DE102012205239B4

DE102012205239B4 - Staustrahltriebwerk mit veränderbarer Einlaufgeometrie

Info

Publication number: DE102012205239B4
Application number: DE102012205239.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Herrmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: DE102012205239A1; DE202013001098U1

Abstract

Staustrahltriebwerk (1) mit einem Triebwerkseinlauf (3) mit einer Haube (7), wobei der Triebwerkseinlauf (3) einen zwischen der Haube (7) und einer Rampe (11) sowie einem Diffusorelement (13) gebildeten Einlaufkanal (5) aufweist, wobei die Haube (7) mit dem Diffusorelement (13) einen Diffusor bildet, wobei die Rampe (11) in mehrere Teilbereiche (11a) unterteilt ist und eine Verstelleinrichtung (19) aufweist, wobei über die Verstelleinrichtung (19) die Winkellage der Teilbereiche (11a) zueinander zur Veränderung der Einlaufkontur des Einlaufkanals (5) verstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verstelleinrichtung (19) verschiedene austauschbare Konturelemente (27) aufweist, wobei vor einem Flug ein Konturelement (27) zur Verstellung der Rampe (11) austauschbar ist, wobei eines der Konturelemente unter die Rampe (11) zum Abstützen der Teilbereiche (11a) schiebbar ist, oder
dass die Verstelleinrichtung (19) ein Getriebe aufweist, wobei einzelne Getriebeglieder (23) mit den Teilbereichen (11a) der Rampe (11) verbunden sind, wobei die Getriebeglieder (23) als Stangenglieder ausgebildet sind, die gemeinsam über eine verschiebbare Führung (25) angetrieben sind, wobei die Führung (25) als Führungsschablone oder als Kulissenführung ausgebildet ist, wobei die Führungsschablone oder die Kulissenführung eine Kurvenbahn bildet, auf der sich die Getriebeglieder (23) abstützen, wobei über die Kurvenbahn die Getriebeglieder (23) bei der Verstellung der Verstelleinrichtung angehoben oder abgesenkt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Staustrahltriebwerk mit einem Einlaufkanal.
Der Einlauf eines luftatmenden Triebwerks fängt die benötigte Luft aus der Atmosphäre im Überschall auf und stellt diese in einer Brennkammer bereit. Um die Leistungseigenschaften eines solchen Triebwerks zu gewährleisten, muss der Einlauf des erforderlichen Massenstroms einen ausreichenden Druckrückgewinn liefern.. Dabei darf der Einlauf insbesondere bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten sowie Wende- und Flugmanövern nicht blockieren oder instabil werden.
Die Einlaufkanäle eines luftatmenden Triebwerks sind zumeist für eine Geschwindigkeit bzw. einen Betriebszustand ausgelegt und besitzen eine feste Einlaufgeometrie. Wenn ein Flugzeug mit einem derartigen Triebwerk beschleunigt wird oder agile Flugmanöver ausführt, ändert sich die Anströmung des Triebwerks. Dabei verändert sich die Lage der Verdichtungsstöße, was zu einer Verschlechterung der Leistungseigenschaften des gesamten Triebwerks und insbesondere des Einlaufs führt.
GB 1103803 A beschreibt ein Staustrahltriebwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. DE 977 380 B beschreibt einen Staustrahltriebwerk, bei dem die Rampe aus einem Schichtenpaket mehrerer Platten besteht, die sich in horizontaler Richtung verschieben lassen. US 3 067 573 A beschreibt einen Staustrahltriebwerk, bei dem einzelne Ringe in Längsrichtung des Triebwerks verschiebbar sind, um eine Veränderung der Rampe zu ermöglichen. US 2 737 019 A beschreibt einen Staustrahltriebwerk bei dem die Rampe und das Diffusorelement durch eine flexible Hülle gebildet ist, die eine Kammer umgibt. Durch eine Druckveränderung kann die Hülle zur Veränderung der Einlaufgeometrie aufgebläht werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Staustrahltriebwerk zu schaffen, das verbesserte Leistungseigenschaften bei Beschleunigung oder agilen Flugmanövern oder bei Flugmissionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsanforderungen aufweist.
Das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einem Staustrahltriebwerk mit einem Triebwerkseinlauf mit einer Haube, wobei der Triebwerkseinlauf ein zwischen der Haube und einer Rampe sowie einem Diffusorelement gebildeten Einlaufkanal aufweist, wobei die Haube mit dem Diffusorelement einen Diffusor bildet, die Rampe in mehrere Teilbereiche unterteilt ist und eine Verstelleinrichtung aufweist, wobei über die Verstelleinrichtung die Winkellage der Teilbereiche zueinander zur Veränderung der Einlaufkontur des Einlaufkanals verstellbar ist.
Es hat sich herausgestellt, dass die Leistungseigenschaften eines Staustrahltriebwerks verbessert werden, indem die Einlaufkontur des Einlaufkanals für unterschiedliche Geschwindigkeiten auch unterschiedlich ausgebildet ist. Bei höheren Anströmmachzahlen ist eine Rampe von Vorteil, die insbesondere in ihrem hinteren Bereich steiler angestellt ist als eine Rampe bei geringeren Anströmmachzahlen. Bei niedrigeren Anströmmachzahlen ist darüber hinaus eine etwas flachere Anstellung des vorderen Bereichs der Rampe von Vorteil. Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung und die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rampe in mehrere Teilbereiche, wobei über die Verstelleinrichtung die Winkellage der Teilbereiche zueinander verstellbar ist, lässt sich somit das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk auf besonders einfache Art und Weise an unterschiedliche Geschwindigkeiten anpassen.
