DE971025C - Vorrichtung zum Ablenken eines aus einer Leitung ausstroemenden Strahles - Google Patents

Description

Paris

Es ist bereits von Young vor über 150 Jahren angegeben worden (H. Bouasse, »Tourbillons, Forces acoustiques, Circulation«, Verlag Delagrave, Paris, 1931, Bd. II, S. 341 ff.), daß ein dünner Strahl durch die konvex gekrümmte Oberfläche eines Körpers angezogen wird, wenn der Körper dem Strahl senkrecht genähert wird. Später wurde von Carriere gezeigt, daß ein Gasstrahl der Kontur von abgerundeten Hindernissen zu folgen sucht.

Diese Eigenschaft eines aus einem Spalt austretenden Strahles, einer konvexen Fläche zu folgen, welche eine der Lippen des Spaltes nach außen verlängert, ist in neuerer Zeit als Coanda-Effekt bezeichnet worden. Die so erhaltene Ablenkung des Strahles tritt jedoch nur bei sehr engen Spalten auf.

Bei gewöhnlichen Leitungen, deren Mündung nicht die Form eines engen Spaltes haben, kann durch den Young- bzw. Coanda-Effekt keine merkbare Ablenkung herbeigeführt werden.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, welche einen aus einer Leitung beliebigen Querschnitts ausströmenden Strahl in jeder gewünschten Weise abzulenken gestattet.

Gemäß der Erfindung besteht eine Vorrichtung zum Ablenken eines aus einer Leitung ausströmenden Strahles, dessen Breite so groß ist, daß er im Ganzen durch den sogenannten Young- bzw. Coanda-Effekt allein keine merkbare Ablenkung er-

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fährt, aus der Kombination einer an sich bekannten, in der gewünschten Ablenkrichtung gekrümmten Fortsetzung der Leitungswand und eines Hindernisses, daß allein ebenfalls keine wesentliche Ablenkung des Strahles hervorrufen würde, wobei dieses Hindernis entweder aus einem scharfkantigen Körper besteht, der nur einen kleinen Teil des Leitungsquerschnitts versperrt und auf der der gekrümmten Wandfortsetzung gegenüberliegenden ίο Seite des abzulenkenden Strahles oder Teilstrahles angeordnet ist, oder von einem strömenden Medium gebildet wird, das auf der der gekrümmten Wandfortsetzung gegenüberliegenden Seite des abzulenkenden Strahles oder Teilstrahles zugeführt wird und eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Hauptstrahl besitzt.

Während das Hindernis allein nur eine geringe Ablenkung bewirken würde und auch die gekrümmte Fortsetzung der Leitungswand allein keine merkbare Ablenkung liefern würde, wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination dieser Elemente in unerwarteter Weise eine starke Ablenkung des aus einer Leitung beliebigen Querschnitts ausströmenden Strahles erzielt, wobei die Ablenkung in jeder gewünschten Weise regelbar ist. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an verschiedenen Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. ι ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips;

Fig. 2 bis 9 zeigen schematisch im Längsschnitt

bzw. in Endansicht vier Beispiele von Leitungen, die mit verschiedenen Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Ablenken des ausströmenden Strahles ausgerüstet sind;

Fig. 10 bis 15 sind schematische Längs- bzw. Querschnitte von Leitungen, an welchen weitere Ausführungsformen der Ablenkvorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht sind;

Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit Absaugung der Grenzschicht des abgelenkten Strahles;

Fig. 17 und 18 veranschaulichen die Anwendung einer Ablenkvorrichtung gemäß der Erfindung bei einem Staustrahltriebwerk;

Fig. 19 und 20 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem Rückstoßantrieb;

Fig. 21 und 22 veranschaulichen eine Abwandlung der Ablenkvorrichtung gemäß Fig. 19 und 20. In Fig. i, die zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips dient, ist eine Leitung im Schnitt ABA'B' wiedergegeben, durch welche ein Medium strömt, das im allgemeinen aus Gas besteht, das aber ebensogut eine Flüssigkeit sein kann. Die Leitung besitzt eine zunächst konvergent und dann divergent verlaufende Form. Unter normalen Bedingungen strömt das Medium in Richtung der Leitungsachse und unterliegt den Geschwindigkeits- und Druckänderungen, wie sie sich aus den Strömungsgesetzen ergeben.

Am Ausgang der Leitung kann die gewünschte Ablenkung des Strahles, z. B. nach oben, wie in Fig. ι angenommen, durch ein unsymmetrisch zum Strahl liegendes Hindernis E-N' herbeigeführt werden, welches an derjenigen Seite der Leitungswandung angeordnet ist, welche der Seite gegenüberliegt, gegen welche die Ablenkung erfolgen soll.

