DE1205775B - Lufteinlasskanal fuer das Triebwerk eines UEberschallflugzeugs mit in Abhaengigkeit von der Luftgeschwindigkeit verstellbaren Seitenwaenden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

F02c

Deutsche KL: 46 f-8/01

Nummer: 1205 775

Aktenzeichen: B 526951 a/46 f

Anmeldetag: 1. April 1959

Auslegetag: 25. November 1965

Die Erfindung betrifft einen Lufteinlaßkanal für das Triebwerk eines Überschallflugzeugs mit in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit verstellbaren Seitenwänden, in welchem eine oder mehrere schräge Verdichtungsstöße und abschließend ein senkrechter Verdichtungsstoß hervorgerufen werden.

Erfindungsaufgabe ist, für jede Geschwindigkeit die größtmögliche Druckausbeute am Einlaß und damit das größtmögliche Luftgewicht zu erhalten. Dazu müssen die Seitenwände so geneigt sein, daß ίο Aufpralldruckverluste möglichst vermieden werden; ferner soll der senkrechte Verdichtungsstoß in der Nähe des Einlasses oder bei den höchsten Geschwindigkeiten im Einlaßkanal liegen, um zu vermeiden, daß die Stoßwelle sich außerhalb des Lufteinlaßkanals mit der Umgebungsluft verbindet oder um das Vorderteil der Triebwerkshaube herumströmt, wodurch ein erheblicher Luftwiderstand am Flugzeug verursacht würde.

Es ist bereits bekannt, zur Regelung des Lufteinlasses bei einem Staustrahltriebwerk bzw. einem Gasturbinentriebwerk die Öffnung des Einlaßkanals mit einem verstellbaren Mittelkegel und einer Randdüse zu versehen, wobei die Normalstellung des Mittelkegels dem Betrieb bei Überschallgeschwindigkeit entspricht. Unterhalb der Schallgrenze werden die Raumverhältnisse des bekannten Lufteinlaßkanals dadurch geändert, daß der Mittelkegel in den Kanal hinein zurückgezogen wird und zusätzlich aus der Randdüse ein Strömungsmittel in den Luftstrom abgegeben wird.

Bei Turbogebläsen und Turboverdichtern ist es bekannt, Ausblasventile in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit in Luft führenden Kanälen mittels einer Membran zu steuern, die eine Kammer in zwei Räume unterteilt, welche über Leitungen an je eine Sonde angeschlossen sind, die den statischen bzw. den Gesamtdruck in der Luftströmung messen.

Zur praktischen Lösung der geschilderten Aufgabe ist bei einem Lufteinlaßkanal der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, daß die verstellbaren Wände des Kanals durch einen ersten Stellmotor bewegt werden, der durch eine an sich bekannte erste Senkvorrichtung über eine Membran betätigt wird, die einem Druck ausgesetzt ist, der sich mit der nach einem der schrägen Verdichtungsstöße herrschenden Luftgeschwindigkeit ändert, und daß zur Verbindung des Einlaßkanals mit einer das Triebwerk umgehenden Nebenleitung eine Drehklappe vorgesehen ist, welche von einem zweiten Stellmotor bewegt wird, der durch eine an sich bekannte zweite Servovorrichtung über eine Membran betätigt wird, die Lufteinlaßkanal für das Triebwerk eines
Überschallflugzeugs mit in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit verstellbaren Seitenwänden

Anmelder:

The Bendix Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

Hamburg 36, Neuer Wall 41 .

Als Erfinder benannt:
Samuel E. Arnett,
Richard C. German,
South Bend, Ind. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. April 1958 (730 384)

einem Druck ausgesetzt ist, der sich mit der nach dem senkrechten Verdichtungsstoß herrschenden Luftgeschwindigkeit ändert, wobei eine Rückführungsnockenplatte über ein Gestänge mit den verstellbaren Seitenwänden verbunden ist.

