Flugzeug Die Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeug mit einer Mehrzahl von Zweistrom-Gasturbinen-Strahl- triebwerken, bei welchem die Zirkulation um die Trag el durch Ausblasen eines Luftstromes be- .flüg einflusst wird, wobei dieser Luftstrom einen bestimm ten Teil des durch die Zweistrom-Verdichter der Triebwerke über Rückschlagventile in eine Sammel leitung gelieferten Nebenluftstromes umfasst,
und bei dem die vom Hauptluftstrom gespiesenen Triebwerke ihre Abgasströme durch einzelne nach rückwärts ge richtete Düsen ausstossen.
In den schweizerischen Patentschriften Num mern<B>326 061, 328</B> 649 und 347<B>076</B> sind Flugzeuge gezeigt, welche durch eine grössere Anzahl von in den Tragflächen untergebrachten kleineren Trieb werken angetrieben werden, indem die nach hinten ausgestossenen Strahlen der Triebwerke gleichzeitig zur Beeinflussung der Zirkulation um die Tragflügel, <B>d.</B> h. zur direkten Erhöhung des Auftriebes, ver wendet werden.
Das Prinzip dieser sogenannten ejet flaps oder Strahlklappen wurde überdies im Januarheft<B>1956</B> der Journal of the Royal Aeronau- tical Society erörtert.
Da bei einem solchen Flugzeug die Schubstrahlen nicht nur den Vortrieb, sondern auch den Auftrieb des Flugzeuges erzeugen, kann ein Versagen des Triebwerkes schwerwiegende Folgen haben, beson ders beim Starten und Landen. Viele vorgängige Vor schläge für Flugzeuge mit jet flaps umfassten des halb, wie bereits erwähnt, eine grosse Zahl relativ kleiner Triebwerke, so dass das Versagen eines ein zelnen Triebwerkes nur eine kleine Wirkung auf Auf- und Vortrieb hat. Solche Triebwerke müssen aber entlang der Flügelkante verteilt werden, das ihren Einbau und Unterhalt stark erschwert.
Zweck der Erfindung ist daher die Schaffung eines Flugzeuges dieser Art, das jedoch mit einer konventionellen Anzahl, z. B. vier, Triebwerken aus kommt und zudem bestimmte Anforderungen bei Triebwerksausfall erfüllt.
Das erfindungsgemässe Flugzeug ist gekennzeich net durch Einrichtungen zum Verringern des Aus- blasquerschnittes für den gesamten Nebenluftstrom auf einen Wert, welcher nach Ausfall eines bestimm ten Teils der Triebwerke ein Verdichterdruckverhält- nis ergibt, das mindestens annähernd gleich dem jenigen beim normalen Betrieb aller Triebwerke ist.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der sie bei spielsweise wiedergebenden Zeichnung näher be schrieben werden, und zwar zeigt: Fig. <B>1</B> eine Draufsicht auf ein mit Strahltriebwer ken und sogenannter jet flaps ausgerüstetes Flug zeuge Fig. 2 eine schematische Ansicht der Triebwerke, der Düsen und der zugeordneten Rohrleitungen für die sogenannten jet flaps des Flugzeuges,
und Fig. <B>3</B> ein Kennlinienschaubild für die Zweistrom- verdichter der Triebwerke.
Das in Fig. <B>1</B> gezeigte Flugzeug weist einen Rumpf<B>1</B> mit zwei sich gegenüberliegenden Flügeln 2 und ein Schwanz mit dem üblichen Seitenleitwerk und Ruder<B>3</B> sowie dem Höhenleitwerk 4 auf. Jeder der Flügel 2 besitzt an seiner Hinterkante eine schmale Klappe<B>5,</B> die sich vorzugswzise über den grösseren Teil der Flügelspannweite und nach Mög lichkeit über die gesamte Flügelspannweise erstreckt. Das Flugzeug ist mit vier Zweistrom-Gasturbinen- Strahltriebwerken <B>6</B> ausgerüstet, die in Gondeln am Schwanzende des Flugzeuges, und zwar<B>je</B> zwei an einer Rumpfseite, angebracht sind.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bestehen die Trieb werke<B>6</B> aus Zwillings-Zweistrom-Strahltriebwerken und weisen<B>je</B> einen Niederdruck-Zweistrom-Verdich- ter <B>11,</B> einen Hochdruckverdichter 12, Brennerein- richtungen <B>13</B> und eine Turbine 14 auf. Die Turbine 14 weist zwei voneinander unabhängige Läufer<B>15</B> und<B>16</B> auf, die die Verdichterrotoren über zwei gleichachsige Wellen<B>17</B> und<B>18</B> antreiben.
