DE1626085A1 - Strahltriebwerkmodell - Google Patents
StrahltriebwerkmodellInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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Description
Patentanwalt D'ipl.-llK). Lothar MldlüSSIS <f
6 Frankfurt/Main i Patentanwalt i
Fosibdi 3C11 6 Frankfurt /Main 1 686-13D-42O4
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA
Strahltriebwerkmodell
Die Erfindung bezieht sich auf Strahltriebwerkmodelle und im
besonderen auf solche Strahltriebwerkmodelle, in denen keine Verbrennung stattfindet und die so ausgelegt sind, daß die aerodynamischen
Eigenschaften eines Strahltriebwerks in voller Größe, das an einem Flugzeug montiert ist, vorhergesagt werden können.
• ■ ■ ■ ■
Es ist seit langem üblich, Modelle zu verwenden, um Fahrzeuge in ^-
voller Größe in den verschiedensten Verhältnissen und Zuständen /
zu simulieren. Dieses Verfahren ist auf Flugzeuge mit Triebwerken in den verschiedensten Flugzuständen angewendet worden, ebenso
auf Automobile. Solche Modelle wfe^den einfach deswegen verwendet,
um Kosten und Zeit zu ersparen, die für die Bestimmung der Eigenschaften von Fahrzeugen in voller Größe aufzuwenden sind.
In der Geschichte des Flugzeugbaus bestand ein großer Teil der Schwierigkeiten darin, Daten, die im Windkanal an verkleinerten
Modellen gemessen wurden, auf das Flugzeug in voller Größe umzurechnen« Wenn beispielsweise ein Flugzeug gebaut worden ist und
geflogen wird, ist der Widerstand des Flugzeugs beträchtlich höher als derjenige Widerstand, der aus den Untersuchungen im Wind-
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kanal errecht worden ist. Einer der Gründe für diese Diskrepanz
besteht darin, daß das Antriebssystem des Flugzeuges im Windkanal nicht richtig geprüft wurde, da es nicht möglich
war, die inneren Ström-ungsverhältnisse im Antriebssystem mit
den bisher vewendeten Modellen zu simulieren. Daher sind die
Ergebnisse, die man aus solchen Windkanaluntersuchungen erhält, mit großen Fehlern behaftet und können am wirklc^hen Flugzeug
nicht bestätigt werden. Hieraus resultieren kostspielige Verzögerungen und unterlegene Leistungswerte. Bisher war es beim Flugzeugbau
üblich, ein Modell herzustellen und das Triebwerk mittels einer Triebwerkgondel zu simulieren, die mit einer öffnung versehen
war, durch die der Luftstrom frei hindurchströmen konnte. Da nun am Einlaß eines wirklichen Strahltriebwerks die Luft angesaugt
wird, während am Auslaß des Triebwerks die Luft mit hohem Druck austritt, findet zwischen dem Triebwerk und dem Flugzeug
eine sehr komplizierte, nur schwer vorhersagbare aerodynamische Wechselwirkung statt. Diese Wechselwirkung kann nur dann vorhergesagt
werden, wenn die Verhältnisse am Einlaß und am Auslaß des Triebwerkmodells den entsprechenden Verhältnissen des wirklichen
Triebwerks gleichen, wenn man also die Druckverhältnisse in der Ansaugdüse und die Abgasverhältnisse richtig einstellt. Offensichtlich
hat es wenig Sinn, das wirkliche Triebwerk verkleinert nachzubauen, da die Einzelteile eines solchen verkleinerten Triebwerks
sehr klein werden und da die Kosten eines solchen verkleinerten Triebwerks sehr hoch sind. Darüber hinaus gibt die Verkleinerung
eines solchen Triebwerks nicht notwendigerweise die Gewähr dafür, daß man eine genau proportionale Ausgangsleistung erhält.