Durch die genannten Mittel wird es möglich, die Strömungsverhältnisse im Lufteinlaßkanal entsprechend den Machzahlen so zu steuern, daß stets die größtmögliche Druckausbeute erzielt wird. Zu diesem Zweck tritt bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten, wenn die verstellbaren Seitenwände ihre Endstellung erreicht haben, die Umleitungsklappe in Tätigkeit, die dann in Abhängigkeit von der Machzahl einen Überschuß an durch den Einlaßkanal strömender Luft ableitet.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in welcher ein Lufteinlaßkanal mit einer Einlaßsteuerung nach der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt ist.

In der Zeichnung ist das Vorderteil einer Triebwerkhaube, die zugleich Flugzeugrumpf sein kann, mit 10 bezeichnet. Dieses Teil bildet mit einer fest-

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stehenden schrägen Wand 12 und einer verstellbaren Wand 14 zusammen den wirksamen Raum des Lufteinlaßkanals, der zu einem nicht dargestellten Triebwerk gehört. Bei der Bildung der wirksamen Einlaßform wirkt eine verstellbare Wand 16, die im Inneren der Haube 10 angeordnet ist, mit der Wand 14 zusammen. Außerdem ist noch weiter im Inneren der Haube 10 eine Umleitungsklappe 17 angeordnet, über welche Luft vor dem Verdichter abgeleitet werden kann. Bei Überschallgeschwindigkeiten entstehen entlang den Wänden 12 und 14 eine oder mehrere schräge Verdichtungsstöße. Außerdem entsteht anschließend eine normal zu der Richtung des Luftstromes laufende Stoßwelle.

Die höchstmögliche Druckausbeute wird erreicht, wenn die Flächen, an denen die schrägen Stöße auftreten, so angeordnet sind, daß geringstmögliche Stoßverluste auftreten, wenn der senkrechte Stoß bei der niedrigstmöglichen Machzahl erfolgt. Dies erfordert, daß die verstellbare Kanalwand, an der die schrägen Stöße auftreten, als Funktion der Machzahl festgelegt wird, die an dieser Wand vorhanden ist. Zu diesem Zwecke werden die Wände 14 und 16 in Abhängigkeit von der Machzahl durch eine von der Machzahl gesteuerte Stellvorrichtung eingestellt. Die Wand 14 ist mit einer Stange 18 verbunden, die durch einen in einem Zylinder 22 befindlichen Kolben 20 verschoben wird. Der Kolben 20 bewegt sich senkrecht zur Strömungsrichtung, wenn unter hohem Druck befindliches'Drucköl in eine der Kammern 24 oder 25 auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 20 eingeleitet wird. Eine Senkvorrichtung 28 steuert das unter hohem Druck befindliche Drucköl entweder durch die Leitung 26 oder 27 zum Kolben 20; es ist mit einer Hochdruckeinlaßöffnung 30 und einer Niederdruckauslaßöffnung 32 sowie einem Ventil 34 versehen, welches normalerweise mittels Federn 36 und 38, die sich in Kammern 40 bzw. 42 befinden, in einer Mittelstellung gehalten wird. Jede dieser Kammern ist durch Leitungen 44 bzw. 46 mit der Hochdruckeinlaßöffnung 30 verbunden. Die öffnungen 48 und 50, die gewöhnlich über Leitungen 52 und 54 an der Rückflußleitung 32 angeschlossen sind, sind ebenfalls mit der Einlaßöffnung 30 verbunden. Das Ausströmen aus diesen Öffnungen wird durch ein Klappenventil 56 gesteuert, welches mit einer innerhalb eines Gehäuses 60 angeordneten Membran 58 verbunden ist. Die Oberseite der Membran 58 steht über eine Leitung 62 mit einer Sonde für statischen Druck 63, welche an der feststehenden Wand 12 angeordnet ist, in Verbindung. Die Unterseite der Membran 58 steht mit einer Sonde 64 für den Gesamtdruck (Pitot-Rohr) in Verbindung, welche mit dieser Seite durch eine Leitung 66 über eine von Hand einstellbare öffnung 68, eine Kammer 70 und eine Leitung 72 Verbindung hat. Die Druckhöhe in der Kammer 70 und damit die Höhe des die Unterseite der Membran 58 beaufschlagenden Drukkes hängt nicht nur von dem mit der Sonde 64 ermittelten Druckwert ab, sondern auch von der Stellung des Ventils 74, welches die wirksame Fläche einer Öffnung 76 regelt. Der auf die Unterseite der Membran 58 wirkende Druck ist daher nicht der von der Sonde 64 ermittelte Gesamtdruck, sondern ist ein abgestimmter Druck, welcher sich mit der Stellung des Ventils 74 ändert. Dieser Druck wirkt daher als ein veränderlicher Bezugsdrack. Um eine Schallströmung durch die Öffnung 76 und in der Leitung 78 zu sichern, ist eine Strahlpumpe vorgesehen, in der unter sehr hohem Druck stehende Luft, z. B. von der Druckseite des Verdichters durch eine Öffnung 80, durch die Öffnung 82 und aus der Aus-Stoßöffnung 84 gefördert wird.

