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Umströmter Quertriebskörper mit Beeinflussung der Zirkulation durch
Ausblasen eines Luftstromes Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des umströmten
Quertriebskörpers mit Beeinflussung der Zirkulation um diesen herum durch Ausblasen
eines breiten, flachen Luftstromes, der über Rückschlagventile durch den Nebenstromverdichter
einer Mehrzahl von Gasturbinen-Düsentriebwerken der Nebenstrombauart an eine Gemeinschaftsleitung
geliefert wird, wobei die Triebwerke ihre Turbinenauspuffgasströme durch einzelne
nach rückwärts gerichtete Düsenöffnungen und Luft durch eine Hilfsdüsenöffnung als
Antriebsströme ausstoßen, mit Einrichtungen zum Verringern des Ausblasequerschnitts
des Luftstromes von den Verdichtern her auf einen Wert, der der Triebwerksleistung
nach Ausfall eines bestimmten Teils der Triebwerke angepaßt ist, nach Patent
1153 262.
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Wie im Hauptpatent erläutert, ist die kombinierte Fläche der breiten
flachen Klappendüsen und der Hilfsdüsen dem Betrieb aller vier Triebwerke beim Auslegedruckverhältnis
angepaßt, während die Fläche der Klappendüsen allein nur drei Triebwerken angepaßt
ist. Beim Starten und Landen ist die Hilfsdüse geschlossen, so daß die Triebwerke
gezwungen sind, in einem nicht dem Sollwert entsprechenden Nebenschluß- bzw. Druckverhältnis
und einer leicht verminderten Leistung zu arbeiten. Sollte ein Triebwerk ausfallen,
so stellen sich die übrigen Triebwerke selbsttätig auf ihr Auslegenebenschlußverhältnis
ein, und weil die dann zur Verfügung stehende Düsenfläche drei Triebwerken angepaßt
ist, so ergibt sich daraus ein Betrieb mit höchstem Wirkungsgrad bzw. mit höchster
Leistung.
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Es wird weiterhin im Hauptpatent ausgeführt, daß das Schließen der
Hilfsdüse beim Betrieb aller Triebwerke ein Arbeiten des Nebenschlußkompressors
dichter an der Pumpgrenze zur Folge hat, und es mag sein, daß in einigen Fällen
der Sicherheitsspielraum nicht ausreichen wird.
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Wenn also die Hilfsdüse geschlossen wird und alle Triebwerke in Betrieb
sind, können die Nebenstromkompressoren plötzlich Unterdruck oder Druckanstiegen
ausgesetzt sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den umströmten Quertriebskörper des
Hauptpatentes in der Weise zu verbessern, daß die Düsenaustrittsflächen dem Betrieb
der zur Verfügung stehenden Triebwerke bei iLrem ausgelegten Nebenstromverhältnis
angepaßt und die Gefahr, daß ein Pumpzustand auftritt, verhindert wird und somit
die dadurch auftretenden schwerwiegenden Folgen beim Starten und Landen ausgeschaltet
werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Rückschlagventile
mit der Hilfsdüsenöffnung so in Wirkverbindung stehen, daß die Düsenöffnung sich
bei Schließen eines der Rückschlagventile schließt.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
schematischen Zeichnungen ausführlicher erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 eine
Draufsicht auf ein »Strahlenklappen«-Luftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 2 eine schematische Ansicht der Triebwerke, der Strahldüsen und des zugeordneten
Leistungssystems des Luftfahrzeugs gemäß F i g. 1, F i g. 3 im Schnitt an der Linie
111-11l in F i g. 1 den hinteren Teil des Luftfahrzeugflügels, während F i g. 4
eine schematische Ansicht der Wirkverbindungen zwischen den Rückschlagventilen und
der Hilfsdüse gemäß F i g. 2 wiedergibt.
