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1. WO2013167529 - ENERGY-OPTIMISED JET PROPULSION METHOD AND JET ENGINE FOR PERFORMING SAME

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[ DE ]

Energieoptimiertes Strahlantriebsverfahren sowie Strahltriebwerk zu dessen Betrieb

[0001] Die Erfindung betrifft ein energieoptimiertes Verfahren für den Vortrieb von Flugzeugen, Schiffen oder Landfahrzeugen mit Hilfe eines Strahlantriebes sowie auch ein Strahltriebwerk zur Umsetzung des Verfahrens.

[0002] Strahlantriebe nutzen die Änderung des Strömungsimpulses von Fluiden für den Antrieb von Flugzeugen, Schiffen oder Landfahrzeugen. Dazu wird Luft oder Wasser von vorne aus Fahrtrichtung angesaugt und mit erhöhter Geschwindigkeit rückwärts gegen die Fahrtrichtung abgegeben, wodurch nach dem Impulssatz eine Vortriebskraft entsteht. Sie ist die Reaktion auf die Summe der ein- und austretenden Impulse des Strömungsbilanzraums. Nach der einfachen Strahltheorie (Sigloch, „Strömungsmaschinen", 2. Auflage, Hanser Verlag 1993) kann man die Vortriebskraft in guter Näherung aus den Strömungsimpulsen an den Bilanzgrenzen des Strahlantriebs ermitteln. Nach dem Impulssatz entsteht die Antriebskraft des Strahlantriebs als Reaktionskraft auf die Summe aller ein- und austretenden Strömungsimpulse des Impulsbilanzraumes. Solche Antriebe werden vielfältig eingesetzt und sind als Düsentriebwerke, als Propellerantriebe für Schiffe und Flugzeuge, als Jetantrieb oder „Pump-Jet" allgemein bekannt und wurden bereits für Schienen- und Straßenfahrzeuge eingesetzt. Nachteilig bei diesen Strahlantrieben ist der Energieverlust durch den Strahl im Nachlauf der Strömung. Weil der Vortrieb des Fahrzeuges eine Schubkraft in Fahrtrichtung erfordert, fliesst der Abstrom rückwärts gegen die Fahrtrichtung und enthält kinetische Restenergie, die verloren geht. Diese Verlustenergie mindert den Vortriebswirkungsgrad des Strahlantriebs. Bei Flugzeugen versucht man diese Verlustenergie durch Mantelstromtriebwerke zu mindern, indem man die Strahlgeschwindigkeit senkt und den Massenstrom erhöht. Moderne Flugzeuge erreichen so einen Vortriebswirkungsgrad von 70% bis 80% im Reiseflug. Eine weitere Senkung der Verluste ist dort nur mit hohem technischem Aufwand möglich (hohes Nebenstromverhältnis, Getriebefan, grosse Strömungsquerschnitte).

[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen eines Strahlantriebs für Wasser-, Land-, oder Luftfahrzeuge zu schaffen, welches eine effizientere Schubbildung mit einer vorteilhafteren Massenstrombilanz ermöglicht und damit einhergehend eine höhere Treibstoff-Effizienz bietet. Das Verfahren soll auch Strahlantriebe ermöglichen, welche das Erreichen und Überschreiten der Schallgeschwindigkeit

ermöglichen, und die im Vergleich zu herkömmlichen Strahlantrieben bei gleicher Schubkraft wahlweise auch reduzierte relative Strahlgeschwindigkeiten zum Strahlantriebs-Aggregat ermöglichen.

[0004] Des Weiteren ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Strahlantriebs-Aggregat zu schaffen, welches im Vergleich zu bekannten Strahltriebwerken eine effizientere Schubbildung mit einer vorteilhafteren Massenstrombilanz ermöglicht und damit einher eine höhere Treibstoff-Effizienz aufweist.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren nach dem Anspruch 1, und die Aufgabe wird weiter gelöst von einem Strahltriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Spezielle Ausgestaltungen des Verfahrens wie auch des Strahltriebwerks gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0006] Es geht im Grundsatz um einen neuen Strahlantrieb, der die Energieverluste im Abstrom des Strahls weiter mindern kann und so die Antriebseffizienz erhöht. Die Erläuterung des Konzeptes erfolgt anhand der verschiedenen schematischen Zeichnungen und Diagrammen am Beispiel eines Flugzeugantriebs mit Düsentriebwerk. Das Prinzip lässt sich dann auf andere Arten von Strahlantrieben verallgemeinern.

Es zeigt

Figur 1 Ein konventioneller Strahltriebwerk mit eingezeichnetem Impulsbilanzraum mit den wirkenden Impulsen

Figur 2 Ein erfmdungsgemäss vorne geschlossenes Strahltriebwerk

eingezeichnetem Impulsbilanzraum mit den wirkenden Impulsen;

Figur 3 Drei verschiedene Betriebsmodi eines erfmdungsgemäss vorne geschlossenen

Strahltriebwerks ;

Figur 4 Ein konventionelles Strahltriebwerk mit ungestörtem Zustrom von vorne;

Figur 4.1 Ein konventionelles Strahltriebwerk mit ungestörtem Zustrom von vorne;

Figur 4.2 konventionelles Strahltriebwerk mit einem Abstrom auf Reisegeschwindigkeit;

Figur 4.3 Ein erfindungsgemässes Strahltriebwerk mit Zustrom von hinten;

Figur 5 Ein Diagramm mit drei Kurvenzügen für die Gleichungen (33) bis (35);

Figur 6 Den Zusammenhang von Impuls und Energie für drei Strahlantriebe A, B, C;

Figur 7 Ein Diagramm mit dem Vergleich der spezifischen geschwindigkeitsabhängigen Antriebsleistung;

Figur 8 Den Ansaugquerschnitt beim vorne geschlossenen Strahltriebwerk;

Figur 9 Ein Diagramm mit der Auswirkung des Ansaugens aus dem hinteren Halbraum auf die Bahngeschwindigkeit der Stromfäden.

Figur 10 Schematische Darstellungen der Grenzschicht an einem Strömungskörper, nämlich

Figur 10.1 die Grenzschicht körperfest gesehen;

Figur 10.2 die Grenzschicht Ortsfest gesehen;

Figur 10.3 Den Nachlauf hinter einem Strömungskörper;

in schematischer Darstellung die Rückgewinnung von Reibungsenergie aus der Grenzschicht;

Die vorteilhafte Gestaltung eines vorne geschlossenen Strahltriebwerks;

Figur 13 Eine Tabelle mit einem Vergleich von drei verschiedenen

Strahltriebwerkskonzepten, wobei ganz rechts das vorne geschlossene Strahltriebwerk gemäss Erfindung eingetragen ist.

[0007] Zunächst wird hier eine Tabelle mit den verwendeten Formelzeichen und den Indizes gegeben, zum leichteren Verständnis des Beschreibungstextes.

