DE1626143A1 - Basisschubduese - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Düsen für Überschallfahrzeuge. Die_; Erfindung bezieht sich insbesondere auf Basisschubdüsen (base-thrust nozzles) für Überschall- oder Hyperschallfahrzeuge mit verbessertem Schub im Bereich an der Düsenbasis.

In den letzten Jahren hat die Flugzeug- und Raketenindustrie damit angefangen, Basisschubdüsen für Überschall- und Hyperschallfahrzeuge zu verwenden. Überschallfahrzeuge sind Flugzeuge, Raketen und dergleichen, die mit größerer Geschwindigkeit als der Schallgeschwindigkeit fliegen (Mach-1). Hyperschallfahrzeuge sind Flugzeuge, Raketen und dergleichen, die Geschwindigkeiten von mehr als Mach-5 oder Mach-6 erreichen können.

'Basisschubdüsen sind durch ein Basisglied gekennzeichnet, das im Inneren des die Triebwerks- oder Raketendüse bildenden Gehäuses derart montiert ist, daß die Düseneinschnürung zwischen dem Basisglied und der Innenseite der Düsengehäuseoberfläche gebildet wird. Die Basisschubdüsen unterscheiden sich also von

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den herkömmlichen Düsen von Strahltriebwerksflugzeugen und Raketen, bei denen die Düseneinschnürung durch die Gestalt des Düsengehäuses selbst gebildet wird.

Es wurde gefunden, daß Basisschubdüsen viel höhere Expansionsverhältnisse der zum Antrieb des Flugzeuges oder der Rakete verwendeten Fluidumsströme erreichen, als sie bei herkömmlichen Düsen mit der gleichen Düsenlänge und dem gleichen Düsengewicht erreicht werden» Basisschubdüsea liefern außerdem gute Betriebs-Leistungg-Höfoen bei niedriger H9he_s d. h. bei niedrigen Düsenbetri@bsdruckv©rbältnissei£i. Derartige Betriebs-Leistungs-Höhen können bsi geringen Höhen mit herkömmlichen Düsen, die ähnliche Expansioasverhältniss© haben? nicht erreicht werden.

Weitere j, durch die Verwendung von Bas is schubdüsen erreichte Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß diese Düsen einen äußerst geringen äußeren Luftwiderstand bieten. Daß die Basisschubdüsen nur ©inen äußerst geringen Luftwiderstand erzeugen, hat seinen Grund darin, daß ihre äußere Kontur oder Form sich nicht ändern muß, um die konvergierenden und konvergierend-divergierenden Abschnitte zu bilden, die zur Erlangung von Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeiten notwendig sind.

Bei der Anwendung von Basisschubdüsen ergeben sich zwar diese verschiedenen Vorteile, es war jedoch bisher nicht möglich, bei diesen Düsen den maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, weil für diese Düsen auch ein verminderter und unwirksamer Schub im Basisbereich der Düsen typisch ist. Die das Flugzeug oder das Raketenfahrzeug antreibende Strahlströmung wird nämlich beim Durchtritt durch eine Basisschubdüse vom Basisglied zwangsläufig zerteilt und fließt durch den zwischen dem Düsengehäuse und dem Basisglied gebildeten Kanal. Wenn die Strömung das strömungsabwärts liegende Ende des Basisgliedes erreicht, ist sie vom Basis-

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glied bereits zerteilt, so daß der Bereich am Basisglied und strömungsabwärts von diesem wenig Fluidum der Strömung enthält und folglich einen Wirbelbereich verhältnismäßig niedrigen, statischen Druckes aufweist. Dies ist der "zerteilte Basisbereich", der als Bereich strömungsabwärts der Düseneinschnürung definiert wird, in dem die Primärstrahlströmung infolge der Ablenkung der Strömung durch das Basisglied selbst fehlt. Der Wirkungsgrad der Basisschubdüsen wird durch diesen niedrigen Druck im zerteilten Basisbereich vermindert, der einen entsprechend niedrigen Basisschub erzeugt und folglich die Gesamtschubleistung des Fahrzeuges mindert.

Es ist bereits erkannt worden, daß die Gesamtleistung von Basisschubdüsen durch Erhöhung des Druckes im zerteilten Basisbereich verbessert werden kann,und es sind zahlreiche Versuche angestellt worden, um diesen Druck zu erhöhen und dadurch einen größeren Schub im Basisbereich zu erzeugen. Ein Verfahren bestand darin, Fluidumeströmung von einer Sekundärquelle unmittelbar durch das Basisglied selbst in diesen zerteilten Basisbereich durch Anordnung von öffnungen in der Basisplatte - d. h. in der strömungsabwärts liegenden Seite des Basisgliedes - zu leiten.

Diese Vorschläge ergaben jedoch aus zwei Hauptgründen keine vollkommen wünschenswerte Lösung für das Problem des niedrigen Basisschubes. Zum ersten sind diese Systeme nicht wirksam, weil sie die im zerteilten Basisbereich vorhandene natürliche Fluidumsströmung nicht benutzen, sondern dieser tatsächlich unmittelbar entgegenwirken. Das im verteilten Basisbereich vorhandene Fluidum wird normalerweise in eine Richtung auf das Basisglied (d. h. strömungsaufwärts) zurückzirkuliert, nachdem es durch Berührung mit der strömungsabwärts der Düse erzeugten Rekompressionsstoßwelle in diese Richtung umgelenkt worden ist. Daher wirkt das strömungsabwärts durch das Basisglied injizierte Fluidum der nor-

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malerwelse Im zerteilten Basisbereich vorhandenem, strömungsaufwärts gerichteten Fluldumsströmung entgegen.