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Das Luftfahrzeug gemäß F i g. 1 weist einen Rumpf 1, zwei gegenüberliegende
Flügel 2 und ein Rumpfende mit dem üblichen Leitwerk auf. Die
Flügel
2 haben eine kleine hintere Flügelkantenklappe 5, die sich vorzugsweise über den
größeren Teil der Flügelspannweite und nach Möglichkeit über die gesamte Flügelspannweite,
d. h. so weit wie möglich vom Rumpf bis zur Flügelspitze, entsprechend den Konstruktionserfordernissen
erstreckt. Das Luftfahrzeug ist mit vier Gasturbinen-Düsentriebwerken 6 ausgerüstet,
die in Hülsen am Heck des Luftfahrzeugs, und zwar je zwei an einer Rumpfseite, angebracht
sind.
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Wie aus F i g. 2 hervorgeht, bestehen die Triebwerke 6 aus Zwillings-Zweistrom-Triebwerken
und weisen einen Niederdruck- oder Nebenschlußkompressor 11, einen Hochdruckkompressor
12, eine Verbrennungseinrichtung13 ünd eine Turbinenanlage 14 auf, welche Bauteile
in dieser Reihenfolge in Richtung von vorn nach hinten angeordnet sind, wobei die
Turbinenanlage zwei mechanische unabhängige Rotoren oder Läufer 15 und 16 aufweist,
die so eingerichtet sind, daß sie die Kompressorläufer mit Hilfe von gleichachsigen
Wellen 17 und 18 antreiben. Der Niederdruckkompressor 11 ist so eingerichtet, daß
er Luft aus der Atmosphäre durch eine Einlaßöffnung 19 am vorderen Ende der umschließenden
Hülse bzw. Zelle ansaugt, während der Auslaß dieses Kompressors radial in zwei koaxiale
Ringkanäle unterteilt ist, von denen der innere Kanal mit dem Einlaß des Hochdruckkompressors
12 verbunden ist, der wiederum mit dem Einlaß der Verbrennungseinrichtung in Verbindung
steht. Die Verbrennungseinrichtung ist so angeordnet, daß die Verbrennungsgase durch
die Turbine in ein Düsenrohr 20 ausgeblasen werden, das nach einer Schubdüse 21
am hinteren Ende der Hülse zum Ausstoß eines Düsenschubstroms nach hinten führt.
Diese Düse, die nachstehend als »Hauptdüse« bezeichnet wird, hat die übliche Form,
d. h., sie hat im allgemeinen, im Gegensatz zu den länglichen Düsenklappen, die
später erwähnt werden, runde Formen und ist so angeordnet, daß sie frei von den
Flügeln und anderen Flugzeugteilen (d. h., ohne diese zu beeinflussen) ausbläst.
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Es ist bei Zwei-Strom-Triebwerken allgemein üblich, den Außenkanal
des Nebenstrom-Kompressorauslasses an eine ringförmige Nebenleitung anzuschließen,
die den Hochdruckkompressor sowie die Verbrennungseinrichtung und die Turbinenanlage
umgibt, wohindurch ein Teil der Luft des Zwei-Strom-Kompressors geführt wird, so
daß er als Schubdüsenstrom austritt, der den Strom der Turbinenauspuffgase umgibt
oder damit vermischt ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch nur ein Teil
der Zweitstromes der Triebwerke mit dem Turbinenauspuffgas ausgelassen. Daher ist
der vorerwähnte äußere Kanal am Auslaß des Zwei-Strom-Kompressors 11 bei jedem Triebwerk
in zwei koaxiale Ringkanäle unterteilt, wobei der innere der beiden in eine Nebenleitung
22 mündet, die, wie erwähnt, am stromabwärts gelegenen Ende in das Düsenrohr 20
mündet. Der äußere der beiden Kanäle ist über eine Spirale 23 od. dgl. und eine
Leitung 24 mit einem Kanal 25 verbunden, der sich längs des Rumpfes erstreckt (s.
