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überschalleinlauf für Strahltriebwerke
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Die Erfindung betrifft einen überschalleinlauf für Strahltriebwerke
mit einem sich nach vorne verjüngenden Zentralkörper, der nach hinten durch einen
Nachlaufkörper verlängert ist, und einer den Nachlaufkörper und mindestens einen
Teil des Zentralkörpers mit radialem Abstand umgebenden Haube.
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Die Uberschalleinläufe von Strahltriebwerken sind häufig rotationssymmetrisch
ausgebildet und mit einem Zentralkörper versehen. Derartige Triebwerke können auch
einen halbrotationssymmetrischen Seiteneinlauf aufweisen.
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Die rotationssymmetrischen Einläufe derartiger Triebwerke sind sehr
empfindlich gegen schräg auftreffende Luftströmungen. Versuche haben gezeigt, daß
mit Anströmung bei einer Machzahl von M=2,5 und einem Strömungswinkel von 120 (Anstellwinkel)
der Massendurchsatz
um 8% und der maximale Ruhedruckrückgewinn um
14% sinken.
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Diese Leistungsverminderung wird in erster Linie durch das unsymmetrische
Strömungsfeld am Zentralkörper verursacht.
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Der Erfindung liegt die kfgabe zugrunde,einen Uberschalleinlauf der
eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die durch schräg auftreffende Strömungen
verursachten Leistungseinbrüche verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der
Zentralkörper relativ zu dem Nachlaufkörper schwenkbar angebracht ist, und daß ein
Schwenkantrieb vorgesehen ist, der den Zentralkörper in Abhängigkeit von am Umfang
des Zentralkörpers auftretenden Druckdifferenzen verstellt.
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Dadurch, daß die Ausrichtung des Zentralkörpers in Bezug auf die Längsachse
der Haube bzw. des Nachlaufkörpers verändert werden kann, ist es möglich, den Zentralkörper
auf die Anströmrichtung auszurichten. Zu diesem Zweck werden die am Umfang des Zentralkörpers
auftretenden Druckdifferenzen ermittelt. Bei symmetrischer Anströmung des Zentralkörpers
ergeben sich am Umfang des Zentralkörpers keine Druckdifferenzen, so daß eine Betätigung
des Schwenkantriebes unterbleibt. Bei schräger Anströmung treten dagegen Druckdifferenzen
auf. Diese werden ermittelt und zur Steuerung des Schwenkantriebes benutzt.
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Es erfolgt daher eine Regelung dahingehend, daß der Zentralkörper
sich stets selbsttätig mit seiner Achse auf die Anströmrichtung einstellt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß an
zwei Stellen des Zentralkörpers Kanäle austreten, die mit einer pneumatischen Kolben-Zylindereinheit
zum Verschwenken des Zentralkörpers verbunden sind. Hierbei erfolgt die Verstellung
des Zentralkörpers durch ein autonomes, ohne Hilfsenergie betriebenes Nachführsystem.
Die Kolbenzylindereinheit wird durch die am Zentralkörper auftretenden Druckdifferenzen
nicht nur gesteuert, sondern auch betätigt, und zwar derart, daß sich der Zentralkörper
in Richtung auf eine Verminderung der Druckdifferenzen einstellt. Derartiges Reyelsystem
kommt nicht nur ohne Fremdenergie aus, sondern ist auch von einfacher Konstruktion
und kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Vorteilhafterweise ist die Kolben-Zylindereinheit
im Innern des Nachlaufkörpers angeordnet.
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Von ihr führt ein Gestänge zu dem Zentralkörper, der auf diese Weise
um einen begrenzten Winkelbereich gekippt werden kann.
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Bei Anströmung des Zentralkörpers unter einem Anstellwinkel erhöht
sich auf der Luv-Seite der statische Druck, während er auf der Lee-Seite fällt.
Die mit diesen beiden Drücken beaufschlagte Kolben-Zylindereinheit liefert eine
Kraft, die zur Rückführung des drehbar gelagerten Zentralkörpers benutzt wird. Wenn
Druckgleichheit an beiden Kanälen erreicht ist, d.h., wenn der Zentralkörper in
Strömungsrichtung
ausgerichtet ist, geht die Rückstellkraft auf Null zurück. Der erforderliche Zylinderquerschnitt
ergibt sich aus einer Kräftebilanz und ist abhängig vom Abstand zwischen dem Schwenkpunkt
und dem Neutralpunkt des Zentralkörpers.
