DE2248301A1

DE2248301A1 - Schubstrahlduese

Info

Publication number: DE2248301A1
Application number: DE19722248301
Authority: DE
Inventors: Frank William Armstrong
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1971-10-05
Filing date: 1972-10-02
Publication date: 1973-04-12
Also published as: FR2156065B3; FR2156065A1; JPS4844615A; GB1383651A

Description

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M. 526

Augsburg, den 2. Oktober 1972

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, S.W.I., England,

Schubstrahldüse

Die Erfindung betrifft eine Schubstrahldüse mit einem Düsenkanal, der eine von einem Gasgenerator oder dgl. erzeugte Gasströmung aufnimmt und an seinem Austrittsende einen Scharnierklappenkranz zur Veränderung seines Austrittsquerschnitts aufweist.

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Die Scharniere der Klappen des Klappenkranzes liegen normalerweise am vorderen Ende des Klappenkranzes und verlaufen parallel zur Mündungsebene der Schubstrahldüse und die Klappen des Klappenkranzes liegen bei offenem Klappenkranz stromab der Scharniere und bilden so eine stromab verlaufende Verlängerung des Schubstrahldüsengehäuses. Soll der Düsenaustrittsquerschnitt verringert werden, so werden die Klappen des Klappenkranzes um ihre Scharniere so verschwenkt, daß sie mit zunehmendem Verschwenkungswinkel immer mehr in die aus der Düse austretende Gasströmung hineinragen. Bei geschlossenem Klappenkranz schließen die Klappen des Klappenkranzes mit der Düsenachse einen beträchtlichen Winkel ein. Dabei kann e3 passieren, daß die am Düsengehäuse vorbeistreichende Luftströmung sich von den Oberflächen der Klappen des Klappenkranzes ablöst und stromab der Klappenaußenflächen eine Sogzone starker Turbulenz erzeugt. Diese Sogzone bewirlit

einen erheblichen Luftwiderstand, der einen beträchtlichen Teil des Heckwiderstandes der Triebwerksanordnung ausmacht und sich folglich auf die Leistung des betreffenden Flugzeuges schädlich auswirkt.

Die Schubdüsen von mit Nachbrennern ausgerüsteten Überschallflugzeugen benötigen normalerweise Einrichtungen

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zur Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit, da dann das Nachbrennersystem normalerweise nicht betrieben wird. Der Plug mit Unterschallgeschwindigkeit stellt normalerweise den Reiseflug dar und der stromab des geschlossenen Klappenkranzes herrschende Sog wirkt sich folglich schädlich auf den Aktionsradius und auf die Nutzlast des Plugzeuges aus.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Schubstrahldüsen der eingangs dargelegten allgemeinen Bauart den Luftwiderstand zu erniedrigen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die betreffende Schubstrahldüse Gasausstoßmittel aufweist, mit deren Hilfe Gas über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes geleitet wird.

Als Gasgenerator kommt normalerweise ein Gasturbinentriebwerk in Präge, dessen Turbine außer ihren Abgasen auch noch eine Beipaßströmung in den Düsenkanal speist, wobei gemäß der Erfindung ein Teil der Beipaßströmung abgezapft wird und über die stromab gelegenen Außenflächen

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des Klappenkranzes geleitet wird.

Vorzugsweise ist außerdem gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Unterstützung der Haftung der über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes geleiteten Gasströmung an diesen Außenflächen bei Änderung des Düsenaustrittsquerschnitts durch Verstellung des Klappenkranzes vorgesehen. Diese Einrichtung kann beispielsweise darin bestehen, daß die Außenflächen der Klappen des Klappenkranzes so geformt werden, daß mit Bezug auf diese Außenflächen ein Coandaeffekt begünstigt wird.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 einen Axialhalbschnitt des Aus

lasses eines Beipaß-Gasturbinentriebwerks mit zugehörigem Düsenkanal und

Fig. 2 einen in größerem Maßstab gefertigten

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Axial-T-eil-Halbschnitt weIeher eine SchubStrahldüsenanordnung zeigt, bei welcher eine erfindungs?- gemäße Schubstrahldüse als Primärdüse einer Sekundärdüse vorgeschaltet ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bildet ein im Querschnitt kreisförmiger Düsenkanal 1 eine konvergente Schubstrahldüse, deren Düsenmündung in der Figur nach rechts weist. Der .Düsenkanal wird durch ein Gehäuse mit zwei Wandungen 2, 3 begrenzt, die in gewissem Abstand voneinander liegen und außerdem auch noch ein Gasturbinentriebwerk umschließen, welch letzteres nur teilweise dargestellt ist. Das Gasturbinentriebwerk weist einen im Querschnitt ringförmigen Beipaßkanal 4 auf, welcher die Turbine 5 umgreift. Die Beipaßströmung und die Turbinenabgase gelangen beide in den Düsenkanal 1, was in der Zeichnung durch Pfeile A und B angedeutet ist. Die Gase werden durch die Düse ausgestoßen. An der Düsenmündung ist ein Klappenkranz 6 angeordnet. Der Düsenkanal 1 weist außerdem zwei Rinnenringe 7» 8 mit jeweils V-förmigem Querschnitt auf, die als Flammenstabilisatoren für den im Düsenkanal in Nachverbrennung verbrannten Brennstoff dienen.

