DE1751698A1 - Isentropischer UEberschalleinlaufdiffusor kuerzester Baulaenge - Google Patents

Description

• Isentronischer Überschalleinlaufdiffusor kürzester Haulänge. Überschalleinlaufdiffusoren gehören zu den Triebwerkseinlöufen, Gebilden, die einem luftverbrauchenden Triebwerk, sei.es ein Turbotriebwerk, sei es ein Staustrahltriebwerk, die benötigte Luft (Durchsatzluft und Verbrennungsluft) zuführen. Zu der Aufgabe eines Triebwerkseinlaufes, dem Triebwerk die benötigte Luft zukommen zu lassen, tritt bei höheren Fluggeschwindigkeiten die Aufgabe hinzu, die Luft möglichst hoch zu verdichten. Der Triebwerkseinlauf wirkt als Diffusor.'Die AnstrÖmgeschwindigkeit der Luft wird im Einlaufdiffusor verringert. Der statische Druck in der Luft steigt an.
• Der-im Einlaufdiffusor gewonnene statische Druck trägt dazu bei, den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks zu verbessern. ZusIltzlich wird vor, einem -Einlauidiffusor gefordert, daB er über einen möglichst großen Bereich von Anströabedingungea (Anströmmachzahl und Anströmrichtung) hinweg gut arbeiten und in der Außenströmung einen möglichst geringen Widerstand hervorrufen soll.
• Der G,,.,tegrad eines Einlaufdiffusors werde definiert als der Zuotient aus dem Ruhedruck der Luft in Triebwerk nach dem Einlaufdiffusor dividiert durch den Ruhedruck der Luft vor dem Einlaufdiffusor.
• Werden keine besonderen Vorkehrungen zur Erzielung eines hohen Diffusorgütegrades getroffen, so stellt sich vor

  den Auffangquerschnitt des Triebwerkseinlaufs bei Überschall-

  anstrÖmung ein g e r.a der Verdichtungsstoß mit einem

  steilen Druckanstieg im Verdiclitungsstoß ein. Dieser Druck-

  anstieg im geraden Verdichtungsstoß ist bei steigender Nach-

  zahl mit steigendem Verlust an Ruhedruck verbunden. Der Güte-

  grad eines Einlaufs mit einem geraden Vordichtungsstoß ix-

  Luft fällt daher mit zweehmender Machzahl steil ab. Bei

  Na - 2,5 beträgt er 0,499, bei Na -1 5 nur noch 0.062, wenn

  man vom Gütegrad 1 bei Ma - 1 ausgeht.

  Während die Verdichtung in einen geraden Verdichtungs-

  stoß nur bei kleinen Überschallgeschwindigkeiten etwa bis

  Mach 1,6 Anwendung findet, erzielt: Gen bei höheren-Nachzahlen

  bessere Verdichtungen in Strömungsfeldern, in denen mehrere

  schiefe Stöße mit einen das Überschallströmunssfeld ab-

  schließenden geraden Verdichtungsstoß kombiniert sind.

  kau nennt solche Diffusoren "riehrateadiffuseren". Meist

  werden nicht mehr als drei Stöße, zwei schiefe und ein ab-

  schließender gerader Stoß in Strömtagefeld kombiniert. Die

  Druckgewinne in MehrstoBdiffusoren-erreichen praktisch

  höchstens die Werte, die für einen optimal ausgelegten Drei-

  stoßdiffüsor errechnet werden. Ausgehend vom Gütegrad 1 bei

  lach - 1 werden beispiels- und vorgleichmmise bei Xa = 495

  ein Gütegrad von 0,817 bei na --5 nicht mhr als 0,31-erreioht.

  Da bei höheren Machzahlen etwa ab 2,5 die Gütegrade von Mehr-

  stoßdiffusoren ebenfalls unzureichend sind, worden bei Tlug-

  machzahlen oberhalb 2 in steigendes fe sogernannte i s e n. -

  t r o p i s c h e Diffuseren verwendet. Das sind Gebilde,

  in denen die Strömungsfelder der verdichtenden, verzögerten

  Strömung einen isentropischen_Verlauf des Druckanstieges zeigen.

  Erstmalig von Oswatitsch 1943 vorgeschlagen aber nicht

  veröffentlicht, 1956 von.Connors und Mitarbeitern entwickelt

  und veröffentlicht, wird ein Strömungsfeld mit ieentroper

  Außenverdichtung erzeugt. (J.F..Connors, Design Criteria log, .

