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Strahlablenkvorrichtung, insbesondere für Schubdüsen von Luftfahrzeugen
mit Unterschallgeschwindigkeit Es sind Flugzeuge mit Strahltriebwerken bekannt,
deren Treibgase durch eine Anzahl zueinander paralleler, in Strömungsrichtung stufenförmig
gegeneinander versetzter schwenkbarer Ablenkschaufel aus einer Strömungsrichtung
nach rückwärts zur Vortriebserzeugung in eine Strömungsrichtung nach abwärts zur
Auftriebserzeugung oder auch in eine Zwischenrichtung abgelenkt werden können.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß das Profil jeder
der beiden Seiten der umströmten Schaufeln aus einem festen Teil und zwei schwenkbaren
Teilen besteht, wobei der eine der beiden schwenkbaren Teile zur Begrenzung der
Strömung auf der einen Seite der Schaufel und der andere der beiden schwenkbaren
Teile zur Begrenzung der Strömung auf der anderen Seite der Schaufel dient, und
daß das Profil jeder der beiden am Rand derAblenkvorrichtung liegenden, nur auf
einer Seite vom abzulenkenden Strahl umströmten Ablenkschaufeln aus einem festen
Teil und aus, einem schwenkbaren Teil besteht.
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Diese Ausbildung der Ablenkschaufeln hat den Vorteil, daß für jeden
Ablenkwinkel der Treibgase konvergente Düsen mit konstantem Austrittsquerschnitt
gebildet werden können, die bekanntlich den günstigsten Wirkungsgrad für den Antrieb,
insbesondere für Luftfahrzeuge mit Unterschallgeschwindigkeit, liefern.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß vorzugsweise der
die Strömung auf der Ablenkseite der Schaufel begrenzende schwenkbare Teil das Profil
eines Kreisabschnittes hat und beim Verschwenken mit seiner kreisförmigen Seite
in einer entsprechend konkav geformten Wölbung der festen Schaufel gleitet. Dabei
kann der die Strömung auf der Nichtablenkseite der Schaufel begrenzende schwenkbare
Teil das Profil eines Keils haben, der mit seiner Wurzel am Ende des festen Schaufelteils
angelenkt ist. Beide schwenkbare Teile können auch je das Profil von Keilen haben,
die mit ihren Wurzeln an Achsen angelenkt sind, die mit gegenseitigem Abstand im
hinteren Teil des festen Schaufelteils liegen, und bei Nichtablenkung der Strömung
aneinanderliegen, um ein einziges keilförmiges Profil zu bilden. Die Verschwenkung
der die Strömungen auf den Ablenkseiten der Schaufeln begrenzenden schwenkbaren
Teile kann getrennt von der Verschwenkung der die Strömungen auf den Nichtablenkseiten
der Schaufeln begrenzenden schwenkbaren Teile erfolgen und ist vorzugsweise in der
Weise abgestimmt, daß bei jeder Schwenkstellung konvergente Strömungskanäle mit
konstantem Austrittsquerschnitt zwischen den Schaufeln gebildet werden. Zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht
eines Flugzeuges mit einer Strahlablenkvorrichtung nach der Erfindung, F i g. 2
eine vergrößert gezeichnete perspektivische Ansicht der Ablenkvorrichtung; nach
F i g. 1, F i g. 3, 4 und 5 Querschnitte durch die Ablenkschaufeln nach F i g. 2
für verschiedene Ablenkwinkel, F i g. 6 eine graphische Darstellung des gegenseitigen
Verhältnisses der Schwenkwinkel der beiden Schaufelgruppen der Ablenkvorrichtung
nach F i g. 2, F i g. 7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Ablenkvorrichtung nach der Erfindung, F i g. 8, 9 und 10 Querschnitte durch
die Ablenkschaufeln nach F i g. 7 für verschiedene Ablenkwinkel, F i g. 11 einen
Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig. 7, F i g. 12 eine perspektivische Ansicht
einer Gelenkverbindung zwischen der festen und den beweglichen Schaufeln der Ablenkvorrichtung
nach F i g. 7, F i g. 13 eine schematische Ansicht eines Steuersystems zum Steuern
und Betätigen der Ablenkvorrichtungen nach F i g. 2 und 7,
F i g.
