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Einrichtung zur Beeinflussung der Richtung und der Querschnittsfläche
eines aus einer Lavaldüse austretenden überschallstrahls Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Beeinflussung der Richtung und der Querschnittsfläche eines
aus einer Lavaldüse austretenden überschallstrahls, insbesondere bei einem Strahltriebwerk,
mit einer stromabwärts der Düsenverengung vorgesehenen, radial zum Strahl offenen
Ringkammer, die durch mehrere radiale Längstrennwände in einzelne Abteile gegliedert
ist.
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Für die Richtungssteuerung von Überschallstrahlen und die Anpassung
von überschall-Triebwerkdüsen an verschiedene Flugbedingungen durch Regelung des
Düsenhalsquerschnittes sind verschiedene Vorrichtungen bekanntgeworden, beispielsweise
feste Hindernisse mit veränderbarem Querschnitt oder Sekundärstrahlen mit veränderbarer
Strömungsmenge.
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Bei einer dieser bekannten Vorrichtungen ist je ein ringförmiger;
senkrecht zur Düsenachse erstreckter Absatz im sich erweiternden Teil und am Austrittsende
der überschalldüse vorgesehen. Die Absätze enthalten über den Umfang verteilte Öffnungen,
und jede der Öffnungen eines Absatzes ist mit der diametral gegenüberliegenden Öffnung
des anderen Absatzes über ein Ventil verbunden. Das zwischen den beiden Absätzen
bestehende Druckgefälle verursacht beim Öffnen eines oder mehrerer Ventile eine
Störung der Strahlsymmetrie und damit eine steuerbare Änderung der Strahlrichtung.
Bei dieser bekannten Anordnung ist wesentlich, daß die öffnungen im innerhalb der
Düse liegenden Absatz wahlweise mit einer Quelle relativ niedrigen Druckes verbunden
werden können; die Öffnungen des äußeren Absatzes können als derartige Quellen dienen.
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Bei anderen bekannten Vorrichtungen kann die Form der Überschalldüse
durch verschiebbare Wandteile verändert werden. Weiter sind Vorrichtungen bekanntgeworden,
bei denen im Austritt der Überschalldüse senkrecht zur Düsenachse angeordnete und
über den Düsenumfang verteilte Hinderniswände mit einstellbarer Eintauchtiefe vorgesehen
sind, so daß durch verschiedene Eintauchtiefen der einzelnen Wände eine Beeinflussung
der Strahlrichtung möglich ist.
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Die bekannten Anordnungen sind entweder einfach aufgebaut und mit
hohen Verlusten behaftet oder stellen bei erträglichen Verlusten relativ komplizierte
und störanfällige Konstruktionen dar. Bei der Verwendung mechanischer Hindernisse
besteht überdies der Nachteil, daß die Ablenkung mit steigender Geschwindigkeit
abnimmt, da die Ausdehnung der am Hindernis entstehenden überdruckzone durch die
Lage der vor dem Hindernis liegenden Stoßwelle bestimmt wird.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zur
Beeinflussung der Richtung und Querschnittsfläche eines aus einer Lavaldüse austretenden
Überschallstrahls zu schaffen, die bei einfachem und betriebssicherem Aufbau auch
bei hohen Geschwindigkeiten wirksam bleibt und insbesondere dadurch verlustarm arbeitet,
daß der abgelenkte Strahl nicht aufgerissen wird.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung der eingangs
beschriebenen Art gelöst, bei der am rückwärtigen Ende -der Abteile regelbare Abschlußeinrichtungen
vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Regelung verschieden tief in den Überschallstrahl
eintauchen.
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Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen wird bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung der Strahl nicht direkt von den Abschlußeinrichtungen beeinflußt, sondern
, diese Abschlußeinrichtungen
dienen dazu, um in den Abteilen mit
Hilfe einer von den Abschlußeinrichtungen hervorgerufenen Stoßwelle einen Steuerdruck
zu erzeugen, der den Oberschallstrahl auf der ganzen .in dem betreffenden Abteil
wirksamen Strahlumfangsfläche pneumatisch verschiebt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Längstrennwände
so geformt und angeordnet, daß ihre Innenkontur angenähert der jeweiligen Strahlgrenze
folgt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Längstrennwände zwar die einzelnen
Abteile gegeneinander abtrennen, aber kein merklich störendes mechanisches Hindernis
für den Strahl jilden und daß der von den Längstrennwänden freie Düsenquerschnitt
als Ganzes dem seitlich verschobenen Strahlquerschnitt nachgeführt werden kann.