Der Nie- derdruckverdichter <B>11</B> saugt Luft aus der Umgebung durch eine Einlassöffnung <B>19</B> am vorderen Ende der das Triebwerk umschliessenden Hülse an, wäh rend der Auslass dieses Verdichters in zwei koaxiale Ringkanäle unterteilt ist, von denen der innere Kanal mit dem Einlass des Hochdruckverdichters 12 ver bunden ist. Die Verbrennungsgase treten durch die Turbine 14 in ein Strahlrohr 20 aus, das zu einer Schubdüse 21 am hinteren Ende der Hülse fährt.
Diese Düse, die nachstehend als Hauptdüse be zeichnet wird, hat die -übliche Form,<B>d.</B> h. sie hat im allgemeinen im Gegensatz zu den länglichen sogenannten jet flap -Düsen, <B>-</B> die später erwähnt werden, runde Form und ist so angeordnet, dass sie frei von den Flügeln und anderen Flugzeugteilen ausbläst.
Es ist bei Zweistromtriebwerken allgemein<B>üb-</B> lich, dass der Auslass des Zweistromverdichters ferner an eine ringförmige Nebenleitung angeschlossen ist, die den Hochdruckverdichter sowie die Brennerein- richtung und die Turbine umgibt. Durch diese Leitung wird ein Teil der Luft des Zweistromverdichters geführt und tritt dann. wieder durch die Schubdüse aus, -und zwar indem er den Strom der Turbinen auspuffgase umgibt oder damit gemischt ist. Bei der beschriebenen Einrichtung wird nur ein Teil dieses Nebenluftstromes der Triebwerke zusammen mit den Turbinenauspuffgasen ausgestossen.
Zu diesem Zweck ist der Kanal des Nebenstromes in jedem Triebwerk in zwei koaxiale Ringkanäle unterteilt, wobei<B>-</B> der innere der beiden Kanäle in eine Leitung 22 mündet, die ihrerseits nach der Turbine in das Strahlrohr 20 mündet. Der äussere der beiden Kanäle ist über eine Schnecke<B>23</B> oder dergleichen und eine Leitung 24 mit einem Sammelkanal<B>25</B> verbunden, der sich längs des Rumpfes erstreckt (s. auch Fig. . Dieser Kanal ist allen vier Triebwerken gemeinsam, so dass <B>je</B> ein Teil der Nebenluftströme der vier Triebwerke darin vereinigt wird.
Die Leitungen 24 der einzelnen Triebwerke zum Kanal<B>25</B> weisen<B>je</B> ein Rückschlag- ventil <B>26</B> auf, um -eine Rückströmung zum Trieb werk zu verhindern. Das Rückschlagventil kann bei spielsweise aus zwei Klappen bestehen, die in Strö mungsrichtung angeordnet sind und an den Eintritts kanten drehbar miteinander verbunden sind und der art unter Federdruck stehen, dass sie sich auseinander- spreizen und die Leitung verschliessen, falls eine Rückströmung auftreten sollte.
Der Sammelkanal<B>25</B> steht am vorderen Ende mit Verteilerrohren<B>27</B> in Verbindung, die sich über die Spannweite jedes Flügels 2 erstrecken. Die Verteilerrohre sind über entsprechend geformte Abzweigrohre<B>28</B> mit langen flachen nach hinten gerichteten Düsen<B>29</B> verbunden, die über die ganze Spannweite des Flügels verteilt angeordnet sind. Die Düsen<B>29</B> in den Flügeln sind dicht nebeneinander und derart angeordnet, dass die Luft der zusammengefassten Nebenluftströme über die Oberfläche der Flügelklappen<B>5</B> als lange dünne, sich über die ganze Spannweite erstreckende Schich ten ausgeblasen werden.
