-
Konvergent-divergente Schubdüse für Strahltriebwerke od. dgl. Die
Erfindung bezieht sich auf eine konvergentdivergente Schubdüse für Strahltriebwerke
od. dgl., deren divergenter Teil von einer Wand unter Ausbildung einer Speicherkammer
zwischen diesem Teil und der Wand umgeben ist, in welche in der divergenten Wand
vorgesehene Öffnungen münden.
-
Bei bekannten Schubdüsen der im vorstehenden beschriebenen Bauart
wird Luft durch sämtliche C)ffnungen von außen nach innen ins Düseninnere geblasen,
und bei einer von diesen bekannten Schubdüse soll dadurch der im divergenten Düsenteil
entstehende Unterdruck durch Luft aus dem Kompressor beseitigt werden.
-
Durch die Erfindung soll eine andere Aufgabe gelöst werden. Bei konvergent-divergenten
Schubdüsen, die gegenwärtig bei Strahltriebwerken für einen Überschallflug verwendet
werden, bewirkt der konvergente Schubdüsenteil eine Beschleunigung des ausgestoßenen
Gases bis zur Schallgeschwindigkeit, und der anschließende divergente Abschnitt
entspannt das Verbrennungsgas bei Überschallgeschwindigkeit. üblicherweise wird
der divergente Teil durch eine mechanische Wand gebildet, auf die das sich ausdehnende
Gas einen Rückdruck ausübt, womit der wirksame Schub des Triebwerks vergrößert wird.
Für einen leistungsfähigen Betrieb muß der Düsenaustrittsquerschnitt in einem bestimmten
Verhältnis zum Düsenhalsquerschnitt stehen. Da der Düsenaustrittsquerschnitt, der
für eine optimale Leistung erforderlich ist, sich mit der Flugzeuggeschwindigkeit
ändert, wird das vorbezeichnete Verhältnis üblicherweise derart bestimmt, daß bei
einer bestimmten Flugzeuggeschwindigkeit eine große Leistung vorhanden ist. Bei
außerhalb des Bereiches dieser Geschwindigkeiten, insbesondere bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten,
ist das Druckverhältnis an der Düse für eine volle Ausdehnung der ausgestoßenen
Gase bis zum Düsenausgang nicht groß genug. Die Gasströmung hebt sich dann von den
divergenten Wänden ab und geht mit einer Stoßwelle auf Unterschallgeschwindigkeit
zurück. Unter vielen Umständen, beispielsweise bei kleinen Divergenzwinkeln und
bei einer turbulenten oder instationären Eingangsströmung wird eine Instabilität
der aerodynamischen Strömung ausgelöst, und die axiale Lage der Stoßwelle schwankt.
Die Strömungsinstabilität führt zu einer harten Stoßbelastung der Düse, die zu einer
schnellen Zerstörung der mechanischen Teile der Düse führen kann. Das Stoßen bringt
auch Schubänderungen mit sich und die Schubachse des Triebwerks kann ihre Lage verändern,
so daß Steuerschwierigkeiten auftreten. Bei der bisherigen Auslegung von konvergent-divergenten
Schubdüsen war man immer bemüht, das Auftreten derartiger Stoßwellen tunlichst zu
vermeiden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisierungseinrichtung
zu schaffen, mit welcher der Betrieb von konvergent-divergenten Schubdüsen außerhalb
des Bereichs der Bezugsgeschwindigkeit stabilisiert werden kann.
-
Erfindungsgemäß verlaufen zur Stoßwellenstabilisierung innerhalb des
divergenten Düsenabschnittes durch einen Ausgleich des örtlichen statischen Druckes
zu beiden Seiten der Stoßwellenfront die Öffnungen in dem divergenten Düsenteil
in Längsrichtung zur Düse und weisen die Form von Perforationsreihen oder Längsschlitzen
auf.
-
Es wird also bei der Erfindung das Auftreten einer Stoßwelle in Kauf
genommen, wodurch die Auslegung der Schubdüse wesentlich einfacher ist, jedoch sind
Vorkehrungen getroffen worden, um die Stoßwelle zu stabilisieren. Bei der Untersuchung
von Überschallwindkanälen wurden bereits die Eigenschaften von mit Perforationen
versehenen Wandungen in Verbindung mit der Stabilisierung von Stoßwellen untersucht.
