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ÜBERSCHALLDIFFUSOR MIT EXTERNER KOMPRESSION UND VERFAHREN ZU SEINER PLANUNG - Dokument DE60033157T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60033157T2 08.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001206384
Titel ÜBERSCHALLDIFFUSOR MIT EXTERNER KOMPRESSION UND VERFAHREN ZU SEINER PLANUNG
Anmelder The Boeing Company, Seattle, Wash., US
Erfinder HEDGES, S., Linda, Seattle, WA 98166, US;
KONCSEK, L., Joseph, Vashon, Washington 98070, US;
SANDERS, W., Bobby, Westlake, OH 44145, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 60033157
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.08.2000
EP-Aktenzeichen 009879537
WO-Anmeldetag 09.08.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/21796
WO-Veröffentlichungsnummer 2001019675
WO-Veröffentlichungsdatum 22.03.2001
EP-Offenlegungsdatum 22.05.2002
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse B64D 33/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F02C 7/042(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschalldiffusoren. Die Erfindung bezieht sich genauer auf Ultraschalldiffusoren mit externer Kompression, wie sie als Einlässe in luftansaugenden Antriebssystemen benutzt werden.

Bei verschiedenen Arten von Flugzeugen werden luftansaugende Antriebssysteme wie Strahlturbinen- oder Mantelstromtriebwerke benutzt, um das Flugzeug bei Ultraschallgeschwindigkeiten anzutreiben. Existierende kommerziell erhältliche Gasturbinentriebwerke, welche zum Antreiben von Flugzeugen benutzt werden, sind praktisch immer ausgelegt, in einem Bereich zu arbeiten, bei welchem eine Unterschallströmung, typischerweise in der Größenordnung von Mach 0,3–0,6, an der Stromaufwärtsseite des Triebwerks vorliegt. Somit ist ein Ultraschalldiffusor oder -einlass nötig, um den eingefangenen Ultraschallluftstrom auf eine Unterschallgeschwindigkeit zum Einsaugen durch das Triebwerk abzubremsen. Der Vorgang des Abbremsens ist technisch als Diffusion oder Kompression bekannt, da die überschüssige kinetische Energie des Luftstroms in eine statische Druckzunahme umgewandelt wird. Um die gesamte Antriebseffizienz des Triebwerks/Einlasssystems zu maximieren, muss der Einlass seine Diffusionsfunktion effizient durchführen. Die Effizienz des Diffusionsprozesses ist eine Funktion davon, wie viel Gesamtdruck in dem Luftstrom zwischen der Eingangsseite des Einlasses und der Ablassseite verloren wird. Der Gesamtdruckgewinn eines Einlasses ist durch ein Verhältnis des Gesamtdruckes an dem Ablass zu dem Gesamtdruck an dem Eingang definiert. Ein Hauptziel der Einlassausgestaltung ist es, den Gesamtdruckgewinn zu maximieren. Externer Luftwiderstand an dem Einlass beeinflusst ebenso die Gesamteffizienz des Systems, und somit ist es wünschenswert, derartigen Luftwiderstand zu minimieren. Zudem ist es ein weiteres Ziel des Eingangsausgestaltungsprozesses, die Strömungsstabilität zu maximieren, um starke Strömungsoszillationen, hauptsächlich Unstart, zu vermeiden, welche bei einigen Arten von Ultraschalleinlässen auftreten können.

Die Veröffentlichung „Streamline tracing, a technique for designing supersonic vehicles" von Frederick S. Billig, ISABE 97-7197 führt ein verallgemeinertes Entwurfsverfahren ein, welches sowohl die Abdeckung des Ausgestaltungsraums signifikant verbreitert als auch die nötige Anleitung bereitstellt, eine optimale Triebwerksausgestaltung auszuwählen, welche auferlegten Randbedingungen unterworfen ist. Sie schlägt vor, dass bewegliche klappbare Seitenwände in dem internen Kanal ein Schlüsselmerkmal einer Triebwerksausgestaltung sein könnten. Durch Bewegen dieser Wände nach innen könnte das Gesamtkontraktionsverhältnis des Triebwerks variiert werden.

Die Veröffentlichung „Hypersonic boundary layers and flow fields", auf einem Spezialistentreffen des Fluiddynamikausschusses der AGARD, welches in der Royal Aeronautical Society vom 1.–3. Mai 1968 in London abgehalten wurde, vorgestellte Veröffentlichungen, beschreibt eine Reihe von Erfordernissen für die Ausgestaltung von Hochleistungsultraschalllufteinlässen für modulare Ultraschalleinlässe mit konischem Strom.