Dieses Hindernis, das in dem Beispiel nach Fig. ι eine im spitzen Winkel zur Leitungs wandung angeordnete Scheidewand in der Nähe der engsten Stelle der Leitung bildet und gegen den Strom des Mediums geneigt ist, erzeugt ein Ablösen des Strahles von der Wand A'B' auf Grund einer ortliehen Druckerhöhung. Die Reibung des Strahles auf der an der Wandung haftenden Grenzschicht wird durch die Reibung auf einer ruhenden Luftschicht ersetzt. Diese letztere Reibung ist beträchtlich schwächer, weil die Luft dieser Schicht ohne merklichen Widerstand mitgerissen wird. Dies führt dazu, daß die Tangentialkräfte, welche die Wandung der Strömung entgegensetzt, nicht mehr symmetrisch in bezug auf die Leitungsachse verlaufen und ein Moment ergeben, welches den Strahl ablenkt.

Diese durch das Hindernis E-E' verursachte Ablenkung wird dadurch verstärkt, daß in der Leitung stromabwärts von dem Hindernis eine Strömung erzeugt wird, welche auf den Strahl eine Tangen- go tialkraft ausübt, die um so größer ist, je stärker der Strahl selbst abgelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der dem Hindernis E-E' gegenüberliegende Teil Leitung eine Wandfortsetzung bildet, welche in Richtung der Ablenkung, wie dies in Fig. ι durch die gestrichelte Linie B-C angedeutet ist, konvex gekrümmt ist. Der von dem Hindernis E-E' abgelenkte Strahl sucht an dieser gekrümmten Wandfortsetzung unter dem Einfluß der Tangentialkraft F zu haften, welche die Grenzschicht auf den ioo Strahl ausübt und welche durch die \^"iskositätskräfte /1 der Stromfäden im Gleichgewicht gehalten wird, die sich gegeneinander verschieben. Damit das Gleichgewicht dieser Kräfte vorhanden ist, ist es nötig, daß die Geschwindigkeit des abgelenkten Strahles in der Nähe der Wandung größer ist als an seiner Außenseite. Daraus ergibt sich (nach dem Theorem von Bernoulli), daß der Druck P τ nahe der Wandung viel kleiner als der Druck P 2 an der Außenseite des Strahles ist. Der Strahl wird somit durch Unterdruck an der Wandung gehalten.

Die Ablenkung hört auf, sobald der Strahl sich von der gekrümmten Wandung trennt. Die Erscheinung ist vergleichbar mit dem Ablösen der Luft an dem gebogenen Rücken eines Flugzeugflügels. Der Strahl breitet sich gegen die gekrümmte Wandung in solcher Weise aus, daß schließlich in dem ganzen Strahl eine gleichförmige Geschwindigkeit erhalten wird.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ist eine Düse 1 dargestellt, welche die Form eines Umdrehungskörpers hat. Mit 2 ist das Hindernis bezeichnet, das am Ausgang der Düse hinter deren engster Stelle angeordnet ist und die Gestalt einer scharfkantigen halbmondförmigen Scheidewand hat, welche sich über etwas

mehr als den halben Umfang des sich nach außen erweiternden Endteil der Düse erstreckt. Mit 3 ist die gekrümmte Wandfortsetzung bezeichnet, gegen welche die Ablenkung erfolgt.

Bei der in den Fig. 4 und 5 wiedergegebenen Ausführungsform hat die Düse 1 rechteckigen Querschnitt. Ihre Strahlauslaßöffnung 4 hat die Gestalt eines breiten Spaltes, der parallel zur großen Seite des Rechteckes der Düse liegt. Das Hindernis wird hier durch ein strömendes Medium erzeugt, welches dem Hauptstrom an einer stromaufwärts liegenden Stelle über eine Abzweigleitung 5 entnommen und durch einen Spalt 6 in den Hauptstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Hauptstrahl eingeführt wird. Die Abzweigung des zur Erzeugung des Hindernisses dienenden Mediums in die Abzweigleitung 5 erfolgt selbsttätig, da der statische Druck an der verengten Auslaßöffnung 4 der Düse geringer als der an der Abzweigstelle herrschende Druck ist. Durch das von dem strömenden Medium gebildete Hindernis und durch die an die gegenüberliegenden Düsenwand angeordnete, gekrümmte Wandfortsetzung 3 wird, wie oben beschrieben, eine starke Ablenkung des aus der Düse austretenden Strahles bewirkt.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Ausführungsform ähnelt derjenigen gemäß den Fig. 2 und 3, jedoch weist sie ein Hindernis 2 in Form einer schmalen Rippe auf, die eine solche Höhe besitzt, daß sie den Strahl nach der gegenüberliegenden gekrümmten Wandfortsetzung 3 der Düse 1 hin ablenkt.

