahlseglers mit Kooperationspartnern. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 28 von 29

24 (Seite-37) Und das ist auch der Grund wieso ich hier heute spreche. Natürlich bin ich auf der Suche nach Unterstützung und Interessenten an diesem Projekt. Da gibt es schon einige. Das Motto lautet auf dieser letzten Folie: Erst rollen, dann fliegen. An dieser Stelle möchte ich allen danken, die bislang zu diesem Projekt beigetragen haben. Und ich möchte den Vortrag in Anknüpfung an den anfänglichen Vergleich zwischen dem Herz eines Wesens und dem Antrieb eines Flugzeugs beenden. Jeder Organismus, jedes Gefüge muss, wenn es auf Dauer existieren will mit einem Minimum an Energie für die jeweiligen Zwecke auskommen. Beim Segelflug, dessen Ursprung und Kraft im gezielten Energiesparen liegt, heißt dieser Zweck Widerstandsvermeidung. In der Zukunft wird der Segelflug immer stärker von Hilfsantrieben und Eigenstart abhängen. Bei der Entwicklung dieser Antriebe sollten wir aber gerade diesen Leitgedanken beherzigen. Und das ist ja auch der Leitgedanke, dem unsere Gesellschaft in der Zukunft folgen muss. Mitschrift-Vortrag-Segelflugsymposium-2009-V16-mit-Bildern-V-4 Seite 29 von 29