Zum zweiten wirken die bekannten Systeme, bei denen eine Fluidumszwelgströmung durch das Basisglied verwendet wird, ungünstig auf das Gesamtantriebssystem, und zwar entweder weil eine sekundäre Zweigstromfluidumsquelle in Form von Vorratstanks zur Verwendung in diesem Basiszweigstromsystem erforderlich ist, die das Eigengewicht und die Abmessungen des Systems vergrößern, oder weil Fluidum aus dem Primärantriebssystem abgezweigt wird. Der durch dieses "Basis-Zweigstrom"~System erreichte Vorteil hat sich als nicht ausreichend erwiesen, um diese ungünstige Beeinflussung des Primärantriebsystems zu rechtfertigen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen und verbesserten Bas is schubdüse, bei der ein höherer Druck im zerteilten Basisbereich und folglich eine größere Schuberzeugungsleistung im Basisbereich erreicht wird. Der höhere Druck im zerteilten Basisbereich einer Basisschubdüse wird durch Benutzung der natürlichen Fluidumsströmung im Basisbereich und der natürlicherweise auftretenden Stoßwelle erreicht, die strömungsabwärts des Basisbereiches vorhanden ist.

Bei der Basisschubdüse gemäß der Erfindung zur Verwendung in Überschallfahrzeugen werden alle Schub-erzeugenden Oberflächen während des Betriebs des Antriebssystems wirksamer benutzt, so daß ein besserer Basisdruck und ein besserer Schub während des Betriebes erzielt wird. Ein Teil des Fluidums von der Primärstrahlströmung von der Düse wird zur Vergrößerung des Druckes im zerteilten Basisbereich und folglich zur Vergrößerung des Basisdruckes benutzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden ErfIn-

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dung wendet eine Basisschubdüse für ein Über schallfahr zeug sowohl ein sekundäres Fluidum als auch die primäre Strahlströmung von der Düse an, um den Druck im zerteilten Basisbereich zu erhöhen. Diese Düse liefert eine viel höhere Schubleistung als die bekannten Systeme, bei denen Sekundärfluiden verwendet werden.

Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck im zerteilten Basisbereich eines Basisschubdüsensystems eines Überschallfahrzeuges ohne Anwendung von Sekundärfluiden vergrößert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung herausgestellt und ergeben sich zum anderen Teil von selbst aus dieser Beschreibung oder aus der Anwendung der Erfindung; die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Einrichtungen und Kombinationen realisiert und erreicht, die in den beiliegenden Ansprüchen besonders herausgestellt sind.

Die verbesserte Basisschubdüse gemäß der Erfindung weist ein einen Innenkanal zum Durchtritt einer Fluidumsströmung hoher Geschwindigkeit umschließendes Gehäuse, sowie ein in diesem Innenkanal montiertes Basisglied auf, das mit dem Gehäuse eine Düseneinschnürung zur Verringerung der für die Fluidumsströmung verfügbaren Kanalquerschnittsfläche bildet, wobei das Basisglied an seinem strömungsabwärts gelegenen Ende eine Basisplatte zur Aufnahme des strömungsaufwärts gegebenen Schubdruckes während des Betriebes des Antriebssystems hat; ferner ist an einem Ende an der Basisplatte ein Stachel befestigt, der von der Basisplatte strömungsabwärts ragt. Dieser Stachel liefert gemäß der vorliegenden Erfindung die gewünschte Erhöhung des strömungsaufwarts auf das Basisglied wirkenden Schübdruckes.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet das strömungsabwärts liegende Ende des Stachels eine zweite Oberfläche, die zur Aufnahme des strömungsauf war ts gegebe-, nen Schubdruckes während des Betriebes des Antriebssystems in der Lage ist« Der Stachel verlagert daher nicht nur den Teil der Oberfläche der Basisplatte, auf den normalerweise der Niederdruckbereich unmittelbar strömungsabwärts des Basisgliedes wirkt, sondern er liefert auch eine Oberfläche (d. h. das strömungsabwärts liegende Ende des Stachels), auf die ein Bereich höheren Druckes strömungsabwärts des Niederdruckbereiches wirkt. Der Stachel überträgt den auf sein strömungsabwärts liegendes Ende wirkenden Druck auf die Basisplatte und vergrößert so den insgesamt strömungsaufwärts auftretenden Schub des Basisgliedes.

Es hat sich ferner gezeigt, daß durch das Vorhandensein des Stachels auch der auf den nicht verlagerten Teil der Basisplatte selbst wirkende Schubdruck strömungsaufwärts vergrößert wird,und folglich vergrößert das Vorhandensein des Stachels bei der verbesserten Düse gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den auf das Basisglied wirkenden Druck sowohl durch Vergrößerung des unmittelbar auf die Basisplatte selbst wirkenden Drukkes als auch dadurch, daß das k strömungsabwärts liegende Ende des Stachels einen unwirksamen Teil der Basisplatte ersetzt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck im zerteilten Basisbereich und folglich die Gesamtschubleistung der Basisschubdüse weiter dadurch vergrößert, daß man eine Düse mit einem Stachel vorsieht, der Mittel zum Abzweigen eines Teils des Fluidums der Primärstrahlströmung strömungsabwärts der Basisschubdüse in einen Bereich an der Basisplatte (d. h.' des zerteilten Basisbereiches) aufweist. Diese Abzweigung von Fluidum aus der Primärstrahlströmung zum zerteilten Basisbereich kann auf irgendeine geeignete Weise geschehen. Gemäß einer bevor-