Die in den Fig. 8 und 9 wiedergegebene Ausführungsform zeigt eine Düse 1 von rechteckigem Querschnitt mit einem Hindernis 2, das an der ebenen Wandung 7 gegenüber der gekrümmten Wandfortsetzung 3 angeordnet ist. Es können zwei Düsen dieser Art mit ihren ebenen Wandungen aneinanderliegend vereinigt werden, so daß zwei in entgegengesetzten Richtungen abgelenkte Strahlen erzeugt werden können.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein Hindernis 2 in Form eines Umdrehungskörpers mit scharfen Kanten, welcher auf der Achse einer Düse 1, die gleichfalls einen Umdrehungskörper darstellt, in der Nähe der engsten Stelle der Düse angeordnet ist. Der abgelenkte Strahl bildet ebenfalls einen Umdrehungskörper. Ein derartiges axial liegendes Hindernis muß ziemlich groß sein. Es ist gefunden worden, daß in der Praxis sein Durchmesser von der Größenordnung der Hälfte des Düsendurchmessers sein muß.

Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Düse 1 von nichtkreisförmigem Querschnitt, die aber symmetrisch in bezug auf eine Ebene x-x, z. B. rechteckig im Querschnitt ist. Die Ablenkung wird an der engsten Stelle der Düse mittels eines Hindernisses 2 erhalten, das in der Symmetrieebene angeordnet ist, wobei in dieser Symmetrieebene weder vor noch hinter dem Ablenkhindernis 2 eine Trennwand vorhanden zu sein braucht. Man erhält am Auslaß zwei beiderseits der Symmetrieebene abgelenkte Strahlen, die unabhängig voneinander bleiben.

Die jeweilige Stärke jedes der beiden Strahlen kann dadurch geregelt werden, daß man entweder das Hindernis 2 parallel zu sich selbst in derselben Querschnittsebene verschiebt, wie dies in Fig. 14 wiedergegeben ist, oder daß man der stromaufwärts liegenden Fläche des Hindernisses 2, welche die beiden scharfen Kanten aufweist, eine Neigung gegen denjenigen Strahl hin erteilt, den man zu verstärken wünscht, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Diese Bewegungen des Ablenkkörpers 2 werden durch den Umstand erleichtert, daß die von dem Strahl auf den Ablenkkörper ausgeübten Kräfte gering sind.

Wenn die Leitung konvergent verläuft, ist es zweckmäßig, das Hindernis an der engsten Stelle oder ganz wenig stromabwärts davon anzuordnen. Wenn die Leitung divergent verläuft (der gesamte Erweiterungswinkel soll etwa 7 bis io° nicht übersteigen, um eine vorzeitige Ablösung des Strahles zu vermeiden), dann ist das Hindernis stromaufwärts von dem Punkt anzuordnen, an welchem die Ablenkung herbeigeführt werden soll.

Durch Absaugen der Grenzschicht an der gekrümmten Wandfortsetzung kann die Ablenkung weiter verstärkt werden; dadurch wird die Stelle, an welcher sich der Strahl von der gekrümmten Wandfortsetzung ablöst, weiter nach außen verlagert.

Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 16 wiedergegeben. In dieser bezeichnet 1 die Düse, 2 das Ablenkhindernis, 3 die gekrümmte Fortsetzung der Düsenwandung und 8 eine zum Absaugen der Grenzschicht dienende öffnung, die in der Wandfortsetzung 3 in der Nähe der Stelle vorgesehen ist, an der sich sonst die Ablösung des abgelenkten Strahles ergeben würde. Die öffnung 8 kann jedoch auch näher an der engsten Stelle der Düse angeordnet sein.

Andererseits kann auch in der das Ablenkhindernis tragenden Wandung der Leitung im Staubereich des Hindernisses eine Öffnung vorgesehen sein, um die in der Nähe der Wandung verlaufenden Stromfäden geringer Geschwindigkeit zu beseitigen und um zu erreichen, daß die Kante des Hindernisses in dem Strahl Stromfäden großer Geschwindigkeit abschneidet. Durch diese Maßnahme wird das Entweichen eines Teiles des Mediums ge- no stattet, wodurch seine Ablenkung erleichtert wird.

