DE3033101C2

DE3033101C2 - Anordnung zur Erhöhung der resultierenden Vortriebskraft bei Flugzeugen

Info

Publication number: DE3033101C2
Application number: DE19803033101
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. 8011 Baldham Löbert
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-09-03
Filing date: 1980-09-03
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE3033101A1; GB2083420A; FR2489245A1; GB2083420B; FR2489245B3; JPS5777295A

Description

q(x) = örtliche Stärke der auf der Strahlachse angeordneten Senken;

u(x) = X-Induktion des Flügels auf der Strahlachse;
xa = Rücklage des Strahlaustritts.

Es zeigt sich, daß die größte Erhöhung der Vortriebskraft dann erreicht wird, wenn sich die Strahlvermischung im Bereich größter Flügelinduktion — also des größten Unterdrucks — vollzieht Aus dieser Erkenntnis heraus schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Triebwerksgondel 10 am Flugzeug so anzuordnen und die Schubdüse so auszugestalten, daß sich der Triebwerksstrahl im Unterdruckgebiet vor und oberhalb des Flügels 14 mit der Umgebungsluft vermischt und zusätzlich eine saugseitige Intensivierung der Strahlmischung erfolgt

Diese Intensivierung der Strahl Vermischung kann nun gemäß F i g. 1 durch Anordnung von Wirbelgeneratoren 15 am Düsenende 11 erfolgen. Die Fig.4 zeigt hierzu in schematischer Darstellung die Strahlvcrmischung. Ein weiterer Vorschlag sieht vor, Sterndüsen 20 vorzusehen (F i g. 2) oder eine Vielrohrdüsenanordnung 30 an der Schubdüse anzuordnen (F i g. 3). Hier können die Düsenformen nun noch variiert werden, d. h. ihr Querschnitt kann oval oder konisch sein, wie es in F i g. 3b gezeigt ist. Bei dieser Anordnung stellte sich heraus, daß die Strahlvermischung bereits nach 1 bis 2 Strahldurchmessern vollzogen war.

Bezüglich des mittleren Unterdrucks im Vermischungsgebiet ist bekannt, daß die Flügelsaugseite im Reiseflugzustand in ein weiträumiges Überschallgcbict eingebettet ist. Hierzu zeigt die Fig.5 die Verteilung der Machzahlen für eines der altbekannten Flügelprofile, bei einer Reiseflugmachzahl von 0,72, wobei moderne Profile eine wesentlich größere Ausdehnung des Überschallgebietes und des mittleren Unterdrucks aufweisen.

Die in F i g. 6 dargestellten Rechenergebnisse basieren auf der Annahme, daß die effektive Flügelinduktion in χ·-Richtung

Flugzeugstruktur angeschlossen ist, daß sich der Triebwerksstrahl im Unterdruckgebiet vor und oberhalb des Flügels 14 mit der Umgebungsluft vermischt In dem hier gezeigten Fall erfolgt die vorgeschlagene lntensivierung der Strahlvermischung durch Wirbelgeneratoren.

Die F i g. 7 zeigt noch in schematischer und theoretischer Weise das inkompressible Strömungsproblem der Ausbreitung eines Strahles im Druckfeld des Tragflügels. Hierbei wird die Antriebsgondel durch ein nicht angestelltes langes Rohr F konstanter Querschnittsfläche dargestellt. Mittels eines verlustfreien Gebläses wird der Volumenstrom in der ungestörten Anströmung angesaugt, einer Gesamtdruckerhöhung unterworfen und am Düsenende mit der Geschwindigkeit V₁ und entsprechendem Druck ausgeblasen.
Zur Erläuterung der Zeichen in F i g. 7 sei angegeben:

S = Triebwerksnettoschub

χ/, y/., Zy = Koordinaten eines Punktes auf der Flügeloberfläche;

Xa. ya, Za= Koordinaten des Mittelpunktes der Düsenaustrittsfläche;

u = Induktion der Tragfläche am Ort des

Strahles in X-Richtung;

W = Flügelwiderstand

x.y.z = Kartesische Koordinaten mit Ursprung in der vorderen Flügelspitze, wobei die x-Achse parallel zu V „, die z-Achse senk-JO recht zur Flügelebene gerichtet ist;

λ = der Flügelanstellwinkel;

dy = Zirkulation eines Elementes der gebunde

nen Wirbelschicht.