Die US-A-3430640 offenbart einen Ultraschalleinlass für ein Hochgeschwindigkeitsflugzeug und insbesondere einen Ultraschalllufteinlass mit einer variablen Geometrie, worin ein verbessertes Mittel zum Anpassen der Lufterfordernisse des Triebwerks an die durch den Einlass zugeführte Luft bereitgestellt ist. Dieses Patent offenbart einen Ultraschalleinlass mit einer zweidimensionalen variablen Rampe zur Benutzung mit einer Strahlturbine. Der Großteil von Ultraschallflugzeugen sind Mischeinsatzflugzeuge, d.h. ein bedeutender Anteil der Flugzeit wird bei Ultraschallgeschwindigkeiten verbracht, unter Start- und Bummel-(Landungsmuster) Bedingungen wird sich die optimale Größe des Einlasses jedoch von derjenigen während der Reise unterscheiden. Für gute Leistung über einen weiten Bereich von Unterschall- und Ultraschallbetriebsbedingungen wird ein Einlass für externe – interne Kompression mit variabler Geometrie offenbart, wobei Mittel bereitgestellt sind, um die „Größe" des Einlasses einzustellen und wobei die überschüssige Luft, wenn die Kapazität die Triebwerksluftforderung übersteigt, nach innen zu dem Einlasskanal genommen wird, um Überlaufluftwiderstand auf Grund unzufriedenstellender Positionierung von schrägen Schockwellen zu minimieren und eine hohe Einlassdruckwiedergewinnung zu erhalten. Der primäre Einlass, welcher externe – interne Kompression verwendet, weist eine variable Geometrie umfassend einen vorderen fixen Randabschnitt, welcher von einem vorderen beweglichen Rampenabschnitt gefolgt wird, auf.

Ein Ultraschalleinlass umfasst allgemein einen vorderen Abschnitt umfassend einen konvergierenden Ultraschalldiffusor und einen hinteren Abschnitt umfassend einen divergierenden Unterschalldiffusor. Die meisten Ultraschalleinlässe sind entweder zweidimensional oder „2D" mit einem rechteckförmigen Strömungsgebiet oder axialsymmetrisch mit einem kreisförmigen Strömungsgebiet. Ein Hals des Einlasses liegt bei der Verbindung zwischen dem Ultraschalldiffusor und dem Unterschalldiffusor vor, wo das Strömungsgebiet ein Minimum erreicht. Ultraschalleinlässe werden allgemein in drei Arten klassifiziert: interne Kompression, gemischte Kompression und externe Kompression. Einlässe mit interner Kompression sind ausgelegt, innerhalb des Inneren des Eingangskanals sowohl Ultraschall- als auch Unterschallkompression zu erreichen, und somit muss die Struktur des Ultraschallkompressionsfeldes in den Einlasskanal „geschluckt" werden, damit der Einlass wie ausgelegt arbeitet. Das Problem des „Unstart" tritt bei einem Einlass mit interner Kompression auf, wenn eine Strömungsstörung bewirkt, dass der Endstoß aus dem vorderen Ende des Einlasskanals ausgestoßen wird. Das Ergebnis ist ein drastischer Verlust hinsichtlich der Effizienz und ein großes Anwachsen des Einlassluftwiderstandes. Unstart stellt daher ein signifikantes Problem dar.

Einlässe mit gemischter Kompression sind diejenigen, bei welchen ein Teil der Überschallkompression vor der Einlasskanalapertur bewerkstelligt wird, indem der sich nähernde Luftstrom gezwungen wird, sich zu drehen, bevor er in den Kanal eingesaugt wird. Die Überschallkompression setzt sich intern in dem vorderen Teil des Kanals fort, gefolgt von einer Unterschallkompression. Diese Arten von Einlässen können nach wie vor unter Strömungsinstabilitätsproblemen wie Unstart leiden, da der Endstoß wie bei Einlässen mit interner Kompression immer noch in den Kanal verschluckt werden muss.

Einlässe mit externer Kompression bewerkstelligen die gesamte Ultraschallkompression extern, so dass die Strömung in dem Kanal eine reine Unterschallströmung ist. Einlässe mit externer Kompression sind gegenüber Unstart-artigen Instabilitäten weniger empfänglich, da der letzte Stoß dazu neigt, hinsichtlich seiner Position am Eingang des Einlasskanals, welcher den Hals des Einlasses darstellt, stabil zu bleiben. Einlässe mit externer Kompression sind jedoch typischerweise für Flüge über etwa Mach 2,0 mißbilligt, weil sie dazu neigen, einen hohen Verkleidungsluftwiderstand als Konsequenz des großen Ausmaßes von Strömungswinden, welches vor der Einlasskanal bewerkstelligt werden muss, zu haben. Dieses große Strömungswenden führt zu hohen Verkleidungswinkeln und langen Verkleidungslängen in der Richtung quer zur Strömung und somit zu hohem Luftwiderstand.

