DE3407137C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lufteinlauf für in Flugzeuge
eingebaute Gasturbinentriebwerke, gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Der Lufteinlauf eines Flugzeuges hat die Aufgabe, einen möglichst großen
Teil der kinetischen Energie der anströmenden Luft unter Abbau ihrer
Geschwindigkeit in Druckenergie umzuwandeln. Besonders bei höheren
Flugmachzahlen kann dieser Energierückgewinn beachtlich sein. Um diesen
zu optimieren, muß die aufgefangene und verdichtete Luft verlustarm und
in homogenem Zustand dem Triebwerk in richtig dosierter Menge zugeführt
werden, damit Lufteinlauf und Triebwerk aerodynamisch stabil
zusammenarbeiten.
Flugzeuge, die in hohen Geschwindigkeitsbereichen, insbesondere im
Überschallbereich operieren, sind mit Lufteinläufen ausgerüstet, die zur
Aussparung der zellennahen, turbulenten Grenzschicht einen
Grenzschichtabweiser bzw. Grenzschichtpflug aufweisen, der einen
entsprechenden Abstand, den Grenzschichtspalt, zwischen der
Flugzeugzelle und der Innenseite des Lufteinlaufkanals herstellt. Auf
diese Weise gelangt nur zellenferne, laminar anströmende Luft in den
Einlauf. In konstruktiver Hinsicht ist es dabei üblich, daß sowohl der
Grenzschichtabweiser als auch die Luftfanghaube des Einlaufes zellenfest
angeordnet sind. Bei Hochleistungs-Flugzeugen, deren Triebwerke bei
allen Geschwindigkeiten optimal arbeiten müssen, ist es erforderlich,
den Einlaufquerschnitt veränderbar auszuführen, damit bei niedrigen
Fluggeschwindigkeiten (Start, Landung, Bodennähe etc.) genügend, bei
hohen Fluggeschwindigkeiten (Überschall) mit entsprechend hohem
Staudruck nicht zu viel Stauluft zum jeweiligen Triebwerk gelangt. Zu
diesem Zweck sind dann bewegliche Klappen oder Türen am Einlauf
vorgesehen.
Hilfstriebwerke, welche beispielsweise im Heck von großen
Verkehrsflugzeugen angeordnet sind, arbeiten nur zeitweise und besitzen
deshalb eine mit einer Klappe verschließbare, mit der Außenhaut der
Flugzeugzelle bündige Luftfangöffnung. Bei dieser Art Lufteinlauf wird
fast ausschließlich die Grenzschichtströmung angesaugt, was bei höheren
Geschwindigkeiten sehr ungünstig ist. Zur Abhilfe wird in der
US-PS 44 18 879 vorgeschlagen, die Verschlußklappe so auszuführen, daß
sie bei geöffnetem Einlauf als Luftfanghaube wirkt. Auf diese Weise wird
zusätzlich zur Grenzschicht auch laminare Stauluft eingefangen.
Aus der US-PS 41 21 606 ist ein beweglicher Einlauf für einen
Marschflugkörper bekannt. Bei Transport, Lagerung und Start ist dieser
Einlauf in die Flugkörperkontur integriert, wodurch der Platzbedarf und
die Beschädigungsgefahr reduziert werden. Die konstruktive Lösung ist so
gewählt, daß der Einlauf um ein Gelenk (21) verschwenkbar ist, und die
Luftfanghaube (26) aus einer zusammengefalteten Stellung in eine
wirksame Stellung aufblasbar ist. Der Grenzschichtabweiser (50) ist fest
mit dem Einlauf verbunden und zusammen mit diesem bezüglich der
Flugkörperzelle beweglich.
Somit sind nach dem Stande der Technik nur fest mit der Flugzeugzelle
und/oder fest mit dem Einlauf verbundene Grenzschichtabweiser bekannt.
