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| Puisostrahltriebwerke sind für den Antrieb von |
| Flugzeugen, Flugkörpern oder Geschossen für Flug- |
| geschwindigkehen bis zu etwa 5190 km/h in zufrie- |
| denstellender Weise angewendet worden, jedoch er- |
| fahren diese Triebwerke bei höheren Fluggeschwin- |
| digkeiten einen sich rasch vergrößernden Leistungs- |
| verlust. lhr Nettoschub, x. h. die Antriebskraft, dir, |
| ,sie über ihre Verbindungen auf ein Luftfahrzeug zu |
| übertragen vermögen, nachdem sie ihren eigenen |
| Luftwiderstanrd .kompensiert haben, nimmt rasch ab |
| und erreicht bei einer Machzahl von etwa ü,7 den |
| Wert Null. |
| Es sind bereits verschiedene Lösungen vargüschla- |
| gen worden, um den Arbeitsbereich von mit pulsie- |
| render Verbrennung'arbeitenden Triebwerken in -las |
| Gebiet höher Fluggeschwindigkeiten auszudehnen. |
| Der Grandgedanke, dem #die Fachleute gefolgt |
| s'md, besteht in der Vereinigung der pulsierenden |
| Verbrennung mit einem -dauernden Floß, Tier durch |
| ein Staustrahltriebwerkgehäusevon allgemein @diver- |
| gent-konvergenter Form hindurchgehet. Ein Inneren |
| dieses ;Gehäuses sind :ein oder mehrere `mit periodi- |
| scher Verbrennung arbeitende Triebwerke, meistens |
| Pulsostrahltriebwerk-e finit =oder ohne mechanischen |
| LufteinlAvent'ilen angeordnet.- Die Wirkung des |
| divergierenden Teiles des Gehäuses besteht darin, :den |
| eintretenden Luftstrom zu verlangsamen und die im |
| Inneren des Gehäuses angeordneten Pulsostraiütrieb- |
| werke in einer künstlichen .A'trnosphäre arbeiten zu |
| Massen, die eine geringere StrömungsgeschwindigkEt |
| :und einen Näheren statischen Druck als der -äußere |
| Flugwind hat. |
| Diesem vie'lversprechenden theoretischen Schema |
| stellen sich jedoch unglücklicherweise in' der Praxis |
| ungünstige Wirkungen entgegen. In .erster Linie wird |
| ,das Arbeiten .eines Pulsostra'hltrie'bwerk,(,s rdurch das |
| Vorhandensein von es umgebenden Wandungen ver- |
| schlechtert, und dies ist darauf zurückzuführen, -daß |
| StOBwellen gleichzeitig am Eingang und am Ausgang |
| -des Pulsostrahltrieb-verkes auftraten. Diese :Sto13- |
| wbllen werden unterteilt und reflektiert rund inter- |
| ferieren -in - komplexer Weise in .der `Strömung, die |
| -zwischen dem Pülsosträhltriebwerk und seinem Ge- |
| häuse ents'te'ht. Sie überlagern sich außerdem mit den |
| `Stoßwellen, .die .durch -die nachfolgenden Arbeits- |
| zyld en erzeugt werden, so daß schließlich die ge- |
| nannte .Strömung sich !betrechtlich von ihrem idealen |
| stationären Charakter entfernt. |
| Wenn insbesondere die Strömung in -der stromauf- |
| wärts liegenden Zone einer solchen Antiiebseinrich- |
| 'tatng, -d. h. 2n #dem vorderen Gehäuseteil, :betrachtet |
| wird, fier einen I3iffusur bildet rund --vordem Pülso- |
| Strahltriebwerk liegt, dann :ergibt .sich bekanntlich, |
| ,daß die von dem Pulsostrahltriebwerk hervorgerufe- |
| nen Dias kschwingungen, falls sie sich bis zur Ein- |
| trittsöffnung des Diffmorsfortpflanzen, eine beträcht- |
| fche Verminderung Tier Wirksamkeit ,der Umwand- |
