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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Staustrahltriebwerk mit einem Einlaufkanal.
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Der Einlauf eines luftatmenden Triebwerks fängt die benötigte Luft aus der Atmosphäre im Überschall auf und stellt diese der Brennkammer bereit. Um die Leistungseigenschaften eines solchen Triebwerks zu gewährleisten, muss dieser Einlauf den erforderlichen Massestrom und einen ausreichenden Druckrückgewinn liefern. Ebenfalls darf der Einlauf insbesondere bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten sowie Wende- und Flugmanövern nicht blockieren oder instabil werden.
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Die Einlaufkanäle eines luftatmenden Triebwerks sind zumeist für eine Geschwindigkeit bzw. einen Betriebszustand ausgelegt und besitzen eine feste Einlaufgeometrie. In dem Falle, dass ein Flugzeug oder ein Flugkörper mit einem derartigen Triebwerk beschleunigt wird oder agile Flugmanöver ausführt, ändert sich die Anströmung des Einlaufkanals und des Triebwerks. Insbesondere ändert sich beispielsweise die Lage der Verdichtungsstöße, woraus eine Verschlechterung der Leistungseigenschaften des gesamten Triebwerks und insbesondere des Einlaufs resultiert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Staustrahltriebwerk zu schaffen, das verbesserte Leistungseigenschaften bei Beschleunigung oder agilen Flugmanövern oder bei Flugmissionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsanforderungen aufweist.
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Das erfindungsgemäße Staustrahltriebwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Staustrahltriebwerk eine Haube und einen Verdrängungskörper aufweist, wobei ein einen Einlaufkanalquerschnitt aufweisender Triebwerkseinlaufkanal für einen Fluidstrom zwischen dem Verdrängungskörper und der Haube gebildet ist. Dabei ist zwischen einem anstromseitigen Ende der Haube und dem Verdrängungskörper ein Einlassquerschnitt gebildet. Der Verdrängungskörper weist dabei in Flussrichtung des Fluidstroms eine den Einlaufkanalquerschnitt verjüngende erste Rampe, darauffolgend ein einen engsten Einlaufkanalquerschnitt begrenzendes Diffusorelement und eine den Einlaufkanalquerschnitt erweiternde zweite Rampe auf. Die Erfindung ist durch eine Einstellvorrichtung für den Einlaufkanalquerschnitt gekennzeichnet, über die die relative Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube in Triebwerkslängsrichtung einstellbar ist und über die der engste Einlaufkanalquerschnitt mittels mindestens einer einstellbaren Oberflächenkontur an der Haube und/oder dem Verdrängungskörper einstellbar ist.
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Mittels der Einstellvorrichtung für den Einlaufquerschnitt und über die Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube in Triebwerkslängsrichtung ist eine Anpassung des Triebwerkseinlaufkanals an unterschiedliche Flugzustände möglich. Der Einlaufkanalquerschnitt lässt sich insbesondere an veränderte Anströmbedingungen infolge unterschiedlicher Fluggeschwindigkeiten des Triebwerks aufgrund von Beschleunigung oder agilen Flugmanövern anpassen. Bei der Variation der Fluggeschwindigkeit verändern sich die Anströmbedingungen innerhalb und außerhalb des Triebwerkeinlaufs, wie beispielsweise der Winkel des Verdichtungsstoßes. Zur Ermöglichung von gleichbleibenden Leistungseigenschaften oder einer Erhöhung der Leistungseigenschaften bei sich verändernden Anströmbedingungen muss die Geometrie des Einlaufkanals verändert werden. Die Einstellvorrichtung ermöglicht durch die einstellbare Oberflächenkontur in Verbindung mit der Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube eine einfache Veränderung des Einlaufkanalquerschnitts, so dass während des Betriebs eine Anpassung durch Veränderung des Einlaufkanalquerschnitts erfolgen kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Einstellung des engsten Einlaufkanalquerschnitts und die Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube in Abhängigkeit von einem oder einer Kombination der nachfolgenden Parameter auf der Anströmseite und/oder in dem Triebwerkseinlaufkanal und/oder auf der Abströmseite erfolgt: Druck, Massendurchsatz, Geschwindigkeit des Fluidstroms. Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube mit der Einstellung des engsten Einlaufkanalquerschnitts über die Einstellvorrichtung abstimmbar ist. Mittels der abgestimmten Einstellung kann die Geometrie des Triebwerkeinlaufkanals in unterschiedlichen Bereichen, wie beispielsweise dem engsten Einlaufkanalquerschnitt des Triebwerkseinlaufkanals oder dem Einlassquerschnitt aufeinander abgestimmt eingestellt werden. Folglich kann ein gewünschter spezifischer Querschnittsverlauf des Triebwerkseinlaufkanals entlang der Triebwerkslängsachse eingestellt werden.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass über die Einstellvorrichtung die Lage und/oder die Größe des Einlassquerschnitts einstellbar sind.
