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Flugzeug mit einem Düsenantriebsaggregat Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Verwendung an Düsenflugzeugen zur Erzeugung von Signalen,
die auf die Gesamtschubkraft eines Antriebsaggregates bezogen sind, wobei die »Gesamtschubkraft«
als Summe des Impulses des Düsenabflusses in bezug auf das Flugzeug und des Produktes
aus dem Düsenquerschnitt in der Auslaßebene und- der Differenz zwischen dem absoluten
Druck des Abflusses in dieser Ebene und dem atmosphärischen Druck definiert ist.
Die Signale können entweder zur Information der Flugmannschaft oder in einer automatischen
Steueranlage verwendet werden.
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Der Wert eines solchen Signals besteht darin, daß es eine brauchbare
allgemeine Angabe über die Betriebsbedingungen des Antriebs liefert, eine Angabe,
die bedeutend leichter ausgewertet werden kann als getrennte Informationen über
jeden einzelnen Wert innerhalb einer Anzahl veränderlicher Werte. Das Signal liefert
somit ein schnelles Mittel zum Erkennen einer falschen Einstellung der Steuerungen
eines Flugzeugs, den Beginn eines fehlerhaften Betriebes eines Triebwerks oder der
Differenzen im Betrieb mehrerer Triebwerke eines mehrmotorigen Flugzeugs.
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Gemäß der Erfindung weist ein Flugzeug mit Düsenantrieb Mittel auf,
die auf Veränderungen im statischen Druck P, an der Aufströmseite der Strahldüse
ansprechen, Mittel, die auf Veränderungen im atmosphärischen Druck P" ansprechen,
und Mittel zur Erzeugung eines Signals aus diesen abhängigen Ang4ben. Hierbei ist
dieses Signal eine Funktion von KP, - P", wobei K eine Konstante und
der Wert von K sowie die Art der Funktion derart sind, daß das Signal unter allen
Flugbedingungen eines Flugzeugs bei motorischem Antrieb im wesentlichen gleich einer
Größe ist, welche eine ständige einwertige Beziehung zum Gesamtvorschub des Antriebsaggregates
geteilt durch die Fläche der Düse in der Auslaßebene hat.
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Die Theorie, auf welche sich diese Erfindung aufbaut, ist folgende:
Es ist bereits erwähnt worden, daß die Gesamtvorschubkraft als Summe des Impulses
des Düsenabflusses und des Produktes aus der Fläche der Düse in der Auslaßebene
und der Differenz zwischen dem absoluten Druck des Abflusses in der Auslaßebene
und dem umgebenden atmosphärischen Druck definiert wird. Dies kann in der folgenden
Formel ausgedrückt werden
wobei
| XG = Gesamtvorschub, |
| W = Gewicht des Abflusses in der Zeiteinheit, |
| Y" = Geschwindigkeit des Abflusses in der |
| Auslaßebene der Düse, |
| g = Gravitationskonstante, |
| An = Querschnittsfläche der Düse in der Aus- |
| laßebene, |
| PN = absoluter Druck des Abflusses in der |
| Auslaßebene der Düse, |
| P" = umgebender atmosphärischer Druck. |
Die Gleichung (1) kann in der folgenden Form umgeschrieben werden
wobei T. die Temperatur des Abflusses in der Abflußebene der Düse ist. Nun sind
- und lediglich Funktionen der i Machschen Zahl und
- des Verhältnisses der spezifischen Wärme des Abflusses in der Ausflußebene der
Düse. In der Praxis sind die Veränderungen, die infolge des Wechsels in der spezifischen
Wärme auftreten, gering genug, um vernachlässigt werden zu können, während die Düse,
falls es sich um eine Düse vom konvergierenden Typ handelt, entweder mit einer konstanten
Machschen Zahl von 1,0 in der Auslaßebene in gedrosseltem Zustand oder, wenn es
sich um eine Düse
vom konvergierenden-divergierenden Typ mit einem
feststehenden Flächenverhältnis zwischen Eintrittsöffnung und Auslaßebene handelt,
bei einem Druckverhältnis oberhalb dessen, das eine normale Stoßwelle in der Auslaßebene
erzeugt, arbeiten würde, so daß die Machsche Zahl in der Auslaßebene wiederum konstant
ist. Daher kann der Ausdruck
als konstant betrachtet und als K1 geschrieben werden, so daß die Gleichung (2)
sich auf XG
= An (K1Pn
- Pa)
(3)
vereinfacht.
