-
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Querschnittes einer Ausstoßdüse
von Strahltriebwerken Bei zahlreichen technischen Aufgaben muß der einem aus einer
Düse mit mehr oder weniger großer Geschwindigkeit austretenden Strahl zur Verfügung
stehende Kutzquerschnitt verändert werden. Düsen mit regelbarem Querschnitt werden
insbesondere bei Turbostrahltriebwerken benutzt und gestatten, die Leistung derselben
unter sehr verschiedenen Betriebs-Bedingungen zu verbessern, und zwar sowohl bei
gewöhnlichen Turbostrahltriebwerken als auch bei den mit einer Anlage zur Nachverbrennung
versehenen.
-
Für die beste Ausnutzung eines gegebenen Turbostrahltriebwerkes unter
allen Betriebsbedingungen, insbesondere wenn der Apparat in sehr verschiedenen Flöhen
benutzt wird, ist es daher zweckmäßig; über eine Ausstoßdüse mit veränderlichem
Querschnitt zu verfügen, dessen Regelung; wenn sie durch die selbstwirkende Regelvorrichtung
des Turbostrahltriebwerkes betätigt wird-, dem Piloten in einem weiten Höhenbereich
erspart, sich selbst mit der Einstellung der Temperatur der Gase des Turbostrahltriebwerkes,
die ein kritischer Punkt für das Verhalten und die Lebensdauer eines derartigen
Gerätes ist, beschäftigen zu müssen.
-
Es ist ferner bekannt, daß bei Turbostrahltriebwerken mit einer Anlage
zur Nachverbrennung, welche im allgemeinen nur kurzzeitig benutzt wird, eine regelbare
Austrittsdüse vorhanden sein muß, welche die Einstellung wenigstens zweier sehr
verschiedener Querschnitte gestattet, wenn vermieden werden soll, daß die Nachverbrennung
nur eine sehr geringe Vergrößerung der Schubkraft bewirkt oder daß die Schubkraft,
welche das Strahltriebwerk bei nicht angezündeter Nachverbrennung liefern könnte,
beträchtlich verringert wird.
-
Es sind bereits zahlreiche Einrichtungen zur Veränderung der Nutzquerschnitte
der Ausstoßdüsen von Turbostrahltriebwerken vorgeschlagen oder ausgeführt worden.
-
Bei einer ganzen Reihe von bekannten Einrichtungen wird die Veränderung
des Nutzquerschnitts der Düse durch die Verformung oder noch häufiger durch die
Verstellung von mechanischen Teilen erzielt, welche die Wand der Ausstoßdüse bilden.
Es gibt zahlreiche auf diesem Prinzip beruhende Ausführungsformen, welche eine mehr
oder weniger große Zahl von beweglichen Teilen aufweisen.
-
Bei der Herstellung von Düsen mit mechanischer Regelung ergeben sich
zahlreiche Aufgaben und Schwierigkeiten, insbesondere da es sich um mechanische
Teile handelt, welche mit Gasen in Berührung stehen, die eine hohe Temperatur und
bis-weilen, wenn es sich um Anlagen mit Nachverbrennung handelt, sogar eine
sehr hohe Temperatur haben. Von diesen Schwierigkeiten sind insbesondere das Verhalten
und die Lebensdauer der beweglichen mechanischen Teile, die Abdichtung zwischen
den beweglichen Teilen, die Herstellung von richtigen Düsenformen für alle Stellungen
usw. zu erwähnen. Diese Schwierigkeiten werden noch vergrößert, wenn eine kontinuierliche
Querschnittsänderung erzielt werden soll, was für eine befriedigende Regelung unerläßlich
ist.
-
Ferner erfordert im allgemeinen die Betätigung der mechanischen Regelteile
erhebliche Kräfte, was häufig zu unerwünschten langen Ansprechzeiten führt.
-
Bei einem weiteren bekannten Regelsystem weist die Düse keine beweglichen
Teile auf, und die Veränderung des Nutzquerschnitts erfolgt durch eine aerodynamische
Einschnürung des Hauptstrahls; die durch Einspritzung eines mehr oder weniger quer
zum Hauptstrahl gerichteten Hilfsstrahls erhalten wird.