Es wäre wünschenswert, einen Ultraschalleinlass bereitzustellen, welcher eine gute Strömungsstabilität wie diejenige, welche typisch für herkömmliche Einlässe mit externer Kompression ist, aufweist, und welcher zur selben Zeit eine hohe Gesamtdruckwiedergewinnung und niedrigen externen Luftwiderstand aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung, welche einen Einlass mit externer Kompression bereitstellt, welcher eine einzigartige dreidimensionale externe Kompressionsoberfläche aufweist, welche eine hohe Gesamtdruckwiedergewinnung und einen niedrigen Verkleidungsluftwiderstand bereitstellen kann, während die gute Strömungsstabilität, welche für Einlässe mit externer Kompression charakteristisch ist, beibehalten wird, werden die obigen Bedürfnisse erfüllt und andere Vorteile erreicht. Zu diesen Zwecken umfasst ein Überschalleinlass mit externer Kompression in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen allgemein kellenförmigen Utraschallkompressionsabschnitt zum Diffundieren eines freien Ultraschallströmungsflusses. Der Ultraschallkompressionsabschnitt umfasst eine Hauptwand mit einer führenden Kante und einen Halsabschnitt stromabwärts der führenden Kante, und mit gegenüberliegenden Seitenkanten der Hauptwand verbundene Seitenabschnitte, um eine allgemein schaufelförmige Struktur zu bilden. Die Seitenabschnitte erstrecken sich vorteilhafterweise weit genug in den Ultraschallströmungsfluss, um die anfängliche schräge Stoßwelle zu umschließen, welche an der führenden Kante der Hauptwand angebracht ist. Die Hauptwand weist eine Innenoberfläche auf, welche allgemein als ein Winkelsektor einer Rotationsoberfläche gebildet ist, wobei die Innenoberfläche der Hauptwand mit Innenoberflächen der Seitenabschnitte zusammenwirkt, um eine dreidimensionale externe Kompressionsoberfläche zu definieren. Der Ultraschalleinlass mit externer Kompression umfasst zudem einen Unterschalldiffusionsabschnitt, welcher angeordnet ist, Strömung von dem Ultraschallkompressionsabschnitt zu empfangen und die Strömung zu einem Unterschallzustand zu diffundieren. Der Unterschalldiffusionsabschnitt ist durch eine als geschlossener Kanal geformte Verkleidung gebildet, wobei die Verkleidung eine Verkleidungslippe als führende Kante aufweist, welche in einer Richtung quer zur Strömung von dem Halsabschnitt der Hauptwand derart beabstandet ist, dass ein Hals des Ultraschalleinlasses nahe der Verkleidungslippe zwischen der Verkleidung und dem Halsabschnitt definiert ist. Die dreidimensionale externe Kompressionsoberfläche des Einlasses ermöglicht es, dass das externe Strömungswenden verglichen mit einem herkömmlichen 2D oder axialsymmetrischen Ultraschalleinlass verringert wird und dementsprechend der externe Verkleidungwinkel verringert werden kann. Der einzigartige schaufelförmige Ultraschalldiffusionsabschnitt ermöglicht es zudem, die Verkleidungslänge in der Richtung quer zur Strömung relativ zu einem Diffusor herkömmlicher Art zu verringern, da die dreidimensionale Kompressionsoberfläche den Strömungsfluss nicht vollständig umgibt. Lutwiderstand an dem schaufelförmigen Diffusionsabschnitt kann somit verglichen mit einem herkömmlichen Ultraschalldiffusor verringert werden.

Die Erfindung umfasst ebenso einen Einlass variabler Geometrie mit einfacher Konstruktion. In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Hauptwand des Ultraschallkompressionsabschnitts eine bewegliche externe Rampe, welche um ihre vorwärtsgerichtete Kante schwenkbar ist. Der Rückabschnitt der externen Rampe definiert den Halsabschnitt der Hauptwand. Somit kann die Größe des Halses variiert werden, indem die Rampe geschwenkt wird, um den Abstand zwischen dem Halsabschnitt und der Verkleidungslippe zu variieren. Die Verkleidung umfasst zudem bevorzugt eine bewegliche interne Rampe, welche hinter dem Hals angeordnet ist. Die interne Rampe ist um ihre rückwärtigen Kante schwenkbar und weist eine vordere Kante auf, welche nahe der rückwärtigen Kante der externen Rampe ist. Die interne Rampe wird zusammen mit der externen Rampe geschwenkt, um dazwischen einen weichen Strömungsübergang aufrecht zu erhalten.

Vorteilhafterweise werden die externe und interne Rampe durch einfache Schwenkplatten gebildet. Wenn gewünscht können die externe und interne Rampe in die Strömungsrichtung, wo sie sich begegnen, leicht voneinander beabstandet werden, um einen Schlitz zu schaffen, welcher für ein Grenzschichtanzapfen benutzt wird.