Die Verstelleinrichtung kann dabei so ausgestaltet sein, dass die Rampe während des Fluges verstellt werden kann, so dass eine vorteilhafte Anpassung an unterschiedliche Flugmanöver und Beschleunigungen während des Fluges erfolgen kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung unterschiedliche Rampenformen vorgibt, wobei eine Verstellung der Rampe vor einem Flug vorgenommen wird. Somit kann das Staustrahltriebwerk an unterschiedliche Flugmissionen angepasst werden.
Die Rampe kann aus mehreren Gliedern bestehen, wobei jeder Teilbereich durch eines der Glieder gebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rampe einstückig aus einem flexiblen Material ausgebildet ist, wobei Teilbereiche durch einzelne Abschnitte der Rampe, die mit Hilfe der Verstelleinrichtung in einem Winkel zueinander verlaufen, definiert sind.
Zumindest einen Teil der Glieder der Rampe können gelenkig miteinander verbunden sein. Einige der Glieder können sich auch überlappen, so dass diese bei der Verstellung über die Verstelleinrichtung übereinander gleiten. Durch eine derartige Konstruktion ist eine besonders flexible Verstellung der Rampe möglich. Insbesondere ist es möglich, für höhere Anströmmachzahlen die Rampe entlang der Staustrahltriebwerklängsachse stromaufwärts zu schieben. Dadurch ist eine Anpassung der Staustrahltriebwerke an höhere Anströmmachzahlen in besonders vorteilhafter Weise möglich. Darüber hinaus lassen sich die einzelnen Glieder der Rampe auf besonders einfache Art und Weise verstellen.
Die Glieder können beispielsweise als Plattenelemente ausgebildet sein. Diese müssen nicht notwendigerweise eben ausgebildet sein, sondern können auch eine leichte Krümmung aufweisen.
Die Verstelleinrichtung weist erfindungsgemäß verschiedene Konturelemente auf, wobei die Konturelemente zur Verstellung der Rampe austauschbar sind. Eine Verstellung der Einlaufkontur wird dabei erreicht, indem ein Konturelement unter die Rampe geschoben wird und sich die einzelnen Teilbereiche auf dem Konturelement abstützen und somit entlang der Kontur des Konturelements verlaufen. Eine derartige Ausgestaltung der Verstelleinrichtung ist insbesondere für Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks von Vorteil, bei dem eine Anpassung der Rampe einmalig vor einem Flug erfolgt.
Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verstelleinrichtung ein Getriebe aufweist, wobei einzelne Getriebeglieder mit den Teilbereichen der Rampe verbunden sind. Über das Getriebe lassen sich somit Teilbereiche der Rampe in vorteilhafter Weise verstellen.
Dabei sind erfindungsgemäß die Getriebeglieder als Stangenglieder ausgebildet, die gemeinsam angetrieben werden. Die Stangenglieder werden über eine verschiebbare Führung angetrieben.
Die Führung ist erfindungsgemäß als verschiebbare Führungsschablone oder als Kulissenführung ausgebildet. Eine derartige Führung ist auf konstruktiv einfache Art und Weise bereitstellbar, wobei die gewünschten Verstellungen der Rampe in vorteilhafter Weise ermöglicht werden. Durch eine vorgegebene Kurve der Führungsschablone oder der Kulissenführung werden die Stangenglieder auf besonders einfache Art und Weise angehoben oder abgesenkt oder können in Längsrichtung des Staustrahltriebwerks verschoben werden, wodurch die entsprechende Veränderung der Winkellage der Glieder und somit der Teilbereiche der Rampe erfolgt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass auch das Diffusorelement in Teilbereiche unterteilt ist, wobei über die Verstelleinrichtung die Winkellage der Teilbereiche des Diffusorelements zueinander verstellbar ist. Dadurch lässt sich auch das Diffusorelement an unterschiedliche Flugbedingungen anpassen, wobei die Verstellung der Teilbereiche des Diffusorelements in ähnlicher Weise erfolgt wie die Verstellung der Teilbereiche der Rampe.
Das Diffusorelement kann ebenfalls aus mehreren Gliedern bestehen, wobei jeder Teilbereich des Diffusorelements durch eines der Glieder gebildet ist. Die Glieder des Diffusorelements können ebenfalls gelenkig miteinander verbunden sein oder sich überlappen.
Die einzelnen Glieder der Rampe und/oder des Diffusorelements sind im Wesentlichen auf der Verstelleinrichtung gelagert. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass eine zusätzliche Lagerung an dem Gehäuse des Staustrahltriebwerks erfolgt.
Das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk ermöglicht eine Einstellung des Einlaufs für unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten bzw. unterschiedliche Betriebszustände. Dadurch kann eine optimale Außen- und Innenverdichtung des Einlaufs erreicht werden. Bei einem erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerk, bei dem die Einstellung der Rampe auch während des Fluges möglich ist, kann die Einlaufkontur des Einlaufkanals verändert werden, wenn der Einlauf zu blockieren oder instabil zu werden droht, so dass die Funktionsfähigkeit des Einlaufs gewährleistet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks,
