DE1250744B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

G Oil; G 01 ρ
Deutsche Kl.: 62 b - 37/02

Nummer: 1 250 744

Aktenzeichen: H54841XI/62b

Anmeldetag: 13. Januar 1965

Auslegetag: 21. September 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Feststellung der Lage einer stehenden Stoßwelle an einem überschallbeströmten Körper, insbesondere an einem Lufteinlaß oder einem Gasauslaß eines Strahltriebwerkes, und zur Beeinflussung einer Steuereinrichtung, die die Strömung in solchem Sinn verändert, daß sich die Stoßwelle in einer gewünschten Lage zu halten sucht. .

Es ist bekannt, den Druck der durch den Lufteinlaß eines Flugzeugtriebwerkes strömenden Luft zu messen, um die Lage einer stehenden Stoßwelle in der Luft, in oder benachbart zum Lufteinlaß, festzustellen und die Luftströmung durch den Lufteinlaß gemäß dieser Druckmessung zu steuern, um die Stoßwelle in einer festen Lage gegenüber dem Lufteinlaß zu halten und dadurch eine vorbestimmte Luftströmung nach dem Triebwerk hin aufrechtzuerhalten.

Die Anbringung von Druckfühlern in Überschallströmungskanälen ist wegen des erhöhten Luftwiderstands und wegen der erforderlichen Wandler, die den Druck in elektrisch oder elektronische Meßwerte umformen, ungünstig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lage einer Stoßwelle auf einfachere Weise sicher festzustellen, ohne in den betreffenden Strömungsverlauf mit großem Strömungswiderstand behaftete Meß- und Wandlerglieder einbauen zu müssen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung aus Temperaturmeßgeraten besteht. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Vorhandensein einer Stoßwelle in der Luft Diskontinuitäten nicht nur des Drucks, sondern auch bezüglich der Temperatur der Luft bewirkt, wobei auch die Temperaturänderungen relativ abrupt in der Nachbarschaft der Stoßwelle auftreten und somit die Lage der Stoßwelle zu fixieren und damit auch zu verlagern gestatten. Als Temperaturfühler können winzige Meßglieder benutzt werden, die mit hoher Genauigkeit die Temperatur des strömenden Mediums zu messen gestatten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens drei Temperaturmeßgeräte bzw. -fühler vorgesehen, von denen bei gewünschter Lage der Stoßwelle wenigstens ein Meßgerät vor der Stoßwelle, ein weiteres in der Stoßwelle und wenigstens ein weiteres hinter der Stoßwelle angeordnet ist, so daß eine Abweichung von der gewünschten Lage schnell und sicher erkennbar wird, gleichgültig nach welcher Seite die Stoßwelle auswandert. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung die Signale der vorderen und hinteren Temperaturmeßgeräte mit dem Meßeinrichtung zur Feststellung der
Lage einer stehenden Stoßwelle an einem
überschallbeströmten Körper

Anmelder:

Hawker Siddeley Dynamics Limited,
Hatfield, Hertfordshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Dipl.-Ing. G. Koch
und Dr. T. Haibach, Patentanwälte,
München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

Leslie Bullock, Ware, Hertfordshire

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 14. Januar 1964 (1621)

Signal des mittleren Temperaturmeßgerätes vergleichen und jede Abweichung vom Normalzustand feststellen und bei Abweichung entsprechende Vorkehrungen treffen, die den Ursprungszustand, d. h. die gewünschte Lage der Stoßwelle, wiederherstellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Längsschnitt einen Einlaßkanal eines Strahltriebwerks, durch welchen Luft aus der Atmosphäre einem Flugzeugtriebwerk zugeführt wird, das unter Überschallbedingungen fliegen kann.

Der Kanal 1 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, jedoch kann dieser Querschnitt auch anders geformt sein. Durch das Einlaßende 2 des Kanals tritt Luft von der Atmosphäre ein, die, wie aus der Zeichnung ersichtlich, in einem Winkel von ungefähr 45° eingefangen wird. Diese Luft strömt durch den Kanal von links nach rechts gemäß der Zeichnung nach dem Auslaßende 3 des Kanals. Die das Auslaßende 3 des Kanals erreichende Luft tritt in den Kompressor 12 des Triebwerkes ein, jedoch kann ein Teil der Luft, welche das Einlaßende 2 des Kanals passiert, über eine Öffnung mit veränderbarem Öffnungsquerschnitt, die in dem Kanal vorgesehen ist, entweichen. Diese Öffnung kann irgend-

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eine geeignete Form aufweisen, und sie ist in der Zeichnung in Gestalt einer um eine Achse 5 schwenkbaren Klappe 4 dargestellt, die in der Nähe des Auslaßendes 3 des Kanals angeordnet ist.

