DE1072015B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahltriebdüse, bestehend aus einem stromunterseitig offenen, von einer äußeren und einer inneren Düsenwand gebildeten Ringkanal und einem innerhalb der inneren Düsenwand verschiebbaren Zentralkörper, Düsennadel 5 genannt, dessen stromunterseitiger Abschluß im Sinne einer Verringerung des Strömungswiderstandes aerodynamisch geformt ist, sowie mindestens einer den Ringraum durchsetzenden Leitung für die Zuführung von Luft nach dem Innenraum der inneren Düsenwand. Strahltriebdüsen dieser Art sind bekannt.

Die erfindungsgemäße Strahltriebdüse ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper in seiner stromoberseitigen, in die Düsennadel eingeschobenen Stellung den Durchstrom von Luft durch die Leitung nach dem Innenraum der inneren Düsenwand zuläßt, von wo aus sich die Luft zur Geräuschdämpfung von innen her mit dem aus der Ringdüse austretenden Gasstrom mischt, und daß dieser Zentralkörper in seiner stromunterseitigen Stellung nach Art eines Ventilkörpers den inneren Ausgang der Leitung sperrt und vorzugsweise eine glatte Fortsetzung der inneren Düsenwand bildet.

Der Zentralkörper dient einmal zur Herabsetzung des aerodynamischen Widerstands der Düse und außerdem als Ventil in der Zutrittsleitung der geräuschdämpfenden Vermischungsluft. Beim Start des Flugkörpers ist der Zentralkörper in die innere Düsenwand eingeschoben. Unter diesen Umständen kann man auf die strömungsgünstige Fortsetzung der inneren Düsenwand verzichten, da die Gasgeschwindigkeiten verhältnismäßig gering sind. Wenn andererseits die Gasgeschwindigkeit groß ist, so kann man auf die Geräuschdämpfung verzichten, da sich dann das Flugzeug auf solcher Höhe befindet, daß das Geräusch auf der Erdoberfläche nicht mehr stört. In diesem Zustand aber ist eine aerodynamische Fortsetzung der inneren Düsenwand in hohem Maße erwünscht.

Es ist bekannt, zur Schalldämpfung RifFelungen in der Düsenwand zu verwenden. Diese Riffelungen in der Düsenwand können bis an die Düsenachse heranreichen. Bei diesen bekannten Strahltriebdüsen wird nicht Luft in das Zentrum eines ringförmigen Strahls eingeführt, sondern von außen her zur Schalldämpfung dem Abgasstrahl zugemischt.

Es ist zwar auch eine Düse bekannt, bei der ein Strömungsmittel in den ringförmigen Gasstrom zu Regelzwecken von innen her eingeführt wird. Bei dieser Düse kann aber keine Schalldämpfung eintreten, da der Strömungsmittelzutritt nach dem ringförmigen Gasstrom zu weit stromoberhalb des Gasstromaustritts liegt.

Bei einer weiterhin bekanntenDüse kann zwar Kühlluft von einem Zentralkörper her durch eine strom-Geräuscharme Strahitriebdüse
mit verschiebbarer Düsennadel

Anmelder:
Rolls-Royce Limited,
Derby (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte, München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 23. Oktober 1956 und 15. Oktober 1957

David Morris Brown, Alvaston, Derby (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

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unterseitige Austrittsöffnung austreten. Auch diese Düse ist aber nicht zur Schalldämpfung geeignet, weil entweder der periphere Mischbereich zu eng ist oder weil die Luft zu weit stromabwärts der Düsenmündung austritt.

Auf diese an sich bekannten Strahltriebdüsen angewandt, bei denen der Zentralkörper mittels hohler Streben an der Außenwand der Düse befestigt ist, wobei diese hohlen Streben als Gaskanäle ausgebildet sind, besteht die Erfindung darin, daß die Düsennadel des Zentralkörpers als Ventilkörper wirkt, welcher die Kanäle in den Streben für den Durchstrom der Zusatzluft wahlweise freigibt und schließt, freigibt nämlich dann, wenn die Düsennadel stromaufwärts verschoben ist, und schließt dann, wenn die Düsennadel ihre normale Flugstellung einnimmt.

