DE1300037B

DE1300037B - Gasauslass, insbesondere zur Auftriebserzeugung bei Flugzeugen

Info

Publication number: DE1300037B
Application number: DEU13726A
Authority: DE
Inventors: Markowski Stanley Joseph
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-04-12
Filing date: 1967-03-31
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3380661A; FR1519221A; DE1481676A1; SE304182B; GB1173467A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasauslaß, der insbesondere zur Auftriebserzeugung bei Flugzeugen bestimmt ist.
Der Senkrecht- oder Kurzstart bei Flugzeugen bzw. die Senkrechtlandung oder die Landung auf verkürzter Rollbahn erfordern bei strahlgetriebenen Flugzeugen, sofern keine besonderen Hubtriebwerke verwandt werden sollen, eine Umlenkung des Gasstrahles nach unten. Hierbei treten mehrere Probleme auf. Es muß vermieden werden, daß das Triebwerk stehenbleibt. Der Gasstrahl muß auch nach seiner Ablenkung eine hohe Geschwindigkeit beibehalten, da nur dadurch ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet wird. Gewicht und Volumen der konstruktiven Teile müssen auf ein Minimum beschränkt sein. Weiter treten Kühlprobleme auf. Die Kühlung soll vorzugsweise ohne zusätzlichen Energieaufwand erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasauslaß insbesondere zur Auftriebserzeugung bei Flugzeugen so auszubilden, daß der Gasstrahl bei einem Minimum an zusätzlichem Gewicht und Volumen, mit einer nur minimalen Herabsetzung seiner Strömungsgeschwindigkeit und ohne daß besondere Kühlprobleme auftreten, nach unten abgelenkt wird. Weiter soll sich der Auftrieb derart steuern lassen, daß der Übergang vom Horizontal- zum Vertikalschub allmählich erfolgt.
In der Auslegeschrift 1035 487 wird eine Strahldüse für Flugzeuge mit einer Einrichtung zur Strahlumlenkung beschrieben, bei der eine Vielzahl von Einzeldüsen über der Austrittsfläche der Strahldüse verteilt sind.
In der Patentschrift 1237 905 befindet sich weiter der Vorschlag, mehrere Einzeldüsen bei einem Zweistrom-Turbinenstrahltriebwerk durch ein gemein- ; sames Gestänge zu verschwenken.
Bei einem Gasauslaß, der aus einer Vielzahl von über der Austrittsfläche verteilten Einzeldüsen besteht, löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Einzeldüsen in mehreren Reihen an- . geordnet sind, zwischen denen sich U-Profilleisten mit offenen Enden und in Richtung der Gasausströmung offene Profilseiten erstrecken, so daß durch Ejektorwirkung Umgebungsluft längs der durch die Profilleisten gebildeten Kanäle gefördert wird.
Die durch die Ejektorwirkung mitgerissene Umgebungsluft dient zur Kühlung. Damit wird der gesamte Gasauslaß automatisch gekühlt, ohne daß man hierzu Triebwerksluft abzapfen muß.
Die Erfindung sieht weiter vor, daß der Raum stromabwärts der Einzeldüsen von seitlichen Wänden umschlossen ist, so daß eine Mischkammer gebildet ist. Damit erhöht sich der Mischungsgrad zwischen den aus den Einzeldüsen austretenden Gasstrahlen und der mitgenommenen Umgebungsluft, so daß der Geräuschpegel wesentlich herabgesetzt wird. Bei Start und Landung ist dies von besonderer Bedeutung.
Die Erfindung sieht weiter noch vor, daß die Einzeldüsen durch ein gemeinsames Gestänge schwenkbar sind. Auf einfache Weise lassen sie sich somit zur Regulierung des Vertikalschubes verschwenken.
Eine einfache Lagerung der Einzeldüsen ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, daß die Profilleisten Lagerflächen zur Aufnahme der schwenkbaren Einzeldüsen enthalten.
Als besonders zweckmäßig hat sich herausgestellt, daß der Hals jeder Einzeldüse eine Weite von höchstens 25 mm aufweist. Der erfindungsgemäße Gasauslaß läßt sich bei jeder abgelenkten Gasströmung verwenden, gleichgültig ob dies zur Hub- oder Richtungssteuerung geschieht. Ebenso läßt er sich auch für Triebwerke für direkten Hub verwenden. Der erfindungsgemäße Gasauslaß läßt sich in einem Flugzeug an jeder Stelle anordnen, wie z. B. im Heck, im Bug oder in den Tragflächen. Die Kühlung erfolgt unmittelbar aus der Atmosphäre und nicht durch Abzapfen von Triebwerksluft. Das heißt, daß die Kühlung ohne jeglichen Schubverlust erfolgt. Der Energiegehalt des Gases kann sogar noch erhöht werden, d. h., daß zum Erzielen eines stärkeren Schubes eine höhere Gasströmungstemperatur toleriert werden kann.
