DE1526821A1

DE1526821A1 - Konvergente-divergente Strahltriebwerksaustrittsduese

Info

Publication number: DE1526821A1
Application number: DE19661526821
Authority: DE
Inventors: Mehr Hans Peter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-12-08
Filing date: 1966-09-06
Publication date: 1970-03-26
Also published as: US3367579A; GB1122910A; BE686564A

Description

S c hen e c t a d y, New York/f.St..

Unser Zeichen: G- 1065

Konvergente-divergente Strahltriebwerksaustrittsdüse für Überschallbetrieb.

Die Erfindung bezieht sich auf konvergente-divergente Strahltriebwerksaustrittsdüsen, die in Überschallgeschwindigkeitsflugzeugen vorgesehen sind, und insbesondere auf eine Düse, die einen freischwimmend einstellbaren Sekundärabschnitt aufweist, durch den die Notwendigkeit eines üblichen Betätigungsmechanismus
ausgeschaltet wird, wobei hierdurch Einrichtungen geschaffen werden, um die äußere Leistung durch eine
Verminderung des äußeren Widerstandes zu erhöhen.

Konvergente-divergente Düsen, wie sie üblicherweise
in Strahltriebwerken von Überschallflugzeugen verwendet werden, weisen im wesentlichen einen konvergenten

»ei/E

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Kanal

Kanal auf, der dazu dient, die Abgase auf Schallgeschwindigkeit zu "beschleunigen, v/obei sich ein divergenter Kanal anschließt, in dem sich die Abgase auf Überschallgeschv/indigkeit expandieren. Üblicherweise bestehen der konvergente und der divergente Abschnitt der Düse aus einer Anzahl von beweglichen Wandungsteilen, gegen die die Abgase Kräfte ausüben, um den Schub oder den V/irkungsgrad des Triebwerkes zu erhöhen. Um die Abgase in wirkungsvoller V/eise auszudehnen, muß der Düsenaustrittsquerschnitt des divergenten Abschnittes (Aq) eine bestimmte Beziehung sum Düsenhalsquerschnitt oder Austritt des konvergenten Abschnittes (Ag) haben. Der Halsquerschnitt, der den Hinimalquerschnitt in der Düse bildet, bestimmt die Hassenströmungsrate des Arbeitsmediums, welche durch die Austrittsdüse bei einem gegebenen Druckverhültnis am Halsquerschnitt bei einer gegebenen Temperatur hindurchgeht. Bs ist bekannt, daß das sogenannte kritische Druckverhältnis das maximale Druckverhältnis ist, welches am Halsquerschnitt der Düse erreicht werden kann. Das kritische Druckverhä^tnis v/ird erreicht, wenn die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums, welches durch die Düse hindurchgeht, im'Bereich der Schallgeschwindigkeit liegt. Dieser Zustand tritt etwa bei einem Druckverhältnis von 1,89 auf. Jede weitere Erhöhung des Druckes des Arbeitsmediums führt lediglich

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lediglich zu einer Expansion des Mediums stromab vom Halsquersehnitt auf den Ümgebungs- oder Atmosphärendruck:, wobei das Druckverhültnia am Halaquerschnitt in der Höhe des kritischen Y/ertes verbleibt. Jede derartige Erhöhung des Druckes des Arbeitsmediums stromab vom Halequerschnitt erzeugt eine kleine weitere Erhöhung der nutzbaren Energie in Form von Schub, die aus dem Arbeitsmedium entnommen werden kann, wenn der divergente Abschnitt vorgesehen ist. Die konvergente-divergente Dü3e kann einen maximalen nützlichen Schub aus der vollständigen Expansion des Arbeitsmediums in der Düse von einem Druckverhältnio .;röSer als das kritische auf den Umgebungsdruck erzeugen.

Bei Flugzeugen, die für einen Betrieb über einen großen Geschwindigkeitsbereich ausgelebt sind, d.h.· also über einen großen B- reich von Düsendruckverhältnissen, wie beispielsweise bei einem Überschallflugzeug, sind die im vorstehenden- erwähnten beweglichen Wandungsglieier üblicherweise vorgesehen, um den Grad der Divergenz in der konvergenten-divergenten Düse zu verändern. Dies ergibt eine Änderung des Expansionsverlriltnisses in der Düse. Das Expansionsverhältnis wird als Verhältnis des Austrittsquerschnittes (Aq) zum Halsquerschnitt (A_R) bezeichnet. Es wurde in der Praxis für einen optimalen