Nach der Erfindung können die Abschlußeir:ichtungen als an sich bekannte, quer zum
Strahl bewegliche Stauplatten mit verstellbarer Eindringtiefe oder als an sich bekannte
Strömungsmittelvorhänge mit veränderbarer Strömungsmenge ausgebildet sein. Die erstgenannte
Möglichkeit ist konstruktiv sehr einfach und betriebssicher. Die zweitgenannte Möglichkeit
arbeitet verlustärmer. Obwohl wegen der gegenüber bekannten Vorrichtungen erheblich
geringeren erforderlichen Eindringtiefe der Stauplatten die Verluste auch im erstgenannten
Fall durchaus erträglich bleiben, kann es in gewissen Fällen doch zweckmäßig sein,
mit Strömungsmittelvorhängen zu arbeiten.
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Dach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Steuereinrichtung
vorgesehen, die die Eindringtiefe der Abschlußeinrichtungen der Abteile und die
Lage der radialen Längstrennwände steuert. Dadurch ist insbesondere die Möglichkeit
gegeben, diese beiden Steuervorgänge so miteinander zu koppeln, daß die schon erwähnte
Nachführung des freien verfügbaren Düsenquerschnitts zum seitlich abgelenkten Strahlquerschnitt
nach Belieben oder selbsttätig vorgenommen werden kann.
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Die Erfindung kann sich weiter die bekannten Einrichtungen zur Veränderung
des Düsenquerschnitts zunutze machen und insbesondere für diesen Zweck an sich bekannte
schwenkbar angeordnete Wandteile mit geradem oder gebogenem Profil oder an sich
bekannte quer zum Strahl verschiebbare Platten verwenden. In Kombination mit diesen
bekannten Einrichtungen wird nach der Erfindung eine Düse geschaffen, die bei Wahrung
der erfindungsgemäßen Vorteile für die Richtungssteuerung ebenso an veränderte Flugbedingungen
anpaßbar ist wie die bekannten Einrichtungen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die an sich bekannten
Einrichtungen zur Querschnittsänderung auch unsymmetrisch sein, so daß sich nicht
nur der Strahl in der beschriebenen Weise ablenken und in seinem Querschnitt an
veränderte Flugbedingungen anpassen, sondern auch in seiner Form verändern läßt,
was eine noch günstigere Anpassung an die jeweiligen Flugbedingungen und eine Unterstützung
der Richtungssteuerung ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnungen
beschrieben.
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F i g. 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer Überschalldüse mit
einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die Abschlußeinrichtungen aus einem
Strömungsmittelvorhang bestehen; F i g. 1 a und 1 b zeigen in sJtematischen Halbschnitten
andere Ausführungsmöglichkeiten der Abschlußeinrichtungen; F i g. 2 und 2 a sind
Querschnitte nach der Linie II-II der F i g. 1 und zeigen feste bzw. bewegliche
Trennwände; F i g. 3, 3 a und 3 b zeigen im Längsschnitt verschiedene Ausführungsformen
von Längstrennwänden; F i g. 4 zeigt das Schema einer Steuereinrichtung für die
Strahlablenkung; F i g. 5 und 5 a zeigen Einrichtungen für die Verwendung des Querschnittsverhältnisses
der Düse; F i g. 6 a, 6 b und 6 c zeigen schematisch für eine Düse mit Kreisquerschnitt
einige Profilformen für Klappen zur Veränderung des Düsenhalsquerschnitts.
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Die in F i g. 1 dargestellte Düse, die z. B. als Schubdüse eines Überschalturbostrahltriebwerks,
eines Staustrahltriebwerks oder einer Rakete dienen kann, ist an ihrem Austrittsende
mit einer von der Wand 2 begrenzten, nach innen offenen Ringkammer versehen, die
den Strahl umgibt. Diese Ringkammer ist durch radiale Längstrennwände 3 (F i g.
2) in mehrere um den Düsenumfang gleichmäßig verteilte Abteile 4, 5, 4 a, 5 a usw.
unterteilt. Die siröabwärts liegenden Enden dieser Abteile sind durch Abschlußeinrichtungen
abgeschlossen, die in verschiedener Weise ausgeführt sein können. Nach F i g. 1
wird die Abschlußeinrichtung durch einen Strömungsmittelvorhang 11 gebildet. Dieser
Strömungsmittelvorhang entsteht mit Hilfe von Schlitzdüsen 12, die über Leitungen
13 und Ventile 14 mit einem unter Druck stehenden Strömungsmittel, beispielsweise
dem Strahlmedium vor seiner Entspannung, gespeist werden.