Die Ejektorwirkung, durch die Luft durch die U-Profilleisten in die Mischkammer eingesaugt wird, führt zu einer Erhöhung des Luftdurchsatzes, wodurch zusätzlicher vertikaler Schub geschaffen wird. Diese Schuberhöhung kann jedoch (in der Größenordnung von 5 %) klein gehalten werden. Dies liegt im Interesse einer Beibehaltung einer kleinen und leichten Gesamtkonstruktion.
Der Durchtritt der Gasströmung durch die zahlreichen kleinen Einzeldüsen und die Vermischung mit der durch die U-Profilleisten eingezogenen Umgebungsluft führt zu einer Herabsetzung der Geschwindigkeit der Abgasströmung. Dies vermindert die Bodenströmung und den Geräuschpegel. Bei der Entwicklung von Flugzeugen für Senkrechtstart und -landung sowohl auf üblichen Flughäfen wie auch auf unbehandelten Bahnen stellen die Verminderung der Bodenströmung und des Geräuschpegels den Gegenstand von sehr wichtigen Überlegungen dar.
Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt bei Konstruktionen dieser Art liegt darin, daß die Probleme von Änderungen in der Triebwerksdrosselung und des Geschwindigkeitsbeiwertes während der Schubsteuerung vermieden werden. Bei der vorliegenden Konstruktion bleiben Triebwerksdrosselung und der Geschwindigkeitskoeffizient praktisch konstant, da der von den Hälsen der Einzeldüsen eingeschlossene Strömungsquerschnitt während der Schubsteuerung konstant bleibt. Da die Schubsteuerung weiter durch Bewegen der Düsen in einer senkrechten Längsebene erzielt wird, vermeidet die Erfindung die Seitenkräfte, die dann auftreten, wenn die Hauptschubdüse zum Erzielen von Hubkräften gedreht wird.
Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Gasauslaß weiter beschrieben. In der Zeichnung ist F i g. 1 ein Schnitt durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Gasauslaß, F i g. 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 in Blickrichtung der in F i g. 1 eingezeichneten Pfeile und F i g. 3 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 3-3 in F i g. 1 mit Blickrichtung von unten nach oben.
Das im Rahmen dieser Beschreibung erläuterte Turbinentriebwerk weist an seinem Ende den in F i g. 1 gezeigten Kanal 10 auf. Weist das Triebwerk keinen Nachbrenner auf, befindet sich der Kanal 10 strömungsunterhalb vom Turbinenabschnitt. Hat das Triebwerk einen Nachbrenner, so befindet sich der Kanal 10 strömungsunterhalb vom Nachbrenner. Der normale oder primäre Gasaustritt für die Gasströmung von dem Triebwerk wird durch eine Düse 12 am Auslaßende des Kanals 10 gebildet. Klappen 14 und Betätiger 16 sind vorgesehen, um die Düse 12 zu schließen. Bei normalem Reiseflug nehmen die Klappen 14 die in gestrichelten Linien angezeigte Öffnungsstellung ein. Bei Lauf des Triebwerks erfolgt die normale Gasströmung durch die Düse 12 und erzeugt den erforderlichen Schub.
Zur Bildung eines Bodenauslasses für die Gasströmung ist im Boden des Kanals 10 noch ein Auslaß 18 vorgesehen. Im Reiseflug wird der Auslaß 18 durch eine Hülse 20 geschlossen, die von einem Betätiger 22 in die in gestrichelten Linien gezeigte Stellung geschoben wird. Soll die Abgasströmung jedoch zur Erzeugung eines Vertikalschubes durch den Auslaß 18 gelenkt werden, werden die Klappen 14 in die in vollen Linien gezeigte Schließstellung bewegt und sperren die Düse 12 ab. Die Hülse 20 wird in die in vollen Linien dargestellte zurückgezogene Stellung gezogen und öffnet den Auslaß 18.
Über dem Auslaß 18 sind mehrere kleine drehbare Einzeldüsen 24 in mehreren Reihen angeordnet. U-Profilleisten 26, die die Einzeldüsen 24 tragen, liegen zwischen diesen. Die Einzeldüsen 24 münden in einen eine Mischkammer 28 bildenden Kasten 30.