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Die Klappen 6 des Klappenkranzes verlaufen im wesentlichen in Stromabrichtung mit Bezug auf die durch den Düsenkanal 1 strömende Strömung. Sie sind über Schwenkachsen schwenkbar am Kanalgehäuse befestigt. In der offenen Stellung des Klappenkranzes schließen seine Klappen 6 mit der Düsenachse einen verhältnismäßig kleinen Winkel ein, wie dies in Pig. 1 in strichpunktierten Linien angedeutet ist. Dadurch tritt der aus der Düsenmündung austretende Schubstrahl,mit hoher Geschwindigkeit aus dem Düsenkanal aus. Soll der Düsenaustrittsquerschnitt verringert werden, so werden die Klappen 6 des Klappenkranzes um ihre Schwenkachsen 9 so verschwenkt, daß sie mit der Düsenachse einen wesentlich größeren Winkel einschließen, wie dies in Pig. I in ausgezogenen Linien dargestellt ist. Wenn die Klappen des Klappentranzes in dieser Weise geneigt sind, dann bilden sich 3tromab der Außenflächen der Klappen 6 die oben bereits erwähnten Sog- bzw. Niederdruckerscheinungen, welche den Luftwiderstand des Triebwerks beträchtlich erhöhen.

Damit die Strömung der äußeren Grenzschicht wiederbelebt wird und damit veranlaßt wird, an den stromab liegenden Außenflächen des Klappenkranzes auch bei stark verschwenkten Klappen 6 zu haften, und insbesondere mit dem Ziel, den Druck an diesen Außenflächen hoch zu halten, ist ein Gasströmungs-

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kanal 10 mit ringförmigem Querschnitt vorgesehen. Dieser Kanal weist einen Einlaß 11 auf, der an einer Stelle in den Düsenkanal 1 hineinragt, an welcher er im wesentlichen unvermischte Beipaßströmung vom Gasturbinentriebwerk aufnimmt. Dieser Strömungskanal verläuft von einer Stelle, an welcher er an die Kanalwandungeri 2 und 3 anschließt, bis zu einem Auslaß 12, an welchem die abgezapfte Strömung über die Klappen 6 des. Klappenkranzes ausgestoßen wird. Diese ausgestoßene, abgezapfte Strömung hat das Bestreben, infolge Auftretens eines Coandaeffektes der äußeren Oberfläche des Klappenkranzes zu folgen, was dadurch erreicht werden kann, daß die Oberflächen der Klappen des Klappenkranzes entsprechend gekrümmt werden. In Abwandlung dessen kann auch ein Teil des Strömungskanals 10 einschließlich seines Auslasses flexibel gestaltet und so an die Klappen des Klappenkranzes angeschlossen sein, daß er mit diesen zusammen bewegbar ist. Auf diese Weise behält der Auslaß 12 unabhängig von der jeweiligen Einstellung der Klappen des Klappenkranzes immer die gleiche Stellung relativ zu den Klappen 6. Der Auslaß 12 soll sich möglichst ringförmig vollständig um die ganze Düsenaustrittsmündung herum erstrecken. Dies dürfte allerdings nicht immer praktisch durchführbar sein, weshalb in solchen Fällen besser eine Vielzahl von umfangsmäßig in Abständen zueinander angeordneten Auslässen

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angeordnet sein kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung finden dieselben Bezugsziffern für die Bezeichnung jeweils einander entsprechender Teile wie in Fig. 1 Anwendung. Fig. 2 zeigt eine Düsenanordnung mit einer Primärdüse der bereits im einzelnen beschriebenen Bauart zusammen mit einer stromab davon angeordneten Sekundärdüse. Die Außenwandung 3 des Triebwerksgehäuses ist stromab über die Primärdüsenmündung hinaus verlängert und mit einer Innenkonstruktion versehen, welch letztere im wesentlichen von zwei geneigten Wandungen 13» gebildet wird, welche der gesamten Düsenkonstruktion eine konvergent-divergente Form geben. Die Außenwandung 3 weist Lufteinlässe 15 ausweiche durch die Klappen 6 des Klappenkranzes der Primärdüse verschlossen werden, wenn der Klappenkranz dieser Düse geöffnet ist. Werden die Klappen 6 des Klappenkranzes der Primärdüse im Sinne einer Verringerung des Austrittsquerschnitts der Primärdüse verstellt, so geben die Klappen 6 des Klappenkranzes der Primärdüse die öffnungen 15 frei und lassen, wie dies durch den Pfeil D angedeutet ist, Ventilationsluft ein. Der Einlaß solcher Ventilationsluft macht es möglich, daß die in der Düse strömende Strömung eine Form annimmt, die nicht notwendiger-

