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Regelvorrichtung für Strahltriebwerke mit Uberschallfluggeschwindigkeit,
insbesondere Staustrahltriebwerke Strahltriebwerke, insbesondere Staustrahltriebwerke,
haben ihren günstigsten Betriebsbereich bei Überschall-Fluggeschwindigkeit. Bei
Verwendung eines für diesen Bereich ausgelegten Lufteinlaufes unterliegt die eintretende
Luft einem von. der Kegelspitze des Zentralkörpers ausgehenden schrägen Verdichtungsstoß
und anschließend einem geraden Verdichtungsstoß, der senkrecht zur Einströmrichtung
liegt. Die Leistungsdaten des Triebwerkes sind dann am günstigsten, wenn dieser
senkrechte Stoß durch die Einlaufkante der Ummantelung verläuft. Dieser Betriebszustand
des Einlaufes wird mit »kritisch« bezeichnet. Stromabwärts vorn senkrechten Stoß
hat die Strömung stets Unterschallgeschwindigkeit. Sie wird in dem anschließenden
Unterschalldiffusor weiter verzögert. Die Größe der Luftgeschwindigkeit am Brennkammereintritt
ist bei kritischem Betriebszustand des Einlaufes und einer festen, vorgegebenen
Geometrie des Einlaufes nur noch von der Flug-Machzahl abhängig.
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Die Verwirklichung des kritischen Betriebszustandes ist nur möglich,
wenn die Drosselung durch die Wärmezufuhr in der Brennkammer und in der Schubdüse
gerade passend gewählt wurden. Erhöht man z. B. die Drosselung bei fester Geometrie
der Schubdüse durch Erhöhung der Wärmezufuhr in der Brennkammer, so wandert der
senkrechte Stoß in Flugrichtung von der Einlaufkante weg. Dieser Betriebszustand
des Einlaufes wird mit »unterkritisch« bezeichnet. Er ist durch eine starke Erhöhung
des Außenwiderstandes gekennzeichnet. Bei zu starkem Vorwandern des senkrechten
Stoßes können. außerdem instationäre Betriebszustände mit starken Druckschwankungen
auftreten. Wird die . Drosselung dagegen durch Verkleinerung der Wärmezufuhr verringert,
so wandert der senkrechte Stoß in den Unterschalldiffusor. Dieser Betriebszustand
wird mit »überkritisch« bezeichnet und ist durch eine starke Zunahme der Gesamtdruekverluste
im Einlauf gekennzeichnet.
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Die Geometrie eines Staustrahltriebwerkes wird bei der Auslegung derart
gewählt, daß bei der beabsichtigten höchsten Flugmachzahl und Flughöhe der schräge
Stoß gerade auf die Einlaufkante trifft und daß bei der vorgegebenen Höchsttemperatur
am Ende der Brennkammer und der gewählten Einschnürung durch die Schubdüse der senkrechte
Stoß ebenfalls durch die Eintrittskante der Einlaufummantelung verläuft, d. h. also,
daß der wünschenswerte kritische Betriebszustand des Einlaufes im Auslegungszustand
des Triebwerkes vorliegt.
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Senkt man bei diesem so ausgelegten Triebwerk bei unveränderter Höchsttemperatur
und Flughöhe die Flugmachzahl ab, so wandert der senkrechte Stoß mehr und mehr nach
vorn in den unterkritischen Bereich des Einlaufes.
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Um diesen unterkritischen Betrieb des Einlaufes zu vermeiden, kann
die Temperatur am Ende der Brennkammer mit sinkender Flugmachzähl gesenkt werden,
oder es kann der Schubdüsenquerschnitt mit sinkender Fluggeschwindigkeit vergrößert
werden. Beide Möglichkeiten enthalten schwerwiegende Nachteiler die ihre Anwendung
praktisch ausschließen.
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Die Erfindung macht nun von einer weiteren Regelmöglichkeit zur Konstanthaltung
des kritischen Einlaufzustandes über den wichtigsten Bereich der Überschallmachzahlen
Gebrauch, nämlich von dem Abblasen eines Teiles der Luft vor Eintritt in die Brennkammer.
Diese aus der Fachliteratur bereits bekannte. Möglichkeit verspricht die meisten
Aussichten für eine genügend einfache konstruktive Lösung.