14 eine graphische Darstellung zum Vergleich des Wirkungsgrades von konvergenten
Düsen gegenüber konvergent-divergenten Düsen bei verschiedenen Düsendruckverhältnissen
und F i g. 15 eine graphische Darstellung des gegenseitigen Verhältnisses der Schwenkwinkel
der beiden Schaufelgruppen der Ablenkvorrichtung nach F i g. 7.
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F i g. 1 zeigt ein Düsenflugzeug 11, das einen Rumpf 12, Flügel 14,
ein Höhenleitwerk 16 und ein Seitenleitwerk 17 hat. Der Vortrieb für das Flugzeug
wird mit einem Turbinenmotor 18 erzielt, der eine Schubdüse 19 aufweist, die an
einer Stelle in der Nähe der Längsmitte des Flugzeugs 11 Abgas ausströmt. Luft tritt
in den Motor 18 durch ein paar Ansaugleitungen 21 ein, von denen sich eine auf jeder
Seite des Rumpfes 12 befindet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ablenkvorrichtung
22 an dem hinteren Ende der Schubdüse 19 angenähert senkrecht unter dem Schwerpunkt
des Flugzeugs 11 angeordnet. Die Schubdüse 19 hat an der Stelle, an der sie aus
dem Flugzeug 11 austritt, rechteckigen Querschnitt und bildet dadurch eine geeignete
Konstruktion zum Anbringen der Ablenkvorrichtung 22. Obgleich in F i g. 1 nur eine
Ablenkvorrichtung 22 dargestellt ist, können mehr als eine Ablenkvorrichtung in
dem Flugzeug 11 verwendet und ihre Anbringungsstellen mit dem in dem Flugzeug verwendeten
Typ des Motors, der Leitungsführung usw. abgestimmt werden.
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Einzelheiten einer Ausführungsform der Ablenkvorrichtung 22 sind in
F i g. 2 dargestellt, wobei diese .@usführungsform insgesamt mit dem Bezugszeichen
22 a bezeichnet ist. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Ausführungsform 22a aus
einem ersten Satz beweglicher Schaufeln 23, 24 und 25, einem zweiten Satz beweglicher
Schaufeln 26, 27 und 28 und einem Satz fester oder unbeweglicher Schaufeln
29, 30, 31 und 32 besteht. Die beiden Sätze beweglicher Schaufeln und der Satz fester
Schaufeln sind in einer weiter unten beschriebenen Weise so zusammengebaut, daß
sie drei Düsen 42, 43 und 44 begrenzen. Aus F i g. 3,4 und 5 ist ersichtlich,
daß der erste Satz beweglicher Schaufeln 23, 24 und 25 teilweise die unteren Begrenzungsflächen
der Düsen 42, 43 und 44 bildet, weshalb diese Schaufeln im folgenden als untere
Schaufeln bezeichnet sind. In gleicher Weise bildet der zweite Satz beweglicher
Schaufeln 26, 27 und 28 teilweise die oberen Begrenzungsflächen der Düsen 42, 43
und 44, weshalb diese Schaufeln im folgenden als obere Schaufeln bezeichnet sind.
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Die festen Schaufeln 29 und 32 sind parallel zu den oberen bzw. unteren
Wänden der Schubdüse 19 an deren Ausgangsende befestigt. Die festen Schaufeln 30
und 31 sind in gleichem Abstand zwischen den Schaufeln 29 und 32 parallel zu diesen
angeordnet. Wie am besten aus F i g. 3, 4 und 5 ersichtlich ist, sind die Schaufeln
29 bis 32 zueinander stufenförmig versetzt. Die Querschnittsform der Schaufeln 29
bis 32 ist am besten aus F i g. 2 bis 5 ersichtlich. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß die unteren Flächen 33 dieser Schaufeln achsparallele Streifen von Kreiszylindermänteln
bilden, deren Achsen in einer gemeinsamen, mit Buchstaben A bezeichneten Ebene liegen.
