DE2801119C2 - Überschallufteinlauf fester Geometrie für luftatmende Rückstoßtriebwerke von lenkbaren Flugkörpern oder Flugzeugen, insbesondere für mit Festbrennstoffen betriebene Stauantriebe - Google Patents
Überschallufteinlauf fester Geometrie für luftatmende Rückstoßtriebwerke von lenkbaren Flugkörpern oder Flugzeugen, insbesondere für mit Festbrennstoffen betriebene StauantriebeInfo
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Description
-Ii
Die Erfindung bezieht sich auf einen Überschallufteinlauf nach Art des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Bei mit hohen Flugmachzahlen sich vorwärtsbewe genden Flugzeugen und Flugkörpern wandelt der 5n
Überschalldiffusor die hohe kinetische Energie der anströmenden Luft unter Abbau ihrer Geschwindigkeit
in Druckenergie um.
Bei Staustrahltriebwerken ohne zusätzliche Druckerhöhung in einem nachgeschalteten Turbotriebwerk- "
Kompressor ist die Funktion des Überschalleinlaufes für die wirtschaftliche Schuberzeugung besonders wichtig.
Die nur im Diffusor verdichtete Luft dient dann in der Brennkammer als Verbrennungsluft.
Die für die Übersehallströmungen an umströmten h0
Körpern auftretenden charakteristischen Vcrdiehuingsstöße
werden bei Überschallcinläufen zur Umwandlung von kinetischer Energie in Driickcncrgie genutzt. Bei
Überschalleinläufen für Rtigtriebwcrke treten aufeinanderfolgend
mehrere schräge Verdichtungsstöße und ein ''' abschließender senkrechter Verdichtungsstoß auf. hinler
dem Untcrschallströmiing herrscht, deren Geschwindigkeit
im nachfolgenden I 'nicrschnllcliffiisor bei
gleichzeitiger Druckerhöhung weiter vermindert wird. So bestechend das Phänomen der Druckumsetzung auf
kleinstem Raum durch Verdichtungsstöße 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 Einlauflippe des Überschalldiffusors wandert. Der
günstigste Betriebspunkt, nämlich das Maximum des Produktes aus Druck und Luftdurchsatz, wobei im
Betriebsdiagramm die erstgenannte Betriebsgröße auf der Ordinate und die zweitgenannte Betriebsgröße auf
der Abszisse aufgetragen ist, liegt theoretisch etwa im Übergangspunkt zwischen dem »unterkritischen« und
»überkritischen« Betriebszustand. Dieser Übergangspunkt wird als kritischer Betriebszustand bezeichnet.
Als eine besondere Störung des Lufteinlaufs bei Überschalldiffusoren hat sich das in der Fachsprache als
,Brummen« bezeichnete Phänomen erwiesen. Diese Störung in Form instabiler Strömungsvorgänge tritt im
stark unterkritischen Betriebsbereich auf. Hierbei findet der bereits vor die vordere Stoßkante des Einlaufkanales gewanderte senkrechte Verdichtungsstoß keine
stabile Lage und schwingt instationär auf dem Verdrängerkörper hin und her. Dies führt zu starken
Druckschwankungen in der Strömung und damit zu einem erheblichen Abfall des mittleren Druckes und des
Luftdurchsatzes. Bei mit flüssigem Brennstoff betriebenen Strahltriebwerken führt dies unter anderem zum
Verlöschen der Verbrennung. Ferner kann bei Flugkörperkonfigurationen mit mehrerei.',, ?„ B. vier, über dem
Umfang verteilten Lufteinläufen, die nur eine Brennkammer mit Luftsauerstoff versorgen, in Flugsituationen mit starkem Schiebewinkel der durch das Brummen
erzeugte Druckabfall eines Lufteinlaufes Interferenzen mit den anderen Lufteinläufen hervorrufen, die Rückströmungen, verbunden mit Herausschlagen der Flam
men, nach sich ziehen. Schließlich kann das Brummen im schlimmsten Fall die völlige mechanische Zerstörung
der Lufteinlauf- und Flugkörperstruktur bewirken. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das höchst nachteilige
Brummen unbedingt zu vermeiden. Dies wird vielfach dadurch erreicht, daß der Auslegepunkt nicht in den
bereits weiter vorn erwähnten theoretisch günstigen kritischen Betriebspunkt gelegt wird, sondern deutlich
in den überkritischen Bereich hinein verschoben wird. Hier arbeilet der Lufteinlauf normalerweise stabil mit
geringem Einlaufwiderstand aber spürbar reduziertem Druckrückgewinn.