J5 Das vorgeschlagene Verfahren erbringt nun eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Flugzeugen durch die intensive Vermischung der Triebwerksstrahlen im Unterdruckgebiet vor und oberhalb des Flügels, wobei dieser in bezug auf das Triebwerk als einseitiger Ejektor wirkt.

ist, d. h. daß sich die Strahlvcrmischung bei einer mittleren Geschwindigkeit von V_M-h„n vollzieht. Berücksichtigt man einerseits, daß der Großteil der Strahlvermischung in etwa einer halben Flügeltiefe vollzogen ist und andererseits, daß die Flügelinduktion im Reisoflug lokal durchaus 2. (V^h.,11 — V <») erreicht, so ist dieser Ansatz als konservativ anzusehen. Mit diesem Ansatz und der Annahme eines modernen Zweistromtriebwerks erhält man die in F i g. 6 in Abhängigkeit von der Auslegungsmachzahl dargestellte relative Schubsteigerung. Wegen des mit zunehmender Flugmachzahl kleiner werdenden kritischen Unterdrucks fällt der durch die saugseitige Strahlvermischung realisierbare Gewinn mit zunehmender Auslegungsmachzahl rasch ab.

Bei einem Pfeilwinkel von 40° und einer Reiseflugmachzahl von 0,85 ist mit einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs um mindestens 11% zu rechnen. Wird die Auslegungsmachzahl auf M = 0,7 verringert, so be- bo trägt die Interferenzkraft bereits 20% des Netloschubes. Ähnliche Schubsteigeriingen ergeben sich bei Start und Landung.

Diese Werte werden durch die in Fig. 1 gezeigte Ausbildung erreicht, bei dec das Triebwerk 10 über ei- t>5 nen strömungsgünstig geformten Pylon 12 mit einem biege- und torsionssteifen, spindelförmigen Träger 13 am Vorder- und Hinterholm des Flügels 14 so an die

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 wobei die Zunahme des Strahlimpulses, die auftritt, Patentansprüche: wenn dieser sich in einem Unterdruckgebict vermischt, eine wesentliche Widerslandsverringerung herbeiführt

1. Anordnung zur Erhöhung der resultierenden Diese Aufgabe wird in überraschend hoher Weise Vortriebskraft einer Triebwerk-Flügel-Kombination 5 durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahbei Flugzeugen, bei denen die Triebwerksgondel am men gelöst, die in der Beschreibung eines Ausführungs-Flugzeug vor und oberhalb des Flügels angeordnet ist, beispicls erläutert sind. Die Zeichnungen /eigen dadurch gekennzeichnet.daßzursaugseiti- Fig. 1 einen Teilquerschnitt der vorgeschlagenen gen Intensivierung der Mischung von Triebwerks- Tricbwerk-Flügel-Kombination in schematischcr Darstrahl und Umgebungsluft im Unterdruckgebiet vor 10 stellung;

und oberhalb des Flügels (14) am Düsenende (H) Fig.2cineStrahlvcrmischungmiuelseinerSterndüse;

Wirbelgeneratoren (15) oder Sterndüsen (20) ange- Fig.3 einen Teilquerschnitt durch eine Vielrohrdü-

ordnet sind, wobei das Triebwerk (10) über einen senanordnung an einer Triebwerksschubdüse;

strömungsgünstig geformten Pylon (12) mit einem F i g. 3a eine Ansicht A gemäß F i g. 3; biege- und torsionssteifen, spindelförmigen Träger 15 Fig.3b eine Ansicht in vergrößertem Maßstab der

(13)am Vorder- und Hinterholm des F1ügels(14)andie oberen Hälfte der F i g. 3a;

FlugzeugstnikturangeschlossenisL F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Strahlver-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- mischung bei Anordnung von Wirbelgeneratoren am zeichnet, daß die Intensivierung der Strahlmischung Schubdüsenende eines Triebwerks;

durch eine Vielrohrdüsenanordnung (30) an der 20 Fig. 5 eine Darstellung der Verteilung lokaler Mach-

Schubdüse (11) erfolgt. zahlen für ein Flügelprofil älterer Bauart;

F i g. 6 ein Diagramm von Rechnungen für die Schuberhöhung einer Vielrohrdüsenausführung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Mo-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur 25 dellaufbaus zur Berechnung der inkompressiblen Strö-

Erhöhung der resultierenden Vortriebskraft einer mungsverhältnisse bei der Ausbreitung eines Strahls im

Triebwerk-Flügel-Kombination bei Flugzeugen, bei de- Druckfeld ciüesTragflügels.