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Durch die Veränderung der Lage und/oder Größe des Einlassquerschnitts kann dieser optimal an die vorliegenden Strömungsbedingungen des Fluidstroms angepasst werden. Insbesondere ist es möglich den Verdichtungsstoß im Bereich des Einlassquerschnitts zu positionieren und darüber hinaus eine gewünschte Außenverdichtung einzustellen.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Lage und/oder die Größe des Einlassquerschnitts sowohl über die mindestens eine einstellbare Oberflächenkontur, als auch über die Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube in Triebwerkslängsrichtung einstellbar sind.
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Das Verhältnis des Einlassquerschnitts zu dem engsten Einlaufkanalquerschnitt kann dabei durch Einstellung der mindestens einen einstellbaren Oberflächenkontur und/oder über die Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube beeinflusst werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Diffusorelement des Verdrängungskörpers eine erste einstellbare Oberflächenkontur und/oder die Haube im Bereich der anstromseitigen Vorderkante eine zweite einstellbare Oberflächenkontur zur variablen Einstellung des Einlaufkanalquerschnitts und/oder des Einlassquerschnitts aufweist.
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Mittels der ersten und/oder zweiten einstellbaren Oberflächenkontur wird eine Anpassung sowohl des Einlaufkanalquerschnitts als darüber hinaus auch des Einlassquerschnitts ermöglicht. Bei Vorsehung der ersten und zweiten einstellbaren Oberflächenkontur können diese koordinativ gemeinsam eingestellt werden, um damit eine noch flexiblere Anpassung des Triebwerkeinlaufkanals zu ermöglichen.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Lage des engsten Einlaufkanalquerschnitts durch die Einstellung der mindestens einen einstellbaren Oberflächenkontur in Triebwerkslängsrichtung veränderbar ist. Die Lage des engsten Einlaufkanalquerschnitts kann auch durch eine Einstellung der relativen Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube beeinflusst werden.
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Durch die Veränderung der Lage des engsten Einlaufkanalquerschnitts ist eine Anpassung der Strömungsverhältnisse in dem Einlaufkanal, insbesondere der Verdichtungsstöße an die sich verändernden Anströmungsbedingungen möglich. Die Lageveränderung des engsten Einlaufkanalquerschnitts über die einstellbare Oberflächenkontur ermöglicht es, den engsten Einlaufkanalquerschnitt anzupassen, ohne dabei die relative Lage des Verdrängungskörpers zur Haube verstellen zu müssen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine einstellbare Oberflächenkontur aus einem flexiblen und/oder elastischen Material gebildet ist.