  Axisymmetric and Twodimensional Inlets and Ixite, aACA T,ä.

  3589. K.Oswatitsch, Die Berechnung wirbelfreier aehsensym-

  metrischer Überschallfelder,'Österr.Ing.Archiv,Bd,Z, 1956).

  Das zweidimensionale Strömungsfeld mit isentropischer

  Außenverdichtung (Fig. l a) ist dadurch gekennzeichnet-, ,das

  eine Überschallströmung 1 tangential auf eine homkav:gebogene

  Platte 2 auftrifft, und daß alle

  in einen Pnakte

  6 PMP (Prandtl-Meyer-Punkt) tohussiert werden. Die Geometrie

  dieser Strömung als'Düsenströnung (Strömag mit in Strömungs-

  richtung abnehmendem Druck und In Strönungeriehtung zynehnea-

  der Geschwindigkeit) ist durch eine Arbeit von Keyer und

  Prandtl aus des Jahre 1905 beschrieben. Dae@Feld dieser lleyer-

  Prandtl-Strömung ist-ein Strömungsfeld in Überschall, das

  gleicherweise in beiden Richtungen als Düsenströmung mit strom-

  ab sinkendem Druck und als Diffusorströmung mit stromab stei-

  gendem Druck im Überschall durchströmt werden kann, o h n e daß

  es in der Überschallströmung zu verlustreichen Stößen kommt.

  Diese yigenschaft des Strömungsfeldes einer Prandtl-Xeyer-

  Strömung wird im Folgenden immer wieder benutzt. Weiter stromab

  geht der konkav Cebögene Teil der Platte tangential in eine ,

  gerade Platte 3 über. Die Stromlinien 4 verlaufen nach der

  Verdichtung parallel zur -eraden Platte 3. Die isentrope,

  verlustlose Verdichtung findet in dem Dreieck zwischen der

  angeschärften Plattenspitze ?den Übergangspunkt 8 (zwischen

  der konkav gebogenen Platte 2 und der. geraden Platte 3) und

  den Prandtl-meyer-Punkt 6 statt (@'ig. .ft).. .

  Das rotatiöndsyuetrische Stiräanngateld einer i"n-

  tropischen* Außenveräichtüag Ivi'%ä nach Osvatitseh fand 'Connors

  aus dem Strömungsfeld einer Prandtl-Neyer-Ströltutg ehtwibkblt

  (Fig. 1b) . .. . '

  In einer Entfernung von der Symmetrieachse wird in der

  unmittelbaren Umgebung der Ditfusorschneidet die zugleich

  Prandtl-)deyer-Punkt i»st , das Strömungsfeld -einer Prandtl-

  Meyer-Strömnng mit isentroper Verdichtung gezei-ohnet.-

  Damit ist eine Raadbedi.agvng gegeben, um vom dieser

  unmittelbaren Schneideumgebung ausgehend nach des@Charai-

  y (Gr.thsd.erle', @ Urweiterung der

  teristikenverfahren von Guderle

  Charakteristikennethode Lilienthalges.,Ber. 139, II.Teil 1941)

  das Machliniennetz des Strömungsfeldes der rotationas7spte-

  trischen isentropen

  zu zeichnen, den Verlauf

  der Stromlinien und den Verlauf der Berandung des zentralen,

  die Verdichtung erzeugenden Festkörpers zu ermitteln. Das

  rotationssyzunetrische Strömungsfeld der iaentropen Außen-

  verdichtz;nö ist ebenso wie das ebene Strömungsfeld der isen-

  tropen rußenverdichtung dadurch .gekennzeichnet, daB in der

  Symmetrieebene alle von der Oberfläche den erzeugenden Zen-

  tralkörpers ausgehenden Nachlinien in einen P=kte(dea

  . Prandtl-l'reyer-I'unkt) fokussieren.

  Fig. 1b zeigt ein Strömungsfeld einer rotations-

  s7mmetrischen Außenverdichtung. Die Überschalletrönung 1

  trifft auf, die Spitze 9 eines spindelförmigen rotations-

  sysmetrischen Zentralkörpers 10. Die Nachlinien 11 laufen auf

  der scharfen kreisföraigen Diffusdrscbmeide 12 (in Englischen

  lip genannt) zusammen. Indem ringfgrnigen Raum 14 zwischen

  Mantel 13 und dem Zentralkörper 10 wird die verdichtete Luft

  weitergeführt.