| lung der kinetischen Energie in Druck herbeiführen |
| und infolgedessen ;den Wirkungsgrad des :thermo- |
| dynamischen Kreislaufes oder Antriebseinrichtung sehr |
| machteilig beeinflussen können. |
| Es -sei bemerkt, daß die Erscheinungen uerschie- |
| -derer Art -sind, je nachdem ob ,das verwendete Pulso- |
| -strahl'.triebwerk mechanische Lu£teinlaßventile - |
| weist oder nicht. Im 1~'a11 eines Pulsostrahltiiebwerkes |
| mit mechanischem Lufteinlaßvenbl sind die Erschei- |
| nungen verhältnismäßig einfach, und die Druck- |
| schwingungen heben eine mäßige Amplitude. Da- |
| gegen wird 1m Fall eines Z'ulsostTähltriebwerkes -ohne |
| mechanisches LuftEnlaßventil oder mit seinem so- |
| ,genannten uerrodynamhchen Ventil die Kraft der auf- |
| tretenden ßwedle durch die -Querschniitsverrnin- |
| ,derung, die im allgemeinen :zwischen der :pulsierend |
| arbeitenden Brennkammer und ihrer Lufteinlaß- |
| Seitung vorhanden äst, beträchtlich ;erhöht. 'Überdies |
| folgt auf ;die -Ankunft der -Stoßwelle an ;der Eintritts- |
| öffnung die Erscheinung eines Rückflusses von |
| :heißen en, die aus der Brennkammer in Strom- |
| .auf wäTtsrich ung durch das La£teinläßrohr hindurch- |
| strömen. |
Die Erfindung betrifft ein Pulsostrahltriebwerk für Fluggeschwindigkeiten
im Unterschall- oder übergangsbereich, bei dem die Brennkammer mit einer stromauf
angeordneten Lufteinlaßleitung versehen ist, vor deren vorderen Einlaßöffnung ein
Eintrittsdiffusor angeordnet ist.
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Zweck der Erfindung ist, ein Pulsostrahltriebwerk der vorgenannten
Art derart auszubilden, daß einerseits die oben geschilderten nachteiligen Wirkungen
von Stoßwellen und deren Reflexion nicht auftreten und andererseits ein guter Wirkungsgrad
bei höheren Fluggeschwindigkeiten erhalten wird.
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Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Pulsostrahltriebwerk der vorgenannten
Art dadurch erreicht, daß der Eintrittsdiffusor sich an seinen beiden Enden zur
Atmosphäre öffnet und daß sein Hinterende in der Ebene der vorderen Öffnung der
Lufteinlaßleitung der Brennkammer oder geringfügig stromab dieser Ebene liegt.
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Es ist ein Staustrahltriebwerk für überschallgeschwindigkeiten bekannt,
bei welchem dem unmittelbar mit der- Brennkammer verbundenen Eintrittsdiffusor ein
koaxialer Stabilisierungsring vorgeschaltet ist. Bei einem solchen Staustrahltriebwerk,
das sich in seiner Ausbildung und Arbeitsweise von einem Pulsostrahltriebwerk grundlegend
unterscheidet, sind die Schwierigkeiten nicht -vorhanden, die bei einem Pulsostrahltriebwerk
bei hohen Fluggeschwindigkeiten bis in den übergangsbereich auftreten und durch
die vorliegende Erfindung behoben sind.
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Gemäß einem -weiteren Merkmal der Erfindung bildet die Lufteiniaßleitung
der Brennkammer ein sogenanntes aerodynamisches Ventil, durch welches hindurch die
aus dereBrennkammer periodisch ausgestoßenen Verbrennungsgase stromaufwärts aus
der vorderen Öffnung irl den Diffusor strömen.
