DE69005379T2

DE69005379T2 - Einrichtung zur Infrarotstrahlungsabschirmung für ein Triebwerk.

Info

Publication number: DE69005379T2
Application number: DE90630109T
Authority: DE
Inventors: Armand F Amelio
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: AU644369B2; CN1021987C; DE69005379D1; EP0406155A1; AU5751490A; TR25157A; IL94322A0; CA2012176A1; CN1048429A; EP0406155B1; KR910001351A; JPH0337334A; CA2012176C; US5699965A; JP2981672B2; KR100197319B1; IL94322A

Description

Technisches Gebiet

Das Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, ist das der Unterdrückungssysteme für Gasturbinentriebwerke.

Stand der Technik

Das Aufkommen von Infrarotstrahlung (IR) ansteuernden Waffen hat die Verletzbarkeit von Luftfahrzeugen wie Flugzeugen, Flugkörpern und Hubschraubern durch aus der Luft und vom Boden ausgehenden Raketenangriff sehr gesteigert. Diese Luftfahrzeuge geben heißes Triebwerksabgas ab, das ein starkes Infrarotstrahlungssignal hat. Darüber hinaus enthält die Vortriebseinrichtung für das Luftfahrzeug unveränderlich heiße Metallteile, die ein starkes Infrarotstrahlungssignal abstrahlen. Die heißen Metalltteile sind normalerweise entweder dem Gasturbinen- oder dem Strahltriebwerksabgassystem zugeordnet. Um die Verletzbarkeit des Luftfahrzeuges zu verringern, ist es notwendig, dieses Infrarotstrahlungssignal oder diese Infrarotkennung zu reduzieren oder zu unterdrücken. Üblicherweise erfolgt eine Verringerung des IR-Signals auf zweierlei Weise. Eine erste Möglichkeit besteht darin, Kühlluft mit dein Triebwerksabgas zu vermischen, um seine Temperatur und sein IR-Signal zu verringern. Ein zweiter Mechanismus besteht darin, eine direkte Sichtlinie in das Kerntriebwerk zu blockieren. Es sind zwar gewisse Fortschritte in dieser Richtung gemacht worden, eine beträchtliche weitere Anstrengung ist jedoch noch erforderlich, um zufriedenstellende IR-Unterdrückungsergebnisse zu erzeugen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Infrarotunterdrückungsvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, die ein geringeres IR-Signal als die bekannten Infrarotunterdrückungsvorrichtungen hat.
Um das zu erreichen, schafft die Erfindung eine Infrarotunterdrückungsvorrichtung für das Abgas eines Gasturbinentriebwerks, wobei die Unterdrückungsvorrichtung einen langgestreckten Abgassammler aufweist, der eine Längsachse hat, eine Einlaßeinrichtung zum Empfangen des Abgases, eine Längswand und ein stromabwärtiges Ende sowie eine Düseneinrichtung in Fluidverbindung mit dem Verteiler zum Verteilen des Abgases, wobei die Düseneinrichtung einen im wesentlichen unbehinderten Abgasströmungsweg zu der Umgebungsluft hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung in der Längswand des Sammlers gebildet und in der Richtung der Sammlerlängsachse langgestreckt ist und daß die Querschnittsfläche des Abgassammlers in Richtung zu dem stromabwärtigen Ende des Sammlers konvergent konisch zuläuft.
Eine Infrarotunterdrückungsvorrichtung dieses Typs erzeugt eine dünne "bandförmige" Abgasfahne, die leicht in die umgebende Atmosphäre abgegeben werden kann und durch IR-Detektoren weniger wahrnehmbar ist.
In einer Ausführungsform hat der Abgassammler eine Vielzahl von diskreten Abgasdüsen, die in Längsrichtung mit dem Abgassammler ausgerichtet sind. Die Düsen erstrecken sich optional innerhalb, aber mit Abstand von Mischkanälen, die an beiden Enden zur umgebenden Luft hin offen sind. Die Mischkanäle vermischen Umgebungsluft mit der Abgasfahne.