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Die unteren Schaufeln 23, 24 und 25 haben im wesentlichen keilförmigen
Querschnitt und sind an die hinteren Enden der festen Schaufeln 30, 31 und
32 angelenkt. Ihre Verschwenkung erfolgt durch Wellen 34 (F i g. 2), welche die
Schwenkachsen bilden. Lager für die Wellen 34, die in einer gemeinsamen Ebene B
liegen (F i g. 3, 4 und 5), werden von den festen Schaufeln 29 bis 32 gebildet.
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Die oberen Schaufeln 26, 27 und 28 haben die Form von achsparallelen
Kreiszylinderabschnitten und liegen mit ihren Zylinderflächen 36 an den unteren
Flächen 36 der festen Schaufeln an. Ihre Schwenkachsen fallen mit den Achsen der
zylindrischen Oberflächen 33 der festen Schaufeln zusammen. Die Verschwenkung der
oberen Schaufeln 26, 27 und 28 erfolgt durch Wellen 37 (F i g. 2), die die Schwenkachsen
der oberen Schaufeln bilden und daher ebenfalls in der Ebene B liegen.
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Den unteren Schaufeln 23 bis 25 wird gleiche und gleichzeitige Schwenkbewegung
durch die gemeinsame Gestängeanordnung 38 erteilt. Das oberste Glied der Anordnung
38 erhält seine Schwenkbewegung durch eine übliche Schraubenwindenanordnung 39 und
überträgt diese Bewegung auf jede der unteren Schaufeln. Gleiche und gleichzeitige
Bewegung erhalten auch die oberen Schaufeln 26 bis 28 durch die gemeinsame Gestängeanordnung
41. Das oberste Glied der Anordnung 41 erhält seine Schwenkbewegung durch eine übliche
Schraubenwindenanordnung 39, wobei diese Bewegung auf jede der oberen Schaufeln
übertragen wird.
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Die Gestängeanordnungen 38 und 41 sowie auch die Wellen 34 und 37
werden von Gestenelementen 42 getragen. Es ist nur je eine der Gestängeanordnungen
38 und 41 in F i g. 2 dargestellt, jedoch befindet sich je eine solche Anordnung
auf jeder Seite der Ablenkvorrichtung 22. Die obige Anordnung vermindert die Wahrscheinlichkeit
der Verziehung und Verklemmung, die sonst zweifellos zwischen den oberen und unteren
Schaufeln auftreten würde.
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Wie zuvor erwähnt wurde, soll das Flugzeug 11
nur mit Unterschallgeschwindigkeit
fliegen. Infolgedessen wird ein Motor mit einem niedrigen Druckverhältnis für diesen
Flugzeugtyp ausgewählt. Eine konvergente Düse arbeitet am leistungsfähigsten bei
diesem Motortyp, wie in der Technik bekannt und graphisch in F i g. 14 dargestellt
ist. Aus dieser Figur erkennt man, daß bei niedrigen Druckverhältnissen eine konvergente
Düse angenähert 98% eines Düsenmotorschubes ausnutzt, während konvergent-divergente
Düsen einen bei weitem geringeren Wirkungsgrad haben. Es ist daher wesentlich, daß
die festen und beweglichen Schaufeln der Ablenkvorrichtung 22a so zusammenarbeiten,
daß sie in jeder Lage konvergente Düsen bilden, wenn die beweglichen Schaufeln durch
ihre entsprechenden Winkelbereiche hindurch betätigt werden. Wenn ein Turbinenmotor
mit maximalem Wirkungsgrad in seinem gesamten Betriebsbereich arbeiten soll, ist
es auch wesentlich, daß die Querschnittsabmessung t der Düseneinschnürung, durch
welche die Abgase ausgestoßen werden, konstant gehalten wird. Die obigen Bedingungen
sind durch die Konstruktion der Ablenkvorrichtung 22a erfüllt.