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Durch die Vorsehung eines flexiblen und/oder elastischen Materials als einstellbare Oberflächenkontur ist eine einfache und schnelle Anpassung des Einlaufkanalquerschnitts an sich verändernde Strömungsbedingungen des Fluidstroms möglich. Es ist möglich, die Materialeigenschaften des flexiblen und/oder elastischen Materials so zu wählen, dass sich die einstellbare Oberflächenkontur bereits aufgrund der herrschenden Strömungsbedingungen anpasst. Durch die Nutzung eines flexiblen Materials als einstellbare Oberflächenkontur kann diese bereits unter Aufbringung von geringen Kräften leicht verformt werden. Bei Verwendung eines elastischen Materials führt dieses nach Wegnahme der Verformungskräfte eine Rückbewegung aus und kehrt wieder eigenständig in die ursprüngliche Form zurück. Die Ausgangskontur wird somit aufgrund der Elastizität des Materials nach Wegnahme der Verformungskräfte eigenständig wiederhergestellt.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass das flexible und/oder elastische Material mindestens eine Verstärkung mit einem höheren Elastizitätsmodul in Längs- und/oder Querrichtung und/oder eine höhere Biegesteifigkeit als das flexible und/oder elastische Material aufweist.
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Die zusätzliche Anordnung einer Verstärkung in oder an dem flexiblen und/oder elastischen Material ermöglicht es, beispielsweise Verformungen in bestimmte Vorzugsrichtungen zuzulassen und in andere Richtungen zu unterbinden bzw. zu reduzieren.
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Weiterhin kann bei Vorsehung einer Verstärkung lediglich in einem Teilbereich des flexiblen und/oder elastischen Materials dieser Teilbereich von Verformungen ausgenommen werden und so gezielt Bereiche für Verformungen definiert werden. Bei der Anordnung von mehreren einzelnen, beabstandeten Verstärkungen in oder an dem flexiblen und/oder elastischen Material können die unter den Verformungen zur erreichenden Oberflächenkonturen gezielt beeinflusst werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Verstärkung eine vorgegebene Kontur aufweist, wodurch zumindest im Bereich der Verstärkung die Oberflächenkontur des flexiblen und/oder elastischen Materials vorgegeben ist.
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Durch die Vorgabe der Kontur über eine Verstärkung wird bei einer Verstellbarkeit gleichzeitig die Form der Oberflächenkontur in verschiedenen Verstellpositionen zumindest teilweise vorgegeben. Dies ermöglicht beispielsweise bei der Einstellung von unterschiedlichen Querschnittsflächen des Triebwerkseinlaufes über unterschiedliche Verformungszustände der mindestens einen einstellbaren Oberflächenkontur gleichzeitig einen gewünschten Konturverlauf der einstellbaren Oberflächenkontur beizubehalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass an der dem Triebswerkseinlaufkanal abgewandten Seite der einstellbaren Oberflächenkontur mindestens eine volumenveränderbare Kammer angeordnet ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass in die Kammer ein Fluid mit einem vorgegebenen Volumen einbringbar ist, über welches die Form und Ausdehnung der einstellbaren Oberflächenkontur veränderbar ist.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Haube und der Verdrängungskörper rotationssymmetrisch zu einer Staustrahltriebwerksmittelachse ausgebildet.
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Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Haube und der Verdrängungskörper des Staustrahltriebwerks lediglich aus einem Kreisabschnitt des rotationssymmetrischen Staustrahltriebwerks gebildet sind.
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Alternativ kann es ebenso vorgesehen sein, dass die Haube im Wesentlichen einen Rechteckquerschnitt aufweist, wobei eine Wandung des Rechteckquerschnitts durch die Kontur des Verdrängungskörpers vorgegeben ist.
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Durch die unterschiedliche geometrische Ausgestaltung des Triebwerkseinlaufkanals kann dieser sowohl in Flugkörpern, als auch in Flugzeugen Verwendung finden.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a eine schematische Schnittdarstellung eines Triebwerkseinlaufkanals eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks mit rotationssymmetrischem Querschnitt,
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1b eine schematische Schnittdarstellung des Triebwerkseinlaufkanals gemäß 1a wobei die relative Lage des Verdrängungskörpers zu der Haube verändert ist,
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2 eine schematische Detailansicht einer einstellbaren Oberflächenkontur an dem Verdrängungskörper der 1 und
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks mit veränderter zweiter Oberflächenkontur im Bereich der Vorderkante der Haube.
