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Flugzeug mit einem Schubgebläse mit ringförmiger Düse Die Erfindung
betrifft ein Flugzeug mit einem Schubgebläse, dessen im Querschnitt ringförmige
Düse von einem Außenmantel und einem aus diesem nach hinten herausragenden Zentralkörper
gebildet wird.
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Ein solches Gebläse kann z. B. als Blattspitzenturbinengebläse ausgebildet
sein, bei dem die Turbinenschaufeln an dem Ende der Gebläseschaufelblätter angeordnet
sind und von den Ausströrn- oder Abgasen . eines anderenorts angeordneten
Gasgenerators angetrieben werden. Solche Triebwerke sind äußerst leistungsfähig
und fördern große Luftmengen mit verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten.
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Bei den mit solchen Triebwerken ausgerüsteten Flugzeugen ist es erwünscht,
mit dem Gebläse auch Auftrieb erzeugen zu können, was durch Verschwenken der gesamten
Antriebsmaschine oder durch Ablenken des Gebläsestroms nach unten erreicht werden
kann. Die Schwierigkeiten beim Verschwenken liegen darin, daß das Triebwerk im allgemeinen
sowohl einen großen Durchmesser als auch eine große Länge hat. Durch letztere kann
das Triebwerk beim Verschwenken mit dem Erdboden bzw. der Start- oder Landebahn
in Berührung bzw. diesen so nahe kommen, daß seine ausströmenden Gase nach dem Verlassen
des Triebwerks unmittelbar auf den Erdboden auftreffen, wodurch unerwünschte Gegendruckwirkungen
erzeugt werden. Eine vorteilhaftere Maßnahme zum Erzielen von vertikal gerichteten
Auftriebskräften mittels eines solchen Triebwerks ist das Umlenken der ausströmenden
Gase nach unten.
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Ein Triebwerk mit Vortriebs- oder Reisefluggebläse unterscheidet sich
von einem gewöhnlichen Einkreis-Turbinenstrahltriebwerk darin, daß es ein solches
mit niedrigem Druckverhältnis ist, das gegenüber Gegendrücken ziemlich empfindlich
ist. Bei Sperrung oder Drosselung hinter dem Vortriebsgebläse zum Umlenken der Ausströmung
nach unten wird der auf das Vortriebsgebläse einwirkende Gegendruck vermehrt, so
daß es unwirtschaftlich arbeitet und ein Leistungsverlust entsteht.
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Der wirksamste Weg zum Umlenken der Ausströmung ist die Ablenkung
mittels eines Gitters aus zueinander parallel liegenden Schaufeln, die nicht viel
Gegendruck erzeugen und in einem freien Strom in gewünschter Weise wirksam werden
können. Mit Hilfe eines derartigen Schaufelgitters läßt sich die Ausströmung ohne
jeden nennenswerten Druckabfall umlenken. Ein solches Schaufelgitter besteht lediglich
aus einer Reihe von Leitschaufeln mit vorzugsweise stromlinienförmigem Profil, die
in einem Rahmen befestigt oder in einem Rahmen verschwenk- oder verstellbar angeordnet
sind.
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Gebläse haben, wie bereits erwähnt, im allgemeinen einen relativ großen
Durchmesser, damit sie eine große Luftmenge bei niedrigen Geschwindigkeiten fördern
können. Folglich stellt das Einbringen eines Schaufelgitters quer zur Strömungsrichtung
in dem Triebwerk ein Problem insofern dar, als das Schaufelgitter irgendwo verbleiben
muß, wenn das Schubmittel nicht abgelenkt werden soll. Dies bedeutet, daß das Schaufelgitter
während des Reiseflugs außerhalb der Schubmittelströmung untergebracht werden muß.
In Arbeitslage soll das Schaufelgitter den Schubmittelstrom unter einem Winkel von
beispielsweise 451 schneiden, so daß dieser Strom infolge der Wölbung oder Krümmung
der einzelnen Leitschaufeln bei geringer Lageänderung in dem Triebwerk um 9011 oder
mehr umgelenkt werden kann. Ein Ab-
lenken über 900 hinaus mit Hilfe
von Leitschaufeln mit unterschiedlicher Wölbung oder Krümmung oder mittels verstellbarer
Leitschaufeln oder auf Grund einer Verstellung der Winkellage des Schaufelgitters
bewirkt eine Schubkraftumkehrung.
