DE2801119A1 - Einrichtung zum verhindern des brummens bei ueberschalleinlaeufen fuer luftatmende rueckstosstriebwerke,insbesondere staustrahltriebwerke - Google Patents

Einrichtung zum verhindern des brummens bei ueberschalleinlaeufen fuer luftatmende rueckstosstriebwerke,insbesondere staustrahltriebwerke

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DE2801119A1 DE19782801119 DE2801119A DE2801119A1 DE 2801119 A1 DE2801119 A1 DE 2801119A1 DE 19782801119 DE19782801119 DE 19782801119 DE 2801119 A DE2801119 A DE 2801119A DE 2801119 A1 DE2801119 A1 DE 2801119A1
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Description

Messerschmitt-Bölkow-Elohm Ottobrunn, 5. 12. 1977
Gesellschaft mit BTOl Hn/er
beschränkter Haftung 8222 München
und
Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. Köln
Einrichtung zum Verhindern des Brummens bei Überschalleinläufen für luftatmende Rückstoßtriebwerke, insbesondere Staustrahltriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verhindern des Brummens bei Überschalleinläufen für luftatmende Rückstoßtriebwerke, insbesondere für mit Festbrennstoffen betriebene Staustrahltriebwerke ohne Regelung der Lufteinlaufmenge, der Brennstoffmenge und der Schubströmung zum Antrieb von lenkbaren Flugkörpern, mit einem nicht vollrotationssymmetrischen, insbesondere halbrotationssymmetrischen Lufteintrittsquerschnitt.
Bei mit hohen Flugmachzahlen sich vorwärtsbewegenden Flugzeugen und Flugkörpern wandelt der Überschalldiffusor die hohe kinetische Energie der anströmenden Luft unter Abbau ihrer Geschwindigkeit in Druckenergie um. Bei Staustrahltriebwerken übernimmt diese Aufgabe der Überschalldiffusor« allein. Die so verdichtete Luft dient dann in der Brennkammer als Verbrennungsluft.
Die für Überschallströmungen an umströmten Körpern auftretenden charakteristischen Verdichtungsstöße werden bei Überschalleinläufen zur Umwandlung von kinetischer Energie in Druckenergie genutzt. Eei Überscha11einlaufen für Flugtriebwerke treten aufeinander folgend mehrere schräge Verdichtungsstoße und ein abschließender, zur Kanalkontur
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senkrechter Verdichtungsstoß auf, hinter dem Unterschallströmung herrscht, deren Geschwindigkeit im nachfolgenden Unterschalldiffusor bei gleichzeitiger Druckerhöhung weiter vermindert wird. So bestechend das Phänomen der Druckumsetzung auf kleinstem Raum durch Verdichtungsstoße und die Nutzung dieser Erscheinung bei der Überschallströmung ist, so schwierig gestaltet sich heute noch die Stabilisierung des abschließenden Verdichtungsstoßes in bestimmten Betriebsbereichen des Überschalldiffusors zur Aufrechterhaltung der gewünschten Triebwerksleistungen.
Bei Überschalldiffusoren wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden, nämlich dem "überkritischen" Betriebszustand, bei dem der abschließende senkrechte Verdichtungsstoß im Innern des Diffusors liegt, und dem "unterkritischen" Betriebszustand, bei dem der abschließende Verdichtungsstoß vor die Stoßkante des Einlaufkanales wandert. Der günstigste Betriebspunkt, nämlich das Maximum des Produktes aus Druck und Luftdurchsatz, wobei im Betriebsdiagramm die erstgenannte Betriebsgröße auf der Ordinate und die zweitfenannte Betriebsgröße auf der Abszisse aufgetragen ist, liegt genau am Übergangspunkt zwischen dem "unterkritischen" und "überkritischen" Betriebszustand.
Als eine besondere Störung des Lufteinlaufs bei Überschalldiffusoren hat sich das in der Fachsprache als "Brummen" bezeichnete Phänomen erwiesen. Diese Störung tritt im "unterkritischen" Betriebsbereich auf. Hierbei findet der bereits vor die vordere Stoßkante des Einlaufkanales gewanderte senkrechte Verdichtungsstoß keine stabile Lage und läuft instationär auf dem Verdrängerkörper hin und her.
Dies führt nicht nur zu starken Druckschwankungen in der Strömung und damit zu einem erheblichen Abfall des mittleren Druckes und des Luftdurchsatzes (Löschen der Brennkammer
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bei mit flüssigem Brennstoff betriebenen Strahltriebwerken; Herausschlagen der Flammen bei mit festem Brennstoff betriebenen Staustrahltriebwerken), sondern kann auch die mechanische Zerstörung der Lufteinlauf- und Flugkörperstruktur bewirken.
Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das höchst nachteilige "Brummen" unbedingt zu vermeiden.
Bei herrkömmlichen Überschall-Lufteinläufen wird das dadurch erreicht, daß der Auslegepunkt nicht in den bereits weiter vorn erwähnten günstigsten Betriebspunkt gelegt wird, sondern etwas in den überkritischen Bereich hinein verschoben wird. Dadurch, und durch zusätzliche Maßnahmen und Einrichtungen, wie eine variable Geometrie des Diffusors und Regelung der Brennstoffdosierung für die Brennkammer des nachfolgenden Triebwerks und durch Schubdüsenverstellung, wird ergeht, daß bei Abweichung vom Auslegepunkt, etwa bedingt durch besondere Flugmanöver, niemals der unterkritische Betriebszustand, der die Voraussetzung für das nachfolgende "Brummen" (Hin- und Herspringen des senkrechten Verdichtungsstoßes auf dem Verdrängerkörper) bildet, eintritt. Die vorerwähnten Maßnahmen und Einrichtungen bedingen jedoch durch Abweichung vom günstigsten Betriebspunkt einen Leistungsverlust und stellen einen zusätzlichen kostspieligen baulichen Aufwand sowie eine Vermehrung des Baugewichts dar·
Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, durch eine relativ einfache Einrichtung das höchstnachteilige"Brumraen" bei Überschalldiffusoren mit Sicherheit vermeiden.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch - in Strömungsrichtung gesehen vor der Einlaufebene des Lufteinlaufrohres - im Verdrängerkörper vorgesehene Luf tabs trömöffnung en.
In Ausführung der Erfindung sind bei einem Überschall-Lufteinlauf, bei dem zwischen der Innenseite des Lufteinlaufs bzw. des Verdrängerkörpers und der dieser benachbarten Außenkontur des Flugkörpers ein dessen Grenzschichtströmung durchlassender Luftspalt vorgesehen ist, der von einem Grenzschichtpflug überbrückt wird, mehrere im Verdrängerkörper in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende, zum Grenzschichtspalt hin ausmündende Luftabströmschlitze vorgesehen. Dabei ist der Grenzschichtpflug so gestaltet, daß der Druck im Grenzschichtspalt kleiner ist als der auf der Oberfläche des Verdrängerkörpers, zumindest kleiner als der Druck hinter dem herausgelaufenen senkrechten Verd ich tung s s tο ß.
In Ausgestaltung hierzu sind diese Luftabsaugschlitze erfindungsgemäß im Querschnitt schelbenschwanzförmig gestaltet, wodurch die Gleichmäßigkeit der Abströmung radial mn außen nach innen gewährleistet ist.
Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in einem oder mehreren, im Verdrängerkörper in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten, in UmfangsrLchtung verlaufenden Luftablaufkanälen, die mit einem viele Reihen von Einströmlöchern aufweisenden Deckel, einem sog. Lochblech, radial nach außen verschlossen sind und zum Grenzschichtspalt hin münden.
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Die vorgeschlagene Maßnahme hat sich in zahlreichen Versuchen als wirksames Mittel zum Verhindern des"Brummens" herausgestellt. Ferner ist die erfindungsgemäße Einrichtung baulich einfach, herstellungsmäßig billig und erspart zusätzlich Baugewicht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen die
Fig. 1 und 2 für einen Flugkörper einen Überscha11-Lufteinlauf mit verschieden ausgeführten Luftabströmeinrichtungen.
Die an einem Flugkörper 1 angeordneten halbrotationsförmigen Überscha11-Lufteinläufe bestehen jeweils im wesentlichen aus einem Verdrängerkörper 2, einem Lufteinlaufrohr und einem Grenzschichtpflug 4, der den freien Luftspalt zwischen der nach innen zeigenden ebenen Fläche 6 des Überschalleinlaufs und dem hierzu benachbarten Flächenbereiche? la des Flugkörpers 1 überbrückt. Hierdurch wird die für den Lufteinlauf schädliche, d.h. aufgeheizte und weniger energiereiche Grenzschichtströmung ausgespart.
Der Grenzschichtpflug 4 ist dabei so ausgebildet, daß die Grenzströmung einen niedrigeren Druck aufweist als die Strömung an der Oberfläche des Verdrängerkörpers 2.
Die mit Überschallgeschwindigkeit ankommende Luftströmung ist mit L bezeichnet. Sie wird in bekannter Weise im Überschalldiffusor verzögert und ihre kinetische Energie wird in mehreren, hier beispielsweise drei hintereinander erfolgenden schrägen Verdichtungsstößen a, b und c und zuletzt in einem senkrechten Verdichtungsstoß d in Druck-
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energie umgewandelt. Hinter dem letzten bzw. abschließenden Verdichtungsstoß d herrscht Unterschallgeschwindigkeit vor.
Im ausgelegten Betriebsbereich des Triebwerks bzw. des Überschalleinlaufs nehmen die Verdichtungsstoße a, b, c und d stabil die eingezeichneten Richtungen ein.
Wenn der Plugkörper, z. B. durch besondere Flugmanöver, in seiner Geschwindigkeit abfällt oder sich die Anströmverhältnisse sonstwie verschlechtern, nimmt der Druck und damit der Luftdurchsatz im Diffusor ab. Das Triebwerk benötigt bei diesem Flugzustand weniger Luft und der abschließende Verdichtungsstoß d wandert dann vor die Stoßkante 3a bzw. vor die Einlaufebene E des Lufteinlaufrohres 3, wie mit d1 angedeutet ist. Der Lufteinlauf arbeitet dann im unterkritischen Zustand, wobei es gilt, den senkrechten Stoß d' auf dem Verdrängerkörper 2 stabil zu halten.
Nach Fig. 1 strömt im unterkritischen Betriebszustand ein Teil L1 der über den Verdrängerkörper 2 anströmenden Luft L über die im Querschnitt schwalbenschwanzförmigen Luftabströmschlitze 7 zur Grenzschichtströmung L1' hin ab. Das gleiche geschieht nach Fig. 2 über viele kleine Löcher 8 in einem Deckel 9 (Lochblech), der zwei Luftablaufkanäle 10 radial nach außen hin verschließt.
Durch das Abströmen der Grenzschicht in den kritischen Bereichen des Einlaufdiffusors bzw. des Verdrängerkörpers vor der Einlaufebene E wird hier der herausgelaufene Verdichtungsstoß d'stabilisiert und somit das Brurjunen verhindert.
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Leerseite