Formelzeichen:

Fs Schubkraft

Fw Widerstandskraft

PA Antriebsleistung

PN Nutzleistung

Pv Verlustleistung

P* maximaler Leistungsvorteil aus Grenzschichtabsaugung

c Betrag der absoluten Geschwindigkeit des Abstroms über Grund

e spezifische kinetische Energie

rh Massenstrom

r Radius oder Abstand

u Geschwindigkeitsminderung durch Grenzschichtreibung

v Betrag der Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs

W-L Zustrom, Betrag der relativen Geschwindigkeit

w2 Abstrom, Betrag der relativen Geschwindigkeit

Δνν relative Geschwindigkeitsdifferenz

wx Betrag der Komponente des mittleren Impulses des Zustroms in Fahrtrichtung

x normierte Impulsänderung ^

η Vortriebswirkungsgrad ^

P

φ Schubspezifische Leistung—

Δ Differenz, Delta

Als Indizes werden benützt:

a konventioneller Strahlantrieb STW:A

b Strahlantrieb mit Grenzschichtnutzung STW:B

c erfmdungsgemässer Strahlantrieb mit Impulsumkehr STW:C

[0008] Figur 1 zeigt als Beispiel das Wirkprinzip eines bekannten Flugzeugantriebs mit Düsentriebwerk. Das Flugzeugtriebwerk TW-A soll sich mit Reisegeschwindigkeit v durch ruhende Luft bewegen. Ein Luftmassenstrom mtritt von vorne in den Impulsbilanzraum des Triebwerks ein, seine relative Geschwindigkeit ist rückwärts gerichtet mit Betrag der Reisegeschwindigkeit. Im Triebwerk wird die Luft beschleunigt und tritt hinten als Strahl mit einer erhöhten Geschwindigkeit w relativ zum Triebwerk aus, entgegengesetzt zur Flugrichtung. Die Schubkraft Fa ergibt sich dann aus der Impulsbilanz des Triebwerks als Fa =

1 2 m(w - v) oder Fa = m c. Die Verlustenergie im Abstrom des Strahls ist Pveriust =- mc , und sie wächst mit dem Quadrat der absoluten Geschwindigkeit c des Strahls über Grund. Diese ermittelt sich aus der Differenz der relativen Geschwindigkeiten c = w - v. Daraus folgen die bekannten Eigenschaften herkömmlicher Strahlantriebe:

[0009] Der Betrag des spezifischen Impulses c = Fa/mist identisch mit der absoluten Strahlgeschwindigkeit des Abstroms rückwärts über Grund. Diese darf nicht Null sein, sonst liefert das Triebwerk keinen Schub.

Das Flugzeug ist stets langsamer als der Strahl, und die relative Strahlgeschwindigkeit w muss grösser sein als die Reisegeschwindigkeit.

Solange das Triebwerk Schub liefert, enthält der Strahl Verlustenergie. Verluste werden nur durch Steigerung des Massenstroms und Senkung der Strahlgeschwindigkeit vermindert.

[0010] Mit dem erfmdungsgemässen Strahlantrieb kann die absolute Geschwindigkeit des Abstroms über Grund weiter gesenkt und die Vortriebseffizienz weiter erhöht werden. Figur 2 zeigt das Funktionsprinzip der Erfindung.

[0011] Beim Triebwerk TW-C erfolgt der Zustrom nicht aus Fahrtrichtung von vorne nach hinten, sondern in Fahrtrichtung von hinten nach vorne mit Richtungsumkehr im Triebwerk. Weil der Impuls eine vektorielle Grösse ist, steigt die Impulsbilanz bei Richtungsumkehr. Der Schub ergibt sich dann aus der Summe der spezifischen Impulse an den Grenzen des

Bilanzraums und nicht wie bisher aus deren Differenz. Mit dem Massenstrom mund der Summe der relativen Geschwindigkeitsbeträge von Zustrom wi und Abstrom w2 gilt für den Schub jetzt Fc = m (wi + w2). Weil der Zustrom in Fahrtrichtung erfolgt, ist die Impulsbilanz nun von der Reisegeschwindigkeit entkoppelt, und die relative Strahlgeschwindigkeit w2 kann frei gewählt werden. Aus der Reisegeschwindigkeit v und der relativen Geschwindigkeit des Strahls w2 entsteht dessen absolute Geschwindigkeit c2 über Grund, und man kann drei Betriebszustände unterscheiden (Figur 3):

1. c2 (v - w2) < 0: Das ist identisch mit bekannten Triebwerken. Der Abstrom über Grund fliesst rückwärts entgegen der Fahrtrichtung. Wegen der internen Richtungsumkehr ist der Schub nun aber grösser als bisher.

2. c2 = (v - w2) = 0: Der Abstrom ist genauso schnell wie das Flugzeug, aber rückwärts. Die absolute Geschwindigkeit über Grund wird Null, und die Verluste im Abstrom sind minimiert. Diesen Betriebspunkt können herkömmliche Strahlantriebe nicht erreichen, weil sie dann keinen Schub mehr haben. Strahlantriebe nach dieser Erfindung liefern wegen der internen Richtungsumkehr hier aber noch Schub.

3. c2 = (v - w2) > 0: Das Flugzeug fliegt schneller als sein Strahl. Diesen Betriebspunkt können herkömmliche Triebwerke ebenfalls nicht erreichen. Der Abstrom hat noch Restenergie, er fliesst dem Flugzeug über Grund aber hinterher. Mit einem solchen Triebwerk können Flugzeuge supersonisch reisen, mit subsonischem Strahl. Damit können Überschallflüge wirtschaftlicher realisiert werden als bisher.

[0012] Der neue Strahlantrieb kann in allen Wasser-, Land-, und Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Bei richtiger Auslegung ist er stets effizienter als ein herkömmlicher Strahlantrieb, weil sein spezifischer Impuls von der Reisegeschwindigkeit entkoppelt ist und aus der Summe der relativen Strömungsimpulse entsteht, nicht wie bisher aus deren Differenz. Allgemein formuliert besitzt die Vektorsumme aller dem Impulsbilanzraum zufliessenden Strömungsimpulse stets eine nach vorne in Fahrtrichtung weisende Geschwindigkeitskomponente. Das ist der Unterschied zu bekannten Strahlantrieben.

[0013] Eine Ausnahme bildet hier der von Kinderspielzeugen bekannte Wasserimpulsantrieb, auch als„Knatterboot" bekannt, bei dem das Fluid intermittierend ebenfalls von hinten angesaugt und nach hinten ausgestossen wird. Dieser Antrieb basiert jedoch auf der asymmetrischen Impulsbilanz zwischen Ansaugen und Ausstossen und nicht auf einem stetigen Impulsstrom mit Richtungsumkehr. Er wird rein thermisch angetrieben, ohne rotierend angetriebene Teile, und er besitzt einen geringen Vortriebswirkungsgrad, weil der intermittierende Betrieb eine oszillierende Wassersäule erfordert, die mit hohen Verlusten behaftet ist. Ein solcher Impulsantrieb wäre mit Luft auch nicht zu realisieren, ausserdem kann er die Betriebszustände (2) und (3) nicht erreichen.