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Ziel der Erfindung ist daher ein Strahltriebwerksmodell, das,
sich, an einem Flugzeug angebaut^ genauso verhält wie ein wirkliches
Strahltriebwerk, so daß man Ergebnisse erhalten kann, die sich in jeder Hinsicht geometrisch und aerodynamisch maßstabsgerecht
übertragen lassen. Dieses Modell soll sich also genauso
wie ein wirkliches Triebwerk verhalten und mit Ansaugdüse, bestimmten Druckverhältnissen, einem bestimmten Durchsatz und einem
bestimmten Schubstrahl versehen sein und zudem gegenüber dem Flugzüjegmodell,
an dem es angebaut ist, bewegbar sein, so daß man vom
verkleinerten Modell die größtmögliche Menge an aerodynamischen Informationen erhalten kann«
Ein Schubtriebwerksmodell ist erfindungsgemäß mit einem Gehäuse
ausgerüstet, dessen Gestalt geometrisch wie das Gehäuse eines wirklichen Gasturbinentriebwerkes ausgebildet ist. Das Gehäuse
des Modells weist einen Einlaß und einen Auslaß auf, die geometrisch
dem Einlaß und dem Auslaß eines wirklichen Gasturbinentriebwerks
ähnlich sind. In das Modellgehäuse ist eine Turbine eingesetzt, die dazu dient, Luft durch den Einlaß anzusaugen und einen
Schubstrahl durch den Auslaß auszustoßen. Diese Turbine ist von solcher Größe und wird so betrieben, daß das ganze Schubtriebwerksmodell
sowohl geometrisch als auch aerodynamisch einem wirklichen Gasturbinentriebwerk ähnlich ist. Die Turbine des Modells-ist durch
ein Treibmittel antreibbar. Die durch den Einlaß angesaugte Luft ist die Luft der Umgebung. Der Schubstrahl, der durch den Auslaß
ausgestoßen wird, besteht aus der Umgebungsluft, die durch den
Einlaß angösaugt wird, sowie aus dem Treibmittel, das der Turbine
des Modells zugeführt ist.
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Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen
im einzelnen beschrieben werden.
Fig. T ist ein Modell eines Front-Fan-Zweikreistriebwerkes nach
der Erfindung, das an einer Flugzeugtragfläche aufgehängt ist.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch das MOdell aus Fig. 1 und zeigt die
Strömungswege innerhalb des Modells.
Fig. 3 zeigt die verschiedenen Stellungen, die das erfindungsgemäße Triebwerksmodell gegenüber der Flugzeugtragfläche oder
gegenüber der Flugzeugzelle einnehmen kann. Weiterhin ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der das Triebwerksmodell in diese
verschiedenen Stellungen gebracht werden kann.
Die Erfindung kann auch auf Aft-Fan-Zweikreistriebwerke, auf
Mantelstromtriebwerke oder auch auf einfache Gastrbinentriebwerke angewendet werden. Die Erfindung wird anschließend anhand
eines Front-Fan-Zweikreistriebwerkes mit einem hohen Bypaß-Verhält·
nis beschrieben, in das konzentrisch ein Strahltriebwerkmodell eingesetzt ist. Der Fanmantel reicht nicht bis zum hinteren Ende
des Triebwerkmodells obwohl die Erfindung auch auf reine Manteilstromtriebwerke angewendet werden kann. Unter einem Zweikreistriebwerk mit hohem Bypaß-Verhältnis soll ein Triebwerk mit
einem Bypaßverhältnis von 1,8 zu 1 oder größer verstanden werden.
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In der Fig. 1 ist nun ein Front-Fan-Zweikreistriebwerk dargestellt,
wie es erfindungsgemäß als Modell simuliert werden soll. Hierzu ist mittels eines Pylons 14 ein Triebwerksmodell 12 an
einer Flugzeugtragfläche 10 bzw. an einem Flugzeugrumpf 10 auf- "
gehängt. Es sei bemerkt, daß der Pylon 14 nur der Zweckmäßigkeit
halber dargestellt ist. Wichtig ist nur, daß das Triebwerksmodell
12 irgendwie am Flugzeug montiert ist. Das Triebwerkmodell 12 kann
das Modell eines konzentrischen Front-Fan-Zweikreistriebwerkes
mit einem inneren Gasturbinenstrahltriebwerk 16 sein, das die Abgase
durch eine Schubdüse 18 ausstößt. Wenn ein Front-Fan-verwendet wird, kann man auf bekannte Weise eine zusätzliche Düse 20
vorsehen. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird die Beschreibung anhand
einer konzentrischen Anordnung mit kreisförmigem Querschnitt durchgeführt.