Wirkungsgrad 0 0 9 8 1 3 /: A 3 5 BAD ORIGINAL

Wirkungsgrad und für einen maximalen Schub über einen großen Betriebsbereich als wünschenswert gefunden, daß die Düse ebenfalls Einrichtungen aufweist, um die Querschnittsfläche am Halsquerschnitt jm allgemeinen entsprechend der Triebwerksleistungseinstellung zu verändern,» Derartige Düsen weisen deshalb getrennte Sätze von beweg_ liehen Wandungsgliedern oder Klappen sowohl für den sekundären als auch für den primären Abschnitt auf, um sowohl den Austrittsquerschnitt als auch den Halsquerschnitt zu verändern. Es waren bisher auch Einrichtungen erforderlich, um diese Klappen zu betätigen, um die gewünschten Querschnittsflächenveränderungen für bestimmte Plugzustände durchzuführen, wobei diese Flugzustände den Start, den Unterschallflug und den Überschallflug des Plugzeuges umfassen. Es ist für den Durchschnittsfachmann klar, daß die immer mehr steigenden Anforderungen für hohe Geschwindigkeiten und größere Leistungen es erforderlich machen, leichte Komponenten zu verwenden, wenn immer es möglich ist. Eine Weiterführung dieses Gedankens macht klar, daß beträchtliche Kosteneinsparungen, ein besserer Wirkungsgrad, höhere Betriebswirtschaftlichkeiten und größere Zuverlässigkeiten und verbesserte Leistungen dadurch erreicht werden können, daß verhältnismäßig schwere, komplexe und teure hydraulische oder andere

mechanische

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mechanische Betätigungssysteme fortgelassen werden, die bisher erforderlich waren, um die Veränderungen der Halsquerschnittsflächen und der Austrittsflächen durchzuführen. Wie im folgenden "beschrieben werden soll, kann dies dadurch erreicht werden, daß ein neues System verwendet wird, um die beweglichen Wandungsteile oder Klappen zu zwingen, aerodynamisch in die gewünschten Stellungen zu schwimmen.

Eine konvergente-divergente Düse, die mit größtem Wirkungsgrad arbeiten soll, muß zusätzlich zu einer hohen inneren Leistung unter allen Betriebszuständen einen geringen Basiswiderstand und einen geringen hinteren Verjüngungswinkel haben. Dies gilt insbesondere für den Unterschallbetrieb. Zur Erläuterung sei bemerkt, daß der Winkel, den die äußere Oberfläche des divergenten Abschnittes einer Düse mit der Achse eines Trieb« Werkes einschließt, üblicherweise als hinterer Verjün-

an

gungswinkel bezeichnet wird. Der Widerstand/der äußeren Oberfläche ist als Heckwi-derstand bekannt, und dieser Heckwiderstand nimmt mit der Zunahme des He okverjiingungswinkels zu. Pur einen geringen ^eokwiderstand ist es von Bedeutung, daß dieser Heokverjüngungswinkel gering ist. Dies erfordert jedoch eine lange äußere Klappe, und dies ist von einem mechanischen

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oder Konstruktions-Gesichtspunkt aus gesehen nicht immer praktisch. Bei einer schwimmenden Düse, bei der die äußeren Klappen kürzer sein müssen als die inneren divergenten Klappenabschnitte, verbieten zusätzlich Gewichtabedingungen, daß man lange äußere Klappen macht. Es ist deshalb erforderlich, die äußeren Klappen zu verkürzen, um sicherzustellen, daß Leistungssteigerungen, die mit geringen Heckverjüngungswinkeln erzeugt werden, nicht dadurch verloren gehen, daß extrem lange äußere Oberflächen ein zusätzliches Gewicht mit sich bringen. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen oder von der Flugzeuggeschwindigkeit kann sich jedoch der Druck am äußersten stromab gelegenen Ende der Düse verändern, so daß, wenn die Düse zu scharf abgeschnitten ist, wobei die Düsenhinterflache oder die Basis vergrößert wird, dieser Druck einen beträchtlichen Basiswiderstand erzeugen kann. Es ist deshalb wünschenswert, eine nach innen übergehenden äußeren divergenten Abschnitt zu schaffen, um einen geringen ^eckverjüngungswinkel festzustellen, wobei der äußere Abschnitt an einem optimalen Punkt abgeschnitten ist. Es tritt also im wesentlichen das Problem auf, sicherzustellen, daß der innere Düsendruck relativ zum äußeren Düsendruck maximal ist, da der äußere Druck auf die Basia und den abgeschnittenen Abschnitt einwirkt und entgegengesetzt zur Plugrichtung drückt.

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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte konvergente-divergente Austrittsdüse für Überschallflugzeuge zu schaffen, bei der Einrichtungen vorgesehen sind, um Veränderungen des Düsenexpansionsverhältnisses zu erzielen, ohne daß es erforderlich ist, einen Betätigungsmechanismus für diesen Zweck vorzusehen, wobei Einrichtungen vorgesehen aind, um den äußeren Widerstand zu verringern, wodurch die gesamte Triebwerksleistung erhöht wird.

Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, eine Überschalldüae zu schaffen, bei der Veränderungen des Düsenaustrittsquerschnittes aerodynamisch durch sogenannte freischwimmende sekundäre Düsenabschnitte erzielt werden, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die Widerstände su vermindern, die sich aus der äußeren D-üsenkonfiguration ergeben.

