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Lufteinlaß für Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich Die
Erfindung betrifft Lufteinlässe für Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich
und bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf solche Lufteinlässe
für Flugzeuge, welche für Fluggeschwindigkeiten im Überschallbereich bestimmt sind.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere die Verbesserung der Wirkungsweise
solcher Lufteinlässe, indem sogenannte »Wirbelschwellen« Anwendung finden. Unter
»Wirbelschwelle« wird ein Bereich eines kreisenden Strömungsmediums bzw. ein Wirbel
verstanden, dessen Umfangsschicht an Stelle einer festen Begrenzungswandung einen
Teil der Begrenzung einer Hauptströmung des gleichen Mediums bildet. Die Anwendung
derartiger Wirbelschwellen in Verbindung mit Grenzschichtsströmungen und Begrenzungswandungen
von Strömungskanälen mit Grenzschichtsströmung ist bereits vorgeschlagen worden.
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Die Erfindung geht demgemäß von einem Lufteinlaß für Strömungsgeschwindigkeiten
im überschallbereich mit konvergent verlaufendem Lufteintritt, einer sich daran
anschließenden Engstelle und einem sich an diese anschließenden, divergent verlaufenden
Teil aus. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungswandung des Lufteinlasses
zwei in Strömungsrichtung nacheinanderliegende Lippen aufweist, zwischen welchen
eine Nische gebildet ist, in welcher sich eine Wirbelschwelle entwickeln kann, die
mit einem Teil ihrer Umfangsschicht vor der Engstelle einen Teil der Begrenzungswandung
bildet.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal befindet sich die Kante der
hinteren Lippe an der Engstelle.
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Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal sind die Lippen relativ zueinander
in Strömungsrichtung verschiebbar.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung in Anwendung auf Schubstrahltriebwerke
für überschallflugzeuge werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Es stellt dar Fig. 1 einen Axialhalbschnitt eines Lufteinlasses nach der Erfindung
mit äußerer Kompression, Fig. 2 einen Axialhalbschnitt eines Lufteinlasses nach
der Erfindung mit äußerer, zweiflutiger Kompression, Fig.3 einen Axialschnitt eines
Lufteinlasses mit innerer Kompression.
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Der in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellte Lufteinlaß nach der Erfindung
ist mit Bezug auf die Achse X-X achssymmetrisch ausgeführt und weist einen Mittelteil
auf, der wiederum von einem Vorderstück 1, einer Ringmuffe 2 und einem Hinterstück
3 gebildet wird. Der Mittelteil ist mit Radialabstand koaxial innerhalb einer äußeren
Ringwandung 4 angeordnet und bildet mit dieser zusammen einen Ringkanal, welcher
zu einem Schubstrahltriebwerk führt, beispielsweise zu einer in der Zeichnung nicht
sichtbaren Gasturbine oder zu einem entsprechenden Schubdüsentriebwerk. Der Vorderteill
des Mittelteiles ragt entgegen der Strömungsrichtung über die Vorderkante der Außenwandung
4 vor und ist bei la in an sich bekannter Weise derart geformt, daß die durch
Pfeile A versinnbildlichte, mit überschallgeschwindigkeit auf diesen Mittelteil
auftreffende Luftströmung außen komprimiert wird und daß die auf Grund dieser äußeren
Kompression erzeugten Kompressionsstoßwellen Cl in Richtung auf die Vorderkante
der Außenwandung 4 gerichtet sind. Am Vorderteil 1 des Mittelteiles
und an der Ringmuffe 2
sind in Strömungsrichtung hintereinander Lippen 1 b,
2 a gebildet, deren Kanten einander zugewandt sind und zwischen welchen eine
Nische 6 mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt gebildet ist. Die
in den Lufteinlaß einströmende und über die Eintrittsöffnung der Nische in diese
eintretende Luft bewirkt eine kreisende Bewegung der in der Nische befindlichen
Luft, deren Drehsinn durch die Pfeile V angedeutet
ist. Diese in
Kreisbewegung befindliche Luft bildet eine sogenannte Wirbelschwelle, deren durch
eine gestrichelte Linie 7 angedeutete Umfangsschicht einen Teil der Begrenzungswandung
des die Hauptströmung führenden Kanals bildet.