-
Dieses System weist den Vorteil auf, daß es kein in den heißen Gasen
bewegtes Teil enthält, da ja die Ouerschnittsänderung durch eine Regelung der Zufuhr
eines Druckmittels erfolgt. Außerdem wird die selbsttätige Regelung des Querschnitts
in Abhängigkeit von den Änderungen der Betriebsbedingungen (Langsamlauf, Beschleunigung,
Umgebungstemperatur,
Fahrgeschwindigkeit) durch die geringe für
die Betätigung des Ventils zur Regelung des Hilfsstrahls erforderliche Energie vereinfacht,
wobei die Ansprechzeiten einer derartigen Regelart sehr klein oder praktisch Null
sein können.
-
Dieses System setzt allerdings voraus, daß ein Druckmittel zur Verfügung
steht, welches im allgemeinen Luft ist, die auf der Druckseite des Verdichters je
nach der zu erzielenden Querschnittsänderung in mehr oder weniger großer Menge entnommen
wird.
-
Das in der Querrichtung oder im Gegenstrom eingespritzte Druckmittel
erzeugt dann eine Einschnürung des Strahls und gestattet die Erzielung bedeutender
Veränderungen des Nutzquerschnitts mit Luftmengen, welche sehr viel kleiner als
die sind, tvelche zur Erzielung der gleichen Querschnittsänderung durch Einspritzung
eines Druckmittels parallel zu dem Strahl, d. h. praktisch durch einfache Mischung
erforderlich wären. Als Beispiel sei angegeben, daß es bei Entnahme einer Luftmenge
auf der Druckseite des Verdichters, welche größenordnungsmäßig nur 2°/o der gesamten
Fördermenge beträgt, möglich ist, Verringerungen des Austrittsquerschnitts des Turbostrahltriebwerks
in der Größe von 15,1/o zu erzielen.
-
Es zeigt sich jedoch, daß die durch Luftentnahme auf der Druckseite
des Verdichters erzielte O_uerschnittsänderung keineswegs zu der entnommenen Luftmenge
proportional ist und daß zwar die Entnahme um so kleiner ist, je geringer die Querschnittsänderung
ist, aber erheblich schneller zunimmt als die erhaltene Ouerschnittsänderung. Wenn
man z. B. von den obigen Werten ausgeht und die Querschnittsänderung verdoppeln
will, muß die Luftentnahme erheblich mehr als verdoppelt werden.
-
Nun kann bekanntlich der Unterschied des mittleren Nutzquerschnitts
zwischen dem Arbeiten eines Turbostrahltriebwerks ohne Nachverbrennung und dem Arbeiten
des gleichen Turbostrahltriebwerks mit angezündeter Nachverbrennung größenordnungsmäßig
40-% betragen. Andererseits kann man auf der Druckseite des Luftverdichters eines
Turbostrahltriebwerks keine großen Luftmengen entnehmen, ohne seine spezifische
Leistung wesentlich zu verringern, und außerdem ist diese Entnahme keineswegs konstant,
sondern mit den Betriebsbedingungen veränderlich.
-
Der Kernpunkt der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Erkenntnis,
daß man bei der Regelung des Düsenquerschnittes die Vorteile des bekannten Systems
zur aerodynamischen Strahleinschnürung durch Quereinspritzung eines Strömungsmittels
und die Vorteile des bekannten Systems der Strahleinschnürung mit mechanischen Mitteln
unter Ausschluß der diesen Systemen anhaftenden Nachteile kombinieren kann. Diese
Kombination ist besonders bei mit einer Nachverbrennungsanlage versehenen Turbostrahltriebwerken
vorteilhaft.
-
Erfindungsgemäß wird daher ein Teil der Querschnittsänderung der Düse
in an sich bekannter Weise mechanisch mit Hilfe von beweglichen Teilen hergestellt,
während ein anderer Teil in an sich bekannter Weise aerodynamisch durch einen Hilfsstrahl
hergestellt wird, welcher durch eine oder mehrere mit einem Druckgas gespeiste,
bekannte Blasdüsen erzeugt wird.
-
Die aerodynamische Regelung durch einen Hilfsstrahl kann sowohl vorgenommen
werden, wenn sich die beweglichen Teile der mechanischen Regelvorrichtung in der
Stellung der größten Öffnung befinden, was im allgemeinen der Regelung des Querschnitts
der Düse beim Betrieb mit Nachverbrennung entspricht, als auch wenn sich die beweglichen
Teile der mechanischen Regelvorrichtung in der Stellung der kleinsten Öffnung, d.
h. der Schließstellung, befinden, und zwar beim Betrieb ohne Nachverbrennung.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Vornahme der Regelung
durch die Einswirkung von mechanischen beweglichen Teilen oder durch aerodynamische
Einschnürung oder beide gleichzeitig.