Diese Schichten wirken als sogenannte jet flaps , <B>d.</B> h. durch Luftstrahlen ge bildete Klappen, welche eine Änderung der Zirkula tion um den Flügel herum bewirken und den Flügel auftrieb erhöhen. Durch die Drehung der Klappe<B>5</B> um ihre Drehachse<B>30</B> können die genannten Schich ten nach oben und unten abgelenkt werden und die Steuerung des Flugzeuges bewirken. Die Düsen<B>29</B> werden nachstehend als Strahlklappendüsen be zeichnet.
Am hinteren Ende des Sammelkanals<B>25</B> befindet sich eine weitere Abzweigung<B>31,</B> die in einer kleinen nach hinten gerichteten Hilfsdüse<B>32</B> am hinteren Ende des Rumpfes endet (s.Fig. <B>1).</B> Diese Düse kann mit Hilfe von Klappen<B>33</B> oder durch irgendeine äquivalente Einrichtung geschlossen werden, was mit strichpunktierten Linien angedeutet ist.
Nunmehr soll die Wirkungsweise der Einrichtung beschrieben werden. Es sei zunächst darauf hin gewiesen, dass nur etwa ein Viertel bis ein Drittel der von den Triebwerken eingefangenen Gesamtluft- menge zu den Strahlldappendüsen <B>29</B> und der Hilfs düse<B>32</B> geführt wird. Im Falle von Triebwerken mit einem Ableitungsverhältnis von 2,<B>d.</B> h. mit zwei Teilen Luft im Hauptstrom und einem Teil Luft im Nebenstrom, wird beispielsweise etwa die Hälfte des abgeleiteten Luftstromes dem Sammelkanal<B>25</B> zugeführt.
Der Durchflussquerschnitt, der für die Strahlklappendüsen <B>29</B> zusammen mit der Hilfsdüse <B>32</B> erforderlich ist, ist der Leistung der vier Trieb werke beim Auslegedruckverhältnis angepasst, wäh rend der Durchflussquerschnitt der Düsen<B>29</B> allein der Leistung von nur drei Triebwerken bei dem Auslegedruckverhältnis angepasst ist. Der gesamte Durchflussquerschnitt der Strahlklappendüsen <B>29</B> be trägt also das Dreifache des Durchflussquerschnittes der Hilfsdüse.
Im allgemeinen verhalten sich die Querschnittsflächen der Strahlklappendüsen und der Hilfsdüse bei einem Flugzeug mit n Triebwerken wie <I>n<B>--</B></I><B> 1 : 1.</B> In der Praxis tritt zwar in jedem Fall eine Abweichung von diesem idealen Verhältnis auf, die die Verluste in der Leitung, welche zu den Düsen<B>29</B> führt, berücksichtigt. Andere Abweichungen vom Idealwert werden später behandelt.
Bei normalem Flug ist die Hilfsdüse<B>32</B> voll ständig geöffnet, und die Triebwerke arbeiten mit dem ausgelegten Druckverhältnis, das optimalen Wir kungsgrad verspricht. Zum Starten wird jedoch die Hilfsdüse<B>32</B> geschlossen, und die sich daraus er gebende Zunahme des Gegendruckes an den Zwei- stromverdichtern verändert das Druck- bzw. <B>Ab-</B> leitungsverhältnis der Triebwerke, wodurch die Durchflussmenge, welche durch den Hochdruckver dichter, die Brennereinrichtung und die Turbine der Triebwerke strömt, erhöht wird.