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Bei einer besoüderen Ausführungsform der Erfindung enthält der Eintrittsdiffusor
ein zentrales Rohr, dessen stromabseitiges Ende nahe der vorderen öffnung der ein
aerodynamisches Ventil bildenden Lufteinlaßleitung der Brennkammer liegt, so daß
es die aus der Lufteinlaßleitung periodisch ausgestoßenen Verbrennungsgase aufnimmt,
wobei das strom aufseitige Ende des'Rohres mit einer Ausstoßöffnung in Verbindung
steht, die stromabwärts gerichtet ist und in oder nahe der Ebene des Hinterendes
des Eintrittsdiffusors liegt. Bei dieser Ausführungsform stellen das und die mit
seinem stromaufseitigen Ende verbundene Ausstoßöffnung eine mit dem Diffusoi zusammengebaute
Energierückgewinnungsvorrichtung dar. Es ist zwar eine Energierückgewinnungsvohichtung
für intermittierende Strahltriebwerke bekannt, jedoch bildet sie bei der bekannten
Anordnung keinen einheitlichen Teil eines Lufteintrittsdiffusors: ' Bei der zuletzt
genannten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausstoßöffnung vorteilhaft ringförmig
und umgibt das Hinterende des Eintrittsdiffusors. Dabei kann die Verbindung der
ringförmigen Ausstoßöffnung mit dem zentralen Rohr über einen den Diffusor umgebenden
Ringraum und hohle radiale Profilarme erfolgen: Die Erfindung wird nachstehend an
Hand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch den vorderen Teil
eines Pulsostrahltriebwerkes gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist ein ähnlicher Schnitt
durch eine andere Ausführungsform; F i g. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform.
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Bei der in F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsform ist nur der vordere
Teil der pulsierend arbeitenden Brennkammer 1 dargestellt, die mit einer stromauf
angeordneten Lufteinlaßleitung 2 versehen ist, welche kein mechanisches Ventil aufweist.
Vor der vorderen Einlaßöffnung 5 der Lufteinlaßleitung 2 der Brennkammer ist ein
koaxialer Eintrittsdiffusor 3 angeordnet, der an seinem vorderen Ende
4 Luft aufnimmt, die dann in dem in Stromabwärtsrichtung divergierenden Diffusor
eine allmähliche Verlangsamung mit einer gleichlaufenden Erhöhung ihres Druckes
bis in die Zone erfährt, wo sich die Einlaßöffnung 5 der Lufteinlaßleitung 2 der
Brennkammer des Pulsostrahltriebwerkes befindet.
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Gemäß der grundlegenden technischen Besonderheit der Erfindung liegt
das Hinterende 6 des an beiden Enden zur Atmosphäre offenen Eintrittsdiffusors in
der Ebene der vorderen Einlaßöffnung 5 der Lufteinlaßleitung 2 des Pulsostrahltriebwerkes
oder geringfügig stromab dieser Ebene, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist. Das Pulsostrahltriebwerk
ist somit nach vorn durch den Eintrittsdiffusor 3 verlängert, der eine profilierte
Außenform hat und sich an die theoretische Linie anschließt, welche den Meridian
des von der Brennkammer 1 gebildeten Umdrehungskörpers darstellt, aber in unmittelbarer
Nähe der vorderen Öffnung 5 'der Lufteinlaßleitung 2 der Brennkammer 1 eine Unterbrechung
aufweist. -Am Hinterende 6 des Diffusors 3 ist somit eine ringförmige und
konzentrisch zur vorderen Öffnung 5 der Lufteinlaßleitung 2 des Pulsostrahltriebwerkes
liegende Auslaßöffnung gebildet.
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Der Eintrittsdiffusor 3 ist in irgendeiner zweckentsprechenden Weise
beispielsweise mittels profilierter radialer Arme 7 mit der Lufteinlaßleitung
2 des Pulsostrahltriebwerkes fest verbunden.
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Die hohe Wirksamkeit der Umwandlung der kinetischen Energie der eintretenden
Luft in Druck ist bekanntlich wesentlich für den Flug mit großer Geschwindigkeit.