[0014] Für einen einfachen idealen Strahlantrieb kann man den Vortriebswirkungsgrad und seinen Energiebedarf aus den Strömungsgrössen an den Bilanzgrenzen ermitteln (Herbert Sigloch,„Strömungsmaschinen", 2. Auflage, Hanser Verlag 1993). Es seien w und w2 die relativen Geschwindigkeiten der vorne ein- und hinten austretenden Strömungsimpulse, v die Reisegeschwindigkeit des Flugzeugs, und m der Massenstrom des Triebwerks. Der statische Druck von Zufluss und Abfluss sei ideal gleich, der Massenstrom konstant und das umgebende Fluid in Ruhe. Dann gilt skalar formuliert:

w1 = v (1)

Δνν = w2— w = w2— v = c (2)

Fs = r (w2 — W-L) = τηΔνν = Fw (3)

PA = m (wi - w ) = Fs (^) = Fs (v + ) (4)

PN = rh (w2 - i) v = Fsv = Fwv (5)

1 1 1

Pv = PA - PN = -m(w2 - w 2 = -mAw2 = -mc2 (6)

[0015] Gleichung (1) verknüpft das relative und das absolute Koordinatensystem des Antriebs, indem die relative Geschwindigkeit des vorne zugeführten Impulsstroms vom Betrag her mit der Reisegeschwindigkeit identisch ist. Gleichung (2) ermittelt die spezifische Impulsänderung und die absolute Geschwindigkeit c des Abstroms über Grund. Diese ist stets rückwärts gerichtet. Gleichung (3) beschreibt die Schubkraft des Strahlantriebs. Im stationären Horizontalflug ist sie genauso gross wie der Widerstand des Flugzeugs. Gleichung (4) beschreibt die Antriebsleistung, das ist die vom Motor oder der Turbine des Triebwerks aufzuwendende mechanische Leistung zur Beschleunigung des Strahls. Sie ergibt sich aus den Zugängen und Abgängen des Bilanzraums. Gleichung (5) beschreibt die Nutzleistung, das ist die zum Vortrieb des Flugzeugs abgegebene Leistung. Im stationären Horizontalflug ist sie genau so gross wie die vom Widerstand verbrauchte Leistung. Gleichung (6) zeigt die Verlustleistung des Antriebs als Differenz von Antriebsleistung und Nutzleistung. Sie ist genauso gross wie die kinetische Strömungsleistung des Abstroms über Grund. Damit gilt weiterhin:

η ' = -Ρ P^A = ^ l+w—2 /v = ^ 2+Aw—/v (7) '

φ = -^ = -^— 1- = v +— (8)

Ύ Fs 2 2 '

Fs ~ Fw~ v2 (9)

PA ~ <pFw ~ v3 (10)

[0016] Gleichung (7) ermittelt den Vortriebswirkungsgrad des Strahlantriebs, das ist das Verhältnis von Nutzleistung zu Antriebsleitung. Er sinkt mit zunehmender Geschwindigkeit des Abstroms w2, und er wächst mit abnehmender Differenz Δνν der Impulsbilanz. Gleichung (8) beschreibt die schubspezifische Leistung, das ist die je Krafteinheit für den Schub aufzuwendende Antriebsleistung des Triebwerks. Sie wächst linear mit der Reisegeschwindigkeit und der halben Geschwindigkeitsdifferenz der Strömungsimpulse. Gleichung (9) koppelt Schub und Widerstand, der quadratisch mit der Reisegeschwindigkeit wächst. Gleichung (10) koppelt schubspezifische Leistung und Widerstand. Danach wächst die erforderliche Antriebsleistung kubisch mit der Reisegeschwindigkeit.

[0017] Aus den Gleichungen (1) bis (10) sind die wichtigen Eigenschaften der bekannten Strahlantriebe abzuleiten:

Die Geschwindigkeitsdifferenz der Strömungsimpulse muss möglichst klein sein, damit der Wirkungsgrad hoch ist, sie darf aber nicht null werden, sonst liefert das Triebwerk keinen Schub.

Weil der Eingangsimpuls so schnell ist wie das Flugzeug, fliegt es immer langsamer als sein Strahl (w2 > v). Deshalb enthält der Strahl immer kinetische Restenergie, die verloren geht. Sie wächst quadratisch mit der absoluten Geschwindigkeit c des Abstroms über Grund.

Die schubspezifische Leistung wächst linear mit der Geschwindigkeit des Flugzeugs, der Widerstand nimmt quadratisch zu, deshalb wächst die erforderliche Antriebsleistung kubisch mit der Reisegeschwindigkeit.

[0018] Bei modernen Flugzeugen verbessert man den Vortriebswirkungsgrad durch einen Nebenstrom. Damit sinkt die Strahlgeschwindigkeit w2 und der Massenstrom nimmt zu. Man erzielt so einen Vortriebswirkungsgrad von 70% bis 80% im Reiseflug. Eine weitere Senkung der Verluste ist nur mit hohem technischem Aufwand möglich (hohes Nebenstromverhältnis, Getriebefan, große Strömungsquerschnitte).

[0019] Den Vortriebswirkungsgrad kann man auch verbessern, indem man die Grenzschichtreibung des Flugzeugs nutzt um die Anströmgeschwindigkeit des Triebwerks zu mindern und den Eingangsimpuls des Strömungsbilanzraumes zu senken. Dazu ordnet man den Strahlantrieb am Heck des Fahrzeugs an, das ist bei Schiffen und zukunftsweisenden Flugzeugenkonzepten Stand der Technik. Alternativ wurde vielfach Grenzschichtabsaugung vorgeschlagen. Damit lässt sich zum einen die Reibung mindern, was den Schubbedarf senkt, zum anderen kann man den Ausgangsimpuls des Triebwerks maximal bis auf Reisegeschwindigkeit verzögern. Der Abstrom über Grund hätte dann keine Geschwindigkeit mehr, und die Verluste an kinetischer Energie wären null. Wenn die Geschwindigkeitsminderung aus Grenzschichtreibung mit u bezeichnet wird, dann lässt sich der maximale Energie vorteil idealisiert wie folgt ermitteln:

w2 = v (11)

w1 = v - u > 0 (12)

Δνν = w2 — U < V (13)

Fs = rh (y — w ) = rhu = rhAw (14)

(15)

rh v— ν )ν = rhuv = rhAwv (16)

*N =— rhu2 (17)


[0020] Gleichungen (11) und (12) beschreiben wieder die relativen Geschwindigkeiten der Strömungsimpulse des Bilanzraums. Im Idealfall ist die Geschwindigkeit des Abstroms genauso gross wie die Reisegeschwindigkeit. Die Differenz der spezifischen Strömungsimpulse in Gleichung (13) ist identisch wie zuvor Gleichung (2). Hier ist das Ergebnis jedoch nicht die Restgeschwindigkeit c des Abstroms über Grund, sondern die Verzögerung u des Eingangsimpulses aus der Grenzschichtreibung, die maximal den Betrag der Reisegeschwindigkeit erreichen kann. Der Schub aus Gleichung (14) ist identisch mit Gleichung (3), denn der Impulssatz des Bilanzraums gilt unverändert. Unterschiede ergeben sich aus der energetischen Betrachtung. Die erforderliche Antriebsleistung nach Gleichung (15) ist gegenüber Gleichung (4) um F w verringert, während die Nutzleistungen nach Gleichung (16) und (5) identisch sind. Der Verlust nach Gleichung (17) ist nun negativ, was einem Energiegewinn entspricht. Der Gesamtvorteil aus der Nutzung der Grenzschichtreibung steht in Gleichung (18). Die Verlustleistung ist um den Betrag F w gemindert. Danach kann man mit der integralen Betrachtung von Schub und Widerstand über die Verzögerung des Eingangsimpulses aus der Grenzschichtreibung einen Leistungsvorteil gegenüber einfachen Strahlantrieben erzielen. Dieser Zusammenhang wurde im Windkanal auch experimentell bestätigt (Propeller-Sieb-Modell, Institut für Bionik, TU Berlin, www.bionik.tu-berl i n .de i nst it ut. skript. B 1 - 1 OFo 1.ppt). Daraus folgt nun weiterhin:


2

V (21)

PA ~ (pFw ~ v3 (22)

[0021] Aus den Gleichungen (19) bis (22) geht hervor, dass über die Nutzung der Grenzschichtreibung ein Energievorteil zu erzielen ist. Die schubspezifische Leistung wächst wie zuvor linear mit der Reisegeschwindigkeit, diesmal aber verringert um die halbe Verzögerung der spezifischen Impulsänderung. Weil der Widerstand nach Gleichung (21) unverändert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, steigt auch die erforderliche Antriebsleistung kubisch mit der Reisegeschwindigkeit (22).