  - Die Fig. 1b zeigt aber auch den entscheidenden Nachteil

  der isentrpen Außenverdichtung auf.

  Im Bereich des Strömungsfeldes der isentropischen

  Außenverdichtung werden die Stromlinien 17 stark aus der ur-

  sprünglichen Riehtung 1 abgelenkt. Dieser Ablenkung.enge-

  glichen ist die Schulter -15 an Nantes 13 mit einend großen

  Winkel gegen die ßtrömuagsrichtuag 1 angestellt: Ein starker

  QerdichtungastoB 16 wird ausgelöst. .

  Dadurch wird der Außenwiderstand des-Ditfueors.schäd-

  lich vergrößert und der-Betrag der inentropischen Außen-

  verdichtung stark eisigesehrXakt. Diese kann nur ;so weit ge-

  trieben werden, bis der-Schulterwinkel den-Grenzwinkel der.

  Stoßablösung erreicht.

  Zu Beginn der 60=er @ahrevwnrde versudht, den StrÖmüngs-

  feld der "isentropen Außenverdichtung Strönungsf*lder mit

  Innenverdichtung anzuschließen, damit den Anteil der iaen-

  'tropischen Außenverdichtung derüüger zu halten und die 'schäd-

  lache widerstandserhöhende Ablenkung der'Strbaduag au» ihrer

  Ursprungsrichtung zu: vermindern. cl'.Carrigre, Recherches

  sur les prises d' air -supersoniques, WGIr-,Tahrbueh 1959e.-und

  .andere.)

  Es lassen sich nach

  der

  Strömungsfelder isentropischer Irmeaverdiahtung entwerfen)

  wenn dabei jede Bildung von sthsbildendea äaehlinieneareloppea

  iä

  ausgeschlossen wird:

  Diese Strömungsfelder der iedntropen Inaineirdiähtung

  zeichnen sich dadurch aus, daß bei ihnen die verzögerte Strö-

  mung allseitig von Wänden eingeschlossen ist. Diise Verzögerung

  der Strömung in einen geschlossenesv.sich verengenden Kanal

  geht nun keineswegs so störungsfrei und vollisentropisch von-

  trtatten wie die Verzögerung in der ieeatropen Außenverdichtung.

  in Bereich der verzögerten Strgar" mit aneteigendea

  Druck tritt die Strömuägsgreazachicät an der Oberfläche- der

  Wände in Wechselwirkung mit der Ströwmgv In-Gebiet des Dtuok-

  anstieges verdickt sich@die Grennsehieht stromab sehr schnell.

  Das verzögerte Grenzschichtmaterial hat nicht genügend Bewo..

  gungsenergie, u= den Druckanstieg atrosab zu überwinden. Bei

  steilerem Druckanstieg kann es zur Ablösung der Grenzschicht

  kommen. Die Ablösung der Grenzsch:Leht indnsiert in der Über-

  schallströmung einen Verdichtungsstoß.