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Wenn die Druckdifferenz zwischen Stellen der Oberfläche des Zentralkörpers
einen zu großen Kolbenquerschnitt an der Kolbenzylindereinheit zum Verstellen des
Zentralkörpers erfordert, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, daß die Spitze des Zentralkörpers schwenkbar ist, und daß die Kanäle
bei einer Schwenkung der Spitze aln Zentralkörper wechselseitig freigelegt und verschlossen
werden.
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Die Kanäle wirken somit nach Art von Pitotröhrchen, deren Öffnungen
gegen die Strömungsrichtung weisen. Bei einer Verschwenkung der Spitze des Zentralkörpers
ist das Ende des einen Pitotröhrchens der vollen Strömung ausgesetzt, während das
andere Pitotröhrchen als Abluftkanal zur Entlüftung der einen Zylinderkammer wirkt.
Die frei schwenkbar aufgehängte Spitze des Zentralkörpers richtet sich selbsttätig
auf die Anströmrichtung aus, während der übrige Teil des Zentralkörpers durch die
Kolbenzylindereinheit nachgeführt wird.
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Um eine freie Beweglichkeit und Einstellung des Zentralkörpers auf
alle in Betracht kommenden Anströmrichtungen zu erzielen, ist in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung der Zentralkörper um zwei nicht-parallele Achsen
herum
schwenkbar, und für die Schwenkbewegung um jede der beiden Achsen ist ein separater
Schwenkantrieb vorgesehen.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch den überschalleinlauf
eines Strahltriebwerkes mit verstellbarem Zentralkörper und Figur 2 eine schematische
Darstellung eines Teiles des Zentralkörpers in abgewandelter Ausführungsform.
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Nach Figur 1 besteht der Lufteinlauf im wesentlichen aus der rotationssymmetrischen,
vorne scharf anlaufenden Haube 1, dem kegeligen Zentralkörper 2 und dem Nachlaufkörper
3, der über Streben 4 in der Haube 1 zentriert ist. Der Zentralkörper 2 ist um die
Achse 5 herum an einem in dem Nachlaufkörper 3 befestigten Lagerbock 6 drehbar gelagert.
Der Kolben 8 der pneumatischen Kolben-Zylindereinheit 7 überträgt seine Kraft über
eine Schubstange 9 und zwei Lager 10, 11 auf den Zentralkörper 2. Die Kamnoern 12,
13 zu beiden Seiten des Kolbens 8 werden über Schlauchleitungen 14, 15 von statischen
Druckbohrungen 16, 17 am Zentralkörper 2 gespeist. Wird der Zentralkörper 2 unter
einem Winkeln mit überschallgeschwindigkeit v angeströmt, so steigt der statische
Druck auf der Luv-Seite 17 und fällt auf der
Lee-Seite 16. Infolge
der Druckdifferenz bewegt sich der Kolben 8 nach links und schwenkt den Zentralkörper
2 um den Drehpunkt 5 in Strömungsrichtung.
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Kann im Nachlaufkörper 3 kein hinreichend großer Pneumatik-Zylinder
untergebracht werden, so kann eine Servo-Steuerung nach Figur 2 verwendet werden.
Die Spitze 18 des Zentralkörpers 2a ist in einem vor ihrem Neutralpunkt liegenden
Drehpunkt 19 aufgehängt. Die zu dem Pneumatikzylinder führenden Druckleitungen 14,
15 werden mit Pitotröhrchen 20, 21 verbunden, die am vorderen Rand des Restzentralkörpers
2a münden, wobei ihre Öffnungen gegen die Strömungsrichtung weisen.
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Wird der Einlauf unter einem Winkel i angeströmt, so richtet sich
die Zentralkörperspitze 18 in Strömungsrichtung aus und gibt das luvseitige Pitotrohr
21 frei, während das leeseitige Röhrchen 20 verdeckt wird. Dadurch wird die eine
Seite des Pneumatik-Zylinders mit dem hohen Pitotdruck und die andere Seite mit
dem niedrigen statischen Druck des Kegelströmungsfeldes beaufschlagt. Die entstehende
Rückstellkraft bleibt so lange wirksam, bis der Zentralkörper in Strömungsrichtung
ausgerichtet ist. Der erforderliche Zylinderquerschnitt hängt von verschiedenen
Parametern ab, wie beispielsweise Gestaltung der Kegelspitze, Anordnung der Pitotröhrchen
und zulässigem überschwingwinkel. Für den praktischen Betrieb kann man davon ausgehen,
daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 1/10 des für das System nach Figur
1 erforderlichen Zylinderquerschnittes ausreichend ist.
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L e e r s e i t e