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Vorrichtung zur Steuerung des Strahls eines Strahltriebwerks Die Erfindung
betrifft Strahltriebwerksaggregate und -anlagen, bei welchen ein in einem Ausstoßkanal
<:tröniendes Gas in der Atmosphäre entspannt wird und hierbei eine Schubkraft
erzeugt. Solche Aggregate sind unter anderem die Turbostrahltriebwerke und die Staustrahltriebwerke.
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Bekanntlich muß der Austrittsquerschnitt der Ausstoßdüse der Strahltriebwerke
oder Strahltriebwerka"fgregate den verschiedenen Betriebsbedingungen,wie Beschleunigung
oder Verzögerung, Arbeiten mit oder ohne Nachverbrennung, sowie den verschiedenen
Flugbedingungen, wie Höhe und Geschwindigkeit, angepaßt werden.
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Zur Beeinflussung des Triebstrahls ist es bereits bekanntgeworden,
entweder einziehbare Teile zu verwchden. welche am Umfang der Düse, vorzugsweise
an gegenüberliegenden Stellen derselben, angebracht sind und in den Strahl vorgeschoben
werden. können, um Stromfäden des Strahls abfangende feste Hindernisse zu bilden,
oder aber aerodynamische Steuermittel zu verwenden. Diese aerodynamischen Steuermittel
sind int allgemeinen Blasdüsen, welche auf die Achse der Düse ausgerichtet sind
und, mit Druckluft oder einem Druckmittel gespeist, zum Triebstrahl quer gerichtete
Strahlen bilden. Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß unter verschiedenen Benutzungsbedingungen,
insbe-#;onder-e beim Überschreiten der Schallgeschwindigkeit sowie im Überschallgebiet
die aerodynamischen Steuermittel fehlerhaft arbeiten. Die erstgenannten mechanischen
Steuermittel, die unmittelbar auf den Triebstrahl einwirken, zeigen diese Nachteile
jedoch nicht. Aus diesem Grunde sind sie vor allem für Maschinen mit lotrechter
Landung und lotrechtem Start geeignet, da bei Start und Landung die Fluggeschwindigkeiten
klein oder sogar Null sind, so daß die aerodynamischen Steuermittel nicht wirksam
werden können. Neben diesen vorgenannten Vorteilen haftet aber den mechanischen
Steuermitteln. der Nachteil an;, daß sie einem relativ .großen Verschleiß unterliegen,
der vor allem an den freien. Rändern der einziehbaren Teile auftritt, und daß beim
normalen Flugbetrieb mit mechanischen Mitteln keine so feinsttifi ge Regelung vorgenommen
werden kann wie bei aerodynamischen Stetterrnitteln.
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Der Kernpunkt der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, die aerodvnamischen
Steuermittel mit den mechanischen Steuermitteln derart zu kombinieren, daß die einziehbaren
Teile zur Verstärkung der von ihnen ausgeübten Wirkung in Blasdüsen auslaufen, welche
in an sich bekannter Weise auf die Achse der Düse zu gerichtet sind und mit Druckluft
oder einem Druckmittel gespeist zum Triebstrahl quer gerichtete Strahlen hild#en.
Diese einziehbaren Teile können von unabhängigen Steuervorrichtungen, wie es bereits
an sich von rein mechanischen Strahlsteuerungen bekannt ist, entweder symmetrisch
betätigt werden, so daß sie eine Einschnürungswirkung auf den Strahl ohne Veränderung
desselben ausüben, oder aber auch unsymmetrisch eingesetzt werden, so daß sie den
Strahl in eine gewünschte Richtung ablenken und ein zur Steuerung der mit dem Triebwerk
versehenen Vorrichtung benutzbares Moment erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Vorrichtungen
zur Steuerung der Lage der die Blasdüsen tragenden einziehbaren Teile so ausgebildet,
daß sie gleichzeitig die Regelung der Druckluftmenge zur Speisung der Blasdüsen
bewirken, wobei diese Speisung in der zurückgezogenen Stellung der einziehbaren
Teile unterbrochen ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht auf das Ende einer mit einer
erfindungsgemäßen Ablenk- und Einschnürungsvorrichtung versehenen Düse; Fig. 2 ist
ein Axialschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1; Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsabwandlungen
einer Einzelheit in größerem Maßstab; Fig. 5 bis 9 sind der Fig.2 ähnliche Schnitte,
welche die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf fünf
andere Ausführungsformen von Düsen zeigen; Fig. 10 ist ein Axialschnitt eines mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten kombinierten Turbo- und Staustrahltriebwerkes.;
Fig. 11 und 12 zeigen schematisch zwei Möglichkeiten der Steuerung des Hilfsstrahls
zur Ablenkung des Hauptstrahls und zur Einschnürung der Düse; Fig. 13 und 14 sind
ein schematischer Längsschnitt bzw. eine schematische Endansicht einer offenen Düse
beim Arbeiten mit Nachverbrennung; Fig. 15 und 16 sind entsprechende Ansichten einer
ohne Nachverbrennung arbeitenden geschlossenen Düse.