  Fig. 2 zeigt einen kenvergi.erenden Kanal, der für iaen-

  tropische Innenverdichtung ausgelegt ist. in den Kanalwänden

  1? und 18 bilden sich Grenzschichten '!9 und 20 aus. bei 21

  kommt es zu einer ersten Grenzschichtablösung'. die $u der Aue-

  lösung des schiefen Verdichtungsstoßes 22 führt. Dort# wo der

  Stoß 22 auf die Grenzschicht der gegenüberliegenden Wand bei 23

  stößt' ruft er sofort eine weitere Ablösup,g der Grenzsobicht

  hervor. Ton 23 geht dann ein weiterer schiefer @e@diohtnnds-

  stoß 24 aus und so fort. Das 84halldurohgeagagebiet straiab

  .ist dann durch eine Folge von miteinander gekoppelten Stößen 25 und Grenzschichtablösungen 26 gekennzeichnet. Diese Vorgänge beeinträchtigen den Druckanstieg der iHentropen.Innenverdichtung beträchtlich. Insbesondere die Verluste in Schalldurchgangsgebiet nehmen mit steigender Anatrömnachzahl zu. ' Auch-eine Inn e n v e r d i c h t u n g s i t S t ö ß e n bringt keinen guten Druckrückgewinn, da die Verdichtung in Stößen immer mit Verlusten behaftet ist.
• Einen ebenen.Diffusor mit Innenverdichtung in Stößen zAi@t '_'ig..3. Eine Überschallströmung 1 trifft auf die Schneide 27. Von der konkav gekrümmten Oberfläche 28 - von Punkt 27 zu Punkt 29 -, wird der Strömung eine iientrope"derdichtnag aufgezwungen. Die Machlinien konvergieren iia Punkt 30'(Prandtl-Meyer-Punkt). In dem Feld 29s 30, 31 verläuft. die Strömung ohne Gesch;vindiökeits- und Druckänderung längb der ebenen 'fand 2q, 31. Durch die 'Tand 30, 32 wird der schiefe StöB 30s 31, ausgelöst. Der gerade Stoß 31, 32 schlieft das Feld der überschallströmung ab. Bei 31 wird' Grenzschicht abgeführt.
• Die Innenverdichtung bei den zur Zeit fortschrittlichsten Typen von Überschall-Flugzeugen erfolgt durch eine Reihe von schiefen Stößen 33 - Fig.4 - und einen dbschlieBenden.geraden Stoß 34 zwischen einem schlanken Zentralkörper 35 tind eines Mantel 36 bei starker Grenzschicht abführung.
• Diese ausführliche Schilderung des Standes der Technik ist unumgänglich notwendig, um das Wesentliche und das Neue der Erfindung, auf die hier das Urheberrecht beansprucht werden soll, genauestens gegen den bekannten Stand der Technik abzugrgnZen.

  Der erfindungsgemäße isentropisch verdichtende Einlauf-

  diffusor kürzester Baulänge für Überschalltriebwerke ist gekenn-

  zeichnet durch ein Strömungsfeld, das sich aufeinanderfolgend

  zusammensetzt erstens aus den Strömungsfeld einer isentropen

  Außenverdichtung mit einer Fokussierung der Yachliniap in eines

  Prandtl-Meyer-Punkt nahe einer Diffusorschneide, wobei diese

  Diffusorschneide in die gesunde Strömung eintauchend, den Nach-

  lauf des Prandtl-Meyer-Punktes außerhalb den Diffusorinnern in

  der Außenströmung abfließen läßt, zweitens aus einem verdichtungs-

  losen Zwischenfeld und drittenä aus einem zum ersten Strömungs-

  feld. inversen isentroren Verdichtungsfeld steilen Druckanstiegs,

  dessen erzeugender inverser PrandtlMeyer-Punkt auf oder un-

  mittelbar benachbart dem Ende der festen Rand den verdichtungs-

  losen Zwischenfeldes liegt. Gemäß einem weiteren Erfindungs-

  gedanken ist ?orsorge getroffen, A.8 ein den Überschallteil des

  Strömungsfeldes abschließender schwacher schiefer oder gerader

  Verdi"htunZsston unmittelbar hinter dem zweiten inversen Prandtl-

  Leyer-Pu.nkt verläuft. Ferner ist eine Grenzschich$äbfÜhrung- un-

  mittelbar vor den das Überschallfeld abschließenden schwachen

  VerdichtunjsstoB vorgesehen, deien schatte Schneiden Wäle

  gesunde Strömung hineintauchen und den Nachlauf den zweiten

  Prandtl-Neyer-Punkten mit-erfassen.

  ".n ein erstes Strömungsfeld bekannter Art mit isentro-

  pischer lußenverdichtung geringeren Verdichtungsanteils Wird

  ein zweites Strömungsfeld (Zwickelfeld) ohne wesentliche Druek-

  und Gecchwindi-gkeitsänderungen und ein drittes durch einen In-

  versen Prandtl«Meyer-Punkt erzeugtes Strömungsfeld mit- ises-

  troper Verdichtung angeschlossen.

  Der das dritte Strömungsfeld erzeugende Prandtl-Meyer-Punkt

  wird unmittelbar auf die Kontur der Begrenzungswand des Zwickel-

  feldes gelegt. Diese Geometrie erlaubt beweisbar von allen-

  Geometrien von einströmigen Diffusoren die kürzeste Baulänge

  des isentrop verdichtenden Überschallteils.

  Der wesentliche Gegenstand vorliegender Erfindung ist

  die charakteristische Anordnung des dritten Strömungsfeldes.

  des Strömungsfeldes mit isentroper Verdichtung um einen auf-.

  der Kontor liegender., inversen Prandti-i(eyer-Punkt* Zur Aus- , _

  spar ü.n des störanfälligen transsonischen Bereiches wird in

  dritten Strömungsfeld je nach Wahl in der Gegend der Isotgchen.