Gemäß der Erfindung weist eine Überschall-konvergentedivergente-Austrittsdüse für ein Strahltriebwerk einen Heokkanal und ein Gehäuse auf, welches den Heokkanal im Abstand umgibt, um einen Sekundärluftkanal zu bilden, wobei eine Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten äußeren Klappen schwenkbar mit ihren stromauf gelegenen Enden am Gehäuse befestigt sind, und wobei eine

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Anzahl 009813/0435

Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten inneren Klappen, die den divergenten Abschnitt der Düse bilden ι schwenkbar am Gehäuse angeordnet sind, und wobei eine Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Wan~ dungsgliedern an ihren stromauf gelegenen Enden schwenkbar vom Gehäuse getragen werden und an ihren stromab gelegenen Enden schwenkbar mit den inneren Klappen verbunden sind, und wobei der Raum zwischen den Wandungsgliedern und den inneren Klappen einen Hohlraum bildet, der mit dem Sekundärluftkanal verbunden ist, und wobei der Druckunterschied, der auf die entgegengesetzt weisenden Oberflächen der inneren Klappen und Wandungsglieder einwirkt, die Einstellung der inneren und äußeren Klappen gegeneinander und/oder gegenüber der Triebwerksachse steuert, und wobei die äußersten stromab gelegenen Enden der inneren und äußeren Klappen einander überlappend gegen die äußeren Klappen anliegen, die sich im wesentlichen unter dem Winkel Hull gegenüber der Triebwerksachse erstrecken, wenn das Triebwerk mit Überschallgeschwindigkeit arbeitet, wobei der Druckunterschied die äußeren Klappen auf einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Triebwerksachse einstellt, um den Heckfeasiswiderstand bei Unterschallgeschwindigkeiten auf ein Minimum herabzusetzen, und wobei eine Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Primärklappen mit

009813/0435 ihrem

ihrem stromauf gelegenen Ende am Heckkanal angelenkt sind, um den konvergenten Abschnitt der Düse zu bilden, und um den Halsquerschnitt der Düse zu begrenzen, und und wobei die stromab gelegenen Enden der inneren Klappen schwenkbar über ein Gestängesystem mit den Primärklappen verbunden sind, und wobei das Geatängesystem gelenkig mit dem Gehäuse verbunden ist, und wobei die Stellung der inneren Klappen, die dem Druckunterschied entspricht, das Expansionsverhältnis der Austrittsdüse bestimmt»

Die Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß elastische Glieder, vorgesehen sind, welche die äußeren Klappen mit den Wandungsgliedern verbinden und welche die Neigung haben, die äußeren stromab gelegenen Enden der inneren und äußeren Klappen in ihre überlappende und anliegende Lage vorzuspannen, wobei die inneren und äußeren Klappen relativ zueinander durch den Druckunterschied beweglich sind, um deren stromab gelegenen Endabschnitte zu trennen, um einen Basisabschnitt zu schaffen, um den Basiswiderstand während des Unterschallbetriebes des Triebwerkes auf ein Minimum herabzusetzen.

In den Figuren der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt* Es zeigen:

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Fig. 1 eine Querschnittsansicht einea Turbostrahltriebwerkes, bei dem die erfindungsgemäße Düse verwendet wird,

Mg. 2 eine vergrößerte schemanische Ansicht

der in Fig. 1 dargestellten Düse, wobei die Düsenklappen in einer Stellung zur Schuberhöhung im Überschallbereich dargestellt sind,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, welche

die Düse in ihrer Stellung für Unterschallbetrieb zeigt,

Fig. 4 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie 4-4 der Fig. 3 und

Fig« 5 und 6 ähnliche Ansichten wie die Fig, 2 und 3» die ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Austrittsdüse zeigen.

Fig, 1 zeigt einen Querschnitt eines Tur.bostrahltriebwerkeSo Es ist beispielsweise ein Axial-Strömungskompressor 1 vorgesehen, eine Verbrennungskammer 2, um die vom Kompressor aufgenommene kompremierte Luft zu erhitzen, und um die Geschwindigkeit dieser Luft zu er-

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höhen

höhen, und eine Turbine 3. In der Turbine 3 werden die heißen Gase aus d em Verbrennungsabschnitt entspannt und diese Gase gelangen in das Heckrohr 4-, von wo aus die Gase in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Ein Teil der Leistungsabgabe der Turbine wird verwendet, um den Kompressor über eine Welle 5 zu treiben, die die beiden sich drehenden Systeme miteinander verbindet. Die im Abgasstrom des Strahltriebwerkes verfügbare Energi'e wird in kinetische Energie oder in einen Schub des Strahltriebwerkes umgewandelt. Wie im Vorstehenden erwähnt, ist es für einen optimalen Wirkungsgrad notwendig, den gesamten Schub oder die gesamten Reaktionskräfte auszunutzen, die im Abgas— strom vorhanden sind. Im Fall eines Überschallflugzeuges ist es insbesondere erforderlich, dies über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen und Austrittsdüaendruckverhältnissen durchzuführen. Um den optimalen Betrieb in einem weiten Bereich zu erhalten, ist das in Fig, 1 dargestellte Strahltriebwerk mit der erfindungsgemäßen verbesserten konvergenten-divergenten Düse ausgerüstet, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Obwohl aus Gründen einer vereinfachten Darstellung ein übliches Turbostrahl-Gasturbinentriebwerk dargestellt ist, sei bemerkt, daß die Erfindung auch bei Düsen für Bläsertriebwerke oder Zweikreis- oder Mantelstromtriebwerke verwendet werden kann, wobei in diesen Triebwerken ein Bläser oder ein nicht dar-'