In einer weiteren Ausführungsform der Infrarotunterdrückungsvorrichtung nimmt eine einzelne Düse (die in Längsrichtung mit dem Sammler ausgerichtet ist) die Stelle der Vielzahl von diskreten Abgasdüsen ein. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Düse innerhalb, aber mit Abstand von einem Mischkanal, der an beiden Enden offen ist und eine Krümmung hat, die ausreicht, um eine Sichtlinie zu der Düse zu blockieren.
Zur Verwendung in einem Hubschrauber kann die IR-Unterdrückungsvorrichtung mit einem Stellantrieb versehen sein, um den Sammler um seine Längsachse zu drehen, so daß das Abgas im wesentlichen parallel zu den Hubschrauberblättern gerichtet werden kann, wenn sich die Blätter nicht drehen, um sie vor Abgashitze zu schützen.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Ansprüchen und aus den beigefügten Zeichnungen, welche eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 veranschaulicht eine auseinandergezogene, perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht eines Hubschraubers, der ein mit der vorliegenden Erfindung versehenes Gasturbinentriebwerk hat.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Infrarotunterdrükkungsvorrichtung nach der Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 4 ist eine perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer zweiten Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Fig. 4.
Fig. 6 veranschaulicht einen Querschnitt nach der Linie 6-6 der Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Fig. 5.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 hat der Abgassammler 3 einen Einlaß 4 zum Empfangen von Abgasen aus einem Triebwerk. Der Abgassammler 3 läuft konisch zu, so daß er eine fortschreitend abnehmende Querschnittsfläche von dem Einlaß 4 (stromaufwärts) zu dem geschlossenen Ende 7 (stromabwärts) des Sammlers hat. Der Abgassammler 3 kann eine Vielfalt von Querschnittsformen wie rund, oval, quadratisch usw. haben. Der Abgassammler 3 hat eine Vielzahl von Düsen 6, die sich von dem Sammler aus erstrecken und längs einer wesentlichen Länge des Abgassammlers 3 angeordnet sind. Die Düsen 6 können einstückig mit dem Abgassammler 3 ausgebildet sein oder können durch herkömmliche Einrichtungen wie Befestigungselemente befestigt sein. Düsenöffnungen 9 und der Abgassammler 3 sind in Längsrichtung ausgerichtet. Die Düsen 6 erstrecken sich im wesentlichen normal von dem Abgassammler 3 aus, damit die Düsen 6 weniger wie eine Umlenkschaufel wirken (z. B., die Düsen 6 erhöhen den Gegendruck). Somit hat jede Düse 6 einen im wesentlichen unbehinderten Abgasströmungsweg zu der umgebenden Luft. Vorzugsweise haben Düsenöffnungen 9 ein Verhältnis von Länge zu Breite, das über etwa 6 zu 1 liegt, weil das eine lange dünne Fahne schafft, die einem gasförmigen "Band" ähnelt. Da das Band im Querschnitt dünn ist, ist es für IR-Detektoren weniger sichtbar. Darüber hinaus läßt sich das Abgasband leichter in die umgebende Atmosphäre verteilen, wodurch die IR-Signatur weiter reduziert wird.
Die Abgassammlerquerschnittsfläche in irgendeinem vorgewählten Punkt längs des Sammlers 3 hat eine Gesamtfläche, die im wesentlichen gleich der Gesamtfläche der Düsen 6 stromabwärts des vorgewählten Punktes ist. In Verbindung mit dieser Äquivalenz des Sammlereinlaßquerschnitts und des Düsenquerschnitts ist die Konizität des Abgassammlers 3 so, daß es eine im wesentlichen konstante Abgasgeschwindigkeitsströmung und einen im wesentlichen konstanten Abgasgeschwindigkeitsdruck über der Länge des Abgassammlers 3 gibt. Das führt zu einem im wesentlichen konstanten Abgasumlenkwinkel über der Länge des Abgassammlers 3 durch die Düsen 6 ohne die Verwendung von Umlenkschaufeln, welche den Gegendruck vergrößern und heiße Metallteile ergeben können. Der besondere Umlenkwinkel, der erzielt wird, ist abhängig von und variiert mit der besonderen Abgasgeschwindigkeit. Eine exemplarische Konfiguration, die zur Verwendung bei Hubschraubern benutzt wird, ergibt einen konstanten Umlenkwinkel von etwa 45º.