  1135; 1,3; 1,25 oder 1,2 die isentrope Verdichtung abgebrochen

  und ein sehr kurzes verdichtungsloses Zwischenfeld angefügt,

  das durch einen sehr schwachen, schiefen Verdichtungsstoß ab-

  geschlossen wird.

  Das Strömungsfeld eines nach den erfindungsgemäßen Ent-

  wichlunysprinzipien entworfenen e b e n e n isentropischen

  Einlaufdiffusors kürzester Baulänge stellt Pig.5 dar. Die

  Überschallströmung 1 trifft auf die zugeschärfte Schneide 32

  der konkav gewölbten Fläche 32-#33 die einen isentropen Ver-

  dichtungsfächer auf den Punkt 34 (PrnndtluHeyez-Puhkt) - PMP -

  fokussiert. Die Wand von. 33 - 35 ist eben. Länge dieser ebenen

  Wand findet keine Verdichtung und keine geschwindigkeitsänderung

  statt. Unmittelbar benachbart dem ersten Prandt1 Yeyer-Punkt 34

  ist die Diffüsorschneide 36 so angeordnete das sie, in die.ge-

  sunds Parallelströmung stromab d.er Geraden 3334 eintaucht und .

  den Nachlauf des ersten Prandtl-keyer-Punktes _(M, 34 außer-.

  halb der Schneide abfließen läßt.

  Die konkav gewölbte Fläche 36 - 37 fokussiert den

  zweiten isentropen Verdichtungsfächer auf den zweiten Prandtl-

  lieyer-Punkt.(P1d.P2) 38, der zwischen der Endecke 33 der Platte

  33, 33 und der Schneide 39 der Garenzschichtabführung liegt.

  Hei 37 endet die Verdichtung an der konkav gewölbten

  Wand 36-37; von 37-40 läuft die Wand eben, tangential zum

  Kurvenstück 36-37 weiter. Bei 41 trennt die .scharfe Schneide

  41 das gebremste störende Grenzschichtaaterial von der So-

  sunden Strömung ab. In den Kanal 43 wird das gebremste Grenz-

  s--hichtmaterial gesammelt und abgeführt. Die Wand von 41 - 42

  ist gegen die Anströmrichtung 37 - 40 unter einem kleinen

  Winkel angestellt und löst so einen schwachen schiefen Ver-

  dichtun-ssto8 41-38 aus, der das isentrope Überschallfeld

  der Ströatung abschließt. Stromab dieses schiefen Stoßes 41-38

  ist die Strömungsgeschwindigkeit so weit unter die Schallge-

  schwindigkeit abgesunken, daB die in Fig.2 unter 25 und 26

  dargestellten Systeme von miteinander gekoppelten geraden

  Stößen 25 und Grenzschichtanlösungen 26 nicht mehr auftreten

  können. Stromab des Querschnitts 39-42 beginnt der schwach

  erweiterte Unterschalldiffusor 45.

  Die scharfe Schneide 39 schält die Grenzschicht, die

  von der Wand 32 - 33 - 35 kommt und den Nachlauf des zweiten

  Prandtl-Meyer-Punktes 38 von der gesunden Ströwnag ab. Das

  gebremste Grenzschichtmsterial und der Nachlauf des Prandtl-

  mejer-Punktes wird in dem Kanal 44 gesammelt und abgeführt.