Die Erfindung ist aber nicht auf Triebwerke beschränkt,
die in Gondeln mit kreisförmigem Querschnitt eingebaut sind. Um zusätzlichen SChub zu erzeugen, ist auf bekannte Weise konzentrisch
zum Triebwerk 16 ein Fan 22 angeordnet, der radial außen über das Triebwerk 16 herausragt. Der Fan 22 ist von einem äußeren
Mantelring 24 umgeben, dessen Durchmesser grtfier als der Durchmesser
des Triebwerks ist und vom Triebwerk einen gewissen Abstand hat. Dadurch wird ein Strömungskanal 26 gebildet, durch
den verhältnismäßig große Luftmengen mit verhältnismäßig niedriget Geschwindigkeit hindurchgeführt werden, so daß sich auf bekannte
Weise zusätzlicher Schub ergibt. Wie bereits gesagt, handelt es sich bei dem beschriebenen Modell um das Modell eines Front-Fan.
Bei einem reinen Gasturbinentriebwerk können der äußere Ringmantel 24 und das dazu konzentrische innere Gehäuse 28 die Wandungen eines
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üblichen Strömungskanals bilden, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 3 035 759 mit "19" bezeichnet ist. Das Triebwerksmodell
aus Fig. 1 ist somit ein Zweikreistriebwerk mit hohem Bypaßverhältnis, das zwei Düsen 18 und 20 aufweist. Die Düse 18
ist hierbei in Verbindung mit dem Einsatz 30 gebildet.
Nun soll auf die Fig. 2 Bezug genommen werden. Das Triebwerksmodell
soll in Hinblick auf ein wirkliches Triebwerk so vollständig als möglich sein. Hierzu ist es erforderlich, daß das Triebwerk
einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, die in einem vorgegebenen Verhältnis zu einem wirklichen Triebwerk stehen, um die ziemlich
komplexen aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Triebwerk und dem Flugzeug, - sei es mit der Tragfläche oder mit dem Flugzeugrumpf - genau gessen zu können. Das ist zur Vorhersage des
Verhaltens des wirklichen Flugzeuges erforderlich.
Als erstes werden daher die Längen und die Querschnitte des Ringmantels
24, des Gehäuses 28 und der Strömungskanäle den entsprechenden Größen eines wirklichen Triebwerkes in einem genau vorgegebenem
Maßstab nachgebildet. Diese Größen werden also beispielsweise genau, fünfmal kleiner als bei einem wirklichen Triebwerk
gemacht. WEiterhin ist es wichtig, die Druckverhältnisse und den Massendurchsatz zu simulieren. Zu diesem Zweck kann am inrieren
Gehäuse ein Kompressor 34 angebaut sein, der Luft durch den Kanal 26 oder im Falle eines Einkreistriebwerkes durch einen entsprechenden
Strömungskanal hindurchsaugt. Der Antrieb des Kompressors kam auf jede passende Weise, auch durch einen Elektro-
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motor erfolgen. Besonders günstig ist es jedoch, den Kompressor
mittels einer Turbine 36 anzutreiben, die im dargestellten Ausführungsbeispiel
hinter dem Kompressor sitzt und mittels einer Welle 38 mit dem Kompressor verbunden ist. Der Kompressor bzw.
der Fan 34 und die Turbine 36 können genau nachgebildet werden,
um den Sog am Einlaß und den SChub am Auslaß zu simulieren. Da
es nicht möglich ist, ein vollständiges Triebwerk in genauem Maßstab
nachzubilden, fehlt beim Triebwerksmodell eine Brennkammer. Das Triebwerksmodell kann jedoch innerhalb des Gehäuses mit einer
Ringkammer 40 versehen sein, die hinter dem Fan angeordnet ist. Diese Ringkammer ersetzt die Brennkammern in einem wirklichen
Triebwerk und wird an Stelle der Brennkammer am gleichen Ort verwendet.