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gestellter Niederdruokkompressor mit einem Hilfskanal vorgesehen ist., der bei 11 dargestellt ist und der der ko~ jcxial zum Hauptkanal angeordnet ist, welcher den beschriebenen Gasgenerator enthält. Bei der in Pig· 1 dargestellten Gasturbine tritt der Primär-Luftstrom duroh die Einlaßfläche 12a ein und geht durch den Axial-Strömungskompressor 1 hindurch und wird in der beschriebenen Weise erhitzt und expandiert. Gleichzeitig tritt ein Sekundärluftstrom in den Einlaß 11a ein, und dieser Sekundärluftstrom geht duroh den Sekundärluftkanal 11 hindurch. Diese Sekundärluft kann verwendet werden, um die aerodynamische Steuerung oder Veränderung des Expansionsverhältnisses Aq zu Ag der Austrittsdüse, wie es noch beschrieben werden soll, zu unterstützen.

Wie in den Figuren der Zeichnung dargestellt, wird der Halsquerschnitt der Düse durch die Ebene A_Q bestimmt, während der Austrittsquerschnitt duroh die Ebene A„ bestimmt wird. Obwohl es für den Betrieb des Triebwerkes nicht unbedingt erforderlich ist, kann für einen verbesserten Wirkungsgrad des konvergenten Abschnittes der Düse eine Anzahl von beweglichen Klappen vorgesehen sein, von denen eine in Fig. 2 bei 20 dargestellt ist. Der Halsquerschnitt A_Q wird dadurch durch eine Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten. Primärklappen gebildet, wobei diese Klappen beim dar-

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gestellten Ausführungsbeispiel "bei 22 am Heokleitungskanal 24- ängelenkt sind. Der divergente Abschnitt der konvergenten-divergenten Düse 10 wird in ähnlicher Weise aus einer Reihe oder aus mehreren Reihen von in Umfangsrichtung angeordneten Klappen gebildet.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der divergente Absohnitt der Düse eine Anzahl von in Längsrichtung sioh erstreckenden inneren Klappen auf, wobei eine dieser Klappen bei 28 gezeigt ist, und wobei diese Klappen eine innere einstellbare Wandung für die Düse 10 bilden« Zusätzlich ist ein Primärsatz von äußeren Klappen vorgesehen, wobei eine dieser äußeren Klappen bei 32 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung sind die äußeren Klappen 32 durch Gelenke 33 ^an einem Träger 34 am stromab gelegenen Ende des Gehäuses 35 angelenkt* Die Düse weist ferner Sekundärklappen 36 auf. Ein Ende einer jeden Klappe 36 ist durch ein Gelenk 37 am Träger 34 nef ben dem Gelenkpunkt 33 der äußeren Klappen 32 befestigt. Am stromab gelegenen Ende weisen die Sekundärklappen 36 bei 40 Einrichtungen auf, um die Klappen 36 an der äußeren Oberfläche der inneren Klappen 28 des divergenten Düsenabschnittes anzulenken. Der Zweck dieser Verbindung soll noch beschrieben werden.

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Es kann ebenfalls wünschenswert sein, die Sekundärluft zu steuern, die aus dem Kanal 11 austritt und die durch Teile schemaMsoh dargestellt ist· Zu diesem Zweck kann ein gesteuerter Sekundärluftspalt 50 vorgesehen seinj dieser Spalt 50 ist zwischen den stromab liegenden Enden der Primärklappen 20 und den stromauf liegenden Enden der inneren divergenten Klappen 28 angeordnet· Es können Einrichtungen vorgesehen sein, um im Querschnitt des Spaltes 50 während der Bewegung der verschiedenen Klappen zu steuern, und diese Einrichtungen können die Form eines automatisch einstellbaren mechanischen Gestänges haben, wie es schematisch bei 52 gezeigt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist dieser Mechanismus Gestänge 54 und 56 auf, die an den inneren divergenten Klappen 28 und an der Primärklappen 20 angelenkt sind. Die Gestänge ihrerseits sind schwenkbar über einen Kniehebel 58 bei 59 ^mi"t dem Triebwerksgehäuse verbunden.