  Die unmittelbare Umgebung des ersten Prandtl-Meyer--Punktes

  Pw1 ist in Fig. 5a dargestellt. Die Diffusorschneide6

  ist zu dem Prandtl-iteyer-Punkt 34 so angeordnet, daB der

  Nachlauf 46 nicht in das Innere des Diffusors-gelangen kann. Die unmittelbare Umgebung des zweiten Prandtl-9e?er-Punktes wird in Fig. 5b dargestellt. Die Schneide 39 taucht in die öesunde Strömung ein. Die Grenzschicht 4? wird ebenso wie der Nachlauf 48 des Prandtl-Meyer-Punktes 38 (PUP2) in dem Kanal 44 gesammelt.
• Die zezeigte Anordnung des zweiten isentropisch verdichtenden Prandtl->eyer-Feldes sollte nicht mit dem Ausdruck "isentrore Innenverdichtung" bezeichnet werden. Die in der Literatur beschriebene und in der Technik angewendete isentrope Innenverdichtung ist nämlich dadurch gekennzeichnet, daß zrsi einander gegenüberliegende Wände miteinander in Wechselwirkung treten. Die srenzschicht der einen Tand wird 3ur^h die von der Gegenwand ausgelösten Druckanstiege beein-'-lu2t und verdickt, und um`ekehrt. Eine solche Wechselwirkung L--et in dem in rin. 5 Zezeigten Strömungsfeld nicht vorhanden. In dieser Ausschaltung der gegenseitigen ZrenZschichtverdickenden und.stoßauslcsenden Wechselwirkung zweier geSeaüberliegenden !'Bände liegt der eigentliche Inhalt der Erfindung.
• Die Wand 33 - 35 bleibt ohne Druckanstieg. DaB der Wand 33 - 35 die konkav gewölbte Gegenwand 36-37-40 gegenüberliegt, bleibt ohne Einfluß und Wechselwirkung. Bevor längs der Machlinie 34-z9 das erste Signal von der Gegenwand in Form eines Druckanstiebes ankommt, ist bei 35 die Wand 33-35 schon zu Ende. Weden des fehlenden Druckanstiegs längs der Wand 33-35 kommen aber auch von dieser Wand lkeine Grenzschichtdicken verändernden Wellen an die Gegenwand 36-37-40. Der zweite

  Verdichtungsfächer 36-37-38 unterscheidet sich nicht von dem

  ersten Verdichtungsfächer 32-33-54. Er stimmt mit ihm in seine=

  ganzen idealen störungsfreien Verhalten, der Entwicklung der

  frisch anlaufenden Grenzsdhicht, der Abwesenheit von Störquellen

  und dem Fehlen von Möglichkeiten der Grenzschicht - Stoßbeein-

  flussung - überein. Er stellt gewissermaßen eine zweite "in-

  verse Außenverdichtung" dar. Nicht wie bei den Ströanngefeldern

  der isentropen Innenverdichtung ein behutsamen Ansteigen den

  Druckes in einem langen Kanal, sondern in der inversen zweiten

  Verdichtung ein steiler isentroper Druckanstieg auf den Über-

  haupt m.glichen kleinsten Raum kennzeichnet die Erfindung.

  Um das Strömungsfeld eines rotationssymmetrischen isen-

  tropischen Überschalleinlaufdiffusors kürzester Baulänge ent-

  v.#.-'.:eln zu können, muß ein neuartiges Strömungsfeld konzipiert

  werden. Fig. 4 stellt die Entwurfsprinzipien dieses StrÖnungs-

  feldes dar, las "-_'ingdüsenströmzng" genannt werden soll. Im

  r7

  wi@^'zenra@lm 49 zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohren

  50 und 51 mit der gemeinsamen Achse 53 strömt Luft in Richtung

  52. Das innere Rohr 51 endet an der scharfen Schneide 54 (PlKP).

  Beim Durchtritt'dureh die kreisringföraige Kontrollfläche 54-55

  wird Schallgeschwindigkeit festgestellt. Das Innere des Rohres 51

  ist an. eine Vakuumpumpe hoher Saugleistung angeschlossen, sodaB

  bei 55 ein Vakuum festgestellt werden kann. Ebenso befindet sich

  in Richtun- 57 eine Vakuumpumpe hoher Saugleistung. In der un-

  mittelbaren TJngebung des Punktes 54 (W) bildet sich das be-

  kannte ä trömungsfeld einer ebenen I'randti-Meyer-Ström2ng aus'.

  Von der unmittelbaren Umcebung dieses Punktes 54 (PlP) aus, in

  der die Randbedingungen für die weitere Berechnung vorgegeben

  sind, wird nach dem 1harakteristikenverfihren von ßusemann und

  Guderley, mit der Erweiterung für den achsnahen Bereich nach

  Oswatitsch, das Strömun-sfeld weiter als Charakteristiken-

  netz gerechnet. Einen Teil des Charakteristikennetzes zeigen

  die Charakteristiken 58. In dieses Charakteristikennatz werden

  die Stromlinien 59 ein;etrajen.

  Für ein Gas mit-vorgegebenen konstanten Verhältnis der

  spezifischen Wärmen kann eine Folge von Ringdüsenströivngen

  sntvickelt :erden, die sich untereinander durch das jeweilige

  Verhältnis f zwischen. Außenradius des inneren Rohres (54-6'I)

  und deuü Innenradius des äußeren Rohres (55-61) unterscheiden.

  Jede Stromlinie in einer ingdüsenströmung kann ausgewählt

  werden und als Kontur 60 einer Düse oder als Kontur eines

  Diffusörs dienen, denn das Strömungsfeld der E.ingdüsenströmung

  teilt die agwnschaft des Strömungsfeldes der Prandtl-Meyer-

  Strömung, in beiden @i cht;ingeu hin sowohl als. Duse wie als

  Diffuser störungsfrei durchflossen zu werden.