Verschiedene Konfigurationen von dreidimensionalen externen Kompressionsoberflächen können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Bevorzugt sollten jedoch alle derartigen Konfigurationen in Übereinstimmung mit einem Entwurfsverfahren der Erfindung geformt sein, bei welchem die externe Kompressionsoberfläche eine Oberfläche umfasst, welche durch Strömunglinien gefittet wird, welche an dem Umfang einer stromaufwärtsliegenden Einfangsfläche für den Einlass entspringen. Zuerst wird ein axialsymmetrischer Entwurf durchgeführt, um eine axialsymmetrische Kompressions-Oberfläche mit einem Kompressionsfeld zu bestimmen, welche ein Kompressionsfeld bereitstellt, welches eine gute Gesamtdruckwiedergewinnung ergibt. Dann wird die Form der Einlasseinfangfläche derart überlagert, dass der Abschnitt des axialsymmetrischen Kompressionsfeldes, welcher gute Druckwiedergewinnung ergibt, durch die Einfangfläche eingefangen wird. Ein Abschnitt des Umfangs der Einfangfläche ist durch einen Winkelsektor der axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche an der führenden Kante des Ultraschallkompressionsabschnittes definiert. Stromlinien von der axialsymmetrischen Strömungslösung werden von einer Vielzahl von Punkten aus verfolgt, welche um den Umfang der Einfangfläche angeordnet sind. Ein Oberflächenfeld durch diese Stromlinien definiert die dreidimensionale externe Kompressionsoberfläche für den Einlass.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Innenfläche der Hauptwand im Querschnitt senkrecht zu der Richtung der freien Strömung eine Kreisbogenform auf und schneidet einen konstanten Kreisbogenwinkel von der führenden Kante zu dem Hals. Vorteilhafterweise umfassen die Seitenabschnitte des Ultraschallkompressionsabschnittes zwei im Wesentlichen sehr nahe Seitenwände, welche jeweils mit gegenüberliegenden Seitenkanten der Hauptwand verbunden sind und sich allgemein radial bezüglich deren kreisbogenförmiger Innenoberfläche erstrecken, wobei sich die Seitenwände von der führenden Kante der Hauptwand zu der Verkleidungslippe des Unterschalldiffusionsabschnitts erstrecken und mit der Verkleidungslippe verbunden sind. Bevorzugt definiert der Ultraschallkompressionsabschnitt an seinem Auslassende eine Strömungfläche, welche als Ringsektor ausgestaltet ist, wobei der Unterschalldiffusionsabschnitt an seinem Einlassende eine Strömungsfläche definiert, welche ausgestaltet ist, im Wesentlichen zu derjenigen des Auslassendes des Ultraschallkompressionsabschnitts zu passen, wobei das Auslassende des Unterschalldiffusionsabschnitts eine im Wesentlichen kreisförmige Strömungsfläche als sein Ausgang definiert.

In Übereinstimmung mit einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Innenoberfläche der Hauptwand in der Strömungsrichtung in einer Weise konturiert, eine anfängliche schwache schräge Stoßwelle an der führenden Kante des Diffusors gefolgt von einer isentropen Kompression auf eine Machzahl von etwa 1,3 bei dem Hals zu erzeugen. Eine Abfolge von Machlinien (Stoßwellen mit im Wesentlichen keiner Stärke, so dass durch sie im Wesentlichen kein Druckverlust auftritt) strahlen von der Innenoberfläche. Die Innenoberfläche ist derart ausgestaltet, dass bei einem vorgegebenen Strömungszustand sich die anfängliche schwache Stoßwelle und die Machlinien alle in einem gemeinsamen Brennpunkt schneiden, welcher in Richtung quer zur Strömung von dem Halsabschnitt der Hauptwand beabstandet ist. Die Verkleidungslippe ist im Wesentlichen bei dem gemeinsamen Brennpunkt angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Auslaufluftwiderstand des Einlasses zu minimieren, indem sichergestellt wird, dass der Unterschall die gesamte oder fast die gesamte extern komprimierte Strömung einschränkt.

Die Erfindung umschließt zudem einen Überschalleinlass mit externer Kompression, welcher vorteilhafterweise in einen Flugzeugflügel integriert ist. Die Form der lokalen Flügeloberfläche ist modifiziert, um zu einem Teil oder der gesamten Ultraschalldiffusorkontur zu passen, welche durch das Entwurfsverfahren der Erfindung erzeugt wurde. Die Ultraschalldiffusorwand dient somit sowohl als Diffusoroberfläche als auch als lokale Flügeloberfläche. Dies führt zu einer Verringerung der benetzten Oberflächenfläche relativ zu einer alternativen Ausgestaltung, bei welcher die Flügeloberfläche und die Diffusoroberfläche getrennte Elemente sind. Die Verringerung der benetzten Oberfläche bietet wiederum einen verringerten Oberflächenreibungsluftwiderstand für das Einlass/Flügelsystem.

Die Erfindung stellt somit einen einzigartigen Ultraschalldiffusor und ein Verfahren zum Entwerfen eines derartigen Diffusors bereit, welche ein Kompressionsfeld ermöglichen, welches im Wesentlichen dasjenige einer axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche dupliziert, welches mit einem schaufelförmigen Ultraschallkompressionsabschnitt zu produzieren ist, welcher den Strömungsfluss nicht vollständig umgibt. Dementsprechend kann der Verkleidungsluftwiderstand im Hinblick auf die verringerte benetzte Verkleidungsoberfläche verglichen mit einer axialsymmetrischen Verkleidung verringert werden. Die geringe Verkleidungslänge des Ultraschallkompressionsabschnitts führt ebenso zu einem verringerten Gewicht für den Diffusor. CFD-Modellierung sagt voraus, dass die Gesamtdruckwiedergewinnung des Diffusors gleich den höchsten Stufen ist, welche in Windkanaltests von Einlässen mit gemischter Kompression, welche für dieselbe Flugmachzahl entworfen wurden, erreicht wurden. Es wird als ebenso vorhergesagt, dass der Diffusor die gute Strömungsstabilität bereitstellt, welche für Einlässe mit externer Kompression typisch ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele hiervon in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung deutlicher, worin:

1 eine Querschnittsseitenansicht eines axialsymmetrischen Schalldiffusors mit einfacher kegelförmiger Konfiguration ist, um einen ersten Schritt eines Entwurfsverfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu illustrieren,

2 eine Frontansicht des axial symmetrischen Diffusors von 1 ist, über welchen eine Einlasseinfangfläche in der Form eines Ringsektors überlagert ist,