Aus S¹Ig, 2, die eine Schnittansicht darstellt, die längs einer Horizontalebene durch das Triebwerk genommen ist, ist zu erkennen, daß die axiale länge I ),'d,h. der Abstand vom Gelenkpunkt 33 zur Austrittsebene A₀ wesentlich geringer ist als die axiale Länge der inneren divergenten Klappen 28, Durch eine spezielle Einstellung oder Steuer-

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ung des Verhältnissea von L_Q zu L für einen gegebenen Flugzeugbetrieb oder für einen gegebenen Triebwerksbetrieb kann die freiwohwimmende oder aerodynamische Einstellung des sekundären oder divergenten Abschnittes der Düse gemäß der Erfindung durchgeführt werden. Wenn dann die stromauf gelegenen Enden der Klappen 36 etwa in derselben Ebene befestigt sind wie der Gelenkpunkt 33 für die Klappen 32, und wenn f erner der stromab gelegene Gelenkpunkt für die Klappen 36, d.h. die Stelle, ander jede Klappe an einer Klappe 28 befestigt iat, an einer Stelle angeordnet ist, die vom Punkt 33 wenigstens gleich dem Verhältnis L_Q zu L entsprechend entfernt liegt, so werden die entsprechenden Kräfte für einen schwimmenden Betrieb erhalten.

Mit anderen Worten kann gesagt werden, daß der.Druckunterschied an den Klappen 28 und 36 derart ist, daß sich diese Klappen ohne die Anwendung von mechanischen Betätigungskräf- ten bewegen können« Insbesondere ergibt sich der Druokuntersohied, der an jeder Klappe 28 vom stromauf gelegenen Ende bis zum Gelenkpunkt 63 hin vorhanden ist aus dem statisohen Gasdruck, der auf die innere Oberfläche des Düsenaus trittskanals einwirkt, wobei diesen der Sekundärluftdruok im Raum 70 entgegenwirkt, der auf die äußere Oberfläche der Klappen 28 wie auf die innere Oberfläche der Klappen 26 einwirkt. Zusätzlich sind die Klappen 28

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vom Gelenkpunkt 63 an bis zur Austrittsebene A_g hin einem Druckunterschied ausgesetzt, der durch den statischen Gasdruck hervorgerufen wird, dem der Druok im Hohlraum 70 a entgegenwirkt. Der Druok im Hohlraum 70 a entspricht im wesentlichen dem Druck der Umgebung. An den Klappen 36 tritt ein Druckunterschied auf, der durch den Druok im Hohlraum 70 erzeugt wird, dem der Druck im Hohlraum 70 a entgegenwirkt» Deshalb wird die Gelenkstelle 63 derart angeordnet, daß bei Unterschallbetrieb oder bei einem Betrieb mit einem niedrigen Düsendruckverhältnis (Pg zu Pq), die auf die Klappe 28 einwirkenden Druckunterschiede bewirken, daß die Düse die Neigung hat, statt sich zu öffnen, zu schließen, und zwar unter der Einwirkung der Kräfte des statischen Druckes des Austrittsgasstromes.

Der Sekundärluftdruck im Kanal 11 und im Hohlraum 70 kann entweder durch eine Einstellung des Eintrittsquerschnittes 11a durch einen geeigneten, nicht dargestellten Verschluß gesteuert werden, oder dadurch, daß die Größe des Spaltes 50 furch eine automatische Einstellung des Gestänges 52 gesteuert wird, woraus folgt, daß eine auf die Düse einwirkende Schließkraft vorhanden ist· Es können selbstverständlich nicht dargestellte Betätigungseinrichtungen vorgesehen sein, die Primärklappen und den angeschlossenen

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Teil dea Gestängemechaniamus 52 zu betätigen. Eine Einatellung dea Halaquerschnittes A_Q für einen wirkungsvollen Unterschallbetrieb duroh eine -Bewegung der Primärklappen 20 führt dazu, daß die Sekundärdüae in eine andere Stellung schwimmt, und zwar duroh die Gestangeanordnung. Der Ringapalt 50 wird jedooh im wesentlichen unverändert. Zusammen mit dem riohtigen eingestellten Verhältnis von Lq zu L iat es die Einstellung der Expansion dea Arbeitamediums oder des statischen Druokes im divergenten Absohnitt der konvergenten-divergenten Düse, die zusammen mit dem gesteuerten Sekundärluftdruok die Düse schwimmend in die optimale Stellung bewegt.

Bei einer Triebwerkaaustrittsdüse für Übersohallbetrieb ist es für einen Betrieb mit höherem Wirkungsgrad jedoch zusätzlich dazu, daß man eine hohe innere leistung erhält und e-inen hohen Be triebe wirkungsgrad duroh das Portlassen von Klappenbetätigungsmeohanismen, was duroh die beschriebenen Verbesaerungen möglich ist, ebenfalla wünschenswert, den aog. Heckwiderstand insbesondere bei einem Unterschallbetrieb auf ein Minimum herabzusetzen. Zu diesem Zweok werden duroh die Erfindung weitere Einrichtungen geschaffen, durch die, wenn sioh die Düse in der geschlossenen oder inneren Stellung (Pig, 3) befindet, die Düse auf