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zugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht man dies durch die Anordnung eines Stacheis mit Fluidumsinjektionseinrichtungen, dia man zur Erzeugung einer Fluidumsbarriere für die Primäretrahlströmung an einer Stelle strömungsäbwärts des Basisgliedes verwenden kann, vm so einen Teil der Primärströmung strömungsauf wärts und in den zerteilten Basisbereich abzuzweigen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Fluidum der primären stromabwärts befindlichen Strahlströmung in den zerteilten Basisbereich durch die Verwendung eines Stachels mit einem Innenkanal abgelenkt, der den zerteilten Basisbereich mit einem Bereich höheren Druckes strömungsäbwärts des Basisgliedes verbindet, damit infolge des Druckunterschiedes zwischen dem strömungsäbwärts liegenden Hochdruckbereich und dem zerteilten Basisbereich Fluidum vom Hochdruckbereich zum zerteilten Basisbereich getrieben wird.

Gegenstand der Erfindung sind die neuen Teile, Konstruktionen, Anordnungen, Kombinationen und Verbesserungen, die in der Beschreibung und den Zeichnungen enthalten sind. Die beiliegenden Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Turbinenluftstrahltriebwerkes mit einer Basisschubdüse, die mit einem Stachel gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.

Fig. 2 zeigt einen Mittellängsschnitt durch den Düsenabschnitt einer Basisschubdüse mit einem hohlen Stachel, der mit

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Fluidumsinjektionseinrichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist.

Fig. 3 zeigt einen der Fig. 2 entsprechenden Längsschnitt durch eine Basisschubdüse mit einem hohlen Stachel, der gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an seinem strömungsabwärts liegenden Ende mit Einlassen und an seinem strömungsaufwarts liegenden Ende mit Auslässen versehen ist.

Fig. 4 zeigt einen Mittellängsschnitt durch einen Stachel von der in Fig. 3 dargestellten Art, der an seinem strömungsabwärts liegenden Ende gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Leitflansch versehen ist, welcher in Verbindung mit den Einlassen des Stachels die Leitung von Fluidum zum zerteilten Basisbereich erleichtert.

Selbstverständlich dienen sowohl die obige allgemeine Beschrei-r bung als auch die folgende Einzelbeschreibung nur zur Erläuterung und nicht zur Abgrenzung der Erfindung. Es wird nun im einzelnen auf die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen.

Der Begriff "Stachel" soll irgendein Glied bezeichnen, das eine strömungsabwärts gerichtete Verlängerung des Basisgliedes bildet und vom strömungsabwärts gelegenen Ende des Basisgliedes (d. h. von der Basisplatte) wegragt. Der Stachel ist zweckmäßig ein pa~ rallel zur Achse der Düse längliches Element mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt, der kleiner als der Querschnitt der Basisplatte ist. Der Ste.^eI kann ein massives Element sein, er kann aber auch gemäß der folgenden Beschreibung bevorzugter AUsführungsformen der Erfindung einen Innenkanal aufweisen. Gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsform hat der Stachel die

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Gestalt eines längliehen Zylinders und bildet eine Verlängerung des Basisgliedes strömungsabwärts auf der Mittellinie der Düse.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Turbinenluftstrahltriebwerk, das mit einer verbesserten Basisschubdüse gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist. Das allgemein mit 10 bezeichnete Triebwerk weist einen Einlaßdiffuser 12 zur Aufnahme der zum Antrieb des Triebwerks verwendeten Fluiden auf. Der Einlaßdiffuser 12 bewirkt eine Verringerung der Relaufgeschwindigkeit des eintretenden Fluidums und eine Vergrößerung des Druckes desselben. Die Luft oder ein anderes Fluidum tritt nach dem Durchgang durch den Diffuser in einen Axialverdichter 14 ein, der gemäß der Darstellung im Wechsel angeordnete Leit- und Laufschaufeln aufweist, die das Fluidum vor seinem Eintritt in eine Brennkammer 16 weiter verdichtet.

In der Brennkammer 16 wird Brennstoff versprüht, verdampft und verbrannt. Die Luft oder das andere Fluidum wird vom Verdichter 14 auf irgendeine geeignete Weise in die Brennkammer eingeführt, beispielsweise durch Schlitze in einer Blechauskleidung.

Diese Schlitze vermischen die Luft und den Brennstoffdampf zur wirksamen Verbrennung und kühlen die Brennkammerauskleidung, um das äußere Brennkammergehäuse gegen die Hitze der Flamme zu schützen. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist das Triebwerk mit einer Turbine 18 versehen. Die Turbinendüsen lenken die mit hoher Geschwindigkeit bewegten Fluidumsströme von der Brennkammer gegen die auf den Rädern montierten Turbinenflügel. In den Flügeln wird das Fluidum umgelenkt und hierdurch die Turbinenräder angetrieben. Die Turbine 18 ist durch eine Antriebswelle 36 mit dem Verdichter 14 verbunden und die in der Turbine erzeugte Energie wird zum Antrieb des Verdichters verwendet.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Trieb-

