Lufteinlasseinrichtung eines Strahltriebwerks Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lufteinlasseinriehtung eines Strahl triebwerkes, das zum Beispiel für den Antrieb eines Übersehallflugzeuges bestimmt sein kann.
Erfindungsgemäss besitzt die Lufteinlass- rinriehtung eine äussere, rotationssymmetri- sehe Wand und koaxial dazu einen nach vorn spitz auslaufenden Zentralkörper, wobei die Wand einen Hauptteil aufweist sowie einen vordern Endteil, der dazu bestimmt ist, bei Betrieb mit Ü bersehallgeschwindigkeit gegen den Hauptteil anzuliegen, und wobei, die Spitze des Zentralkörpers bei Betrieb mit wenigstens einer Übersehallgesehwindigkeit um einen solehen Betrag vor einer Querebene liegt,
welehe die Vorderkante der Aussenwand enthält, dass von der Spitze des Zentralkörpers ausgehende Stosswellen vom vordern Endteil der Aussenwand "eschnitten =erden, während der vordere Endteil der Aussenwand vom Hauptteil der Aussenwand weg axial so nach \vorn bewegbar ist, dass wenigstens bei einen vorbestimmten Wert unterschreitender Unter sehallgesehwindigkeit zwischen dem vordern Endteil und dem. Hauptteil der Aussenwand ein Ringspalt. gebildet ist.
1:s ist bekannt, bei Lufteinlasseinriehtun- gen von Strahltriebwerken, die eine äussere rotationssymmetrisehe Wand und einen ko- axhil in der letzteren angeordneten Zentral körper aufweisen, die äussere Wand als Gan zes gegenüber den übrigen Teilen des Trieb- Werkes zu fixieren und den Zentralkörper an seinem vordern Ende mit einer Spitze zu ver sehen;
der Zentralkörper wurde dabei als Ro tationskörper ausgebildet, dessen Erzeugende naeli hinten und aussen so gebogen ist, dass bei Überschallgeschwindigkeit eine Mehrzahl relativ schwacher Stosswellen entsteht, welche sieh auf einem Kreis treffen, wobei die Stoss wellen in einem Bereich von Übersehall.- gesehwindigkeiten der Luft gegenüber der Einlasseinrichtung radial innerhalb des ge nannten Kreises auf die äussere Wand treffen.
Der genannte Überschallbereich kann zum Beispiel zwischen den Machzahlen 1,4 und 3 liegen, wobei bekanntlich die Machzahl das Verhältnis der Luftgesehwindigkeit zur ört lichen Sehallgeschwindigkeit ist. Solche Einlasseinrichtungen wurden von Oswatitsch und andern vorgeschlagen und sind zum Beispiel in einem Aufsatz Luft kräfte und Strömungsvorgänge bei angetrie benen Geschossen von K. Oswatitsch und 1I. Böhm des Berichtes Nr.1010/2. Okt. 1944 Forschungen und Entwicklungen des Heeres waffenamtes näher beschrieben.
Eine Luft einlasseinrichtung der genannten Art ist fer ner in High-speed Aerodvnamics von W. F. Hilton (veröffentlicht durch Longmans Green & Co. 1952, Seite 557) erwähnt.. Im folgenden sollen solche Einrichtungen als Oswatitseh- Einrichtungen bezeichnet werden. zwei Ausführungsbeispiele der erfindungs gemässen Lufteinlasseinrichtung in Anwen dung bei einem Strahltriebwerk sind in der beiliegenden Zeichnung schematisch darge stellt.
Es zeigt: Fig.l das erste Beispiel im Axialschnitt, Fig. 2 das zweite Beispiel im Axialschnitt und Fig. 3 eine Einzelheit der beiden Beispiele nach den Fig. 1 und 2.
Die in Fig.1 gezeigte Lufteinlasseinrieh- tung besitzt eine äussere Wand 10 von Kreis querschnitt und einen koaxial in dieser Wand angeordneten Zentralkörper von Kreisquer schnitt.
Die Aussenwand 10 besitzt eine scharfe Kante 10a an ihrem vordern Ende. Die In nenfläche 10b und die Aussenfläche 10c lau fen unter einem kleinen spitzen Winkel von zum Beispiel 3 auseinander. Auch die Innen fläche 10b ist. selbst bezüglich der Axialrich- tung um einen kleinen spitzen Winkel a von zum Beispiel 3 geneigt.
Die Innenfläche 10b ist bezüglich der Aussenfläche des Zentralkör pers 11 so geformt., dass die Quersehnittsfläehe des Lufteinlasskanals 12 zwischen der Aussen wand 10 und- dem Zentralkörper 11 in Strö mungsrichtung von der die Vorderkante 10a enthaltenden Ebene weg über einen Anfangs teil kontinuierlich zunimmt.
Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der Luftströmung, welche annähernd in der Ebene der vordern Kante 10a von Überschallgeschwindigkeit in Lnterschallgesehwindigkeit übergeht, konti nuierlich in diesem Anfangsteil herabgesetzt und die Möglichkeit des Wiederansteigens auf Überschallgeschwindigkeit mit dadurch be dingtem Energieverlust wird vermieden. Es ist zu bemerken, dass, je kleiner die Luft geschwindigkeit im Kanal 12 ist, um so klei ner auch die als Folge von Wandreibung auf tretenden Energieverluste sind.
Der Zentralkörper ist. ein Rotationskörper, wobei dessen Rotationsaxe 11a. mit. der Längs- axe der Einlasseinrichtung zusammenfällt. Der Zentralkörper besitzt an seinem vordern Ende eine scharfe Spitze 11b. Unmittelbar strom- abwärts der Spitze 11b des Zentralkörpers schliesst sich ein Abschnitt 11c an, dessen Er zeugende nach aussen konkav ist. Der Ab schnitt 11c geht stetig in einen Abschnitt 11d über, dessen Erzeugende nach aussen konvex ist.
Der konkave und der konvexe Abschnitt 11c bzw. 11d des Zentralkörpers sind nach dem Charakteristikverfahren von L. Prantl und A. Busenmann (Festschrift zum 70. Cle- burtst.ag von Prof. A. Stodola, Seite 49.9, Zü rich 1929) so ausgebildet, dass bei Überschall geschwindigkeit eine Mehrzahl von relativ schwachen Stosswellen an verschiedenen Stel len der Oberfläche des Zentralkörpers 11 her vorgerufen werden.
Diese Stosswellen sind nach dem Vorschlag von Oswatitseh so fokus siert, dass sie einander auf einem Kreis ausser halb der Wand schneiden, indem die Form des Zentralkörpers entsprechend geformt. ist. Dadurch erhält man für die zweidimensionale Strömung die umgekehrte Prantl-Mey er-Ex- pansion an einer Ecke (L. Prantl, Phy sikal. Zeitschrift Vol. 8, Seite 23, 1907, und Th. Meyer, Dissertation, Göttinger Forschungsheft 62 des Vereins Deutscher In-.
1908).
Die Oberfläche des konvexen Abschnittes lld des Zentralkörpers ist. an einer Stelle an nähernd parallel der Innenfläche der Aussen wand, und die konvexe Ki-iimmung ist. in Richtung stromabwärts so festgesetzt, dass die Oberfläche sieh der Axe der Einlasseinrich- tung nähert. An dieser Stelle geht. diese Flä- ehe über einen zweiten konkaven Abschnitt. lle in einen zylindrischen Abschnitt. 11 f des Zen tralkörpers über.
Um den Zentralkörper 11 axial bewegbar zu machen, ist. der zy lindrisehe Abschnitt 11 f des Zentralkörpers in einen feststehenden Leitkörper 13 hinein verlängert. Ferner sind Betätigungsmittel vorgesehen, die im vorlie genden Fall durch einen Servomotor gebildet. sind. Der Zylinder 14 des Servomotors ist am Leitkörper 13 befestigt, und der Kolben 15 des Servomotors ist. mittels einer Stange mit dem Zentralkörper 11 verbunden.
Der Zen tralkörper 11 kann mittels des genannten Servomotors aus der mit vollausgezogenen Linien gezeigten Stellung, in welcher die Spitze 1l b annähernd in der die Kante 10a enthaltenden Ebene liegt, in eine mit gestri chelten Linien gezeichnete Stellung bewegt werden.
Der Leitkörper 13 ist bezüglich der übri gen Teile des Strahltriebwerkes, welchem die in Frage stehende Lufteinlasseinrichtung zu geordnet ist, fixiert. Der zylindrische Ab schnitt 71f des Zentralkörpers ist. über den ganzen Verschiebungsweg des letzteren in der Innenwand 13a des Leitkörpers 13 geführt., so dass in der Innenwand des Luftkanals 1.2 auch dann kein Spalt entsteht, wenn der Zentral körper nach vorn bewegt. wird. Das Einlass ende des Kompressors des Strahltriebwerkes ist. in der Zeichnung mit 16 bezeichnet.