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Es sind bereits Schubkraft-Lenkvorrichtungen bekanntgeworden, die
im Außenmantel des Gebläses untergebracht sind. Dadurch wird jedoch der an sich
schon verhältnismäßig große Triebwerksdurchmesser noch vergrößert.
Weiterhin
sind Schubkraft-Lenkvorrichtungen bekanntgeworden, die sich zwar nicht im Außenmantel
des Triebwerks befinden, die aber den Nachteil haben, daß sich die zur Schubkraft-Lenkung
vorgesehenen verstellbaren Leitschaufeln dauernd im Strahlstrom befinden, also stets
einen nicht zu vernachlässigenden und die Leistung des Triebwerks herabsetzenden
Widerstand darstellen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein
Flugzeug mit einem Schubgebläse der beschriebenen Bauart mit einer Schubkraft-Lenkvorrichtung
zu schaffen, mit der sich zum Richten und auch zum Umkehren der Schubkraft die gesamte
oder nur ein Teil der Ausströmung ablenken läßt und die bei Nichtgebrauch ohne Vergrößerung
des Triebwerks in dessen Gehäuse untergebracht werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei dem Flugzeug der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß erfindungsgemäß im Zentralkörper ein Schaufelgitter längsliegend angeordnet
ist, das zur Strahlumlenkung nach unten zwecks Auftriebserzeugung nach öffnung der
Wand des Zentralkörpers unter seinem vorderen Teil und nach Rückwärtsverschiebung
der seinen hinteren Teil umgebenden Zentralkörperwand um eine Querachse in eine
Lage schwenkbar ist, in der es sich von vom unten nach hinten oben erstreckt -und
nach Auswärtsschwenken seitlicher Teile unter Bildung einer elliptischen Ringfläche
den gesamten Strahl erfaßt. -
Gegenüber den bekanntgewordenen Vorrichtungen
hat der erfindungsgemäße Aufbau den Vorteil, daß die Schubverluste sowohl bei Strahlumlenkung
als auch bei Nichtstrahlumlenkung verringert sind.
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In den F i g. 1 bis 5 der Zeichnungen ist die Erfindung
an Hand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt, welches nachstehend
näher erläutert ist. Es zeig F i g. 1 einen Teillängssehnitt bzw. eine Seitenansicht
durch ein typisches Strahltriebwerk mit den Ablenkmitteln für den Schubmittelstrom,
die sich in Normallage befinden, F i g. 2 einen Querschnitt durch das Triebwerk
längs der Linie 2-2 in F i g. 1,
F i g. 3 einen Teillängssehnitt bzw.
eine Seitenansicht entsprechend demjenigen in F i g. 1, wobei sich die Schubkraft-Lenkvorrichtung
in Betriebs-bzw. Arbeitsstellung befindet und mit ihrer Ebene den Weg des Schubmittelstromes
-schneidet, F i g. 4 eine Aufsicht auf das Schaufelgitter, F i
g. 5 eine schematische Darstellung der Schaufelgitter-Segmente in verschiedenen
Stellungen zum Richten der Schubkraft.
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F i g. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Turbinengebläses,
das eine Schubdüse mit Zentralkörper besitzt. Die Erfindung ist nicht auf ein solches
Triebwerk beschränkt, sondern ist zur einfacheren Veranschaulichung lediglich an
Hand eines solchen Strahltriebwerks im einzelnen beschrieben. Das Gebläse besteht
aus einem tonnenähnlichen Mantelteil 10 mit einem vorderen, stirnseitigen
Lufteinlaß, durch den beim Vorbewegen des Triebwerks Luft in den Triebwerkinnenraum
gelangt. Ein Zentralkörper 11
mit vorzugsweise aerodynainisch günstiger Form
ist in dem Mantel koaxial angeordnet und mittels beliebiger geeigneter Mittel, wie
beispielsweise Verstrebungen 12, gehalten. Wie in der Zeichnung veranschaulicht,
ist der Zentralkörper 11 so ausgebildet, daß er sich in Strömungsrichtuno,
bis hinter den C
Mantel 10 in der Weise erstreckt, daß er mit dem Mantel
10 eine ringförinige Schubdüse bildet. Die Querschnittsfläche der Schubdüse
läßt sich zwecks Veränderung der Schubkraft verstellen. Zur Beschleunigung der den
Mantel und die Schubdüse durchströmenden Luft ist innerhalb des Mantels
10
am vorderen Ende des Zentralkörpers 11 ein Gebläse 14 angeordnet.