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Es läßt sich nun nachweisen, daß bei einer Machschen Zahl von 1,0
in der Auslaßebene K1 = 1,26 ist. Eine direkte Messung des Wertes PN ist jedoch
wegen der hohen Temperatur des Düsenabflusses und der starken Veränderlichkeit des
Wertes PN an dem Düsenquerschnitt nicht durchführbar. Eine Messung würde erfordern,
daß in der Düse mehrere Meßköpfe zur Messung des Gesamtdruckes angeordnet werden,
und diese Meßköpfe würden schnell fortgebrannt werden. Es ist daher noch zu überlegen,
ob nicht statt dessen eine andere leichter meßbare Größe, die in bekannter Weise
mit PN in Beziehung steht, verwendet werden und die Gleichung entsprechend abgewandelt
werden kann. Derartige mögliche Alternativgrößen bestehen bei einem Antriebsaggregat
mit einer Gasturbinenmaschine und einer Aufheizanlage in dem statischen Aufheizeingangsdruck
Pj, dem Gesamtdruck PJ des Aufheizeingangs und dem statischen Aufheizausgangsdruck
P, Von diesen Faktoren ist der zweite ebenfalls infolge seiner Veränderung an der
Abgasleitung schwer zu messen, und es würde keiner der ersten beiden auf Fehler
in der Anlage zur Aufrechterhaltung der Aufheizflamme ansprechen, was zu einem Druckverlust
führt. Die Größe P, berücksichtigt automatisch alle Veränderungen in dem Aufheizabschnitt,
und das Verhältnis
ist eine Funktion lediglich des Verhältnisses der Düsenfläche zur Düsenrohrfläche
auf der Aufströmseite der Düse, so daß es bei einer gegebenen Rohrfläche eine Funktion
lediglich von An ist, die bereits eine Messung verlangt, um gemäß der Gleichung
(3) arbeiten zu können. Eine weitere theoretisch meßbare Größe ist der Gesamtaufheizausgangsdruck
PR, jedoch unterliegt dieser denselben Einwänden wie PN, nämlich einer hohen Temperatur
und einer Veränderlichkeit an der Düse. Die Gleichung (3) kann demgemäß folgendermaßen
umgeschrieben werden: XG = An [(An) K1 ' P, - Pa]
(4)
Im Hinblick auf eine Vereinfachung der Konstruktion der Anzeigevorrichtung
für den Gesamtschub kann der Ausdruck f (An) K1 durch eine Konstante K2 ersetzt
werden, die durch Multiplikation von K1 mit dem Mittelwert aus innerhalb des gesamten
Arbeitsbereiches des Wertes
An abgeleitet wird, so daß die Gleichung dann folgendermaßen lautet: XG (annähernd)
= An (K2Pr-Pa) . . . (5)
Das von der Anzeigenvorrichtung abgegebene
Signal ist dann hinsichtlich der Größen nicht mehr genau repräsentativ für den Gesamtschub,
es zeigt jedoch noch genau das Vorzeichen bedeutsamer Wechsel in dem Gesamtschub
des Antriebsaggregates unter allen Bedingungen des Fluges eines angetriebenen Flugzeuges.
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Beispielsweise ist bei einem bestimmten Triebwerk mit konvergierender
Düse das Verhältnis zwischen der Auslaßfläche zur Rohrfläche zwischen 0,378 und
0,643 einstellbar. Der erste dieser Werte entspricht einem Wert von 1,034 und der
zweite einem Wert von 1,119.
Eine Multiplikation -von 1,26 (nämlich K1) mit diesen Werten ergibt einen Bereich
K2 von 1,305 bis 1,41. Im Betrieb ist es nicht wahrscheinlich, daß dieser Bereich
in größerem Maße überschritten wird. Am unteren Ende dieses Bereiches und bei vollkommen
geschlossener Düse wird
zur Einheit und K2 wird 1,26. Am oberen Ende des Bereiches begrenzt die obere Verbrennungstemperatur
(die beim Verbrennen einer stöchiometrischen Mischung erreicht wird) das ausnutzbare
Flächenverhältnis auf etwa 0,71, wobei der entsprechende Wert von K2 1,46 beträgt.
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Das Signal ist jedoch noch nicht vollkommen zweckentsprechend, da
es mit der Flughöhe und der Vorwärtsgeschwindigkeit stark veränderlich ist. Außerdem
ist es zur Einstellung der Triebwerkssteuerungen zur Erlangung der wirksamsten Steiggeschwindigkeit
nicht leicht verwendbar, da die erforderliche Anzeige sich mit der Höhe ändert.
Diese Schwierigkeiten können dadurch überwunden werden, daß man das Gesamtschubsignal
[gleichgültig, ob es mit der Gleichung (4) oder (5) erreicht wird] durch den Staudruck
Pi, welcher infolge der Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeuges auftritt, teilt.