3 eine Querschnittsseitenansicht eines Ultraschallkompressionsabschnitts eines Diffusors in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches produziert wird, indem Stromlinien verfolgt werden, welche an Punkten um den Umfang der in 2 gezeigten Einlasseinfangfläche entspringen, und eine Oberfläche durch diese Stromlinien gefittet wird, ist

4 eine Ansicht ähnlich 3 ist, welche jedoch ein alternatives Ausführungsbeispiel des Ultraschallkompressionsabschnitts zeigt, bei welchem die Kompressionsoberfläche verfeinert ist, um eine isentrope Kompression zu erzeugen, bei welchem der anfängliche schräge Stoß und eine Abfolge von Machlinien sich alle auf einen gemeinsamen Brennpunkt fokussieren, wobei die Verkleidungslippe des Unterschalldiffusors im Wesentlichen an diesem gemeinsamen Brennpunkt angeordnet ist,

5 eine Perspektivansicht eines Diffusors in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,

6 eine Querschnittsseitenansicht eines Ultraschalldiffusors mit externer Kompression und variabler Geometrie in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,

7 eine Frontansicht des Diffusors von 6 ist, welche verglichen mit 6 vergrößert gezeigt ist,

8 eine Frontansicht eines in eine Flügeloberfläche integrierten Diffusors in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,

9 eine Frontansicht eines Diffusors in Übereinstimmung mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, welcher eine Einfangfläche aufweist, die allgemein als Ringsektor ausgestaltet ist, aber mit abgerundeten Seitenwänden und Verkleidungslippe,

10 eine Querschnittsseitenansicht eines axialsymmetrischen Ultraschalldiffusors ist, welche ein Stromlinienverfolgungsverfahren für eine kreisförmige Einfangfläche zeigt,

11 eine Querschnittsseitenansicht eines Diffusors ist, welcher durch die Stromlinienverfolgungsverfahren von 10 erzeugt wird, was die Erfindung auf eine kreisförmige Einfangfläche angewendet veranschaulicht, und

12 eine Frontansicht des Diffusors von 11 ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in welcher bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, beschrieben werden. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht als auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ausgelegt werden, vielmehr werden diese Ausführungsbeispiele bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und den Umfang der Erfindung Fachleuten vollständig mitteilen wird. Gleiche Zahlen beziehen sich durchgängig auf gleiche Elemente.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Konzept, dass ein Ultraschallkompressionsfeld, welches im Wesentlichen ein axialsymmetrisches Kompressionsfeld eines axialsymmetrischen Diffusors mit geschlossenem Kanal dupliziert, durch einen Kanal erzeugt werden kann, welcher den Strömungsfluss nur teilweise umgibt. Dieses wird erreicht, indem eine dreidimensionale Kompressionsoberfläche konfiguriert wird, welche durch das axial symmetrische Strömungsfeld definierte Stromlinien gefittet wird. Die dreidimensionale Kompressionsoberfläche ist eine allgemein schaufelförmige Oberfläche. Das Designverfahren zum Bestimmen der Kontur der dreidimensionalen Kompressionsoberfläche wird mit Hilfe der 13 erklärt.

1 zeigt einen einfachen axial symmetrischen Ultraschalldiffusor 20, welcher als Rotationskörper mit einer konischen Innenoberfläche 22 gebildet ist, welcher einen Winkel ∀ mit der Strömungsrichtung der freien Strömung, welche durch den Pfeil 24 bezeichnet ist, bildet. Der freie Strömungsfluss ist parallel zu der zentralen longitudinalen Achse des Diffusors 20. Dementsprechend wird ein axialsymmetrisches Ultraschallkompressionsfeld erzeugt, welches eine anfängliche schräge Stoßwelle 26 umfasst, welche bei der führenden Kante 28 des Diffusors entspringt. Das Kompressionsfeld umfasst einen letzten Stoß 30, welcher typischerweise senkrecht oder nahezu senkrecht ist und welcher das Ultraschallströmungsfeld von dem Unterschallströmungsfeld trennt. Es wird hier angenommen, dass der Diffusor 20 passend ausgelegt ist, um ein gewünschtes Ultraschallkompressionsfeld zu erzeugen, welches eine zufriedenstellende Druckwidergewinnung bietet. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird es gewünscht, eine dreidimensionale Kompressionsoberfläche zu entwerfen, welche im Wesentlichen dasselbe Kompressionsfeld mit einer nicht axial symmetrischen Diffusorstruktur erzeugen wird.