-
Bei dieser Vorrichtung können die mechanischen Teile an sich bekannte
schwenkbare Klappen sein, welche nur zwei Benutzungsstellen haben, nämlich eine
Stellung der vollen Öffnung, welche für die Betriebszustände mit Nachverbrennung
benutzt wird, bei welchen die Metallteile der Einwirkung des Gasstroms entzogen
sind, wobei dann der Nutzquerschnitt der Düse durch den Durchmesser der Austrittsöffnung
des festen Teils derselben bestimmt wird, und eine dem Betriebszustand ohne Nachverbrennung
entsprechende Schließungsstellung, in welcher sich die Klappen mit ihren Rändern
aneinanderlegen, eine dichte Verlängerung des festen Teils der Düse bilden und eine
kreisförmige Austrittsöffnung bestimmen.
-
Wenn die Benutzung der Klappen auf beiden obigen Stellungen beschränkt
ist, braucht man sich offenbar nicht mehr um die Herstellung einer Abdichtung zwischen
den Klappen in Zwischenstellungen zu kümmern, wie dies bei Vorrichtungen der Fall
ist, bei welchen die Regelung des Querschnitts dadurch erhalten wird, daß die Klappen
mehr oder weniger auseinandergespreizt oder einander genähert werden, so daß sich
zwischen ihren Kanten ein Schlitz mit veränderlichen Abmessungen ergibt. Die Steuerung
der Klappen kann auch in an sich bekannter Weise in Verbindung mit der Steuerung
einer Nachverbrennungsanlage erfolgen, während die Blasdüsen zur Regelung für einen
Hilfsstrahl durch die Regelvorrichtung des Triebwerks gesteuert werden.
-
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die
Einschnürungsblasdüsen an den an sich bekannten beweglichen mechanischen Teilen
angeordnet, und zwar vorzugsweise in der Nähe des Endes derselben, so daß die durch
diese Blasdüsen erzeugte aerodynamische Einschnürungswirkung zu der mechanischen
Querschnittsverringerung durch die beweglichen Teile hinzutritt.
-
Bei einer anderen Ausführungsform dieser Vorrichtung wird diese aerodynamische
Einschnürung mit Hilfe von zwei Blasdüsen erhalten, welche in an sich bekannter
Weise diametral an der festen Hauptdüse angebracht sind und einander entgegengesetzte
Strahlen erzeugen.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist der feste Endteil
der Hauptdüse in an sich bekannter Weise eine Einschnürungsblasdüse zur Veränderung
des vollen Querschnitts der Hauptdüse auf, wobei dann- die mechanischen Teile voll
geöffnet sind. In diesem Fall wird zweckmäßig die Blasdüse so vorgesehen, däß sie
am Umfang der Hauptdüse vor den mechanischen Teilen liegt, so daß dann der Einschnürungsstrahl
zusätzlich die heißen Gase von den mechanischen Teilen fernhält und so diese in
der Nachverbrennungsperiode gegen eine Berührung mit diesen Gasen schützt.
-
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.
-
Fig. 1 ist eine teilweise längs der Linie I-I der Fig. 2 geschnittene
Ansicht des Endes einer mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ausgerüsteten Düse;
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der
Linie II-II der Fig. 1; Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung
mit aerodynamischen Einschnürungen durch zwei diametral einander gegenüberliegende,
an der Hauptdüse vorgesehene Blasdüsen; Fig. 5 zeigt eine dritte besonders vorteilhafte
Ausführungsform, bei welcher die Hauptdüse am Umfang eine Einschnürungsblasdüse
trägt, welche die mechanischen Teile während der Nachverbrennung schützt.
-
Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist die Düse 1 eines
Turbostrahltriebwerks, von welcher angenommen ist, daß sie mit einer Nachverbrennungsanlage
versehen ist, mit einer Vorrichtung zur Regelung ihres Querschnittes ausgerüstet,
welche zwei Klappen 2 in Form von Kugelsegmenten der unter dem Namen Augenlidklappen
bekannten Bauart enthält. Diese Klappen sind um parallele Achsen 3 schwenkbar, welche
in der Nähe eines Durchmessers der Hauptdüse liegen. Ein entsprechender Druckzylinder
4, welcher mit den Klappen 2 auf beliebige geeignete Weise verbunden ist, z. B.
mit Hilfe von Lenkern 5, gestattet die Betätigung derselben. Die Klappen können
nur zwei Stellungen haben, nämlich eine (in der Zeichnung dargestellte) Schließungsstellung
und eine Öffnungsstellung, in welcher sie in den Raum zwischen der festen Abschlußwand
1 der Düse und einer äußeren Verkleidung 6 zurücktreten.