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einen optimalen Heokverjüngungswinkel eingeteilt wird, wodurch ein minimaler Heckwiderstand erreicht wird, wobei die Einrichtung derart ist, daß in der offenen Stellung die Düse praktisch eine zylindrische Oberfläche bildet, deren Heckverjüngungswinkel Null ist und deren Heckwider— stand ebenfalls Null ist. Wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, sind die äußeren divergenten Klappen 32 nach innen durch elastische Einrichtungen 62 federbelastet, wobei die elastische Einrichtung 62 am Gelenkpunkt 63 an der äußeren Oberfläche der Klappen 28 angelenkt ist und am Punkt 64 an den Klappen 32 ebenfalls angelenkt ist. In der inneren Stellung bilden die äußeren Klappen 32 eine konische und geschlossene Oberfläche, wie es in Fig. 4 aohematisch gezeigt ist, wobei diese geschlossene Oberfläche durch eine sich überlappende Anordnung von Dichtungen 66 erzielt wird. Die Gestaltung der Feder 62 und die Befestigungsstellen der Federn an den Klappen sind so gewählt, daß die in Fig. 3 dargestellte Ringfläche B in Abhängigkeit vom Betriebsbereich auf einen minimalen Heckwiderstand eingestellt werden kann. Obwohl die Klappen in Fig. 4 längs ihrer Seiten aneinander liegend dargestellt sind, können die Klappen 32 in der Breite verändert werden, damit ein vollständiges Schließen bis zu einem Punkt durchgeführt werden kann, an welchem die stromab gelegenen En-

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den der Klappen 32 sioh auf der oberen Oberfläche der Klappen 28 abstützen. Auf diese Weise kann der sog, Heckverjüngungswinkel ebenfalls verändert werden, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das Triebwerk oder das Flugzeug mit Reisebedingungen arbeiten oder ob der Betrieb in einem anderen Bereich durchgeführt wird.

Die beweglichen Klappen 36 werden sowohl zum Tragen der inneren divergenten Klappen 28 als auch zum Einstellen der Lage der inneren divergenten Klappen 28 verwendet, und ferner wird mittels diesen Klappen 36 ein Hohlraum 70 geschaffen, der ssur Erzeugung des erforderlichen Druokunterschiedes beiträgt, wie es oben beschrieben wurde, damit die divergenten Klappen in die erforderliche Lage schwimmen können« Die äußeren Klappen 32 steuern den Heokwinkel ,3 und die Basisfläohe B, und zwar mittels des Druckes im Hohlraum 70 a und der Feder 62. Irgendeine Leckströmung an den Sekundärklappen 36 der beschriebenen Ausführungsform vorbei erzeugt keinesfalls einen so hohen Leistungsverlust, wie er bei bekannten Düsen üblich ist, da die Strömung in die Düsenbasisflache B gerichtet ist, wo die Strömung eine Druckerhöhung in der Basisfläche erzeugt, und dies trägt dazu bei, den Düsenheckwiderstand zu verringern·

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Im Unterschallbetriebsbereich wird ein optimaler Antriebswirkungsgrad der Düse dann erreicht, wenn der Austrittsquerschnitt Ag lediglich etwas größer ist als der Halsquerschnitt Aq. An diesem Betriebspunkt ist das Expansionsverhältnis A_n zu'Ao minimal. Dies verhindert eine Überexpansion des Arbeitsmediums unter den atmosphärischen Druck. Unter diesen Betriebsbedingungen tritt Sekundärluft aus dem Kanal 11 duroh den Ringspalt 50 aus, um die Rate zu steuern, mit der die Sekundärluft, die eine verhältnismäßig geringe Geschwindigkeit aufweist und die im Kanal 11 vorhanden ist, den Ringquerschnitt füllt, der den Strom der Austrittsgase oder den Gasstrahl und den Strom der atmosphärischen Luft trennt, die über das Triebwerksgehäuse am Austrittsende dea Triebwerkes strömt oder am stromab gelegenen Ende der äußeren Klappen 32. Wie aus den Zeichnungen zu erkennen ist, ermöglicht die federbelastete duale äußere Klappenam»ordnung eine wahlweise Einstellung des Heokkonuswinkels, sowie eine gesteuerte Einstellung der sog, Basisfläche· Dies bedeutet, daß es duroh eine Auswahl der Federkonstanten möglich ist, gesteuerte Leckströmungen und Druckunterschiede zu erhalten, um die Fläche B und den Winkel β einzustellen, um einen minimalen äußeren Widerstand zu erhalten. Während des sog. transsonischen Düsenbetriebes oder während eines Betriebes mit Zwi^chendrucken ist der divergente Abschnitt der Düse wirlc-

