DE3811614C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Triebwerksanordnung für luftatmende Hyper­ schall-Fluggeräte, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, daß der von Hyperschall-Fluggeräten geforderte Geschwin­ digkeitsbereich (Geschwindigkeit "Null" bis über Mach 10) mit einer Triebwerksart nicht sinnvoll abgedeckt werden kann. Bei Fluggeräten, welche sich nur in der Atmosphäre bewegen, ist es günstig, luftatmende Triebwerke zu verwenden, da dann der Oxidator in Form von Luftsauerstoff der Umgebung entnommen werden kann und nicht als Ballast mitgeführt wer­ den muß. Der Geschwindigkeitsbereich von "Null" bis ca. Mach 3 ist der typische Einsatzbereich für Turbo-Luftstrahltriebwerke, im folgenden kurz als Turbotriebwerke bezeichnet. Für höhere Geschwindigkeiten sind Staustrahltriebwerke geeignet.

Aus dem veröffentlichten NASA-Report CR/158926-1 "Hypersonic Cruise Air­ craft Propulsion Integration Study" von R.E. Morris und G.D. Brewer ist eine Triebwerksanordnung für Hyperschall-Flugzeuge bekannt (Fig. 13, Seite 39), bei welcher ein Turbotriebwerk und ein Staustrahltriebwerk (ramjet) einem gemeinsamen Lufteinlauf zugeordnet sind, wobei das Turbo­ triebwerk eintrittsseitig mittels zweier Klappen verschließbar ist. Die Schubdüsen beider Triebwerke sind getrennt, sie münden aber etwa in den selben Bereich. Dabei ist das Staustrahltriebwerk unterhalb des Düsen­ triebwerkes angeordnet. Fig. 11 auf Seite 35 zeigt eine Unterrumpf-An­ ordnung mehrerer Triebwerke. Auch hier sind die in der Regel schwereren und größeren Turbotriebwerke dem Rumpf benachbart angeordnet, die klei­ neren und leichteren Staustrahltriebwerke liegen vom Rumpf abgewandt un­ terhalb der Turbotriebwerke. Diese Lösungen haben jedoch gravierende Nachteile. Durch die Außen- bzw. Unteranordnung der Staustrahltriebwerke sind die wesentlich komplizierteren und somit wartungsintensiveren Tur­ botriebwerke - vor allem bei Mehrmotorenanordnung - schlecht zugänglich. Im Turbobetrieb muß die relativ dicke, turbulente Rumpfgrenzschicht mög­ lichst vom Lufteinlauf ferngehalten werden,um die Zuströmung zu den diesbezüglich empfindlichen Turbotriebwerken nicht zu stören. Bei Anord­ nungen mit nur einem oder zwei Turbotriebwerken und somit problemlosen Platzverhältnissen wird die Rumpfgrenzschicht in der Regel mit Grenz­ schichtabweisern (Grenzschichtzäune, -pflüge etc.) abgelenkt, wodurch zusätzlicher Luftwiderstand entsteht. Bei Mehrmotorenanordnungen sind meist aufwendige, schwere und voluminöse Rohr- bzw. Kanalsysteme erfor­ derlich, um die Rumpfgrenzschicht an den Triebwerken vorbei im Rumpfin­ neren zum Flugzeugheck zu führen.

Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit vom Überschallbereich bis hin zum Hyperschallbereich läßt die Wirksamkeit der aerodynamischen Steuerflä­ chen immer mehr nach. Durch die Ein- und Austrittsimpulskräfte an den Triebwerken entstehen insbesondere bei Unterrumpfanordnung Momente um die horizontale Nickachse des Flugzeuges, welche u.U. mit den frei ange­ strömten, aerodynamischen Steuerflächen nicht mehr ausgeglichen werden können.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Triebwerksanordnung für mindestens ein Turbo- und mindestens ein Staustrahltriebwerk zu fin­ den, welche die Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik ganz oder zumindest weitgehend vermeidet. Dabei sollen die komplexen, prü­ fungs- und wartungsintensiven Turbotriebwerke gut zugänglich sein und im Hinblick auf einen optimalen Betrieb mit möglichst wenig gestörter An­ strömung versorgt werden. Außerdem sind die insbesondere bei Unterrumpf­ anordnung problematischen Momente durch Ein- und Austrittsimpulskräfte an den Triebwerken in einfacher Weise - zumindest größtenteils - auszu­ gleichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Anordnung der Turbotriebwerke auf der Außenseite der dem Rumpf be­ nachbarten Staustrahltriebwerke bietet gute Zugänglichkeit bei Wartung und Austausch. Bei Unterrumpfanordnung bedeutet dies, daß die Turbo­ triebwerke zumindest von unten her zugänglich sind.

