DE977380C - Adjustable diffuser for jet engines with supersonic flight speed - Google Patents

Description

Verstellbarer Diffusor für Strahltriebwerke mit Überschallfluggeschwindigkeit Die zweckmäßige Auslegung eines Mehrstoßüberschalldiffusors ist dann einfach, wenn das Triebwerk, dem der Überschalldiffusor die Verbrennungsluft zuführt, immer nur bei einer bestimmten Betriebsmachzahl arbeitet. Für jede Machzahl lassen sich Konstruktionen von Mehrstoßdiffusoren angeben, die bei der betreffenden Machzahl optimal arbeiten. Da aber ein Triebwerk immer über einen gewissen Machzahlbereich hinweg arbeiten muß (beim Starten von Machzahl Null beginnend bis zur Arbeitsmachzahl aufsteigend), entstehen betriebliche Schwierigkeiten mit einem auf die Marschmachzahl ausgelegten optimalen Überschallmehrstoßdiffusor. Insbesondere zeigt ein für eine Marschmachzahl ausgelegter Mehrstoßdiffusor bei kleineren Machzahlen nicht immer den richtigen Massendurchfluß und in seinem verengten 'feil eine völlig unzureichende Geometrie, die zu Verblockungen des Einlaufs führt. Gerade beim Start wird aber hoher Massendurchsatz und gute Verdichtung verlangt, um schnell auf die günstige Auslegungsmarschmachzahl kommen zu können. Dies hat dazu geführt, daß bei modernen Turbo- und Staustrahltriebwerken verstellbare Einlaufdiffusoren zur Anwendung gelangen. Ein Mehrstoßdiffusor kann mit ebenen oder mit rotationssymmetrischen Prall- bzw. Stoßflächen arbeiten.Adjustable diffuser for jet engines with supersonic flight speed The appropriate design of a multi-impact supersonic diffuser is simple if the engine, to which the supersonic diffuser feeds the combustion air, only ever works at a certain operating mach number. Constructions can be made for every Mach number specify multiple shock diffusers that work optimally with the Mach number in question. But since an engine always works over a certain Mach number range must (when starting from Mach number zero starting up to the Labor Mach number and ascending), operational difficulties arise with one designed for the marching number optimal supersonic multiple shock diffuser. In particular, one shows for a marching figure designed multi-impact diffuser is not always the right one for smaller Mach numbers Mass flow and in its narrowed 'feil a completely inadequate geometry, which leads to blockages in the inlet. At the start, however, there is a high mass throughput and good compression is required in order to quickly reach the favorable design march number to be able to come. This has led to the fact that in modern turbo and ramjet engines adjustable inlet diffusers are used. A multi-bump diffuser can work with flat or rotationally symmetrical impact or abutment surfaces.

Zur Erläuterung dieser bekannten Diffusorausführungen wird auf die Fig. i und a verwiesen. Fig. i a zeigt einen ebenen Dreistoßdiffusor bei kleiner Machzahl, Fig. i b einen ebenen Dreistoßdiffusor bei hoher Machzahl, Fig. 2 a einen rotationssymmetrischen Dreistoßdiffusor bei kleiner Machzahl, Fig. 2 b einen rotationssymmetrischen Dreistoßdiffusor bei hoher Machzahl.To explain these known diffuser designs, reference is made to Fig. I and a referenced. Fig. 1a shows a planar three-impact diffuser at smaller Mach number, Fig. I b a planar three-impact diffuser with a high Mach number, Fig. 2 a shows a rotationally symmetrical three-impact diffuser with a small Mach number, FIG. 2 b a rotationally symmetrical three-impact diffuser with a high Mach number.

Es bedeuten die Ziffern i, 9, 17,25 Stromlinien der Außenströmung, 2, ro die ersten Stoßflächen (Keil) bzw.The numbers i, 9, 17.25 mean streamlines of the outer flow, 2, ro the first abutment surfaces (wedge) resp.