-
Die Klappen 2 weisen Schlitze 7 sowie Sammelleitungen 8 auf, welche
mit einer Druckgasquelle verbunden sind, z. B. dem nicht dargestellten Luftverdichter
des Triebwerks. Die Speisung der Sammelleitung 8 mit Druckluft erfolgt z. B. über
eine Leitung mit einem an den Achsen 3 der Klappen schwenkbaren beweglichen Teil
9 und einem festen Teil 10, welcher mit einem Ventil 11 versehen ist, das selbsttätig
von der Regelvorrichtung des Strahltriebwerks betätigt werden kann.
-
Die obige Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Im normalen Betrieb
ohne Nachverbrennung befinden sich die Klappen in ihrer in der Zeichnung dargestellten
Schließungsstellung, in welcher den Gasen ein verringerter Querschnitt zur Verfügung
steht. Wenn dann die Sammelleitungen 8 mit Druckluft gespeist werden, bilden die
Schlitze 7 einen Gasschleier, welcher eine Verringerung des Nutzquerschnitts bewirkt,
welche so zu der durch die Klappen 2 erzeugten mechanischen Verringerung des Querschnitts
kommt.
-
Das durch die Regelvorrichtung des Strahltriebwerks gesteuerte Ventil
11 gestattet die Regelung der Druckluftmenge und somit der Größe der Querdurch aerodynamische
Einschnürung.
-
Bei Inbetriebnahme der Nachverbrennung werden die Klappen 2 vollständig
geöffnet und eingezogen, so daß den Gasen der größte Querschnitt der Düse zur Verfügung
steht. Die Öffnung der Klappen 2 kann zweckmäßig mit der Steuerung der Inbetriebnahme
der Nachverbrennung kombiniert werden. Die Speisung der Sammelleitungen 8 gestattet
dann, in einem gewissen Maße diesen den Gasen dargebotenen vollen Querschnitt zu
verringern, wenn dies gewünscht wird.
-
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführung, bei welcher die Düse mit
zylindrischen Klappen 2', sogenannten »Backen«, ebenfalls bekannter Bauart ausgerüstet
ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die aerodynamische Einschnürung durch zwei
diametral gegenüberliegende Blasdüsen 12-12, welche einander entgegengesetzte Strahlen
erzeugen, welche eine Verringerung des Nutzquerschnitts durch Erzeugung einer diametralen
Strömungsmittelsperre bewirken.
-
Wie bei dem vorhergehenden Fall kann der Einschnürungsstrahl in der
einen oder anderen der beiden Stellungen der Klappen 2' zur Wirkung gebracht werden,
wobei dann die Einschnürungswirkung zu der durch die Klappen bewirkten mechanischen
Verringerung hinzukommt, wenn sich die Klappen in der Schließungsstellung befinden,
oder allein auftritt, wenn die Klappen vollständig offen sind.
-
Bei der Ausführungsform der Fig. S weist der Endabschnitt der Hauptdüse
1 eine Blasdüse 13 in Form eines strömungsaufwärts zu geneigten Schlitzes auf. Dieser
Schlitz steht mit einer ringförmigen Sammelleitung 14 in Verbindung, welche mit
Druckluft gespeist wird, die am Verdichter oder der Hauptverbrennungskammer des
Turbostrahltriebwerks entnommen und durch eine mit einem Ventil 16 versehene Leitung
15 zugeführt wird.
-
Um die Düse 1 herum sind in ihrer Verlängerung die Regelklappen 17
üblicher Bauart angebracht, welche um diametrale, nahe beieinanderliegende Achsen
18 schwenkbar sind, wobei jede Klappe einen zylindrischen oder konischen Endabschnitt
17a hat, welcher sich an ein Kugelsegment 17b anschließt, das auf einer die Sammelleitung
14 umgebenden, in Form einer Kugelzone ausgebildeten Auflagefläche 19 gleitet. Es
können auch mehr als zwei Klappen vorhanden sein, und die Klappen können andere
Formen haben.