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weise durch die körperliche Begrenzung der Düse bestimmt wird, was unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Verbesserten Wirkungsgrad ergibt. Die Ventilationsströmung hat häufig keine merkliche Wirkung innerhalb irgendwelcher Niederdruckbereiche, welche an den stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes der·Hauptdüse herrschen und folglich kann man in diesem Bereich sich nicht darauf verlassen, die Verhältnisse auf diese Weise beeinflussen zu können.

Die Sekundärdüse ist ihrerseits mit einer Einrichtung zur Querschnittsveränderung des Düsenaustritts versehen, welche wiederum in einem Klappenkranz besteht, dessen Klappen in ähnlicher Weise betätigbar sind wie die Klappen 6 des Klappenkranzes der Primärdüse, über einen nicht dargestellten weiteren Kanal, dessen Auslaß 17 mit Bezug auf die Klappen des Klappenkranzes der Sekundärdüse ähnlich angeordnet ist wie der Auslaß 12 mit Bezug auf die Klappen 6 des Klappenkranzes der Primärdüse, wird eine weitere Abzapfströmung · zugeführt.

Die Abzapfströmung zum Zwecke der Wiederbelebung der äußeren Grenzschichtströmung ist hinsichtlich ihrer Herkunft

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nicht notwendigerweise auf das Beipaßsystem der Gasturbine beschränkt, sondern kann beispielsweise auch von den Turbinenabgasen abgezapft oder von einem Luftverdichter abgezapft werden.

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Claims

Patentansprüche

IJ Schubstrahldüse mit einem Düsenkanal, der eine von einem Gasgenerator oder dgl. erzeugte Gasströmung aufnimmt und an seinem Austrittsende einen Scharnierkläppenkranz zur Veränderung seines Austrittsquerschnitts aufweist, gekennzeichnet durch Gasausstoßmittel (10 bzw, 17)» mit deren Hilfe Gas über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) geleitet wird.
2. Schubstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasausstoßmittel mindestens einen Strömungskanal (10 bzw. 17) aufweisen, dessen Einlaß (11) einen Teil der die Schubdüse durchströmenden Gasströmung aufnimmt und dessen Auslaß (12 bzw. 17) so gestaltet und angeordnet ist, daß das aus ihm ausströmende Gas über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) geleitet wird.
3. Schubstrahldüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasausstoß-Strömungskanal (10 bzw. 17)

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im Querschnitt ringförmig ist und den Düsenkanal (1) umgreift.
4. Schubstrahldüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasausstoß-Strömungskanal (10 bzw. 17) mit dem Düsenkanal (1) derart verbunden ist, daß er einen Teil der in letzterem strömenden Gasströmung aufnimmt, um diesen über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) zu leiten.
5. Schubstrahldüse nach einem der Ansprüche 2 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (1) an einen Gasturbinenbeipaß und an einen Gasturbinenauslaß angeschlossen ist und daß der Gasausstoß-Strömungskanal (10 bzw. 17) derart an den Düsenkanal angeschlossen ist, daß er einen Teil der Gasturbinen-Beipaßströmung aufnimmt, um diesen über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) zu leiten.
6. Schubstrahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 17) zur Unterstützung der Haftung der über die stromab gelegenen Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) geleiteten Gasströmung an diesen Außenflächen bei Änderung des Düsenaustritts-

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querschnitts durch Verstellung des Klappenkranzes.
7. Schubstrahldüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen des Klappenkranzes (6 bzw. 16) so gestaltet sind·, daß an ihnen ein Coandaeffekt auftritt.
8. Schubstrahldüse nach einem.der Ansprüche 2 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der stromab gelegene Teil des Gasausstoß-Strömungskanals (10 b,zw. 17) einschließlich seines Austrittes (12) derart an,.den Klappen (6 bzw. 16) des Klappenkranzes befestigt ist_:,, daß auch bei Verstellung des Klappenkranzes zwecks Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts die relative Stellung der Austrittsebene des Gasausstoß-Strömungskanals zu den Außenflächen des Klappenkranzes erhalten bleibt.
9. Anwendung einer Schubstrahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Primärdüse innerhalb einer Schubstrahldüsenanordnung mit Primär- und Sekundärdüse (Pig, 2).

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