Um nun sinnvoll die aerodynamischen Wechselwirkungen hervorzurufen,
sind der Kompressor 34 und die Turbine 36 weiterhin so ausgelegt, daß sie ein Druckverhältnis sowie Massendurchsätze
durch die Strömungskanäle hervorrufen, die zu den entsprechenden Größen eines wirklichen Triebwerks in einer genau bestimmten Beziehung
stehen. Hierzu werden die Druckverhältnisse im Modell den Druckverhältnissen in dem wirklichen Triebwerk gleich gemacht,
während der Massendurchsatz im gleichen Verhältnis wie die geometrischen Abmessungen verkleinert wird. Wenn also die Längen und
die Querschnitte fünfmal kleiner als bei einem wirklichen Triebwerk gewählt werden, wird auch der Massendurchsatz beim Modell fünfmal
kleiner als bei einem tatsächlichen Triebwerk gemacht. Das Treibmittel kann der Turbine von außen von einer beliebigen Quelle zugeführt
werden. Es wird dann ducch den Pylon 14 hindurchgeleitet
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und gelangt in die Kammer 40 hinein, so daß das Treibmittel die Turbine antreibt und durch die Düse 18 hindurch wieder in Freie
tritt.
Um nun die Simulierungsmöglichkeiten flexibler zu gestalten, so daß sich die Anordnung bestimmen läßt, die den geringst möglichen
Widerstand bietet, ist das Modell mit einer Vorrichtung versehen, durch die sich die Lage oder Stellung des Modells gegenüber der
Flugzeugzelle oder gegenüber dem Modell eines Tragflügels verändem läßt. Um das Triebwerksmodell aus der in Fig. 3 durch ausgezogenen
Linien dargestellten Stellung in die gestrichelt dargestellten Stellung zu bringen, kann man jede passende Vorrichtung
verwenden. Wichtig ist nur, daß die longitudinale und die vertikale Stellung des Modells gegenüber dem MOdell der Flugzeugzelle
bzw. der Tragfläche verändert werden kann, so daß man das Triebwerksmodell in allen in Frage kommende Stellungen untersuchen
kann und für alle in Frage kommende Stellungen Daten gewinnen kann. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, können zur Veränderung der Stellung
des Triebwerkmodells mehrere tragflächenartig ausgebildete Pylone vorgesehen sein, die bei "44." und bei "46" an dem Tragflügelmodell
und am dem Triebwerksmodell einrasten. Es ist aber auch jede andere Vorrichtung brauchbar, die die Stellung des Triebwerksmodells
gegenüber dem Flugzeugmodell longitudinal und/oder vertikal verändert. Bei einem maßstabsgerechten MOdell, bei dem
das Triebwerksmodell und das MOdell der Flugzeugzelle und/oder der Tragfläche um einen vorgegebenen Faktor verkleinert sind, ist
es einfacher und billiger, unterschiedliche Pylone zu benutzen, um die Stellungen des Tiriebwerksmodells zu verändern.
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An dem beschriebenen Schubstrahltriebwerksmodell bzw. an der
beschriebenen angetriebenen Triebwerksgondel läßt sichjdaher das Verhalten eines wirklichen Triebwerkes mit großer Genaiigkeit
untersuchen. Die Länge, der Durchmesser und der Massendurchsatz des' Modells sind einem wirklichen Triebwerk maßstabsgetreu nachgebildet.
Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß durch das Vorsehen der verbrennungslosen Einrichtung die gleichen Druckverhältnisse
wie bei einem wirklichen Triebwerk hervorgerufen werden können, so daß die aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen
einem Triebwerk und einer Flugzeugzelle oder einer Tragfläche simuliert werden können. DA weiterhin erfindungsgemäß
Maßnahmen getroffen worden sind, um die STellung des Triebwerk-, modells gegenüber dem Flugzeugmodell zu verändern, ist es möglich,
mit dem Modell nach der Erfindung einen vollständigen Satz von Untersuchungsergebnissen zu gewinnen, aus dem der Widerstand
eines wirklichen Flugzeuges mit einer wesentlich größeren Genauigkeit als bisher möglich vorhergesagt werden kann.