[0022] Konstruktiv ist die vollständige energetische Nutzung der Grenzschichtreibung bei Strahlantrieben jedoch sehr problematisch. Nachteilig ist der erhöhte Aufwand für die Grenzschichtabsaugung mit teilweise sehr umfangreichen Luftführungen, mit separat angetriebenen Gebläsen und mit Absaugvorrichtungen. Zum einen erhöhen die zusätzlichen Strömungskanäle das Gesamtgewicht, zum anderen belasten zusätzliche Gebläse oder Ejektoren die Energiebilanz, wodurch der positive Effekt der gesteigerten Effizienz wieder gemindert wird. Tatsächlich haben Lösungen mit Grenzschichtabsaugung wegen dieser Nachteile bisher keine weite Verbreitung gefunden. Genutzt wird der Grenzschichteffekt bisher nur durch die Anordnung der Strahlantriebe am Heck eines Flugzeugs, wobei nur ein Teil der Grenzschichtverzögerung genutzt werden kann. Insgesamt gilt für die bekannten Strahlantriebsverfahren nach dem Stand der Technik:

• Die schubspezifische Leistung wächst linear mit der Reisegeschwindigkeit.

• Die Antriebsleistung wächst kubisch mit der Reisegeschwindigkeit.

[0023] Die Aufgabe der Erfindung ist nun ein energieoptimiertes Verfahren für einen Strahlantrieb, der für Luft-, Wasser- und Landfahrzeuge einsetzbar ist, der weder Nebenstrom noch Grenzschichtabsaugung benötigt, und der bei Reisegeschwindigkeit weniger Antriebsleistung braucht als bekannte Strahlantriebe. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 der Erfindung gelöst. Die Erläuterung erfolgt anhand von 10 Figuren am Beispiel eines Flugzeugantriebs mit Düsentriebwerk. Das Prinzip lässt sich dann auf andere Arten von Strahlantrieben verallgemeinern.

[0024] Figur 4 zeigt das allgemeine Prinzip des neuen Verfahrens am Beispiel eines Strahlantriebs STW:X, der den Strömungsimpuls eines Massenstroms rh innerhalb einer Bilanzgrenze verändert und damit eine Reaktionskraft F für den Antrieb eines Flugzeugs erzeugt. Der Zustrom erfolgt mit Geschwindigkeit w , der Abstrom mit Geschwindigkeit w2, und die Reisegeschwindigkeit beträgt v. Die Figuren 4.1 bis 4.3 darunter zeigen das Prinzip der bekannten und des neuen Verfahrens, links sind jeweils Zustrom und Abstrom dargestellt, rechts die Strömungsimpulse mit den Randbedingungen der Geschwindigkeiten.

• Figur 4.1 zeigt einen bekannten Strahlantrieb STW:A, dessen Zustrom ungestört von vorne erfolgt. Der Geschwindigkeitsbetrag des Zustroms ist identisch mit der Reisegeschwindigkeit, also w = v. Dieser Antrieb wurde in den Gleichungen (1) bis (10) analysiert.

• Figur 4.2 zeigt einen bekannten Strahlantrieb STW:B, bei dem der Eingangsimpuls durch Grenzschichtnutzung idealerweise soweit verzögert wurde, dass der Abstrom mit Reisegeschwindigkeit erfolgen kann, also w2 = v. Damit sind die Verluste im Abstrom minimiert. Dieser Antrieb wurde in den Gleichungen (1 1) bis (22) analysiert.

• Figur 4.3 zeigt den erfindungsgemässen Strahlantrieb STW:C, bei dem der Zustrom aus dem nach hinten geöffneten Halbraum hinter dem Triebwerk erfolgt, wobei der Geschwindigkeitsbetrag von Zustrom und Abstrom von der Reisegeschwindigkeit verschieden sein kann, also w v und w2 v. Bei diesem Antrieb weist der Vektor des zuströmenden Eingangsimpulses in Fahrtrichtung.

[0025] Weil der Vektor des zuströmenden Impulses nun in Fahrtrichtung zeigt, ergibt sich die Schubkraft des neuen Antriebs STW:C aus der skalaren Summe von Zustrom und Abstrom des Impulsbilanzraums. Für den neuen Strahlantrieb STW:C gelten dann folgende Zusammenhänge :

w1 v und λΝ2 ν (23)

Δνν = w2—w1 (24)

Fs = rh (w2 + w ) = i w (25)


rh (w2 + W-L) v = Fsv = Fw (27)

(28)

[0026] Nach Gleichung (23) können die Geschwindigkeiten der Impulse von Zustrom und Abstrom frei gewählt werden. Sie sind nicht mehr mit der Reisegeschwindigkeit gekoppelt. Das ist ein wichtiger Unterschied im Vergleich zu Strahlantrieben nach dem Stand der Technik. Gleichung (24) beschreibt die skalare Differenz der Geschwindigkeiten von Zustrom und Abstrom. Sie ist identisch wie zuvor Gleichung (2) und (13). Gleichung (25) beschreibt den Betrag der Schubkraft des Antriebs als skalare Summe zweier Strömungsimpulse, das ist neu, denn bei bekannten Antrieben ergibt sich die Schubkraft nach Gleichung (3) und (14) aus der Differenz von Zustrom und Abstrom. Für den neuen Antrieb gilt ebenso, dass der Betrag von Schub und Widerstand für stationäre Bewegung gleich sein muss. Gleichung (26) beschreibt die aufzuwendende Leistung des neuen Antriebs. Im Unterschied zu bekannten Triebwerken ist die Antriebsleistung nun unabhängig von der Reisegeschwindigkeit. Gleichung (27) beschreibt die Nutzleistung des neuen Antriebs. Mit dem Produkt aus Schub und Geschwindigkeit ist sie identisch wie zuvor Gleichungen (5) und (16), allerdings kann der Massenstrom nun verringert werden, weil die Schubkraft aus der Summe der Beträge zweier Strömungsimpulse entsteht und nicht mehr wie bisher aus deren Differenz. Das neue Triebwerk liefert also die gleiche Nutzleistung wie bekannte Triebwerke, jedoch mit anderer Antriebsleistung. Gleichung (28) beschreibt die Verlustleistung des neuen Antriebs. Sie sinkt nun mit steigender Reisegeschwindigkeit, und es gilt weiterhin:

= = i! = _L_ (29)

' PA Aw Aw/v '

φ = - P = ^1 = (30)

Ύ Fs 2 2 '

Fs ~ Fw~ v2 (31)

PA ~ cpFw ~ v2 (32)

[0027] Der Vortriebswirkungsgrad in Gleichung (29) ist das Verhältnis von Nutzleistung und Antriebsleistung. Er ist nun eine hyperbolische Funktion von Aw/v, das ist die mit der Reisegeschwindigkeit normierte spezifische Impulsänderung eines Strahlantriebs. Die schubspezifische Leistung nach Gleichung (30) ist nun unabhängig von der Reisegeschwindigkeit und mit dem Zusammenhang von Schub und Widerstand nach Gleichung (31) ergibt sich nun mit Gleichung (32) der zentrale energetische Vorteil des neuen Strahlantriebs: Die erforderliche Antriebsleistung wächst nur noch quadratisch mit der

Reisegeschwindigkeit und nicht mehr kubisch. Damit braucht ein Flugzeug im Verhältnis zu bekannten Antrieben umso weniger Antriebsenergie, je schneller es fliegt. Dieser Vorteil ist mit bekannten Strahlantrieben nicht erzielbar.