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In Fig. 1 und 2 ist mit 1 eine einen Umdrehungskörper bildende Düse,
welche durch eine kreisförmige Öffnung 2 ins Freie mündet, dargestellt.
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Am Umfang der Düse 1 sind in der Nähe ihrer Austrittsöffnung 2 vier
schwenkbare Klappen 3, 4, 5, 6 angeordnet, welche paarweise einander gegenüberliegen
und je ein Endstück 7 in Form eines sich über einen Viertelkreis erstreckenden ringförmigen
Bogens haben. Diese Endstücke werden nach 'vorn durch ein Knie von 90° und einen
Stutzen 7o- verlängert. Die Klappen 3, 4, 5, 6 können durch Schwenken um zur Düse
tangentiale Achsen 8 in die in dem oberen Teil der Fig. 1 und 2 sowie in Fig. 15
und 16 dargestellte Lage kommen, in welcher die Segmente 7 in die Düse vorspringen.
Die Klappen können jedoch auch, wie in dem unteren Teil der Fig. 1 und 2 und in
Fig. 13 und 14 dargestellt, nach außen, aus der Düse zurückstehen.
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Die Klappen 3, 4, 5, 6 sind hohl und bilden Leitungen, welche in Blasdüsen
9 oder -schlitze auslaufen, welche sich über einen Viertelkreis erstrecken und auf
die Achse der Düse zu gerichtet sind. Diese Blasdüsen stehen über Rohrstutzen 7o-
mit Leitungen 10 zur Zufuhr von Druckluft in Verbindung, welche vorzugsweise bei
einem Turbostrahltriebwerk von der Förderseite oder einer Zwischenstufe des Luftverdichters
oder bei einem Staustrahltriebwerk von dem Eingangsdiffusor kommt. Die festen Rohrleitungen
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sind mit den Stutzen 7d der schwenkbaren Klappen durch entsprechende Verbindungsstücke
verbunden.
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Ein Beispiel eines drehbarenVerbindungsstückes zuz Ermöglichung der
schwenkbaren Anbringung der Klappen ist bei 11 in Fig. 4 gezeigt. Diese Verbindungsstücke
können sehr verschieden ausgeführt sein. So ist beispielsweise in Fig. 3 eine Ausführungsform
dargestellt, bei welcher das drehbare Verbindungsstück 11 durch ein elastisches,
mit einem Balg versehenes Verbindungsstück 11 a ersetzt ist.
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Jede Klappe wird mit Hilfe eines Druckzylinders 12 betätigt, z. B.
einem doppelt wirkenden hydraulischen Druckzylinder, welcher durch ein Gestänge
13 mit einer Achse 14 verbunden ist, die von einer mit der Klappe starr verbundenen
Platte 15 getragen wird.
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Ferner ist das Gestänge 13 so ausgebildet, daß es ein in jeder Rohrleitung
10 vorgesehenes Ventil 16 betätigt, wobei die Ausbildung so getroffen ist, daß das
Ventil 16 in der in dem oberen Teil der Fig. 2 und in Fig.15 dargestellten
vorspringenden Stellung der Klappen offen ist, während es in der zurückgezogenen
Stellung der Klappen (unterer Teil der Fig. 2 und 13) geschlossen ist.
