Aerodynamische und thermische Einflüsse auf ein Luftschiff unter besonderer Berücksichtigung der Triebwerke (PDF)

Inhaltsangabe:Einleitung:
In einer Zeit wirtschaftlicher Rezession, die sich in der Stagnation oder dem Rückgang bisheriger, tragender Industriebranchen auszeichnet, klingt die Beschäftigung mit Luftschiffen etwas ungewöhnlich. Dennoch gerade jetzt wird an einigen Orten in Deutschland, an unterschiedlichen Projekten im Zusammenhang mit Luftschiffen, konstruiert, gebaut und geforscht.
Während das Luftschiff als Flugkörper fast jedem bekannt ist, sind die technischen Eigenheiten, die die gigantisch anmutende Hülle bei alten wie bei neuen Luftschiffen verbirgt, nur wenigen vertraut. Auch ist die historische Bedeutung die das Luftschiff um die Jahrhundertwende als erstes für die Allgemeinheit zugängliche, steuerbare Fluggerät hatte, weitgehend in Vergessenheit geraten. Ob die Favorisierung der Geschwindigkeit, die nur begrenzte militärische Einsetzbarkeit, oder das anspruchsvolle Handling dafür ausschlaggebend waren, ist eine Frage, die einer eigenen Betrachtung bedarf. Trotzdem, das einzigartige äußere Erscheinungsbild und seine Bewegungsformen, sind bis heute geblieben.
Die Chancen, die das Luftschiff für die Zukunft haben könnte, sind ähnlich derer, die es um die Jahrhundertwende hatte. Damals war es Technologieträger in vielerlei Hinsicht. Es läutete den Leichtbau mit Aluminiumlegierungen ein (Vorreiter für den Flugzeugbau; heute hält diese Technik Einzug in den Automobilbau), es schaffte die aerodynamischen Grundlagen, die für alle folgenden Fahr- und Flugzeuge maßgeblich waren und sind und ebenfalls im weiteren Maße erst heute als Standard verwirklicht werden (Man beachte die Konturen moderner Kraftstoff sparender Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und Züge). Insbesondere Prof. Johannes Schütte, dessen Erkenntnisse über widerstandsmindernde Maßnahmen, die später von Zeppelin übernommen wurden und sich auch im Bau von Lokomotiven niederschlugen (‘Fliegender Hamburger’ 1931, 230 km/h, Konstrukteur Dipl.-Ing. Friedrich Kruckenberg), seien erwähnt, ebenso wie die hervorragenden Entwicklungen von Gottlieb Daimler und Karl Maybach im Motorenbau, die schon zur damaligen Zeit den Bau formsteifer Kurbelgehäuse, Planetengetriebe, Vergaser mit Gemischverarmung (Magermotor), Schwingungsdämpfer, Umsteuerbarkeit, die 3 bzw. 4-Ventil-Technik (Ebenfalls erst heute im Motorenbau für Serienfahrzeuge großer Auflage eingebracht) und vieles mehr beherrschten und in den dreißiger Jahren Motoren schufen, deren spez. Kraftstoffverbräuche auch heute noch konkurrenzfähig sind.
Die Analyse der Abgase in Bezug auf Kondensatbildung zum Ausgleich des verbrauchten Kraftstoffs (Ballastausgleich), das Aufwärmen des Traggas- und des Luftvolumens mit Hilfe der Abwärme der Motoren, könnte man als Vorgänger der heute in der Energietechnik angewandten Brennwerttechnik und Kraft-Wärme-Kopplung nennen und vieles mehr.
Die aufkommenden Erfolge des Flugzeuges in den ersten Jahrzehnten dieses Jahrhunderts brachte die Auseinandersetzung mit dem Luftschiff Mitte bis Ende der dreißiger Jahre zum Erliegen. Das verbliebene Entwicklungspotential z.B. von zusätzlichen Trägheitsmassen zur Schubkrafteinleitung, wurde zwar damals noch aufgezeigt, konnte jedoch nicht weiter ausgereizt werden und geriet in Vergessenheit. Heute könnte auch diese Lücke geschlossen werden.
Das Luftschiff stellt also nicht nur eine Trägerkomponente zu Werbezwecken oder für Meßgeräte zur Erfassung von Umweltdaten im erdnahen Raum dar, sondern ist selber potentieller Träger von neuen Werkstoffen, aerodynamischen Erkenntnissen und intelligenten Kombinationen technischer Standards, die auch andere technische, wie medizinisch-biologische Bereiche befruchten könnten.
In einem Luftschiff arbeiten zwei völlig unterschiedliche Gase, die selber als Fluid vorliegen, während außen ein strömendes Fluid, die Umgebungsluft, Kräfte ausübt, die weder bei einem Flugzeug, noch bei einem sonstigen Fahrzeug schwerer als Luft auftreten. Daß sich ein vollbesetztes Flugzeug z.B. anders in seinem Fahrverhalten zeigt als ein leeres, ist eine selbstverständliche Alltagserfahrung. Bei einem Luftschiff wirken jedoch völlig anders geartete Kräfte, die den Alltagserfahrungen widersprechen.