Eine zellenfeste Anordnung hat die Nachteile, daß der
Grenzschichtabweiser bei geringen Fluggeschwindigkeiten den
Luftwiderstand erhöht dund die Einlaufströmung stört, obwohl aufgrund
der geringen Dicke und des gerlngen Energiegehaltes der Grenzschicht
keine Abweisung erforderlich wäre. Dies kann zu mangelhafter
Luftversorgung des jeweiligen Triebwerkes führen. Eine feste Anordnung
des Grenzschichtabweisers an der Luftfanghaube des Einlaufes hat den
Nachtell, daß der Einlaufquerschnitt nur mittels zusätzlicher Klappen
oder Türen veränderbar ist. Da in der Regel sowohl der
Grenzschichtabweiser als auch die Luftfanghaube zellenfest angeordnet
sind, summieren sich dle erwähnten Nachteile.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei Lufteinläufen
mit zellenfesten Luftfanghauben bzw. -öffnungen und mit
Grenzschichtabweisern die Lufteinlaufverhältnlsse grundsätzlich zu
verbessern, indem einerseits bei hohen Fluggeschwindigkeiten eine
wirksame Grenzschichtabweisung sichergestellt wird und indem
andererseits bei niedrigen Anströmgeschwindigkeiten (Start, Langsamflug
etc.) die nachteiligen Wirkungen der Grenzschichtabweiser auf
Luftwiderstand und Einlaufkoeffizienten weitgehend beseitigt werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
Die Erfindung sieht einen bezüglich Flugzeugzelle und Einlauf
beweglichen Grenzschichtabweiser vor, welcher in seiner wirksamen
Betriebsstellung die Grenzschichtströmung vom Einlauf fernhält und
welcher in seiner Ruhestellung praktisch widerstandsfrei mit der
Außenhaut der Flugzeugzelle fluchtet und dabei auch die
Grenzschichtströmung in den Einlauf leitet.
Nach Anspruch 2 ist bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen der
Grenzschichtabweiser am jeweiligen Einlauf so angeordnet, daß er in
seiner Betriebsstellung den Einlaufquerschnitt reduziert, in seiner
Ruhestellung den Einlaufquerschnitt vollständig freigibt.
Anspruch 3 betrifft nur zeitweilig in Betrieb befindliche
Hilfstriebwerke mit verschließbarer Luftfangöffnung. Der
Grenzschichtabweiser ist nur bei geöffneter Lufteinlaufklappe in
Betriebsstellung, wodurch bei hohen Fluggeschwindigkeiten eine
zuverlässige Grenzschichtabweisung sichergestellt ist. Derartige
Hilfstriebwerke werden auch am Boden betrieben, wobei der ausgeklappte
Grenzschichtabweiser zugegebenermaßen keine nützliche Funktion erfüllt.
Durch die stromaufwärtige Anordnung bezüglich der Luftfangöffnung ergibt
sich aber auch kein nachteiliger Effekt auf den Einlaufquotienten.
Die klappenförmige Ausführung nach Anspruch 4 ist sowohl bei Haupt- als
auch bei Hilfstriebwerken sinnvoll.
Die weiteren Ausführungen nach Anspruch 5 bis 9 beziehen sich
ausschließlich auf Hilfstriebwerke.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung
dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 bis 7 verstellbare Grenzschichtabweiser vor
klappengesteuerten Lufteinläufen für
Gasturbinenhilfstriebwerke, wobei die Fig. 1 eine
Ansicht einer solchen Anlage von unten darstellt,
während
Fig. 2 bis 7 Längsschnitte verschiedener kinematischer
Antriebsmöglichkeiten zeigen, und
Fig. 10 bis 13 jeweils ein mit einseitigen, senkrecht angeordneten
Schrägstoßdiffusoren als Überschallufteinläufe
ausgerüstetes Flugzeug mit verstellbaren
Grenzschichtabweisern.