18,26 die ersten Stoßkegel, 3, i r die zweiten Stoßflächen bzw. 19,27 die zweiten Stoßkegel, 4,12,20,28 die Spuren des ersten Verdichtungsstoßes, 5, 13,:21,:29 die Spuren des zweiten Verdichtungsstoßes, 6, r4, 22, 3o die Spuren des dritten Verdichtungsstoßes, 7, 15, 23, 31 die Diffusorschneide, 8, 16, 24., 32 die Unterschallteile des Diffusors. Den ebenen Diffusoren haften verschiedene Nachteile an: mäßiger Gütegrad, Notwendigkeit der Grenzschichtabsaugung. Außerdem bereitet der Übergang vom ebenen Diffusor in den rotationssymmetrischen Kompressorteil des Triebwerkes Schwierigkeiten.18,26 the first abutment cones, 3, i r the second abutment surfaces and 19,27 the second shock cones, 4,12,20,28 the traces of the first compression shock, 5, 13,: 21,: 29 the traces of the second shock wave, 6, r4, 22, 3o the traces of the third Compression shock, 7, 15, 23, 31 the diffuser cutting edge, 8, 16, 24., 32 the subsonic parts of the diffuser. The flat diffusers have various disadvantages: moderate quality, Necessity of boundary layer suction. It also prepares the transition from the flat Diffuser in the rotationally symmetrical compressor part of the engine difficulties.

Es sind auch Diffusoren bekannt, die je aus mehreren Teilen bestehen, die in axialer Richtung verschiebbar sind, wobei der Luftstrom in jeder Stellung der axial verschiebbaren Teile zwischen diesen Teilen hindurchtritt. Es wird also der Luftstrom durch mehrere Ringflügel in mehrere im wesentlichen parallele Strömungswege aufgeteilt. Während bei diesen Diffusoren der nutzbare Transversalquerschnitt eines Eintrittes verändert werden soll, liegt dem Erfindungsgegenstand die Aufgabe zugrunde, den höchsten Druckrückgewinn bei jeder Anblas-Machzahl durch eine veränderliche Kontur zu erzielen, also. den Luftstrom nur umzulenken.Diffusers are also known, each consisting of several parts, which are displaceable in the axial direction, the air flow in every position the axially displaceable parts passes between these parts. So it will the air flow through several annular blades in several essentially parallel flow paths divided up. While with these diffusers the usable transverse cross-section of a If the occurrence is to be changed, the object of the invention is based on the task the highest pressure recovery at any blow Mach number through a variable To achieve contour, so. just redirect the airflow.

Es sind auch Mehrstoßdiffusoren, auch Oswatitsch-Diffusoren bzw. Kegeldiffusoren genannt, bekannt, bei denen durch eine Folge von koaxialen Kegeln kegelförmige schiefe Verdichtungsstöße ausgelöst werden. Die Öffnungswinkel der Kegel werden verstellt, und zwar durch dünne gegeneinander verstellbare, sich überlappende Bleche, die zusammen einen Kegel bilden. Diese Bleche sind gegenüber der Anströmrichtung geneigt angeordnet. Es können also immer nur gebrochene, aus kegeligen, in der Mantellinie geradlinig begrenzten Stücken zusammengesetzte, die Stoßflächen aufweisende Körper gebildet werden, soweit es sich um rotationssymmetrische Diffusoren handelt. Hieraus folgt, daß man mit solchen Diffusoren nicht in der Lage ist, die für das Zustandekommen der stoßfreien Prandtl-Meyer-Strömung notwendige gekrümmte Kontur zu erzeugen. Als Verstellmittel werden bei solchen Diffusoren Exzenter benutzt.There are also multi-impact diffusers, including Oswatitsch diffusers or cone diffusers called, known, in which conical oblique angles are formed by a series of coaxial cones Compression shocks are triggered. The opening angles of the cones are adjusted, namely by means of thin mutually adjustable, overlapping metal sheets, which together form a cone. These sheets are inclined with respect to the direction of flow. So there can only be broken ones, from conical ones, straight on the surface line limited pieces composed, the abutment surfaces formed body as far as they are rotationally symmetrical diffusers. It follows from this that with such diffusers one is not in a position to achieve that to generate the necessary curved contour of the shock-free Prandtl-Meyer flow. as Adjusting means are used eccentrics in such diffusers.