Die Umleitungsklappe 17 wird mittels einer hydraulischen Stellvorrichtung 90 betätigt, die einen Kolben 92 mit einer Stange 94 aufweist, die mit der Klappe 17 verbunden ist. Der Kolben 92 wird mit

ίο Drucköl beaufschlagt, das entweder in die Kammer 96 oder 98 auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 92 eingesteuert wird. Die Kammern sind über Leitungen 100 und 102 mit einer Servovorrichtung 104 verbunden, welche im wesentlichen der Servovorrichtung 28 gleicht. In dieser Servovorrichtung 104 geht das Strömungsmittel von einer Hochdrucköffnung 106 aus entweder zu der einen oder der anderen Seite eines Ventils 108 und fließt zurück nach einer öffnung 109. Dieser hohe Druck wird durch ein Klappenventil 110 gesteuert, dessen Stellung durch eine in einem Gehäuse 116 wirkende Membran 112 eingestellt wird. Die Bewegung des Klappenventils 110 gegen die eine oder andere der in seinem Bereich befindlichen Öffnungen bewirkt eine Druckerhöhung, die das Ventil 108 veranlaßt, sich nach oben oder unten zu bewegen, wodurch das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel entweder durch die Leitung 100 oder 102 in die Kammer 96 oder in die Kammer 98 fließt. Die Oberseite der Membran 112 ist über eine Leitung 120 mit einer Sonde 118, die den statischen Druck an der Verengung des Einlaßkanals mißt, verbunden. Der Gesamtdruck an dieser Stelle des Einlaßkanals wird mittels einer Druckmeßsonde 122 (Pitot-Rohr) aufgenommen, die durch eine Leitungn 124 mit einem von Hand einstellbaren Ventil 126 in der öffnung 128 und einer an die Unterseite der Membran 112 anschließenden Kammer 130 verbunden ist. Die Druckhöhe in der Kammer 130 wird mittels eines Ventils 132 eingestellt, welches die wirksame Fläche - der Öffnung 134 regelt. Eine von der Leitung 78 abgehende Querverbindung 135 sorgt für eine Schallströmung durch das Ventil 132.

Die Bewegung der Wände 14 und 16 infolge der Bewegung des Kolbens 20 verursacht eine entsprechende Bewegung eines Gliederpaares 136 und 138 und damit eine senkrechte Bewegung einer Platte 140. Die Platte 140 ist mit einer Nockenfläche 142, welche die Stellung des Ventils 74 steuert, und einer

50' zweiten Nockenfläche 144 versehen, die die Stellung des Ventils 132 steuert. Die Platte 140 bewegt sich entlang einer Stange 146 senkrecht zu den Ventilen 74 und 132.

Bei bestimmten Anströmwinkeln kann die gezeigte Anordnung den Luftstrom in unerwünschtem Ausmaß einschränken. Diesem Nachteil wirkt die Einstellung der Umleitungsklappe 17 entgegen. Wenn die Umleitungskl'appe 17 geschlossen ist, bewirkt ein an der Stange 94 angeordneter Arm 150, daß das Ventil 152 sich öffnet und der in der Kammer 70 befindliche, abgestimmte Druck durch eine Leitung 154 entweicht, so daß der Neigungswinkel der Wände 14 und 16 verkleinert wird, wodurch die Strömung im Lufteinlaß verstärkt wird. Wenn der Neigungswinkel sich seinem niedrigsten Einstellwert nähert, berührt ein an der Nockenplatte 140 befestigter Anschlagdaumen 156 den entsprechenden Anschlag 158, welcher an einem Hebel 160 befestigt ist. Hierdurch