  Das Strömungsfeld eines isentrop verdichtenden rotations-

  symmetriich2n Einlaufdiffusors wird nach Fig.? zusammengesetzt

  aus dem Strömungsfeld einer isentropen Außenverdichtung

  (62, 63e 64) und dem Strömungsfeld einer Ringdiisenet$ömun.g

  (62, 65, 66). An der Diffusorschneide 62 stimmen sowohl von

  dem Strömungsfeld der isentropen Außenverdichtung-als auch

  von dem Strömunmsfeld der Ringdüsenströmung die Machzahl an

  der Schneide s als.auch der Winkel-der Strömungsrichtung gegen

  die Achse x%J miteinander überein. Je eine abschließende Cha-

  rakteristik des Strömungsfeldes der isentropen Außenverdichtimg

  und eine Charakteristik des Strömungsfeldes der Ringdüsen-

  atrömung geben die Randbedingungen für die Konstruktion des

  Charakteristihennetzes eines verbindenden Zwicaelfeldes (64,

  62, 66).

  Die Forderung, daß der erzeugende l'randtl-Meyer-Puakt der

  ningdrüsenströmung 66 (PUP i,) auf der Kontur des spindelförsigen

  Zentralkörpers 67 liegen soll, führt zu dem isentropen Strömungs-

  feld mit der absolut kürzesten Baulänge. I`ür jede vorgegebene

  Machzahl 1'äßt sich nun eine Familie von isentropischen Einlauf=

  3iffusoren kürzester Baulänge entwickeln, deren einzelne Indivi-

  duen sich nur durch den vorgegebenen Schneidenwinkel @s unter-,

  scheiden. Es läBt sich auch leicht derjenige Schneidenwinkel @.s

  ermitteln, der für jede vorgegebene Machzahl zu einen optimalen

  Diffusor führt. Der optimale Diffusor für eine bestimmte Kach-

  zahl und für ein Triebwerk mit vorgegebenen Eigenschaften führt

  unter bprjc::sichtigvig des durch die Schulter an der Diffusor-

  s-Izneide in der Außenströmung hervorgerufenen schädlichen Wellen-

  widerstandes und unter

  des notwendigen Aufwandes

  für Grenzsehichtabführung zu einem Triebwerk mit höchstem Gesamt-

  wirkungsgrad..

  Die technische Ausführung eines rotationssymmetrischen

  Cherschalleinlaufdiffusors kürzester Baulänge gemäß der Er-

  findung ist in Fig.B dargestellt. Die Überschallströmung 1

  trifft bei 68 auf das in einem sehr spitzen Kegel auslaufende

  vordere Ende des spindelförmigen Zentralkörpers 69. Von 70 bis

  85 ist die Kontur des Zentralkörpers gekrümmt. Die Nachlinien 77

  w?rden auf den ersten Prandtl-Meyer-Punkt 72 (PMP1) fokussiert.

  Das Feld der isentropän Außenverdichtung liegt zwischen den

  Funkten 7,a, 71 und 72. Die Diffusorschneide 73 liegt in der

  gesunden -Strömung. Der Nachlauf des Prandtl =keyerPunktea fließt über die S:@hulter 74 ab.
• Die Innenkontur der Diffusorhaube 76 ist von 73 bis 75 konkav gekrümmt und fokussiert die Machlinien 78 auf dem zweiten PrandtlMeyer-Punkt 79 (PUP 2). Von 75 - 80 verläuft die Kontur der Haube so, daß in dem Feld 759 79, 80 keine Verdichtung mehr auftritt. In dem Spalt zwischen 80 und 81 kann die Haubengrenzschicht abfließen; sie entweicht bei 84. Die Schneide 81 ist sehr scharf und taucht in die gesunde Strömung ein. Die Kontur von 81 - 82 ist gegen die Anströmrichtung schwach angestellt, sodaß ein schwacher schiefer,. das Überschallfeld abschließender Stoß .83 ausgelöst wird. Die scharfe Schneide 88 taucht in die gesunde Strömung, die von 71 bis 85 nur noch schwach verdichtet wurde. Die Grenzschicht am Zentralkörper kann durch den Spalt zwischen den Punkten 88 und 85 abfließen, und wird durch den Kanal 86 abgeführt. Ab 82 beginnt der erweiterte Überschalldiffusor 87.
• Versuche an dem erfindungsgemäßen Einlaufdiffusor kürzester BaulänGe im Tindkanal ergaben auffallende Ergebnisse. In der engsten Stellet am Ende des Übersdhallfeldes konntehbei der :lnatrömmachzahl 3,2 Pitotdrücke von 9895ö des Ruhedruckes der Anströmung gemessen werden. Die abzuführende Grenzschichtmenge bleibt bei dieser kachzahl erträglich und wegen der kurzen Baulänge unter den Werten, die von Diff usoren mit Innenver dichteng zum Stabilisieren der Strömung, in dem langen Kanal der Innenverdichtung gefordert werden müssen. Der Wellenwider- stand eines rotationssymmetrischen Isentropikdiffusors kürzester Baulänge bleibt gering, besonders wenn zum Aufbau eine

