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Eintrittsdüse für mit Uberschallgeschwindigkeit fortzubewegende Apparate
Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Düsen bzw. Strahltriebwerken für Überschallgeschwindigkeit,
mit welchen ein, sehr hoher Wirkungsgrad bei der Verdichtung im vorderen Teil der
Düse bzw. dies Triebwerkes erzielt wird.
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Bekanntlich ist ein. Heißstrahltriebwerk, ein Turbomotor oder eine
Gasturbine nur brauchbar, wenn der Wirkungsgrad der Verdichtung, die an ihrem Vorderteil
erfolgt, von der Größenordnung von o,9o bis z ist. ist, der gesamte Vortrieb bzw.
Schub, der mit diesen, Apparaten erzielt werden kann, gleich. der Differenz zwischen
dem Schub,, der durch die. Rückwirkung bzw. den Rückstoß der Gase am Austritt der
Düse erzeugt wird,, und. dem Zug auf Grund. der Verdichtungskraft. Um ein Beispiel
zu nennen: Wenn die Verdichtung 5oo PS erfordert und der Rückstoß mit einer Leistung
vom, 700 PS erfolgt, beträgt die, Gesamtleistung Zoo PS. Daraus ergibt sich,
da,ß jeder Verlust im Wirkungsgrad der Verdichtung einen 2,5fach größeren Verlust
im Wirkungsgrad an der gesamten Leistung (in dem gewählten Beispiel) hat. Demzufolge
kann. die Düse nur in dem Maße als ein Vortriebsmittel betrachtet werden, wie die
Verdichtung mit. sehr hohen Wirkungsgraden durchgeführt wird. Im
Unterschallbereich
berentet das Problem keine: beson.dere Schwierigkeit. Aber im Überschallbereich
werden: durch die Bildung der Stoßwellen Energieverluste hervorgerufen, die bisher
nicht ausgeschaltet werden konnten.
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Zum besseren Verständnis der Eigenart dieser Erscheinung wird dieselbe
nachstehend mit Bezug auf die schematische Darstellung in, F'ig. z der Zeichnung
erläutert.
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Wenn. ein Kegel r vom Scheitelwinkel a sich mit Überschallgeschwindigkeit.
bewegt, so zeigt die Erfahrung, daß sich eine ebenfalls konische Machwelle (Stoßwelle
2) bildet, die mit dem. Kegel gleichachsig ist und deren, Scheitelwinkel ,8 eine
Funktion der Geschwindigkeit des Kegels (Machzahl) und. des Winkels a ist. Voraus-
von diesem Kegel ist: die Gasströmung nicht gestört., während achteraus die Strömungsfäden
abgeleckt und; verzögert werden und der Druck achteraus größer als der Druck voraus
ist.
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Die Erfahrung zeigt ferner, daß für einen: derartigen Kegel, der mit
einer bestimmten Machzahl sich bewegen soll, die besten. Wirkungsgrade der Verdichtung
in- der Größenordnung von, o,8 liegen, was viel zu. gering ist, um als Grundlage
für die Verwirklichung einer Düse bzw. eines Triebwerkes zu dienen., das, eine konische
Nase aufweist, welche gleichachsig mit der eigentlichen Düse ist und mit dieser
einen konvergierenden ringförmigen Einlaß bildet.
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Es ist ferner eine Eintrittsdüse für mit Überschallgeschwindigkeit
fortzubewegende Apparate bekannt, in welcher ein teilweise vorspringender zentraler
Körper, von doppelkegelförmiger Gestalt angeordnet ist:, welcher mit den Düsenwänden
einen ringförmigen. Eimaß bildet und dessen rückwärtiger Teil zum Ende hin, stetig
abnimmt und der im wesentlichen gleichachsig zur Düse angeordnet ist, während der
Winkel zwischen: der Düsenachse und der Tangente an die Mantelfläche des vorspringenden,
Teils des zentralen. Körpers in. jeder meridianen Ebene in. Strömungsrichtung kontinuierlich
bis zu einem Höchstwert wächst, um nach. diesem Wendepunkt dann. abzunehmen. Auch
diese Anordnung bringt keine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades., und zwar
auch dann nicht, wenn man; die Spitze des zentralen Körpers mit einer weiteren ringförmigen.
Mantelfläche umgibt.
