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Die Erfindung betrifft eine konvergent-divergente Schubdüse, bei der
zwischen einem primären Düsenabschnitt und einem dazu koaxialen und stromabwärts
versetzten sekundären Düsenabschnitt ein Sekundärstrom zugeführt wird.
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Es ist eine derartige Düse bekannt, bei der der primäre Düsenabschnitt
konvergent und der sekundäre Düsenabschnitt divergent ausgebildet ist. Die Regelung
des kritischen Querschnitts, der bei diesen Düsen durch den Austrittsquerschnitt
des primären Düsenabschnitts bestimmt wird, wirft besondere Schwierigkeiten auf.
Macht man nämlich den Austrittsquerschnitt des primären Düsenabschnitts (beispielsweise
durch Klappen) veränderbar, so muß entweder der engste Querschnitt des sekundären
Düsenabschnitts ebenfalls veränderbar gemacht werden oder man muß verhältnismäßig
große Strömungsverluste in Kauf nehmen. Der erste Fall (Veränderbarkeit des engsten
Querschnitts des sekundären Düsenabschnitts) führt zu nahezu unlösbaren konstruktiven
Problemen. Im anderen Fall ist man zu einem strömungstechnischen Kompromiß gezwungen:
Bei verhältnismäßig großem engsten Querschnitt des sekundären Düsenabschnitts ist
der sekandäre Düsenabschnitt im größten Teil des Betriebsbereichs wirkungslos; bei
verhältnismäßig kleinem engsten Querschnitt treten im Eintrittsbereich des sekundären
Düsenabschnitts verlustreicheCVerdichtungsstöße auf.
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Eine Weiterentwicklung der eben beschriebenen Düse besteht darin,
daß die den Austrittsteil des primären Düsenabschnitts bildenden Klappen in eine
divergente Stellung geschwenkt werden kön-#en, so daß bereits der primäre Düsenabschnitt
im überschallgebiet konvergent-divergent ausgebildet ist. Bei dieser Düse werden
also im Unterschallgebiet die Klappen zwischen einer konvergenten und einer zylindrischen
Stellung verschwenkt, während sie sich im überschallgebiet in der divergenten Stellung
befinden. In diesem Falle bildet der Querschnitt, an dem die Klappen angelenkt sind,
den kritischen Querschnitt der Düse. Die Strömung erreicht also bereits im primären
Düsenabschnitt Schallgeschwindigkeit und wird vom engsten Querschnitt bis zum Austrittsquerschnitt
des primären Düsenabschnitts auf überschallgeschwindigkeit beschleunigt während
sich der Druck des Primärstroms auf den Druck des Sekundärstroms verringert. Nachteilig
bei dieser Lösung ist, daß der kritische Querschnitt aus konstruktiven Gründen unveränderbar
ist. Der zur Erreichung von überschallgeschwindigkeit an sich erforderliche kritische
Querschnitt kann sich nämlich ändern, beispielsweise bei verschiedenen Triebwerken
des gleichen Typs infolge der Herstellungstoleranzen oder bei ein und demselben
Triebwerk auf Grund unterschiedlicher Außenbedingungen. Wie durch Versuche festgestellt
wurde, überwiegt häufig der Nachteil des unveränderbaren kritischen Querschnitts
gegenüber dem Vorteil, den man durch die Beschleunigung der Strömung auf überschallgeschwindigkeit
im primären Düsenabschnitt erhält.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wie eingangs beschriebene
Düse mit geometrisch unveränderbarem kritischem Querschnitt zu schaffen, bei der
die Nachteile, die durch die Diskrepanz zwischen dem an sich erforderlichen kritischen
Querschnitt und dem tatsächlich vorhandenen kritischen Querschnitt bedingt sind,
vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens eine
an sich bekannte, im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der primären und
sekundären Düsenabschnitte ausgerichtete Hilfsdüsb mit veränderbarein kritischem
Querschnitt an den Strömungskanal des primären Düsenabschnitts angeschlossen ist.