Diese hohe Wirksamkeit kann nur unter der Bedingung erreicht werden, daß die aus
der Brennkammer 1 periodisch nach vom ausgesandten Stoßwellen (die im Fall eines
Pulsostrahltriebwerkes ohne mechanische Ventile auf Grund ihres Durchganges durch
den verengten Querschnitt der Lufteinlaßleitung 2 verstärkt werden) in der im Inneren
des Diffusors 3 vorhandenen Strömung nicht bis zum Vorderende 4 des Diffusors vorwärts
wandern können.
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Wenn die Erscheinungen betrachtet werden, die in der Strömung auftreten,
welche durch die Wandungen im Bereich der Öffnung 5 der Lufteinlaßleitung 2 begrenzt
ist, dann ist festzustellen, daß die mit der Verbrennung verknüpfte .sehr rasche
Druckerhöhung die Bildung einer Stoßwelle hervorruft, die durch die Lufteinlaßleitung
2 hindurchgeht und in den Diffusor 3 eindringt, wo sie sich in eine erste Stoßwelle,
die gegen das Vorderende 4 des Diffusors 3 wandert, und eine zweite
Stoßwelle unterteilt, die gegen das Hinterende 6 des Diffusors 3 wandert.
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Diese Stoßwellen erfahren ebenso wie Entspannungswellen eines zur
Atmosphäre offenen Kanals eine Reflexion. Eine solche Reflexion erfolgt daher in
Höhe der Ausgangsöffnung am Hinterende
6 des Diffusors 3 für die
stiomabwärts wandernde zweite Stoßwelle fast augenblicklich nach ihrer Bildung.
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Die sich daraus ergebende Entspannungswelle wandert dann mit Schallgeschwindigkeit
stromaufwärts, und vereinigt sich wieder mit der ersten Stoßwelle, die sich weiter
gegen das Vorderende 4 des Diffusors 3 fortpflanzt, wobei ihr Druckverhältnis allmählich
herabgesetzt wird, bis ihre Wirkung praktisch aufgehoben wird. Dieses Ergebnis wird
sogar mit einem Diffusor von verhältnismäßig kurzer Länge erhalten, und zwar wegen
des sehr beschränkten Weges, den die stromabwärts wandernde zweite Stoßwelle durchlaufen
muß, um die Reflexionsebene an der Auslaßöffnung am Hinterende 6 des Diffusors
zu erreichen.
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Die Tatsache, daß eine mit Schallgeschwindigkeit wandernde Entspannungswelle
eine mit überschallgeschwindigkeit wandernde Stoßwelle wieder einholt, stellt nur
scheinbar ein Paradoxon dar. Tatsächlich hat die Stoßwelle 17berschallgeschwindigkeit
mit Bezug auf ihren Stromaufwärtszustand und die Entspannungswelle Schallgeschwindigkeit
mit Bezug auf ihren Stromaufwärtszustand, der im Raum zum Stromabwärtszustand der
ersten Stoßwelle wird. Wenn der Stromabwärtszustand der ersten Stoßwelle eine höhere
Temperatur als ihr Stromaufwärtszustand hat, dann ist dort die Schallgeschwindigkeit
im Verhältnis der Quadratwurzel des Verhältnisses der absoluten Temperaturen größer.
Dies ist die Erklärung dafür, daß die erste Stoßwelle von der Entspannungswelle,
die sich aus der Reflexion der zweiten Stoßwelle ergibt, allmählich wieder überdeckt
wird.
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In einfacher Weise ausgedrückt, kann gesagt werden, daß, wenn die
Stoßwelle mit Bezug auf ihren Stromaufwärtszustand überschallgeschwindigkeit hat,
sie mit Bezug auf ihren Stromabwärtszustand Unterschallgeschwindigkeit hat. Es ist
daher durchaus möglich, daß sie sich mit einer Entspannungswelle, die mit Bezug
auf ihren Stromabwärtszustand Schallgeschwindigkeit hat, wieder vereinigt.