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werk mit einem Nachbrenner 20 versehen, der unmittelbar strömungsabwärts der Turbine 18 angeordnet ist.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung liegt in der verbesserten Bauart der Düse und nicht in der speziellen Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Triebwerkes. Gemäß der Erfindung kann daher irgendeine Rakete oder ein Strahltriebwerk, wie etwa ein Luftstrahltriebwerk, ein Staustrahltriebwerk und dergleichen, mit der vorliegenden, verbesserten Basisschubdüse versehen werden. Die strömungsaufwärts der Düse in Fig. 1 dargestellten Konstruktionsteile dienen daher nur zur Erläuterung und nicht zur Abgrenzung des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung. Die verbesserte Basisschubdüse gemäß der Erfindung ist bei vielen Bauarten von Strahltriebwerken oder Raketentriebwerken anwendbar.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbinenluftstrahltriebwerk ist die Düse allgemein mit 22 bezeichnet. Gemäß der Darstellung hat das die Düse 22 bildende Gehäuse 38 eine im wesentlichen gerade äußere Form. Der äußere Teil des Gehäuses konvergiert also nicht zur Bildung der Düseneinschnürung, sondern die Einschnürung der Düse 22 wird zwischen einer konvergierenddivergierenden Innenfläche des Düsengehäuses und der geneigten Oberfläche eines Basisgliedes 24 gebildet. Das Basisglied 24 hat eine Basisplatte 40 und ist in dem vom Gehäuse 38 gebildeten Kanal mit Streben 28 (Fig. 1) montiert, oder es kann auf dem Träger des Turbinenrades montiert sein. Die in Fig. 1 dargestellte Basisschubdüse ist eine ED-Düse (Expansions-Deflektions-Düse). Diese Düse ist eine von zwei Grundtypen von Basisschubdüsen, wie sie derzeit im Gebrauch sind. Die andere derzeit gebrauchte Grundart einer Basisschubdüs© hat eine "Stopfen-Basis", wie sie das Basisglied 84 in Fig. 3 zeigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jegliche Bauart von Basisschubdüsen mit einem Stachel versehen werden, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen.

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Gemäß der Darstellung in-Fig. 1 erstreckt sich der Stachel 26. vom strömungsabwärts gelegenen Ende (d. h. von der Basisplatte 40) des Basisgliedes 24 strömungsabwärts. Der Rachel 26 kann mit irgendwelchen geeigneten Mitteln an der Basispi%tte 40 befestigt sein. Er kann an der Basisplatte festgeschweißt oder festgenietet sein, man kann das ganze Basisglied und den Stachel aber auch in einem Stück gießen.

Gemäß der Erfindung ragt der Stachel von der Basisplatte strömungsabwärts, um den strömungsaufwarts auf das Basisglied wirkenden Schubdruck zu vergrößern. Um diesen größeren Schubdruck strömungsaufwarts im zerteilten Basisbereich zu erzielen, kann der Stachel ein massives Teil oder mit einem Innenkanal versehen sein, mit dem ein Teil der strömungsabwärts aus der Düse austretenden Primärstrahlströmung in einen Bereich an der Basisplatte, d. h. den zerteilten Basisbereich, zu führen und hierdurch den Schubdruck auf das Basisglied strömungsaufwarts weiter zu erhöhen.

Wenn ein massiver Stachel verwendet wird, wird die Erhöhung des Schubdruckes strömungsaufwarts durch Verringerung der schädlichen Wirkungen erzeugt, die sich ergeben, wenn während des Betriebs des Antriebssystems das Fluidum mit hoher Geschwindigkeit die strömungsabwärts liegenden Kanten des Basisgliedes 24 am äußeren Umfang der Basisplatte 40 passiert. Dieses mit hoher Geschwindigkeit strömende Fluidum neigt zum Aufbau von Scherkräften strömungsabwärts der zerteilten Basis. Diese Scherkräfte erzeugen eine Mischung in einem turbulenten Bereich, der vom äußeren Um-" fa«ng der Basisplatte 40 unter einem Winkel nach innen zur Oberfläche des Stachels 26 verläuft. Diese Mischung schleppt Teile des Fluidums aus dem relativ stagnierenden zerteilten Basisbereich t mit.

Der durch dieses Mitschleppen verursachte Verlust an Masse aus

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dem zerteilten Basisbereich führt zu einer deutlichen Druckabsenkung im zerteilten Basisbereich. Ein massiver, von der Basisplatte wegragender Stachel gemäß der vorliegenden Erfindung durchdringt diesen Turbulenzbereich und verringert die Größe der mitgeschleppten Masse, so daß der Druck in diesem Bereich erhöht und der Schubdruck strömungsaufwarts auf das Basisglied vergrößert wird.

Ein weiterer Grund für die durch Verwendung eines massiven Stachels gemäß der vorliegenden Erfindung erreichte Schuberhöhung liegt in der Tatsache, daß auf das strömungsabwärts liegende Ende 42 des Stachels 26 eine zusätzliche Komponente des strömungsauf war ts gerichteten Schubdruckes wirkt.

Im Betrieb des Antriebssystems wird ein Teil der aus der Düse austretenden Strahlströmung strömungsabwärts unter einem Winkel auf den Stachel 26 gelenkt. Wenn dieses Fluidum am äußeren Umfang des Stachelendes 42 vorbeiströmt, fließt es auch strömungsabwärts unter einem Winkel in Richtung auf die Mittellinie oder Längsachse des Stachels. Infolge der Einwirkung der zähen Scherkräfte (viscous shear forces) im turbulenten Bereich und nach dem Durchgang durch einen Stoßmechanismus strömungsabwärts des Basisbereiches 40 wird die Geschwindigkeit dieses Fluidums vor seiner Annäherung an den Basisbereich 42 jedoch stark verringert« Da die geringere Fluidumsgeschwindigkeit geringere Scherkräfte hinter dem Basisbereich 42 aufbaut, ist der Druck auf die Basis 42 größer als der Druck, der auf diesen Bereich in der Basis 40 wirken würde. Der auf das Stachelende 42 und durch den Stachel auf die Basisplatte 40 wirkende Schubdruck strömungsaufwarts ist daher größer, als er ohne Verwendung des Stachels sein würde.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Stachel 26 mit einem Innenkanal 34 versehen. Dieser Kanal kann durch Aufbohren des Stachels, durch Guß eines Stachels mit einem Innenka-