Die folgende Arbeit versucht die aerodynamischen und thermischen Einflüsse auf ein Luftschiff aufzuzeigen.
Die Aerodynamik wird durch eine literarische Recherche und eine Analyse von bekannten ausgeführten Luftschiffen untersucht. Ein Nomogramm aus dem sich die notwendige Triebwerksleistung für konventionelle Luftschiffe ablesen läßt, stellt dabei einen Schwerpunkt dar. Ein weiterer besteht in der näherungsweisen Bestimmung der zusätzlichen longitudinalen Trägheitsmassen anhand von Auslaufversuchen.
Ein Verfahren zur Berechnung der Hüllengeometrien mittels Splines wird vorgestellt. Alle möglichen Temperaturvariationen von Gasen im Hüllenvolumen werden in ihren Auswirkungen auf die Auftriebskraft untersucht.
Das Triebwerk in seinen Wechselwirkungen auf Hüllenvolumina zum Ballastausgleich durch Kondensatbildung und zur permanenten Auftriebskrafterhöhung durch Nutzung der Abwärmen wurde dabei besonders berücksichtigt. Als Referenz werden im Anhang die jeweilige historische Entwicklung umrissen, sowie die wichtigsten Entwicklungen aus der jüngsten Vergangenheit wenigstens auszugsweise dargestellt. Auf fachübergreifende Zusammenhänge, insbesondere aus Fahrzeugtechnik und der Bionik wird ebenfalls kurz eingegangen. Viele Thematiken konnten nur genannt oder kurz dargestellt werden, so daß sich noch weitere intensive Untersuchungen im Rahmen weiterer Arbeiten anschließen dürften.
Viele technische Besonderheiten, die zu Beginn meiner Beschäftigung mit dem Thema Luftschiff auftauchten, waren mir so nicht geläufig. Ich kontrollierte daher die Ergebnisse mit möglichst vielen unabhängigen Referenzen. In der folgenden Darstellung lege ich daher sehr großen Wert auf exakte Zitate und Übersetzungen, die durch Anführungszeichen und Kursivschrift hervorgehoben und in besonders wichtigen Fällen als Original im Anhang angefügt werden. Auch werden die meisten dargestellten Formeln mit Zahlenwerten gefüllt um dem Leser eine leichtere Kontrollmöglichkeit zu geben. Um Redundanz zu vermeiden wurde in der Arbeit selber in den über 67 eigenen Abbildungen auf die Themen verzichtet, die sich in Form von Auszügen aus der Literatur in den über 121 Abbildungen des Anhangs wiederfinden.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Aerodynamik des Luftschiffs7
1.1Rechnerische Ermittlung der Triebwerksleistung7
1.1.1Berechnungsgleichung7
1.1.2Übertragung der Triebwerksleistung8
1.1.2.1Der Propellerwirkungsgrad8
1.1.2.2Der Getriebewirkungsgrad9
1.1.2.3Der mechanische Wirkungsgrad9
1.1.2.4Ausgelagerte Propeller9
1.1.2.5Ummantelte Propeller10
1.1.2.6Gegenlaufverstellpropeller10
1.1.2.7Propellerlärm10
1.1.2.8Zusammenfassung Übertragungswirkungsgrad11
1.1.3Höhenverhalten des Triebwerks11
1.1.3.1Kolbenmotoren11
1.1.3.2Gasturbinen12
1.1.3.3Der spezifische Kraftstoffverbrauch in der Höhe12
1.1.3.4Maximal erreichbare Höhe12
1.2Einflüsse auf den Luftwiderstand eines Luftschiffs13
1.2.1Einfluß der Reynoldszahl13
1.2.1.1Definition der Reynoldszahl13
1.2.1.2Die Grenze des Einflusses der Reynoldszahl14
1.2.1.3Die Problematik der Widerstandsbestimmung15
1.2.1.4Die Grenzschichtdicke15
1.2.1.5Widerstandsbestimmung bei Luftschiffen in Originalgröße17
1.2.1.6Der Anfahrvorgang beim Luftschiff18
1.2.1.7Der Gesamtwiderstand eines Luftschiffes in bezug auf die Reynoldszahl18
1.2.2Einfluß des Längen-Dicken-Verhältnisses19
1.2.2.1Das optimale Längen-Dicken-Verhältnis20
1.2.2.2Der scheinbare Widerspruch der Literatur20