Wie zunächst die Fig. 1 bis 3 zeigen, sind an der Flugzeugzelle 1 über
eine gemeinsame Schwenkachse 2 ein vorne befindlicher
Grenzschichtabweiser 3 und eine in Strömungsrichtung dahinter liegende
Lufteinlaufklappe 4 angeordnet, die eine Luftfangöffnung 5 für ein
Gasturbinenhilfstriebwerk (nicht gezeichnet) steuert. Fig. 2
veranschaulicht die Lufteinlaufklappe 4 in Offenstellung und den
Grenzschichtabweiser 3 in ausgestellter Position, d.h. in
Betriebsstellung, während in Fig. 3 die Lufteinlaufklappe 4 die
Luftfangöffnung 5 geschlossen hält und der Grenzschichtabweiser 3 in
eine Nische 1 b der Flugzeugzelle 1 eingefahren ist. Der Antrieb erfolgt
über einen Servomotor 6, der an der Lufteinlaufklappe 4 angreift. Diese
ist mit dem Grenzschichtabweiser 3 über ein Koppelgetriebe, ein
Gelenkviereck 7, antriebsmäßig verbunden, das aus einer an der
Lufteinlaufklappe 4 angeordneten Kurbel 7 a, einer am
Grenzschichtabweiser angelenkten Schwinge 7 b und einer Koppelstange 7 c
besteht, die an der Zelle 1 über ein Drehgelenk 7 d gelagert ist.
Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist, in Strömungsrichtung
betrachtet, am vorderen Ende der Lufteinlaufklappe 14 ein Antriebsnocken
8 fest angeordnet, der beim Öffnen der Luftfangöffnung 5 nach einem
kurzen Vorlaufwinkel v der Luftelnlaufklappe 14 den Grenzschichtabweiser
13 antreibt und dabei nach außen stellt, der durch eine Rückholfeder 9
in die Ruhestellung zurückgezogen wird.
In den Fig. 6 und 7 ist eine starre Verbindung zwischen der
Lufteinlaufklappe 24 und dem Grenzschichtabweiser 23 mittels einer
Lasche 10 gezeigt.
Die Fig. 10 bis 13 zeigen den vorderen Bereich eines
Hochgeschwindigkeitsflugzeuges mit zwei Luftfanghauben 15 für
Überschall, wobei die Grenzschichtabweiser 43 mit ihren hinteren Enden
über eine Schwenkachse 2 an der Flugzeugzelle 1 angelenkt sind. Gemäß
den Fig. 10 und 11 befindet sich das Flugzeug im Überschallflug, wobei
die Grenzschichtabweiser 43 aus ihrer Zellennische herausgefahren sind
und sich im Grenzschichtspalt 16 befinden, wo sie als Grenzschichtpflug
fungieren.
Die Fig. 12 und 13 demonstrieren das Flugzeug am Boden bzw. beim Start
oder im Fluge mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten. Dabei sind die
beiden Grenzschichtabweiser 43 in ihre Nischen 1 b eingeschwenkt und
vergrößern auf diese Weise den Lufteinlaufquerschnitt um die Größe ihres
eigenen Stirnquerschnitts, wie insbesondere aus Fig. 13 hervorgeht.
Lufteinlauf für in Flugzeuge eingebaute Gasturbinentriebwerke, mit einer
zellenfesten Luftfanghaube bzw. Luftfangöffnung sowie mit einem
Grenzschichtabweiser.
Der Grenzschichtabweiser ist als ein relativ zur Flugzeugzelle und im
wesentlichen quer zur Anströmung bewegliches Bauteil mit einer
unwirksamen, mit der Außenhaut der Flugzeugzelle bündigen Ruhestellung
und mit einer wirksamen, aus der Außenhaut hervorstehenden
Betriebsstellung ausgeführt, wobei in Betriebsstellung die
Grenzschichtströmung vom Lufteinlauf ferngehalten wird.