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nal oder durch irgendwelche anderen geeigneten, dem Fachmann ohne weiteres verfügbaren Mittel hergestellt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind der Stachel und das Basisglied als ein Stück mit einem durchgehenden Mittelkanal 34' gegossen. Der Innenkanal wird vorzugsweise mittig im Stachel und im Basisglied angeordnet, diese mittlere Anordnung ist jedoch nicht erforderlich, wenn die Teile ansonsten richtig ausgeglichen sind. Der mittlere Innenkanal 34 des Stachels 26 und der Basis 24 ist an eine Sekundärfluidumseinlaßleitung 30 angeschlossen. Die Einlaßleitung 30 verbindet den Innenkanal 34 der Basis und des Stachels mit einer Sekundärgasquelle an einer strömungsabwärts der Brennkammer liegenden Stelle im Triebwerk. Eine ähnliche Einlaßleitung könnte man vorsehen, um den Innenkanal in der Basis und im Stachel mit einer Sekundärfluidumsquelle am Fluidumseinlaß 12 des Triebwerkes zu verbinden; auch könnte man eine Gaseinlaßleitung ähnlich der Leitung 30 vorsehen, um den Innenkanal der Basis 24 und des Stachels 26 mit einer äußeren Sekundärfluidumsquelle, beispielsweise Überdruckbehältern und dergleichen, zu verbinden.

Der Innenkanal 34 des Stachels und des Basisgliedes verbindet die Fluidumseinlaßleitung 30 mit einer Fluidumsinjektionseinrichtung 32. Auf diese Weise ist die Fluidumsinjektionseinrichtung 32 an eine verbranntes Gas liefernde Quelle an einer Stelle innerhalb des Antriebssystems strömungsabwärts der Brennkammer angeschlossen und ein Teil des verbrannten Gases wird von der Düse 22 zur Fluidumsinjektionseinrichtung 32 abgezweigt, die das verbrannte Gas während des Betriebs des Antriebssystems in den Stoßbereich strömungsabwärts der Düse injeiziert, um eine Barriere für die Primärstrahlströmung von der Düse 22 zu bilden. Diese Barriere wird am Stoßbeeich gebildet, der strömungsabwärts der Düse während des ÜberschalIfluges auftritt, und lenkt einen größeren Teil der strömungsabwärts gerichteten PriraärStrahlströ-

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mung zurück strömungsaufwarts und in den zerteilten Basisbereich, so daß der Druck im zerteilten Basisbereich und folglich der Basisschub strömungsaufwärts auf das Basisglied erhöht wird.

Wenn eine der Leitung 30 in Fig. 1 ähnliche Sekundärfluidumsleitung verwendet wird, wobei diese Leitung jedoch den Innenkanal in der Basis und im Stachel an das Sekundärfluidum vom Einlaß 12 des Triebwerkes anschließt, dann ist die Fluidumsinjektionseinrichtung 32 an den Einlaß 12 des Antriebssystems angeschlossen, so daß ein Teil des Einlaßfluidums des Antriebssystems der Fluidumsinjektionseinrichtung zugeleitet wird; diese Einrichtung injiziert dieses (vom Einlaß 12 kommende) Fluidum in den Stoßbereich strömungsabwärts des Basisgliedes 26 und bildet hierdurch wiederum am Stoßbereich eine Barriere für die strömungsabwärts gerichtete PrimärstrahlStrömung von der Düse 22, so daß ein größerer Teil der Masse dieser Strömung in den zerteilten Basisbereich gelenkt wird.

Die Düse des in Fig. 1 dargestellten Triebwerkes ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Die Düseneinschnürung 52 ist zwischen der Innenwand des Gehäuses 50 und dem Umfang des Basisgliedes 54 ausgebildet. Der Innenkanal 62 im hohlen Stachel 60ist an einen Kanal 56 im Basisglied 54 angeschlossen. Der Stachel 60 ist an der Basisplatte 58 des Basisgliedes 54 g befestigt und ragt von der Basisplatte strömungsabwärts vorzugsweise parallel zur Längsachse der Düse.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Stachel Fluidumsinjektionseinrichtungen an seinem strömungsabwärts liegenden Ende auf. Diese Fluidums injekt ions einrichtungen sind so weit strömungsabwärts von der Basisplatte angeordnet, daß das Fluidum von diesen Einrichtungen in einen Stoßbereich injiziert werden kann, der strömungsabwärts der Düseneinschnürung ausgebildet ist. Wie oben bereits ausgeführt wurde, erzeugt diese Injek-

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tion eine Fluidumsbarriere für die strötmmgsabwärts gerichtete Primärstrahlströmung von der Düse und lenkt einen größeren Teil des Fluidums dieser Primärströmung strömungsaufwarts und in den Bereich an der Basisplatte, so daß der Schübdruck strömungsaufwärts auf die Basisplatte erhöht wird.