Diese Untersuchungen haben jedoch nicht zur Lösung der Probleme beigetragen, die
bei konvergent@divergenten Schubdüsen für Strahltriebwerke auftreten.
-
Bei einer Schubdüse mit veränderlicher Düsenfläche, bei der die Innen-
und Außenflächen der dreidimensionalen Schwenkklappen durch überlappende
Innen-
und Außendichtungen verbunden sind, können in vorteilhafter Weise die Öffnungen
in dem divergenten Teil der.Innendichtungen durch verkürzte oder perforierte Ausbildung
dieser Teile gebildet sein.
-
Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung
erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer festen konvergent-divergenten
Düse nach der Erfindung, F i g. 2 ein Diagramm der Verteilung des statischen Druckes
entlang der Düse der F i g. 1, F i g. 3 ein Diagramm der Machzahlverteilung entlang
der Düse der F i g. 1, F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer veränderlichen
konvergent-divergenten Ausstoßdüse nach der Erfindung, F i g. 5 eine Ansicht der
Düse nach F i g. 4 in ihrer offenen Stellung, F i g. 6 eine perspektivische Ansicht
in vergrößerter Darstellung eines Teiles der Düse nach F i g. 4, welche die Konstruktion
des Stabilisierungsschlitzes zeigt, F i g. 7 eine der F i g. 6 ähnliche perspektivische
Ansicht einer anderen Konstruktionsausführung und F i g. 8 eine perspektivische
Ansicht in vergrößerter Darstellung eines Teiles der Düse nach F i g. 4 in der geschlossenen
Stellung.
-
Die in F i g. 1 gezeigte, schematisch dargestellte konvergent-divergente
Düse weist einen konvergenten Abschnitt 10, welcher einen Hals 11 bildet, und einen
divergenten Abschnitt 12 auf, welcher den Austrittsquerschnitt 13 bestimmt.
Eine Wand 14 umgibt die Düse und bildet mit dem divergenten Abschnitt 12
einen Speicherraum, der zwischen diesen Teilen liegt.
-
Für eine reibungsfreie adiabate Expansion eines Gases in einer konvergent-divergenten
Düse, welche für den endgültigen Druck des Bereiches, in welchen die Düse ausstößt,
richtig bemessen ist, hat das über die Düsenlänge aufgetragene Verhältnis des statischen
Druckes die durch die Kurve x der F i g. 2 gezeigte Form. Eine Unterschallströmung
tritt stromauf des Halsabschnittes 11 auf, während eine Überschallströmung in dem
divergenten Stück 12 der Düse vorhanden ist.
-
Wenn der statische Druck des Bereiches, in welchen die Düse ausstößt,
allmählich über den Wert der Auslegungsgröße vergrößert wird, bilden sich zunächst
am Austritt 13 der Düse Stoßwellen, welchen eine Stoßwellenfront 15 folgt, die sich
entlang der Düse gegen den Hals 11 vorwärts bewegt. Dieser Zustand wird als Betrieb
mit Überexpansion bezeichnet. Wenn die Stoßwellenfront den Hals erreicht, verschwindet
isie, und gleichzeitig gehen alle überschallgeschwindigkeiten innerhalb der Düse
verloren. Die Kurven y und z der F i g. 2 zeigen die Verteilung des statischen Druckes
für zwei verschiedene Druckverhältnisse, welche einen überexpandierten Düsenbetrieb
hervorrufen. Die Größe des Druckanstieges, welcher die Stoßwellenfront begleitet,
ändert sich mit der Lage der Stoßwellenfront in der Düse, während der einer solchen
Stoßwellenfront folgende Strömungsprozeß ein Strömungsprozeß bei Unterschallkompressionen
ist.
-
Die F i g. 2 zeigt, wie sich die Verteilung des statischen Druckes
entlang der Düse mit dem Düsendruckverhältnis verändert. Wenn auch diese Kurven
in F i g. 2 auf eine Veränderung des Ausstoßdruckes als Ursache für eine axiale
Bewegung der Stoßwellenfront abgestellt sind, so ist doch klar, daß Änderungen des
Einlaßdruckes ebenfalls das Düsendruckverhältnis verändern und eine Verschiebung
der Lage der Stoßwellenfront bewirken können. Unregelmäßigkeiten im Triebwerkverbrennungsprozeß
rufen Störungen in der Düseneinströmung, im Druck und in der Temperatur hervor,
welche wiederum Schwankungen des Düsendruckverhältnisses und der Lage der Stoßwellenfront
im divergenten Abschnitt der überexpandierten Düse zur Folge haben.
-
Die F i g. 3 zeigt die Verteilung der Machzahl entlang der Düse. Diese
Verteilung hat den umgekehrten Verlauf wie die Verteilung des statischen Druckes
entlang der Düse. Die Kurve x gilt für vollständige Expansion, während die Kurven
y und z zwei Grade eines überexpandierten Düsenbetriebes wiedergeben. Eine grundsätzliche
Eigenschaft einer überschallströrnung zeigt sich bei einem Vergleich der F i g.
2 und 3 und besteht darin, daß ein örtlicher Abfall der Machzahl einen entsprechenden
Anstieg des örtlichen statischen Druckes zur Folge hat.
-
Zur Erläuterung der Art und Weise, wie durch die Erfindung die Strömung
in der überexpandierten konvergent-divergenten Düse stabilisiert wird, wird eine
Verkleinerung des Düsendruckverhältnisses und eine kleine Vorwärtswegung der Stoßwellenfront
15
betrachtet, die durch eine augenblickliche Störung in der Primärgaszufuhr
hervorgerufen sein kann. Die Vorwärtsbewegung der Stoßwellenfront verursacht eine
Verschiebung des Düsenbetriebes von der Kurve y auf die Kurve z der F i g. 2 und
3 und ruft einen Abfall der örtlichen Machzahl in jenen Bereich der Düse hervor,
wo sich die Front befindet. Dieser örtliche Abfall der Machzahl wird durch die Änderung
von A nach B in F i g. 3 wiedergegeben. Nun wächst der örtliche statische
Druck in der durch die Änderung von A nach B in F i g. 2 gezeigten
Weise. Diese Erfindung macht sich die Änderung des örtlichen statischen Druckes
zunutze, um die Lage der Stoßwellenfront zu stabilisieren, indem sich in Längsrichtung
erstreckende Öffnungen, beispielsweise die in F i g. 1 gezeigten Schlitze
16, um den Umfang des divergenten Abschnitts der Düse herum im Abstand angeordnet
werden. Die Schlitze 16 münden in den durch die Wände 12 und
14 gebildeten Speicherraum. Die Strömung durch ein jedes Teilstück eines
Schlitzes ist proportional dem Abfall des statischen Druckes an diesem Stück. Für
jeden Betriebszustand kann die Strömung durch ein jedes Teilstück als aus einer
konstanten Geschwindigkeit mit einem zusätzlichen schwankenden Anteil zusammengesetzt
werden, welcher durch Änderungen des örtlich statischen Druckes hervorgerufen wird.
Der Anstieg des statischen Druckes, welcher durch die Änderung von A nach
Bin F i g. 2 hervorgerufen wird, bewirkt eine Änderung der entsprechenden
Strömung durch die Teilstücke der Schlitze 16 in jenem Bereich der Düse, wo sich
die Stoßwellenfront befindet. Die Pfeile der F i g. 1 zeigen die schwankenden Anteile
der Strömung durch die Teile der Schlitze des Anstiegs des statischen Druckes bei
A-B. Diese Änderung der zusätzlichen Strömung entlastet den Anstieg des statischen
Druckes bei A-B, indem sie diesen zur stromauf gelegenen Seite der Stoßwellenfront
hin entweichen läßt, wodurch der Druckausgleich an der Stoßstellenfront wiederhergestellt
wird und die Faktoren, welche den Anstieg verursachen, kompeneiert
werden.
Dies bedeutet, daß die Bewegung der Stoßwellenfront zum Stillstand gebracht wird.
Die zusätzliche Strömung durch die Teile des Schitzes 16 schafft eine wirksame Dämpfung
und verursacht eine starke Verminderung der Schwankungen in Richtung und in Stärke
des Strahltriebwerkschubes.
-
Praktisch wird immer Kühlluft axial zwischen dem Hals 11 und der Wand
14 und radial durch den Schlitz 16 nach innen strömen. Demgemäß wird eine momentane
Änderung des statischen Drucks auf jeder Seite der Stoßwellenfront eine Änderung
der entsprechenden Strömung durch die Teilstücke .der Schlitze im Bereich der Stoßwellenfront
hervorrufen, um den Druckausgleich an der Stoßwellenfront wiederherzustellen.
