DE1159769B

DE1159769B - Schubduese mit einer Strahlablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE1159769B
Application number: DEU7478A
Authority: DE
Inventors: William Herman Sens
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1959-10-05
Filing date: 1960-09-23
Publication date: 1963-12-19
Also published as: US3019601A; GB900040A; NL121474C; NL255475A; CH399916A; BE595414A

Description

Schubdüse mit einer Strahlablenkeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Schubdüse, insbesondere für Flugzeuge, deren oberer Teil sich in der Stromabrichtung weiter erstreckt als der untere Teil und die mit einer Strahlenablenkeinrichtung ausgestattet ist.
Derartige Schubdüsen sind an sich bekannt. So ist beispielsweise eine Konstruktion mit Ablenkplatten bekannt, welche die Aufgabe erfüllen, den austretenden Gasstrom von Strahltriebwerken für überschallgeschwindigkeitsflugzeuge von den Reaktionselementen aus in Flugrichtung nach unten zu lenken. Diese Aufgabe entstand unter anderem dadurch, daß man bei solchen Flugzeugen häufig ein vornliegendes und. ein hintenliegendes Strahltriebwerk benutzt und d-aß :die Druckwellen in aerodynamisch exakter Weise am Rumpf des Flugzeuges entlanggeführt werden müssen. Der Konstruktion derartiger Schubdüsen liegt ferner das Problem zugrunde, die aerodynamische Bremsung des Luftstromes zu verringern, der von den Schubdüsen angesaugt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Schubdüsen zu verbessern, und zwar sowohl für die Schub- als auch für die Huberzeugung. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der obere Teil der inneren Düsenwandung konvergent-divergent so ausgestaltet ist, daß die untere Austrittskante der Düse ungefähr an der schmalsten Stelle des Düsenkanals liegt, und daß der stromabseitige Endteil der oberen Düsenwandung zum Ablenken des Strahls nach unten verschwenkbar ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß die obere innere Düsenwand als Expansionsfläche wirkt, gegen welche die Abgase durch die Kanalkrümmung und die Außenströmung der Luft gedrückt werden, wodurch auch bei nach unten geschwenktem Endteil der oberen Düsenwand eine bessere Strahlumlenkung erzielt wird.
Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, daß der untere stromabseitige Endteil der Düsenwandung in der Richtung der Strahlachse konvergiert.
Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken ist der Konvergenzwinkel des unteren stromabseitigen Endteil der inneren Düsenwandung größer als der Divergenzwinkel der oberen inneren Düsenwandung auf der Stromabseite des schmalsten Teils des Düsen- , kanals.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schubdüse nach der Erfindung geht die Düsenaustrittskante im obersten Teil stetig in eine steile Austrittsfläche über.
In der nun folgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen näher erMutert werden. In der Zeichnung ist Fig.1 eine Außenansicht, teilweise im Schnitt, eines Flugzeuges, in welches die Schubdüse nach der Erfindung eingebaut ist, Fig. 2, 3 und 4 jeweils ein Querschnitt nach den Linien 2-2, 3-3 bzw. 4-4 der Fig. 1 und Fig.5 eine abgeänderte Ausführungsform einer Schubdüse nach der Erfindung.
Im folgenden soll die Schubdüse in Verbindung mit einem Strahltriebwerk mit Nachbrenner beschrieben werden. Sie ist aber selbstverständlich auch auf Flugzeuge anwendbar, bei denen der Schub durch ein ausgestoßenes Medium, beispielsweise Abgas, erzeugt wird.
Das in Fig. 1 dargestellte Strahlturbinentriebwerk 10 besteht im wesentlichen aus der Lufteintrittskammer 12, dem Verdichter 14, dem Brenner 16, der Turbine 18 und dem Nachbrenner 20 sowie einer Schubdüse 22 nach der Erfindung. Hier wird die in die Lufteintrittskammer 12 eintretende Luft beim Durchströmen des Verdichters 14 verdichtet und nimmt über die in dem Brenner 16 erzeugte Wärme Energie auf, die ihr beim Durchströmen der Turbine 18 mehr oder weniger wieder entzogen wird. Diese abgezogene Energie dient zum Antrieb des Verdichters 14. Beim Durchströmen des Nachbrenners 20 tritt eine zusätzliche Erwärmung der Luft ein; sie wird gegebenenfalls durch die Schubdüse 22 mit hoher Temperatur, hohemDruck und hoher Geschwindigkeit in Form einer Säule in die Atmosphäre ausgestoßen, wodurch :dem Flugzeug der erforderliche Schub erteilt wird. Das Triebwerk 10 hat im wesentlichen kreisrunden Querschnitt und erstreckt sich konzentrisch um die Längsachse 24.