Claims (4)

  1. Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 5.12.1977
    Gesellschaft mit BTOl Hn/er
    beschränkter Haftung 8222 München
    Deutsche Forschungs- und Versuchs- fcvv f I Iv
    anstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. Köln
    Einrichtung zum Verhindern des Brummens bei Lberschalleinläufen für luftatmende Rückstoßtriebwerke, insbesondere Staustrahltriebwerke
    Patentansprüche
    Einrichtung zum Verhindern des Brummens bei tjberschalleinläufen für luftatmende Rückstoßtriebwerke, insbesondere für mit Festbrennstoffen betriebene Staustrahltriebwerke ohne Regelung der Lufteinlaufmenge, der Brennstoffmenge und der Schubströmung zum Antrieb von lenkbaren Flugkörpern, mit einem nicht vollrotationssymmetrischen, insbesondere halbrotationssymmetrischen Lufteintrittsquerschnitt, dadurch gekennzeichnet , daß - in Strömungsrichtung gesehen vor der Einlaufebene (E) des Lufteinlaufrohres (3) im Verdrängerkörper (2) Luftabströmöffnungen (7 bzw. 8) vorgesehen sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
    2BOl i l9
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  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen der Innenseite des Lufteinlaufs bzw. des Verdrängerkörpers und der dieser benachbarten Außenkontur des Fluakärpers
    /ein aessen Grenzschichtströmung durchlassender Luftspalt vorgesehen ist, der von einem Grenzschichtpflug überbrückt wird, gekennzeichnet durch mehrere im Verdrängerkörper (2) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende, zum Grenzschichtspalt (5) hin ausmündende Luftabströmschlitze (7), wobei der Grenzschichtpflug (4) so ausgebildet ist, daß der Druck im Grenzschichtspalt (5) kleiner ist als an der Oberfläche des Verdrängungskörpers (2), zumindest kleiner als der Druck hinter dem herausgelaufenen senkrechten Verdichtungsstoß (d1), der dann vor der Abströmung liegt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftabströmschlitze (7) im Querschnitt schwalbenschwanzformig gestaltet sind.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und teilweise nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, im Verdrängerkörper (2) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete, in Umfangsrichtung verlaufende Luftablaufkanäle (10), die mit einem viele Reihen von Einströmlöchern (8) aufweisenden Deckel (9) radial nach außen verschlossen sind und beidseitig zum Grenzschichtspalt (5) hin ausmünden.
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