  modifizierte konvergente @in@düsenströauag Anwendung findet.

  Die wirtschaftlichen Vorteile sind beträchtlich. Der

  Triebwerkswirkungsgrad steigt mit dem Güterad deä Diffusors.

  Daraus ergeben sich gegenüber derzeit gebräuchlichen Diffusoren

  erhebliche Einsparungen an spezifischen Brennstoffverbrauch,

  die, sei es zur Steigerung des Ahteiis der Reichsweitenvergrö-

  Berung, `sei es zur Steigerung des Anteil a der zahlenden Last

  ausgenutzt werden können.

  Der isentropische überschalleinlaufdiffusor kürzester

  Baulänge zeigt sich empfindlich auf Nichteinhaltung der Anströn-

  bedingungen, Strömungsrichtung und Ströauagsmachzahl. Die erheb-

  lichen wirtschaftlichen Vorteile, die der hohe Druakrückgewinn

  bei geringem Widerstand bringt, lassen es gerechtfertigt er-

  scheinen, einen gewissen technischen, Aufwand zu treiben, um

  diese notwendigen Anströnebeäingungen einzuhalten. Die Bedin-

  gung, im Reiseflug die vorgegebene Flu,gnachzahl zu halten, wird

  dann leichter zu erfüllen sein, wenn das Tragflächenprofil in

  einem größeren Bereich von Auftriebsbeiwerten Geflogen werden

  kann. Die Forderung nach Einhaltung der vorgeschriebenen An-

  strÖmrichtung kann erfüllt werden, wenn man die Triebwerks-

  gondeln_mit einen Schwenkmechanismus ausrÜetet, der bei allen

  I'lugmanövern die Triebwerksgz ndel als Ganzes oder den Diffusor

  für sich in die vorgeschriebene Richtung einschwenkt.

Claims (1)

1. Patent a n s p r ü c h e . 1. Isentropisch verdichtender Einlaufdiffusor kürzester Haulänge für Überschalltriebwerke, g e k e n n z e i e h n e t durch ein Strömtuig^ feld, das sich aufeinanderfolgend zusanmenwetzt erstens aus dem Strömungsfeld einerisentropen Außenverdichtung .mit einer Fokussierung der Machlinien in einem Prandtikeyer- Punlrt nahe einer Diffusorschneide, wobei diese Diffusorschneide Mdie gesunde Strömen; eintauchend, den Nachlauf des Prandtl- Meyer-Punktes außerhalb, des Diffusorinnern in der Außenströ- mung abfliegen läßt, zweitens aus einen verdichtungslosen Zwischenfeld und drittens aus einen aus; ersten Strömungsfeld inversen isentropen Verdichtungsfeld steilen Druckanstiegs, dessen erzeugender inverser PrandfilMeyer-Punkt' au.f oder un- mittelbar benachbart dem Ende der festen Wand des verdich- tungslosen Zwischenfeldes liegt. 2. Isentropisch verdichtender Einlaufdiffuaor nach Anspruch 1, dadurch gek3nnzeichnet, daß ein den Überschallteil des Strö- mun3sfeldes abschließender schwacher schiefer oder gerader Verdichtungsstoß unmittelbar hinter dem zweiten inversen Prandtl-Meyer-Punkt verläuft. Einlaufdiffusor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Grenzschichtabführung unmittelbar vor dem das Überschallfeld abschließenden schwachen Verdichtungsstoa, deren scharfe . Schneiden in die gesunde Strbausg hineintauchen und den Nach- lauf des zweiten Prandtl-Meyer-Punktes mit erfassen.