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sam, um den Druck der Arbeitsflüsaigkeit, der daa kritische Druokverhältnis übersteigt, auf etwa Atmosphärendruok zu entspannen» Dadurch wird die Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit auf Übersohallgesohwindigkeitawerte erhöht, die für einen Betrieb des Flugzeugea mit hohem Wirkungsgrad erforderlich sind. In diesem Betriebsbereioh wird der sekundäre oder divergente Absohnitt der Düse derart eingestellt, daß das Arbeitsmedium nicht weiter entspannt wird. Mit anderen Worten sei gesagt, daß das Verhältnis Aq zvl Aq derart eingestellt ist, daß der maximale Nutzeffekt des Schubes erhalten wird, der im Gasstrom zur Verfügung steht. Wenn die Fluggeschwindigkeit nun auf einen Wert erhöht wird, der weit über der Überaohallgeschwindigkeit liegt, so wird der Druck des Gasstromes, der in die Einlaßöffnungen 11a und 12 a eintritt, ganz erheblich erhöht. In diesem Betriebsbereioh muß der divergente Abschnitt der Düse vergrößert werden, um das Arbeitsmedium im wesentlichen auf Atmosphärendruok zu entspannen. Aus diesem Grund muß ein höheren Verhältnis von Austrittsquersohnitt zu Halsquerschnitt, d.h. von Aq zu Ag erhalten werden· Wenn das primäre Antriebsmedium den konvergenten Abschnitt verläßt, wird dieses Medium, wie oben beschrieben, entspannt, und der statisohe Druok nimmt im sekundären Abschnitt ab. Beispielsweise ist für ein gegebenes Strahltriebwerk bei einer Geschwindigkeit

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von Mach 1,2 ein inneres Düsenexpanaionaverhältnia von etwa 2,0 für eine optimale innere Leiatung der Düae angezeigt. Für eine schwimmende Düse ist diea wegen der verhältnismäßig kurzen äußeren Klappen nicht die Einstellung für eine optimale leistung (innere leistung minus Heokwiderstand),und eine Verbesserung dieser sog. installierten Leistung kann dadurch erzielt werden, daß man die Düse in ein Queraohnittaflächenverhältnis von 2,2 Ms zu 2,4 nineinschwimmen läßt. Für eine gegebene Düse wird deshalb das schwimmend eingestellte Expansionsverhältnis Aq zu A₈ durch eine Größe bestimmt, die als Schwimm-Parameter bezeichnet wird oder als Verhältnis L₀ zu L, Beispielsweise ist, damit der divergente Abschnitt der dargestellten Düse in eine Lage schwimmen kann, in der während der sog, transsonischen Beschleunigung ein optimaler installierter Wirkungsgrad erzielt werden kann, ein Verhältnis von L₀ zu L zwischen 0,5 und 0,6 erforderlich. Für andere Triebwerks- und Flugzeugbetriebabereiche können etwas verschiedene Verhältnisse von L_Q zu L gewählt werden. In jedem Fall wird dieses Verhältnis derart gewählt, daß die Klappen des divergenten Düsenabschnittes in die gewünsohte oder vorbestimmte Lage hineinschwimmen.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 5

INSPECTED

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und 6 dargestellt ist, ist eine Anzahl von abgeänderten äußeren Klappen 72 vorgesehen, wobei diese Klappen in Pig· 5 in ihrer maximalen öffnungsstellung gezeigt sind. Die Klappen 72 sind federn nach innen durch elastische Einrichtungen 73 vorgespannt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die inneren divergenten Klappen 75 verkürzt, und in der Überschallbetriebssteilung liegen diese Klappen in einer Aussparung 77 in der inneren Oberfläohe der äußeren divergenten Klappen 72. Eine zweite Anzahl von divergenten Klappen 78 ist außerhalb der Klappen 75 angeordnet. Die Klappen 78 sind bei 79 und 80 mit den inneren Klappen 75 gelenkig verbunden und neben dem stromauf gelegenen Ende der äußeren Klappen 72 angelenkt. Für die Einstellung des sog. Heokverjüngungswinkels sind die Klappen 72 bei 81 am stromab gelegenen Ende des Triebwerksgehäuses angelenkt. Bei dieser Ausführungsform bilden die äußeren Klappen 72 einen Teil der inneren Wandung 75 a des divergenten Abschnittes. Diese Ausbildung vermindert etwas die Kräfte, die auf die divergenten Wandungen 78 einwirken, und zwar durch die Verkürzung der inneren Klappen 75, verglichen mit den Klappen 28 der vorher beschriebenen Ausführungsform·

Es sei bemerkt, daß ein wesentlicher Vorteil, der durch die Erfindung erzielt wird, der ist, daß durch die Hinzu-