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Der nach innen gezogene Vorderteil der Außenwandung 4 und die
Umfangsschicht 7 der Wirbelschwelle bilden zusammen einen sich verengenden Kanal
8, dessen Mitte mit Bezug auf die Achse X-X divergent verläuft. Dieser sich
verengende Kanalteil 8
geht in eine ebenfalls divergent verlaufende Engstelle
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über, deren eine Begrenzungswandung von der Vorderkante der Lippe
2 a. gebildet wird. Der hintere Teil der Ringmuffe 2 ist so geformt, daß
er zusammen mit der Außenwandung 4 einen sich erweiternden Ringkanal
10 bildet. Der sich verengende Ringkanalteil ist so gestaltet, daß weitere
Kompressionswellen C2 in Richtung der Vorderkante der Lippe 2 a gerichtet sind,
wodurch eine innere Kompression der Strömung erzielt wird, während -an der Engstelle
9 ein Normalstoß Sr erzeugt wird. Eine weitere Diffusion vollzieht sich sodann mit
Unterschallgeschwindigkeit in dem sich erweiternden Ringkanalteil 10.
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Der in Fig. 1 dargestellte Lufteinlaß arbeitet also bei konstruktionsgemäßem
Betrieb sowohl mit äußerer als auch mit innerer Kompression der Strömung. Wenn ein
derartiger Lufteinlaß jedoch, insbesondere bei Beschleunigung der Strömung, im Schallgeschwindigkeitsbereich
oder in überschallbereichen arbeiten soll, die unter den konstruktionsgemäß vorgesehenen
überschallgeschwindigkeiten liegen, dann muß dafür gesorgt werden, daß der Querschnitt
der Engstelle des Lufteinlasses vergrößerbar ist, um die Bremswirkung der Engstelle
zu vermindern, damit, beispielsweise für den Fall, daß ein derartiger Lufteinlaß
zur Luftzufuhr zu einem Gasturbinentriebwerk dient, dieses Triebwerk mit optimaler
Drehzahl arbeiten kann. Weiterhin soll beim Start eines derartigen Lufteinlasses,
d. h. beim Aufbau der konstruktionsgemäßen Strömung durch einen derartigen Lufteinlaß
nur eine geringe oder gar keine innere Kompression der Strömung auftreten. Es muß
also Vorsorge getroffen sein, daß sich die Form des Lufteinlasses so verändern läßt,
daß der Querschnitt der Engstelle 9 vergrößert werden kann und der Verengungsgrad
des Ringkanalteils 8 verkleinert und folglich gleichzeitig die innere Kompression
vermindert oder ausgeschaltet werden kann.
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Um dies zu erreichen, ist die Ringmuffe 2 mit Bezug auf die Teile
1 und 3 des Mittelteiles verschiebbar angeordnet, wobei die Verschiebung der Ringmuffe
mittels einer Stellstange 11 erfolgen kann. Demgemäß kann die Ringmuffe in eine
Stellung zurückgezogen werden, welche bei 2 b in strichpunktierten Linien angedeutet
ist und in welcher die Nische 6 vergrößert ist. Die an die Hauptströmung im Lufteinlaß
angrenzende Umfangsschicht der Wirbelschwelle nimmt dann die in der Figur durch
die gestrichelte Linie 7 a angedeutete Form an, gemäß welcher der Verengungsgrad
des Ringkanalteils 8 vermindert bzw. aufgehoben ist. Außerdem wird durch
die Verschiebung der Ringmuffe 2 relativ zur Außenwandung 3 der Querschnitt
der Engstelle, wie bei. 9a angedeutet, vergrößert.. Die Anordnung der Wirbelschwelle
macht es also möglich, die jeweils erforderliche Veränderung der Strömungsbedingungen
des Lufteinlasses vorzunehmen, ohne daß hierfür eine verwickelte mechanische Konstruktion
angewandt zu werden braucht. Der in Fig. 2 dargestellte Lufteinlaß nach der Erfindung
stellt eine zweiflutige Bauart dar. Der Lufteintritt zum inneren Lufteinlaßkanal
5 gleicht im wesentlichen dem in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten
Bauart angewandten Lufteintritt. Für gleiche Teile sind infolgedessen gleiche Bezugsziffern
verwendet. Der äußere Lufteinlaßkanal21 ist durch die Außenwandung 4 des
Lufteinlaßkanals 5 und ein äußeres Gehäuse 22 bestimmt. Die Außenfläche dieses
äußeren Gehäuses ist im wesentlichen zylindrisch und verläuft konzentrisch zur Achse
X-X, wobei die Vorderkante dieses äußeren Gehäuses so angeordnet ist, daß sie sowohl
die von der Oberfläche 1 a des Mittelteils abgestrahlten Kompressionsstoßwellen
Cl als auch die von der Vorderkante der Außenwandung 4
abgestrahlten Kompressionsstoßwellen
C, abfängt. Die Außenfläche des Vorderteils der Außenwandung 4
verläuft konisch
und wirkt mit der Innenfläche des äußeren Gehäuses 22 derart zusammen, daß ein sich
verengender Ringkanalteil23 gebildet wird, welcher zu einer Engstelle 24 führt,
wobei in diesem Ringkanalteil 23 Kompressionsstoßwellen Ca und an der Engstelle
24 ein Normalstoß S2 erzeugt werden. Die Innenfläche des äußeren Gehäuses
22 und die Außenfläche der Außenwandung 4 sind außerdem so gestaltet, daß ein sich
erweiternder Ringkanalteil25 gebildet wird, in welchem sich eine Diffusion
der
Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit vollziehen kann.