Claims (9)
1. Lufteinlauf für in Flugzeuge eingebaute Gasturbinentriebwerke,
mit einer zellenfesten Luftfanghaube bzw. Luftfangöffnung sowie mit
einem der Luftfanghaube bzw. -öffnung zugeordneten
Grenzschichtabweiser, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grenzschichtabweiser (3, 13, 23, 33, 43) als ein relativ zur
Flugzeugzelle (1) und im wesentlichen quer zur Anströmung bewegliches
Bauteil mit einer unwirksamen, mit der Außenhaut der Flugzeugzelle (1)
bündigen Ruhestellung und mit einer wirksamen, aus der Außenhaut der
Flugzeugzelle (1) hervorstehenden Betriebsstellung ausgeführt ist, wobei
in Betriebsstellung die Grenzschichtströmung (Grenzschichtspalt 16) vom
Lufteinlauf (Luftfanghaube 15, Luftfangöffnung 5) ferngehalten wird.
2. Lufteinlauf nach Anspruch 1 für ein in ein
Hochgeschwindigkeitsflugzeug eingebautes Haupttriebwerk, mit einer
zellenfesten Luftfanghaube, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grenzschichtabweiser (43) im Einlaufbereich der Luftfanghaube
(15) so angeordnet ist, daß er in seiner Ruhestellung, bei Bodenbetrieb
und Langsamflug, den Lufteinlaufquerschnitt der Luftfanghaube (15)
vollständig freigibt und daß er in seiner Betriebsstellung, bei
Hochgeschwindigkeitsflug, den Lufteinlaufquerschnitt der Luftfanghaube
(15) verkleinert (Fig. 10 bis 13).
3. Lufteinlauf nach Anspruch 1 für ein nur zeitweilig in Betrieb
befindliches Hilfstriebwerk, mit einer zellenfesten Luftfangöffnung,
welche bei ausgeschaltetem Hilfstriebwerk mit einer beweglich an der
Flugzeugzelle gelagerten Lufteinlaufklappe verschlossen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Grenzschichtabweiser (3, 13, 23,
33) stromaufwärts der Luftfangöffnung (5) angeordnet ist und sich bei
geöffneter Lufteinlaufklappe (4, 14, 24, 34) in seiner Betriebsstellung,
bei geschlossener Lufteinlaufklappe (4, 14, 24, 34) in seiner
Ruhestellung befindet (Fig. 1 bis 9).
4. Lufteinlauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Grenzschichtabweiser (3, 13, 23,
33, 43) klappenförmig ausgebildet und mit seinem hinteren Ende über eine
Schwenkachse (2) an der Flugzeugzelle (1) angelenkt ist.
5. Lufteinlauf nach Anspruch 3 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lufteinlaufklappe (4, 14, 24, 34)
mit ihrem vorderen Ende an der Schwenkachse (2) für den
Grenzschichtabweiser (3, 13, 23, 33) mitangelenkt ist.
6. Lufteinlauf nach Anspruch 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lufteinlaufklappe (4, 14, 24, 34)
und der Grenzschichtabweiser (3, 13, 23, 33) miteinander mechanisch
gekoppelt sind.
7. Lufteinlauf nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lufteinlaufklappe (4) und der
klappenförmige Grenzschichtabweiser (3) durch ein Gelenkviereck (7),
dessen Koppelstange (7 c) an der Flugzeugzelle (1) über ein Drehgelenk
(7 d) aufgehängt bzw. gefesselt ist, miteinander gekoppelt sind, wobei
entweder die Lufteinlaufklappe (4) oder der klappenförmige
Grenzschichtabweiser (3) angetrieben ist (Fig. 2, 3).
8. Lufteinlauf nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
einen fest mit dem hinteren Ende der angetriebenen Lufteinlaufklappe
(14) verbundenen Antriebsnocken (8), der bei vorgegebenem größerem
Schwenkwinkel der Lufteinlaufklappe (14) gegenüber dem
Grenzschichtabweiser (13) so ausgebildet ist, daß er erst nach einem
Vorlaufwinkel (v) der Lufteinlaufklappe (14) den Grenzschichtabweiser
(13) betätigt, dessen Rückstellung in die Ruhestellung durch eine
Rückholfeder (9) erfolgt (Fig. 4, 5).
9. Lufteinlauf nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lufteinlaufklappe (24) und der
Grenzschichtabweiser (23) bei gleichem Schwenkwinkel durch eine Lasche
(10) starr miteinander verbunden sind (Fig. 6, 7).
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