009813/0435 fügung

fügung einer sog, zweiten Anzahl von äußeren Klappen, d.h· dadurch, daß eine duale äußere divergente Klappenanordnung geschaffen wird, wie sie in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist, der äußere Heokverjüngungswinkel oder die sog. Heokbasisfläohe optimal gestaltet werden sollen, ohne daß dadurch die inneren Düsenquerschnitts-Verhältnisse oder die Düsenleistungen beeinträchtigt werden. Die sog, äußere und* innere leistung können deshalb unabhängig voneinander auf einen Optimalwert eingestellt werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung und wünschenswert, wenn es immer bei einem Flugzeug erforderlioh ist, große äußere Durohmesser der Triebwerksgondeln vorzusehen. Bisher war es mit einem großen Durchmesser der Triebwerksgondel wegen des Gewichtes und wegen der Zuverlässigkeit praktisch nicht möglich, die Düse in ausreichendem Maße langgestreckt zu gestalten, um sowohl die sog. äußeren als auch die inneren !Leistungen im optimalen Bereich zu halten. Das Gesamtgewicht, das durch die zusätzlichen Klappen hinzugefügt wird, kann, falls dies überhaupt ein Problem darstellt, dadurch mehr als kompensiert werden, daß die äußeren Klappen verkürzt werden, und daß die Gelenkstellen, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, angeordnet werden. Beim richtigen Verhältnis von L_Q zu L wlird jedoch das Gewicht, anstatt erhöht, tatsächlich verringert.

Patentansprüche 009813/0435

Claims

Patentansprüche

1. Konvergente-divergente Austrittsdüse für Strahltriebwerke für Überschallbetrieb, welohe einen Heokkanal und ein Gehäuse aufweist, welches den Heckkanal im Abstand umgibt, um zwischen diesen Teilen einen Sekundärluftkanal zu bilden, wobei eine Anzahl von in Umfangarichtung angeordneten äußeren Klappen mit ihren stromauf gelegenen Enden am Gehäuse angelenkt ist, und wobei eine Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten inneren Klappen, die den divergenten Absohnitt der Düse bildet, schwenkbar vom Gehäuse getragen wird, daduroh gekennzeichnet, daß eine Anzahl von in TJmfangsrichtung angeordneten Wandungsgliedern (36) stromauf gelegenen Enden am Gehäuse (35) angelenkt sind, und mit ihren Stromab gelegenen Enden an den inneren Klappen (28), daß der Raum zwischen &n Wandungsgliedern (36) und den inneren Klappen (28) einen Hohlraum (70) bildet, der mit dem Sekundärluftkanal (11) verbunden ist, daß der Druckunterschied, der auf die entgegengesetzt weisenden Oberflächen der inneren Klappen und der Wandungen (28, 36) die Lage der inneren und äußeren Klappen (28, 32) in bezug aufeinander und/oder gegenüber

.· der Triebwerksaohse einstellt, daß die stromab gelege-

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- jten

nen Enden der inneren und äußeren Klappen (28, 36) einander überlappend gegen die äußeren Klappen (32) anliegend, die sich im wesentlichen unter einem Winkel Null gegenüber der Triebwerksachse erstreoken, wenn daa Triebwerk in Überschallbereich arbeitet, daß der Druckunterschied die äußeren Klappen (32) auf einen bestimmten Y/inkel (ß) gegenüber der Triebwerks achse einstellt, um den Heckwiderstand bei Unterachallbetrieb auf ein Minimum einzuateilen.

2, Düse naoh Anapruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Primärklappen (20) mit ihren atromauf gelegenen Enden am Heckkanal (24) angelenkt sind, um den konvergenten Abschnitt der Düse zu bilden, und um den Halsquerschnitt (A₈) zu bestimmen, daß die stromab gelegenen Enden der inneren Klappen (28) schwenkbar über ein Gestängesystem (52) mit den Primärklappen (20) verbunden sind, daß dieses Gestängeaystem schwenkbar mit dem Gehäuse (35) verbunden ist, daß die Einstellung der inneren Klappen (28) entsprechend dem Druckunterschied den Halsquerschnitt (Aq) und den Auatrittaquerschnitt (Aq) verändert, um das Expansionsverhältnis (Aq zu Ag) der Düae einzustellen,

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3· Düse naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Elemente (62) die äußeren Klappen (32) mit den Wandungen (36) verbinden, daß diese Elemente die Neigung haben, die äußersten stromab gelegenen Enden der inneren und äußeren Klappen (28, 32) in ihre gegeneinander anliegende Stellung vorzuspannen·

4· Düse naoh einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Klappen (28, 32) relativ zueinander durch Druckunterschiede bewegt werden, um ihre stromab gelegenen Endabschnitte zu trennen, um einen Basisbereioh B für die Düse zu sohaffen, duroh welchen bei Untersohallbetrieb der Heokwiderstand auf ein Minimum herabgesetzt wird·

5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüohe, daduroh gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L_Q) der Düse vom stromauf gelegenen Ende der äußeren Klappe (32) der Austrittsfläche (Aq) zur Längserstreckung (L) der inneren Klappen (28) im Bereich von etwa 0,5 bis zu etwa 0,7 liegt, wenn das Triebwerk im Unterschallbereich arbeitet.

6.

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6. Düse naoh einem der vorhergehenden Ansprüohe, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ß)_f den die äußeren Klappen (32) mit der Triebwerksaohse im Unterschallbereioh einschließen, im Bereich von etwa 10° bis zu etwa 20° liegt.

7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die .Wandungen (78) an ihren stromab gelegenen Enden mit den stromab gelegenen Enden der inneren Klappen (75) gelenkig verbunden sind·

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