Eine Vielzahl von Mischkanälen 15 zum Vermischen von Kühlluft mit dem Abgas zum Verringern der Intensität des Abgas- IR-Signals ist längs des Abgassammlers 3 angeordnet. Die Mischkanäle haben eine stromaufwärtige Öffnung 18, eine stromabwärtige Öffnung 21 und Seitenwände 24. Die Mischkanäle erstrecken sich im wesentlichen normal zu dem Sammler 3. Daher erstrecken sich die Düsen 6 innerhalb der Mischkanäle 15 und sind mit denselben ausgerichtet. Die Mischkanäle können direkt an dem Abgassammler durch herkömmliche Einrichtungen wie Winkel 25 befestigt sein oder können über dem Sammler durch eine geeignete Flugzeugzellenbefestigung angeordnet sein. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 haben die Mischkanäle 15 ebenfalls Abstand von dem Abgassammler 3. Das ergibt einen Einlaßzwischenraum zwischen den Düsen 6 und den Mischkanälen 15. Die Mischkanäle 15 blockieren auch eine direkte Sichtlinie 27 zu den Abgasdüsen 6. Daher werden die Tiefe und der Abstand der Mischkanalseitenwände 24 so gewählt, daß eine direkte Sichtlinie 27 zu der heißen Abgasdüse 6 unter vorgewählten Winkeln verhindert wird. Somit ist die Abgasdüse unter begrenzten Sichtwinkeln nicht sichtbar, wie zum Beispiel denjenigen, die zu den Mischkanalseitenwänden 24 im wesentlichen rechtwinkelig sind.
Wenn das Abgas aus den Düsen 6 über die Mischkanäle 15 abgegeben wird, wird ein Venturi-Effekt erzeugt, der Umgebungsluft unter atmosphärischem Druck in die stromaufwärtige Öffnung 18 der Mischkanäle 15 durch den Einlaßzwischenraum saugt, welcher die Düsen 6 umgibt. Die Luft vermischt sich mit dem Abgas in den Mischkanälen 15 und wird mit einer kälteren Temperatur aus der stromabwärtigen Öffnung 21 der Mischkanäle 15 abgegeben, wodurch die Intensität des IR-Signals verringert wird. Darüber hinaus verringert die Kühlluft die Temperatur der Mischkanalseitenwände 24, da eine Decke von Kühlluft zwischen den Seitenwänden 24 und den heißen Abgasen angeordnet ist. Somit wird das IR- Signal von heißen Metallteilen ebenfalls reduziert.
In Fig. 4 ist die Vielzahl von in Längsrichtung ausgerichteten, diskreten Düsen durch eine einzelne, ununterbrochene Düse ersetzt worden. Ein einzelner gekrümmter Mischkanal ist an die Stelle der Vielzahl von geraden Mischkanälen getreten. Der Abgassammler 53 hat einen Einlaß 54 zum Empfangen von Abgasen aus einem Triebwerk. Gemäß der Darstellung in den Fig. 4 und 5 läuft der Abgassammler 53 konisch zu, so daß er eine fortschreitend abnehmende Querschnittsfläche von dem Einlaß 54 (stromaufwärts) zu dem geschlossenen Ende 57 (stromabwärts) des Sammlers hat. Der Abgassammler 53 hat eine Düse 56, die sich von dem Sammler aus erstreckt und auf einer wesentlichen Länge des Abgassammlers 53 angeordnet ist. Eine Düsenöffnung 59 und der Abgassammler 53 sind in Längsrichtung ausgerichtet. Wie bei der vorherigen Konfiguration hat die Düse 56 einen im wesentlichen unbehinderten Abgasströmungsweg zu der umgebenden Luft. Vorzugsweise hat die Düse 56 ein Verhältnis von Länge zu Breite, das das höchste praktische Verhältnis ergibt, vorzugsweise oberhalb von etwa 60 zu 1, weil das eine lange, dünne Fahne ergibt, die einem gasförmigen "Band" ähnelt.
Ein Mischkanal 65 ist außerhalb des Abgassammlers 53 angeordnet. Der Mischkanal 65 vermischt Kühlgase mit dem Abgas, um das IR-Signal des Abgases zu senken. In Fig. 4 weist der Mischkanal 65 einen Mischkanal 65 auf, der längs des Abgassammlers 53 angeordnet ist. Der Mischkanal 65 erstreckt sich im wesentlichen normal zu dem Abgassammler 53 und krümmt sich dann quer zu dem Abgassammler. Der Mischkanal 65 hat eine stromaufwärtige Öffnung 68, eine stromabwärtige Öffnung 71 und Seitenwände 74. Die stromaufwärtige Öffnung 68 des Mischkanals ist in Fluidverbindung mit der Düsenöffnung 59. Die Düse 56 erstreckt sich innerhalb des Mischkanals 65 und ist mit demselben ausgerichtet. Der Mischkanal 65 hat außerdem Abstand von dem Abgassammler 53. Das ergibt einen Einlaßzwischenraum zwischen der Düse 56 und dem Mischkanal 65.
Wie bei der vorherigen Konfiguration senkt diese IR-Unterdrückungsvorrichtung das IR-Bild durch Mischen des Abgases mit Umgebungsluft und Abgeben des resultierenden Gemisches über den Mischkanal. Darüber hinaus überzieht eine Kühlungsdecke der umgebenden Luft die inneren Oberflächen des Mischkanals 65 und verhindert irgendeinen signifikanten Temperaturanstieg, wodurch das IR-Signal verringert wird. Somit wird die IR-Signatur des Abgases und der heißen Metallteile reduziert. Schließlich, da der Mischkanal 65 sich quer zu dem Abgassammler 53 krümmt, wird eine Sichtlinie in die Abgasdüse behindert, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
Diese IR-Unterdrückungssysteme können im Gegensatz zu bekannten Systemen drehbar sein, um die Richtung der Abgasfahne zu ändern. Die Querschnittdarstellungen in den Fig. 3 und 6 veranschaulichen dieses Merkmal für die beiden IR-Unterdrückungsvorrichtungen, die in Fig. 1 bzw. 3 gezeigt sind. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird eine Einrichtung zum Drehen der Unterdrückungsvorrichtung in Form eines Stellantriebs 2 benutzt. Bei Verwendungen in einem Hubschrauber 1 ähnlich dem in Fig. 1a gezeigten Typ resultiert die Richtung der Abgasfahne zu den Hubschrauberblättern hin in einer erhöhten IR-Unterdrückung durch Vermischung des Abgases mit dem Abwärtsluftstrahl des Hubschraubers. Darüber hinaus eliminiert das Boden- und die meisten Sichtlinienbetrachtungswinkel mit Basis in der Luft. Wenn der Hubschrauber am Boden ist und die Blätter sich nicht drehen, ist die Richtung der Abgasfahne im wesentlichen parallel (gestrichelt in den Fig. 3 und 6 gezeigt) zu den Blättern und schützt die Blätter und alle brennbaren Oberflächen.
Die Erfindung schafft eine IR-Unterdrückungsvorrichtung, die das IR-Signal des Abgases durch Vermischen von Umgebungsluft mit dem Abgas zusätzlich zu der Wechselwirkung zwischen Rotor und freiem Luftstrom reduziert. Darüber hinaus reduziert die Unterdrückungsvorrichtung das IR-Signal der heißen Schubdüsenteile und eliminiert eine Sichtlinie in die Schubdüse, ohne einen nennenswerten Gegendruck zu erzeugen. Schließlich verringert sie die Pumpwirkung des Abgassammlers. Diese Unterdrückungsvorrichtungen benutzen ein geringes Gewicht aufweisende Konfigurationen, um die obigen Ergebnisse zu erzielen. Die Erfindung leistet somit einen beträchtlichen Beitrag auf dem Gebiet der IR-Unterdrückung durch Schaffung einer IR-Unterdrückungsvorrichtung, die das gesamte IR-Signal auf effiziente Weise beträchtlich verringert.

Claims

1. Infrarotunterdrückungsvorrichtung für das Abgas eines Gasturbinentriebwerks, wobei die Unterdrückungsvorrichtung einen langgestreckten Abgassammler (3; 53) aufweist, der eine Längsachse hat, eine Einlaßeinrichtung (4; 54) zum Empfangen des Abgases, eine Längswand und ein stromabwärtiges Ende (7, 57) sowie eine Düseneinrichtung (6; 56) in Fluidverbindung mit dem Verteiler (3; 53) zum Verteilen des Abgases, wobei die Düseneinrichtung (6; 56) einen im wesentlichen unbehinderten Abgasströmungsweg zu der Umgebungsluft hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (6; 56) in der Längswand des Sammlers (3; 53) gebildet und in der Richtung der Sammlerlängsachse langgestreckt ist und daß die Querschnittsfläche des Abgassammlers (3; 53) in Richtung zu dem stromabwärtigen Ende (7; 57) des Sammlers (3; 53) konvergent konisch zuläuft.

2. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Düseneinrichtung (6; 56) im wesentlichen normal von der Längswand des Abgassammlers (3; 53) aus erstreckt.

3. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (6) eine Vielzahl von diskreten Düsen (6) aufweist, die Auslaßöffnungen (9) haben, welche in der Richtung der Längsachse des Sammlers (3) gegenseitig beabstandet sind.

4. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenauslaßöffnungen (9) ein Verhältnis von Länge zu Breite haben, das über etwa 6:1 liegt.

5. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Mischkanälen (15), von denen jeder Seitenwände (24), eine stromaufwärtige Öffnung (18) und eine stromabwärtige Öffnung (21) hat, wobei die stromaufwärtige und stromabwärtige Öffnung (18, 21) zur Umgebungsluft offen sind und wobei sich die Düsen (6) innerhalb der Mischkanäle (15), aber mit Abstand von denselben erstrecken.

6. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (15) gerade sind.

7. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (15) eine Sichtlinie zu den Düsen (6) ab Winkeln blockieren, die zu den Mischkanalseitenwänden (24) im wesentlichen rechtwinkelig sind.

8. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (56) eine einzelne, ununterbrochene Düse (56) umfaßt.

9. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Breite der einzelnen, ununterbrochenen Düse (56) über etwa 60:1 liegt.

10. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Mischkanal (65), der Seitenwände (74) hat, eine stromaufwärtige Öffnung (68) und eine stromabwärtige Öffnung (71), wobei die Öffnungen (68, 71) zur Umgebungsluft offen sind und wobei sich die Düse (56) innerhalb des Mischkanals (65), aber mit Abstand von demselben erstreckt.

11. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkanal (65) gekrümmt ist.

12. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkanal (65) eine Sichtlinie zu der Düse (56) ab Winkeln blockiert, die zu den Mischkanalseitenwänden (74) im wesentlichen rechtwinkelig sind.

13. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Sammlers (3; 53) in irgendeinem vorgewählten Punkt im wesentlichen gleich der Gesamtdüsenquerschnittsfläche stromabwärts des vorgewählten Punktes ist.

14. Infrarotunterdrückungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Verwendung in einem Hubschrauber, der Rotorblätter hat, gekennzeichnet durch einen Stellantrieb (2) zum Drehen des Sammlers (3; 53) um seine Längsachse, so daß der Abgasströmungsweg im wesentlichen parallel zu den Rotorblättern gerichtet werden kann.