Treten die radial äußeren Enden der hohlen Streben durch die äußere Düsenwand oder durch ein an die Düse sich anschließendes Strahlrohr hindurch, dann soll das erfindungsgemäß an einer Stelle erfolgen, welche außerhalb der das Gasturbinenaggregat und den Hauptteil des Strahlrohrs einschließenden Verkleidung liegt.

Vorzugsweise ist der Zentralkörper in bekannter Weise aus einem orstfesten, von den Streben getragenen oberen Teil und einer in diesem oberen Teil teleskopartig verschiebbaren Düsennadel zusammenge-

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setzt. Der stromoberseitige Teil des Zentralkörpers reicht in diesem an sich bekannten Fall von dem Turbinenrad eines zugehörigen Gasturbinenaggregats bis zu der Düse; sein äußerer Durchmesser ist etwa ebenso groß wie der Innendurchmesser des Turbinenigaskanals. Auf diese Weise vermeidet man eine Düsennadel am Turbinenausgang und innerhalb des Strahlrohres.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahltriebdüse. Es stellt dar

Fig. 1 ein Düsenflugzeug mit erfindungsgemäßer Strahltriebdüse,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen Teil des Gasturbinenaggregats und durch die Strahltriebdüse, wobei die beweglichen Teile die eine Endstellung einnehmen,

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend dem der Fig. 2, wobei die beweglichen Teile die andere Betriebsendstellung einnehmen,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend der Fig. 3, in der die Strömungsverhältnisse angedeutet sind.

Fig. 1 zeigt ein innerhalb einer Verkleidung 10 untergebrachtes Gasturbinenaggregat. Die Verkleidung 10 ist mittels einer Strebe 11 unterhalb des Flügels 12 des Flugzeugs befestigt.

Das Gasturbinenaggregat besteht aus einem Verdichter 13, welcher die Luft durch einen Ansaugstutzen 14 aus der Atmosphäre entnimmt und diese im Anschluß an die Verdichtung an eine Brennkammer 15 abgibt. In der Brennkammer 15 wird Brennstoff mit dieser Luft verbrannt; die Verbrennungsgase gelangen nach der Turbine 16. Der Rotor 16a (Fig. 2) dieser Turbine 16 ist über eine Welle 17 mit dem Rotor des Verdichters verbunden. Die Auspuffgase der Turbine 16 strömen nach einem Strahlrohr 18 und gelangen durch die Strahltriebdüse 19 in die Atmosphäre.

In den Fig. 2 bis '4 besteht die Strahlrohrkonstruktion aus einer äußeren zylindrischen Wand 20, welche eine axiale Fortsetzung des äußeren Turbinengehäuses 16 darstellt, und einem Zentralkörper, welcher eine äußere zylindrische Wand 21 aufweist. An seinem stromoberseitigen Ende ist der Zentralkörper durch eine Wand 22 in unmittelbarer Nähe des Turbinenrotors 16 ο abgeschlossen. Der Durchmesser der Wand 21 des Zentralkörpers ist ungefähr ebenso groß wie der kleinste Durchmesser des Turbinengaskanals, so daß die Wände 20 und 21 der Strahlrohrkonstruktion einen Gaskanal 23 von ringzylindrischer Form definieren, welcher von dem Turbinenausgang 16 nach der Strahltriebdüse 19 führt. Der Zentralkörper ist an der äußeren zylindrischen Wand des Strahrohrs mittels zweier Gruppen von Streben 24, 25 befestigt; die Streben 24 sind in der Nähe der Turbine angebracht, die Streben 25 am stromunterseitigen Ende der äußeren Wand 21 des Zentralkörpers. Ein Teil der Wand

20 reicht über das rückwärtige Ende der Verkleidung 10 hinaus; in diesem Teil der Wand20 verlaufen die Streben 25 durch den Ringkanal 23.

Die Strahltriebdüse 19 besteht aus einer äußeren Wand 26, welche eine Verlängerung der Wand 20 des Strahlrohrs 18 darstellt, und einem Zentralteil oder einer Düsennadel 27, welche teleskopartig in der Wand

21 des Zentralkörpers des Strahlrohrs verschiebbar ist. Die Wand 26 und die Düsennadel 27 sind etwa so ausgebildet, daß sie eine Düse für Überschallgeschwindigkeit bilden, wie eine solche z. B. in der britischen Patentschrift 668 344 beschrieben ist.