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Die obige Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Wenn der Austrittsquerschnitt
der Treibdüse verringert werden soll, werden alle hydraulischen Druckzvlinder 12
so beaufschlagt, daß die vier Klappen 3, 4, 5, 6 in den Triebstrahl vorspringen
(in Fig. 15 und 1 6 -'nrgestelltz Stellung). Die Klappen, welche Kreisbogen oder
eine ähnliche Form haben, legen sich gegeneinander und verringern den Halbmesser
der Austrittsöffnung der Triebdüse von dem Wert R auf den Wert r. Da außerdem dann
die Ventile 16 geöffnet sind, werden die Blasdüsen 9 mit Druckluft gespeist und
erzeugen quer liegende Hilfsstrahlen, welche einen ringförmigen Strömungsmittelschirm
bilden, der den Austrittsquerschnitt der Triebdüse noch weiter verringert.
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Vorrichtungen zur Einschnürung einer Düse mittels eines Strömungsmittels
sind von dem Erfinder insbesondere in der französischen Patentschrift
1030 483 vom 4. Januar 1951 bereits beschrieben worden. In diesem Fall handelte
es sich jedoch um Blasschlitze, welche an einem festen Halter vorgesehen waren,
die selber keine Wirkung auf den Triebstrahl ausüben, und nicht, wie in dem vorliegenden
Fall, um Schlitze, welche an beweglichen Klappen angeordnet sind, welche durch ihre
feste Oberfläche eine Einschnürungswirkung hervorrufen, zu welcher die Einschnürungswirkung
der Hilfsstrahlen hinzutritt.
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Man kann der Treibdüse ihren durch ihren Austrittsquerschnitt 2 gegebenen
vollen Querschnitt wiedergeben, z. B. beim Arbeiten mit Nachverbrennung, indem man
die hydraulischen Zylinder 12 so betätigt, daß die Klappen zurückgezogen werden,
wie dies in dem unteren Teil der Fig. 1 und 2 und in Fig. 13 und 14 dargestellt
ist. Da dann die Ventile 16 geschlossen sind, gelangt keine Druckluft mehr zu den
Blasdüsen 9.
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Es ist klar, daß die Einschnürungswirkung dadurch verändert werden
kann, daß die Klappen in eine Zwischenstellung zwischen der in dem oberen Teil der
Fig. 2 und in Fig. 13 dargestellten Stellung (vollständig zurückgezogene Klappe)
und der in dem unteren Teil der Fig. 2 und in Fig. 15 dargestellten Stellung (vollständig
vorspringende Klappe) gebracht werden. Die Klappen treten dann mehr oder weniger
in den Triebstrahl ein, und die Blasdüsen 9 werden je nach der Winkelstellung der
Klappen und somit der Stellung der Ventile 16 mehr oder weniger mit Druckluft gespeist.
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Anstatt die Klappen und Blasdüsen symmetrisch zu betätigen, kann man
sie unsymmetrisch betätigen, um den Strahl in eine gewünschte Richtung abzulenken
und so ein entsprechendes Steuermoment zu erzeugen. Eine derartige unsymmetrische
Wirkung kann leicht erzielt werden, da jede Klappe und Glasdüse von einem unabhängigen
hydraulischen Druckzylinder 12 gesteuert wird und ihre Speisung mit Druckluft ebenfalls
unabhängig durch ein Ventil 16
geregelt wird.
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Wenn z. B., wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, als einzige Klappe die
Klappe 3 in die vorspringende Stellung gebracht wird, bildet das gebogene
Segment 7 dieser Klappe inmitten des Strahls ein festes Ablenkhindernis, dessen
Wirkung durch den von der Düse 9 erzeugten Drucklufthilfsstrahl verstärkt wird und
ein das feste Hindernis 7 verlängerndes Strömungsmittelhindernis erzeugt. Der Triebstrahl
wird dann in der durch die Pfeile f angegebenen Weise abgelenkt, d. h. nach unten,
was an dem Luftfahrzeug ein Sturzflugmoment erzeugt.
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Zur Erzielung der entgegengesetzten Wirkung wird die Klappe 4 mit
Blasdüse betätigt, während die anderen in der zurückgezogenen Stellung bleiben.
In ähnlicher Weise erzeugt die Einstellung der mit einer Glasdüse versehenen Klappe
5 oder 6 in die vorspringende Stellung ein Steuermoment nach rechts oder
linlc:.
Schließlich kann man unter beliebiger Einstellung die Wirkung der verschiedenen
Klappen miteinander kombinieren und so eine Steuerwirkung in gewünschter Richtung
und Größe erhalten.