Aus der US-PS 30 62 484 geht ein Überschallufteinlauf hoher Machzahl mit »innenstabilisiertem« Übergang
zwischen der Übcrschallströmung und der Untcrschallströmung hervor, wobei der die Ubcrschallströmung
abschließende Geradstoß sich im Ijercich des
engsten Querschnitts, d.h. im Diffusorhals bzw. kurz hinter diesem befindet. Wenn nun durch gewisse
unerwünschte Erscheinungen während des Betriebes der Antricbsanlagc. z. B. durch plötzliche Druckerhöhungen
in der nachfolgenden Brennkammer, der ( ii-raitslofl aus dem Düsenhals in unzulässiger Weise
nach vorne wandert, sorgt die kurz vor dem Düsenhals installierte Abbiaseeinrichtung dafür, daß bei den
auftretenden Instabilitäten der Lufteinlauf vorübergehend entdrosseit und der vorgelaufene Geradstoß
wieder zurückgeholt wird. Mit der in dieser US-Patentschrift 30 62 484 vorgesehenen Abblaseeiurichtung im
Bereich des Düsenhalses wird der gleiche Zweck verfolgt wie bei vielen Überschallflugzeugen, bei denen
am überschallufteinlauf Luftklappen vorgesehen sind, die im unterkritischen Betriebszustand vorübergehend
öffnen, um die vom Überschallufteinlauf zu viel geschk;-?Hi und vom Triebwerk augenblicklich nicht
benötig.e Luiuncnge nach dem Überschallufteinlauf
und vor dem Triebwerk ins Freie abzuführen.
Ferner ist im NACA-Bericht RM E57A21 vom 28. Okt. I960, Washington. USA, ein zweidimensionaler
Überschallufteinlauf beschrieben, dessen Rampenfläche vor der Lufteinlaufebene zur Erhöhung des Druckrückgewinns
und Verbesserung des Stabilitätsverhaltens mit Luftabblaslöchern versehen ist. Die bereits zumindest
durch einen Schrägstoß verdichtete Abgasluft gelangt hierbei über seitliche öffnungen ins Freie. Dies bedeutet
einen gewissen Leistungsverlust für die Antriebsanlage.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darij, das sogenannte Brummen in einem weiten Betriebsbereich
zu vermeiden und die Leistung des Lufteinlaufs zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Lufteinlauf der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 niedergelegten Maßnahmen und Merkmale.
Die Unteransprüche beinhalten ausgestaltende Merkmale der erfindungsgemäßen Luftabblaseinrichtung.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß der im stark unterkritischen Betriebszustand herauslaufende gerade
Verdichtungsstoß am Hin- und Herschwingen auf dem Verdrängerkörper gehindert wird, d. h. durch das
erfindungsgemäße Abblasen der über dem Verdrängerkörper strömenden Grenzschicht wird der herausgelaufene
Geradstoß im (unmittelbar) vor de- Eirlaufebene liegenden Bereich für die Dauer des unerwünschten
unterkritischen 3etriebszustandes zur Vermeidung des schädlichen Brummens stabilisiert.
Zum besseren Verständnis der anstehenden Probleme und zur Begründung der Erfindung sowie für den
Hinweis auf deren Vorteile wird noch folgendes angeführt: Grundsätzlich alle Typen von Überschallufteinläufen
wenden bei hinreichend unterkritischem Einlaufbe'.rieb von Diffusorbrummen befallen. Umfangreiche
Versuche bestätigen, daß diese Regel durch die erfindungsgemäße Lufteinlaufkonzeption erstmalig
durchbrochen wird, und zwai arbeitet der vorgeschlagene Lufteinlauf nicht nur im gesamten unterkritischen
Betriebsbereich voll stabil sondern weist auch dabei einen deutlich besseren Druckrückgewinn als ein
Pitot-Einlauf auf.
Bekanntlich wächst generell mit steigendem kritischen
Einlaufdruckrückgewinn die Schwierigkeit der Strömungsstabilisierung. Anders ausgedrückt, je höher
der Einlaufdruckrückgewinn gewählt wird, desto kleiner ist in der Regel der stabile unterkritische Betriebsbereich.