Zweckmäßigerweise ist dieses Gebläse ein an sich bekanntes Blattspitzentarbinengebläse,
das durch auf die Turbinenschaufeln 15
einwirkende und dann in die Schubdüse
hinein abströmende Gase angetrieben wird. Ein nicht dargestellter Gasgenerator liefert
das Antriebsmittel für die Turbinenschaufeln 15.
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Wie bereits erwähnt, sind solche Triebwerke durch große Triebwerksdurchmesser
von vielleicht 2,4 in oder mehr gekennzeichnet, wobei ihre Länge etwa den dreifachen
Wert des Durchmessers hat. Folglich ist das Triebwerk ein relativ großes Bauteil,
das schwierig zu verschwenken ist, um vertikale Schubkräfte zu erzeugen.
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Das Triebwerk kann von an der Tragfläche des Flugzeugs angeordneten
Streben gehalten oder an dem Flugzeugrumpf - selbst angebracht sein. Ohne
Rücksicht auf die Lage des Triebwerks soll lediglich durch Umlenken des das Triebwerk
passierenden Schubmittelstromes eine senkrecht gerichtete Schubs kraft erzielt werden,
wobei das Schubmittel sowohl aus der durch das Triebwerk hindurchströmenden Umgebungsluft
als auch aus den von den Turbinenschaufeln 15 abströmenden Abgasen besteht.
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Bei -dem dargestellten Triebwerk -ist zum Unterbringen --einer Ablenkvorrichtung
insofern ein ge# eignetes Element vorhanden, als der Zentralkörper 11
entsprechend
nutzbar gemacht werden kann. Zu diesem Zweck ist der Zentralkörper 11 mit
-einem Hohlraum 16 versehen, der nach hinten und nach unten offen
ist. # Der Zentralkörper 11 dient somit einer doppelten Aufgabe, nämlich
der Bildung eines aerodynamisch günstigen Körpers. für den Schubmittelstrom entlang
seiner Oberfläche und als Teil für die Unterbringung der nachstehend noch näher
zu beschreibenden Schubkraft-Lenkmittel.
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Um den durch das Triebwerk hindurchtretenden Schubmittelstrom abzulenken,
-sind Urnlenkmittel vorgesehen, die aus einem mit Leitschaufeln versehenen
Schaufelgitter 17 bestehen, welches in F i g. 4 im einzelnen dargestellt
ist. Dieses Schaufelgitter 17 soll den Schubmittelstrom zum Erzeugen eines
maximalen Auftriebs hinter dem Austrittsquerschnitt der Schubdüse 13 ablenken.
Wie in F i g. 4 gezeigt, hat das aus Leitschaufeln 18 bestehende Schaufelgitter
17 in Aufsicht die Form einer Ellipse; die einzelnen Leitschaufeln
18 haben eine geeignete Krümmung, damit sie den Schubmittelstrom nach unten
umlenken können. Die Ebene des Gitters 17 schneidet, wenn dieses sich in
seiner in F i g. 3 gezeigten Betriebs-, stellung befindet, den Weg des Schubmittels,
um ihn mit Hilfe der Leitschaufeln 18 nach unten abzulenken. Sowohl die Krümmung
der einzelnen Leitschaufeln 18 als auch die Schnittebene des Schaufelgitters
17 in bezug auf den Weg des Schubmittels bestimmen den Winkel der abwärtsgerichteten
Schubkraft. Eine Bremsschubkraft läßt sich erzielen, indem das Schubmittel über
die Senkrechte hinaus in Richtung nach vom umgelenkt wird. Vorzugsweise sind die
Leitschaufeln für das jeweilige besondere Triebwerk in einer bestimmten Stellung
befestigt; es ist aber
auch möglich, die Leitschaufeln des Gitters
verstellbar auszubilden, um die Schubkraft zu richten bzw. diese sogar umzukehren.