Dieser Druck sollte außerhalb des Ansaugsystems gemessen werden, falls das letztere
einstellbar ist, so daß das entstehende Signal von jedem Fehler in dem Ansaugsystem,
der die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs vermindert, berührt wird.
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Die bevorzugte Form der Gesamtschubanzeigevorrichtung ist demzufolge
eine solche, die ein Signal proportional der Gleichung
ergibt. Bei Verwendung eines Antriebsaggregates mit einer Düse von feststehender
Fläche in der Auslaßebene ist zu beachten, daß das Signal, welches in der Größe
proportional ist, sich selbst bei allen f'lugbedingungen
eines angetriebenen Flugzeugs in demselben Sinne wie der Gesamtschub des Antriebsaggregates
ändert, und es ist nachweisbar, daß der Wert des Signals dem Gesamtschub geteilt
durch Pi mit einem genügenden Grad an Genauigkeit proportional ist.
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Im Falle einer Verwendung eines Antriebsaggregates mit einer veränderlichen
Düsenfläche ist es im allgemeinen erforderlich, auch Mittel vorzusehen, die auf
Veränderungen der Düsenfläche ansprechen, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um
aus dieser abhängigen Angabe ein Signal zu erzeugen, welches der Größe der Fläche
der Düse in der Ausgangsebene (An) proportional ist.
Für Anzeigezwecke
können das Signal, welches A,z proportional ist, nebeneinander sichtbar gemacht
proportional ist, und das Signal, welches werden. Vorzugsweise sind jedoch Mittel
vorgesehen, um die zwei Signale miteinander zu multiplizieren und aus dem Produkt
ein einzelnes sichtbares Signal zu erzeugen.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Düsenrohr
(10) eines Düsenantriebsaggregates ist mit einer veränderlichen Düsenfläche
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versehen, die bekanntermaßen als »Greifhülse« von der Art dargestellt ist,
die durch eine Servovorrichtung 12 betätigt wird.
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Die Vorrichtung besteht aus einem Hebel 13,
welcher um eine
Achse 14 schwenkbar gelagert ist und dessen einer Arm den gegeneinanderwirkenden
Drücken eines entleerten Blasebalges 15 und eines Blasebalges 16 ausgesetzt ist,
dessen Inneres durch ein Rohr 17 mit einer Öffnung für den statischen Druck in dem
Düsenrohr 10 stromaufwärts der Düse 11 in Verbindung steht, so daß der Druck
in dem Blasebalg 16 P, (wie in dem Düsenrohr) und der Druck außerhalb der beiden
Blasebälge P" (umgebender atmosphärischer Druck) ist. Der Balg 16 ist in der Fläche
größer als der Balg 15, so daß bei Bezeichnung der Flächen durch A16 und A15 der
entstehende auf den Hebel wirksame Schiebedruck T durch die folgende Formel gegeben
ist: T=Pr'A16-Pa-A16+Pa-A15 = Pr ' A16-P. (A16-A15) Daraus folgt:
T ändert sich also gemäß der Formel
Die Werte für A15 und A16 sind so gewählt, daß Wert von K zwischen 1,26 und 1,46
der Wert A16
ist. Das bedeutet, daß bei einem zwischen 4,8 und 3,2 liegt. A15 Der Staudruck Pi
wird durch den Druckkopf 19 gemessen, welcher dem freien Luftstrom ausgesetzt und
durch ein Rohr 20 mit dem Blasebalg 21 verbunden ist. Das freie Ende
des Blasebalges 21 ist durch eine Versteifung 22 mit dem freien Ende eines entleerten
Balges 23 von gleicher Fläche verbunden, so daß die Wirkung des atmosphärischen
Druckes eliminiert wird. Die Versteifung 22 wirkt mittels einer Rolle 24 auf einen
Hebel 25 ein, welcher parallel zu dem Hebel 13 liegt und auf einer auf einer Mutter
27 angeordneten Drechachse 26 gelagert ist. Die Mutter ist mittels eines
umkehrbaren Motors 29, welcher eine Leitspindel dreht, entlang dieser Leitspindel
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beweglich. Das freie Ende des Hebels 25 nimmt eine Rolle 30 auf, welche
auf den den Blasebälgen 15 und 16 gegenüberliegenden Arm des Hebels 13 einwirkt.