2 illustriert den nächsten Schritt in dem Entwurfsverfahren zum Bestimmen einer derartigen Diffusorstruktur. Eine Einlasseinfangfläche mit einem Umfang 32 wird dem axial symmetrischen Strömungsfeld bei der führenden Kante 28 des Diffusors 20 überlagert. Die Einfangfläche umschließt weniger als die gesamte durch die axialsymmetrische Kompressionsoberfläche 22 enthaltene Strömung. Insbesondere ist die Einfangfläche derart konfiguriert, dass sie denjenigen Abschnitt des axialsymmetrischen Kompressionsfeldes einfängt, welcher eine gute Druckwiedergewinnung bereitstellt. Die Einfangfläche ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung als ein Sektor eines Rings konfiguriert, welcher ein inneres Kreisbogensegment aufweist, welcher das Herausragen einer Verkleidungslippe eines Unterschalldiffusorabschnitts des Diffusors wie weiter unten beschrieben definieren wird. Das äußere Kreisbogensegment des Umfangs definiert die führenden Kanten des Ultraschallkompressionsabschnitts des Diffusors. Der Umfang 32 wird in der Umfangsrichtung auf gegenüberliegenden Seiten durch gerade radiale Liniensegmente begrenzt. Eine Vielzahl von Punkten wird um den Umfang 32 der Einfangfläche ausgewählt, und in diesen Punkten entspringende Stromlinien werden basierend auf der axialsymmetrischen Strömungsfeldlösung für den axialsymmetrischen Diffusor 20 stromabwärts verfolgt. Das Ziel der Stromlinienverfolgungsprozedur ist es, eine interne Kontur einer nicht axialsymmetrischen Diffusorstruktur zu bestimmen, welche denjenigen Teil des axial symmetrischen Strömungsfeld einschließen wird, welcher benutzbar ist, das heißt den Teil des Strömungsfeldes, welcher eine gute Druckwiedergewinnung aufweist. Eine Oberfläche dieser internen Kontur wird durch ein Kreisbogensegment der Innenoberfläche 22 des axial symmetrischen Diffusors 20 definiert, was man sich als Oberflächenfit durch Stromlinien vorstellen kann, welche entlang des äußeren Kreisbogensegments des Umfangs 32 entspringen. Das Ziel ist es, die internen Konturen von Seitenwänden zu bestimmen, welche den radialen geradlinigen Segmenten des Umfangs 32 entsprechen. Die Stromlinienverfolgungsprozedur ist in diesem speziellen Fall einfach, da die Stromlinien entlang eines radialen Liniensegments im Hinblick auf die axialsymmetrische Form der Stromrohre des axialsymmetrischen Strömungsfeldes auf einer radialen Linie bleiben werden, wenn sie sich stromabwärts fortsetzen. Dementsprechend ist ein Oberflächenfit durch die Stromlinien eine radiale Ebene. Somit sollten die Seitenwände des nicht axialsymmetrischen Diffusors Innenoberflächen aufweisen, welche planar sind und radial ausgerichtet sind. Die Seitenwände sollten sich weit genug in den Ultraschallströmungsfluss erstrecken, um die anfängliche schräge Stoßwelle 26 einzuschließen, welche an der führenden Kante 28 des Diffusors angebracht ist. Somit sollten freie Kanten der Seitenwände sich allgemein entlang einer Richtung erstrecken, welche im Wesentlichen derjenigen der anfänglichen Stoßwelle 26 entspricht, welche in der axialsymmetrischen Strömungslösung bestimmt wurde.

Die sich aus diesem Entwurfsverfahren ergebende Ultraschallkompressionsstruktur ist in 3 gezeigt, welche eine Querschnittsseitenansicht des Ultraschallkompressionsabschnitts 40 zeigt. Der Ultraschallkompressionsabschnitt 40 umfasst eine Hauptwand 42 mit einer Innenoberfläche 44, welche der Innenoberfläche 22 des axialsymmetrischen Diffusors 20 von 1 entspricht. Der Ultraschallkompressionsabschnitt 40 weist zudem ein Paar von Seitenwänden 46 auf (nur eine ist in 3 sichtbar), deren Innenoberflächen planar und radial ausgerichtet sind. Die freien Kanten 48 der Seitenwände 46 erstrecken sich von der führenden Kante 50 der Hauptwand 42 zu einer Verkleidungslippe 52, welche angeordnet ist, einen Hals 54 einer gewünschten Größe zwischen der Verkleidungslippe 52 und einem Halsabschnitt der Hauptwand 42 gegenüberliegend der Verkleidungslippe 52 zu definieren. Wie unten weiter beschrieben bildet die Verkleidungslippe 52 einen Teil des Unterschalldiffusorabschnitts des Diffusors. Die Innenoberflächen der Hauptwand 42 und der Seitenwände 46 umfassen zusammengenommen die externe Kompressionsoberfläche des Ultraschallkompressionsabschnitts 40.