[0028] Zum Vergleich der drei Lösungsansätze für Strahlantriebe STW:A, STW:B und STW:C ist in Figur 5 der Vortriebswirkungsgrad nach Gleichung (7), (19) und (29) über der normierten spezifischen Impulsänderung x = Aw/v aufgetragen. Mit der Normierung gilt für den Vortriebswirkungsgrad von Strahlantrieb A, B und C:


Vb = (34)

Vc = (35)

[0029] Das Diagramm nach Figur 5 enthält die drei Kurvenzüge für die Gleichungen (33) bis (35) und dazu zwei ausgezeichnete Punkte (T) und (L).

• Bei Punkt (T) gilt für die spezifische Impulsänderung x = 0, und die Strahlantriebe STW:A und STW:B liefern hier keinen Schub, weil deren Schubkraft nach Gleichung (3) und (14) aus der Differenz zweier Impulse entsteht. Der neue Strahlantrieb erzeugt wegen der Summenwirkung der Impulse nach Gleichung (25) nur ohne Massenstrom keinen Schub, so dass der Vortriebswirkungsgrad für STW:C bei x = 0 eine Asymptote aufweist.

• Punkt (L) ist für herkömmliche Strahlantriebe STW:A nicht erreichbar. Für Antriebe mit Verzögerung des Eingangsimpulses STW:B ist die spezifische Impulsänderung x = 1 und mit Gleichung (12) und (13) ergibt sich w-L = 0, damit wäre die relative Anströmung des Strahlantriebs gleich null. Ohne Anströmung gibt es aber keinen Massenstrom und damit keinen Schub, keine Fahrt und für Flugzeuge keinen Auftrieb. Der Punkt (L) ist also für bekannte Strahlantriebe STW:B ebenfalls nicht erreichbar. Der neue Strahlantrieb STW:C kann im Punkt (L) sowohl Schub als auch Massenstrom erzielen, weil die Schubkraft aus der Summe der Strömungsimpulse entsteht.

[0030] Aus Figur 5 lässt sich für die Strahlantriebe STW:A, STW:B und STW:C weiterhin ablesen:

• Der Vortriebswirkungsgrad herkömmlicher Strahlantriebe ηα erreicht maximal 100% bei Punkt (T) mit x = 0. Hier liefert der Antrieb aber keinen Schub mehr, so dass dieser Punkt für Strahlantriebe STW:A nicht erreichbar ist. Mit steigendem Nebenstromverhältnis kommt man immer näher an den Bestpunkt von 100%, kann ihn aber nie erreichen.

• Der Vortriebswirkungsgrad verbesserter Strahlantriebe ηύ ist nur zwischen den Punkten (T) und (L) definiert. Bei Punkt (T) liefert er keinen Schub wegen fehlender Geschwindigkeitsänderung, und bei Punkt (L) liefert er keinen Schub wegen fehlendem Massenstrom. Dazwischen erreicht er Werte über 100% bezogen auf die Antriebsleistung. Er muss also über eine zusätzliche Energiezufuhr verfügen, die in der Wirkungsgradrechnung nach Gleichung (19) noch nicht berücksichtigt wurde.

• Der Vortriebswirkungsgrad des neuen Strahlantriebs ηε hat eine Asymptote bei x = 0.

Dieser Punkt ist nur erreichbar, wenn die Geschwindigkeit von Zustrom und Abstrom bei demselben statischen Druck identisch sind. Das geht nur mit w = w2 = 0, damit wäre der Massenstrom aber null und der Antrieb liefert keinen Schub. Von grossem Vorteil ist jedoch, dass der Vortriebswirkungsgrad für normierte spezifische Impulsänderungen von x < 2 Werte über 100% erreicht, bezogen auf die Antriebsleistung. Er muss also ebenfalls über eine zusätzliche Energiezufuhr verfügen, die bei der Wirkungsgradrechnung in Gleichung (29) noch nicht berücksichtigt wurde.

[0031] Die Strahlantriebe STW:B und STW:C können also einen Energievorteil erzielen, der bei herkömmlichen Antrieben STW:A nicht möglich ist. Die Ursache dafür liegt im Unterschied der Bewegungsgrössen von Impuls und Energie. Der Impuls ist eine vektorielle Grösse, die linear mit der Geschwindigkeit wächst, Energie ist eine skalare Grösse, die quadratisch mit der Geschwindigkeit wächst. Die Schubkraft des Strahlantriebs wächst mit der Impulsbilanz der Strömung, und die Antriebsleistung wächst mit seiner Energiebilanz. Dieser Sachverhalt wird in Figur 6 anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt.

[0032] Figur 6 zeigt den Zusammenhang von Impuls und Energie für drei Strahlantriebe A, B und C mit dem gleichen Massenstrom, dem gleichen Schub und der gleichen

Reisegeschwindigkeit. Weil Massenstrom, Schub und Reisegeschwindigkeit identisch sind, genügen spezifische Grössen für Impuls und Energie um die drei Antriebe miteinander zu vergleichen. Angetrieben werden soll ein Flugzeug mit 250m/s Reisegeschwindigkeit, das ist etwa Mach 0.8, und der spezifische Impuls sei 125m/s.

[0033] Strahlantrieb STW:A wird von vorne mit 250m/s angeströmt. Um einen spezifischen Impuls von 125m/s zu erreichen muss die Strömung auf 375m/s beschleunigt werden. Die spezifische Beschleunigungsleistung muss vom Strahlantrieb aufgewendet werden, und sie ist identisch mit Änderung der spezifischen kinetischen Energie Aea = 0.5 (3752— 2502) = 39'062,50. Dieser Wert sei als Bezugswert 100%.

[0034] Bei Strahlantrieb STW:B wird der Eingangsimpuls im Beispiel durch die Wechselwirkung mit der Grenzschicht auf 125m s verzögert. Der spezifische Ausgangimpuls wird ideal gewählt und ist damit genauso gross wie die Reisegeschwindigkeit. Durch den verminderten Eingangsimpuls verringert sich der Energieaufwand auf Aeb = 0.5 (2502— 1252) = 23'437,50. Das sind 60% des Bezugswertes. Der energetische Vorteil beträgt also 40% gegenüber STW:A.

[0035] Bei Strahlantrieb STW:C wird der Gesamtimpuls von 125m/s durch einen Eingangsimpuls von nur 50m/s und einem Ausgangsimpuls von nur 75m/s erzeugt. Weil der Eingangsimpuls aus dem nach hinten geöffneten Halbraum des Strahlantriebs stammt, ergibt sich der Gesamtimpuls aus der Summe beider Teilimpulse, und der Energieaufwand beträgt dann Aec = 0.5 (752— 502) = 1' 562,50. Das sind nur noch 4% des Bezugswertes. Der energetische Vorteil beträgt also 96% gegenüber Strahlantrieb STW:A.