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Aus den F i g. 2 bis 5 erkennt man, daß die festen und die oberen
und unteren Schaufeln zusammenarbeiten, um die konvergenten Düsen 42, 43 und
44
zu bilden, wenn die beiden letztgenannten Schaufelsätze durch ihre entsprechenden
Bereiche hindurchbewegt werden, d. h. zwischen ihren Stellungen zur Erzeugung von
Vortrieb (F i g. 3) oder Auftrieb (F i g. 5). Aus den obigen Darlegungen ist ersichtlich,
daß
die Querschnittsflächen der Düsen 42, 43 und 44 an ihren entsprechenden Einschnürungen
ebenfalls konstant gehalten werden. Der Winkel a zwischen der Achse der Schubdüse
19 und den Ebenen A und B beträgt angenähert 30°. Der im folgenden als Versatzwinkel
der Ablenkvorrichtung 22a bezeichnete Winkel a ermöglicht die vorgenannte kaskadenförmige
Anordnung der Düsen 42, 43 und 44, wie im wesentlichen in F i g. 1 dargestellt ist.
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Die Ausgangselemente 44 der Schraubenwindenanordnung sind schwenkbar
an den gegabelten Enden der obersten Glieder der Gestängeanordnungen 38 und 41 angebracht.
Den Schraubenwindenanordnungen 39 wird Drehbewegung mittels flexibler Wellen 46
od. dgl. erteilt. Diese Bewegung wird durch geeignete Zahnradgetriebevorrichtungen
47 in lineare Bewegung umgesetzt. Somit wird die Drehbewegung der flexiblen Wellen
46 im Uhrzeigersinn oder diesem entgegengesetzt den Schaufeln 23 bis 25 und 26 bis
28 gemäß dem Ausmaß und der Richtung der Drehbewegung der Wellen 46 erteilt.
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Die in F i g. 13 schematisch dargestellte Regel-oder Steuereinrichtung
umfaßt Vorrichtungen zum Regeln oder Steuern der Bewegung der entsprechenden Schaufeln
der Ablenkvorrichtung 22a. Die in F i g. 13 gezeigten Vorrichtungen bilden übliche
Bauelemente und stellen lediglich eines von mehreren Systemen dar, die angewandt
werden können, um die Bewegung der oberen Schaufeln 26 bis 28 und der unteren Schaufeln
23 bis 25 zu steuern. Kurz zusammengefaßt enthält das veranschaulichte System Vorrichtungen
51 zum Aufnehmen oder Abtasten der Fluggeschwindigkeit, der Flughöhe und des Flugzustandes
sowie der Änderungsgeschwindigkeit der Höhe des Flugzeugs 11. Signale von der Vorrichtung
51 werden einem Summierungsrechner, z. B. dem automatischen Kurssteuerungsrechner
52, zugeführt. Kommandosignale von dem Rechner 52 gelangen an ein Betätigungsorgan
53, und entsprechende mechanische Bewegungen werden durch geeignete mechanische
Gestängeanordnungen, z. B. die Schraubenwinden 39 und 39', an die oberen Schaufeln
26 bis 28 und die unteren Schaufeln 23 bis 25 übertragen. Mit unterbrochenen Linien
in F i g. 13 veranschaulichte Rückführungssignale gelangen an den Rechner 52 zurück
und zeigen die Momentanstellungen der oberen und unteren Schaufeln an. Bei einwandfreier
Bewegung der oberen und unteren Schaufeln heben die Rückführungssignale die Kommandosignale
auf, und es werden keine weiteren Kommandosignale an ; das Betätigungsorgan 53 übertragen,
so daß weitere Bewegungen der Schaufeln 23 bis 25 und 26 bis 28 ausgeschlossen sind,
bis wieder unterschiedliche Signale an den Rechner 52 geliefert werden oder sich
die Fluggeschwindigkeit, Flughöhe, Flugzustand usw. ; des Flugzeugs 11 ändern. Energie
für das Betätigungsorgan 53 wird von einer Stromversorgungsquelle 54 geliefert.
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Die Aufnahme- oder Abtastvorrichtung 51 und die von dieser empfangenen
Signale bilden ein automatisches Steuer- oder Regelsystem, wobei jedoch die Signale
von der Abtastvorrichtung 51 von einer von dem Piloten betätigten Steuereinheit
56 oder von einem halbautomatischen Zustandswähler 57 übersteuert werden können.