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Eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades. kann jedoch bei
einer Eintrittsdüse; der vorgenannten. Art; welche die kege@lstumpfähnliche Düse
an dr Spitze des. Körpers nicht enthält, erfindungsgemäß dadurch erzielt werden:,
daß der vordere Teil des Körpers wenigstens in: der Zone, die sich vor dem Wendepunkt
befindet, mit öffnungen, wie z. B. Löchern, Sehlitzen, Unterbrechungen, porösen
Wänden od. dgl., versehen ist, welche mit der Außenseite der Düse durch. geeignete
Mittel in. Verbindung stehen, die derart angeordnet sind, daß sie die Strömung möglichst
wenig stören, zu dem Zweck, diese Öffnungen mit einer Zone des gleichen statischen
Druckes in Verbindung zu bringen, wie er vor der Eintrittsdüse herrscht.
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Auf diese Weise wird eine Gre@nzschichtabsa.ugung längs der Oberfläche
der so gebildeten Nase erzielt, durch, welche die Strömung stabilisiert und der
Wirkungsgrad. der Verdichtung in überraschendem Ausmaß verbessert wird. WinIkanalversuche
haben gezeigt, daß bei einer Machzahl von 2 Kompressionswirkungsgraden in der Größenordnung
von, 0,97 bis o,98 erhalten werden, woben sich sogar die Möglichkeit abzeichnete,
dem Wert r noch näher kommen, zu können.
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Um die Stoßwellen, am Einlaß der Düse zu vermeiden. und uni dem Apparat
mehr Anpassungsfähigkeit im Betrieb zu verleihen, sieht die Erfindung ferner vor,
daß der Höchstwert des Winkels zwischen, der Achse der Düse und der Tangente an
die Oberfläche der vorspringenden gleichachsigen Nase festgelegt wird als Funktion
der besonderen Eigenschaften, des Apparates (vor allem der Machzahl, für den er
bestimmt ist) derart, dali durch die Verzögerung, welche von der Verdichtung längs
der Wände des. Kegels. hervorgerufen wird, die Geschwindigkeit des Gasstromes relativ
zur Düse in die Nähe der Schallgeschwindigkeit querab. vom Einlaß der Düse zurückgeführt
wird. Die Luft tritt somit in die Düse mit Schallgeschwindigkeit ein, d. h@. ohne
Störung bzw. Wirbelung, wodurch ein einwandfreies Arbeitern bei verschiedenen Machzahlen
ermöglicht wird.
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Ein, weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß die hervorstehende
Nase eine solche Krümmung erhält, d.aß die Umhüllung der Machwellen entsprechend
dien Elementarflächen der Nase eine Ringfläche bildet, deren Querschnitt durch.
eine Meridianebene sich, möglichst weitgehend. einem punktförmigen. Bereich annähert,
wobei die ringförmige vordere Kante der Düse außerdem im Inneren dieser Umhüllung
liegt.
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Der Versuch zeigt nämlich, d@aß diese ringförmige Zone als Umhüllung
der Machwellen un.-stabnl ist und selbst den Ursprung einer Machwelle bildet. Dadurch,
daß die Vorderkante der Düse in das Innere dieser Zone gelegt wird, werden die Nachteile
dler Störungen durgh die so gebildete Machwelle völlig beseitigt.
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Eine andere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Düse
mit einer vorderen.. Angriffskante: versehen, wird, die in der Längsrichtung in
bezug auf die hervorstehende Nase verschiebbar ist zu denn Zweck, im Fluge den Eindaßquerschnitt
der Düse zu regeln,, wobei diese Regelung durch geeignete Steuereinrichtungen. selbsttätig
in Abhängigkeit von beliebigen geeigneten Parametern erfolgen kann.
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Diese sowie weitere Kennzeichen der Erfindung sind, nachstehend, ausführlicher
mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in welcher die Erfindung beispielsweise
veranschaulicht ist. Es zeigt Fig. r einen schematischen. Achsschnitt durch einen.
Kegel, der sich mit Überschallgeschwindigkeit fortbewegt, und seine Machwelle,
Fig.
a einen schematischen Achsschnitt durch eine Düse bzw. ein Triebwerk, das mit den
Merkmalen der. Erfindung ausgestattet ist, Fig.3 eine schematische Darstellung von
Einzelheiten des Vorderteils der Düse nach Fig. a, Fig. 4 einen. Querschnitt in
der Ebene A-B in Fig. a, Fig. 5 eine Abwandlung der Düse nach. Fig. a, von. der
nur der Vorderteil dargestellt ist.