Eine Verfeinerung des obigen Entwurfsverfahrens wird bevorzugt ausgeführt, um sicherzustellen, dass die gesamte komprimierte Ultraschallströmung durch den Unterschalldiffusor eingefangen wird. Diese Verfeinerung beinhaltet das Konturieren der Innenoberfläche der Hauptwand in einer Weise, dass eine schwache anfängliche schräge Stoßwelle von der führenden Kante der Hauptwand erzeugt wird, und folgend dem anfänglichen Stoß ein isentroper Kompressionsprozess auftritt, so dass es im Wesentlichen keinen zusätzlichen Gesamtdruckverlust bis zu dem Hals des Diffusors gibt. Weiterhin wird die Innenoberfläche derart konturiert, dass der anfängliche Stoß und die Abfolge von Machlinien (welche man sich als Stöße mit praktisch keiner Stärke und somit keinem Druckverlust vorstellen kann), welche von der Innenoberfläche abstrahlen, alle fokussiert werden, so dass sie sich bei einem gemeinsamen Brennpunkt schneiden. Dies ist in 4 dargestellt, welche ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Ultraschallkompressionsabschnitts 40' darstellt. Die Innenoberfläche 42' ist konturiert, den anfänglichen schwachen Stoß 43 und eine Abfolge von Machlinien 47 zu erzeugen, welche sich alle an einem gemeinsamen Brennpunkt P schneiden. Der Kompressionsprozess ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Machzahl der Strömung gerade vor dem senkrechten Stoß 47 bei dem Hals nicht größer als etwa 1,3 ist. Bevorzugt ist die Verkleidungslippe 52' des Unterschalldiffusionsabschnitts im Wesentlichen bei dem Brennpunkt P angeordnet, so dass der Unterschalldiffusor im Wesentlichen die gesamte Ultraschallströmung einfängt, welche durch den anfänglichen Stoß 43 und den isentropen Kompressionsprozess komprimiert wird. Diese Anordnung der Verkleidungslippe erleichtert es, den durch Verströmen von komprimierter Ultraschallströmung außerhalb des Unterschalldiffusionsabschnitts verursachten Luftwiderstand zu minimieren.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vollständigen Ultraschalleinlasses 60 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Einlass 60 umfasst einen Ultraschalldiffusionsabschnitt 62 und einen Unterschalldiffusionsabschnitt 64. Der Ultraschalldiffusionsabschnitt 62 ist eine allgemein schaufelförmige Struktur mit einer Hauptwand 66 und einem Paar gegenüberliegender Seitenwände 68. Der Einlass 60 weist eine als ein Ringsektor ausgestaltete Einfangfläche wie vorstehend beschrieben auf. Die Innenoberflächen der Seitenwände 68 sind planar und bezüglich der kreisbogenförmigen Innenoberfläche der Hauptwand 66 radial ausgerichtet. Bevorzugt sind die Außenoberflächen der Seitenwände 68ebenso planar und radial, so dass die Seitenwände 68 flache plattenförmige Strukturen umfassen. Die Seitenwände 68 umfassen bevorzugt eine Schrägung 70 auf der externen Oberfläche an der führenden jeder Seitenwand, um die Dicke der führenden Kante zu verringern. Der ringsektorförmige Ultraschalldiffusionsabschnitt 62 umfließt bevorzugt einen Kreisbogenwinkel von etwa 70 Grad, auch wenn es zu schätzen sein wird, dass die umfangsmäßige Ausdehnung des Ultraschalldiffusionsabschnitts für verschiedene Einlassausgestaltungen variieren wird. Der 70 Grad Bogenwinkel des Ultraschalldiffusionsabschnitts 62 ist bevorzugt von der führenden Kante 72 zu der Verkleidungslippe 74 konstant. Der Unterschalldiffusionsabschnitt 64 ist ausgestaltet, einen sanften Übergang zwischen dem Eingang des Abschnitts 64, welcher eine als Ringsektor konfigurierte Strömungsfläche aufweist, zu dem Ausgang des Abschnitts 64, welcher eine kreisförmige Strömungsfläche aufweist, um mit der kreisförmigen Frontfläche eines Triebwerks zusammenzupassen, bereitzustellen.