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Claims (8)
1. Strahltriebwerksmodell mit einem Gehäuse, dessen äußere Gestalt
der äußeren Gestalt eines wirklichen Gasturbinenstrahltriebwerkes in genauem geometrischen Verhältnis nachgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) des Modells eine Ansaugöffnung (26) und eine Ausstoßöffnung
(18,20) aufweist, die der Ansaug- und der Ausstoßöffnung eines wirklichen Triebwerks geometrisch nachgebildet sind,
daß innerhalb des Modellgehäuses (12) eine Turboeinrichtung (34,36,
,38) vorgesehen ist, durch die ein Gasstrom durch die Ansaugöffnung
(26) angesaugt und durch die Ausstoßöffnung (18,20) ausgestoßen ist, und daß die Turboeinrichtung so dimensioniert und betreibbar
ist, daß sich das Triebwerksmodell während des Betriebs geometrisch und aerodynamisch ähnlich wie ein wirkliches Gasturbinentriebwerk
verhält.
2. Strahltriebwerkmodell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß eine Treibmittelquelle C*2) vorgesehen
ist, durch deren Treibmittel die Turboeinrichtung (34,36,38) angetrieben ist, daß der durch die Ansaugöffnung angesaugte Gasstrom
Umgebungsluft ist, und daß der durch die Ausstoßöffnung (18,20) ausgestoßene Gasstrom aus der durch die Ansaugöffnung
angesaugten Umgebungsluft und aus dem Treibmittel besteht, das der
Turboeinrichtung zugeführt ist.
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3. Strahltriebwerkmodell nach Anspruch T oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Turboeinrichtung eine
Turbine (36) und einen Kompressor (34) aufweist, der von der
Turbine angetrieben ist, und daß das Treibmittel der Turbine zugeführt ist.
4. Strahltriebwerks nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet
, daß das Modellgehäuse C12) zwei Strömungskanäle (26,32) aufweist, die in dem Gehäuse gebildet sind,
daß der Kompressor (34) im ersten (26) und die Turbine im zweiten (32) Strömungslcanal angeordnet sind, daß die Ansaugöffnung (26) durch
denjersten Strömungskanal (26) mit einer Ausstoßöffnung (20) verbunden
ist, daß die Treibmittelquelle (42) durch den zweiten Strömungskanal (32) mit einer weiteren Ausstoßöffnung (18) verbunden
ist, und daß während des Betrieb durch den ersten Strömungskanal nur die Luft aus der Umgebung und durch den zweiten Strömungskanal
nur das Treibmittel hindurchgeführt ist.
5. Triebwerkmodell nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kompressor (34) und die Turbine (36) derart dimensioniert sind, diß sie in den Strömungskanälen (26,32) Massendurchsätze und Druckverhältnisse hervorrufen,
die zu den Massendurchsätzen und den Druckverhältnissen in einem wirklichen Gasturbinentriebwerk in einem vorgegebenen
Verhältnis stehen.
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6. Triebw.erkmode.il nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
g e k e η η ζ ei c h η e t durch eine Halterung zum Aufhängen
des Triebwerkmodells an einer Flugzeugzelle oder einer Tragfläche , so daß die aerodynamischen Eigenschaften eines wirklichen
Triebwerks vorhersagbar sind, das an ein Flugzeug angebaut ist.
7. Tri^bwerkmodell nach Anspruch 6, dadurch g e-
k e η η ζ ei c h η et . daß die Halterung zum Aufhängen des
Triebv/erJkmodells einen Pylon aufweist, und daß die Turbine des
Modells mit der Treibmittelquelle über eine Leitung verbunden ist,
die innerhalb dieses Pylons angeordnet ist.
8. Triebwerkmodell nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
g e k e η η ζ e i c h η e t durch seine Aufhängung an
einem Flugzeugmodell 5 das dem wirklichen Flugzeug im gleichen Maß-^
stab wie das Triebwerkmodell einem wirklichen Triebwerk nachgebildet
ist.
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