[0036] Die Pfeile in Figur 6 stehen für die Vektoren der Impulse, die Quadrate für die Skalare der Energie. Die Eingangsenergie wird durch das kleine weisse Quadrat repräsentiert, die Ausgangsenergie durch das grosse Quadrat. Die graue Differenzfläche symbolisiert die für den Strahlantrieb aufzuwendende Antriebsleistung, die durch einen Motor oder eine Gasturbine aufgewendet werden muss. Aus der Darstellung wird deutlich, dass die Energie des zuströmenden Impulses bei bekannten Strahlantrieben STW:A und STW:B ausschlaggebend für den gesamten Energieaufwand ist, weil sie die Kantenlänge des grossen Quadrates und damit die graue Differenzfläche bestimmt. Weil bei dem neuen Strahlantrieb STW:C die Impulse addiert werden, kann der erforderliche Energieaufwand noch deutlich gesenkt werden.

[0037] Das Einsparpotenzial des neuen Antriebes kann man aus dem Verhältnis der schubspezifischen Leistungen ermitteln. Vergleicht man den neuen Antrieb STW:C mit herkömmlichen Antrieben STW:A, so ergibt sich das Sparpotenzial als Verhältnis der schubspezifischen Leistungen aus den Gleichungen (30) und (8):


— = --2 (36)

[0038] Dieser Sachverhalt ist in Figur 7 dargestellt, für Flugzeugantriebe. Aufgetragen ist Gleichung (36) mit dem Verhältnis der schubspezifischen Leistungen eines neuen Strahlantriebs STW:C im Verhältnis zum bekannten Antrieb STW:A über der Machzahl als Geschwindigkeit v. Die Kurvenschar ist über die spezifische Impulsdifferenz Δνν parametriert. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass der neue Strahlantrieb STW:C im Standfall bei v = 0 die gleiche Leistung benötigt wie der bekannte Antrieb STW:A. Mit steigender Fluggeschwindigkeit fällt der Leistungsbedarf dann aber rapide ab, denn die schubspezifische Leistung des neuen Antriebs ist von der Reisegeschwindigkeit unabhängig, während sie bei bekannten Antrieben mit der Reisegeschwindigkeit linear wächst.

[0039] Beispielhaft enthält Figur 7 den Betriebspunkt eines typischen Strahlantriebs für Verkehrsflugzeuge mit Flugmachzahl Ma=0.8 und einem spezifischen Impuls von 125m/s. Mit dem neuen Antrieb sinkt die schubspezifische Leistung um gut 80% im Vergleich mit herkömmlichen Strahltriebwerken von Verkehrsflugzeugen. Dieser erhebliche Energievorteil basiert auf besonderen innovativen Strömungseigenschaften des neuen Strahlantriebs, die in den Figuren 5 bis 9 näher erläutert werden. Darin wird auch die Energiequelle deutlich, die in der Analyse bisher nicht berücksichtigt wurde.

[0040] Herkömmliche Strahlantriebe erhalten den Eingangsimpuls aus dem nach vorne geöffneten Halbraum oder auch durch Absaugen der Grenzschicht des Fahrzeugs. Beim neuen Verfahren stammt der Eingangsimpuls aus dem nach hinten geöffneten Halbraum, und damit

aus dem Nachlauf des Strahlantriebs. Dieses Verfahren hat mehrere energetische Vorteile, die bisher nicht genutzt werden.

[0041] Figur 8 zeigt das Strömungsfeld des neuen Antriebs vereinfacht und schematisch für einen Flugzeugantrieb. Angesaugt wird ein Luftstrom aus dem rückwärtigen Halbraum des Triebwerks, der durch eine Halbkugel mit dem siebenfachen Radius des Ansaugrohres definiert sei (r0 = 7r ). Für einen Halbkugelraumwinkel von 2π beträgt die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des angesaugten Volumenstroms durch die Halbkugelfläche des Ansaugraums bei diesem Abstand nur noch etwa 1% der Eingangsgeschwindigkeit w im Kreisquerschnitt der Saugöffnung des Strahlantriebs. Das Triebwerk befinde sich zunächst in Ruhe. Bei ruhender Luft läuft ein Stromfaden dann von Position (0) am äusseren Rand des rückwärtigen Halbraums zu Position (1) am Ansaugquerschnitt. Er wird anschliessend im Inneren des Triebwerks gegen die Flugrichtung gewendet und verlässt es beschleunigt im Strahl bis Position (2). Der Ansaugquerschnitt in Figur 8 wird dabei von einer Halbkugelfläche bei Position (0) auf eine ebene Kreisfläche bei Position (1) transformiert, wobei die Geschwindigkeit des Stromfadens nichtlinear von ca. 1% w auf 100% w ansteigt. Weil alle Stromfäden die Strömungsquerschnitte jeweils senkrecht durchstossen, verändert sich der mittlere Impuls der Strömung in Flugrichtung von einer zentrischen Halbkugelströmung auf eine lineare Rohrströmung. Bei der Halbkugelströmung beträgt der Anteil der Vektorkomponente des Strömungsimpulses in Flugrichtung nur 4/7r: 2 , das sind etwa 40.5%> des Gesamtimpulses. Am Saugquerschnitt sind dann 100% des Bahnimpulses der Strömung in Fahrtrichtung ausgerichtet. Mit dem Ansaugen aus dem rückwärtigen Halbraum nutzt man so zwei Strömungsphänomene:

1. Die Strömung wird vom äusseren Rand des Halbraums bis zum Eingang des Triebwerks nichtlinear beschleunigt, wobei die Zentrifugalkraft der Stromlinien in Richtung der Hauptachse des Halbkugelraums gerichtet ist. Die Beschleunigung erfolgt zentrisch nach innen aus der Potenzialdifferenz zwischen dem Ruhedruck und der Druckabsenkung im Ansaugbereich.

2. Die Bahnimpulse der Stromfäden werden von allen Richtungen des Halbraumes kommend auf eine einzige Richtung konzentriert und damit auf einen einzigen Freiheitsgrad, das ist die Flugrichtung, wodurch der Anteil des mittleren spezifischen

Strömungsimpulses in Fahrtrichtung wx von 40.5%> auf 100% der Bahngeschwindigkeit

ansteigt. Dieser Zuwachs ist nur dem Ordnungsprinzip der Transformation des Strömungsquerschnittes von einer Halbkugelfläche in eine ebene Fläche geschuldet, und diese Transformation bedarf keiner zusätzlichen Antriebsenergie.

[0042] Figur 9 zeigt die Auswirkung des Ansaugens aus dem hinteren Halbraum auf die Bahngeschwindigkeit der Stromfäden w/w sowie den Anteil des mittleren Bahnimpulses wx/w und der mittleren kinetischen Energie ex/ e in Flugrichtung im normierten Abstand r / r = 0 bis 7. Im Einzelnen gilt:

• Die normierte Bahngeschwindigkeit w/w steigt nichtlinear von 1% auf 100%, wobei der Hauptteil der Beschleunigung im normierten Abstand von r/r^ < 0.5 erfolgt. Der Zuwachs an kinetischer Energie stammt wie bei einer Düse aus der Transformation von Totalenthalpie in Bewegungsenergie.

• Der Anteil des Bahnimpulses in Flugrichtung wx/w steigt nicht linear von ca. 40% auf 100%, wobei der Hauptteil der Transformation im normierten Abstand von r/rx < 0.5 erfolgt. Im Ergebnis stammt der Eingangsimpuls zu 60% aus der geometrischen Transformation des Strömungsfeldes mit Gleichrichtung aller Eingangsimpulse auf einen einzigen Freiheitsgrad.