Das Ableiten der Rumpfgrenzschicht durch kurze Kanäle in die Staustrahl­ triebwerke bei Turbobetrieb ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Die Turbotriebwerksverdichter werden optimal mit weitgehend ungestörter An­ strömung versorgt, es sind keine widerstandserhöhenden Grenzschichtab­ weiser im Einlaufbereich erforderlich, der konstruktive und gewichtsmä­ ßige Aufwand für die kurzen Kanäle ist gering, die Durchströmung der nicht in Betrieb befindlichen Staustrahltriebwerke bewirkt eine günsti­ gere Geschwindigkeitsverteilung im Düsenbereich und somit einen kleine­ ren Heckwiderstand.

Die im Grenzbereich zwischen den Turbotriebwerken und den Staustrahl­ triebwerken angeordneten, schwenkbaren Düsenklappen ermöglichen - in ge­ wissen Grenzen - eine Strahlablenkung bei beiden Triebwerksarten zum Ausgleich der Nickmomente. Bei entsprechender Stellung wirken die Klap­ pen darüberhinaus als strömungsmechanische Verlängerung der divergenten Düsenabschnitte der oberen oder unteren Triebwerke.

Die Unteransprüche 3 und 4 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 bzw. 2.

Gemäß Anspruch 3 wird im Turbobetrieb über die Rumpfgrenzschicht hinaus auch noch ein Teil der Einlaufgrenzschicht abgeleitet und durch das ab­ geschaltete Staustrahltriebwerk geführt.

Gemäß Anspruch 4 erfolgt im Staustrahlbetrieb, d.h. in dem Fall, in wel­ chem die Rumpf- und Einlaufgrenzschicht durch den Lufteinlauf in das ar­ beitende Staustrahltriebwerk geleitet wird, ein Vermischen der Grenz­ schicht mit der ungestörten Einlaufströmung mittels einer Verwirbelungs­ vorrichtung, um den Verbrennungsprozeß durch Unsymmetrien im Strömungs­ kanal nicht nachteilig zu beeinflussen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Dabei zeigen in schemati­ scher Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Triebwerksanordnung im Turbobetrieb,

Fig. 2 einen entsprechenden Längsschnitt im Staustrahlbetrieb.

Die Triebwerksanordnung 1 nach Fig. 1 und 2 stellt eine insbesondere bei Flugzeugen zweckmäßige Unterrumpfanordnung dar. Erfindungsgemäß grenzt das Staustrahltriebwerk 3 unmittelbar an den Rumpf 4, das Turbotriebwerk 2 befindet sich unterhalb des Staustrahltriebwerkes 3 in Abstand zum Rumpf 4. Insbesondere bei Flugkörpern können auch Anordnungen der Trieb­ werke oberhalb des Rumpfes oder seitlich des Rumpfes schräg nach oben oder unten sinnvoll sein. Es ist nur immer das Prinzip zu beachten, daß das oder die Staustrahltriebwerke näher am Rumpf liegen als das oder die Turbotriebwerke. Turbotriebwerke sind aufgrund ihrer Komplexität und ih­ rer mit hoher Drehzahl rotierenden Bauteile relativ wartungsintensiv und unterliegen Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen. Dank der Erfindung wird die Zugänglichkeit der Turbotriebwerke zu Wartungs-, Überprü­ fungs- und Austauschzwecken wesentlich verbessert, was insbesondere für Mehrmotorenanordnungen gilt. jeder Lufteinlauf versorgt ein Turbotrieb­ werk und ein oder mehrere Staustrahltriebwerke. Die Zuordnung mehrerer Staustrahltriebwerke zu einem Turbotriebwerk und einem Lufteinlauf ist vor allem dann sinnvoll, wenn erstere einen wesentlich kleineren Strö­ mungsquerschnitt aufweisen als das Turbotriebwerk. Der Einfachheit hal­ ber wird in den Fig. 1 und 2 davon ausgegangen, daß ein Lufteinlauf 5 genau ein Turbotriebwerk 2 und ein Staustrahltriebwerk 3 versorgt.