Das Zweistrom- triebwerk der hier beschriebenen Zwillingsbauart ist genügend elastisch, um eine derartige Änderung zu- zulassen, so dass sich die Triebwerke noch der ver minderten wirksamen Düsenfläche anpassen, obgleich sich dadurch ein Betrieb mit etwas schlechterem Wirkungsgrad ergibt. Der entstehende Schubverlust ist jedoch verhältemässig gering, etwa in der Grö ssenordnung von<B>5<I>%.</I></B>
Wenn ein Triebwerk beim Starten ausfallen sollte, so führt die innere Elastizität der Triebwerke zu einer sofortigen automatischen Wiederherstellung der Aus- legedruckverhältnisse. Da wegen der geschlossenen Hilfsdüse<B>32</B> in diesem Fall verfügbare Düsenquer- schnittsfläche den drei Triebwerken allein angepasst ist, stellen sich die Druckverhältnisse tatsächlich selbst auf ihren berechneten Wert ein. Die Trieb werke arbeiten dann mit optimalem Wirkungsgrad, wobei der Schub etwa<B>75 %</B> des Gesamtschubs der vier Triebwerke beträgt.
Daraus ist ersichtlich, dass sich, wenn eines der Triebwerke beim Starten ausfällt, die verbleibenden Triebwerke selbst ohne irgendeinen Eingriff seitens des Piloten den geänderten Verhältnissen anpassen. Der Steigungswinkel wird vermindert, aber die Lei stung der drei Triebwerke des Flugzeuges ist so ge wählt, dass sie den Mindesterfordernissen entspricht.
Der zuvor beschriebene Vorteil wird auf Kosten einer kleinen Vernünderung des Wirkungsgrades beim Starten mit vier Triebwerken erreicht, jedoch kann ein derartiger Verlust in Kauf genommen werden, da er nur während eines verhältnismässig kurzen Teiles der Flugzeit auftritt. Wenn das Flugzeug eine sichere Höhe erreicht hat, wird die Hilfsdüse wieder geöffnet, so dass sich die Triebwerke wieder auf den Betrieb der ausgelegten Druckverhältnisse n-üt opti malem Wirkungsgrad einstellen können.
Beim Landen kommen ähnliche Betrachtungen in Frage. Die Hilfsdüse wird geschlossen, und die vier Triebwerke werden so gedrosselt, dass sie einen etwas geringeren Schub liefern als derjenige, der von nur drei Triebwerken maximal aufgebracht wird. Sollte ein Triebwerk ausfallen, so stellen sich die übrigen drei Triebwerke wieder automatisch auf die normalen Bedingungen ein, und der Schub sowie Auftrieb können durch öffnen der Drosseln wieder hergestellt werden.
Die Auswirkung der oben beschriebenen Reihen folge der Vorgänge am Zweistromverdichter kann aus der Verdichtercharakteristik gemäss Fig. <B>3</B> er sehen werden, welche das Zweistromverdichterdruck- verhältnis P, bezogen auf die Fördermenge<B>Q,</B> wieder gibt. Im gezeigten Diagramm ist die Pumpgrenze bei 41 dargestellt, und die normale Betriebs- oder Arbeitslinie ist mit 42 bezeichnet. Es wird angenom men, dass bei maximaler Leistung (die dem Flugzeug start entspricht) der Arbeitspunkt mit geöffneter Hilfsdüse beim Auslegepunkt 43 liege.
Mit geschlos sener Hilfsdüse wird bei Punkt 44 gearbeitet, und zwar mit etwas geringerem Wirkungsgrad, wobei der Verdichter, falls ein Triebwerk ausfallen sollte, wieder am Auslegepunkt mit maximalem Wirkungs grad arbeiten würde. Man beachte, dass sich unter diesen Umständen der Arbeitspunkt von der Pump- grenze entfernt.
Beira Landen ist die Drehzahl des Verdichters geringer, und der Arbeitspunkt liegt an der Stelle 45 der Betriebs- oder Arbeitslinie, wenn die Hilfsdüse offen ist. Bei geschlossener Düse liegt er jedoch an der Stelle 46. Sollte ein Triebwerk ausfallen, so stellen sich die Triebwerke selbst wieder auf ein Ar beiten am Punkt 45 ein, und ein Öffnen der Drosseln zur Wiederherstellung des Schubs bringt den Ar beitspunkt auf 43 zurück.
Es wurde festgestellt, dass mit drei oder vier irn Betrieb befindlichen Triebwerken der Hochdruck verdichter auf der gleichen Betriebs- oder Arbeits- lüüe weiterarbeitet.