Gemäß der in Flg. 2 dargestellten Ausführungsform weisen die Fluidumsinjektionseinrichtungen Auslässe 64 auf. Diese Auslässe sind derart konstruiert, daß das Fluidum unter einem Winkel zur Düsenachse in den Stoßbereich Injiziert wird. Die Auslässe sind vorzugsweise derart konstruiert, daß das Fluidum in den Stoßbereich radial oder rechtwinklig zur Düsenachse oder unter einem geringen Winkel zur rechtwinklig zur Düsenachse liegenden Ebene strömungsauf war ts injiziert wird.. Durch diese radiale oder im wesentlichen radiale Injektion werden die Energie, die Geschwindigkeit und der Druck des injizierten Fluidums voll ausgenützt, um die größtmögliche aerodynamische Blockierung im Stoßbereich zu bilden und hierdurch die Wirksamkeit der Barriere und die Umlenkung der Primärstrahlströmung in den zerteilten Basisbereich zu vergrößern.

Die Auslässe 64 sind vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang des Stachels 60 verteilt. Da der Stoßbereich strömungsabwärts der Düse konische Gestalt hat, wird durch diese gleichmäßige Injektion des Fluidums um den Stachel herum eine größtmögliche Blokkierung erreicht und folglich die Wirksamkeit der Barriere zur Umlenkung eines Teiles der Masse der strömungsabwärts gerichteten Strahlströmung zurück In eine strömungsaufwärts verlaufende Richtung und in den zerteilten Basisbereich erhöht.

Die Auslässe 64 (Fig. 2) können irgendeine beliebige Gestalt haben. So können diese Auslässe rund, eUiyp tisch, rechteckig oder dergleichen sein. Man kann auch konvergierende oder konvergierenddivergierende Auslässe zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Se-

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kundärfluidums verwenden und durch derartige Abwandlungen kann man die Überschallströmung dieses Fluidums in den Stoßbereich nach Belieben erreichen. Durch Änderung der Gestalt der Auslässe 64 ist es daher möglich, die Geschwindigkeit des Sekundärfluidums an der Injektionsstelle zu verändern.

Eine beständige Überschallströmung über eine Oberfläche, im vorliegenden Fall über die Wände der Düse ,52, erzeugt'Stoßwellen, wenn plötzlich eine Druckerhöhung auftritt. Eine Stoßwelle strömungsabwärts der Düse 52 ist immer vorhanden, weil die Überschau strömung eine Verdichtung erfährt, wenn sie den Basisbereich hinter der Basis 58 verläßt und in axiale Richtung zurück umgelenkt wird. Stoßwellen, Stoßfronten oder Stoßbereiche sind in der Tat Bereiche plötzlicher Zustandänderungen des Fluidums eines Fluidumsfeides, bei denen die Fluidumsdichte, der Fluidumsdruck und die Fluidumstemperatur in Strömungsrichtung zunehmen.

Die größtmögliche Wirksamkeit wird durch Injektion des Sekundärfluidums in den in Fig. 2 dargestellten Stoßbereich 6 61 erreicht, wobei der Stachel vorzugsweise derart konstruiert ist, daß die Fluidurnsinjektionseinrichtungen 64 in einem ausreichend . großen Abstand strömungsabwärts von der Basisplatte 58 des Basisgliedes 54 angeordnet-sind, um die Injektion des Fluidums in den Stoßbereich zu ^ermöglichen.

Im Betrieb kann sich die genaue Lage des Stoßbereiches strömungsabwärts der Düse etwas ändern, so daß es vorteilhaft sein kann, den Stachel teleskopartig verschiebbar am Basisglied zu befestigen, um die Lage der Fluidumsinjektionseinrichtungen 64 und folglich die Stelle der Injektion bei Änderungen der Lage des Stoßbereiches verändern zu können. Dies kann automatisch mittels Fühlvorrichtungen und dergleichen geschehen. Ein mit Teleskopeinrichtungen 66 versehener Stachel ist in Fig. 2 dargestellt. Wie bereits erwähnt vurde, können diese Tel esl'opeinrichtungen an (nicht

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dargestellte) Fühler, Rechner und dergie-Lehen angeschlosser)? sein, um die Lage der Fluidutit^lnfekt ions einrichtungen bei Änderungen der Lage des strömungsabwärts liegenden Stoßbereiches automatisch, zu verändern und so die Injektionseinrichtungen immer an der optimalen Injektionsstelle zu halten.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindurig. Bei dieser Aus führungs form sind Einrichtungen zur Erhöhung des Druckes am zerteilten Basisbereich durch Vergrößerung der Fluidumsmasse an dieser Stelle vorgesehen» Diese Druckerhöhung/wird dadurch erreicht, daß man einen Teil des Primärfluidums vom Hochdruckbereich in der Nahe der Rekompressionsstoßwelle zum niedrigen Druck am zerteilten Basisbereich fördert. Es sind daher Einrichtungen vorgesehen, um den Hochdruckbereich strömuhgsabwärts der Stoßwelle mit dem zerteilten Basisbereich zu verbinden;. _;

Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der Stachel 88 an der Basisplatte 86 eines Stopferibasisgiiedes 84 befestigt und mit einem Innenkanal 90 versehen, der einen oder mehrere Einlasse an seinem strömungsabwärts liegenden Ende und einen oder mehrere Auslässe 94 an seinem strömungsaufwarts liegenden Ende aufweist. Die Auslässe 94 sind im zerteilten Basisbereich und die Einlasse 92 in einem Bereich hohen Druckes s tr ömungs abwärts: des Basisgliedes 84 angeordnet. Dieser Bereich höhen Druckes ist vorzugsweise der Bereich strömungsabwärts neben der Rekompressionsstoßwelle, die durch die ÜberschallfluldumsstrÖmung durch die Düse erzeugt wird. Der Druckunterschied zwischen dem Bereich nahe den Einlassen 92 und dem Bereich in der Nähe der Auslässe 94 des Stachels 88 bewirkt, daß das Fluidum in dem an den Einlassen 92 strömungsabwärts liegenden Bereich hohen Druckes in die Einlasse hinein und durch den Kanal 90 im Stachel, sowie durch die Auslässe94 in den zerteilten Basisbereich ließt, an dem niedriger Druck herrscht; auf diese Weise wird der strÖmungsaufwärts gerichtete Schubdruck auf die Basisplatte 86 und folglich auf das Basisglied

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84 vergrößert.

Wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten AustTihrun ;sform erzeugt die Über schal Is trahl strömung durch diu- zwischf-n der Innenwand des Gehäuses 8ö und der Außenseite des Stopfonbasisgliedes 84 gebildete Düse SZ eine Stoßwelle oder einen StoßHereich strömungsabwärts der Düseneinschnürung. Diese Stoßwelle ist bei 95 in Fig. 3 dargestellt. Da der Stoßbereich ein Bereich schnell steigenden Druckes ist,; wird die Primärstrahlströmtug von der Düse 82 bei ihrem Durchgang durch den Stoßbereich rekomprimiert.

Das Fluidura strömungsabwärts der Rekompressionsstoßwelle h-afindet sich daher unter viel höherem Druck als das auf der-strömungsauf wärts liegenden Seite der Stoßelle befindliche Flxiidum und dieser Druck ist wesentlich höher als der FIu iduins druck Im. zerteilten Basisbereich. Gemäß der Erfindung wird dieser Druckunterschied benützt, um einen Teil des Fluidums aus dem strömungsabwärts liegenden Hochdruckbereich in den niedrigen Druck aufweisenden zerteilten Basisbereich zu führen und hierdurch den Druck im zerteilten Basisbereich zu erhöhen.

Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Einlasse 92 ais auch die Auslässe 94 gleichmäßig um den Umfang des Stachels herum verteilt. Durch diese Verteilung wird eine größtmögliche Wirksamkeit des Stachelsystems erreicht. Sowohl die Einlasse 92 als auch die Auslässe 94 des Stachels 88 können irgendeine geeignete Gestalt haben* d\ h, sie können beispielsweise rund, ,rechteckig, elliptisch oder dergleichen sein.

So wie bei der in Zusammenhang mit Fig. 2 ausführlich erläuterten Ausführungsform kann auch der Stachel gemäß Fig. 3 mit TeIeskopelnrichtun'gen versehen sein, um die Lage der Einlasse 92 entsprechend der Lage des strömungsabwärts befindlichen tlochdruckbe-

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reiches, verändern zn können. Desgleichen können diese TeleskopelnrichLungen automatisch durch Betätigungsvorrichtungen in Verbindung mit Fühlern,. Rechnern und dergleichen betätigt werden.

In Fig. 2. ist eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Basisglied von der Expanslons-Deflektiöns-Bauart dar- _ gestellt}- in Flg. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Bas is glied von -der Stopfen-Bauart dargestellt; selbstverständlich können diese beiden Ausführungsformen des Stachels bei beiden Arten von Basisschubdüsen und auch bei j«der anderen Bauart von Basisschubdüsen angewendet werden.

F-Ig... k zeigt in einer vergrößerten Darstellung den strömungsabwärts liegenden Teil des Stachels. SS gemäß Fig. 3, der hier jedoch eine andern, bevorzugte Ausführungsform des Einlasses aufweist. In Fig. 4 hat der* Stachel SS einen Innenkanal 90, der an dir gleichmäßig um den Umfang des Stachels 88 verteilten Einlasse 92 angeschlossen ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind Einri chtungen vorgesehen_? um das im Hochdruckbereich strninungsabwärts fließende Fluidum in die Einlasse hineinzuleiten und hierdurch die Übertragung dieses Fluidums durch den Innenekanal des Stachels und durch die Auslässe in den niedrigen Druck aufweisenden zerteilten Basisbereich zu erleichtern. Gemäß der dargestellten Ausführungsform bestehen die_ Leiteinrichtungen aus einem Xeitflansch100. Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Einlasse ist daher ein Leit- oder Umlenkf lansch 100 vorgesehen, der bis in das Primär strahl s tr ömungsfeld ragt und einen Teil des Hochdruckfluidums in die Einlasse 92 hineinfuhr 1 oder hineinlenk-t. .

Die vorliegende Erfindung schafft neue und verbesserte Basisschub düsen, di'e ein besseres Verhalten und bessere leistung bei Fahrzeugen für Überschau- und/ Hyperschallgeschwindigkeiten liefern. "Durch"die verbesserte Düse erreicht man: einen höheren Druck im

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zerteilten Basisbereich, so daß ein höherer Schub strömungsaufwärts auf das Basisglied wirkt und folglich die Hauptprobleme überwunden werden, denen man sich bei der Anwendung der bekannten Basisschubdüsen gegenübersah. , .