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Bei einer derartig ausgebildeten Düse können die engsten Querschnitte
beider Düsenabschnitte unveränderbar sein; die Regelung des wirksamen kritischen
Querschnitts der Düse wird dann von der Hilfsdüse allein übernomrnen. Im Fall einer
Düse, bei der im überschallgebiet bereits der primäre Düsenabschnitt konvergent-divergent
ausgebildet ist, wird vorteilhafterweise der Austrittsquerschnitt des primären Düsenabschnitts
durch Klappen verändert, während allein im überschallbereich die Regelung des wirksamen
kritischen Querschnitts von der lEUsdüse übernommen wird. Die Querschnittsregelung
der verhältnismäßig kleinen Hilfsdüse läßt sich ohne besondere konstruktive Schwierigkeiten
bewerkstelligen.
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Es ist allerdings bereits eine im Unterschallgebiet arbeitende Schubdüse
bekannt, bei der querschnittsregelbare Hilfsdüsen verwendet werden. Dieser Konstruktion
liegt jedoch eine andere Aufgabe zugrunde als der Erfindung. Durch die Hilfsdüsen
soll nämlich eine zu große Nachbrennerleistung herabgesetzt werden. Zu diesem Zweck
wird in einem bestimmten Betriebsbereich nur ein Teil der Verbrennungsgase dem Nachbrenner
zugeführt, während der restliche Teil der Abgase durch die Hilfsdüsen abgelassen
wird. Die Schwierigkeiten, die zur Erfindung geführt haben, treten bei der bekannten
Schubdüse -überhaupt nicht auf.
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Die erfindungsgemäße Lösung, bei der der engste Querschnitt beider
Düsenabschnitte querschnittsunveränderbar sein kann, hat ferner den Vorteil, daß
die Zuführung des Sekundärstroms durch keinen VersteRmechanismus od. dgl. behindert
wird. Ferner wird durch die Erfindung der Einbau eines Schalldämpfers erleichtert.
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Bemerkenswert ist ferner, daß solche Hilfsdüsen, wenn sie einmal berechnet
und hergestellt sind, bei verschiedenen Triebwerken oder in verschiedenen Entwicklungsstadien
des gleichen Triebwerks verwendet werden können.
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Selbstverständlich läßt sich die erfindungsgemäße Düse auch mit Nachbrenner
betreiben. Ordnet man lediglich in der Hauptdüse einen Nachbrenner an, so hat dies
den Vorteil, daß die durch den Nachbrenner bedingte Temperaturerhöhung auf keinen
Verstellmechanismus einwirkt.
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An Hand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine konvergent-divergente Schubdüse,
bei der der primäre Düsenabschnitt geometrisch unveränderbar ist, F i
g. 2 eine konvergent-divergente Schubdüse, bei der der primäre Düsenabschnitt
querschnittsveränderbar ist.
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In Fig. 1 ist eine konvergent-divergente Schubdüse gezeigt,
deren primärer Düsenabschnitt 2 geometrisch unveränderbar ist. An den primären Düsenabschnitt
schließt sich der divergente sekundäre Düsenabschnitt 8 an, dem an seinem
engsten Querschnitt 9 ein Sekundärstrom 10 zugeführt wird. Der Austrittsquerschnitt
des sekundären Düsenabschnitts ist durch Klappen 11 regelbar.
Am
primären Düsenabschnitt ist eine Hilfsdüse angeschlossen, deren Querschnitt regelbar
ist. In der Fig. 1 sind zwei Ausführungsmöglichkeiten solcher Hilfsdüsen
schematisch dargestellt. Im oberen Teil der Figur ist eine Hilfsdüse dargestellt,
deren kritischer Querschnitt in üblicher Weise durch verstellbare Klappen regelbar
ist. An die Hilfsdüse 12 schließt sich ein divergenter Düsenabschnitt13 an, dem
genau wie der Hauptdüse ein Sekundärstrom 10'
zugeführt wird. Der Austrittsquerschnitt
des divergenten Düsenabschnitts ist durch Klappen 15 veränderbar.