Wenn das betreffende Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt oder mit einer Geschwindigkeit, die nahe der Überschallgeschwindigkeit ist, kann die Luftströmung in den Kanal hinein und durch diesen hindurch und demgemäß die Strömungsgeschwindigkeit nach dem Triebwerk wenigstens teilweise Überschallgeschwindigkeit erreichen. Hierunter wird jene Geschwindigkit gegenüber dem Kanal verstanden, bei welcher wenigstens einige Teile der Luft in der Nachbarschaft des Kanals die Schallgeschwindigkeit in jenen Abschnitten der Luft erreichen oder überschreiten, wobei die physikalischen Parameter jener Anteile berücksichtigt sind. Wo derartige Überschallbedingungen auftreten, kann die Luftströmung so sein, daß wenigstens eine stehende Stoßwelle in der Luft in der Nähe des Kanals oder innerhalb des Kanals aufgebaut wird. Die Natur einer solchen Stoßwelle ist noch nicht völlig erforscht. Es steht jedoch fest, daß die Anwesenheit einer Stoßwelle in der Luft von Diskontinuitäten gewisser physikalischer Parameter in der Luft begleitet wird, insbesondere bezüglich des Drucks und der Temperatur der Luft, wobei eine Änderung verhältnismäßig abrupt in der Nachbarschaft der Stoßwelle auftritt. Der Ausdruck »stehende« Stoßwelle wird in diesem Zusammenhang zur Bezeichnung einer Stoßwelle benutzt, die nicht durch den Kanal fortschreitet, deren Lage gegenüber dem Kanal sich jedoch als Funktion der Luftströmung relativ zu dem Kanal ändern kann.

Demgemäß kann sich, wenn sich das betreffende Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit oder einer der Schallgeschwindigkeit angenäherten Geschwindigkeit bewegt, wenigstens eine stehende Stoßwelle innerhalb des Kanals und bzw. oder benachbart dazu ausbilden. Es hat sich gezeigt, daß die Lage einer solchen Stoßwelle eine Funktion der Luftströmung relativ zu dem Kanal ist, und zwar insbesondere eine Funktion der Luftströmung von dem Auslaßende 3 des Kanals nach dem Kompressor 12 des Triebwerkes. Demgemäß ist es möglich, eine erwünschte Luftströmung vom Auslaßende 3 des Kanals nach dem Kompressor des Triebwerkes aufrechtzuerhalten, indem die Lage der stehenden Stoßwelle relativ zu dem Kanal festgehalten wird.

Im einzelnen wird bei dem betreffenden Flugzeug Luft vom Auslaßende 3 des Kanals 1 nach dem Kompressor 12 des Gasturbinentriebwerkes des Flugzeuges geführt, und es ist erforderlich, zu gewährleisten, daß die Luftströmung beim Eintritt in den Kompressor 12 eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit hat, damit der Wirkungsgrad des Triebwerkes dadurch nicht reduziert wird. Dies kann, wie sich gezeigt hat, dadurch erreicht werden, daß die Lage der stehenden Stoßwelle relativ zu dem Kanal konstant gehalten wird.

Wenn das betreffende Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt oder mit einer Geschwindigkeit, die nahe an der Schallgeschwindigkeit liegt, zeigt es sich, daß bei einem typischen Fall die Luftströmung im Bereich des Einlaßendes 2 des Kanals 1 im Überschallbereich liegt und daß zahlreiche stehende Stoßwellen in diesem Bereich aufgebaut werden. Die Lage einer solchen stehenden Stoßwelle ist durch die strichlierte Linie 6 angedeutet. Diese spezielle Stoßwelle erstreckt sich, wie experimentell gefunden wurde, über das Einlaßende des Kanals 1 an der angegebenen Stelle, wenn die Luftströmung vom Auslaßende 3 des Kanals nach dem Triebwerk den erwünschten Verlauf hat und derart ausgebildet ist, daß die Luftströmung, die den Einlaß des Kompressors des Gasturbinentriebwerkes erreicht, nicht im Uberschallgebiet liegt.
Wenn die Luftströmung vom Auslaßende 3 des

ίο Kanals von diesem erwünschten Strömungsverlauf abweicht, hat es sich gezeigt, daß die Lage der durch die strichlierte Linie 6 angedeuteten Stoßwelle sich ändert. Es wurde gefunden, daß eine solche Änderung durch die Winkelbewegung der strichlierten Linie 6 um den Anlenkpunkt 7 dargestellt werden kann, wobei diese Achse 7 quer durch die obere Fläche 8 des Kanals senkrecht zur Zeichenebene verläuft.