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Auch hier muß, wie bei der zuvor beschriebenen Konstruktion, Vorsorge
getroffen werden, daß der Querschnitt der Engstelle 24 vergrößert
werden kann und die innere Kompression im Ringkanalteil 23 vermindert oder
ausgeschaltet werden kann. Das äußere Gehäuse 22 ist infolgedessen mit Bezug auf
einen fest angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten rückwärtigen Teil
derart teleskopartig verschiebbar, daß es in eine Stellung zurückgeschoben werden
kann, welche in der Figur in strichpunktierten Linien bei 22a angedeutet ist. Diese
Rückwärtsverschiebung vollzieht sich gleichzeitig mit der Rückwärtsverschiebung
der Ringmuffe 2. Um die angestrebte Änderung der Form des Lufteinlasses zu erreichen,
hat es sich als notwendig erwiesen, die Engstelle 24 und den sich erweiternden
Ringkanalteil 25 so anzuordnen, daß die
Kanalmittelfläche in Strömungsrichtung
konvergent verläuft. Dies hat wiederum zur Folge, daß auch die Mittelfläche des
sich erweiternden Ringkanalteils 10
in Strömungsrichtung etwas konvergent
verlaufen muß. Da die Mittelfläche des sich verengenden Ringkanalteils
23 notwendigerweise divergent verlaufen muß,
kann es vorkommen, daß
die Außenfläche der Außenwandung 4 in der Nähe der Engstelle 24 einen
Knick aufweist. Um eine entsprechende Änderung der Strömungsrichtung der durchströmenden
Luft herbeizuführen, ist die Außenfläche mit einer Nische 26 ausgestattet,
in welcher eine Wirbelschwelle gebildet wird. Die Nische ist dabei so angeordnet,
daß die in Strömungsrichtung hintere Lippe dieser Nische die Innenkante der Engstelle
24 bildet.
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Die beiden Lufteinlaßkanäle können beispielsweise an die inneren und
äußeren Kanäle eines Neben-
strom-Gasturbinentriebwerks oder eines Triebwerks
mit Propellerkanälen oder an zwei koaxial angeordnete Brennkammem eines Schubdüsentriebwerks
angeschlossen sein, welches zwei parallele Schubstrahlen ausstößt. In Abwandlung
dessen kann beispielsweise aber auch der Innenkanal an ein Gastnrbineatiieb-
werk
angeschlossen sein, während der Außenkanal an die Brennkammer eines Schubstrahltriebwerks
angeschlossen sein kann.
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Der Außenkanal des soeben beschriebenen Lufteinlasses kann beispielsweise
als einziger Lufteinlaß für ein Schubstrahltriebwerk dienen. Die Außenwandung
4 würde dann den Mittelteil des Lufteinlasses bilden, in welchem Fall der
Vorderteil seiner Außenfläche so gestaltet wäre, daß bei dem zur Achse Y-Y achssymmetrisch
ausgebildeten Lufteinlaß eine äußere Kompression eintreten würde.
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Fig. 3 der Zeichnungen zeigt den Querschnitt eines Lufteinlasses mit
innerer Kompression, dessen sich verengender Kanalteil 32 in eine Engstelle
33 und einen sich erweiternden Kanalteil 34 übergeht. Der sich erweiternde
Kanalteil ist in Strömungsrichtung an einen ringförmigen Einlaß 35 eines in der
Zeichnung nicht dargestellten Schubstrahltriebwerks angeschlossen. Die in Richtung
der Pfeile B mit Überschallgeschwindigkeit ankommende Hauptluftströmung wird im
sich verengenden Kanalteil 32 einer Kompression unterworfen, und an der Engstelle
33 wird eine normale Stoßwelle S3 entwickelt. Die Strömung wird dann in dem sich
erweiternden Kanalteil 34 in an sich bekannter Weise diffundiert.