auch F i g. 1). Dieser Kanal ist allen vier Triebwerken gemeinsam, so daß die Zweitluftströme
der vier Triebwerke darin vereinigt werden. Die Leitung 24 der einzelnen
Triebwerke nach dem Kanal 25 weist ein Rückschlagventil 26 auf, um eine rückwärts
gerichtete Strömung nach dem Triebwerk zu verhindern. Die gemeinsame Leitung ist
am vorderen Ende mit Verteilerrohren 27 verbunden, die sich über die Spannweite
des Flügels 2 erstrecken. Die Verteilerrohre sind wiederum über entsprechend geformte
Abzweigrohre 28 mit breiten, flachen, nach hinten gerichteten Düsen 29 verbunden,
die sich über die Spannweite des Flügels erstrecken. Die Düsen in jedem Flügel sind
an den Enden im wesentlichen abgerundet und längs der Flügel ineinander übergehend
in einem solchen Ausmaß angeordnet, daß die zusammengefaßten Zweitluftströme über
die Oberfläche der Flügelklappe 5 als breite, flache, sich über die Spannweite erstreckende
Schichten ausgeblasen werden (s. F i g. 3). Diese Schichten wirken als Strahlklappen,
welche eine Änderung der aerodynamischen Druckverteilung um den Flügel herum sowie
eine Erhöhung des Flügelauftriebs bewirken. Durch Drehen der Klappen um ihre Drehachsen
30 können die Strahlschichten nach oben und unten abgelenkt werden und die Steuerung
des Luftfahrzeugs bewirken. Die Düsen 29 werden im nachfolgenden als »Strahlklappendüsen«
bezeichnet.
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Am Kanal 25 befindet sich am hinteren Ende eine weitere Abzweigung
31, die in einer kleinen, nach hinten gerichteten Hilfsdüse 32 am hinteren äußersten
Ende des Rumpfes endet (s. F i g. 1). Diese Düse kann, wie gestrichelt dargestellt,
mit Hilfe von Klappen 33 oder durch irgendeine äquivalente Einrichtung, wie beispielsweise
ein Ventil in der Abzweigung 31, geschlossen werden.
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Es zunächst darauf hingewiesen, daß nur etwa ein Viertel bis ein Drittel
der Schubkraft der Triebwerke in den Luftstrom übergeht, welcher nach den Strahlklappendüsen
29 und nach der Hilfsdüse 32 übermittelt wird. Im Falle von Triebwerken mit einem
Nebenschlußverhältnis von 2 kann beispielsweise etwa die Hälfte des abgeleiteten
Luftstroms dem Kanal 25 zugeführt werden. Die Strömungsfläche, die sich durch die
Strahlklappendüsen 29 zusammen mit der Hilfsdüse 32 ergibt, ist (soweit wie möglich)
der Wirkungsweise der vier Triebwerke bei dem Auslege-Druckverhältnis angepaßt,
während die Strömungsfläche der Klappendüsen 29 allein ebenso der Wirkungsweise
von nur drei Triebwerken bei dem Auslege-Druckverhältnis angepaßt ist. Im Idealfall
bedeutet dies, daß die gesamte Strömungsfläche der Strahlklappendüsen 29 das Dreifache
der Strömungsfläche der Hilfsdüse beträgt, und im allgemeinen verhalten sich die
Flächen der Strahlklappendüsen und der Hilfsdüse bei einer Anzahl von n Triebwerken
wie n-1:1. In der Praxis muß in jedem Fall eine Abweichung von diesem idealen Verhältnis
vorhanden sein, die die Verluste in der Leitung, welche zu den Düsen führt, berücksichtigt.
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Die soweit beschriebene Einrichtung ist die gleiche wie in dem Hauptpatent.
Jedoch ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verbindung zwischen den Rückschlagventilen
26 und der Hilfsstrahldüse 32 vorgesehen, derart, daß die Düse geschlossen wird,
wenn irgendeines der Rückschlagventile schließt. Die Verbindung kann in verschiedenen
Formen vorhanden sein, und eine Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Jedes Rückschlagventil
besteht aus einem Paar von Klappen 41, die an ihren stromaufwärts gelegenen Enden
scharnierartig verbunden sind und normalerweise durch Strömung in der Leitung 24
zusammengehalten werden. Die Klappen stehen unter Federspannung, so daß sie sich
spreizen und die Leitung
schließen, wenn die Strömung in dieser
abnimmt, um eine Gegenströmung zu verhindern. Ein solches Ventil ist in der britischen
Patentschrift 758269 beschrieben. Eine der Klappen ist an einer Spindel angebracht,
die einen Schaltarm 42 trägt, welcher so angeordnet ist, daß durch die Bewegung
der Klappe in die Geschlossenstellung ein Kontaktpaar 43 geschlossen wird. Für jedes
Rückschlagventil ist ein Kontaktpaar43 vorgesehen, und diese Kontakte sind parallel
zueinander geschaltet, und zwar in einem elektrischen Steuerkreis mit einer elektrischen
Betätigungsvorrichtung44, die über eine Transmission 45 mit den Klappen 33 zum Schließen
der Düse 32 in Verbindung steht.