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Vorrichtungen zur Ablenkung durch ein festes Hindernis oder ein Strömungsmittelhindernis
sind von dem Erfinder insbesondere in der französischen Patentschrift 1010405 vom
11. August 1948 und dem Zusatzpatent 60 250 vom 28. April 1950 sowie in der französischen
Patentschrift 1020 287 vom 16. Juni 1950 beschrieben worden. Wie jedoch oben
bereits angegeben, besteht das Kennzeichen der vorliegenden Erfindung in der Kombination
eines festen Hindernisses mit einem dieses verstärkende Strömungsmittelhindernis.
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Der Vorteil der Kombination dieser beiden Wirkungen besteht darin,
daß die Abmessung der durch das Hindernis 7 und die Blasdüse 9 gebildeten Anordnung
sehr klein gemacht werden kann, wodurch die zu ihrer Betätigung erforderliche Antriebskraft
verringert wird. Die benutzten Antriebsvorrichtungen können daher ein geringes Gewicht,
kleine Abmessungen und eine kleine Leistung haben.
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Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die durch
die Hindernisse 7 und die Blasdüsen 9 gebildeten Anordnungen durch den Durchtritt
der Druckluft beträchtlich gekühlt werden, insbesondere wenn sie sich im Triebstrahl
befinden, was für Strahltriebwerke mit Nachverbrennung besonders vorteilhaft ist.
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Natürlich kann man auch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen,
eine getrennte Steuerung für die Winkelstellung der Klappen und ihre Speisung mit
Druckluft versehen, so daß man entweder das feste Hindernis oder das Strömungsmittelhindernis
benutzen kann.
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Die Ablenkwirkung kann durch eine konvexe Verlängerung der Wand der
Triebdüse gesteigert werden, welche die durch die festen Hindernisse und die Strömungsmittelhindernisse
,erzeugte Ablenkung stabilisiert und verstärkt.
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Fig. 5 zeigt eine derartige konvexe Verlängerung 17, welche einen
hinter der Austrittsöffnung 2 der Treibdüse 1 liegenden divergierenden Kanal bildet.
Zwischen der Düse l und dem divergierenden Kanal 17 liegt ein Ringraum 18 für den
Durchtritt der mit Blasdüsen versehenen schwenkbaren Klappen.
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Durch diesen Zwischenraum 18 kann die die Düse 1 umgebende Luft in
der durch die Pfeile f1 gezeigten Weise unter der Einwirkung der von dem mit großer
Geschwindigkeit aus der Öffnung 2 der Düse austretenden Triebstrahl erzeugten Ansaugung
in die Verlängerung 17 eintreten. Die so angesaugte Luft kann vorher durch eine
strichpunktiert dargestellte Verkleidung 19 geführt werden, welche die Düse sowie
die Vorrichtung zur Betätigung und zur Speisung der durch die Klappen und die Blasdüsen
gebildeten Anordnungen umgibt. Diese angesaugte Luft kühlt die Wände der Düse 1
und der Verlängerung 17 sowie die verschiedenen der Ablenk- und Einschnürungsvorrichtung
angehörenden Teile in wirksamer Weise.
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Fig. 6 zeigt die Anwendung dieser Vorrichtung auf den Ausgang 2a einer
Düse mit einem strömungsabwärts liegenden divergierenden Teil l a, was gestattet,
eine Ablenkwirkung bereits vor den durch die Klappen 7 und die Blasdüsen 9 gebildeten
Anordnungen zu erhalten, während Fig. 7 die Ausbildung einer konvexen Verlängerung
17a am Ausgang dieser Düse und zweckmäßig einer Verkleidung 19a zur Leitung der
durch eine Strahlpumpenwirkung in den Ringraum 18a zwischen dem Ausgang der Düse
und dem Eingang der Verlängerung 17a gesaugten Luft zeigt.
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Fig. 8 zeigt eine Triebdüse mit einer unsymmetrischen Verlängerung
17b, welche im oberen und unteren Teil verschiedene Krümmungshalbmesser hat. Diese
Ausbildung soll die Ablenkung des Strahls in eine bevorzugte Richtung (in dem dargestellten
Fall nach unten) verstärken.