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In 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Staustrahltriebwerk 1 weist eine Haube 2 und einen Verdrängungskörper 3 auf, wobei ein einen Einlaufkanalquerschnitt 4 aufweisender Triebwerkseinlaufkanal 5 für einen Fluidstrom 6 zwischen dem Verdrängungskörper 3 und der Haube 2 gebildet ist. Zwischen der Haube 2 und dem Verdrängungskörper 3 ist ein Einlassquerschnitt 7 gebildet.
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Das Staustrahltriebwerk weist eine Einstellvorrichtung 8 für den Einlaufkanalquerschnitt auf, über welche die relative Lage des Verdrängungskörpers 3 zur der Haube 2 in Triebwerkslängsrichtung 9 und über die der engste Einlaufkanalquerschnitt 4a mittels einer einstellbaren Oberflächenkontur 10 an der Haube und dem Verdrängungskörper einstellbar ist.
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Der Verdrängungskörper weist in Flussrichtung des Fluidstroms 6 zunächst eine ansteigende, den Einlaufkanalquerschnitt 4 verjüngende erste Rampe 31 auf. Daraufhin folgt in Flussrichtung des Fluidstroms 6 ein einen engsten Einlaufkanalquerschnitt 4a begrenzendes Diffusorelement 32, wobei das Diffusorelement 32 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine erste einstellbare Oberflächenkontur 34 verfügt, die beispielsweise aus einem flexiblen und/oder elastischen Material gebildet ist.
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In der dargestellten Ausführungsform ist an der dem Triebwerkseinlaufkanal 5 abgewandten Seite 13 der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 eine volumenveränderbare Kammer 14 angeordnet. Durch das Einbringen eines Fluids mit einem vorgegebenen Volumen kann die erste einstellbare Oberflächenkontur 34 verändert werden.
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Die Veränderung der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 wird dabei über das flexible und/oder elastische Material ermöglicht. Eine Volumenvergrößerung der volumenveränderbaren Kammer 14 wird dabei beispielsweise über eine Dehnung des flexiblen und/oder elastischen Materials ermöglicht, wobei sich aufgrund der Dehnung des flexiblen und/oder elastischen Materials gleichzeitig die erste einstellbare Oberflächenkontur 34 derart verändert, dass sich diese in Richtung der Haube 2 dehnt und der Einlaufkanalquerschnitt 4 im Bereich der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 verjüngt wird.
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Andererseits kann über eine Volumenverringerung in der volumenveränderbaren Kammer 14 das flexible und/oder elastische Material in die entgegengesetzte Richtung von der Haube 2 weg gedehnt werden, so dass in der Folge der Einlaufkanalquerschnitt 4 in dem Bereich der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 erweitert wird. Die Veränderung der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 ermöglicht eine Anpassung des Einlaufkanalquerschnitts 4 des Triebwerkseinlaufkanals 5 an sich verändernde Flugeigenschaften.
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In dem Ausführungsbeispiel des Staustrahltriebwerks 1 gemäß der 1a verfügt die Haube 2 im Bereich der anstromseitigen Vorderkante 21 über eine zweite einstellbare Oberflächenkontur 22. Mittels der zweiten einstellbaren Oberflächenkontur 22 kann sowohl der Einlassquerschnitt 7, als auch der Einlaufkanalquerschnitt 4 des Triebwerkseinlaufkanals 5 eingestellt und an sich verändernde Flugeigenschaften angepasst werden. Insbesondere ist es möglich die anstromseitige Vorderkante 21 der Haube 2 an sich verändernde Winkel des Verdichtungsstoßes aufgrund der Veränderung der Flugeigenschaften anzupassen.