Fig. 1 zeigt den Fall des reinen Turbobetriebes, worauf auch die ange­ deuteten Flammen im Brennkammer- und Nachbrennerbereich des Turbotrieb­ werkes 2 hinweisen sollen. Die mit dem Pfeil 29 symbolisierte, ungestör­ te Luftströmung durchläuft den Einlauf 5, das Turbotriebwerk 2 sowie die Schubdüse 6 im wesentlichen geradlinig. Der Einlauf 5 ist vorzugsweise rechteckig im Querschnitt, wobei die Rückwand der Übersichtlichkeit hal­ ber nicht dargestellt ist. Seine untere Strömungskontur ist fest, seine obere Strömungskontur ist verstellbar und wird im wesentlichen durch die Stellung der beiden großen Klappen 12 und 13 bestimmt. Fig. 1 zeigt die Klappenstellung für maximalen Einlaufquerschnitt, wobei die Strömungs­ verbindung zum Staustrahltriebwerk 3 mittels der Klappen 14 und 15 un­ terbrochen ist. Die turbulente Rumpfgrenzschicht, symbolisiert durch den Pfeil 27, wird durch den Kanal 8 in das außer Betrieb befindliche Stau­ strahltriebwerk 3 geleitet und tritt durch dessen Schubdüse 7 am Flug­ zeugheck wieder ins Freie aus. Die Schubdüse 7 ist ebenfalls vorzugswei­ se rechteckig im Querschnitt und mittels der Düsenklappen 20 und 21 ver­ stellbar. Durch den Luftaustritt am Ende des Staustrahltriebwerkes 3 wird die Geschwindigkeitsverteilung im Heckbereich günstiger, wodurch der Luftwiderstand des Flugzeuges sinkt. Somit wird die Rumpfgrenz­ schicht im Triebwerksbereich annähernd verlustfrei an jedem Turbotrieb­ werk vorbeigeleitet und im Heckbereich durch Belüftung des Heckes noch nutzbringend verwendet.

Je nach Länge des beweglichen Oberteiles des Lufteinlaufes 5 bildet sich auch an diesem eine eventuell störende Grenzschicht. In Fig. 1 ist eine Möglichkeit dargestellt, diese, als Pfeil 2 B symbolisierte Einlaufgrenz­ schicht durch einen Verbindungskanal 9 in den Kanal B und somit eben­ falls in das Staustrahltriebwerk 3 zu leiten. Der Verbindungskanal 9 wird von zwei Klappen 17 und 18 gebildet. Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere Öffnungen bzw. Kanäle vorzusehen, welche mit entspre­ chenden Schließorganen freigegeben oder versprerrt werden können, bei­ spielsweise mit Schiebern.

Dem Turbotriebwerk 2 ist eine konvergent/divergente Schubdüse 6 nachge­ schaltet, welche vorzugsweise ebenfalls rechteckig ausgeführt und mit­ tels der Düsenklappen 22, 23, 24 im Querschnitt veränderlich ist. Im Grenzbereich der beiden Schubdüsen 6 und 7 ist eine weitere Düsenklappe 19 mit horizontaler Achse Y vorhanden, deren eine Wirkfläche 26 (Unter­ seite) dem Turbotriebwerk 2, deren andere Wirkfläche 25 (Oberseite) dem Staustrahltriebwerk 3 zugeordnet ist. Die Düsenklappe 19 kann als Strahlruder, als Verlängerung des divergenten Düsenteiles und als Ver­ schlußklappe eingesetzt werden. Ihre Beweglichkeit ist durch den Doppel­ pfeil 31 dargestellt.