1.2.2.3Analogien in der Natur21
1.2.3Zusammensetzung des Luftwiderstandes konventioneller Luftschiffe22
1.2.3.1Vergleich Luftschiffhülle mit Flugzeugrumpf22
1.2.3.2Zusammenfassung der Ergebnisse25
1.3Regressionsanalyse ausgeführter Luftschiffe29
1.3.1Datenquellen29
1.3.2Annahmen zur Datenanalyse30
1.3.3Ergebnisse der Analyse ausgeführter Luftschiffe33
1.3.3.1Analyse Luftschiffe Bauart Zeppelin33
1.3.3.1.1Grenzen der Gültigkeit der gemachten Annahmen34
1.3.3.1.2Die Entwicklung der Hüllenkonturen35
1.3.3.1.3Die Propelleranordnungen35
1.3.3.1.4Die Motoren36
1.3.3.1.5Gesamtkonfiguration36
1.3.3.2Nomogramm zur Abschätzung der Triebwerkleistung37
1.3.3.2.1Ausgewertete Daten37
1.3.3.2.2Beste Luftschiffe laut Analyse40
1.3.3.2.3Nomogramm42
1.4Besondere Einflüsse zusätzlicher Trägheitsmassen auf die Schubkrafteinleitung beim Luftschiff43
1.4.1Auslaufversuche beim Luftschiff43
1.4.1.1Gedankenmodell zu Arten und Wirkungen von Trägheitsmassen43
1.4.1.2Zusätzliche Trägheitsmassen beim Auto44
1.4.1.3Physikalische Zusammenhänge an Hand des Luftschiffes45
1.4.1.4Auslaufversuch an LZ 129 ‘Hindenburg’51
1.4.1.5Einflüsse der Dichtheit der Hülle bei Wasserstoff als Traggas55
1.4.2Mögliche Schlußfolgerung für Schubkrafteinleitung bei Luftschiffen56
1.4.2.1Gegenlaufverstellpropeller als Umfangspropeller56
1.4.2.2Heckpropeller59
1.4.2.3Flettnerkugel60
1.4.2.4Zusammenfassung Schubkrafteinleitung60
2.Konfigurierung eines Luftschiffs unter folgenden Randbedingungen: Hüllenvolumen 7000 m3, Flughöhe 500 m, Relativgeschwindigkeit 130 km/h62
2.1Luftschiffhülle62
2.1.1Konfigurierung der Hüllenkontur62
2.1.1.1Herkunft der Abmessungen für die Hüllenkontur62
2.1.1.2Bestimmung der Hüllengeometrien63
2.1.2Aufteilung des Hüllenvolumens68
2.1.2.1Physikalische Zusammenhänge68
2.1.2.2Füllung des Luftschiffes auf Meeresniveau69
2.1.2.3Volumenverteilung in 500m Höhe70
2.1.2.4Ermittlung der Prallhöhe71
2.1.3Benötigte Wärmemenge zum Aufheizen des Hüllenvolumens72
2.1.4Wärmebilanz der Luftschiffhülle bei Temperaturerhöhung75
2.1.4.1Bestimmung der äußeren Wärmeübergangszahl75
2.1.4.2Bestimmung der Wärmeverluste durch Strahlung77
2.1.4.3Einfluß der Sonneneinstrahlung78
2.1.4.4Zusammenfassung Wärmebilanz der Luftschiffhülle78
2.1.5Theoretische Auftriebskrafterhöhung bei Temperaturerhöhung des Hüllenvolumens81
2.1.5.1Berechnung der erhöhten Auftriebskraft81
2.1.5.2Einführung der Temperaturverteilungsziffer82
2.1.5.3Darstellung der Ergebnisse aus 2.1.3 bis 2.1.583
2.2Triebwerke89
2.2.1Literaturstudie der in der Vergangenheit angewandten Triebwerke89
2.2.1.1Historischer Rückblick der Luftschiffantriebe89
2.2.1.2Die Daimler Motoren92
2.2.1.3Die Maybach-Motoren92
2.2.1.4Zusammenfassung Motorenentwicklung für Luftschiffe93
2.2.1.5Ankopplung der Triebwerke an Struktur93
2.2.2Auswahl anwendbarer Triebwerke94
2.2.2.1Ermittlung der zu installierenden Triebwerksleistung94
2.2.2.2Verfügbare Wellenleistungstriebwerke96
2.2.2.3Verfügbare Otto-Flugmotoren97
2.2.2.4Verfügbare Diesel-Flugmotoren97
2.2.2.5Ausgewählte Triebwerke98
2.2.3Wärmebilanz der Triebwerke am Boden98
2.2.3.1Berechnung der Abwärmen der Triebwerke98
2.2.3.2Das Diesel-Triebwerk 6R 183 TE 62100
2.2.3.2.1Ermittlung der Luftzahl beim Dieselmotor101
2.2.3.2.2Ermittlung der Abwärme beim Dieselmotor103
2.2.3.2.3Zusammenfassung Dieselmotor103
2.2.3.3Die Gasturbine MTU-250-C20 B104
2.2.3.3.1Ermittlung der Abgastemperatur104