Die Aussenwand 10 der Lufteinlasseinrich- tung ist zweiteilig ausgebildet, und zwar be sitzt die Aussenwand 10 einen ortsfesten Teil 10e und vor diesem ortsfesten Teil einen vor- dern Endteil 10f. Der vordere Endteil 10f der Aussenwand 10 besitzt eine scharfe Vorder kante 10a und erstreckt sieh von dieser Kante um eine Strecke nach rückwärts, die im vor liegenden Fall gleich dem Abstand der Spitze llb des Zentralkörpers von jener Stelle des Zentralkörpers ist, an welcher die Tangente an den konvexen Abschnitt 11d des Zentral körpers parallel zur Innenfläche 10b der Aussenwand 10 ist..
Der vordere Endteil 10f der Aussenwand ist gegenüber dem Hauptteil 10e der Aussenwand 10 axial nach vorn beweg bar, und zwar aus der mit. voll ausgezogenen Linien gezeichneten Lage in die mit gestri ehelten Linien gezeichnete Lage, in welcher zwischen den Wandteilen 10e und 10f ein Ringspalt gebildet ist. Der vordere Rand 10g des Hauptteils 10e der Aussenwand ist ab gerundet, während der hintere Rand 10h des vordern Endteils 10f der Aussenwand derart konkav ausgebildet ist, dass diese beiden Teile mit, der kleinstmöglichen Unstetigkeit inein ander übergehen, und zwar sowohl an der Innenfläche 10b als auch an der Aussenfläche 10c der Aussenwand 10.
Der vordere Endteil 10f der Aussenwand 10 ist durch Betätigungs- mittel verschiebbar, welche beim gezeichneten Beispiel auf einem Kreis mit Abstand vonein ander angeordnete Servomotoren 17 sind, wel che parallel zur Axe des Lufteinlasses im Hauptteil 10e der Aussenwand 10 angeordnet sind. Die Servomotoren 17 besitzen je einen Kolben 18, der mittels einer nach vorn ragen den Stange 18a mit dem vordern Endteil 10f der Aussenwand 10 verbunden ist. Die Servo motoren können hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigbar sein. Der Hub der Kolben 18 ist gleich dem axialen Bewegungs hub der des vordern Wandteils und somit der axialen Länge des Ringspaltes.
Es sind Mittel vorgesehen, um den vordern Endteil der Aussenwand in der koaxialen: Lage bezüglich des Lufteinlasses zu halten, wenn der genannte Wandteil in die vordere End- stellung bewegt wird. Im vorliegenden Fall sind diese Mittel Büchsen 19, welche die Kol benstangen 18a im Hauptteil 10e der Aussen wand 10 abstützen.
Beim Betrieb der Einrichtung mit Schall geschwindigkeit (Machzahl 1.) befindet sich der vordere Endteil 10f der Aussenwand 10 in der mit ausgezogenen Linien gezeichneten Stellung, in welcher die beiden Wandteile<B>10f</B> und 10e zusammenstossen, und die Spitze llb des Zentralkörpers 11 liegt annähernd in der die Vorderkante 10a der Aussenwand 10 enthal tenden Ebene. Der Zentralkörper 11 ist so ge formt und ausgebildet, dass die vom Zentral körper 11. ausgehenden Stosswellen bei über sehallgeschwindigkeiten und demgemäss vor derer Stellung sich bei weggedachter Aussen wand 10 auf einem Kreis schneiden.
Je mehr die Machzahl zunimmt, um so stärker nimmt der Winkel zwischen den Stosswellen und der Axialrichtung (Machwinkel) ab; dabei wan- clert der Schnittkreis der Stosswellen bezüg lich der Spitze llb des Zentralkörpers 11 nach hinten. Demzufolge wird nun der Zentralkör per 11 bei zunehmender Machzahl so nach vorn bewegt, dass die Stosswellen (mit gestri- elrelten Linien gezeigt) stets radial innerhalb des Kreises, auf welchem sie sich bei weg genommener Aussemvand 10 schneiden wür- den, von der Aussenwand getroffen werden.
Das Bewegen des Zentralkörpers 11 kann automatisch erfolgen, und zwar zum Beispiel und Heranziehung des relativ grossen Druck anstieges, der durch die entstehenden Stoss wellen beim Auftreffen auf der Aussenwand 10 auftritt. Beim Betrieb der Einrichtung unterhalb einer Machzahl 1,00 wird der Zentralkörper 11 in seiner hintern Endlage gehalten, wäh rend der vordere Endteil 10f der Aussen wand 10 so nach vorn geschoben ist, dass durch den zwischen den Wandteilen 10f und 10e gebildeten Ringspalt Luft eindringen kann. Der vordere Endteil der Aussenwand 10 wird zweckmässig kontinuierlich vorwärtsbewegt; anderseits kann die Anordnung auch derart sein, dass der genannte Wandteil bei Errei chen einer bestimmten Machzahl bzw.