• Der Anteil des Bahnenergie in Flugrichtung ex/e steigt nichtlinear von ca. 16% auf 100%, wobei der Hauptteil der Transformation im normierten Abstand von r/rx < 0.5 erfolgt. Über 75% der kinetischen Energie in der Ansaugöffnung stammen aus diesem Bereich der Transformation.

[0043] Die nichtlinearen Effekte der Stromlinientransformation vermindern den Energieaufwand des Strahlantriebs und sind nur wirksam, wenn aus dem rückwärtigen Halbraum angesaugt wird. Weil dieser dem Flugzeug folgt und immer mit Luft gefüllt bleibt, ist der Energievorteil unabhängig von der Reisegeschwindigkeit. Das gilt auch für später ausgeführte Konstruktionen, bei denen der genutzte Raumwinkel des rückwärtigen Ansaugraums kleiner oder grösser ist als 2π.

[0044] Neben der Transformation des Strömungsfeldes von einer Halbkugelfläche auf eine Ebene, wodurch die Stromlinien des Zustroms von den vielen Richtungen des Halbraums auf eine einzige Richtung konzentriert werden, nutzt das neue Verfahren als weiteres

Strömungsphänomen die Wechselwirkung zwischen der Grenzschicht und dem Nachlauf eines Strömungskörpers.

[0045] Figur 10 zeigt die Grenzschicht an einem Strömungskörper schematisch in zwei Darstellungen. Figur 10.1 zeigt das Geschwindigkeitsprofil einer Grenzschicht aus der Sicht eines ruhenden Strömungskörpers, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit angeströmt wird. An der Wand des Körpers ist die Geschwindigkeit in der Grenzschicht wegen der Haftbedingung gleich null, und mit zunehmendem Abstand von der Wand wächst sie nichtlinear bis die freie Strömung erreicht ist. Figur 10.2 zeigt das gleiche Phänomen mit einem ruhenden Fluid, in dem sich ein Strömungskörper mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. An der Wand der Strömungskörpers hat die Grenzschicht wegen der Haftbedingung die gleiche Geschwindigkeit wie der Körper, und mit zunehmendem Abstand von der Wand nimmt sie nicht linear bis auf null ab. Beide Grenzschichtprofile sind komplementär, und sie ergänzen sich stets zur Geschwindigkeit der Strömung bzw. des Körpers.

[0046] Die erste Darstellung ist aus der Literatur bekannt und in Fachbüchern allgemein üblich. Die zweite Darstellung zeigt hingegen die Wechselwirkung zwischen einem Flugzeug und ruhender Luft. Infolge der Reibungskräfte erfährt der Strömungskörper einen Widerstand, und er verliert Bewegungsenergie an die Grenzschicht. In der Darstellung nach Figur 10.2 ist dieser Energietransport in die Grenzschicht durch einen Pfeil (E) dargestellt. So verliert der Körper stetig Bewegungsenergie an die Grenzschicht, die wiederum in Fahrtrichtung beschleunigt wird und so die vom Körper abgegebene Energie hinzugewinnt. Dieser Energietransport ist nur aus der Darstellung nach Figur 10.2 ersichtlich, und er beschreibt den physikalischen Sachverhalt der Wechselwirkung von Flugzeugen mit ruhender Luft vollständiger als die Darstellung nach Figur 10.1.

[0047] Der Energietransport nach Figur 10.2 führt schliesslich zur Ablösung der Grenzschicht von der Wand, wobei sich deren Fluidteilchen gemäss Figur 10.3 im Nachlauf des Strömungskörpers sammeln. Weil sie durch das Flugzeug beschleunigt wurden, können die Teilchen dem Körper für kurze Zeit im Nachlauf folgen. Vor dem Flugzeug ist die Luft in Ruhe, durch die Reibungskräfte in der Grenzschicht wird sie zum Teil bis auf Fluggeschwindigkeit beschleunigt, und im Nachlauf wird die beschleunigte Luft gesammelt. Damit ist ein Teil derjenigen Energie für kurze Zeit im Nachlauf des Strömungskörpers

vorhanden, die durch Reibung an die Grenzschicht übertragen wurde. Bei herkömmlichen Strahlantrieben STW:A geht diese Energie für immer verloren. Bei Strahlantrieben mit Verzögerung des Eingangsimpulses STW:B wird sie teilweise genutzt, denn die Verzögerung betrifft den relativen spezifischen Eingangsimpuls w , wodurch die Kantenlänge des kleinen Quadrates nach Figur 6 verkürzt wird und der Gesamtenergiebedarf sinkt. Bei dem neuen Strahlantrieb STW:C wird die Wechselwirkung genutzt um den Eingangsimpuls zu erhöhen. Dazu kombiniert man den rückwärtigen Halbraum aus Figur 8 mit der Grenzschichtwechselwirkung nach Figur 10 und erhält einen optimierten Zustrom mit Energierückgewinnung. Da der Nachlauf dem Flugzeug immer mit Reisegeschwindigkeit folgt, ist dessen Nutzung zur Gewinnung des Eingangsimpulses für den neuen Strahlantriebs STW:C wiederum von der Reisegeschwindigkeit unabhängig, und weil die Nutzung der Grenzschichtenergie in der Energieanalyse der Gleichungen (11) bis (32) nicht berücksichtigt wurde, kann der Vortriebswirkungsgrad der Strahlantriebe STW:B und STW:C nach Gleichung (34) und (35) infolge der Energierückgewinnung aus der Grenzschicht Zahlenwerte über 100% erreichen. Derjenige Anteil der Reibungsenergie des Strömungswiderstandes, der über die Grenzschicht dem Eingangsimpuls des Triebwerks zuströmt, liefert damit einen bisher nicht berücksichtigten Energieanteil, der die Effizienz des Strahlantriebs steigert.

[0048] Figur 11 zeigt ein integriertes System zur Rückgewinnung von Reibungsenergie aus der Grenzschicht durch die Kombination von Grenzschichtwechselwirkung und rückwärts geöffnetem Ansaugraum. Dieses System arbeitet in vier Schritten:

1. Das Flugzeug fliegt durch ruhende Luft, eine Grenzschicht baut sich auf, Reibungskräfte transportieren Energie vom Flugzeug in die Grenzschicht, die Grenzschicht wird teilweise bis auf Reisegeschwindigkeit beschleunigt.

2. Die Grenzschicht wächst und löst sich am Ende vom Strömungskörper ab.

3. Die beschleunigten Fluidteilchen sammeln sich im Nachlauf und folgen dem Flugzeug darin für kurze Zeit.

4. Der Eingangsimpuls des Triebwerks wird aus dem beschleunigten Nachlauf angesaugt und von einer Halbkugelfläche in einen ebenen Querschnitt gewandelt. So wird der Vorteil der nichtlinearen Transformation einer rückwärtig angesaugten Strömung zur

Aufbereitung und Gleichrichtung des Nachlaufs genutzt, in dem sich unter anderen auch Fluidteilchen aus der abgelösten Grenzschicht sammeln.

[0049] Die Umsetzung dieser Prinzipien zeigt Figur 12 mit der vorteilhaften Gestaltung eines neuen Strahlantriebs STW:C in Kombination mit dem Strömungskörper eines Flugzeugs oder einer Trieb werksgondel. Die Gestaltung ist beispielhaft als eine von vielen konstruktiven Möglichkeiten der Realisierung zu sehen, deren Strömungsfeld jeweils besondere typische Merkmale besitzen.