Gemäß der Erfindung sind drei temperaturempfindliche Elemente 9, 10 und 11 in einer Reihe längs des Kanals 1 angeordnet. Diese Reihe verläuft quer zu der erwünschten Stellung 6 der stehenden Stoßwelle und in Strömungsrichtung im Bereich dieser Stellung 6. Die Elemente 9, 10 und 11 können z. B., benachbart zu der einen oder anderen Seitenfläche des Kanals, derart angeordnet werden, daß sie nach dem Mittelpunkt des Kanals vorstehen.

Jedes temperaturempfindliche Element liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das eine Funktion der Lufttemperatur an der Stelle ist, an der das betreffende Element angeordnet ist. Demgemäß spricht das Element 9 auf die Temperatur der Luft stromoberseitig der gewünschten Stellung 6 der stehenden Stoßwelle an und das Element 11 spricht auf die Lufttemperatur stromunterseitig der gewünschten Stellung 6 an. Das Element 10 ist im wesentlichen innerhalb der gewünschten Stellung 6 angeordnet und spricht auf die Luftemperatur an der für die Stoßwelle gewünschten Stelle an. Demgemäß zeigt der Ausgang des Elementes 11 dann, wenn die Stoßwelle sich an der gewünschten Stelle 6 befindet, eine höhere Temperatur als das Element 9 an, während der Ausgang des Elementes 10 eine Temperatur anzeigt, die zwischen diesen beiden Temperaturen liegt. Um die Luftströmung durch den Kanal 1 gemäß der Stellung der stehenden Stoßwelle zu steuern, werden die elektrischen Ausgangssignale der temperaturempfindlichen Elemente 9 und 10 einer den Durchschnitt bildenden Stufe 13 bekannter Art zugeführt. Diese Stufe 13 liefert an ihrem Ausgang ein elektrisches Ausgangssignal, das eine Funktion der mittleren Temperatur ist, die von den Elementen 9 und 11 angezeigt wird. Dieses elektrische Ausgangssignal wird dem einen Eingang einer mit drei Eingängen versehenen Differenzierungsstufe 14 bekannter Art zugeführt. Das elektrische Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elementes 10 wird einem weiteren Eingang der Differenzierungsstufe 14 zugeführt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Ausgang der Differenzierungsstufe 14 ein Fehlersignal ist, dessen Größe bzw. Richtungssinn den Grad und die Richtung jeglicher Abweichung der stehenden Stoßwelle von der Lage 6 anzeigt. Dieses Fehlersignal wird durch einen Verstärker 15 verstärkt und dann einem Motor 16 zugeführt, der gemäß dem verstärkten Fehlersignal die Entlüftungsöffnung 4 öffnet oder schließt und dadurch die Änderung der Luftströmung durch den Kanal 1 in dem Sinn zu verändern sucht, daß die stehende Stoßwelle in die Stel-

lung 6 zurückgeführt wird. Der Motor 16 kann beliebig gestaltet sein, und er kann z. B. ein elektromechanischer oder ein elektrohydraulischer Motor sein.

Um das System zu stabilisieren, wird der Ausgang des Verstärkers 15 ebenfalls über eine Gegenkopplungsleitung 17 bekannter Form nach dem dritten Eingang der Differenzierungsstufe 14 zurückgeführt. Die Gegenkopplungsleitung 17 kann eine einfache proportionale Rückkopplung (d. h. eine Lagerückführung) oder eine Kombination einer proportionalen und einer geschwindigkeitsabhängigen Rückführung sein (d. h. eine Kombination einer Positions- und Geschwindigkeitsrückführung); in jedem Fall kann die Anordnung hierfür in an sich bekannter Weise gestaltet werden.