-
Die Klappen werden synchron durch eine beliebige geeignete Vorrichtung
betätigt, z. B. durch elektrische oder hydraulische Druckzylinder 20, und gestatten
die Veränderung des dem aus der Düse 1 austretenden Gasstrom zur Verfügung stehenden
Nutzquerschnitts.
-
Jede Klappe 17 weist in der Nähe ihres Endes eine Blasdüse 22 auf,
welche mit einer Kammer 23 in Verbindung steht, die in der Wand der Klappe angeordnet
und mit der Druckluftquelle durch eine entsprechende biegsame oder schwenkbare Verbindung
24 und eine mit einem Ventil 26 versehene Rohrleitung 25 verbunden ist.
-
Die obige Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Beim normalen Betrieb
ohne Nachverbrennung befinden sich die Klappen 17 in der Schließungsstellung (oberer
Teil der Fig. 5). Wie oben bereits ausgeführt, bilden sie dann eine dichte Verlängerung
des Ausstoßkanals 1, und der den Treibgasen zur Verfügung stehende verringerte Querschnitt
ist gleich dem Querschnitt der kreisförmigen bffnung 21.
-
Dieser Querschnitt kann durch aerodynamische Einschnürung weiter verringert
werden, indem man das die Blasdüsen 22 mit Druckluft versorgende Ventil 26 öffnet.
Die Blasdüsen bilden dann einen strömungsaufwärts geneigten ringförmigen Strahl,
welcher schematisch durch den gestrichelten Linienzug s1 dargestellt ist. Diese
aerodynamische Einschnürungswirkung kann durch eine mehr oder weniger große Öffnung
des Ventils 26 verändert werden, wobei der kleinste Querschnitt der Hauptdüse erhalten
wird, wenn das Ventil 26 vollständig offen ist.
-
Die Steuerung des Ventils 26 erfolgt vorzugsweise selbsttätig durch
eine nicht dargestellte Regelvorrichtung, welche die Flugbedingungen (z. B. die
Geschwindigkeit des Fahrwindes, die Höhe, die Temperatur der Außenluft) berücksichtigt.
-
Bei der Entzündung der Brenner der Nachverbrennung werden die Klappen
17 weit geöffnet (unterer Teil der Fig. 5) und haben auf die Regelung der Düse keinen
Einfluß mehr. Der dem Triebgasstrom
dargebotene Querschnitt ist
dann der Querschnitt der Öffnung 12 der Düse, d. h. ein Querschnitt, welcher erheblich
größer als der der Öffnung 21 ist.
-
Wie bei der Öffnung 21 kann der Nutzquerschnitt der Öffnung 12 durch
aerodynamische Einschnürung mittels der Blasdüse 13 verkleinert werden, indem man
das Speiseventil 16 mehr oder weniger öffnet, welches, wie das Ventil 26, von der
Regelvorrichtung gesteuert werden kann.
-
Die Blasdüse 13 erzeugt dann einen Einschnürungsstrahl (gestrichelter
Linienzug s2), welcher den Nutzquerschnitt der Öffnung 12 verkleinert.
-
Diese Ausbildung gestattet ebenfalls, bei gleicher Gesamtänderung
des Nutzquerschnitts der Hauptdüse, die an dem Triebzyklus zu entnehmende Luftmenge
gegenüber der bei Düsen mit reiner aerodynamischer Einschnürung erforderlichen zu
verringern.
-
Sie bietet ferner folgenden Vorteil: Während der Nachverbrennung gestattet
der aus der an dem Umfang der Hauptdüse liegenden Blasdüse 13 austretende Hilfsstrahl
zu verhindern, daß die sehr heißen Gase mit den Klappen 17 in Berührung kommen,
wodurch die Korrosion dieser Klappen vermieden wird, welche häufig in diesem Betriebszustand
beobachtet wird.
-
Wenn die Blasdüse 22 der Klappen und die Notwendigkeit der Speisung
derselben eine zu große Komplikation bilden, kann die Blasdüse 22 fortgelassen und
nur die Blasdüse 13 beibehalten werden, wobei dann die Klappen so ausgebildet werden,
daß ihre Stellung, in welcher sie sich aneinanderlegen, den kleinsten Nutzquerschnitt
außerhalb der Nachverbrennungszeit ergibt, wobei dann die größeren Querschnitte
durch mehr oder weniger große Öffnung der Klappen erhalten werden.