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Im unteren Teil der F i g. 1 ist eine andere Ausführungsform
der querschnittsveränderbaren Hilfsdüse dargestellt. Diese zweidimensional ausgebildete
Hiffsdüse weist einen Rohrabschnitt 16 auf, in dessen Innerem eine Ausbuchtung
17 vorgesehen ist. Die Ausbuchtung 17 ist zweckmäßigerweise so ausgebildet,
daß sie die eine Hälfte der konvergent-divergenten Hilfsdüse bildet; die andere
Hälfte wird von einem Teil 18 gebildet. Die Ausbuchtung 17 ist in
Längsrichtung verschiebbar, während das Teil 18
ortsfest ist. Auf diese Weise
läßt sich der wirksame Querschnitt der Hilfsdüse von einem Nfinimalwert (gestrichelte
Stellung 17') bis zu einem Maximalwert (durch ausgezogene Linien angedeutete
Stellung) verändern. Selbstverständlich kann man auch das Teil 18 bewegbar
und die Ausbuchtung 17 ortsfest anordnen. Die I-Elfsdüse nimm bei
maximaler öffnung ungefähr 10 % des Durchsatzes auf.
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Mit großem Vorteil läßt sich eine querschnittsveränderbare Hilfsdüse
auch bei einer konvergentdivergenten Düse mit teilweise regelbarem primären Düsenabschnitt
verwenden. Es wurde bereits vorgeschlagen, den primären Düsenabschnitt selbst konvergent-divergent
auszubilden. Der Zweck dieser Maßnahme ist, den Druck des Primärstroms auf einen
Wert zu verringern, der eine Mischung des Primärstroms mit dem Sekundärstrom zuläßt.
Durch die Druckminderung vom engsten Querschnitt zum Austrittsquerschnitt des primären
Düsenabschnitts wird zudem noch der Schub erhöht. Der Druck des Sekundärstroms ist
im allgemeinen wesentlich gerin-,er als der Gesamtdruck des Primärstrahls, ist jedoch
trotzdem größer als der Außendruck, so daß das Gemisch aus Primär- und Sekundärstrom,
in der obengenannten Weise auf den gleichen Druck gebracht, anschließend in einem
üblichen divergent ausgebildeten sekundären Düsenabschnitt entspannt wird.
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Versuche bestätigen diese überlegung, und die Berechnungen zeigen,
daß sich durch die Verwendung eines konvergent-divergent ausgebildeten primären
Düsenabschnitts unter gewissen Bedingungen ein größerer Wirkungsgrad erzielen läßt.
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Der Aufwand für die Dichteinrichtungen einer solchen querschnittsveränderbaren
Düse mit konvergent-divergentein Profil und die erforderliche Antriebsleistung für
die notwendigerweise sehr langen Klappen verhindern praktisch die Anwendung einer
solchen Lösung. Man hat daher ins Auge gefaßt, eine teilregelbare Düse, wie sie
im oberen Teil der F i g. 2 dargestellt ist, zu verwenden. Diese Düse weist
einen geometrisch unveränderbaren konvergenten Abschnitt 19 auf, an dessen
Ende Klappen 20 angelenkt sind. Die Klappen sind zwischen einer divergenten Stellung
20" und einer konvergenten Stellung 20' schwenkbar. An den primären Düsenabschnitt
schließt sich wie in der F i g. 1 ein divergenter sekundärer Düsenabschnitt
an, dem an seinem engsten Querschnitt 22 der Sekundärstrom 10 zugeführt wird.
Der ' sekundäre Düsenabschnitt besteht aus einem divergenten Teil 21 und
schwenkbaren Klappen 23.
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Beim Starten und im Unterschallgebiet arbeitet der primäre Düsenabschnitt
zwischen einer zlindrischeu Stellung und einer konvergenten Stellung 20'. Im Überschallgebiet
befindet sich der primäre Düsenabschnitt in der Stellung 20", wodurch der Primärstrom
durch eine Vorentspannung ungefähr auf den Druck des Sekundärstroms 10 gebracht
wird.