Die Düsennadel 27 ist mit dem Kolben 28 eines Stellmotors verbunden, dessen Druckzylinder 29 ortsfest

innerhalb des Zentralkörpers der Strahlrohrkonstruktion untergebracht ist. Die Druckluft für den Stellmotor wird aus dem Verdichter 13 des Turbinenaggregats abgezapft und durch eine Leitung 30 nach einem Ventil 31 geleitet, von dem aus sie je nach der Einstellung dieses Ventils entweder durch eine Leitung 32 nach dem stromoberseitigen Druckraum des Druckzylinders 29 oder durch eine Leitung 33 nach dem stromunterseitigen Druckraum des Zylinders 29 geleitet wird. Ein Ablaßventil 34 ist je nach der Stellung des Ventils 31 mit den Leitungen 32 und 33 verbunden.

Wenn dem Stellmotor durch die Leitung 32 Druckluft zugeführt wird und wenn die Leitung 33 mit dem Auslaßventil 34 verbunden ist, nimmt die Düsennadel 27 ihre in der Fig. 2 dargestellte Stellung ein; in dieser Stellung bildet ihre Außenfläche eine im wesentlichen glatte Fortsetzung der Außenfläche der Wand 21. Die Auspuffgase treten dann aus der Düse 19 als Schubstrahl mit Überschallgeschwindigkeit heraus, welcher unterhalb der Spitze der Düsennadel 27 im wesentlichen zylindrische Form hat. Nimmt der Kolben und mit ihm die Düsennadel seine andere Stellung ein, d.h. ist der Zylinder29 über die Leitung33 mit der Druckluftversorgung und über die Leitung 32 mit dem Abfluß 34 verbunden, so befindet sich der erweiterte Teil 27a der Düsennadel außerhalb der Befestigungszone der Streben 25.

Die Streben 25 sind hohl und als Leitungen ausgebildet, durch welche die Zusatzluft von dem Raum außerhalb der Wand 20 nach dem Raum innerhalb der Wand 21 eingeführt werden-kann, und zwar über den verjüngten Teil der Düsennadel. Die Düsennadel arbeitet als Ventilkörper, welcher den Luftstrom durch die Kanäle in den Streben steuert.

Nimmt die Düsennadel diejenige Stellung ein, in der sie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeichnet ist, so kann Luft von außerhalb des Strahlrohrs 18 in den Innenraum des aus der Düse 19 kommenden Schubstrahls eintreten. Auf diese Weise wird die Vermischung der Strahlgase mit der Atmosphärenluft beschleunigt, da die Luft nicht nur von der Außenseite, sondern auch von der Innenseite her in den ringförmigen Schubstrahl eindringt. Man hat festgestellt, daß man auf diese Weise das Geräusch einer Düse wesentlich herabsetzen kann. Die Geräuschherabsetzung macht sich besonders in dem Niederfrequenzbereich der hörbaren Frequenzen bemerkbar.

Man wird die Düsennadel 27 der Strahldüse dann in das Innere des Zentralkörpers zurückziehen, wenn man startet oder landet oder wenn das Flugzeug mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit aufsteigt oder fliegt. Hat das Flugzeug aber einmal eine bestimmte Höhe erreicht, so wird die Düsennadel 27 in ihre in Fig. 2 dargestellte Stellung verschoben, in welcher die Innenausgänge der durch die Streben 25 verlaufenden Kanäle verschlossen sind und die Düse einen Gasstrom mit Uberschallgeschwindigkeit erzeugt.

Die im vorstehenden beschriebene Düse kann mit einer Umkehrvorrichtung kombinert werden, welche einen Strahl in Fahrtrichtung des Flugzeugs für Bremszwecke erzeugt. Eine solche Umkehrvorrichtung besteht gewöhnlich aus greifbaggerähnlichen Teilen, welche am Düsenende des Strahlrohrs angelenkt sind und in eine Stellung geklappt werden können, in der sie den Strom der Auspuffgase nach rückwärts unterbrechen und eine Stromumkehr in dieFlugrichtung bewirken. Wenn die Düsennadel dabei die Stellung der Fig. 3, 4 und 5 einnimmt, so kann man