wird das Ventil 162 geschlossen und sperrt damit die Druckabgabe aus der Kammer 70 durch die Leitung 154. Ein Ventil 164, welches parallel zum Ventil 162 angeordnet ist, wird mittels eines Anschlags 166 offengehalten. Der Anschlag 166 befindet sich auf der Nockenplatte 140 und berührt den Anschlag 168 während der Zeit, in der die Teile 14 und 16 in ihrer der größten öffnung entsprechenden Stellung sind. Wenn das Ventil 164 geöffnet ist, wird der durch die Sonde 122 aufgenommene verhältnismäßig hohe Druck auf die Unterseite der Membran 112 übertragen, wobei eine sehr geringe Druckminderung stattfindet. Infolgedessen bleibt die Umleitungsklappe 17 bis zum Eintreten solcher Flugbedingungen geschlossen, bei denen die Wände 14 und 16 und damit die Nockenplatte 144 sich zu bewegen beginnen. Bei einer hohen Machzahl, bei der die Bewegung der Wände 14 und 16 aufhört, wirkt sich die mit einer Lochreihe versehene statische Sonde 118 aus. Der normal gerichtete Stoß ist in diesem Bereich gut ausgebildet, wobei eine Regelung dafür sorgt, daß die Stoßwelle in ihrer Lage gehalten wird. Wenn der senkrechte Stoß sich an der statischen Sonde entlangbewegt, wird ein Teil der Sonde dem statischen Druck vor der senkrechten Stoßwelle ausgesetzt. Dadurch wird ein falsches Machzahlsignal erzeugt, und die Steuerung ändert die Umleitung derart ab, daß die Stoßwelle auf der Sonde in einer gegebenen Stellung gehalten wird.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist innerhalb eines Geschwindigkeitsbereiches bis zu einem gegebenen Wert im wesentlichen damit verbunden, daß der Einlaß am weitesten offen und die Umleitungsklappe geschlossen gehalten wird. Bei einer gewissen Geschwindigkeit des Flugzeugs, die etwa einer Machzahl 1, 7 entsprechen kann, übertragen die auf der feststehenden Wand 12 angeordneten Sonden für den statischen und den Gesamtdruck einen ausreichenden Druckunterschied auf die Membran 58, um das Klappenventil 56 in Richtung auf die öffnung 50 zu zu bewegen. Dadurch steigert sich in der Kammer 42 der Druck, der gemeinsam mit der durch die Feder 38 ausgeübten Kraft wirkt und veranlaßt das Ventil 34, sich in Richtung nach oben zu bewegen. Damit wird unter hohem Druck befindliches Drucköl von der Einlaßöffnung 30 in die Kammer 25 eingeleitet und wirkt auf die Unterseite des Kolbens 20. Der Kolben bewegt sich daraufhin nach oben, wodurch sich der wirksame Raum des Einlaßkanals vermindert. Gleichzeitig rückwärts bewegt sich die über die Glieder 136 und 138 angeschlossene Platte 140 mit der Nockenfläche 142. Das Ventil 74, welches sich auf den Nocken 142 zubewegt, wird aus der öffnung 78 zurückgezogen, und der an der Unterseite der Membran 58 wirksame Druck wird vermindert, bis er dem an der Oberseite der Membran wirksamen Druck gleich ist. Wenn ein Gleichgewicht erreicht ist, wird die neue Stellung der Wände 14 und 16 stabilisiert.