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Der feste kritische Querschnitt 24 sollte so gewählt sein, daß die
Strömung an dieser Stellung gerade Schallgeschwindigkeit erreicht. Dieser kritische
Querschnitt ist auf Grund der Konstruktion unveränderbar. Dies ist jedoch insofern
nachteilig, als der zur Erreichung der überschallgeschwindigkeit an sich erforderliche
kritische Querschnitt sich ändern kann, beispielsweise bei verschiedenen Triebwerken
des gleichen Typs infolge der Herstellungstoleranzen oder auf Grund der unterschiedlichen
Außenbedingungen. Bei dieser Lösung überwiegt häufig der Nachteil der fehlerhaften
Einstellung des kritischen Querschnitts 24 beim ÜberschalMug gegenüber dem Vorteil,
der sich durch die Vorexpansion hinter dem festen Düsenabschnitt ergibt. Dies zwingt
zu einem Abstimmen des Triebwerks sowohl in bezug auf seine Drehzahl als auch in
bezug auf die Temperatur vor der Turbine, damit selbst bei Berücksichtigung der
Streuungen des Triebwerks und der jeweiligen Flugbedingungen die Drehzahl und die
Temperatur vor der Turbine die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten.
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Der Erfinder hat nachgeprüft, daß die Kosten dieses Abstimmens und
der Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs tatsächlich höher sind als der durch die Vorentspannung
erzielte Gewinn.
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Durch die Verwendung einer querschnittsregelbaren Hilfsdüse lassen
sich die Nachteile einer solchen halbregelbaren Düse (regelbar im Unterschallgebiet
und nicht regelbar im überschallgebiet) eliminieren. Die in F i g. 2 dargestellte
Hilfsdüse gleicht der im oberen Teil der F i g. 1 dargestellten 1-Elfsdüse.
Sie weist einen primären Düsenabschnitt 12 mit veränderbarem kritischem Querschnitt
auf; dem divergenten sekundären Düsenabschnitt wird an seiner engsten Stelle 14
ein Sekundärstrom 10' zugeführt, der sich mit dem Primärstrom mischt und
im divergenten Abschnitt 13 des sekundären Düsenabschnitts expandiert wird.
Der Austrittsquerschnitt des sekandären Düsenabschnitts ist durch Klappen
15 veränderbar.
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Die Betriebsweise der Düse ist wie folgt: Beim Starten und im Unterschallgebiet
wird das Triebwerk durch die Klappen 20 geregelt, wobei die Hilfsdüse 12 geschlossen
oder nahezu geschlossen ist. Die Klappen 20 befinden sich zwischen der zylindrischen
Stellung und der Stellung 20'. Im überschallbereich werden die Klappen 20 in die
Stellung-20" geschwenkt, so daß sie divergent verlaufen. Die Hilfsdüse 12 nimmt
dann vorzugsweise einen mittleren Querschnitt zwischen Null und dem Maximalquerschnitt
ein- Somit kann im überschangebiet durch Addieren des festen kritischen Querschnitts
24 und des veränderbaren Querschnitts der Rüfjdüse 12 der für das Triebwerk erforderliche
kritische Quer-
-schnitt -erzielt werden. Auf diese Weise kann man
die Vorexpansion im divergenten Düsenteil 20 ausnutzen, ohne auf die erforderliche
Regelung des kritischen Querschnitts zu verzichten, die in diesem Fall von der Hilfsdüse
12 übernommen wird. Der kritische Querschnitt 24 wird vorzugsweise derart bestimmt,
daß er der folgenden Bedingung genügt: Kritischer Querschnitt 24 und die Hälfte
des kritischen Querschnitts 12 ergeben den für das normale Triebwerk bei Standardbedingungen
erforderlichen kritischen Querschnitt.
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Der für die, Hilfsdüse erforderliche Regelbereich ist im Vergleich
zu der in F i g. 1 gezeigten Düse, die einen festen Querschnitt aufweist,
wesentlich geringer. Im Fall der F i g. 2 muß die, Hilfsdüse lediglich die
durch die Triebwerksstreuungen und die Umgebungsbedingungen bedingten Querschnittsänderungen
im überschallgebiet übernehmen, während die Querschnittsänderungen, die durch die
Änderungen der Betriebsbedingungen des Triebwerks zwischen dem überschallflug und
dem Unterschallflug bzw. dem Start bedingt sind, von der Hauptdüse 20 übernommen
werden.
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I Nach Berechnungen des Erfinders genügt ein Regelbereich der Hilfsdüse
von 5 D/o des Gesamtquerschnitts, um die Streuungen der Triebwerke -und der
Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
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Auch im Fall der F i g. 2 läßt sich ein Nachbrenner verwenden.