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Die Kanalwandung weist vor der Engstelle 33 eine Nische
36 auf, welche durch zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegende Lippen
36 a und 36 b gebildet wird, wobei die Kante der hinteren Lippe an
der Engstelle liegt. Diese Nische ist so gestaltet, daß sich darin eine Wirbelschwelle
von ovaler Gestalt bilden kann, deren Umfangsschicht 37 der darin kreisenden Luft
eine Begrenzungswandung für die Hauptströmung bildet. Dieser auf der Kanalseite
in gleicher Richtung wie die Hauptströmung strömende Luftwirbel bewirkt eine Beschleunigung
der mit niedrigerer Geschwindigkeit strömenden Luft der Grenzschicht, wodurch Geschwindigkeitsverluste
und die Gefahr einer Strömungsablösung infolge der Zusammenwirkung der Stoßwelle
und der Grenzschicht vermindert werden.
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Wenn das durch einen solchen Lufteinlaß mit Luft belieferte Triebwerk
gedrosselt wird, erhöht sich der Rückdruck im sich erweiternden Kanalteil, und der
Normalstoß verschiebt sich entgegen der Strömungsrichtung von der Kante der Lippe
36 6 in eine Lage, welche in der Zeichnung bei S4 angedeutet ist. Der dadurch im
sich erweiternden Kanalteil verminderte Druck bewirkt dann, daß mehr Luft in die
Wirbelschwelle einströmt, wodurch der Druck in dieser Wirbelschwelle vergrößert
wird. Die Umfangsschicht der Wirbelschwelle baucht sich infolgedessen zwischen den
beiden Lippen 36 a und 36 6 nach außen in die Hauptströmung hinein aus, wie dies
bei 37a angedeutet ist. Es werden infolgedessen schräg verlaufende Kompressionswellen
C, gebildet, welche von der Kante der Lippe 36a ausgehen. Dies hat zur Folge, daß
die Strömung derart zusammengeschnürt wird, daß der kleinste Strömungsquerschnitt
kleiner als der kleinste Kanalquerschnitt ist. Die Grenzschicht strömt durch die
Stoßwelle S, und expandiert in Strömungsrichtung mit Bezug auf dieselbe derart,
daß die Strömung in Strömungsrichtung mit Bezug auf die Lippe 366 gerade den Kanal
ausfüllt. Die Wirbelschwelle gestattet infolgedessen jeweils eine selbsttätige Anpassung
der Strömungsverhältnisse in dem erfindungsgemäßen Lufteinlaß an die jeweiligen
Änderungen der Strömungsbedingungen. In dem sich erweiternden Kanalteil
34 werden sowohl die Grenzschicht als auch die Hauptströmung weiterdiffundiert.
Die Grenzschicht kann an jeder beliebigen Stelle abgezweigt und durch den Propellerkanal
bzw. Nebenstromkanal eines Kanalpropellertriebwerks geleitet werden, während die
Hauptströmung durch den Hauptverdichter hindurchgeführt werden kann. In Abwandlung
dessen kann die abgezweigte Grenzschichtsströmung auch der Brennkammer eines Schubdüsentriebwerkes
zugeführt werden oder mit Schallgeschwindigkeit ausgestoßen werden.
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Die soeben beschriebene Wirkung, wonach der Druck in der Wirbelschwelle
sich selbsttätig derart ändert, daß der Umriß der austretenden Umfangsschicht zur
Veränderung der Begrenzungsform des Lufteinlasses ausgenutzt wird, kann auch bei
einer abgewandelten Ausführungsform eines Lufteinlasses nach Fig. 1 Anwendung finden.
Gemäß dieser abgewandelten Ausführungsform ist die Nische 6 derart vergrößert ausgebildet,
daß die Kante der vornliegenden Lippe 1 b mit Bezug auf die Vorderkante der
Außenwandung 4 weiter vorn liegt. Eine geringe Verschiebung der normalen
Stoßwelle S1 entgegen der Strömungsrichtung vor die Engstelle 9 (und infolgedessen
vor die Kante der Lippe 2a) infolge eines Ansteigens des Rückdruckes ergibt sodann
ein Ansteigen des Druckes in der Engstelle 6 und folglich eine Ausbauchung der Umfangsschicht
7 der Wirbelschwelle. Dadurch wird die Ablenkung der Hauptströmung nach außen
an der Wirbelschwelle vergrößert, was, wenn die Lippe 1 b genügend weit vorn
angeordnet ist, zur Folge hat, daß um die Vorderkante der Außenwandung
4 ein Abströmen von Luft stattfindet. Die Anordnung kann auch so getroffen
sein, daß diese Abströmung derart stattfindet, daß der Lufteinlaß auch im unterkritischen
Bereich stabil arbeitet.
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Die beschriebenen Lufteinlässe haben achssymmetrische Form. Die Erfindung
ist aber auch auf Lufteinlässe mit länglichem Einlaßquerschnitt anwendbar.