Die Schuldüse nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem massiven oder auch hohlen Gehäuse 26 mit einer äußeren und inneren Fläche 28 bzw. 30. Die an den Nachbrenner angrenzenden Teile 32 und 34 der äußeren und inneren Schubdüsenwand 28 bzw. 30 weisen bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt auf und verlaufen konzentrisch zur Längsachse 24 des Triebwerks 10 und der Schubdüse 22. Der so begrenzte Abgaskanal 36 ist also zylindrisch. Er kann aber auch z. B. eine ellipsenförmige Gestalt haben. Der Abgaskanal 36 konvergiert strömungsabwärts und geht schließlich im Mittelteil 40 des Gehäuses 26 in einen engsten Halsteil 38 über. Die obere innere Kanalwand 42 des Mittelteils 40 konvergiert in Richtung der Achse 24, so daß ein Bereich kleinsten Abstandes von der Achse 24 an dem Punkt 44 erreicht wird. Die untere innere Kanalwand 46 des Mittelteils 40 konvergiert indessen nur allmählich zur Achse 24 und läuft in die untere Düsenlippe 48 aus, die hinter der engsten Kanalstelle liegt. Der Schubdüsenhalsteil38 läuft also auf die Achse 24 spitz zu und bildet einen spitzen Winkel a mit dem geraden Teilt 50 der oberen äußeren Düsenwand 28. Das hintere Ende 52 der oberen inneren Kanalwand 30 divergiert von der Achse 24 und endigt über den flach auslaufenden Teil 54 in der oberen Lippe 64: Verbindungsteile 60 und 62 vereinigen die konvergierende obere innere Kanalwand 42 mit der konvergierenden unteren inneren Kanalwand 46. In gleicher Weise findet auch eine Vereinigung der unteren Lippe 48 mit der oberen Lippe 64 statt. Gemäß einer solchen konstruktiven Maßnahme läßt es sich erreichen, daß die innere Kanalwand 30 den im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Gaskanal 36 vollends begrenzt, der in seinem vorderen Teil konzentrisch zur Achse 24 verläuft, während sein mittlerer Teil eine exzentrische Lage zur Achse aufweist und schließlich eine divergierende Gasausdehnungsfläche mit einem Austritt 66 begrenzt. Die äußere Wand 28 der Schubdüse besitzt an ihrer oberen Seite eine gerade Oberfläche 50 mit einem gleichbleibenden Abstand von der Achse 24 über die ; gesamte Schubdüsenlänge. Die dem äußeren Mittelteil 40 der Wand 28 gegenüberliegende untere äußere Düsenwand 68 ist so ausgebildet, daß sie in Längsrichtung allmählich in Richtung der Achse 24 konvergiert, so daß -sich schließlich die untere innere Kanalwand 46 und die untere äußere Düsenwand 68 in einer scharf zulaufenden Schneide 70 vereinigen. Dabei weist die untere äußere Düsenwand 68 eine stärkere Konvergenz auf als diejenige der unteren inneren Kanalwand 46. Der Mittelteil 40 der äußeren f Düsenwand 28 enthält zusätzlich seitliche Verbindungsteile 74 und 76, die -allmählich die untere äußere Düsenwand 68 mit der oberen Fläche 50 der äußeren Düsenwand vereinigen, wie sich aus Fig. 3 ersehen läßt. Am strömungsabwärts gerichteten Ende läuft die äußere Düsenwand 28 oben in eine Spitze 78 aus, die zusammen mit dem hinteren Teil 54 der oberen inneren Düsenwand die obere Lippe 64 der Düse bildet, wie aus Fig. 4 am besten ersichtlich ist. Die seitlichen Verbindungsteile 74 und 76 der äußeren Düsenwand 28 vereinigen allmählich die untere und obere Düsenlippe 48 und 64, wodurch ein Abgasaustritt 66 mit dünnem Auslauf entsteht, der einen äußerst minimalen Gasausstoß ermöglicht, wobei der hintere Teil 54 der oberen inneren Kanalwand und die Spitze 78 der oberen äußeren Düsenwand in der Weise zusammenwirken, daß sie die Düsenspitze 79 begrenzen.
Die obere äußere Kanalwand 30 schließt am Mittelteil 40 der Schubdüse 22 eine Kammer 80 ein. Die Schubdüse nach der Erfindung weist ausgezeichnete Betriegseigenschaften bei Unterschallgeschwindigkeiten auf, weil der nach oben weisende Halsteil 38 zusammen mit der größeren Konvergenz der unteren äußeren Düsenwand 68 gegenüber dem oberen Teil der oberen inneren Kanalwand die ausgestoßenen Abgase zwingt, gegen diese anzuströmen und sich an der Expansionsfläche 52 auszudehnen. Die entlang der unteren äußeren Düsenwand 68 streichende Luft ist frei strömende Luft und sucht wegen der Konvergenz der Düsenwand 68 die Abgase gegen die Fläche 52 zu drücken oder zu halten.