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F i g. 1 a zeigt eine mechanische Abschlußeinrichtung in Form eines
senkrecht zum Strahl angeordneten beweglichen mechanischen Abschlußgliedes 15. F
i g. 1 b zeigt eine kombinierte Abschlußeinrirhtung, bei der ein Strömungsmittelvorhang
11a durch ein aus einer verschiebbaren Düse 15 a strömendes Strömungsmittel
erzeugt wird. Die Düse 15 a ist mechanisches Abschlußglied ausgebildet. Das
Strömungsmittel wird wieder über eine Leitung 13 und ein Ventil 14 aus einer Druckquelle
herangeführt. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine besonders gute Regelbarkeit,
da man sowohl die Eintauchtiefe des mechanischen Abschlußgliedes 15 a als
auch die Menge des den Vorhang bildenden Strömungsmittels unabhängig voneinander
regeln kann.
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Durch die Abschlußeinrichtungen werden in den Abteilen der Ringkammer
überdrücke erzeugt, deren Größen von der Einstellung der jeweiligen Abschlußeinrichtung
abhängt. Es ist ersichtlich, daß der Strahl keine Ablenkung erfährt, wenn die Drücke
in allen Abteilen gleich groß sind, und daß man mit vier Abteilen jede beliebige
Ablenkungsrichtung erzeug= kann. Wenn beispielsweise der Druck im Abteß:4 erhöht
und im Abteil s erniedrigt wird, wird der Strahl, wie in F i g. 1 dargestellt, nach
der Seite des Abteils 5 abgelenkt. Umgekehrt ergäbe sich eine Ablenkung in entgegengesetztem
Sinn, wenn man im Abteil 5 einen höheren Druck als im Abteil 4 herstellte. Die Zahl
der Abteile kann auch größer als vier sein, doch kann man mit der Mindestzahl von
vier Abteilen alle Ablenkrichtungen kontinuierlich herstellen, indem man die von
jedem Paar gegenüb«y
liegende Abteile erzeugten Ablenkkräfte vektoriell
addiert.
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Die Längstrennwände zwischen den Abteilen können fest oder beweglich
angeordnet sein. Um eine sichere Trennung der Abteile zu gewährleisten, müs-°za
die Innenkanten der Trennwände bei jeder beliebigen Strahlablenkung in den Strahl
eintauchen (oder zumindest den Strahl berühren). Die in den F i g. 2 und 3 dargestellten
festen Trennwände 3 ragen deshalb so weit in die Düse hinein, daß sich bei der größten
Ablenkung die der Ablenkrichtung abgewandte Trennwand mit ihrer Innenkante dem Längsprofil
des Strahls anschmiegt. Da die Trennwände parallel zu der Strömung liegen, bieten
sie keinen bedeutenden Luftwiderstand, so daß in den meisten Fällen feste Trennwände
verwendet werden können. Die Übergangsstelle 3 b zwischen den Trennwänden 3 und
der Wand der Düse 1 muß vor dem Düsenhals im Unterschallabschnitt der Düse liegen.
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Wenn vermieden werden soll, daß ein zu großer Teil der Trennwände
innerhalb des Strahls liegt, beispielsweise in Fällen, in denen man die Verluste
so klein wie möglich halten möchte oder eine Beschädigung der Trennwände durch zu
hohe Temperaturen befürchtet, können bewegliche Längstrennwände benutzt werden,
die in ihrer Ebene bewegbar sind. Derartige bewegliche Trennwände sind in den F
i g. 2 a, 3 a und 3 b dargestellt. Die Längstrennwände nach F i g. 3 a sind gleitend
angeordnet, während F i g. 3 b eine Längstrennwand zeigt, die um eine Achse
16 schwenkbar gelagert ist. Das Abschlußglied 15 trägt in diesem Fall seitlich
eine Wand 17, die die Trennwand 3 a teilweise überdeckt. Die Übergangsstellen
zwischen der festen Düsenwand 1
und den beweglichen Trennwänden liegen wieder
vor dem Hals der Düse und weisen keinen wesentlichen Knick auf.
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Das Strömungsmittel für die Bildung der Strömungsmittelvorhänge (F
i g. 1 und l b) kann aus einer beliebigen Strömungsquelle entnommen werden,
beispielsweise aus der Brennkammer oder aus dem Hochdruckkreis eines gasförmigen
oder flüssigen Sauerstoffträgers.
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Die gewünschte Ablenkung des Strahls erfolgt durch entsprechende Einstellung
der verschiedenen Stellglieder. Die Drücke p1 und p2 in den einander gegenüberliegenden
Abteilen 4 und 5 sind dabei offenbar an den im abzulenkenden Strahl herrschenden
Druck pa gebunden. Die Ablenkung hängt von diesen drei Drücken und der Machzahl
der Strömung ab. Außerdem ist die Ablenkung auch noch von den Abmessungen und der
Lage der Abteile abhängig; diese Größen liegen jedoch ein für allemal fest. Die
erforderliche Einstellung der mechanischen oder aerodynamischen Abschlußeinrichtungen
richtet sich nach den drei genannten Drücken und nach der gewünschten Ablenkung.