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In diesem Zusammenhang sind schon Regelvorrichtungen für Strahltriebwerke
mit Überschallfluggeschwindigkeit bekannt, bei denen durch Abblasen von Luft Tiber
in der Gehäusewand des Triebwerkes stromab unter einem zur Triebwerkachse spitzen
Winkel verlaufende, vor dem Brennkammereintritt angeordnete und in ihrem freien
Durchtrittsquerschnitt durch Rohrschieber regelbare Abblasschlitze die Lage der
senkrechten Stoßwelle in dem mit einem Zentralkörper versehenen Einlauf gegenüber
Änderungen des Einlaufzustandes unverändert gehalten wird.
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Bei einer solchen Regelvorrichtung; der die Aufgabe zugrunde liegt,
die Lage der senkrechten Stoßwelle auch bei Änderungen des Einlaufzustandes unverändert
zu halten, schlägt die Erfindung vor, daß der zur Regelung der Abblasschlitze dienende
Rohrschieber als ein mit fensterartigen Durchbrüchen, versehener
Drehschieber
ausgebildet ist, dessen Nabe als innerhalb des Zentralkörpers drehbar gelagerter
Drehkolben ausgebildet ist, an dem zur Betätigung einerseits jeweils an den beiden
Seiten seiner Flügel die am Stoß herrschende Druckdifferenz unmittelbar angelegt
ist und andererseits eine im Sinne einer Verkleinerung der Abblasquerschnitte wirkende
Rückstellkraft angreift.
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Mit der von der Erfindung vorgeschlagenen Regelvorrichtung wird der
beachtliche Vorteil einer gegenüber den bisher bekannten Regelvorrichtungen dieser
Art wesentlichen Vereinfachungen geschaffen. Erreicht wird diese Vereinfachung dadurch,
daß die im senkrechten Stoß erzeugte Druckdifferenz unmittelbar zur Verstellung
der Abblasquerschnitte verwendet wird, indem die Druckdifferenz einem Drehkolben
zugeführt wird, der einen Rohrschieber zur Einstellung der Abblasquerschnitte betätigt.
Der drehbar im Zentralkörper in Form eines Drehkolbens gelagerte Rohrschieber bringt
zudem die vorteilhafte Eigenschaft, daß zu seiner Betätigung praktisch nur die Reibungskräfte
überwunden werden müssen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Nabe des als Drehkolben
ausgebildeten Rohrschiebers koaxial zu einem die Schließkraft bewirkenden Drehstab
gelagert. Dieser Drehstab ist vorteilhafterweise hohl ausgebildet und kann zur Kraftstoffzufuhr
herangezogen werden. Die Stützstege des mit fensterartigen Durchbrüchen versehenen
Rohrschiebers sind als Kraftstoffdüsenträger ausgebildet und stehen über Bohrungen
mit der hohlen Drehstabfeder in Verbindung.
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Die Zeichnung zeigt an einem Beispiel in schematischer Darstellung
die Funktion der Erfindung und zwar in der Fig. 1 an Hand eines Längsschnittes durch
den vorderen Teil eines Staustrahltriebwerkes und in der Fig. 2 an Hand eines Querschnittes
nach der Linie II-II der Fig. 1. Die Überschallanströmung trifft von links kommend
in Pfeilrichtung auf den Zentralkörper 1 des Zweistoßeinlaufes. Die Strömung durchläuft
den schrägen Verdichtungsstoß 2 und den senkrechten Stoß 3, der hier auf die Einlaufkante
4 der Ummantelung 5 treffen soll, also dem kritischen Betriebszustand entspricht.
Nach dem senkrechten Verdichtungsstoß 3 tritt die Strömung in den Untersehalldiffusor
6 und strömt an den Stützrippen 7 vorbei zum Brennkammereintritt,
der durch den Flammenhaltering 8 und durch den Brenner 9 gekennzeichnet ist. Hinter
den Stützrippen 7 ist der Kraftstoffdüsenträger 10 drehbar angeordnet. Die
einzelnen Stege des Düsenträgers 10 sind mit dem Rohrschieber 11 verbunden,
auf dessen Umfang gleichmäßig verteilte Fenster 12 angeordnet sind. Diese Fenster
12 geben bei Drehung des Düsenträgers 10, beispielsweise nach rechts, die
Abströmdüsen 13 frei, die im Außenmantel s des Staustrahltriebwerkes unter
einem möglichst flachen Winkel zur Triebwerksachse angeordnet sind und damit ein
Abblasen von Luft aus dem Innern des Triebwerkes ermöglichen. Die Abströmdüsen
13 sind in Umfangsrichtung durch mehrere längsliegende Trennwände 14 unterteilt,
um die Führung der ausströmenden Luft bei teilweiser Öffnung der Abströmdüsen 13
zu verbessern.