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Um das Schaufelgitter 17 während des Reisefluges zu verstauen
(vgl. Fig. 1), ist es, wie insbesondere aus F i g. 4 hervorgeht, in
mindestens drei Segmente unterteilt, so daß zwei äußere Flügelteile 19 und
20 gebildet werden. Zum Einschwenken der äußeren Flügelteile 19 bzw. 20 ist
ein jedes Flügelteil um Längsachsen 21 bzw. 22 schwenkbar gelagert, die die Flügelteile
zur Bildung des gesamten Schaufelgitters mit einem zentralen Segment 23 verbinden.
Um alle Segment- bzw. Flügelteile 19, 20, 23 im inneren Hohlraum
16 des Zentralkörpers 11 verstauen und zur Schubkraftlenkung das ebene
Gitter großflächiger als die Querschnittsfläche des Zentralkörpers ausbilden zu
können, sind die Flügelteile 19 und 20 um ihre Achsen 21 bzw. 22 mit Hilfe
beliebiger geeigneter Betätigungselemente 24 zu- bzw. gegeneinander klappbar.
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Zur Befestigung des Schaufelgitters ist der Zentralkörper
11 mit einer geeigneten Halterung 25 versehen. An dieser ist das Gitter
17 mit dem zentralen Segment 23 mittels seiner Drehachse
26, die quer zur Längsachse des Triebwerks verläuft, gelagert. Zum Schwenken
und anschließenden bzw. vorherigen Zusammenklappen des Gitters 17 kann jede
beliebige geeignete Betätigungsvorrichtung 27, beispielsweise ein Winkelhebelgetriebe
od. dgl. verwendet werden, durch welches das Gitter, wie in F i g. 3 durch
den Pfeil angedeutet, zunächst geschwenkt wird. Die Drehachse 26 ist so angeordnet,
daß sich die Teile vor und hinter dieser im Gleichgewicht befinden, damit die für
das Verschwenken des Gitters erforderliche Kraft so klein wie irgend möglich gehalten
wird. Das Schaufelgitter ist also ausgewogen, und dies insbesondere auch hinsichtlich
der durch den Schubmittelstrom auftretenden, auf das Gitter einwirkenden Drehmomente.
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Wie zuvor erwähnt, werden die Flügelteile 19 und 20 des Schaufelgitters
17 zunächst um die Drehachsen 21 bzw. 22 gegenüber dem mittleren Teil
23
geschwenkt; dadurch wird das Gitter zusammengeklappt; danach wird dann
das zusammengeklappte Gitter 17 um die Drehachse 26 in seine Ruhelage
im inneren Hohlraum 16 des Zentralkörpers 11 geschwenkt. Die die äußeren
Flügelteile 19 und 20 von dem mittleren Teil 23 getragen werden, werden
durch dessen Verschwenken mit Hilfe der Betätigungsvorrichtung 27
alle zusammengeklappten
Teile des Gitters zu ihrer Unterbringung im Inneren des Zentralkörpers
11 in den Hohlraum 16 hineingeschwenkt. Bei dem vorstehend beschriebenen
Aufbau ist das Gitter 17 in dem kühlen Bereich des Schubmittelstromes untergebracht,
so daß also die durch hohe Temperaturen bedingten Probleme vermieden werden. In
Betriebslage des Gitters, in der dieses den Schubmittelstrom abfängt, werden sowohl
die heißen Abgase an der Peripherie als auch der vom Gebläse geförderte Luftstrom
geschnitten. Es wird also der gesamte Schubmittelstrom, d. h. dessen kalter
und warmer Teil abgefangen und umgelenkt.
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F i g. 5 zeigt schematisch mehrere Stellungen der Flügelteile
19 und 20 des Schaufelgitters 17. In seiner geöffneten Stellung wird
der gesamte Schubmittelstrom, wie auch aus F i g. 3 ersichtlich, abgelenkt.
Ein teilweises Verschwenken der Flügelteile des Gitters oder beispielsweise nur
eines Flügelteiles 20, in die dargestellte Zwischenstellung äußert sich darin, daß
dann nur ein Teil des die Schubdüse passierenden Schubmittelstromes von dem Schaufelgitter
erfaßt wird, während der übrige Teil des Schubmittelstromes axial nach hinten abströmt;
die resultierende Schubkraft liegt dann zwischen der vertikalen und der horizontalen
Kraftkomponente, so daß sich dieWirkungsrichtung der Schubkraft einstellen läßt,
und zwar in Abhängigkeit von der Stellung der Flügelteile und davon, wieviel diese
von dem Schubmittelstrom abfangen und nach unten ablenken. In der Normalfluglage
(vgl. F i g. 1 und 5) strömt der gesamte Schubmittelstrom zur Erzeugung
von Schubkraft für den Reiseflug von dem Triebwerk aus axial nach hinten ab, wobei
sich die Segmente des Schaufelgitters in eingeklappter Lage befinden.