Auf Grund durchgeführter Versuche ist gefunden worden, daß durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Kombination eine einwandfreie Ablenkung von Gasstrahlen erzielt wird, besonders wenn die Geschwindigkeit des Mediumstromes an dem Hindernis niedriger als die Schallgeschwindigkeit ist.

Nachstehend werden einige weitere Beispiele der Anwendung der Erfindung auf Strahltriebwerke mit intermittierend arbeitender Brennkammer betrachtet.

Bei solchen Strahltriebwerken besteht eine Schwierigkeit darin, die Brennkammer nach ihrer Ladung mit Frischluft im Augenblick der Verpuffung an ihrer Lufteinlaßöffnung gegen den Aus-

tritt von Verbrennungsgasen durch die Lufteinlaßöffnung abzuschließen. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, die mit mechanischen Ventilen arbeiten. Die Erfindung gestattet, die Anwendung von Ventilen zu vermeiden, indem sie die Einlaßöffnung völlig offen läßt, aber den Gasstrahl, welcher durch diese Lufteinlaßöffnung im Augenblick der Verpuffung nach vorn zu entweichen sucht, nach hinten umlenkt.

In Fig. 17 ist ein Ausführungsbeispiel eines

solchen Staustrahltriebwerkes wiedergegeben. Mit 10 ist die intermittierend arbeitende Brennkammer, mit 11 ihre Lufteinströmöffnung und mit 12 die

¹S Schubdüse bezeichnet.

Wie aus Fig. 18 ersichtlich, besitzt die Brennkammer 10 einen rechteckigen Querschnitt, und die Öffnung 11, durch welche die Frischluft einströmt, hat die Gestalt eines parallel zur großen Seite des ao rechteckigen Brennkammerquerschnittes liegenden Spaltes. Von den beiden großen Seiten dieses Spaltes gehen Rohrleitungen 13 a und 13 & ebenfalls von rechteckigem Querschnitt aus, welche die Gase, die durch den Spalt 11 zurückzuströmen suchen, ^a5 nach Ablenkung durch das Hindernis 2 und die gekrümmten Fortsetzungen 3 der gegenüberliegenden Wandungen an der Rückseite der Brennkammer wieder in den Hauptgasstrom einführen. Das Hindernis 2 besteht aus einem zu einem spitzen Winkel gebogenen Blech, das sich längs der großen Achse des rechteckigen Spaltes 11 erstreckt.

Die Fig. 19 bis 22 zeigen die Anwendung der

Erfindung auf Rückstoßtriebwerke für Flugzeuge zwecks Änderung der Schubwirkung, z. B. um diese im Augenblick der Landung zu vermindern oder eine Bremswirkung zu erzeugen.

Bei der in den Fig. 19 und 20 wiedergegebenen Ausführungsform ist die Ausströmdüse 25, die einen rechteckigen Querschnitt mit waagerecht liegender großer Achse hat, in ihrer oberen und unteren Wand mit einer nach außen gebogenen Öffnung 26 bzw. 27 versehen. Im Strömungsweg sind vor den Wandöffnungen 26 und 27 zwei waagerechte Organe angeordnet, deren jedes einen festen Träger 28 bzw. 29 und einen an ihm schwenkbar gelagerten Flügel 30 bzw. 31 aufweist, der in bezug auf seinen Träger derart einstellbar ist, daß er entweder mit diesem zusammen einen Profilkörper bildet, welcher dem Gasstrom nur einen geringen Widerstand bietet (wie dies für das untere Organ 29, 31 wiedergegeben ist), oder daß er im Winkel gegen seinen Träger absteht, so daß er dann ein Hindernis zur Ablenkung des Strahles bildet (wie dies für das obere Organ 28, 30 wiedergegeben ist). Der Teil des Strahles, welcher auf das Hindernis 30 trifft, wird dann, anstatt zu der normalen Auslaßöffnung 25 α der Düse zu strömen, gegen die gekrümmte Wandfortsetzung 3 vor der Wandöffnung 26 abgelenkt und durch die öffnung nach außen geführt. Der durch die Wandöffnung 26 entweichende Strahl ruft eine Rückstoßwirkung mit einer nach unten gerichteten Komponente hervor, die z. B. zum Festhalten des Flugzeuges am Boden dienen kann. Wenn dagegen von dem unteren Organ 29, 31 ein Strahl durch die untere Wand-Öffnung 27 nach außen abgelenkt wird, dann wird eine Rückstoßwirkung mit einer nach oben gerichteten Komponente erhalten, welche die Tragfähigkeit des Flugzeuges erhöht. Wird den Wandöffnungen 26 und 27 eine derart gebogene Gestalt gegeben, daß der abgelenkte Strahl in die Richtung der Bewegung des Flugzeuges umgelenkt wird, dann kann damit eine Bremswirkung hervorgerufen werden.