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Fig. 9 zeigt eine derartige unsymmetrische Verlängerung 17 b, welche
außerdem einen Teil 20 aufweist, welchem mittels eines doppelt wirkenden hydraulischen
Druckzylinders 21 eine Translationsbewegung parallel zur Achse der Triebdüse erteilt
werden kann. Der Teil 20 der Verlängerung 17 b kann so in die strichpunktiert dargestellte
Stellung gebracht werden, in welcher er eine Schaufel zur Führung des durch die
Klappe 3 und ihre Blasdüse gebildete Anordnung und durch den strömungsaufwärts gelegenen,
dieser Anordnung aus Klappe und Blasdüse gegenüberliegenden festen Teil der konvexen
Ablenkkante abgelenkten Strahls bildet. Diese Anordnung ermöglicht eine weitere
Vergrößerung des Ablenkwinkels des Triebstrahls.
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Alle oben beschriebenen Vorrichtungen sind nicht nur auf Turbostrahltriebwerke
und Staustrahltriebwerke einzeln anwendbar, sondern können auch für beliebige Kombinationen
oder Verbrennungsmaschinen mit Gleichstrom benutzt werden.
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Fig. 10 zeigt den hinteren Abschnitt eines kombinierten Triebwerks
mit einem Turbostrahltriebwerk, dessen Düse bei 22 dargestellt ist. Dieses Turbostrahltriebwerk
ist in eine Staustrahltriebwerksverkleidung 23 eingebaut. Der Turbostrahltriebwerkszyklus
geht somit in dem mittleren Teil des Triebaggregates vor sich, während der Staustrahltriebwerkszyklus
in dem das Turbostrahltriebwerk umgebenden inneren Ringraum abläuft.
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Die kreisförmige Düse des Turbostrahltriebwerks 22 sowie die ringförmige
Düse dies Staustrahltriebwerks 23 weisen einen Hals auf, an dessen Wänden Öffnungen
für den Durchtritt der oben beschriebenen schwenkbaren Anordnungen aus Klappen 7
und Blasdüsen vorgesehen sind.
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Als Abwandlung ist jedoch innerhalb des Triebaggregats eine T-förmige
Anordnung von Klappen und Blasdüsen dargestellt, welche in beiden Richtungen schwenkbar
ist. Durch Verschwenkung in Richtung auf die Achse des Triebaggregats, d. h. nach
dem Innern der Düse 22 des Turbostrahltriebwerks, wird eine Ablenkwirkung oder Einschnürungswirkung
ausgeübt, welche sich nur auf das Turbostrahltriebwerk erstreckt. Bei der Verschwenkung
der T förmigen Klappen nach außen wird jedoch nur der Fluß des Staustrahltriebwerks
beeinflußt. Zur gleichsinnigen Ablenkung des Strahls des Turbostrahltriebwerks und
des Staustrahltriebwerks müssen natürlich die T-förmigen Klappen parallel so verschwenkt
werden, daß die eine auf den Fluß des Turbostrahltriebwerks und die andere auf einen
Teil des Flusses des Staustrahltriebwerks einwirkt.
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Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung, welche der in Fig. 2 beschriebenen
ähnelt, bei welcher jedoch die Ventile 16 zur Regelung der Speisung der Blasdüsen
9 mit Druckluft durch einen Rohransatz 24 ersetzt sind, welcher senkrecht zu der
Leitung 10 zur Zufuhr der Druckluft liegt und seinerseits mit Druckluft durch
eine Leitung 25 gespeist wird, welche ein nicht dargestelltes Regelventil aufweisen
kann. Der von dem
Ansatz 24 quer zu der Leitung
10 erzeugte Strahl gestattet die Regelung der Strömungsmenge durch diese
Leitung.
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Anstatt das Strömungsmittelventil 24 an einer Stelle der Rohrleitung
10 anzuordnen, kann man eine entsprechende Anordnung an dem Ausgang der Blasdüse
9 vorsehen, wie in Fig. 12 gezeigt. Die Leitung 25 speist hier einen senkrecht
zu der Blasdüse 9
liegenden Injektor 26. Der von dem Injektor 26 erzeugte
Strahl kann so der Wirkung des von der Blasdüse 9 erzeugten ringförmigen Strahls
entgegenarbeiten und diese je nachdem aufheben oder verringern.