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Das Zusammenklappen und Verschwenken der Schaufelgitter-Segmente erfordert,
einen Hohlraum 16 mit einer Öffnung in der Wandung des Zentralkörpers vorzusehen.
Somit sind also Mittel zum Verschließen dieser Öffnung notwendig, um wie in F i
g. 1
dargestellt, einen aerodynamisch günstigen Zentralkörper mit glatter
Außenfläche zu erhalten. Zweckmäßigerweise bestehen diese Mittel aus zwei Klappen
28, die aus einer geschlossenen (voll ausgezogen dargestellten) Stellung
(vgl. F i g. 2) in eine geöffnete (gestrichelt dargestellte) Stellung im
Inneren des Zentralkörpers 11 schwenkbar sind.
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Es kann aber auch zusätzlich noch, wie insbesondere aus F i
g. 1 hervorgeht, ein hohles kegelförmiges Mantelteil 29 vorgesehen
sein, welches so ausgebildet ist, daß es sich der Gestalt der Öffnung, die es verschließen
soll, anpaßt. Das axiale Verschieben des Mantelteiles 29 läßt sich auf vielerlei
Art erzielen. Beispielsweise ließe sich die Halterung 25 mit einer sich in
Längsrichtung nach hinten erstreckenden Führungsschiene 30 versehen, an welcher
das Mantelteil 29 gelagert und mittels einer geeigneten Betätigungsvorrichtung
31 versehen ist, damit durch seine Längsverschiebung auf der Führungsschiene
nach hinten über das in Strömungsrichtung hintere Ende des Zentralkörpers
11 dessen innerer Hohlraum (vgl. F i g. 3) und bei entgegengesetzter
Längsverschiebung die Öffnung des Hohlraumes geschlossen wird (vgl. F i
g. 1). In der geschlossenen Lage des Mantelteiles 29 und der Klappen
28 hat der Zentralkörper 11
eine aerodynamisch günstige glatte Oberfläche
für den Reise- oder Horizontalflugbetrieb. Im übrigen hat das hohle Mantelteil
29 in seiner in F i g. 3
gezeigten geöffneten Lage dem nach rückwärts
gerichteten Schubmittelfluß nur einen sehr geringen Luftwiderstand, insbesondere
da der Hohlmantel 29
in seiner hinteren oder geöffneten Stellung über dem
in F i g. 3 gestrichelt dargestellten, in Strömungsrichtung hinteren Ende
des Zentralkörpers 11 den unmittelbaren Schubmitteldurchfluß durch ihn hindurch
und nach hinten zuläßt, entgegenzusetzen.
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Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführung des Schaufelgitters
in Form eines Ringes ist die Mög-
lichkeit gegeben, in dem von Leitschaufeln
freien Mittelteil die Halterung 25 sowie die Betätigungselemente
27 und 31 anzuordnen.
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Wie dargelegt, bewirkt das Schaufelgitter gemäß der Erfindung die
für den Auftrieb erforderliche Ablenkung des Schubmittelstromes. Außerdem ist es
möglich, die Schubkraft umzukehren, um eine Bremsschubkraft zu erzielen. In Abhängigkeit
von den einzelnen Leitschaufeln, ihrer Wölbung oder Krümmung
und
davon, ob sie in den Flügelteilen feststehend oder verstellbar sind, läßt sich ein
Richten der Schubkraft erreichen. Zu einer Ablenkung zwecks Erzeugung von Auftriebskräften
ist das gesamte Schaufelgitter in seiner geöffneten Lage größer als der Zentralkörper,
in dem dieses normalerweise untergebracht ist. Das Unterbringen des Schaufelgitters
während des Reisefluges erfolgt derart, daß man dieses zusammenklappt, in den Zentralkörper
hineinkippt und die in ihm vorhandenen Öffnungen schließt. Das Ganze bildet eine
kompakte, wenig Raum in Anspruch nehmende Vorrichtung, die beim Reiseflug im wesentlichen
keinen Widerstand bietet und alle Vorteile eines Schaufelgitteraufbaus in sich birgt.