Bei der in den Fig. 21 und 22 wiedergegebenen abgeänderten Ausführungsform ist nur ein Ablenkorgan in Form einer Spreizklappe mit zwei schwenkbar gelagerten Flügeln 30 und 31 auf der Achse der Düse angeordnet. Durch das gleichzeitige Spreizen der beiden Klappenflügel 30· und 31 kann der Strahl als Ganzes durch die Wandöffnungen 26 und 27 nach vorn gelenkt werden, um eine kräftige Bremswirkung zu erhalten.

Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Vorrichtung zum Ablenken eines aus einer Leitung ausströmenden Strahles, dessen Breite so groß ist, daß er im Ganzen durch den sögenannten Young- bzw. Coanda-Effekt allein keine merkbare Ablenkung erfährt, gekennzeichnet durch die Kombination einer an sich bekannten, in der gewünschten Ablenkrichtung gekrümmten Fortsetzung der Leitungswand und eines Hindernisses, das allein ebenfalls keine wesentliche Ablenkung des Strahles hervorrufen würde, wobei dieses Hindernis entweder aus einem scharfkantigen Körper besteht, der nur einen kleinen Teil des Leitungsquerschnittes versperrt und auf der der gekrümmten Wandfortsetzung gegenüberliegenden Seite des abzulenkenden Strahles oder Teilstrahles angeordnet ist, oder von einem strömenden Medium gebildet wird, das auf der der gekrümmten Wandfortsetzung gegenüberliegenden Seite des abzulenkenden Strahles oder Teilstrahles zugeführt wird und eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Hauptstrahl besitzt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Ablenkung herbeiführende Hindernis entgegen der Richtung des Strahles geneigt ist (Fig. 8).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verstärken der Ablenkung die Grenzschicht des Strahles mittels einer Öffnung beseitigt wird, die in der gekrümmten Wandfortsetzung vorgesehen ist, wobei die Grenzschicht durch diese Öffnung hindurch abgesaugt oder einfach so geführt werden kann, daß sie unter dem Einfluß ihres Staudruckes entweicht (Fig. 16).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkhindernis im Inneren des Strahles angeordnet ist (Fig. 10 und 12).
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkhindernis zum Ändern der Stärke und/oder der Richtung des abgelenkten Strahles beweglich angeordnet ist (Fig. 14 und 15).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Staubereich des Ablenkhindernisses in der Leitungswand eine Öffnung vorgesehen ist, welche das Entweichen eines Teiles des verzögerten Mediums gestattet.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkhindernis in der Nähe der engsten Stelle einer in Strömungsrichtung zunächst verengten und dann wieder erweiterten Düse angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung einen rechteckigen Querschnitt besitzt und das Ablenkhindernis geradlinige Gestalt hat und

   ao parallel zu einer Seite des Rechteckes liegt (Fig. 9 und 13).
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Ausströmdüse eines Rückstoßtriebwerkes angeordnet ist, wobei im Gasstrahl ein oder mehrere bewegbare Hindernisse (30, 31) vorgesehen sind, die mit einer oder mehreren nach außen gekrümmten, in Wandöffnungen (26, 27) auslaufenden Teilen der Düsenwand zusammenwirken (Fig. 19).
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Hindernis (30, 31) aus einer Spreizklappe besteht, die an einem festen Träger (28, 29) schwenkbar befestigt ist, und in angelegtem Zustand mit diesem Träger einen Profilkörper bildet, der dem Gasstrahl einen geringen Strömungswiderstand bietet (Fig. 19 und 21).
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie stromaufwärts der intermittierend arbeitenden Brennkammer (10) eines Staustrahltriebwerkes angeordnet ist, wobei die Gase, welche durch die Einströmöffnung (11) der Brennkammer zurückzuströmen suchen, mit Hilfe eines Hindernisses (2) und der gekrümmten Fortsetzung (3) der gegenüberliegenden Wand umgelenkt und über eine Umführungsleitung (13) an der Rückseite der Brennkammer wieder in denHauptgasstrom eingeführt werden (Fig. 17).

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschriften Nr. 715 734, 657 397,

    652986', 59²772;

    Eck, Technische Strömungslehre, 3. Auflage,

    Abb. 227 und 228 und S. 320/321;

    Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens,

    4. Band, 1933, Heft 2, S. 67.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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