Fig. 2 zeigt den Fall des reinen Staustrahlbetriebes, u.a. erkenntlich an den angedeuteten Flammen hinter der Einspritzvorrichtung 10. Das Tur­ botriebwerk 2 ist allseitig verschlossen, eintrittsseitig durch die Klappen 15 und 16, austrittsseitig durch die Düsenklappen 22, 23 und 24. Das relativ einfache Staustrahltriebwerk 3 ist nicht empfindlich ge­ genüber der turbulenten Grenzschicht, so daß die Rumpfgrenzschicht, die Einlaufgrenzschicht und die ungestörte Anströmung in den Lufteinlauf 5 geleitet werden, dargestellt durch den Pfeil 30. Der Kanal 8 ist ein­ trittsseitig mit der Klappe 11, austrittsseitig mit der Klappe 14 ver­ schlossen. Auch die Verbindung vom Einlauf zum Kanal 8 (Klappen 17 und 18) ist unterbrochen. Die Klappen 12 bis 16 sind so positioniert, daß sie zusammen mit den festen Konturen einen möglichst strömungsgünstigen, konvergent/divergenten Kanal mit guter Verdichtungswirkung bilden. Um im Brennkammerbereich eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung si­ cherzustellen, besteht die Möglichkeit, stromaufwärts der Einspritzvor­ richtung 10 mit Hilfe einer oder mehrerer Verwirbelungsvorrichtungen (z.B. Grenzschichtzäune, Kanalstufen, nicht dargestellt) die Grenz­ schicht mit der ungestörten Luftströmung zu vermischen. Die heißen Abga­ se treten durch die Schubdüse 7 aus, deren engster Querschnitt mit den Düsenklappen 20 und 21 eingestellt wird. Mit der Düsenklappe 19 läßt sich sowohl der Expansionsgrad als auch die Richtung des Schubstrahles beeinflussen. Besonders im Hyperschallbereich ist eine solche Schubvek­ torsteuerung wirkungsvoller als eine Steuerung mittels der normalen, luftangeströmten Ruder.

Beim Übergang von Turbo- auf Staustrahlbetrieb und umgekehrt, d.h. bei Geschwindigkeiten von etwa Mach 3 bis 3,5, ist es möglich und sinnvoll, beide Triebwerksarten kurzfristig gleichzeitig zu betreiben, um keine Schubunterbrechung zu erzeugen.

Claims (4)

1. Triebwerksanordnung für luftatmende Hyperschall-Fluggeräte, ins­ besondere für Hyperschall-Flugzeuge mit im Unterrumpfbereich angeordne­ ten Triebwerken, mit einem oder mehreren Turbotriebwerken sowie mit min­ destens je einem, jedem Turbotriebwerk zugeordneten Staustrahltriebwerk, mit je einem gemeinsamen Lufteinlauf für jedes Turbotriebwerk und das zugeordnete bzw. die zugeordneten Staustrahltriebwerke, mit einer oder mehreren Klappen zum eintrittsseitigen Verschließen jedes Turbotriebwer­ kes, und mit getrennten Schubdüsen für jedes Triebwerk, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes Turbotriebwerk (2) mit Abstand zum Rumpf (4) des Fluggerätes angeordnet ist, daß das Staustrahltriebwerk (3) bzw. die Staustrahltriebwerke zwischen dem Turbotriebwerk (2) bzw. den Turbo­ triebwerken und dem Rumpf (4) angeordnet sind, daß - zum Ableiten der Rumpfgrenzschicht (Pfeil 27) im Turbobetrieb - zu jedem Lufteinlauf (5) mindestens ein Kanal (8) vorhanden ist, welcher stromaufwärts des Luft­ einlaufes (5) beginnt und in das oder die dem Lufteinlauf (5) zugeordne­ ten Staustrahltriebwerke (3) mündet, wobei die stromaufwärtige Mündung oder sämtliche Mündungen des Kanales (8) mit einer oder mehreren Klappen (11, 14) verschließbar sind.

2. Triebwerksanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Mündungsbereich der Schubdüsen (6, 7) mindestens eine um eine im wesentlichen horizontale Achse (Y) schwenkba­ re Düsenklappe (19) angeordnet ist, deren erste Wirkfläche (26) einem Turbotriebwerk (2), und deren zweite Wirkfläche (25) einem oder mehreren Staustrahltriebwerken (3) zugeordnet ist.

3. Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß - zum Ableiten der Einlaufgrenzschicht im Turbobetrieb - mindestens ein verschließbarer (Klappen 17, 18), vom Lufteinlauf (5) zum die Rumpfgrenzschicht ableitenden Kanal (8) verlau­ fender Verbindungskanal (9) vorhanden ist.

4. Triebwerksanordnung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und ei­ nem oder beiden der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß - für Staustrahlbetrieb zum Vermischen der in den Einlauf geführten Grenz­ schicht mit der ungestörten Einlaufströmung - im Staustrahltriebwerk (3) stromaufwärts der Brennkammer (Einspritzvorrichtung 10) mindestens eine Verwirbelungsvorrichtung angeordnet ist, beispielsweise in Form von Grenzschichtzäunen oder einer Kanalstufe.