Es wird angenommen, daß die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung klar hervorgeht. Kurz gesagt, arbeitet die Anordnung wie folgt: Wenn die Luftströmung vom Auslaßende 3 des Kanals 1 nach dem Kompressor in einem Sinn von dem erwünschten Strömungsverlauf abweicht, dann weicht die stehende Stoßwelle von der gewünschten Stellung 6 ab und sucht sich in den Kanal 1 zurückzuziehen. Die durch das Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elementes 10 angezeigte Temperatur wird daher niedriger. Die Steuereinrichtung spricht auf diese Änderung in dem Ausgangssignal derart an, daß die Öffnung 4 geschlossen wird. Dieser Vorgang hat zur Folge, daß sowohl die Stoßwelle in die erwünschte Stellung 6 zurückkehrt und außerdem die nach dem Kompressor strömende Luft wiederum den gewünschten Verlauf nimmt. Umgekehrt sucht sich die stehende Stoßwelle, wenn die nach dem Kompressor strömende Luft im entgegengesetzten Sinn von dem erwünschten Strömungsverlauf abweicht, in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, und dem wird automatisch durch die Steuerschaltung entgegengewirkt, so daß die gewünschte Lage 6 wiederhergestellt wird und der Strömungsverlauf nach dem Kompressor hin wieder die erwünschte Form annimmt.

Es ist bekannt, den Druck der durch den Lufteinlaß eines Flugzeugtriebwerkes strömenden Luft zu messen, um die Lage einer stehenden Stoßwelle in der Luft oder in der Nähe des Lufteinlasses zu bestimmen und die Strömung der Luft durch den Lufteinlaß gemäß dieser Druckmessung zu steuern, um die Stoßwelle an einer erwünschten festen Stelle relativ zum Lufteinlaß zu halten und dadurch eine vorbestimmte Luftströmung nach dem Triebwerk hin aufrechtzuerhalten. Die Nachteile dieser Anordnung liegen zunächst darin, daß die druckempfindlichen Elemente verhältnismäßig groß im Vergleich mit temperaturempfindlichen Elementen sind. Demgemäß kann im allgemeinen nur ein druckempfindliches Element in den Lufteinlaß eingeführt werden, während eine größere Zahl kleinerer temperaturempfindlicher Elemente eingefügt werden kann, die die Möglichkeit einer größeren Empfindlichkeit gegenüber Abweichungen der Stoßwelle von der gewünschten festen Lage liefern. Ferner können Temperaturdifferenzen leichter abgenommen werden als Druckdifferenzen. Drittens liefern die temperaturempfindlichen Elemente elektrische Ausgangssignale, die der Steuereinrichtung mit verhältnismäßig geringer Zeitverzögerung im Vergleich mit der Zeitverzögerung zugeführt werden können, die eine Druckmessung mit sich bringt.
Die Erfindung kann auch auf die Steuerung der

ίο Abgasströmung von einem Flugzeugtriebwerk und durch die Abgasleitung in die Atmosphäre gemäß einer stehenden Stoßwelle in dieser Strömung angewendet werden.
Allgemein kann jede geeignete Zahl temperaturempfindlicher Elemente benutzt werden, um auf Änderungen einer stehenden Stoßwelle von einer erwünschten Lage anzusprechen. Die temperaturempfindlichen Elemente sind vorzugsweise in wenigstens einer Reihe angeordnet, wobei jede Reihe sich über die gewünschte Stellung der Stoßwelle und in Strömungsrichtung des betreffenden Gases erstreckt und wobei eines der Elemente in jeder Reihe vorzugsweise gerade in der gewünschten Stellung der Stoßwelle angeordnet ist.

Die Erfindung ist nicht auf Fälle beschränkt, wo die Steuereinrichtung eine Öffnung 4 beeinflußt, oder auf Einrichtungen, bei welchen allgemein eine variable Öffnung gesteuert wird, durch die Luft in die Atmosphäre austreten kann, sondern es kann jede geeignete Anordnung vorgesehen werden, die eine geeignete Modifizierung der betreffenden Gasströmung gegenüber dem betreffenden Körper ermöglicht.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung zur Feststellung der Lage einer stehenden Stoßwelle an einem überschallbeströmten Körper, insbesondere an einem Lufteinlaß oder einem Gasauslaß eines Strahltriebwerkes, und zur Beeinflussung einer Steuereinrichtung, die die Strömung in solchem Sinn verändert, daß sich die Stoßwelle in einer gewünschten Lage zu halten sucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung aus Temperaturmeßgeräten (9,10,11) besteht.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Temperaturmeßgeräte vorgesehen sind, von denen bei gewünschter Lage der Stoßwelle wenigstens ein Meßgerät (9) vor der Stoßwelle, ein weiteres in der Stoßwelle und wenigstens ein weiteres hinter der Stoßwelle angeordnet ist.

3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßgeräte in einer Reihe in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.

4. Körper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Signale der vorderen und hinteren Temperaturmeßgeräte mit dem Signal des mittleren Temperaturmeßgeräts vergleicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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