Dazu kann noch die Einstellung der Längstrennwände kommen, wenn diese nicht ortsfest
sind.
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In F i g. 4 ist schematisch eine Steuereinrichtung zur gleichzeitigen
Steuerung der Drücke in den Abteilen und der Einstellung der Abschlußeinrichtungen,
die hier durch Strömungsmittelvorhänge gebildet werden, dargestellt. Die Steuereinrichtung
18
empfängt bei 19 ein Signal, das den bei 20 im Strahl herrschenden Druck
pa anzeigt, bei 21 den Ablenkbefehl und bei 22 das Druckmittel zur Speisung
der Strömungsmittelvorhänge. Dieses Druckmittel strömt durch die Leitungen
13 und 13' den Vorhängen 11
und 11' zu. Wenn die Steuereinrichtung
18 bei 21
ein einem bestimmten Wert der Ablenkung entsprechendes Steuersignal
empfängt, regelt sie die Strömungsmittelmenge der Strömungsmittelvorhänge
11 und 11' und dadurch die Drücke p1 und p2 in den Abteilen
4 und 5 unter Berücksichtigung des Druckes p. im Inneren des Strahls
auf die erforderlichen Werte ein. Die Ausführungseinzelheiten der Steuereinrichtung
sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Lösung der Steueraufgabe kann
beispielsweise mechanisch, elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder unter Kombination
dieser verschiedenen Möglichkeiten in bekannter Weise erfolgen. Außerdem ist es
auch möglich, die verschiedenen Steheinrichtungen von Hand so einzustellen und gegenseitig
abzustimmen, daß sich die gewünschte Ablenkung ergibt.
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Die F i g. 5 (Überschalldüse) und F i g. 5 a (Düse für das Übergangsgebiet
zwischen Überschallbereich und Unterschallbereich) zeigen zusätzliche Einrichtungen
zur Beeinflussung der Düsenquerschnitte zwecks Anpassung an das jeweilige Entspannungsverhältnis
(Verhältnis zwischen dem die Strömung erzeugenden Druck und dem Atmosphärendruck).
Theoretisch müßte eine Düse benutzt werden, deren Hals und deren divergierender
Teil eine veränderliche Kontur haben; eine solche Düse ist jedoch praktisch schwer
zu verwirklichen.
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Man erzielt jedoch eine recht gute Annäherung an diesen Idealfall,
wenn man den Querschnitt des dem Hals benachbarten Teiles veränderlich macht und
den Druck in den Abteilen 4, 4 a, 5 und 5 a auf einen dem gewünschten Strahlquerschnitt
entsprechenden Wert einstellt.
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Die in F i g. 5 dargestellte Ausführungsform enthält für die Veränderung
des Halsquerschnitts eine Klappe 24, die um eine Achse 25 geschwenkt
werden kann. Bei der in F i g. 5 a gezeigten Ausführungsform kann die Querschnittsänderung
am Hals der Düse bei einer Strömung im Übergangsgebiet durch ein festes Hindernis
26 mit veränderlicher Höhe hergestellt werden. Die gegenseitige Abstimmung
der Drücke in den Abteilen, der Stellung der Abschlußeinrichtungen und des Halsquerschnitts
kann entweder von Hand erfolgen oder durch eine Steuereinrichtung bewirkt werden,
die ähnlich wie die bei der alleinigen Beeinflussung der Strahlrichtung beschriebene
Steuereinrichtung 18 arbeitet.
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Die gleitenden Teile 15 und 26 (F i g. 5 a) können einander in Umfangsrichtung
überlappen, und die schwenkbaren Teile 24 (F i g. 5) können ebenfalls mit
einer Gleitfügung aneinander angepaßt sein. Die F i g. 6 a zeigt im Querschnitt
die Vereinigung von zwei schwenkbaren Teilen 27 a und 27 b, die sich
mit ihrer halben Breite überlappen. In F i g. 6 b greifen die Teile 27a und
27b mit Zapfen und Nut ineinander, in F i g. 6 c erfolgt die gegenseitige
Anpassung der Teile 27 a und 27 b durch einseitigen Anschlag. Derartige
Konstruktionen werden bei Düsen häufig benutzt. Die Betätigung erfolgt durch gleitende
oder schwenkbare Lenker oder auf andere bekannte Weise.
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Die Erfindung ist nicht an einen bestimmten Querschnitt des Strahls
gebunden, so daß Strahlen mit kreisförmigem, rechteckigem, elliptischem oder anderem
Strahlquerschnitt durch die erfindungsgemäßen
Einrichtungen in
ihrer Richtung und Querschnittsfläche beeinflußt werden können.