Zu den bekanntesten firscheinungsformen des Diffusurbrummens
bzw. der Einiaufinstabilitäten zählt zum einen die sogenannte Ferri-Instabililät. Hierbei bewirkt
eine von der Schnittlinie des herausgelaufenen unterkritischen Abschlußstoßes mit einem Schrägstoß oder mit
Schrägstößen ausgehende Trennfläche beim F.intauchcn unter die Einlauflippe, was bei einer, gewissen
unterkritischen Drosselgrad geschieht, einer, starken
Leistungsabfall des Diffusor, wodurch schädliche Strömungspulsationcn ausgeiu:,' v.'crdcn.di-;1 sich m den
j niff'jsor hinein fortpflanzen.
z.um zweiten bewirkt bei einer auftretenden Dailey-Irssiabilitat
der dem unterkritischen Abschlußstoß nachfolgende Druckgradient bei einem gewissen unterkritischen
Drosselgrad eine zunehmende Strömunesnblösung, verbunden mit einem starken Leistungsabfall
des Diffusor und einsetzenden Strömungspulsationen.
Die vorgenannten sowie noch anders Pulsationsursa-
chen lassen sich in einer globalen übergeordneten Stabilitätstheorie zusammenfassen, die besagt, daß ein
bestimmter Leistungsabfall des Überschalldiffusor im unterkritischen Einlaufbetriebsbereich durch Wechselwirkungen
mit dem Antrieb zu Pulsationen führt.
Bekanntlich läßt sich die Grenzschichtablösung (Dailey-Instabilität) durch Absaugung allein nur in
engen Betriebsgrenzen verhindern. Zusätzliche Maßnahmen, wie die Möglichkeit seitlicher Abströmung,
führen normalerweise schon bei keuschem bzw. überkritischem Aus!egungs-Betriebszusi?nd zu dauernden
Verlusten, wie niedrigerem Durchsatz und höherem Außenwiderstand. Doch erzwingen Absaugung und
seitliche Abströmung allein keine völlige Brummfreiheit,
was aber durch die erfindungsgemäße Gesamtkonzeption erreicht wird.
Ferner läßt sich die Ferri-Instabilität bekanntlich durch ein bestimmtes Maß an äußerer Schrägstoßum-
Ferner läßt sich die Ferri-Instabilität bekanntlich durch ein bestimmtes Maß an äußerer Schrägstoßum-
lenkung im Auslegungspunkt eines Überschalldiffusor vermeiden. Dieses Positivum muß jedoch mit dauernd
erhöhtem Außenwiderstand erkauft werden.
Im Hinblick auf diese technisch noch nicht befriedigenden Teilergebnisse durch bekannte Maßnahmen war
es Ziel der Erfindung, eine volle Stabilisierung des Lufteinlauf während des unterkritischen Betriebes zu
erreichen. Dies geschieh' erfindungsgemäß durch die besondere Kombination von Einlaufgeometrie, Einlauf-
und Absaugeanordnung.
Gleichzeitig wird andererseits durch den erfindungsgemäß vermiedenen Leistungseinbruch während des
unterkritischen Betriebes auch die Gefahr der Einlaufinterfrenz beseitigt. Bekanntlich kann bei instabilen
Mehreinlaufsystemen als Folge einer Störung in der Anströmung dauernde, nicht umkehrbare Rückströmungen
in einzelnen Einlaufen auftreten, was eine Zerstörung der Flugkörperstruktur nach sich ziehen
kann.
Versuchsflüge haben bestätigt, daß Überschaüdiffusoren
mit dem erfindungsgemäßen Aufbau auch bei stärksten Betriebsstörungen stabil arbeiten und unmittelbar
nach Beendigung einer Störung in der Zuströmung aus einem Rückströmzustand in Normalbetrieb
übergehen..
Zusammenfassend kann gefolgert werden, daß die Erfindung bei einer besseren Ausnutzung der Leistungsspitze
eines Überschalldiffusor gleichzeitig eine größere Funktionssicherheit für die Antriebsanlage auch bei
fto starken und unvorhergesehenen Störungen des Betriebszustandes
mit jich bringt. Alle diese Vorteile ermöglichen letzten Endes eine verbesserte Auslegungsphilosophie
für Staustrahlantriebe und resultieren zu Leistungssteigerungen.
(ν'* In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß
der Erfindung dargestellt. Es /eigen die
F i g. 1 um! 2 für e\n.r. ringkörper einen Übersch ■!
!uftcinlauf mit verschieden ausgeführten Luftabströ-
28 Ol
meinrichtungen.