2A und 2B eine Funktionsskizze zur Verdeutlichung der Funktion des Staustrahltriebwerks gemäß 1. und
3A und 3B eine Funktionsskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks 1 gezeigt. Das Staustrahltriebwerk 1 weist einen Triebwerksanlauf 3 auf, der einen Einlaufkanal 5 umfasst. Der Einlaufkanal 5 wird von einer Haube sowie einer Seitenwand 9 der Haube 7 oben und seitlich begrenzt. Im unteren Bereich wird der Einlaufkanal 5 durch eine Rampe 11 sowie ein hinter der Rampe 11 angeordnetes Diffusorelement 13 begrenzt. Die Haube 7 bildet zusammen mit dem Diffusorelement 13 einen Diffusor. Zwischen der Haube 7, der Seitenwand 9, der Haube 7 und der Rampe 11 ist ein Einlass 15 des Einlasskanals 5 gebildet, durch den Luft während des Betriebs aus der Atmosphäre in den Einlaufkanal 5 gelangt.
Die Rampe 11 besteht aus mehreren Teilbereichen 11a, die in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus plattenförmigen Gliedern 17 gebildet sind. Die plattenförmigen Glieder 17 sind gelenkig miteinander verbunden. Lediglich das erste plattenförmige Glied 17a ist mit dem darauffolgenden Glied 17 nicht verbunden, sondern das Glied 17 liegt auf dem Glied 17a auf.
Die Rampe 11 weist ferner eine Verstelleinrichtung 19 auf, die mit den einzelnen Gliedern 17, 17a der Rampe 11 verbunden ist. Über die Verstelleinrichtung 19 lässt sich die Winkellage der Glieder 17, 17a zueinander verstellen.
In 2A und 2B ist eine Prinzipskizze des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks 1 gezeigt. In 2A ist dabei die Rampe in einer Position für eine erste Geschwindigkeit positioniert. Die Verstelleinrichtung 19 besteht aus einem Getriebe 21, das mehrere Getriebeglieder 23 aufweist, die als Stangenglieder ausgebildet sind. Die Getriebeglieder 23 stützen sich auf einer Führung 25 ab, die als verschiebbare Führungsschablone ausgebildet ist. Die Getriebeglieder 23 sind dabei an den gelenkigen Verbindungen der einzelnen Glieder 17 befestigt. Ferner stützen sich die Getriebeglieder 23 auf einer Kurvenbahn der Führungsschablone ab. Wird die Führungsschablone in Längsrichtung des Staustrahltriebwerks stromaufwärts geschoben - die Richtung ist in 2A durch einen Pfeil gekennzeichnet - werden die einzelnen Glieder 17, 17a angehoben und die Winkellage der einzelnen Glieder 17, 17a zueinander wird verstellt. Das vorderste Glied 17a wird darüber hinaus stromaufwärts geschoben, wobei das an das vordere Glied 17a angrenzende Glied 17, das auf dem vorderen Glied 17a aufliegt, gleitet.
In 2B ist das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk im über die Verstelleinrichtung 19 verstellten Zustand der Rampe 11 dargestellt. Die Rampe 11 der 2B kann beispielsweise für eine Machzahl M_A = 4,5 geeignet sein, wohingegen die Einstellung der 2A für eine Machzahl M_A = 3,0 optimiert ist.
Das Diffusorelement 13 kann ebenfalls aus mehreren Teilbereichen bestehen, die in ähnlicher Weise wie die Glieder 17 der Rampe 11 aufgebaut sein können. Auf diese Weise kann beispielsweise gewährleistet werden, dass das Diffusorelement 13 beim Verstellen der Rampe 11 angepasst wird.
In den 3A und 3B ist das Funktionsschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks 1 gezeigt.
Die Rampe 11 und das Diffusorelement 13 weisen ein Konturband auf, in dem die einzelnen Teilbereiche der Rampe 11 und des Diffusorelements 13 gebildet sind. Das Konturband besteht aus mehreren Gliedern, die elastisch miteinander verbunden sind. Die Verstelleinrichtung 19 weist ein austauschbares Konturelement 27 auf, das unter das Konturband geschoben ist und auf dem sich das Konturband abstützt. Das Konturband schmiegt sich dabei im Wesentlichen auf die Oberfläche des Konturelements 27 an, so dass das Konturband die Oberflächenform des Konturelements 27 wiedergibt.
Für bestimmte Flugmissionen kann das Konturelement 27 ausgetauscht werden, so dass die für die entsprechende Flugmission optimale Einlaufkontur des Einlaufkanals 5 einstellbar ist.
In 3A ist beispielsweise eine Einlaufkontur gezeigt, die für die Machzahl M_A = 3,0 optimiert ist. Bei dem in 3B gezeigten Zustand des erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks wurde ein Konturelement 27 verwendet, das für eine Machzahl M_A = 4,5 optimiert ist.
Das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk 1 kann selbstverständlich mit Optimierungsmöglichkeiten für Staustrahltriebwerke kombiniert werden. Selbstverständlich ist es möglich, einen Bypass für den Einlaufkanal 5 vorzusehen. Auch kann das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk 1 mit einem Absaugkanal zur Grenzschichtabsaugung kombiniert werden.
Durch die Verstellung der Rampe und des Diffusorelements über die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung können die Verluste bei größeren Machzahlen reduziert werden und somit ist das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk in einem viel größeren Geschwindigkeitsbereich einsetzbar. Gleichzeitig kann bei verschiedenen Betriebszuständen bezüglich der Innenverdichtung die zulässige Verdichtung überschritten werden und es kann weiter isentrop verdichtet werden, was zum Beispiel zu einem besseren Druckrückgewinn führt.