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Unter normalen Bedingungen, wenn alle vier Triebwerke arbeiten und
die Hilfsdüse geöffnet ist, arbeiten die Triebwerke bei ihrem Auslege-Druckverhältnis
mit höchstem Wirkungsgrad. Sollte ein Triebwerk ausfallen, so haben die übrigen
Triebwerke das Bestreben, ihr Druck- bzw. Nebenschlußverhältnis für den Betrieb
mit stark vermindertem Wirkungsgrad einzuregeln. Jedoch führt das Aufhören der Strömung
in der Leitung 24 des untätigen Triebwerks zum Schließen des Rückschlagventils 26,
welches das Schließen der zugehörigen Kontakte bewirkt - siehe linkes Rückschlagventil
und Kontakte in F i g. 4 -, wodurch die Betätigungsvorrichtung 44 die Hilfsdüse
32 schließt, so daß die verminderte Strömungsfläche für das Ausblasen der Nebenschlußströme
den übrigen drei Triebwerken angepaßt und der Betrieb bei Auslege-Druckverhältnis
mit höchstem Wirkungsgrad aufrechterhalten wird. Es wird natürlich die Drei-Triebwerk-Ausführung
des Luftfahrzeuges gewählt, um die Mindestanforderungen, beispiels beim Starten,
im Falle eines konventionellen Luftfahrzeuges zu erfüllen.
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Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei der beschriebenen Anordnung
die Hilfsdüse beim Starten und Landen offengehalten wird, und man vertraut der beschriebenen
Zwischenverbindung, um den Ausfall eines Triebwerks gewachsen zu sein. Dies steht
im Gegensatz zur Anordnung gemäß dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 24439 XI/62b).
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Ein weiterer Schalter 46 ist mit den Kontakten 43 parallel geschaltet,
wodurch die Betätigungsvorrichtung 44 betätigt werden kann, um die Hilfsdüse unabhängig
vom Schließen der Rückschlagventile zu schließen, z. B. durch die Bewegung einer
Steuervorrichtung durch den Piloten, um den Betrieb des Luftfahrzeuges in der im
Hauptpatent beschriebenen Weise zu gewährleisten. Es ist Vorsorge für das Umkehren
der Betätigungsvorrichtung 44 getroffen, um die Düse 32 zu öffnen, wenn die Kontakte
43 oder der Schalter 46 wieder geöffnet wird.
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Die Erfindung könnte auch bei einem Luftfahrzeug mit nur drei Triebwerken
verwendet werden, und sie wird in einem solchen Falle als besonders wertvoll betrachtet,
heil es, um dem Ausfall eines der drei Triebwerke bei Verwendung der Anordnung gemäß
dem Hauptpatent zu begegnen, vermutlich notwendig ist, einen weiten Spielraum zwischen
Betrieb und Pumpgrenze zu haben. Es sind natürlich auch mehr als vier Triebwerke
möglich, jedoch würden die Vorteile der vorliegenden Erfindung dann von untergeordneter
Bedeutung sein.
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Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck »Nebenschluß-Triebwerk«,
wie er hier verwendet wird, alle Gasturbinen-Triebwerke derjenigen Bauart umfaßt,
die zwei Ströme parallel erzeugen, wobei der eine Strom ein Luftstrom ist, der die
Verbrennungseinrichtung umgeht. Somit schließt die Erfindung die Verwendung von
Triebwerken mit rückwärts angebrachten Fächern oder Lüftern ein, die Schaufeln aufweisen,
welche an den Spitzen der Turbinenbeschaufelung angebracht sind und durch diese
angetrieben werden, wobei solche Triebwerke manchmal als »Triebwerke mit geführten
Lüftern« oder »Triebwerke mit Turbolüftern« bezeichnet werden.