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Wie aus Fig. z bis 5 ersichtlich, weist die Düse bzw. das Triebwerk
nach der Erfindung einen zylindrischen Körper i, der die eigentliche Düse bildet,
und einen gleichachsigen inneren. Körper Z auf, der bei 3 vorspringt und mit der
Düse i einen. ringförmigen Einlaß 5 bildet. Die vorspringende Nase 3 ist derart
ausgebildet, daß der Winkel a (Fig. 3) zwischen. der Tangente an ihre Oberfläche
und der Achse 4 kontinuierlich in der Strömungrichtung (Pfeil E) zunimmt bis zu
einem Wendepunkt 6, der ungefähr querab von. der Vorderkante 7 liegt, um dann stetig
abzunehmen; hierbei ist die Oberfläche der Nase 3 außerdem, wenigstens in ihrem
Teil vor dem erwähnten Wendepunkt 6, mit Durchbrüchen, Öffnungen, Löchern 8 versehen,
die mittels des Kanals g in Verbindung mit der Außenfläche der Düse i in der Zone
io stehen, in der das umgebende Strömungsmittel praktisch am wenigsten. durch den
Vorbeigang der Düse gestört ist und in welcher der Druck dem »im Unendlichen herrschenden
Druck« angeglichen werden kann.
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Wenn man, andererseits die in Fig.3 dargestellten Verhältnisse betrachtet,
erkennt man, daß jede Elementarfläche der so ausgebildeten Nase eine elementare
Ablenkung der Strömungsfäden, also eine elementare Machwelle 13, 13b,
13,
usw. hervorruft. Hierbei handelt es sich. wegen der stetigen Änderungen
des Winkels a um theoretische Welleny doch stellen dieselben. graphisch die Kurven
gleicher Machzahlen oder die Isobaren. der Gasströmung dar.
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Gemäß einem Kennzeichen der Erfindung sind der Punkt 6 und die Vorderkante
7 auf der Machwelle angeordnet, die etwa dem Wert m = i entspricht, d. h, derjenigen
Zone, in der das Strömungsmittel etwa bis auf die Schallgeschwindigkeit verzögert
worden ist, wodurch die Stoßwellen am Eindaß der Düse vermieden werden und das einwandfreie
Arbeiten über einen Bereich verschiedener Machzahlen ermöglicht wird.
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Ferner wird. gemäß der Erfindung der Nase 3 eine solche Krümmung erteilt,
daß in. einer Meridianebene wie derjenigen der Zeichnung die Spuren. der Machwellen
13Q, i36, 13, usw. eine stark reduzierte Zone 14 einhüllen, wobei die Vorderkante
7 der Düse irri Inneren. des durch diese Zone: 14 gebildeten Ringes zwischen der
Achse 4. und der Zone 14 liegt. Die Zone 14 erweist sich nämlich als eine gestörte
Zone, von der eine Machwelle 23 ausgeht, und diese Anordnung ermöglicht,
die Nachteile derselben zu vermeiden. Selbstverständlich kann die Vorderkante 7
in einem beliebigen Punkt zwischen. dem Körper 3 und der Zone 14 angeordnet sein.
Um den Eindaßquerschnitt nach Belieben regeln zu können, ist außerdem der vordere
Teil i. der Düse i in der Längsrichtung in bezug auf den Hauptkörper der Düse beweglich
gemacht; dieser Teil i" ist zu diesem Zweck auf dem Hauptkörper muffenartig gleitend
angebracht, wobei die Verbindung durch eine Mehrzahl von Stellstangen 15 gebildet
wird., die mit Servomotoren. verbunden sind:, welche ihnen. die geeignete Längsbewegung
erteilen, und zwar entweder unter der Einwirkung der Handsteuerung des Piloten oder
unter der Einwirkung einer selbsttätigen Regelung, die in Abhängigkeit von geeignet
ausgewählten Parametern gebracht ist, wie beispielsweise von dem im Einlaßquerschnitt
herrschenden Druck und/oder von. der Temperatur der Düse.
