DE977380C - Verstellbarer Diffusor fuer Strahltriebwerke mit UEberschallfluggeschwindigkeit - 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.
• 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.
• Es bedeuten die Ziffern i, 9, 17,25 Stromlinien der Außenströmung, 2, ro die ersten Stoßflächen (Keil) bzw.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• In Fig. 3 a bildet das Schichtenpaket die Kontur eines sogenannten Prandtl-Meyer-Diffusors (englisch: isentropic diffuser) für eine kleine Machzahl.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (6)

1. 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.
2. 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.
3. 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..
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.
5. 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.
6. 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.