Demgegenüber soll bei Diffusoren gemäß der Erfindung eine Prandtl-Meyer-Strömung erzielt werden, bei der der größte Teil der Verdichtung stoßfrei isentropisch vonstatten geht, wobei es unerheblich ist, ob das Verdichtungsfeld mit einem schwachen schiefen Stoß beginnt oder nicht, und daß das Verdichtungsfeld stromab durch einen geraden Stoß seine Begrenzung findet. Bei der Prandtl-Meyer-Strömung wird also die Strömung stoßfrei an einer gekrümmten Kontur umgelenkt. Daß solche Diffusoren mit der »Prandtl-Meyer-Kontur« den »Oswatitsch-Kegel-Mehrstoßdiffusoren« in bezug auf die Höhe des Druckrückgewinns überlegen sind, ist bekannt, konnte aber bisher nicht ausgenutzt werden, da die Prandtl-Meyer-Kontur immer nur gerade bei der Machzahl befriedigend arbeitet, für die sie ausgelegt ist, so daß schon bei einer geringen Machzahländerung eine völlig andere Kontur für guten Druckrückgewinn erforderlich ist.In contrast, in diffusers according to the invention, a Prandtl-Meyer flow is intended can be achieved in which most of the compression occurs smoothly isentropically goes, whereby it is irrelevant whether the compression field with a weak leaning Shock begins or not, and that the compression field downstream by a straight Push finds its limit. In the Prandtl-Meyer flow, the flow becomes deflected smoothly on a curved contour. That such diffusers with the "Prandtl-Meyer contour" the "Oswatitsch cone multi-impact diffusers" in relation to the level of pressure recovery are superior is known, but has not yet been exploited because the Prandtl-Meyer-Kontur only works satisfactorily with the Mach number, for which it is designed so that even with a small change in the Mach number, a completely another contour is required for good pressure recovery.

Diesem Mangel soll durch die Erfindung abgeholfen werden. Es wird daher, ausgehend von verstellbaren Diffusoren für Überschallanblasung mit einem mehrteiligen, die Stoßflächen aufweisenden Körper, dessen Teile in Abhängigkeit von der jeweiligen Machzahl gegeneinander verstellbar sind, erfindungsgemäß vorgeschlagen, den die Stoßflächen aufweisenden Körper aus einem Paket gegeneinander verschiebbarer Schichten bestehen zu lassen, deren Schichtgrenzen parallel oder nahezu parallel zur Strömungsrichtung verlaufen. Das Verschieben der Schichten wird in Abhängigkeit vom Flug- und Anströmzustand gesteuert, beispielsweise durch Exzenter. Auch bei diesen Diffusoren empfiehlt es sich, wie bekannt, dem die Stoßflächen aufweisenden Körper Absaugekanäle zuzuordnen und diese als das von der angeblasenen stufenförmigen Kontur gebremste Grenzschichtmaterial abführende Kanäle auszubilden, deren Gesamtdurchlaßquerschnitt in Abhängigkeit von der Verschiebung der Schichten änderbar sein sollte. Handelt es sich um einen ebenen Überschalldiffusor, dann bestehen die Schichten aus ebenen Platten, handelt es sich um einen rotationssymmetrischen Überschalldiffusor, dann bestehen die Schichten aus dünnwandigen, koaxial angeordneten Hohlzylindern. Die zur Anströmrichtung schräg verlaufenden Vorderflächen der Schichten werden zweckmäßigerweise so gestaltet, daß sie bei Marschmachzahl eine glatte geschlossene Oberfläche bilden.The invention is intended to remedy this deficiency. It will therefore, starting from adjustable diffusers for supersonic blowing with a multi-part, the abutting surfaces having body, its parts as a function are mutually adjustable by the respective Mach number, proposed according to the invention, the body having the abutment surfaces from a package can be displaced against one another To let layers exist whose layer boundaries are parallel or nearly parallel run towards the direction of flow. The shifting of the layers is dependent controlled by the flight and flow condition, for example by eccentrics. Also at As is known, it is recommended for these diffusers to the one having the abutting surfaces Assign body suction channels and these as that of the blown step-shaped Forming contour braked boundary layer material discharging channels, their total passage cross-section should be changeable depending on the shift of the layers. Act If it is a planar supersonic diffuser, then the layers consist of planes Panels, it is a rotationally symmetrical supersonic diffuser, then the layers consist of thin-walled, coaxially arranged hollow cylinders. the The front surfaces of the layers which run obliquely to the direction of flow are expediently designed in such a way that they form a smooth, closed surface at the Marschmach number.

Durch Verstellen der Schichten gegeneinander kann man den Stoßflächen eine gewollte Kontur geben. Die stufenförmige Oberfläche ist den bisherigen glatten Oberflächen gegenüber nur in geringem Nachteil. Bei genügend kleinen und genügend vielen Stufen hüllt die Strömung das Schichtenpaket ein. Um eine wirkungsvolle Absaugung des gebremsten Grenzschichtmaterials zu erreichen, kann man die Absaugekanäle so anordnen und gestalten, daß bei Verschiebung der Schichten in irgendeiner Richtung, beispielsweise quer zur Strömungsrichtung, der Gesamtquerschnitt der Absaugekanäle vergrößert bzw. verkleinert wird, während die Verschiebung der Schichten zwecks Änderung der Oberflächenkontur des Diffusors in Anströmrichtung erfolgen sollte. Wie ein ebener Diffusor zu gestalten ist, zeigen die Fig. 3 a und 3 c; die Gestaltung eines rotationssymmetischen Diffusors zeigen die Fig. 4a und 4c.By adjusting the layers against each other, you can adjust the abutment surfaces give a desired contour. The stepped surface is the previous smooth one Only a slight disadvantage compared to surfaces. With enough small and enough in many stages the current envelops the layers of layers. About effective suction To reach the braked boundary layer material, you can use the suction channels like this arrange and design that when shifting the layers in any direction, for example, transverse to the direction of flow, the total cross-section of the suction channels is enlarged or reduced while shifting the layers in order to Change of the surface contour of the diffuser in the direction of flow should take place. As a flat diffuser is to be designed, FIGS. 3 a and 3 c show; the design a rotationally symmetrical diffuser is shown in FIGS. 4a and 4c.

In Fig. 3 a bildet das Schichtenpaket die Kontur eines sogenannten Prandtl-Meyer-Diffusors (englisch: isentropic diffuser) für eine kleine Machzahl.In Fig. 3a, the layer package forms the contour of a so-called Prandtl-Meyer diffuser (English: isentropic diffuser) for a small Mach number.

Fig. 3 b zeigt von zwei Schichten das Muster der Absaugekanäle; Fig. 3 c veranschaulicht denselben Diffusor als Prandtl-Mever-Diffusor für eine höhere Machzahl verstellt und Fig. 3 d das Muster der Absaugekanäle zwischen zwei übereinander angeordneten Platten entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3b, woraus sich ergibt, daß die Absaugung mit steigender Machzahl verstärkt worden ist.3b shows the pattern of the suction channels of two layers; Fig. 3c illustrates the same diffuser as a Prandtl-Mever diffuser adjusted for a higher Mach number and Fig. 3d shows the pattern of the suction channels between two superposed plates according to the embodiment of Fig. 3b, from which it follows that the suction with increasing Mach number has been reinforced.

Die Fig. 4a und 4c zeigen einen rotationssymmetrischen Verstelldiffusor mit Prandtl-Mever-Kontur für zwei verschiedene Machzahlen, während die Fig.4b und 4d die Schemen der Absaugeschlitze für kleine Machzahl bzw. für große Machzahl wiedergeben.FIGS. 4a and 4c show a rotationally symmetrical adjustable diffuser with Prandtl-Mever contour for two different Mach numbers, while FIGS. 4b and 4d show the diagrams of the suction slots for a small Mach number and for a large Mach number.

Die Stromlinien sind mit 33, 45, 57 und 66, die Machlinien mit 34, 46, 58 und 67, der abschließende Stoß mit 35, 47, 59 und 68, die Platten des Schichtenpaketes mit 36, 48 bzw. die Hohlzylinder des Schichtenpaketes mit 6o und 69, Drehbolzen mit 37 und 49, Gleitbolzen mit 61 und 70, Exzenterscheiben mit Programmkontur mit 38 und 5o, Dreharme mit Programmkontur mit 62 und 71, Absaugekanäle mit 39, 51, 63 und 72, die oberen Abdeckplatten mit 40 und 52, die Diffusorschneiden mit 64 und 73, Absaugekanäle in der Oberplatte mit 43 und 55, Absaugekanäle in der Unterplatte mit .14. und 56 und der Unterschallteil mit 65 und 74 bezeichnet.The streamlines are with 33, 45, 57 and 66, the Mach lines with 34, 46, 58 and 67, the final joint with 35, 47, 59 and 68, the plates of the stack of layers with 36, 48 and the hollow cylinders of the stack of layers with 6o and 69, pivot bolts with 37 and 49, sliding bolts with 61 and 70, eccentric discs with program contour with 38 and 5o, rotating arms with program contour with 62 and 71, suction channels with 39, 51, 63 and 72, the upper cover plates with 40 and 52, the diffuser cutting edges with 64 and 73, suction channels in the top plate with 43 and 55, suction channels in the bottom plate with .14. and 56 and the subsonic part denoted by 65 and 74.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE: i. Verstellbarer Diffusor für Strahltriebwerke mit Überschallfluggeschwindigkeit, mit einen mehrteiligen, die Stoßflächen aufweisenden Körper, dessen Teile in Abhängigkeit von der jeweiligen Machzahl gegeneinander verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der die Stoßflächen aufweisende Körper aus einem Paket gegeneinander verschiebbarer Schichten besteht, deren Schichtgrenzen parallel oder nahezu parallel zur Strömungsrichtung verlaufen. PATENT CLAIMS: i. Adjustable diffuser for jet engines with Supersonic flight speed, with a multi-part, the impact surfaces having Body, the parts of which can be adjusted against each other depending on the respective Mach number are, characterized in that the body having the abutment surfaces consists of a Package consists of mutually displaceable layers, the layer boundaries of which are parallel or run almost parallel to the direction of flow. 2. Einlaufdiffusor nach Anspruch i mit dem die Stoßflächen aufweisenden Körper zugeordneten Absaugekanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle als das von der angeblasenen stufenförmigen Kontur gebremste Grenzschichtma.terial abführende ausgebildet sind. 2. Inlet diffuser according to claim i with the suction channels associated with the body having the abutting surfaces, thereby characterized in that the channels as that of the blown step-shaped contour braked Grenzschichtma.terial are designed to dissipate. 3. Einlaufdiffusor nach Anspruch i und z, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamt-Durchlaßquerschnitt der Kanäle in Abhängigkeit von der Verschiebung der Schichten änderbar ist, 4.. 3. Inlet diffuser according to claims i and z, characterized in that the total passage cross-section the channels can be changed depending on the shift of the layers, 4 .. Finlaufdiffusor nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten bei Anordnung in einem ebenen Überschalldiffusor aus ebenen Platten bestehen. Fin run diffuser according to one or more of claims i to 3, characterized in that that the layers when arranged in a planar supersonic diffuser made of planar plates exist. 5. Einlaufdiffusor nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten bei Anordnung in einem rotationssymmetrischen Überschalldiffusor aus dünnwandigen, koaxial angeordneten Hohlzylindern bestehen. 5. inlet diffuser according to one or more of claims i to 3, characterized characterized in that the layers when arranged in a rotationally symmetrical Supersonic diffuser consist of thin-walled, coaxially arranged hollow cylinders. 6. Einlaufdiffusor nach einem oder mehreren der Ansprüche i bis 4 oder i bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anströmrichtung schräg verlaufenden Vorderflächen der Schichten so gestaltet sind, daß sie bei der Marschmachzahl eine glatte geschlossene Oberfläche bilden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 964 193; französische Patentschriften Nr. i 147 igi, 995 173; USA.-Patentschriften Nr. 2 638 738, 2 540 594.6. Inlet diffuser according to one or more of claims i to 4 or i to 3 and 5, characterized in that the front surfaces of the layers which run obliquely to the direction of flow are designed so that they form a smooth closed surface at the Marschmach number. Documents considered: German Patent No. 964 193; French Patent Nos. i 147 igi, 995 173; U.S. Patent Nos. 2,638,738, 2,540,594.