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Es ist zu beachten, daß die Vorderfläche der Nase 3, welche mit Öffnungen
8 versehen ist, auf ganz verschiedene Weise verwirklicht werden kann,, wobei unter
anderem eng anliegende Löcher, Schlitze, poröse "Wandungen in den Rahmen der Erfindung
fallen.. Derartige Anordnungen. sind. im einzelnen bereits bekannt.
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Bei der praktischen Ausführung des Apparates nach der Erfindung kann
der zentrale Körper in der dargestellten Weise, d:. h. in Form eines doppelwandigen
Körpers ausgeführt werden, wobei der Raum 16 zwischen den-Wänden dazu dient, die
Außenfläche der Wand der Nase 3 mit der Zone io in Verbindung zu setzen.
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Außerdem werden diese Lochungen od. dgl. vorteilhaft über die Zone
6 hinaus fortgesetzt, sowie ebenfalls über die Innenseite des Einlasses der Düse,
wie in Fig. 4 dargestellt ist.
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Die Lochdichte braucht nicht über die ganze Fläche der Nase konstant
zu sein. Insbesondere am vorderen Ende der Nase, wo ein sehr schwacher Druck herrscht,
sind die Löcher wenig wirksam, müssen also im Verhältnis zahlreicher sein, während
sie ihre ganze Wirksaankeit in der Zone haben, die der Vorderkante der Düse unmittelbar
vorausgeht, so daß sie hier für dasselbe Ergebnis weniger dicht. sein können.
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Dieser Umstand sowie die praktische Unmöglichkeit, die Nase unter
einem äußerst kleinen Winkel spitz auslaufen zu lassen., führt zu der abgewandelten.
Ausführung nach Fig. 5, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nase 3 aus einem
Kegel mit einem Scheitelwinkel besteht, der nicht zu vernachlässigen' ist, jedoch
klein genug ist, um lediglich eine Machwelle zu erzeugen, die praktisch vernachlässigt
werden kanny wobei dieser Kegel eine glatte Oberfläche haben kann und sich an diesen
Kegel eine komische Fläche anschließt, deren Form der obigen. Definition entspricht
und die mit Löchern., Durchbrüchen oder anderen Öffnungen in. der bereits beschriebenen
Weise bedeckt ist; ferner ist ein ringförmiger Schlitz an der Rückseite des vorderen
Kegels vorgesehen, der leicht über den Kegel hin:weggreift; dies ist dadurch bewirkt,
daß der Anfangsdurchmesser der durchbrochenem Fläche bei 17 einen Wert erhält,
der etwas größer als der Abschlußdurchmesser dcs
Kegels ist, und
zwar ausreichend, damit die Grenzschicht, die sich auf dem Kegel ausgebildet hat,
unverzüglich in. dem Punkt, wo sie die durchbrochene Oberfläche erreicht, aufgezehrt
wird. Es ist zu beachten, daß das Abströmen über den durchbrochenen. Kegelaa kein
besonderes Problem aufwirft. Da der Winkel a hier nämlich konstant ist, ist die
Geschwindigkeit der Strömungsfäden längs des Kegels niemals Null, und obgleich die
Grenzschicht einen. geringen. Verlust bedingt, erzeugt sie keine unüberwindbare
Beeinflussung der Einlaufströmung, da sie auf jeden Fall nach rückwärts abgeführt
wird. Dagegen. muß in der Zone zwischen, dem Kegel und dem Eirnla.ß der Düse eine-
geeignete Lochdichte vorgesehen werden, denn das Fortschreiten. der Verdichtung
hat das Bestreben, die völlige Verwirrung bzw. Störung des Abströmens, das Stillsetzen
der Strömungsfäden. und.die Verstopfung der Düse hervorzurufen, wie bereits dargelegt
worden ist. Hieraus ergibt sich die Bedeutung der Maßnahme, durch einen Ringschlitz
17 die Gtenzschicht, die sich auf dem Kegel 3" gebildet hat, abzuführen, damit diese
Schicht sich mit ihren. Wirkungen. nicht denjenigen Wirkungen, überlagert, die von
der fortschreitenden. Änderung des Winkels a in der anschließenden Zone herrühren.
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Die Merkmale der Erfindung sind nicht nur im Falle der thermischen
Vortriebsdüsen bzw. Heißstrahltriebwerke anwendbar, sondern auch im Falle der Einlaßdüsen
aller Apparate, die dazu bestimmt sind, mit Überschallgeschwindigkeiten vorgetrieben
zu werden oder vorzutreiben.