[0050] Wichtig bei der Gestaltung des Strahlantriebs ist die rückwärtsgewandte Ansaugöffnung (a), die möglichst weit hinten positioniert sein sollte. Im Triebwerk wird die Strömung durch eine Umlenkvorrichtung (b) gegen die Fahrtrichtung gewendet, wodurch Schub entsteht, und sie verlässt das Triebwerk über eine Ausgangsdüse (c), die stets hinter dem Einlauf zu positionieren ist, um eine schädliche Rezirkulation der Strömung zu vermeiden. Ein Antriebsmotor mit Propeller oder eine Turbine ist zum weiteren Verständnis hier nicht erforderlich, und sie wurden deshalb nicht dargestellt.

[0051] Im stationären Reiseflug entsteht durch die Gestaltung und Anordnung der Triebwerksöffnungen ein typisches Strömungsfeld mit drei besonderen Stromlinien oder Stromflächen (S), (T) und (U):

• (S) ist die Staupunktstromlinie des Strömungskörpers. Sie endet im vorderen Staupunkt (1)·

• (T) ist die Trennstromfläche. Sie umschliesst die Grenzschicht und weitere Bereiche des Strömungsfeldes ausserhalb der Grenzschicht, aber in der Nähe der Wand des Strömungskörpers. Sie reicht über die Ansaugöffnung hinaus und bildet eine zweite Staulinie (2) zwischen Ansaugöffnung (a) und Ausgangsdüse (c). Dazu muss die Strömung von der Wand abgelöst worden sein. Alle Fluidteilchen, die zwischen Staupunkt (1) und Staulinie (2) von der Trennstromfläche (T) umschlossen werden, gelangen dann in den Nachlauf und werden vom Triebwerk angesaugt. Eine erste Umlenkung in die Ansaugöffnung (a) erfolgt nach Ablösung der Strömung durch einen Wirbel (W) am Ende der Trennstromfläche kurz vor der Staulinie (2).

• (U) ist eine beliebige Stromfläche in der Umgebung jenseits der Trennstromfläche (T). Alle Fluidteilchen jeder Umgebungsstromfläche fliessen um den Strömungskörper herum und gelangen nicht in das Triebwerk.

[0052] Das Strömungsfeld mit Trennstromfläche und zweiter Staulinie entsteht durch die Überlagerung der Ansaugströmung nach Figur 8 mit der parallelen Anströmung des Fahrtwindes aus dem Reiseflug. Wesentlich für den Energievorteil des neuen Triebwerks ist die Trennstromfläche mit der Staulinie (2) zwischen Ansaugöffnung (a) und Ausgangsdüse (c). Weil die Staulinie (2) körperfest an das Flugzeug gekoppelt ist und den Nachlauf der Strömung von der Umgebung isoliert, ist dieser immer so schnell wie das Flugzeug, und der Ansaugvorgang erfolgt im relativen Koordinatensystem unabhängig von der Reisegeschwindigkeit. Dadurch reduziert sich der Exponent des Leistungsbedarfs für den neuen Antriebs von 3 auf 2 und die erforderliche Antriebsleistung wächst nur noch quadratisch und nicht mehr kubisch mit der Reisegeschwindigkeit. Das ist bisher nicht möglich.

[0053] Die Unterschiede und Merkmale der Strahlantriebe STW:A, STW:B und STW:C sind zum Vergleich in Figur 13 tabellarisch zusammengefasst.

• Der konventionelle Strahlantrieb STW:A saugt die Parallelströmung des Fahrtwindes aus dem vorderen Halbraum an und gibt sie beschleunigt mit erhöhtem Ausgangsimpuls nach hinten ab. Der Schub entsteht aus der Differenz der Strömungsimpulse, und die schubspezifische Leistung wächst linear mit der Reisegeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad nach Gleichung (7) liegt immer unter 100% und kann nur durch erhöhten Massenstrom bei verringerter Strahlgeschwindigkeit verbessert werden, was bei Flugzeugen ein möglichst hohes Nebenstromverhältnis erfordert. Reibungsverluste an die Grenzschicht gehen stets verloren. Der Leistungsbedarf wächst kubisch mit der Geschwindigkeit.

• Der verbesserte Strahlantrieb STW:B saugt einen durch die Grenzschicht verzögerten Eingangsimpuls an und gibt ihn mit Reisegeschwindigkeit nach hinten ab. Dadurch erreichen die Strahlverluste im Abstrom ein Minimum. Der Schub entsteht aus der Differenz der Strömungsimpulse, und die schubspezifische Leistung wächst linear mit der Reisegeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad nach Gleichung (19) liegt über 100% und kann durch erhöhten Massenstrom bei verringerter Eingangsgeschwindigkeit verbessert werden. Das erfordert eine möglichst vollständige Absaugung der Grenzschicht, was nur mit einem hohen technischen Aufwand erzielbar ist. Reibungsverluste an die Grenzschicht senken den Eingangsimpuls und mindern den Leistungsbedarf, der kubisch mit der Geschwindigkeit wächst.

• Der neue Strahlantrieb STW:C gewinnt den Eingangsimpuls aus dem Nachlauf der Strömung und gibt diese mit erhöhtem Ausgangsimpuls nach hinten ab. Die nicht lineare Transformation der Stromlinien aus dem hinteren Halbraum mit deren Konzentration auf einen Freiheitsgrad ist dabei energetisch vorteilhaft. Wegen der Impulsumkehr entsteht der Schub aus der Summe der Strömungsimpulse, und die schubspezifische Leistung ist unabhängig von der Reisegeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad nach Gleichung (29) kann Werte über 100% erreichen. Er wächst mit der Reisegeschwindigkeit und verminderter Impulsdifferenz, und er kann durch geringeren Massenstrom bei höherer Reisegeschwindigkeit verbessert werden. Der neue Antrieb benötigt keinen Nebenstrom und keine Absaugvorrichtung für die Grenzschicht. Reibungsverluste an die Grenzschicht werden teilweise aus dem Nachlauf wiedergewonnen. Der Leistungsbedarf wächst nur noch quadratisch mit der Geschwindigkeit.

[0054] Strahltriebwerke nach STW:A werden bei Flugzeugen vielfältig genutzt. Hier findet die Senkung des Eingangsimpulses durch Nutzung der Grenzschichtreibung zunehmend Interesse, besonders bei Konzepten für zukünftige Flugzeuge. Man erzielt jedoch kaum die reine Form von STW:B, weil die gesamte Nutzung der Grenzschicht nur mit grossem technischen Aufwand erzielbar ist. Tatsächlich werden heute mit Heckantrieben von Flugzeugen und Schiffen nur Mischformen von STW:A und STW:B erzielt, und der Energievorteil aus Grenzschichtnutzung ist bisher nur gering.

[0055] Strahlantriebe nach dem neuen Verfahren STW:C haben wegen der quadratischen Leistungsfunktion einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Obwohl die Erfindung hier am Beispiel des Strahlantriebes für Flugzeuge erläutert wurde, kann sie ohne weiteres für Schiffe oder für Landfahrzeuge angepasst werden. Das neue Verfahren nutzt das Ordnungsprinzip der Strömungstransformation von einer Halbkugelfläche im rückwärtigen Ansaugraum auf einen ebenen Querschnitt am Einlass des Strahlantriebs und kombiniert

dieses mit dem Energietransport an die Grenzschicht und der Energierückgewinnung aus dem Nachlauf. So kann der Leistungsbedarf des Strahlantriebs auf eine quadratische Abhängigkeit gesenkt werden. Die Erfindung ist deshalb effizienter als jeder bisher bekannte Strahlantrieb.