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Bei der in F i g. 2 wiedergegebenen Ausführungsform ist der Eintrittsdiffusor
3 doppelwandig ausgebildet, so daß zwischen der Außenwand 8 und der Innenwand
9 ein ringförmiger Raum gebildet ist. Der Diffusor enthält ein zentrales
Rohr 10, dessen Eingangsöffnung 11 der Eingangsöffnung 5 der Lufteinlaßleitung
2 der Brennkammer 1 gegenüberliegt. Dieses zylindrische oder schwach
konische Rohr 10
verläuft koaxial zu der Lufteinlaßleitung 2, und sein
Querschnitt kann. kleiner als der der Lufteinlaßleitung 2 sein. Das Innere des zentralen
Rohres 10 steht mit dem Ringraum zwischen der Außenwand 8
und der Innenwand
9 des Diffusors 3 über profilierte hohle Arme 12 in Verbindung, die stromab
des Vorderendes des Diffusors angeordnet sind. Das zentrale Rohr 10 ist vorn durch
einen .spitzbogenförmigen Teil 13 verschlossen, der aus dem Vorderende
4 des Diffusors 3 herausragen kann.
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Der Strom heißer Verbrennungsgase, der bei jeder Verpuffung aus der
Brennkammer 1 durch deren Lufteinlaßleitung 2 hindurch nach vorn ausgestoßen
wird, wird in dem zentralen Rohr 10 gesammelt,. wo er das Austreten einer
Resonanzerscheinung hervorruft. Die Gase strömen dann in den Ringraum zwischen den
Wänden 8 und 9 und entweichen zur Atmosphäre durch eine stromabwärts gerichtete
ringförmige Ausstoßöffnung 14, die nahe der Ebene des Hinterendes 6 des Diffusors
3 liegt und dieses Diffusorende umgibt.
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Bei dieser Ausführungsform nimmt der Querschnitt des ringförmigen
Raumes zwischen dem zentralen Rohr 10 und der Innenwand 9 des Diffusors von vorn
nach hinten allmählich zu, um den eintretenden Luftstrom zu verlangsamen und seinen
Druck zu erhöhen. Die Größe der ringförmigen Gasausstoßöffnung 14 ist eine
solche, daß ihre Querschnittfläche gleich der oder etwas größer ist als die der
Eingangsöffnung 11 des zentralen Rohres 10, das vorzugsweise mit einem
abgerundeten Rand 11 a versehen ist.
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Die in F i g. 3 veranschaulichte Ausführungsform, die sich insbesondere
für den Flug im Bereich der übergangsgeschwindigkeiten eignet, . unterscheidet sich
von derjenigen gemäß F i g: 1 darin, daß der Diffusor 3 im vorderen Teil einen zentralen
Umdrehungskörper 15 enthält, der mit der Wandung des Diffusors durch profilierte
Arme 16 verbunden ist. In diesem Fall ist die Öffnung am Vorderende
4
des Diffusors von einer scharfen Kante 17 begrenzt.
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Der Umdrehungskörper 15 kann einen vorderen konischen Teil
15 a aufweisen, der mit seiner Spitze aus dem Vorderende
4 des Diffusors herausragt und an seiner Basis mit einem stromlinienförmigen
Teil 15 b verbunden ist, dessen nach hinten weisende Spitze
auf der Achse des Umdrehungskörpers in einem bestimmten Abstand stromauf der Öffnung
5
der Lufteinlaßleitung 2 der Brennkammer liegt. Zwischen dem konischen
Teil 15 a und dem stromlinienförmigen Teil 15 b kann
ein zylindrischer Teil zwischengefügt sein.
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Der zentrale Körper 15 könnte auch einen vorderen konischen
Teil aufweisen, auf den ein oder mehrere kegelstumpfförmige Teile folgen, von denen
sich jeder mit seiner kleinen Basis an die große Basis des ihm vorangehenden Teiles
anschließt. Ferner könnte der zentrale Körper 15 auch aus einem kontinuierlich gekrümmten
Profilteil mit zugespitztem Anströmrand bestehen, derart, daß bei der für das Triebwerk
vorgesehenen Fluggeschwindigkeit die von dem zentralen Körper ausgehenden konischen
Machwellen gegen die scharfe Kante 17 der Öffnung 4
am Vorderende des
Diffusors konvergieren: