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Pulso-Strahltriebwerk bzw. mit intermittierender Verbrennung arbeitende
Antriebsdüse Die technische Entwicklung der Pulso-Strahltriebwerke bzw. der mit
intermittierender Verbrennung arbeitenden Antriebsdüsen ohne bewegliches Organ hat
eine besondere Klasse solcher Antriebe entstehen lassen, welche sich in der Hauptsache
dadurch auszeichnen, daß die Ansaugung der zur Verbrennung notwendigen Luft mit
Hilfe einer Rohrleitung erfolgt, deren in die Außenluft gehende öffnung in eine
Richtung weist, die der Richtung der von dem Antrieb erzeugten Schubkraft entgegengesetzt
ist. Daraus folgt, daß bei Vorwärtsbewegung des Triebwerkes der Lufteintritt im
Gegenstrom erfolgt. Die atmosphärische Luft muß daher, um zu demjenigen Teil der
Maschine zu gelangen, wo die Einspritzung des Brennstoffes stattfindet, eine Umlenkung
um etwa i8o° in bezug auf ihre anfängliche Richtung erfahren, wie dies in Fig. i
der Zeichnung wiedergegeben ist, die einen senkrechten Längsschnitt darstellt, in
welchem mit a die intermittierende Brennkammer, mit -b die
Düse
bzw. das Auspuffrohr für die in der Brennkammer durch die aufeinanderfolgenden Verpuffungen
erzeugten Gase und mit c das Frischlufteinlaßrohr bezeichnet ist, welches derart
ausgebildet ist, daß es als Rückströmdrossel arbeitet. Es ist ersichtlich, daß auf
Grund des den Strom um 18o° umlenkenden Krümmers d zwischen der Brennkammer
a und der Düse b das Luftzufuhrrohr c sich nach der gleichen 'Richtung
wie die Düse b öffnet. Der Pfeil F deutet die erzeugte Bewegungsrichtung an, und
der Pfeil Et veranschau= licht die Umlenkung, welche die relative Geschwindigkeit
der Luft erfahren muß, um in das Luftzufuhrrohr c eindringen zu können.
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Auf Grund dieser Besonderheit treten bei dieser Klasse von intermittierenden
Strahltriebwerken, welche im Stand in unbegrenzter Atmosphäre ausgezeichnete Leistungen
liefern, beachtliche Leistungsverluste im Zustand der Bewegung auf. Ihre allgemeine
Form, welche sich einerseits aus besonderen Erfordernissen und andererseits aus
technologischen Gründen infolge der Verwendung von Materialien für hohe Temperaturen
ergibt, bedingt überdies einen hohen Widerstand gegen die Vorwärtsbewegung, welcher
den allgemeinen Wirkungsgrad des Antriebes stark beeinträchtigt. Die Anwendung solcher
Triebwerke zum Antrieb von Flugkörpern mächt somit ihre Vereinigung mit einem Gehäuse
erforderlich, welches die Aufgabe hat, den Stirnwiderstand zu vermindern und gleichzeitig
die Verluste infolge der Luftansaugung im Gegenstrom herabzusetzen, indem die relative
Geschwindigkeit der Luft im Bereich der Luftansaugöffnung beträchtlich verkleinert
wird.
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Es könnte natürlich daran .gedacht werden, ein oder mehrere intermittierende
Strahltriebwerke a, b, c, d im Innern eines profilierten Gehäuses e (Fig.
a) unterzubringen, welches sich bis in die Nähe der Ausgangsebene der Düsen erstreckt
und bei welchem der Zutritt der Atmosphärenluft durch eine Öffnung f erfolgt, die
am vorderen Ende vorgesehen ist und deren geometrischer Querschnitt beträchtlich
kleiner als der größte senkrechte Querschnitt des Gehäuses e ist. Auf diese Weise
könnte eine merkliche Verlangsamung der Strömung.im Bereich des Luftzufuhrrohres
c der Pulso-Strahltriebwerke erzielt werden, jedoch scheidet die Anwendung einer
solchen Anordnung auf Grund der nachstehenden Schwierigkeit aus.
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Es ist festgestellt worden, daß die intermittie renden Strahltriebwerke,
wenn sie im Stand arbeiten, in der umgebenden Atmosphäre periodische Druckänderungen
hervorrufen, welche noch in Entfernungen meßbar sind, die das mehr als Hundertfache
des Durchmessers der Lufteinlaßöffnungen erreichen. Untersuchungen haben außerdem
gezeigt, daß jedesmal, wenn die umgebende Atmosphäre durch diese Erscheinung beeinflußt
wird und dabei eine willkürliche Begrenzung durch materielle Wände findet, wie z.
B. die, welche das intermittierende Strahltriebwerk umhüllen, dies ein kräftiges
Absinken der durch das Triebwerk erzeugten Schubkraft zur Folge hat. Es kommt sogar
vor, daß, wenn die Wände zu nahe beieinanderliegen, überhaupt kein stabiles Arbeiten
erhalten werden kann. Der festgestellte Schubverlust vermindert sich mit größer
«erdendem Abstand der Wände und der entsprechenden Zunahme des Verhältnisses zwischen
dem senkrechten Innenquerschnitt des Gehäuses und dem senkrechten Querschnitt der
Luftzufuhröffnung des Pulso-Strahltriebwerkes. Selbst bei einem Gehäusequerschnitt.
welcher das Fünfzigfache der Fläche der Luftaufnahmeöffnung des Triebwerkes ausmacht,
würde dieser Verlust aber noch ungefähr io0/a betragen.
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Es sei bemerkt, daß für die Klasse der Pulso-Strahltriebwerke mit
hohen Leistungen die Fläche der Luftaufnahmeöffnung ein Viertel oder mehr der gesamten
frontalen Fläche der Maschine darstellen kann. Wollte man den Verlust gegenüber
dem in unbegrenzter Atmosphäre möglichen statischen Schub auf io °/o begrenzen,
würde es somit erforderlich sein, ein Gehäuse vorzusehen, dessen frontaler Querschnitt
ungefähr das Zwölffache des Hauptspants des eigentlichen Pulso-Strahltriebwerkes
betragen würde. Der dadurch entstehende Widerstand gegen die Vorwärtsbewegung des
Gehäuses würde dann völlig unzulässig sein.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Gehäuses, welches eine
Verlangsamung der Luftströmung im Bereich des Luftzufuhrrohres des Pulso-Strahltriebwerkes
bzw. der mit intermittierender Verbrennung arbeitenden Antriebsdüse ohne merklichen
Wandeffekt zu erzielen gestattet und welches auf diese Weise einen statischen Schub,
welcher gleich dem Schub in unbegrenzter Atmosphäre ist, mit einem verminderten
Widerstand gegen die Vorwärtsbewegung und bei zulässigen Verlusten in der Luftaufnahme
zu erzeugen ermöglicht.
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Die Besonderheit des Gehäuses gemäß der Erfindung besteht darin, daß
es im Bereich der Querebene durch die Luftzufuhröffnung des intermittierenden Triebwerkes
auf dem größtmöglichen Teil des Umfanges dieser Öffnung seitlich offen oder ausgeschnitten
und mit einer Leitung kombiniert ist, deren Einlaßöffnung in Richtung des Stromes
der äußeren Luft stromabwärts von der Luftzufuhröffnung des Triebwerkes liegt und
einen Querschnitt besitzt, der größer als derjenige der genannten Luftzufuhröffnung
ist, und von einem abgerundeten Angriffsrand umgeben ist, auf welchen der Luftstrom
auftrifft und welcher dazu dient, in diesem Strom ein Feld von erhöhtem statischere
Druck und demzufolge ein Gebiet geringer Geschwindigkeit im Bereich der Luftzufuhröffnung
des. Triebwerkes zu erzeugen.
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An seinem vorderen Ende kann das Gehäuse geschlossen oder lediglich
mit kleinen Öffnungen für den Eintritt von Kühlluft versehen sein, was sich insbesondere
für Flugkörper eignet, die für geringe Fluggeschwindigkeiten bestimmt sind. Für
große Fluggeschwindigkeiten kann das Gehäuse an seinem vorderen Ende frei geöffnet
sein und einen Diffusor aufweisen, der dazu dient, die in das Gehäuse eindringende
Luft
zu verlangsamen und zu verdichten, um ihr einen relativ hohen statischen Druck an
der Stelle zu erteilen, an welcher diese Luft durch einen ringförmigen Durchgang
des Gehäuses in den Bereich gelangt, welcher die Luftzufuhröffnung des Triebwerkes
und die seitliche Öffnung bzw. den seitlichen Ausschnitt des Gehäuses enthält.
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Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, in welcher die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert wird.
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Fig. i und 2 dienen zur Veranschaulichung der eingangs gemachten allgemeinen
Darlegungen; Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung;
Fig. q. bis 7 sind Querschnitte nach den Linien IV-IV, V-V, VI-VI bzw. VII-VII der
Fig. 3; Fig. 8 und 9 sind Längsschnitte durch zwei weitere Ausführungsformen der
Erfindung; Fig. io bis 13 sind Querschnitte nach den Linien X-X, XI-XI, XII-XII
bzw. XIII-XIII der Fig. 9 ; Fig. 1:4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem
nach vorn offenen Gehäuse; Fig. 15 bis i9 sind Querschnitte nach den Linien XV-XV,
. XVI-XVI, XVII-XVII, XVIII-XVIII, bzw. XIX-XIX der Fig. 1q..
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Die in den Fig. 3 bis 7 wiedergegebene erste Art des Gehäuses ist
insbesondere für geringe Fluggeschwindigkeiten (3o bis 130 m/sek) geeignet.
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Das Gehäuse umfaßt folgende Teile: i. Einen allgemein aus einer Leichtmetallegierung
bestehenden Gehäuseteil i von profilierter Form, der den Krümmer d sowie die Brennkammer
a ziemlich eng umgibt und sich bis unmittelbar an die Luftzufuhröffnung 2 der Brennkammer
a erstreckt.
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2. Einen Leitungsteil i", der allgemein aus einer Leichtmetallegierung
besteht und im wesentlichen einen Umdrehungskörper um die Achse des Luftzufuhrrohres
c bildet. Dieser Leitungsteil i" ist außen profiliert und innen konisch oder teilweise
zylindrisch und teilweise konisch ausgebildet, und er weist eine Luftaufnahmeöffnun:g
3 auf, die durch einen abgerundeten Angriffsrand q begrenzt ist, der von der Luftzufuhröffnung
2 der intermittierenden Brennkammer a in einem Abstand liegt, welcher vorzugsweise
ungefähr dem Anderthalbfachen des Durchmessers der Öffnung z entspricht, so daß
ein großer, frei geöffneter, seitlicher Ausschnitt g um die Öffnung 2 gebildet ist.
Es ist erwünscht, daß die Fläche des senkrechten Querschnittes der Luftaufnahm.eöffnung
3 das Zwei- bis Dreifache der Fläche der Luftzufuhröffnung 2 zur intermittierenden
Brennkammer a beträgt und daß der Querschnitt der Ausgangsöffnung 5 des Leitungsteiles
i" eine Fläche besitzt, die größer ist als diejenige der L uftaufnahmeöffnung 3.
Diese Abmessungen und Anordnungen sind diejenigen, welche die beste Verlangsamung
des Stromes im Bereich der Luftzufuhröffnung a bei der betrachteten Fluggeschwindigkeit
gewährleisten.
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3. Einen Gehäuseteil 6, welcher die Ausstoßdüse b der intermittierenden
Brennkammer ca ganz oder teilweise ziemlich dicht umgibt und mit den Teilen i und
i" durch einen eine Längsrinne bildenden Übergangsteil 8 verbunden ist, dessen Krümmungsradien
von vorn bis zur Ebene der Luftzufuhröffnung 2 abnehmen und von der Ebene der L
uftaufnahmeöffnung 3 bis zur Ebene der Ausgangsöffnung 5 des Leitungsteiles i" und
der Ausgangsöffnung des Strahlrohres 7 zunehmen.
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Die allgemeine Form des ganzen Gehäuses geht aus den in den Fig. d.
bis 7 dargestellten Querschnitten deutlich hervor.
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Am vorderen Ende des Gehäuseteiles i sind eine oder mehrere kleine
Öffnungen 9 vorgesehen, welche den Eintritt von Kühlluft in das Gehäuse gestatten.
Der Austritt dieser Kühlluft kann einerseits durch einen Schlitz io und andererseits
durch eine oder mehrere kleine Öffnungen i i erfolgen, die in dem Gehäuseteil i
in der Nähe der Luftzufuhröffnung 2, d. h. in einer Unterdruckzone, vorgesehen sind.
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In dem Fall, in welchem das mit dem Gehäuse versehene intermittierende
Strahltriebwerk längere Zeit im Stand arbeiten soll, ist es vorteilhaft, die Kühlluft
durch einen Schlitz austreten zu lassen, der in unmittelbarer Nähe der Luftzufuhröffnung
2, beispielsweise in der Krümmung der Verbindung 12 zwischen der Öffnung 2 und dem
Gehäuseteil i liegt. Diese Anordnung gestattet auf Grund der in der Ebene der Öffnung
:2 entstehenden periodischen Unterdrücke ein Hindurchführen von Kühlluft durch das
Gehäuse selbst im Zustand des statischen Arbeitens.
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Die Elemente, welche im Betrieb eine Hauptrolle spielen, sind einerseits
der Übergangsteil 8, welcher eine Speisung der Luftzufuhröffnung 2 auf möglichst
ihrem vollen Umfang gestattet, und andererseits der abgerundete Angriffsrand q.,
welcher ein Feld von erhöhtem statischem Druck und infolgedessen ein Gebiet geringer
Geschwindigkeiten im Bereich des Ausschnittes g entstehen läßt.
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Bei der in Fig. 8 wiedergegebenen abgeänderten Ausführungsform erstreckt
sich das Gehäuse über die Ebene, welche die Ausgangsöffnung des Auspuffrohres b
der intermittierenden Brennkammer a und die Ausgangsöffnung des Gehäuseteiles i"
enthält, hinaus, so daß ein Raum 13 von im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt
gebildet wird, dessen Länge vorzugsweise das Vier- bis Fünffache des Durchmessers
der Luftzufuhröffnung 2 der Brennkammer a beträgt. An diesen Raum 13 schließt sich
ein konvergierender Teil i¢ an. Das günstigste Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche
der Ausgangsöffnung 15 dieses konvergierenden Teiles 14 und der Ouerschnittsfläche
des Raumes 13 ist eine Funktion der Fluggeschwindigkeit, bei welcher das Triebwerk
arbeiten soll, und nimmt mit der Fluggeschwindigkeit ab.
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Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, eine erhebliche Erhöhung
der Schubleistung zu erzielen, indem mit Hilfe eines Injektors 16 Brennstoff in
das Innere des Gehäuseteiles i" in der Nähe seines kleinsten Querschnittes eingeführt
wird. Der Raum 13 ist der Sitz einer außerordentlich stark wirbelnden periodischen
Strömung, und die Verbrennung
geht mit einer ausgezeichneten Stabilität
vor sich. Bei dieser Ausführung ist es erwünscht, daß wenigstens die die Leitung
hinter der Öffnung 3 und den Raum 13 umschließenden Teile aus feuerfestem Material
bestehen.
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Die Fig. g bis 13 stellen ein Ausführungsbeispiel dar, welches in
dem besonderen Fall anwendbar ist, in welchem die Luftzufuhröffnung 2 des Brennkammereinlaßrohres
c und die Austrittsöffnung ig der Brennkammerauspuffdüse b in der gleichen Ebene
liegen.
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Das gesamte intermittierende Strahltriebwerk ist dann in einem allgemein
aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden Gehäuseteil 17 enthalten, der an den
beiden Öffnungen 2 und 1g endet und einen eine Längsrinne bildenden Übergangsteil
18 aufweist, der wie bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen eine Umfangsspeisung
der beiden Öffnungen gestattet. Der Gehäuseteil 17 ist mit einem zweiten Gehäuseteil
2o mittels profilierter Arme 22 verbunden. Der Gehäuseteil 2o weist im wesentlichen
zwei konische oder teilweise zylindrisch und teilweise konisch verlaufende Rohrleitungen
2o" und tob auf, deren Eintrittsöffnungen durch abgerundete Angriffsränder begrenzt
sind. Die Rohrleitungen sind auf der Achse der Öffnungen 2 bzw. 1g zentriert, und
ihre senkrechten Ouerschnittsflächen haben vorzugsweise Werte, die das Zwei- bis
Dreifache der OQuersch.nittsfläche der entsprechenden Öffnung 2 bzw. 1g betragen.
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Der Gehäuseteil 2o besteht somit aus zwei übereinanderliegenden zylindrischen
Hälften, die- durch einen rinnenförmigen Übergangsteil 18 verbunden sind, dessen
Krümmungsradius von vorn nach hinten zunimmt. Wie bei den vorhergehend beschriebenen
Ausführungsformen müssen die Querschnittsflächen an den Ausgängen der konischen
bzw. zylindrisch-konischen Rohrleitungen 20, und tob größer sein als die betreffenden
senkrechten Querschnittsflächen der Eingangsöffnungen, und der Gehäuseteil 2o kann
hinten den Raum 13 und den konvergierenden Teil 14 aufweisen. Zum Einspritzen von
Brennstoff sind Injektoren 16 und 21 vorgesehen, die in der Nähe des kleinsten Querschnittes
der Rohrleitungen 2o" bzw. tob liegen.
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Die Fig. 14 bis 1g zeigen eine zweite Art von Gehäuse, das insbesondere
für mittlere Fluggeschwindigkeiten (12o bis 240 m/sek) geeignet ist. Dieses Gehäuse
umfaßt folgende Teile: 1. Einen im wesentlichen zylindrischen und allgemein aus
Leichtmetall bestehenden Gehäuseteil 23, der konzentrisch zur Achse der Luftzufuhr-Öffnung
2 der intermittierenden Brennkammer a liegt und am Vorderende eine Luftaufnahmeöffnung
25 aufweist, die durch einen abgerundeten Angriffsrand 26 begrenzt ist und auf die
ein Diffusor 25" folgt. Dieser Gehäuseteil 23 wird den nachstehenden Bedingungen
gerecht: a) seine Einlaßöffnung 25 liegt vor dem Krümmer d des intermittierenden
Strahltriebwerkes ; b) sein Ende 27 (welches frei ge&tnet ist) liegt in unmittelbarer
Nähe der Ebene der Luftzufuhröffnung 2 der intermittierend arbeitenden Brennkammer
(in Fig. 14 ist die Querschnittsfläche des Endes 27 in der gleichen Ebene wie die
Öffnung 2 dargestellt) ; c) die Gesamtquerschnittsfläche des Endes 27 ist wesentlich
größer als die Fläche der Luftaufnahmeöffnung 25;
d) die Gesamtquerschnittsfläche
des Endes 27 beträgt das Sechs- bis Zehnfache der Querschnittsfläche der Luftzufuhröffnung
2 der intermittierend arbeitenden Brennkammer.
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2. Einen Gehäuseteil 24, der mit dem Gehäuseteil 23 verbunden ist
und den Resonator bzw. die Auspuffdüse b.ganz oder teilweise dicht umgibt.
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3. Teile, die denjenigen entsprechen, die bereits bei den vorhergehenden
Ausführungsformen beschrieben sind und in den Fig. 14 bis ig mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind.
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Beim Arbeiten im Stand wird durch die Luftzufuhröffnung 2 Atmosphärenluft
in das Innere des vom Gehäuseteil 23 umgebenen Triebwerksteiles eingesaugt, wobei
angenommen ist, daß der statische Druck dieser Luft größer als derjenige der Luft
ist, die durch Eindringen durch die vordere Öffnung 25 in dem Gehäuseteil 23 an
die Öffnung 2 gelangt, und zwar auf Grund der unvermeidlichen Strömungswiderstände
in diesem letzteren Strömungsweg. Bei großer Geschwindigkeit ist dagegen auf Grund
der vorderen Öffnung 25 ein erheblicher Strom in das Innere des Gehäuseteiles 23
vorhanden, und dieser Strom kommt an der Ouerschnittsfläche des Ausgangsendes 27
des Gehäuseteiles 23 mit einem statischen Druck an, der größer als derjenige des
äußeren Luftstromes ist. Es ist dann somit der Strom im Innern des Gehäuseteiles
23, welcher hauptsächlich die Öffnung 2 speist, und nur der restliche Teil wird
von der durch den abgerundeten Rand 4 verlängsamten Außenluft geliefert.