Aber auch bei Überschallgeschwindigkeit besitzt die neue Schubdüse ausgezeichnete Betriebseigenschaften. Durch das Zusammenwirken des Kanalhalses 38 und der von der unteren Lippe 48 erzeugten Expansionswellen werden die strömenden Abgase gegen den divergierenden Teil 52 der oberen inneren Kanalwand gedrückt. Hierdurch wird zum mindesten während eines Teiles des Triebwerksbetriebes ein Auftrieb erzeugt.
Besonders beim Start ist es erwünscht, möglichst viel Auftrieb zur Verfügung zu haben, um die Startstrecke so kurz wie möglich zu machen. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung die Düsenspitze 79 durch eine Drehzapfenvorrichtung 90 an dem Gehäuse 26 schwenkbar angebracht. Sie wird von einer Vorrichtung 92 betätigt, die, in der Kammer 80 angeordnet, ein gewöhnlicher, von komprimierter Luft angetriebener Zylinder mit Kolben sein kann. Auf diese Weise wird das ausgestoßene Abgas, wie sich aus Fig. 1 ersehen läßt, durch die abgeklappte Fläche 54' nach unten abgelenkt und erzeugt den erforderlich werdenden Auftrieb.
Die über die obere äußere Düsenwand 28 strömende Luft kühlt die Düsenteile. Die gegen die abgeklappte Düsenspitze anströmenden Abgase sind immer betrebt, die Düsenspitze in ihre normale Betriebslage zurückzubringen, so daß sich eine betriebssichere Arbeit der Schubdüse auch dann einstellt, wenn die Betätigungsvorrichtung 92 bei der Rückbewegung einmal versagen sollte.
Wie am besten in Fig. 4 gezeigt ist, kann es zweckmäßig sein, den Spitzenteil 79 seitlich zu begrenzen, wie durch die Querschnittsform gezeigt ist.
Wenngleich die Schubdüse 22 bei Verwendung nur eines Strahltriebwerkes gemäß Fig.1 vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt besitzt, kann es für mehrere Triebwerke 10' (Fig. 5), die in einem Flugzeugflügel 91 untergebracht sind, zweckmäßig sein, Luft durch Eintrittsöffnungen 92 aufzunehmen und ihre Abgase in die Atmosphäre durch eine Anzahl von Schubdüsen 22' auszustoßen, die in der Hinterkante 94 des Flügels 90 untergebracht sind. Die Schubdüsen 22' können im allgemeinen rechteckigen Querschnitt haben, der in Richtung der Flügelachse 96 langgestreckt ist. Zweckmäßig wird man die Schubdüsen 22' mittels einer Verbindungskonstruktion 98 miteinander vereinigen, so daß alle Triebwerke 10' durch eine gemeinsame, langgestreckte und horizontal verlaufende schlitzförmige Schubdüse 100 ausstoßen. Beide Schubdüsen 22' und 100 haben die für die Schubdüse 22 in Fig. 1 dargestellte Querschnittsform, wenn eine Querschnittslinie gemäß den Linien 1-1 der Fig. 5 gezogen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Schubdüse, im besonderen für Flugzeuge, deren oberer Teil sich in .der Stromabrichtung weiter erstreckt als der untere Teil und die mit einer Strahlablenkeinrichtung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der inneren Düsenwandung (42, 52) konvergent-divergent so ausgestaltet ist, daß die untere Austrittskante der Düse (48) ungefähr an der schmalsten Stelle des Düsenkanals liegt, und daß der stromabseitige Endteil (54) der oberen Düsenwandung zum Ablenken des Strahls nach unten verschwenkbar ist.
2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere stromabseitige Endteil (46, 68) der Düsenwandung in der Richtung der Strahlachse (24) konvergiert.
3. Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel des unteren stromabseitigen Endteiles der inneren Düsenwandung größer ist als der Divergenzwinkel der oberen inneren Düsenwandung auf der Stromabseite des schmalsten Teiles des Düsenkanals.
4. Schubdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, @daß die Düsenaustrittskante im obersten Teil stetig in eine steile Austrittsfläche übergeht.
5. Schubdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil (52) der inneren Düsenwandung hinter der engsten Stelle des Düsenkanals eine Expansionsfläche bildet, die zur oberen Lippe (64) der Düse hin konvergiert.
6. Schubdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (92) für den schwenkbaren hinteren Teil (54) der oberen Düsenwand in dem Raum zwischen der konvergent divergent verlaufenden oberen inneren Düsenwandung (42, 52) und der oberen äußeren Düsenwandung (50) angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 840 325.