2.2.3.3.2Ermittlung der Luftzahl (ges.)107
2.2.3.3.3Ermittlung der Abwärme bei der Gasturbine108
2.2.3.3.4Zusammenfassung Gasturbine110
2.2.3.4Der Ottomotor110
2.2.3.4.1Ermittlung der Abwärme beim Ottomotor110
2.2.3.4.2Zusammenfassung Ottomotor114
2.2.3.5Vergleich der Triebwerke am Boden114
2.2.4Wärmebilanz der Triebwerke unter Flugbedingungen114
2.3Nutzung der Abwärme der Triebwerke118
2.3.1Historischer Rückblick zur Nutzung der Abwärme118
2.3.1.1Kühlleistung zur Erwärmung des Traggases118
2.3.1.2Düsenkühler zur Erzeugung zusätzlicher Schubkraft119
2.3.1.3Nutzung der Abgase zur Erzeugung von Kondensat120
2.3.1.4Aufwärmen des Traggases122
2.3.2Theoretisch erreichbare Auftriebskrafterhöhung123
3.Diskussion möglicher Fehlerquellen131
4.Zusammenfassung134
5.Abbildungsverzeichnis143
6.Literaturverzeichnis148
Anhang separat
Textprobe:Textprobe:
Kapitel 1.3, Regressionsanalyse ausgeführter Luftschiffe:
Wie in den vorangegangenen Kapiteln dargestellt, ist die Bestimmung von Widerstandsbeiwerten bei Luftschiffen von sehr vielen Parametern abhängig, die nur schwer zu überschauen sind. Eine Konfigurierung eines neuen Luftschiffes z.B. mit vorgegebenem Volumen und einzuhaltender Höchstgeschwindigkeit, verlangt jedoch einen gewissen Überblick über die entscheidenden Parameter, insbesondere im Hinblick auf das Triebwerk. Seine Leistung sollte wenigstens in gewissen Bereichen sicher abgeschätzt werden können, da ein großer Teil der übrigen Dimensionen und Kosten unmittelbar von ihm abhängt. Als Orientierungswerte wären die Kenntnis, der bisher ausgeführten Luftschiffe, in Bezug auf den Widerstandsbeiwert, bei der jeweiligen Höchstgeschwindigkeit, von außerordentlicher Bedeutung.
1.3.1, Datenquellen:
Die größte zusammenhängende Datenquelle für Leistungsdaten von Luftschiffen wurde bei SCHMALENBACH vorgefunden. In seinem Buch ‘Die deutschen Marine-Luftschiffe’ führt er Leistungsdaten von 51 verschiedenen Luftschiffen Bauart Zeppelin (Starrluftschiff mit Aluminium-Leg.-Struktur), 7 verschiedenen Luftschiffen Bauart Schütte-Lanz (Starrluftschiff mit Holzstruktur), 4 verschiedenen Luftschiffen Bauart Parseval (Pralluftschiffe), und einem Luftschiff Bauart Groß-Basenach auf (Anhang I, Abb. I-1 bis I-7). Die Bezeichnung der Marine-Luftschiffe Bauart Zeppelin mit L, wich von der Werftbezeichnung LZ, um ‘den Feind zu irritieren’ ab.
Die dort aufgeführten Luftschiffe wurden zwischen 1900 und 1938 gebaut. Ab 1912 flogen die meisten schneller als 100 km/h, waren zwischen 92 und 245 m lang und konnten 2,8 bis 60 Tonnen tragen. Ihre Motoren waren je zwischen 14,2 und 1200 PS stark. Das schnellste war mit 132,5 km/h, LZ 120 (DELAG) mit dem Namen ‘Bodensee’(1919). Die Daten in der übrigen vorliegenden Literatur stimmten weitgehend mit denen aus Paul Schmalenbach überein, waren aber oft nicht so vollständig. Ausführliches Bildmaterial und Beschreibungen, auch unkonventioneller und aktueller Luftschiffe, fanden sich bei GÜTSCHOW /17/ ‘Das Luftschiff’ (Die meisten Abbildungen aus dem Anhang A, wie auch einige aus Anhang C stammen aus dieser Quelle). Besonderheiten aus der Praxis der Luftschiffe, Bauart Zeppelin, waren bei Hans von SCHILLER /38, 39/ zu finden, ebenso wie seltenes Bildmaterial.
Daten von weiteren 3 Pralluftschiffen (Blimps) WDL 1, WDL 1a, WDL 1b wurden mir freundlicherweise von WDL-Mülheim/Ruhr mitgeteilt (Anhang I, Abb. I-8) oder stammen z.T. auch aus GÜTSCHOW /17/ (Anhang J, Abb. J1).