Durch Bedienung des Wäh- E lers 57 können die Schaufeln 23 bis 25 und 26 bis 28
automatisch in Stellungen zur Vor- oder Auftriebserzeugung eingestellt werden. Der
Wähler 57 kann eine übliche Wiedergabeeinrichtung irgendeines geeigneten Typs bilden.
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Die Winkelbewegung der oberen Schaufeln 26 bis 28 und der unteren
Schaufeln 23 bis 25 erfolgt folgendermaßen: Den oberen und unteren Schaufeln wird
in ihrer Stellung zur Vortriebserzeugung (F i g. 3) anfänglich eine gleichzeitige
Winkelbewegung im Uhrzeigersinn erteilt. Man erkennt aus F i g. 3, daß die Abmessungen
der Düsen 42, 43 und 44 gleich sind, wie durch den Buchstaben t markiert ist. Bei
Verkleinerung der Abmessung t infolge weiterer Bewegung der oberen Schaufeln 26
bis 28 wird gleichzeitig den unteren Schaufeln 23 bis 25 eine ausreichende Bewegung
im Uhrzeigersinn erteilt, um die Querschnittsabmessung t der Einschnürung konstant
zu halten.
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In der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform ist die spezielle
Winkelbewegung der oberen Schaufeln 26 bis 28 und der unteren Schaufeln 23 bis 25
aus dem Diagramm nach F i g. 6 ersichtlich. Aus dem erwähnten Diagramm und unter
der Annahme, daß sich die oberen und unteren Schaufeln in ihrer Stellung zur Vortriebserzeugung
(durch die Nullordinaten in F i g. 6 dargestellt) befinden, ist ersichtlich, daß
eine Winkelbewegung von angenähert 3° den oberen Schaufeln erteilt wird, bevor den
unteren Schaufeln 23 bis 25 irgendeine Winkelbewegung erteilt wird. Die Relativbewegung
der oberen Schaufeln 26 bis 28 mit Bezug auf die unteren Schaufeln 23 bis 25, wenn
diese Schaufeln durch ihre entsprechenden Winkelbereiche hindurchbewegt werden,
kann auch im Zusammenhang mit dem Diagramm aus F i g. 6 ermittelt werden. Beispielsweise
ist ersichtlich, daß zu einer solchen Zeit, zu der die oberen Schaufeln 26 bis 28
eine Uhrzeigerbewegung von 30° aus ihrer Stellung zur Vortriebserzeugung erfahren
haben, den unteren Schaufeln 23 bis 25 eine Bewegung von angenähert 38° erteilt
worden ist. Andere Relativbewegungen der oberen und unteren Schaufeln können in
der gleichen Weise ermittelt werden.
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Eine andere Ausführungsform der Schubvektoriervorrichtung ist in F
i g. 7 dargestellt und insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 b bezeichnet. In F i g.
7 bis 10 sind für gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen wie in den F i g. 2
bis 5 verwendet, jedoch unter Zusatz eines Beistriches.
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Grundbauelemente der Schubvektoriervorrichtung 22b sind feste Schaufeln
29' bis 32', obere bewegliche Schaufeln 26' bis 28', untere bewegliche Schaufeln
23' bis 25' und zusätzliche Betätigungselemente im wesentlichen, wie in F i g. 2
bis 5 gezeigt. Die festen Schaufeln 29' bis 32' sind am hinteren Ende der Schubdüse
19 angeordnet und haben die gleiche Lagebeziehung zueinander und zu der Schubdüse
wie die festen Schaufeln 29 bis 32, wie zuvor im Zusammenhang mit F i g. 2 bis 5
beschrieben wurde.
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Die oberen Schaufeln 26' bis 28' und die unteren Schaufeln 23' bis
25' sind zwecks Schwenkbewegung an dem hinteren Ende der festen Schaufeln 29' bis
32' angelenkt. Die Schwenkachsen der oberen Schaufeln 27' bis 28' liegen in einer
gemeinsamen Ebene A, die Schwenkachsen der unteren Schaufeln 23' bis 25' in .einer
gemeinsamen Ebene B. Der zwischen den Ebenen A und B und der Achse
der Schubdüse 19 enthaltene Winkel a beträgt angenähert 30°. Der im folgenden als
Versatzwinkel der Schubvektoriervorrichtung 22 b bezeichnete Winkel
a bildet auch
den Winkel zwischen der Längsmittellinie der
Gestenelemente 42' einerseits und der Mittellängslinie des Flugzeugs 11 und der
Achse der Schubdüse 19 andererseits.