Diese Anordnung bildet ein veränderliches Hebelsystem, welches einen Ausgleich des
Vorschubs der Hebel 15 und 16 (proportional zu KP,-P") mit Bezug auf
den Vorschub der Blasebälge 21 und 23 (proportional zu Pi) gestattet. Dieser Ausgleich
wird durch Erregung des Motors 29 über Kontakte 31, die von dem Hebel 13 getragen
werden, und weitere feste Kontakte 32 und 33 erreicht, so daß bei Herstellung eines
Kontaktes der Motor infolge der unausgeglichenen Lage des auf den Hebel 13 wirksamen
Druckes in der Richtung läuft, die zur Wiederherstellung des Gleichgewichtes erforderlich
ist.
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Bei Bezeichnung des Hebelsystems zwischen den Blasebälgen 15, 16 und
den Blasebälgen 21, 23 durch eine Veränderliche L, deren Wert eine Funktion der
Entfernung der Drehachse 26 von einer feststehenden Angabe ist, ist ersichtlich,
daß L - C1Pi = C2 (KP,-P") ist, wobei Cl und C2 von den Flächen der
Blasebälge abhängige Konstante sind.
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Demzufolge ist L proportional zu
und die Bewegungen der Mutter 27 sind eine Funktion dieses Wertes in Abhängigkeit
von der geometrischen Anordnung des Hebelsystems. Wenn beispielsweise die Blasebälge
15, 16 und die Blasebälge 21, 23 mit ihren Mittelpunkten um Entfernungen,
die beide gleich der Länge des Hebels 25 sind, von der Drehachse 14 entfernt liegen,
dann ist nachweisbar, daß der Abstand der Drehachse 26 von der Mittellinie der Blasebälge
21, 23 als Quadratwurzel aus
schwankt. Dies Signal wird zweckmäßigerweise durch ein Potentiometer 34 in ein elektrisches
Potential umgewandelt.
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Das andere Signal, welches sich auf die Fläche der Düse in der Ausgangsebene
bezieht, kann ebenfalls als ein elektrisches Potential. durch ein von dem
Düsenmechanismus betätigtes Potentiometer 35 abgeleitet werden. Wenn die Düse vom
kreisförmigen, sich symmetrisch zusammenziehenden Typ ist und das Potentiometer
proportional zu ihrem Durchmesser eingestellt wird, dann ist das entstehende Signal
proportional der Quadratwurzel der Fläche der Ausgangsebene. Die beiden Signale
können zum Betrieb getrennter Anzeigeinstrumente verwendet werden, die beispielsweise
von dem Typ sind, bei welchem eine Bewegung eines Anzeigekörpers dem Quadrat der
zugeführten Spannung proportional ist, jedoch werden die Signale vorzugsweise durch
eine elektrische Multiplikationsvorrichtung 36 multipliziert und das endgültige
Signal zur Betätigung einer einzelnen Anzeigevorrichtung 37 verwendet. Selbstverständlich
können die getrennten Signale gegebenenfalls vor der Übertragung auf die Anzeigeinstrumente
oder den Multiplikator 36 so umgewandelt werden, daß sie der Formel
bzw. der Düsenfläche in der Auslaßebene propörtional sind: Es ist außerdem ersichtlich,
daß andere veränderliche Hebelsysteme verwendet werden können, bei denen die Ausgangsgröße
(entsprechend den Bewe-Fangen der Drehachse 26 in der in d#--r Z°ichnung gezeigten
Anordnung) eine andersartige Funktion von
ist. Zum Beispiel ist diese Funktion bei Einwirkung der Rolle 24 der Blasebalganordnung
21, 23 unmittelbar auf den Hebel 13 und im Falle einer
Beweglichkeit
der Blasebalganordnung auf dem Hebel entlang die einer direkten Proportionalität.
Im allgemeinen ist es jedoch nicht erforderlich, daß die Bewegungen des Zeigers
der Anzeigevorrichtung der zu messenden Größe direkt proportional sind, da in der
Kalibrierung des Instruments eine Nichtproportionalität berücksichtigt werden kann.
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An Stelle der mechanischen Signale, die in elektrische Potentiale
verwandelt und elektrisch miteinander multipliziert werden, können diese gegebenenfalls
auch durch mechanische Vorrichtungen, wie logarithmische Nocken, miteinander multipliziert
werden, wobei die endgültige Anzeige gegebenenfalls in bezug auf eine Logarithmentafel
durchgeführt werden kann. Die Kalibrierung der Skala ist vorzugsweise derart, daß
bei genormten statischen Bedingungen bei Meeresspiegelhöhe und bei Außerbetriebstellung
des Antriebsaggregates die Anzeige Null beträgt und auf 100 ansteigt, wenn das Antriebsaggregat
bei seiner normalen maximalen Schubkraft arbeitet.