nen die Triebwerksgondel am Flugzeug vor und ober- Windkanalmcssungen, Versuche und Berechnungen

halb des Flügels angeordnet ist. haben gezeigt, daß sich die resultierende Vortriebskraft

Die Wechselwirkung zwischen den Schubstrahlen ei- 30 einer Tricbwcrk-Tragflügel-Kombination — nachfol-

nes Flugzeuges und der Zelle ist in vielen Windkanal- gend »S— W« bezeichnet — sehr stark von der relativen

versuchen und auch Rechnersimulationen untersucht Anordnung dieser beiden Komponenten abhängig ist.

worden. Allgemein aber befassen sich diese Arbeiten Es hat sich gezeigt, daß je mehr sich der Strahl der

mit den Auswirkungen auf den Auftrieb, auf die Seiten- Saugscite des Tragflügels nähen und je größer der Flü-

kraft und die Momentenkomponenten einer Flugzeug- 35 gelauftrieb und das Strahlgeschwindigkeitsverhältnis

konfiguration. Dem Widerstandsaspekt der Interferenz VJ V,„ sind, um so größer ist die günstigste Wider-

zwischen einem Schubstrahl und den benachbarten Standsinterferenz zwischen dem Strahl und der Tragflä-

Trag- bzw. Leitflächen wurde bishtr jedoch kaum eine ehe.

Beachtung geschenkt. Man gelangte zwar zu der Theo- Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufrie, daß die resultierende Vortriebskraft einer Trieb- 40 bau kann nun nachgewiesen werden, daß die Erhöhung werk-Flügel-Kombination erhöht werden kann, wenn der Vortriebskraft auf eine Zunahme des Strahlimpulses eine Anordnung getroffen wird, bei der sich der Trieb- zurückzuführen ist, die dadurch zustande kommt, daß werksstrahl oberhalb des Flügels mit der Umgebungs- sich die Sirahlvermischung in einem Unterdruckgebiet luft vermischt, aber dieser Effekt wurde fälschlicherwei- vollzieht. Die Interferenzkraft tritt als eine Verringese einmal auf die Erhöhung der Flügelzirkulation durch -is rung des Widerstandes der benachbarten Fläche in Erden Strahl zurückgeführt und zum andern mit der Ver- scheinung und wird durch die Saugwirkung des sich ringerung des Ausmaßes der Grenzschichtablösung im vermischenden Strahles hervorgerufen, bzw. durch die Bereich der Flügelhinterkante erklärt. Ejektorwirkung des Flügels auf den Strahl. Vereinfacht

In der Praxis werden bis heute die Triebwerke so ausgedrückt segelt der Flügel gewissermaßen im Aufangeordnet, daß sich die Strahlvermischung entweder 50 windfcld, das der Triebwerksstrahl aufgrund des Verim Überdruckgebiet unterhalb des Tragflügels oder mischvorgangcs in seiner Umgebung erzeugt, überhaupt außerhalb des Einflußbereiches der Zelle Es hat sich ergeben, daß die auf den Nettoschub 5 vollzieht. Die Widerstandsinterferenz dieser Anordnun- bezogene Steigerung der Vortriebskraft S— W bei kongen aber ist entweder ungünstig oder unbedeutend. stanter Tricbwcrksleistung nach der Formel:

Durch die DE-OS 26 41 468 wird eine Konfiguration 55

offenbart, bei der zwar ungewollt eine Strahlmischung A(S-W) _m L _ _K/\ u^

auftritt, die jedoch nicht so ausreichend ist, daß damit S \ K₁/ K. eine wesentliche Erhöhung der Vortriebskraft erreicht

wird, denn einmal ist die Düse nicht so ausgebildet, daß zu berechnen ist. Hierbei bedeuten: eine intensive Strahlmischung erreicht werden kann und t>o

zum andernmal ist die angegebene Rücklage der Strahl- V „ = Fluggeschwindigkeit

austrittsebene von 10% bis 50% der Flügeltiefe hinter V, = Striihlaustritlsgeschwindigkeit der Vorderkante nicht die optimale Rücklage, die eine

maximale Strahlmischung gewährleistet. r YJ_a(_x). π(_χ\ <\χ

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese tr> _XA

Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung zu schuf- ^U4f ~ -

fen, mit der die Wirtschaftlichkeit von Flugzeugen, vor- f

wiegend Transportflugzeugen erheblich erhöhl wird. xa