P A T E N T A N S P R Ü C H E s

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Claims (14)

1. et

   Anlage zur Eingabe,vorai Anmelderϊ

   29» Mai 1967 UNITED AIRCRAFT CORPORATION

   PATENTANS PR Ö C H. E

   1» Basisschubdüse für ein Über* oder Hyperschallstrahltrlebwerk, gekennzeichnet durch ein einen Innenkanal (52, 82) zum Durchtritt einer Fluiduniäströmung hSher Geschwindigkeit umschließendes Gehäuse (38, 50, 80), durch ein in diesem Innenkanal montiertes Basisglied (24, 54, 84) zur Verringerung der für die Fluldumssträraung verfügbaren Querschnittsfläche, das aii seinem strö— mungsabwärts gelegenen Ende eine Basisfläche (4Oy 53, 86) aufweist, die während des Betriebes des Tre)lbwerkssystems eine Oberfläche zur Aufnahme des strömungsaufwärts gegebenen Schubdruckes bildet, und durch einen von der Basisplatte strömungsabwärts ragenden Stachel (26,60, 88) zur Erhöhung des strömungsaufwärts gegebenen, auf das Baaisglied wirkenden Schubdruckes -
2. 2. Basisschubdüse nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das strömungsabwärts gelegene Ende (42) des Stachels (26, 60, 88) eine zweite Fläche zur Aufnahme des ströraungsaufwärts auftretenden Schubdruckes während des Betriebes des StrahltrIeb*werkes bildet.
3. 3. Basisschubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekeimzeichnet, daß der Stachel (26 ₁ 60, 88) zur* Erhöhung des ströimingsaufwärts

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   BAD ORIGINAL

   auftretenden Schubdruckes auf das Basisglied (24, 54, 84) Abzweigelnrichtungen zum Lenken eines Teils der strötnungaabwärts vorhandenen Strahlströmung von der Düse (22) in einen an der Basisplatte (40, 58, 86) liegenden Bereich aufweist.
4. 4. Basisschubdiise nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stachel (26, 60) an eine Fluidunisquelle angeschlossene Fluidumslnjektlpnseinrichtungen (32, 64) aufweist, die weit genug strömungsabwärts der Basisplatte (4ö, 58) liegen," um. Fluidum in einen Stoßbereich (61) ströraungsabwärts der BaslsplattR su injizieren. *
5. 5. Basisschubdüse nach Anspruch 4_r dadurch gekennzeichnet, daß die Fluldutusinjektionseinrichtungen (32, 64) an 4&n Gaseinlaß (12) des Triebwerkes (10) angeschlossen sLiuI und einen Teil des Einlaßfluidums des Triebwerkes in den Stoßbereich (61) strö™ mungsabwfirts der Basisplatte (40, 5B) injizieren»
6. 6. Rasisschubdü'se nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiuidumsinjektionselnrichtungen (32, 64) an einer Stelle (18) innerhalb des Triebwerkes an eine Quelle mit verbranntem Gas angeschlossen sind, um einen Teil des verbrannten Abgases von der Düse zu den Fluidurasinjektionseinrichtungen zu lenken und von diesen in den Stoßbereich (61) strömungsabwärts der Basisplatte (40, 68) zu injizieren.
7. 7. Basisschubdüse nach Anspruch 4_t dadurch gekennzeichnet, daß der Stachel (26„ 60) einen Irsnenfeaiial (34, 62) aufweist» der strömung safewärt s an eine Fluidunisquella angeschlossen is fund mindestens einen Auslaß (32_S 64) auf dent Umfang seines ströaamgsabwärts gelegenen Endteiles aufweist, isid daß die Auslässe Fltii» dumainjektionssinr ich tungen aufwsls-tea vmd ströjsimgsabwärts des Basisgliedes (24, 54) angeordnet, sind j laa das Fluidwn in den strömungaabwiirta liegenden Stoßbe^aich (61). zu injizierets«

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8. 8» Basisschubdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslasse (32, 64) gleicbmiißig im den Umfang des Stachels (26, (fO) verteilt sind.
9. 9« Basisechubdiise nkclt Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stachel (26t, 60} miteiner Teleskopöinrichtung (66) zur Einresülierung der Lage der Fluidtmainiöktionaeinrichtung (32, 64) entsprechend der Lage dee strömungsabwärts gelegenen Stoßbereichet? (61) versehen £s£. ,^
10. 10. Ba s te schubdüse nach Anspruch 3, dadurch gakenhzeichnet» daß der Stachel (88) «inen Innerikaual (90) mit taindestenB elneri rinlaP (92) am strötnungsabwärts gelegenen Ende und mindestens einoffi Auslaß (94) an seineiii ströimmgsauftellrts gelegeiseti Ende aufweist «nd daß die Auslässe im Bereich am Basiisglied (84) und die se In einem Bereich höheren Druckes strcnmingsabwärts des liedes oiigeordnet sind, um su bewirken^ daß das Fliiiduia im atröiuiigsftbvgiirts liegenden Bereich höheren Druckes in die Einlasse und durch deii linien^ Bereieli am BiiSLSglted fließt und so der atroriuti£3aufxiärts jgegebone Scliubdruck auf 4as Baalsglled erhöht wird*

    :
11. 11. BasiÄsctiubdüse nÄCh Anspruch 10_r dadurch gekennzeichnet, daß die Einlöste <92>iit^ die Auslässe den

    Umfang des Stachels (88) vexäteilt sind. V
12. 12. Baiisechubdüate nach Anspruch 10, dadurcii gekennzeichnet, daß der Stachel (ES) mit Teleskopeinrichtungen zur Einregulierung Lage der Finlässe (92) entipraeliend der Lage des »trötnungsabvprhantletien Bereiches hol ten Druckes versehen ist*
13. 13« Basis schubdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzericluiet, daß <lte Einlasse (92) jströmingsabvrirtä eines durcli das !■berschällrk erseugten Stö^berwic' e>s (95) angeordnet aAnd.

    SADQRIGiNAL
14. 14. Basisachubdüee nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlasse (92) mit Leitflanschen (100) zum Einleiten des strömungsabwärts im Hochdruckbereich fließenden Fluidum* in die Einlasse versehen sind, so daß die Überleitung von Fluidum durch den Stachel (88) in den Bttelch am Basisglied (84) erleichtert

    SAD