-
Die Stabilisierungseinrichtung nach der Erfindung kann entweder bei
einer festen oder bei einer unveränderlichen konvergent-divergenten Ausstoßdüse
angewendet werden. Ein Beispiel dieser letztgenannten Düsenart ist in der F i g.
4 .der Zeichnung dargestellt. Bei dieser Konstruktion weist die Düse mehrere sich
axial erstreckende »Finger« 17 auf, die an dem einen Ende 18 an der stromab gelegenen
Kante des Triebwerkabgasrohres 19 schwenkbar befestigt sind. Die Finger sind dreidimensional
und haben innere und äußere Flächen 21 bzw. 22. Dichtungen 23 überspannen die Abstände
zwischen den Außenflächen 22 benachbarter Finger 17, um ein Entweichen von Gas zu
verhindern und eine glatte Düsenform zu schaffen. Die Abstände zwischen den Innenflächen
21 benachbarter Finger werden von Dichtungen 24 überspannt, damit ebenfalls ein
Entweichen von Gas verhindert wird und die Bildung der konvergenten und divergenten
Wände der Düse begünstigt wird. Bei dieser Formgebung werden die Stabilisierungsschlitze
25 dadurch gebildet, daß ein Teil bestimmter Dichtungen 24, wie in F i g. 5 gezeigt,
weggelassen wird.
-
In F i g. 6 ist die Anordnung und Ausbildung der Schlitze 25 in größeren
Einzelheiten gezeigt. Wie ersichtlich, ist der stromab gelegene Teil der Dichtung
24 weggelassen, welcher sich über den divergenten Abschnitt der Düse von dem Hals
zum Austritt erstreckt. Bei dieser Konstruktion wird im Innern der Finger 17 zwischen
den Flächen 22 und den Dichtungen 23 auf der Außenfläche und den Flächen
21
und den Dichtungen 24 an der Innenseite ein Speicherraum gebildet. Eine
andere Konstruktion ist in F i g. 7 gezeigt, bei welcher die Stabilisierungsöffnung
dadurch gebildet wird, daß der stromab gelegene Teil der Dichtung nicht, wie vorher,
weggelassen, sondern perforiert ist. Bei dieser Konstruktion ist die Dichtung 26
mit mehreren Perforationen 27 versehen, die entlang ihrer Länge zwischen dem Hals
und dem Austritt der Düse im Abstand angeordnet sind. Diese besondere Konstruktion
hat den Vorteil, daß durch die Dimensionierung und Anordnung der Perforationen die
Menge der Gasströmung, die durch die verschiedenen Teile der Dichtung austritt,
nach Wunsch gesteuert werden kann. Mit einer ähnlichen Steuerung kann man die Schlitze
16 der F i g. 1 versehen, indem ihre Abmessungen beispielsweise durcb ein spitzes
Zulaufen der Breite von einem Ende des Schlitzes zum anderen verändert werden. Die
Konfiguration nach F i g. 7, d. h. die Verwendung von im Abstand befindlichen Durchgängen
statt eines fortlaufenden Schlitjes, kann auch bei einer festen konvergent-divergenten
Düse, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, verwendet werden.
-
Was die F i g. 6 und 7 anbetrifft, hat die Erfindung den Vorteil,
daß die Öffnungen lediglich während Betriebszuständen maximaler Geschwindigkeit
freigelegt werden. Eine veränderliche konvergent-divergente Düse, wie sie in den
F i g. 4 und 5 gezeigt ist, ist gewöhnlich so konstruiert, daß die Finger bei Betriebszuständen
maximaler Geschwindigkeit wie gezeigt ausgefahren sind, um eine konvergent-divergente
Düse zu bilden. Bei Reiseflugbedingungen für einen Flug mit Unterschallgeschwindigkeit
sind die Finger so weit nach innen geklappt, daß sie eine konvergente Düse bilden.
Bei dem in F i g. 8 gezeigten letztgenannten Zustand stoßen die Kanten benachbarter
Finger zusammen, und die Stabilisierungsöffnungen sind überdeckt. Dadurch werden
ein jegliches Entweichen von Gas durch die Öffnungen und ein entsprechender Schubverlust
während Reiseflugbedingun,gen mit Unterschallgeschwindigkeit und mit rein konvergenter
Düse verhindert. Eine Strömungsinstabilität tritt ja dabei nicht auf.