Um die oben beschriebenen Ergebnisse zu er reichen, ist die Verwendung von Zweistromtrieb- werken mit zwei voneinander unabhängigen Arbeits stufen, wie zuvor beschrieben, von, wesentlicher Be- deutuncy. Da die Zweistrom- und Hochdruckverdich ter mechanisch unabhängig voneinander arbeiten, kann ihre Drehzahl bezüglich einander schwanken bzw. verschieden sein, damit sich die erforderliche elastische Arbeitsweise ergibt.
In manchen Fällen kann die Wahl des idealen Düsenquerschnittsverhältnisses, das zuvor erwähnt wurde, den Arbeitspunkt des Zweistromverdichters gefährlich nahe an die Pumpgrenze 41 bringen, wenn die Hilfsdüse geschlossen ist. Es kann daher not- wendig,sein, eine Hilfsdüse von etwas kleinerer Quer- schnittsfläche vorzusehen, als sie dem Idealverhältnis entspricht.
Bei einer derartigen Anordnung würde ein Triebwerkausfall beim Starten oder Landen ein Arbeiten des Zweistromverdichters nicht am Aus legepunkt 43, sondern an einer Stelle auf der anderen Seite der Betriebs- oder Arbeitslinie 42 stattfinden, wobei der Wirkungsgrad etwas geringer als das Maxi mum sein würde.
Die Wirkungsweise der Einrichtung hängt von der Veränderbarkeit des effektiven Durchflussquer- schnittes, der für die Abgabe des Nebenluftstromes zur Verfügung steht, ab, und zwar in bezug auf den Durchflussquerschnitt, der für die Abgabe des Tur- binenauspuffgasstromes vorhanden ist. Ein Erfolg kann auch auf andere Weise erreicht werden.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform, haben die Hilfs düse und die Schubdüse 21 veränderliche Quer- schnittsflächen. Eine Verengung des Düsenstromes durch äussere Verengungseinrichtungen hat die Wir kung, dass der effektive Durchflussquerschnitt ver ringert wird, der für die Abgabe des Nebenstromes zur Verfügung steht.
Wenn daher der Durchfluss- querschnitt der Strahlklappendüsen und der Strahl düsen in der vollgeöffneten Stellung vier Triebwerken angepasst ist, während der Durchffussquerschnitt der Strahlklappendüsen und der Strahldüsen in der Stel lung mit vermindertem Querschnitt drei Triebwerken angepasst ist, kann eine selbsttätige Wiedereinstellung der Triebwerks-Arbeitsbedingungen, wie zuvor be schrieben, erfolgen.
Es ist natürlich notwendig, die Verengungseinrichtungen der vier Düsen so zu kop peln, dass sie gemeinsam betätigt werden können.
Bei einer weiteren abgeänderten Ausführungs form weisen<B>"</B> die Hilfsdüse und die Strahlklappen- düsen <B>29</B> eine veränderbare Querschnittsfläche auf, beispielsweise indem der obere hintere Teil der Düsen als drehbare Klappe ausgebildet ist.
Die Hilfsdüse kann mit Hilfe eines Ventils in der Abzweigung<B>31</B> geschlossen werden, wobei es in manchen Fällen vorzuziehen ist, die Düse nicht vollständig zu schliessen. In diesem Falle ist der Durchflussquerschnitt der Strahlklappendüsen und der Hilfsdüse in der Stellung der geringsten Fläche drei Triebwerken angepasst.
Die Triebwerke können auch anderweitig im Flugzeug angebracht werden, beispielsweise am Rumpfende der Flügel oder in Gondeln unter oder vor den Flügeln. Die Strahldüsen münden vorzugs weise in solcher Weise aus, dass die Treibstrahlen frei von den Flügeln sind. Bei derartigen Anordnun gen<U>kann</U> es zweckmässig sein, zwei Hilfsdüsen, und zwar in jedem Flügel eine, vorzusehen.