Der an einem Flugkörper I angeordnete halbrotationssymmetrische
Überschallufteinlauf fester (jeometrie besteht jeweils im wesentlichen aus einem zentralen
halbkegelförmigen Verdrängerkörper 2, einem Luftein- ■ laufmantel 3 und einem Grenzschichtpflug 4. der den als
Grenzschichtspalt 5 bezeichneten freien Raum zwi sehen der dem Flugkörper 1 zugewandten Basisfläche 6
des Überschalleinlaufs und dem hierzu benachbarten Flächenbereich la des Flugkörpers 1 überbrückt. u>
Hierdurch wird die für den Lufteinlauf schädliche, d. h. aufgeheizte und weniger energiereiche Grenzschichtströmung
ausgespart. Der Grenzschichtpflug 4 ist dabei so ausgebildet, daß die Grenzschichtströmung einen
niedrigeren Druck aufweivi als die Strömung an der i>
Oberfläche des Verdrängerkörpers 2.
Die mit der Überschallgeschwindigkeit ankommende Luftströmung ist mit L bezeichnet. Sie wird in bekannter
Wpitf im I Iherschalleinlauf verzögert und ihre kinetische
Energie wird in mehreren, hier beispielsweise drei -'"
hintereinander erfolgenden schrägen Verdichtungsstö-Oen a, b und c und zuletzt in einem geraden
Verdichtungsstoß d in Druckenergie umgewandelt.
Hinter dem letzten bzw. abschließenden geraden Verdichtungsstoß d herrscht Unterschallgeschwindigkeit
vor.
Im ausgelegten Heiriebsbereich des Triebwerks bzw.
des Dberschallufteinlaufs nehmen die Verdichtungsstöße a. h, c und (/stabil die eingezeichneten Richtungen
ein.
Wenn der Flugkörper, z. B. durch besondere Flugmanöver.
in den unterkritischen Betriebszustand kommt, das Triebwerk vorübergehend also weniger Luft
benötigt als der l.ufteinlauf gerade liefert, läuft der abschließende Verdichtungsstoß d vor die Stoßkante 3<i
bzw. vor die Liniaufebene E des L.ufteinlaufmantels 3.
wie mit t/'angedeutet ist.
Die Stabilisierung des herausgelaufenen geraden Verdichtungsstoßes c/' erfolgt dadurch, daß nach F i g. I
im unterkritischen Betriebszustand ein Teil L'der über den Verdrängerkörper 2 strömenden Luft L über die im
Querschnitt schwalbenschwanzförmigen Luftabströmschlitze 7 zur Grenzschichistrcmung L" hin abströmt.
Das gleiche geschieht nach F i g. 2 über viele kleine Löcher 8 in einem Deckel 9 (Lochblech), der zwei
Luftablaufkanäle 10 radial nach außen hin verschließt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Überschallufteinlauf fester Geometrie mit einem zentralen Verdrängerkörper für luftatmende
Rückstoßiriebwerke von lenkbaren Flugkörpern
oder Flugzeugen, wobei der Überschallufteinlauf mit einem die Grenzschichtströmung des Rumpfes des
Flugkörpers oder des Flugzeuges aufnehmenden Abstand, dem Grenzschichtspalt, am Rumpf des
Flugzeuges oder des Flugkörpers befestigt ist und to
der Abstand von einem Grenzschichtpflug überbrückt wird und im Verdrängerkörper Luftabströmöffnungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Überschallufteinlauf
halbrotationssymmetrisch ausgebildet, mit seiner '5 Basisfläche dem Rumpf des Flugzeuges oder
Flugkörpers, wie an sich bekannt, zugewandt ist und die Luftabströmöffnungen (7 bzw. 8) vor der
Einlaufebene (E) des Überschallufteinlaufs angeordnet sind, und zwar dort, wo sich der im stark
unterkritischen Betriebszustand herausgelaufene senkrechte Verdichtungsstoß (d') befindet und daß
die Luftabströmöffnungen (7 bzw. 8) in den Grenzschichtspalt (5) münden, wobei der Grenzschichtpflug (4) so ausgebildet ist, daß der statische
Druck im Grenzschichtspa)· kleiner ist als an der Oberfläche des Verdrängerkörpers (2).
2. überschallufteinlauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftabströmöffnungen (7)
als schwalbenschwanzförmige Schlitze gestaltet sind, die ι; jer zur Strömungsrichtung angeordnet
sind.
3. Überschallufteinlauf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere ;m V>-rdrängerkörper (2) in
Strömungsrichtung hintereinander angeordnete, in ^ Umfangsrichtung verlaufende, den Abströmöffnungen (8) nachgeschaltete Luftablaufkanäle (10), die
mit einem viele Reihen von Luftabströmöffnungen (8) aufweisenden Deckel (9) radial nach außen
verschlossen sind, wobei jeder Luftablaufkanal (10) ·»<>
beidseitig des Grenzschichtpfluges (4) zum Grenzschichtspalt (5) hin ausmündet.
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