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Sowohl die oberen Schaufeln 26' bis 28' als auch die unteren Schaufeln
23' bis 25' haben im wesentlichen keilförmigen Querschnitt und sind an den Hinterkanten
der festen Schaufeln angelenkt, wie am besten aus den F i g. 11 und 12 ersichtlich
ist.
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Aus diesen Figuren ist weiterhin zu entnehmen, daß die obere Schaufel
eines Düsenkanals und die untere Schaufel des darüberliegenden Düsenkanals aneinanderliegen,
um eine einheitliche Schaufel zu bilden, wenn sie sich in ihrer Stellung für Vortriebserzeugung
befinden, wie in F i g. 8 gezeigt ist. Wenn die oberen und unteren Schaufeln in
Uhrzeigerrichtung um einen Winkel von angenähert 90° geschwenkt werden, trennen
sie sich während dieser Bewegung infolge der ihnen erteilten ungleich großen Winkelbewegung
und infolge des gegenseitigen Abstandes ihrer Schwenkachsen voneinander und werden
veranlaßt, ihre Stellung für Auftriebserzeugung anzunehmen, wie in F i g. 10 gezeigt
ist. Beim übergang von der einen in die andere Endstellung gehen die oberen und
unteren Schaufeln durch eine Stellung hindurch, in der teils Vortrieb und teils
Auftrieb erzeugt wird, wie in Fi g. 9 gezeigt ist. Aus den F i g. 8, 9 und 10 erkennt
man, daß die Schaufeln 29' bis 32', 23' bis 25' und 26' bis 28' so zusammenarbeiten,
daß sie konvergente Düsen 42', 43' und 44'
bilden, wenn die oberen
und unteren Schaufeln durch ihre entsprechenden Winkelbereiche bewegt werden, wobei
die Düsen 42', 43' und 44' infolge des Versatzwinkels a eine kaskadenförmige
Lage haben. Die Vorrichtungen zum Steuern der Winkelbewegung der oberen und unteren
Schaufeln sind mit den Vorrichtungen gleichartig, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform
der in F i g. 2 dargestellten Schubvektoriervorrichtung 22a beschrieben sind.
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Beim übergang vom Reiseflug in den Landeanflug werden zunächst nur
die oberen Schaufeln 26' bis 28' verschwenkt, und zwar bis in eine Lage, von der
ab eine weitere Verschwenkung der oberen Schaufeln allein die Abmessung t' der Düsen
42', 43' und 44'
vermindern würde. Danach werden gleichzeitig mit ,
den oberen Schaufeln auch die unteren Schaufeln 26' bis 28' verschwenkt, und zwar
in einem solchen Verhältnismaß, daß die Abmessung t' konstant bleibt.
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Die Bewegung der oberen Schaufeln 26' bis 28' mit Bezug auf die unteren
Schaufeln 23' bis 25' kann ; im Zusammenhang mit dem Diagramm nach F i g. 15 bestimmt
werden. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß die oberen Schaufeln aus ihrer
Stellung zur Vortriebserzeugung (dargestellt durch die Nullordinaten in F i g. 15)
um einen Winkel von angenähert 20° geschwenkt werden, bevor die unteren Schaufeln
irgendeine Bewegung erfahren. Weiterhin ist aus diesem Diagramm ersichtlich, daß
bei einer Schwenkung der oberen Schaufeln um 60° den unteren Schaufeln nur eine
Schwenkung um 20° erteilt wird.
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Jeder geeignete Typ üblicher Reaktionsvorrichtungen kann verwendet
werden, um die Steuerung des Flugzeugs 11 während der Start- und Landeoperationen
vorzunehmen. Solche Vorrichtungen sind in der Technik bekannt und können am Bug
und am Heck des Flugzeugs und an jedem Flügel 14 angebracht werden.