Bei Verwendung von Triebwerken mit niedrigeren Auslegedruckverhältnissen, beispielsweise<B>0,6</B> oder <B>0,7: 1,</B> kann der gesamte Luftstrom des Neben stromes den Strahlklappendtisen und Hilfsdüsen, wie zuvor beschrieben, zugeleitet werden. Es kann aber auch die gesamte Luftmenge des Nebenstromes den Strahlklappendüsen zugeführt werden, während ein kleiner Teil abgeblasen und als Ringstrom abgegeben werden kann, welcher den heissen Turbinenauspuff- gasstrahl umgibt, wobei eine Änderungsmöglichkeit des Austrittsquerschnitts vorgesehen ist, die für die Abgabe dieses Gasstromes zur Verfügung steht.
Obgleich in der oben beschriebenen Ausführungs form -vier Triebwerke verwendet wurden, kann die Einrichtung theoretisch auch bei einer abgewandelten Ausfährungsforin angewendet werden, bei welcher ein Triebwerksausfall bei total nur drei Triebwerken zugelassen werden kann, obwohl der von drei Trieb werken normaler Grösse gelieferte Schub für den Vor trieb des Flugzeuges möglicherweise nicht ausreichen würde. Eine grössere Anzahl von Triebwerken als vier würde natürlich auch möglich sein, aber bei den Flugzeugen und Triebwerken, die gegenwärtig verwendet werden, werden -vier Triebwerke als Opti mum betrachtet.
Bei einer anderen Ausführungsforrn ist das Luft fahrzeug ein solches der Entenbauart, bestehend aus einem Rumpf, einem Flügelpaar und einer vorn lie genden Trag- und Steuerfläche. Es wird durch vier Zweistrom-Gasturbinen-Strahltriebwerke angetrieben, deren Zweistromverdichter so miteinander verbun den sind, dass sie Nebenstromluft durch Rückschlag- ventile in eine gemeinsame Leitung liefern, welche sich entlang dem Rumpf erstreckt, während ihre Turbinengasströme durch einzelne Düsen frei von den Flügeln und der Tragfläche ausgestossen werden.
Die Flügel sind von etwa elliptischein Quer schnitt mit abgerundeten Hinterkanten und jeweils mit zwei flachen öffnungen versehen, welche sich entlang der. ganzen Spannweite jedes Flügels er strecken und Nebenstromluft aus der gemeinsamen Leitung erhalten. Die öffnungen sind<B>je</B> an einer Seite der Flügelhinterkante angeordnet und so ge formt, dass sie die Luft nach rückwärts über die Flügeloberfläche als dünne Schicht ausstossen. Diese Luftschichten haben die Tendenz, den Sog hinter der abgerundeten Flügelhinterkante zu schliessen.
Durch Verändern der Luftmenge und der Geschwin digkeiten der beiden Ströme relativ zueinander kann der rückwärtige Staupunkt um die Hinterkante her umbewegt, die Zirkulation um den Flügel beeinflusst und der Flügelauftrieb verändert werden.
Die Tragfläche ist mit Hinterkantenflügelklappen versehen, und die gemeinsame Leitung ist mit Mün dungen verbunden, welche den im vorstehenden be schriebenen Strahlklappendüsen ähnlich und so ge formt sind, dass sie Luftströme über die Klappen als jet flaps ausstossen.
Die gemeinsame Leitung hat ausserdem eine<B>Ab-</B> zweigung, welche zu einer Ililfsdüse wie in der Aus führungsform gemäss Fig. <B>1</B> führt, wobei die Fläche dieser Düse beim Starten und Landen für den bereits beschriebenen Zweck verringert wird.
Der Ausdruck Zweistromtriebwerk , wie er vor stehend verwendet wurde, umfasst alle Gasturbinen triebwerke, die zwei parallele Ströme erzeugen, von denen einer als reiner Luftstrom die Brennerein- richtung umgeht. Die Erfindung umfasst daher auch Einrichtungen unter Verwendung von Triebwerken mit hinten angebrachten Turbinenschaufelrädern und von der Turbine angetriebenen, vorn liegenden Luft- schraubenblättern. Derartige Triebwerke werden auch Turboprop-Triebwerke bezeichnet.