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Die 1b zeigt das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Staustrahltriebwerks gemäß der 1a wobei jedoch die relative Lage des Verdrängungskörpers 3 zu der Haube 2 verändert wurde. Der Verdrängungskörper 3 kann dabei stromaufwärts verschoben worden sein und/oder die Haube 2 wurde stromabwärts verschoben. Durch die Veränderung der relativen Lage der Haube 2 zu dem Verdrängungskörper 3 wurde sowohl der Einlassquerschnitt 7, als auch die Geometrie des Einlaufkanalquerschnitts 4 verändert. Der Triebwerkseinlaufkanal kann über die Veränderung der relativen Lage der Haube 2 zu dem Verdrängungskörper 3 an unterschiedliche Strömungsverhältnisse in der Folge von unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten angepasst werden. Der Einlassquerschnitt 7 und/oder der Einlaufkanalquerschnitt 4 können dabei weiterhin über die erste einstellbare Oberflächenkontur 34 an dem Verdrängungskörper, als auch über die zweite einstellbare Oberflächenkontur 22 an der Haube 2 verändert werden.
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Die 2 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung einer ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 im Bereich des Diffusorelementes 32 des Verdrängungskörpers 3, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 2 eine volumenveränderbare Kammer 14 zwischen der ersten Rampe 31 und der zweiten Rampe 33 des Verdrängungskörpers 3 und einer ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 gebildet ist, wobei die erste einstellbare Oberflächenkontur 34 durch ein flexibles und/oder elastisches Material ausgebildet ist.
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In das flexible und/oder elastische Material ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 eine Verstärkung 12 mit einer vorgegebenen Kontur 16 eingebracht. Aufgrund der eingebrachten Verstärkung 12 mit einer vorgegebenen Kontur 16 wird zumindest im Bereich der Verstärkung 12 die Oberflächenkontur 10 des flexiblen und/oder elastischen Materials vorgegeben.
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Die erste einstellbare Oberflächenkontur 34 ist über Befestigungslemente, die in 2 mittels gestrichelter Linien angedeutet sind, sowohl an der ersten Rampe 31, als auch der zweiten Rampe 33 im Bereich deren dem Fluidstrom zugewandten Oberflächen befestigt. Durch die Vorsehung der Ausnehmungen an der ersten und zweiten Rampe 31, 33 zur Aufnahme der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 resultiert ein kontinuierlichen Verlauf der Oberflächenkontur des Verdrängungskörpers 3 an der dem Fluidstrom 6 zugewandten Oberfläche des Verdrängungskörpers 3.
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Bei dem Ausführungsbeispiel einer ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 gemäß der 2 ist die Oberflächenkontur 34 über das Einbringen eines Fluids in die volumenveränderbare Kammer 14 verformbar. Durch das zunehmende Einbringen von Fluid mit einem definierten Volumen wird der Druck innerhalb der Kammer 14 immer weiter erhöht, bis der auf die dem Fluidstrom 6 abgewandte Seite 13 der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 wirkende Druck hoch genug ist um eine Verformung des flexiblen und/oder elastischen Materials der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 34 zu bewirken. Hierbei findet die maßgebliche Verformung der Oberflächenkontur 34 in den Bereichen statt, in denen die Verstärkung 12 nicht angeordnet ist.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Triebwerkseinlaufkanals 5, wobei im Bereich der anstromseitigen Vorderkante 21 der Haube 2 eine zweite einstellbare Oberflächenkontur 22 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die zweite einstellbare Oberflächenkontur 22 mittels eines flexiblen und/oder elastischen Materials gebildet. Durch die Formung der ersten einstellbaren Oberflächenkontur 22 wird dabei eine volumenveränderbare Kammer 14 gebildet. Durch Einbringung eines Fluids mit einem definierten Volumen kann das Volumen innerhalb der volumenveränderbaren Kammer 14 gezielt eingestellt werden. Infolge der Volumenveränderung wird die durch ein flexibles und/oder elastisches Material gebildete zweite einstellbare Oberflächenkontur 22 verformt. So kann in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 sowohl die Lage, als auch die Geometrie des engsten Einlaufkanalquerschnitts 4a und darüber des Einlassquerschnitts 7 gezielt beeinflusst werden.