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Bei Betrieb des Triebwerkes in der Auslegungsflughöhe und bei. einer
Flugmachzahl, die kleiner als der Auslegungswert ist, muß zur Vermeidung des unterkritischen
Betriebszustandes des Einlaufes ein bestimmter Abströmquerschnitt freigegeben werden.
Um dies ohne einen speziellen Regler mit möglichst geringem Aufwand und kleinsten
Fehlermöglichkeiten zu erreichen, soll die Einstellung des richtigen Abblasquerschnittes
auf folgende Weise erreicht werden. Der Düsenträger 10 ist mit einem Drehkolben
15 verbunden, der in dem Gehäuse 16 des Zentralkörpers l gelagert ist. Die einzelnen
Flügel des Drehkolbens sind mit Drücken beaufschlagt, die an den Stellen 17 und
18 an der Oberfläche des Kegels 1 gemessen werden. Die Meßstelle 17 ist dort angeordnet,
wo der senkrechte Stoß 3 beim kritischen Einlaufzustand auf die Oberfläche des Kegels
1 trifft, d. h. wenn der senkrechte Stoß durch die Einlaufkante4 läuft. Die
Meßstelle 18 ist zwischen der Meßstelle 17 und der Spitze des Kegels 1 angeordnet.
Die automatische Einstellung des richtigen Abblasquerschnittes wird folgendermaßen
bewirkt. Wandert der senkrechte Stoß in Flugrichtung nach vorn, weil bei dem betreffenden
Flugzustand der Abblasquerschnitt zu klein ist, so wird der Drehkolben mit der Druckdifferenz
beaufschlagt, die sich aus den Drücken vor und nach dem senkrechten Stoß 3 ergeben:
Die Druckleitungen 17 und 18 sind so mit dem Drehkolben verbunden, daß der Düsenträger
10 entgegen der Federkraft der Drehfeder 19 vom Anschlag in Schließstellung weg
nach rechts verdreht wird, wenn der Druck 17 den Druck 18 übersteigt. Die Abblasdüsen
13 werden dadurch freigegeben. Wandert der Stoß 3 dagegen nach hinten, weil der
Abblasquerschnitt für den vorliegenden Flugzustand zu groß ist, so wird der Druck
17 gleich dem Druck 18, und die Federkraft der Drehfeder 19 verdreht
den Düsenträger 10 nach links zur Verkleinerung der Abströmfläche. Im Beharrungszustand
wird bei allen Flugzuständen der senkrechte Stoß 3 im Bereich der Bohrung 17 eine
solche Lage einnehmen, daß in den Leitungen 17 und 18 ein Druckunterschied erzeugt
wird, der entsprechend der Steifigkeit der Feder 19 eine Öffnungskraft für die Einstellung
des richtigen Abblasquerschnittes ergibt. Hierzu ist Voraussetzung, daß sich die
Abblasquerschnitte 13 ganz schließen sowie der Stoß 3 den Bereich der Bohrung
17 nach hinten verläßt und umgekehrt, daß die im senkrechten Stoß erzeugte
Druckdifferenz beim Auswandern des Stoßes nach vorn stets. ausreicht, um die Abblasquerschnitte
ganz zu öffnen.
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Die Anwendung der Erfindung kann außer bei Staustrahltriebwerken als
Flugzeugantrieb wegen seiner Einfachheit auch noch bei Geschoßtriebwerken erfolgen
und kann deren Flugleistungen erheblich verbessern. Die gleiche Einrichtung ist
auch nach Weglassen der Kraftstoffeinspritzung für Einläufe von TL-Triebwerken verwendbar.
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Die Erfindung, soll nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt sein. Es kann z. B. auch die Einstellung einer bestimmten Abblasfläche
mit einer Axialverstellung des Rohrschiebers erreicht werden, wobei der Verstellkolben
ebenfalls axial wirkt. Weiter wäre die Anwendung eines Hilfssteuerschiebers denkbar,
der mit der Druckdifferenz 17 und 18 beaufschlagt, die Verstellung des Verstellkolbens
15 mit Hilfe von Druckluft od. dgl. vornimmt. Zur Vermeidung zu großer mechanischer
Beanspruchungen in den Flügeln des Drehkolbens bei plötzlichem, unvorhergesehenem
Auswandern des Stoßes nach vorn kann zweckmäßig ein federbelastetes Überströmventil
zwischen den Leitungen 18 und 17 angeordnet werden.