DE3811614C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Triebwerksanordnung für luftatmende Hyper
schall-Fluggeräte, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, daß der von Hyperschall-Fluggeräten geforderte Geschwin
digkeitsbereich (Geschwindigkeit "Null" bis über Mach 10) mit einer
Triebwerksart nicht sinnvoll abgedeckt werden kann. Bei Fluggeräten,
welche sich nur in der Atmosphäre bewegen, ist es günstig, luftatmende
Triebwerke zu verwenden, da dann der Oxidator in Form von Luftsauerstoff
der Umgebung entnommen werden kann und nicht als Ballast mitgeführt wer
den muß. Der Geschwindigkeitsbereich von "Null" bis ca. Mach 3 ist der
typische Einsatzbereich für Turbo-Luftstrahltriebwerke, im folgenden
kurz als Turbotriebwerke bezeichnet. Für höhere Geschwindigkeiten sind
Staustrahltriebwerke geeignet.
Aus dem veröffentlichten NASA-Report CR/158926-1 "Hypersonic Cruise Air
craft Propulsion Integration Study" von R.E. Morris und G.D. Brewer ist
eine Triebwerksanordnung für Hyperschall-Flugzeuge bekannt (Fig. 13,
Seite 39), bei welcher ein Turbotriebwerk und ein Staustrahltriebwerk
(ramjet) einem gemeinsamen Lufteinlauf zugeordnet sind, wobei das Turbo
triebwerk eintrittsseitig mittels zweier Klappen verschließbar ist. Die
Schubdüsen beider Triebwerke sind getrennt, sie münden aber etwa in den
selben Bereich. Dabei ist das Staustrahltriebwerk unterhalb des Düsen
triebwerkes angeordnet. Fig. 11 auf Seite 35 zeigt eine Unterrumpf-An
ordnung mehrerer Triebwerke. Auch hier sind die in der Regel schwereren
und größeren Turbotriebwerke dem Rumpf benachbart angeordnet, die klei
neren und leichteren Staustrahltriebwerke liegen vom Rumpf abgewandt un
terhalb der Turbotriebwerke. Diese Lösungen haben jedoch gravierende
Nachteile. Durch die Außen- bzw. Unteranordnung der Staustrahltriebwerke
sind die wesentlich komplizierteren und somit wartungsintensiveren Tur
botriebwerke - vor allem bei Mehrmotorenanordnung - schlecht zugänglich.
Im Turbobetrieb muß die relativ dicke, turbulente Rumpfgrenzschicht mög
lichst vom Lufteinlauf ferngehalten werden,um die Zuströmung zu den
diesbezüglich empfindlichen Turbotriebwerken nicht zu stören. Bei Anord
nungen mit nur einem oder zwei Turbotriebwerken und somit problemlosen
Platzverhältnissen wird die Rumpfgrenzschicht in der Regel mit Grenz
schichtabweisern (Grenzschichtzäune, -pflüge etc.) abgelenkt, wodurch
zusätzlicher Luftwiderstand entsteht. Bei Mehrmotorenanordnungen sind
meist aufwendige, schwere und voluminöse Rohr- bzw. Kanalsysteme erfor
derlich, um die Rumpfgrenzschicht an den Triebwerken vorbei im Rumpfin
neren zum Flugzeugheck zu führen.
Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit vom Überschallbereich bis hin zum
Hyperschallbereich läßt die Wirksamkeit der aerodynamischen Steuerflä
chen immer mehr nach. Durch die Ein- und Austrittsimpulskräfte an den
Triebwerken entstehen insbesondere bei Unterrumpfanordnung Momente um
die horizontale Nickachse des Flugzeuges, welche u.U. mit den frei ange
strömten, aerodynamischen Steuerflächen nicht mehr ausgeglichen werden
können.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Triebwerksanordnung
für mindestens ein Turbo- und mindestens ein Staustrahltriebwerk zu fin
den, welche die Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik ganz
oder zumindest weitgehend vermeidet. Dabei sollen die komplexen, prü
fungs- und wartungsintensiven Turbotriebwerke gut zugänglich sein und im
Hinblick auf einen optimalen Betrieb mit möglichst wenig gestörter An
strömung versorgt werden. Außerdem sind die insbesondere bei Unterrumpf
anordnung problematischen Momente durch Ein- und Austrittsimpulskräfte
an den Triebwerken in einfacher Weise - zumindest größtenteils - auszu
gleichen.
Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 2
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Anordnung der Turbotriebwerke auf der Außenseite der dem Rumpf be
nachbarten Staustrahltriebwerke bietet gute Zugänglichkeit bei Wartung
und Austausch. Bei Unterrumpfanordnung bedeutet dies, daß die Turbo
triebwerke zumindest von unten her zugänglich sind.
Das Ableiten der Rumpfgrenzschicht durch kurze Kanäle in die Staustrahl
triebwerke bei Turbobetrieb ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Die
Turbotriebwerksverdichter werden optimal mit weitgehend ungestörter An
strömung versorgt, es sind keine widerstandserhöhenden Grenzschichtab
weiser im Einlaufbereich erforderlich, der konstruktive und gewichtsmä
ßige Aufwand für die kurzen Kanäle ist gering, die Durchströmung der
nicht in Betrieb befindlichen Staustrahltriebwerke bewirkt eine günsti
gere Geschwindigkeitsverteilung im Düsenbereich und somit einen kleine
ren Heckwiderstand.
Die im Grenzbereich zwischen den Turbotriebwerken und den Staustrahl
triebwerken angeordneten, schwenkbaren Düsenklappen ermöglichen - in ge
wissen Grenzen - eine Strahlablenkung bei beiden Triebwerksarten zum
Ausgleich der Nickmomente. Bei entsprechender Stellung wirken die Klap
pen darüberhinaus als strömungsmechanische Verlängerung der divergenten
Düsenabschnitte der oberen oder unteren Triebwerke.
Die Unteransprüche 3 und 4 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der
Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 bzw. 2.
Gemäß Anspruch 3 wird im Turbobetrieb über die Rumpfgrenzschicht hinaus
auch noch ein Teil der Einlaufgrenzschicht abgeleitet und durch das ab
geschaltete Staustrahltriebwerk geführt.
Gemäß Anspruch 4 erfolgt im Staustrahlbetrieb, d.h. in dem Fall, in wel
chem die Rumpf- und Einlaufgrenzschicht durch den Lufteinlauf in das ar
beitende Staustrahltriebwerk geleitet wird, ein Vermischen der Grenz
schicht mit der ungestörten Einlaufströmung mittels einer Verwirbelungs
vorrichtung, um den Verbrennungsprozeß durch Unsymmetrien im Strömungs
kanal nicht nachteilig zu beeinflussen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Dabei zeigen in schemati
scher Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Triebwerksanordnung im Turbobetrieb,
Fig. 2 einen entsprechenden Längsschnitt im Staustrahlbetrieb.
Die Triebwerksanordnung 1 nach Fig. 1 und 2 stellt eine insbesondere bei
Flugzeugen zweckmäßige Unterrumpfanordnung dar. Erfindungsgemäß grenzt
das Staustrahltriebwerk 3 unmittelbar an den Rumpf 4, das Turbotriebwerk
2 befindet sich unterhalb des Staustrahltriebwerkes 3 in Abstand zum
Rumpf 4. Insbesondere bei Flugkörpern können auch Anordnungen der Trieb
werke oberhalb des Rumpfes oder seitlich des Rumpfes schräg nach oben
oder unten sinnvoll sein. Es ist nur immer das Prinzip zu beachten, daß
das oder die Staustrahltriebwerke näher am Rumpf liegen als das oder die
Turbotriebwerke. Turbotriebwerke sind aufgrund ihrer Komplexität und ih
rer mit hoher Drehzahl rotierenden Bauteile relativ wartungsintensiv und
unterliegen Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen. Dank der Erfindung
wird die Zugänglichkeit der Turbotriebwerke zu Wartungs-, Überprü
fungs- und Austauschzwecken wesentlich verbessert, was insbesondere für
Mehrmotorenanordnungen gilt. jeder Lufteinlauf versorgt ein Turbotrieb
werk und ein oder mehrere Staustrahltriebwerke. Die Zuordnung mehrerer
Staustrahltriebwerke zu einem Turbotriebwerk und einem Lufteinlauf ist
vor allem dann sinnvoll, wenn erstere einen wesentlich kleineren Strö
mungsquerschnitt aufweisen als das Turbotriebwerk. Der Einfachheit hal
ber wird in den Fig. 1 und 2 davon ausgegangen, daß ein Lufteinlauf 5
genau ein Turbotriebwerk 2 und ein Staustrahltriebwerk 3 versorgt.