Die Bewegung der Platte 140 infolge der Bewe- 6a gung der Wände 14 und 16 führt auch zu einer Veränderung der wirksamen Fläche der öffnung 134 und damit des abgestimmten Druckes, der auf die Unterseite der Membran 112 einwirkt. Daraus ergibt sich eine Änderung der Beziehung der Machbezugszahl, nach der die Stellung der Umleitungsklappe 17 geregelt wird. Diese Anordnung erweist sich als zufriedenstellend, da die Wandneigungseinstellung sich auf die Machzahl stützt, die in der Nähe der Wände und 16 herrscht. Daher hängen die Machzahlen nach dem schrägen Stoß und nach dem senkrechten Stoß beide eindeutig von der Stellung der Wände 14 und 16 ab. Änderungen in der Machzahl bei oder hinter dem senkrechten Stoß werden daher durch die Sonden 118 und 122 wahrgenommen, die über die Membran 112 und das Servoventil 104 den auf den Kolben 92 wirkenden Druck und dadurch die um das Triebwerk herum abgeleitete Luftmenge regeln. Die beschriebene Anordnung kann auch bei einer anderen Gestaltung des Einlaßkanals verwendet werden, z. B. bei einem axial beweglichen Mittelteil.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lufteinlaßkanal für das Triebwerk eines Überschallflugzeugs mit in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit verstellbaren Seitenwänden, in welchem eine oder mehrere schräge Verdichtungsstöße und abschließend ein senkrechter Verdichtungsstoß hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Kanalwände (14, 16) ein erster Stellmotor (22) vorgesehen ist, der durch eine an sich bekannte erste Senkvorrichtung (28) über eine Membran (58) betätigt wird, die einem Druck ausgesetzt ist, der sich mit der nach einem der schrägen Verdichtungsstöße herrschenden Luftgeschwindigkeit ändert, und daß zur Verbindung des Einlaßkanals mit einer das Triebwerk umgehenden Nebenleitung eine Drehklappe (17) vorgesehen ist, welche von einem zweiten Stellmotor (90) bewegt wird, der durch eine an sich bekannte zweite Senkvorrichtung (104) über eine Membran (112) betätigt wird, die einem Druck ausgesetzt ist, der sich mit der nach dem senkrechten Verdichtungsstoß herrschenden Luftgeschwindigkeit ändert, wobei eine Rückführungsnockenplatte (140) über ein Gestänge (136,138) mit den verstellbaren Seitenwänden verbunden ist.

2. Lufteinlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise jede Membran (58 bzw. 112) eine Kammer (60 bzw. 116) in zwei Räume unterteilt, welche über Leitungen (62, 66 bzw. 120,124) an Vorrichtungen (63, 64; 118, 122) angeschlossen sind, die den statischen und den Gesamtdruck des Einlaßluftstroms hinter einem schrägen Verdichtungsstoß bzw. hinter dem senkrechten Verdichtungsstoß messen, wobei in der Verbindungsleitung zwischen dem einen Raum jeder Kammer und der Vorrichtung zum Messen des Gesamtdrucks eine Drossel (68 bzw. 128) und eine Kammer (70,130) vorgesehen ist, die an eine Stelle niedrigen Drucks über eine Leitung und ein Ventil (74 bzw. 132) angeschlossen ist, welche durch eine Nockenplatte (140) verstellt werden.

3. Lufteinlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (118) zum Messen des statischen Druckes hinter dem senkrechten Verdichtungsstoß eine längliche, über ihre Längserstreckung mit Löchern versehene Sonde ist.

4. Lufteinlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (70) weiterhin über eine Leitung (154) mit einer Stelle niedrigeren Drucks verbunden ist und daß in dieser Lei-

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tung ein Ventil (152) vorgesehen ist, welches sich nur dann öffnet, wenn die Drehklappe (17) geschlossen wird.

5. Lufteinlaßkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung (154) weiterhin ein Ventil (162) eingebaut ist, das nur dann, und zwar durch einen Anschlagfinger (156) und die Nockenplatte (140), geschlossen wird, wenn der Neigungswinkel der verstellbaren Wände (14, 16) sich seinem niedrigsten Einstellwert nähert.

6. Lufteinlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Drossel (128)

ein Ventil (164) angeordnet ist, daß nur dann, und zwar durch einen Anschlagfinger (166) und die Nockenplatte (140), geöffnet wird, wenn die verstellbaren Wände (14,16) sich in ihrer der größten Öffnung entsprechenden Stellung befinden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 749 767;
USA.-Patentschrift Nr. 2 638 738;
VDI-Zeitschrift, 1950, Bd. 92, S. 206;
Eck-Kearton, »Turbogebläse und Turbokompressoren«, Springer-Verlag, 1929, S. 254/255.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 739/130 11.65 © Bundesdruckerei Berlin