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durch eine geneigte Anbringung der Streben 25, wie sie in den Figuren dargestellt ist, erreichen, daß ein Teil des Gasstroms durch die Zusatzluftkanäle in den hohlen Streben 25 fließt und dadurch einen Bremsschub erzeugt. Die Erfindung kann auch auf Strahltriebdüsen bei sogenannten Zweikreisgasturbinenaggregaten angewendet werden. Bei solchen Düsen umgibt der Kanal des zweiten Kreises normalerweise den Auspuffgaskanal und reicht bis zu der Ebene der Auspuffdüse. Bei solchen Düsen wird man die Streben 25 durch den Kanal des zweiten Kreises hindurch hinausführen. Patentansprüche:

1. Strahltriebdüse, bestehend aus einem stromunterseitig offenen, von einer äußeren und einer inneren Düsenwand gebildeten Ringkanal und einem innerhalb der inneren Düsenwand verschiebbaren Zentralkörper, Düsennadel genannt, dessen stromunterseitiger Abschluß im Sinne einer Verringerung des Strömungswiderstands aerodynamisch geformt ist, sowie mindestens einer den Ringraum durchsetzenden Leitung für die Zuführung von Luft nach dem Innenraum der inneren Düsenwand, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (27) in seiner stromoberseitigen, in die Düsennadel eingeschobenen Stellung (Fig. 5) den Durchstrom von Luft durch die Leitung (25) nach dem Innenraum der inneren Düsenwand (21) zuläßt, von wo aus sich die Luft zur Geräuschdämpfung von innen her mit dem aus der Ringdüse austretenden Gasstrom (23) mischt, und daß dieser Zentralkörper in seiner stromunterseitigen Stellung (Fig. 2) nach Art eines Ventilkörpers den inneren Ausgang der Leitung (25) sperrt und vorzugsweise eine glatte Fortsetzung der inneren Düsenwand (21) bildet.'

2. Strahltriebdüse nach Anspruch 1, bei der die Leitung von Hohlstreben gebildet ist, welche die innere Düsenwand an deren stromunterseitigem Ende tragen und wobei der Zentralkörper mit seinem stromoberseitigen Abschnitt von größerem Durchmesser gleitend in der inneren Düsenwand (21) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Zentralkörper-Abschnitt (27a) in der stromunterseitigen Endstellung des Zentralkörpers den inneren Ausgang der Streben (25) verschließt, und in der stromoberseitigen Endstellung sich _λ stromoberhalb der Streben befindet.

3. Strahltriebdüse nach Anspruch 1 und 2, beÜ der die radial äußeren Enden der Hohlstreben durch die äußere Düsenwand hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung an einer Stelle erfolgt, welche außerhalb der ein zugehöriges Gasturbinenaggregat und den Hauptteil des Strahlrohrs einschließenden Verkleidung liegt.

4. Strahltriebdüse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß — wie an sich bekannt — die innere Düsenwand vom stromunterseitigen Ausgang der Turbine (16a) eines zugehörigen Gasturbinenaggregats bis zum Düsenausgang (19) reicht und einen Durchmesser besitzt, der_; etwa ebenso groß ist als der Innendurchmesser des Turbinengaskanals.

5. Strahltriebdüse nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine — wie an sich bekannt — wahlweise aus- und einrückbare Vorrichtung für die Umkehrung des Schubstrahls.

6. Strahltriebdüse nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstrahlumkehrvorrichtung dann in Wirkstellung zu bringen ist, wenn der Zentralkörper (27) sich in seiner stromoberseitigen Stellung befindet, d. h. in das Düsenrohr eingeschoben ist, so daß ein Gasstrom durch die Hohlstreben (25) stattfindet, und daß diese Hohlstreben derart geneigt sind, daß das Gas in ihnen eine Geschwindigkeitskomponente in Flugrichtung erhält.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 867 497, 860 754; schweizerische Patentschrift Nr. 244 761; französische Patentschrift Nr. 1 030 483; britische Patentschriften Nr. 648 501, 637 917; USA.-Patentschrift Nr. 2 402 363; »Technisches Zentralblatt«, Abteilung Maschinen- ;sen, 5. Jahrgang (1956), Nr. 8, S. 1208, 1209.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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