Claims

Staustrahltriebwerk (1) mit einem Triebwerkseinlauf (3) mit einer Haube (7), wobei der Triebwerkseinlauf (3) einen zwischen der Haube (7) und einer Rampe (11) sowie einem Diffusorelement (13) gebildeten Einlaufkanal (5) aufweist, wobei die Haube (7) mit dem Diffusorelement (13) einen Diffusor bildet, wobei die Rampe (11) in mehrere Teilbereiche (11a) unterteilt ist und eine Verstelleinrichtung (19) aufweist, wobei über die Verstelleinrichtung (19) die Winkellage der Teilbereiche (11a) zueinander zur Veränderung der Einlaufkontur des Einlaufkanals (5) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (19) verschiedene austauschbare Konturelemente (27) aufweist, wobei vor einem Flug ein Konturelement (27) zur Verstellung der Rampe (11) austauschbar ist, wobei eines der Konturelemente unter die Rampe (11) zum Abstützen der Teilbereiche (11a) schiebbar ist, oder dass die Verstelleinrichtung (19) ein Getriebe aufweist, wobei einzelne Getriebeglieder (23) mit den Teilbereichen (11a) der Rampe (11) verbunden sind, wobei die Getriebeglieder (23) als Stangenglieder ausgebildet sind, die gemeinsam über eine verschiebbare Führung (25) angetrieben sind, wobei die Führung (25) als Führungsschablone oder als Kulissenführung ausgebildet ist, wobei die Führungsschablone oder die Kulissenführung eine Kurvenbahn bildet, auf der sich die Getriebeglieder (23) abstützen, wobei über die Kurvenbahn die Getriebeglieder (23) bei der Verstellung der Verstelleinrichtung angehoben oder abgesenkt werden.
Staustrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe (11) einstückig aus einem flexiblen Material ausgebildet ist.
Staustrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe (11) aus mehreren Gliedern (17,17a) besteht, wobei jeder Teilbereich (11a) durch eines der Glieder (17) gebildet ist.
Staustrahltriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Glieder (17) gelenkig miteinander verbunden sind.
Staustrahltriebwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Glieder (17,17a) überlappen und bei einer Verstellung über die Feststelleinrichtung (19) übereinander gleiten.
Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glieder (17,17a) als Plattenelemente ausgebildet sind.
Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorelement (13) in Teilbereiche unterteilt ist, wobei über die Verstelleinrichtung (19) die Winkellage der Teilbereiche des Diffusorelements (13) zueinander verstellbar ist.