Luft geschwindigkeit nach vorn bewegt wird. So kann die Anordnung zum Beispiel so sein, dass der vordere Endteil der Aussenwand 10 bei Erreichen der Machzahl 0,6 nach vorn bewegt wird.
Da das vordere Ende des Hauptteils 10e, der Aussenwand 10 abgerundet ist, kann eine Turbulenz innerhalb der Einlassrichtung gröss- tenteils vermieden werden, wenn bei geringen Geschwindigkeiten Luft durch den genannten Ringspalt zwischen den beiden Wandteilen eintritt. Die Einlassquerschnittsfläche kann so eingestellt werden, dass sie dem für den Be trieb der Anlage erforderlichen Massendurch- fluss angepasst ist.
Dabei wird die Wirkung gegenüber jener verbessert, die erreicht wird, wenn alle Luft durch die vordere, stirnseitige Einlassöffnung eintritt., welche durch die scharfe Kante 10a begrenzt ist. Der als zu sätzlicher Einsass wirkende Ringspalt kann so bemessen sein, dass auch dann eine gute Wir kung erzielt wird, wenn das Flugzeug, dem die Anlage mit der beschriebenen Lufteinla.ss- einrichtung zugeordnet ist, stillsteht.
In Fig. 2 ist eine Lufteinlasseinrichtung dargestellt, die im allgemeinen gleich ausgebil det ist wie die vorangehend an Hand von Fig.1 beschriebene Einrichtung. Der Zentral- körper 20 ist hier an seinem vordern Ende koniseh und ausserdem nicht axial beweglich.
Die Spitze 20a des konisehen Absehnittes 20b ist stromaufwärts der Ebene angeordnet, in welcher die Vorderkante 10a der Aussenwand 10 liegt, wenn der Vorderteil 1.0f der letzteren sich in einer<B>L</B>age befindet, in welcher kein Ringspalt zwischen den Teilen der Aussen wand 10 gebildet ist.
Der Betrag, um welchen die Spitze 20a des Konusabsehnittes vor der Oenannten Ebene liegt, ist so gewählt, dat.', eine Stosswelle 23, welche von dieser Spitze 20a des Zentralkörpers 20 bei derjenigen Lber- schall-Maehzahl, für welche die Einlassein- richtung gebaut ist, ausgeht, von der Vorder kante der Aussenwand 10 gerade geschnitten wird.
Am stromabwärtsliegenden, Ende des Ko- nttsabschnittes 20b des Zentralkörpers 20 ist der genannte Abschnitt über einen konvexen Abschnitt 20d und einen konkaven Abschnitt 20e mit. einem Leitkörper 21 verbunden, der zum Einlass 22 des Kompressors der Anlage führt.
Die Form der Teile 20b, 20d und 20e ist so gewählt, dass die Quersehnittsfläelle des Einlasskanals von der Vorderkante 10a, der Aussenwand 10 über eine relativ grosse Streeke in Richtung stromabwärts zunimmt, so dass die Luft-esehwindigkeit in diesem Kanalteil zwecks Verringerung der Verluste abnimmt.
Anstatt den Zentralkörper 20 zu fixieren, kann dieser auch analog dem Zentralkörper 11 des in Fig.1 gezeigten Beispiels beweglich sein, so da.ss die Stosswelle 23 innerhalb eines Bereiches von im Betrieb der Einrichtung vor kommenden t'berschallgesehwindigkeiten von der Vorderkante 10a der Aussenwand 1.0 je weils geradegeschnitten wird.
Der Zentralkörper 20 kann zum Beispiel dann vorwärtsbewegt werden, wenn der End- teil 10f der Aussenwand 1.0 nach vorn bewegt wird, um so eine grössere Einlassquersehnit.ts- flä.che für den Kanal 12 zu erzielen, da in die sem Fall zwischen den Wandteilen 1.0e, 10f der Aussenwand 10 der Lufteinlasseinrichtung ein als zusätzlicher Lufteinlass wirkender Ringspalt gebildet wird.
Zufolge der beschriebenen Ausbildung ist eine Lufteinlasseinrichtung geschaffen, welche nicht nur bei Überschallgeschwindigkeiten eine gute Wirkung aufweist, sondern innerhalb eines Bereiches der von der maximal auftre tenden Überschallgeschwindigkeit bis auf die Cesehwindigkeit 0 hinunterreicht, welche un tere Grenze zum Beispiel dann erreicht ist, wenn das Flugzeug, welchem ein Triebwerk mit einer solchen Lufteinlasseinriehtung zu geordnet ist, sich zum Start bereit macht.