Gemäß F i g. 3 liegen die Einzeldüsen 24 jeder Reihe in einem Gehäuse 32. Falls erwünscht, kann jede Einzeldüse 24 einzeln betätigt werden. Eine Drehung der Einzeldüsen wird jedoch durch die für jede Reihe gezeigte Kupplungsanordnung vereinfacht. Die Einzeldüsen 24 haben Kreisquerschnitt und an ihrem Auslaß einen Hals. Auch konvergent-divergente Bauarten können verwandt werden. In beiden Fällen sind die Düsen vorzugsweise sehr klein. Die Halsdurchmesser liegen unter 25 mm und können sogar bei so niedrigen Werten wie 6,25 mm oder 12,5 mm liegen, obgleich auch größere Düsen verwandt werden können.
Ein besonderer Vorteil der sehr kleinen Einzeldüsen 24 liegt darin, daß die erforderliche Länge der mit Ejektorwirkung arbeitenden Mischkammer 28 in der Strömungsrichtung proportional zu dem Durchmesser der Einzeldüsen 24 ist. Das bedeutet, daß das Gewicht und Volumen der gesamten Konstruktion bei kleinen Düsenabmessungen entsprechend herabgesetzt wird. Statt kreisförmig könnten die Düsen auch rechteckförmige Schlitze sein mit ähnlichen geringen Abmessungen an ihrer Mündung. An die Gehäuse 32 ist noch ein Betätiger 34 und eine Stange 36 angeschlossen, mit denen die Einzeldüsen 24 in beiden Richtungen geschwenkt werden.
Die U-Profilleisten 26 sind im Schnitt von umgekehrter U-Form, wobei der geschlossene Abschnitt 38 in bezug auf den Kanal 10 innen liegt und der offene Abschnitt 40 in bezug auf den Kanal 10 außen liegt. Die Enden 42 der U-Profilstücke 26 sind zur Atmosphäre hin offen. Die Außenflächen der U-Profilstücke 26 bilden Lagerflächen 44 und halten die Gehäuse 32 und die Einzeldüsen 24 bei deren Schwenkbewegung.
Die zur Auftriebserzeugung durch die Einzeldüsen 24 abgelenkte Gasströmung erzeugt in den U-Profilstücken 26 und in der Mischkammer 28 eine Ejektorwirkung, wodurch Luft aus der Atmosphäre durch die offenen Enden 42 eingesaugt wird und durch den offenen Abschnitt 40 in die Mischkammer 28 einströmt. Diese Ejektorwirkung, durch die Umgebungsluft durch die U-Profilstücke 26 durchgezogen wird, bewirkt eine Kühlluftströmung, so daß die gesamte Konstruktion am Auslaß 18 gekühlt wird, obwohl sie direkt in der heißen Abgasströmung liegt. Die durch die Einzeldüsen 24 durchtretenden Abgase vermischen sich in der Mischkammer 28 mit den durch Ejektorwirkung aus den U-Profilstücken 26 austretenden Gasmengen und werden dann zum Erzeugen von Vertikalschub nach unten ausgestoßen (s. F i g. 1 und 3). Zur Schubsteuerung werden die Einzeldüsen 24 durch den Betätiger 34 und die Stange 36 in beiden Richtungen verschwenkt. Zur Unterstützung der Schubsteuerung kann der Kasten 30 angelenkt werden, so daß er nach vorne, nach hinten und gegebenenfalls auch zur Seite verschwenkbar wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Gasauslaß, bestehend aus einer Vielzahl von über die Austrittsfläche verteilten Einzeldüsen, insbesondere zur Auftriebserzeugung bei Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldüsen (24) in mehreren Reihen angeordnet sind, zwischen denen sich U-Profilleisten (26) mit offenen Enden (42) und in Richtung der Gasausströmung offenen Profilseiten erstrecken, so daß durch Ejektorwirkung Umgebungsluft längs der durch die Profilleisten (26) gebildeten Kanäle gefördert wird.
2. Gasauslaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum stromabwärts der Einzeldüsen (24) von seitlichen Wänden umschlossen ist, so daß eine Mischkammer (28) gebildet ist.
3. Gasauslaß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldüsen (24) durch ein gemeinsames Gestänge schwenkbar sind.
4. Gasauslaß nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilleisten (26) Lagerflächen (44) zur Aufnahme der schwenkbaren Einzeldüsen (24) enthalten.
5. Gasauslaß nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hals jeder Einzeldüse (24) eine Weite von höchstens 25 mm aufweist.