Fig. 1 zeigt den Fall des reinen Turbobetriebes, worauf auch die ange
deuteten Flammen im Brennkammer- und Nachbrennerbereich des Turbotrieb
werkes 2 hinweisen sollen. Die mit dem Pfeil 29 symbolisierte, ungestör
te Luftströmung durchläuft den Einlauf 5, das Turbotriebwerk 2 sowie die
Schubdüse 6 im wesentlichen geradlinig. Der Einlauf 5 ist vorzugsweise
rechteckig im Querschnitt, wobei die Rückwand der Übersichtlichkeit hal
ber nicht dargestellt ist. Seine untere Strömungskontur ist fest, seine
obere Strömungskontur ist verstellbar und wird im wesentlichen durch die
Stellung der beiden großen Klappen 12 und 13 bestimmt. Fig. 1 zeigt die
Klappenstellung für maximalen Einlaufquerschnitt, wobei die Strömungs
verbindung zum Staustrahltriebwerk 3 mittels der Klappen 14 und 15 un
terbrochen ist. Die turbulente Rumpfgrenzschicht, symbolisiert durch den
Pfeil 27, wird durch den Kanal 8 in das außer Betrieb befindliche Stau
strahltriebwerk 3 geleitet und tritt durch dessen Schubdüse 7 am Flug
zeugheck wieder ins Freie aus. Die Schubdüse 7 ist ebenfalls vorzugswei
se rechteckig im Querschnitt und mittels der Düsenklappen 20 und 21 ver
stellbar. Durch den Luftaustritt am Ende des Staustrahltriebwerkes 3
wird die Geschwindigkeitsverteilung im Heckbereich günstiger, wodurch
der Luftwiderstand des Flugzeuges sinkt. Somit wird die Rumpfgrenz
schicht im Triebwerksbereich annähernd verlustfrei an jedem Turbotrieb
werk vorbeigeleitet und im Heckbereich durch Belüftung des Heckes noch
nutzbringend verwendet.
Je nach Länge des beweglichen Oberteiles des Lufteinlaufes 5 bildet sich
auch an diesem eine eventuell störende Grenzschicht. In Fig. 1 ist eine
Möglichkeit dargestellt, diese, als Pfeil 2 B symbolisierte Einlaufgrenz
schicht durch einen Verbindungskanal 9 in den Kanal B und somit eben
falls in das Staustrahltriebwerk 3 zu leiten. Der Verbindungskanal 9
wird von zwei Klappen 17 und 18 gebildet. Es ist selbstverständlich auch
möglich, mehrere Öffnungen bzw. Kanäle vorzusehen, welche mit entspre
chenden Schließorganen freigegeben oder versprerrt werden können, bei
spielsweise mit Schiebern.
Dem Turbotriebwerk 2 ist eine konvergent/divergente Schubdüse 6 nachge
schaltet, welche vorzugsweise ebenfalls rechteckig ausgeführt und mit
tels der Düsenklappen 22, 23, 24 im Querschnitt veränderlich ist. Im
Grenzbereich der beiden Schubdüsen 6 und 7 ist eine weitere Düsenklappe
19 mit horizontaler Achse Y vorhanden, deren eine Wirkfläche 26 (Unter
seite) dem Turbotriebwerk 2, deren andere Wirkfläche 25 (Oberseite) dem
Staustrahltriebwerk 3 zugeordnet ist. Die Düsenklappe 19 kann als
Strahlruder, als Verlängerung des divergenten Düsenteiles und als Ver
schlußklappe eingesetzt werden. Ihre Beweglichkeit ist durch den Doppel
pfeil 31 dargestellt.
Fig. 2 zeigt den Fall des reinen Staustrahlbetriebes, u.a. erkenntlich
an den angedeuteten Flammen hinter der Einspritzvorrichtung 10. Das Tur
botriebwerk 2 ist allseitig verschlossen, eintrittsseitig durch die
Klappen 15 und 16, austrittsseitig durch die Düsenklappen 22, 23 und
24. Das relativ einfache Staustrahltriebwerk 3 ist nicht empfindlich ge
genüber der turbulenten Grenzschicht, so daß die Rumpfgrenzschicht, die
Einlaufgrenzschicht und die ungestörte Anströmung in den Lufteinlauf 5
geleitet werden, dargestellt durch den Pfeil 30. Der Kanal 8 ist ein
trittsseitig mit der Klappe 11, austrittsseitig mit der Klappe 14 ver
schlossen. Auch die Verbindung vom Einlauf zum Kanal 8 (Klappen 17 und
18) ist unterbrochen. Die Klappen 12 bis 16 sind so positioniert, daß
sie zusammen mit den festen Konturen einen möglichst strömungsgünstigen,
konvergent/divergenten Kanal mit guter Verdichtungswirkung bilden. Um im
Brennkammerbereich eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung si
cherzustellen, besteht die Möglichkeit, stromaufwärts der Einspritzvor
richtung 10 mit Hilfe einer oder mehrerer Verwirbelungsvorrichtungen
(z.B. Grenzschichtzäune, Kanalstufen, nicht dargestellt) die Grenz
schicht mit der ungestörten Luftströmung zu vermischen. Die heißen Abga
se treten durch die Schubdüse 7 aus, deren engster Querschnitt mit den
Düsenklappen 20 und 21 eingestellt wird. Mit der Düsenklappe 19 läßt
sich sowohl der Expansionsgrad als auch die Richtung des Schubstrahles
beeinflussen. Besonders im Hyperschallbereich ist eine solche Schubvek
torsteuerung wirkungsvoller als eine Steuerung mittels der normalen,
luftangeströmten Ruder.
Beim Übergang von Turbo- auf Staustrahlbetrieb und umgekehrt, d.h. bei
Geschwindigkeiten von etwa Mach 3 bis 3,5, ist es möglich und sinnvoll,
beide Triebwerksarten kurzfristig gleichzeitig zu betreiben, um keine
Schubunterbrechung zu erzeugen.
Claims (4)
1. Triebwerksanordnung für luftatmende Hyperschall-Fluggeräte, ins
besondere für Hyperschall-Flugzeuge mit im Unterrumpfbereich angeordne
ten Triebwerken, mit einem oder mehreren Turbotriebwerken sowie mit min
destens je einem, jedem Turbotriebwerk zugeordneten Staustrahltriebwerk,
mit je einem gemeinsamen Lufteinlauf für jedes Turbotriebwerk und das
zugeordnete bzw. die zugeordneten Staustrahltriebwerke, mit einer oder
mehreren Klappen zum eintrittsseitigen Verschließen jedes Turbotriebwer
kes, und mit getrennten Schubdüsen für jedes Triebwerk, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedes Turbotriebwerk (2) mit Abstand zum Rumpf (4)
des Fluggerätes angeordnet ist, daß das Staustrahltriebwerk (3) bzw. die
Staustrahltriebwerke zwischen dem Turbotriebwerk (2) bzw. den Turbo
triebwerken und dem Rumpf (4) angeordnet sind, daß - zum Ableiten der
Rumpfgrenzschicht (Pfeil 27) im Turbobetrieb - zu jedem Lufteinlauf (5)
mindestens ein Kanal (8) vorhanden ist, welcher stromaufwärts des Luft
einlaufes (5) beginnt und in das oder die dem Lufteinlauf (5) zugeordne
ten Staustrahltriebwerke (3) mündet, wobei die stromaufwärtige Mündung
oder sämtliche Mündungen des Kanales (8) mit einer oder mehreren Klappen
(11, 14) verschließbar sind.
2. Triebwerksanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Mündungsbereich der Schubdüsen (6, 7)
mindestens eine um eine im wesentlichen horizontale Achse (Y) schwenkba
re Düsenklappe (19) angeordnet ist, deren erste Wirkfläche (26) einem
Turbotriebwerk (2), und deren zweite Wirkfläche (25) einem oder mehreren
Staustrahltriebwerken (3) zugeordnet ist.
3. Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß - zum Ableiten der Einlaufgrenzschicht im
Turbobetrieb - mindestens ein verschließbarer (Klappen 17, 18), vom
Lufteinlauf (5) zum die Rumpfgrenzschicht ableitenden Kanal (8) verlau
fender Verbindungskanal (9) vorhanden ist.
4. Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und ei
nem oder beiden der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß -
für Staustrahlbetrieb zum Vermischen der in den Einlauf geführten Grenz
schicht mit der ungestörten Einlaufströmung - im Staustrahltriebwerk (3)
stromaufwärts der Brennkammer (Einspritzvorrichtung 10) mindestens eine
Verwirbelungsvorrichtung angeordnet ist, beispielsweise in Form von
Grenzschichtzäunen oder einer Kanalstufe.
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