Die Erfindung ermöglicht es zudem, einen Einlass variabler Geometrie mit relativ einfachen beweglichen Elementen zu produzieren. Wie Fachleuten auf dem Gebiet des Entwerfens von Ultraschalleinlässen bekannt ist, ist die Größe des Einlasshalses, welche für Ultraschallreisebetrieb wünschenswert ist, kleiner als diejenige, welche für Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit wünschenswert ist. Dementsprechend ist es üblich, bewegliche Elemente in Ultraschalleinlässen bereitzustellen, um die Halsgröße zu variieren. In herkömmlichen axialsymmetrischen Einlässen werden häufig relativ komplizierte bewegliche Elemente wie sich verschiebende Zentralkörper oder Zentralkörper mit variablem Durchmesser benutzt, um die Halsgröße zu variieren. In 2D Einlässen wurden zusammenfallende Schwenkrampenausgestaltungen für Ultraschalleinlässe vorgeschlagen. Einlässe mit sich verschiebenden Zentralkörpern neigen dazu, begrenzte Betriebsgrenzen aufzuweisen (das heißt sie stellen akzeptable Druckwiedergewinnung und Verzerrungsstufen bei Betriebsbedingungen an einem Entwurfspunkt bereit, aber wenn das Triebwerk sich jenseits des Entwurfs bewegt, steigt die Druckwiedergewinnung und die Verzerrungsstufe in einer Weise an, bedeutend einzuschränken, wie weit jenseits des Entwurfs das Triebwerk betrieben werden kann). Sie neigen zudem dazu, eine begrenzte schallnahe Luftströmungsfähigkeit aufzuweisen. Einlässe mit Zentralkörpern variablen Durchmessers neigen dazu, mechanisch komplex zu sein, und stellen Wartungs- und Herstellungsprobleme. Zweidimensionale Einlässe neigen dazu, schwer zu sein, und können größeren installierten Luftwiderstand als axialsymmetrische Ausgestaltungen aufweisen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können zwei einfache Gelenkrampen benutzt werden, um die Halsgröße des Diffusors zu variieren. Ein dieses Konzept verwendendes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 6 und 7 dargestellt, welche Querschnittsseiten- und Frontansichten eines Einlasses 80 mit variabler Geometrie darstellen. Der Einlass 80 mit variabler Geometrie weist einen durch eine Hauptwand 64 und Seitenwände 85 gebildeten Ultraschallkompressionsabschnitt 82 (in 6 aus Klarheitsgründen nicht gezeigt) auf. Die Hauptwand 84 umfasst eine anfängliche Rampe 86, welche fixiert ist und die führende Kante der Hauptwand definiert. Die rückwärtige Kante der fixierten Rampe 86 ist benachbart zu einer Vorderkante einer beweglichen Rampe 88. Die bewegliche Rampe 88 ist um eine Scharnierachse 90 schwenkbar, welche an der vorderen Kante der Rampe 88 angeordnet ist und sich quer zu der Richtung der freien Flussströmung erstreckt. Die Rampe 88 ist sowohl in durchgezogenen Linien in einer Ultraschallreiseposition als auch in gestrichelten Linien in einer Niedriggeschwindigkeitsposition in 6 dargestellt. Der Einlass 80 umfasst zudem einen durch einen geschlossenen Kanal oder eine Verkleidung 94 gebildeten Unterschalldiffusionsabschnitt 82. Der Unterschalldiffusionsabschnitt 92 definiert an seinem Einlassende eine Strömungsfläche, welche konfiguriert ist, im Wesentlichen zu derjenigen des Ablassendes des Ultraschallkompressionsabschnitts 82 zu passen. Die Verkleidung 94 umfasst eine bewegliche Rampe 96, deren vordere Kante nahe der rückwärtigen Kante der externen Rampe 88 ist. Die Rampe 96 ist um eine Scharnierachse 98 schwenkbar, welche an der rückwärtigen Kante der Rampe 96 angeordnet ist, und ist sowohl in durchgezogenen Linien in einer Ultraschallreisposition als auch in gestrichelten Linien in einer Niedriggeschwindigkeitsposition gezeigt. Die Größe des Halses des Einlasses 80 wird durch die Positionen der Rampen 88, 96 bezüglich der Verkleidungslippe 100, welche durch den den Rampen gegenüberliegenden Abschnitt der Verkleidung 94 gebildet wird, bestimmt. Somit werden die Rampen 88, 96 für Ultraschallreisebetrieb in ihren Positionen am nächsten der Verkleidungslippe 100 wie in durchgezogenen Linien gezeigt positioniert. Wenn es gewünscht wird, für Niedriggeschwindigkeitsbetrieb die Größe des Halses zu vergrößern, werden die Rampen 88, 96 im Wesentlichen zusammen weg von der Verkleidungslippe 100 bewegt. Die Rampen 88, 96 können in jeglicher geeigneter Weise betätigt werden, wie durch hydraulische Aktuatoren, pneumatische Aktuatoren, Elektromotoren oder dergleichen (nicht gezeigt). Vorteilhafterweise sind die rückwärtige Kante der externen Rampe 88 und die vordere Kante der internen Rampe 96 in Strömungsrichtung voneinander beabstandet, um einen Schlitz 102 zwischen sich zu definieren. Der Schlitz 102 kann benutzt werden, um Grenzschichtströmung an dem Hals auszusondern.

Die vorliegende Erfindung stellt zudem ein Einlass/Flügelsystem bereit, welches es einem Ultraschalleinlass ermöglicht, in vorteilhafter Weise mit einem Flügel integriert zu werden. 8 zeigt schematisch ein derartiges Einlass/Flügelsystem für den Einlass 80 der 6 und 7. Ein Flügel 110 ist konstruiert, den Einlass 80 derart einzubeziehen, dass zumindest ein Teil der externen Kompressionsoberfläche des Diffusors 80 einen Abschnitt der aerodynamischen Oberflächen des Flügels 110 bildet. Die lokale Form der Flügeloberfläche ist modifiziert, um zu einem Teil oder zu der gesamten Diffusorkontur zu passen, welche durch das Entwurfsverfahren der Erfindung erzeugt wurde. Diese Integrierung des Einlasses 80 in den Flügel 110 kann ein Integrationsschema mit besonders niedrigem Luftwiderstand sein, da der Einlass 80 eine zweifache Funktion erfüllt, indem er sowohl als lokale Flügeloberfläche als auch als externe Kompressionsoberfläche für den Einlass dient. Die benetzte Oberflächenfläche des Einlass/Flügelsystems kann dadurch minimiert werden, was zu verringertem Oberflächenreibungsluftwiderstand des Systems führen kann.

Die oben beschriebenen Ultraschalldiffusoren und -einlässe weisen Einfangflächen auf, welche streng als Ringsektor gebildet sind, wobei die Seitenwände planar sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgendeine besondere Einfangflächenkonfiguration beschränkt. In der Tat kann das Entwurfsverfahren der Erfindung auf irgendeine willkürlich ausgewählte Einfangflächenkonfiguration angewendet werden. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, die Querschnittsform der Einfangfläche zu optimieren, um minimalen installierten Luftwiderstand oder andere Entwurfsziele zu erreichen. Beispielsweise können Einlässe in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgestaltet sein, Einfangflächenformen aufzuweisen, welche kreisförmig, elliptisch oder in jeglicher anderen gewünschten Form sind. 9 zeigt ein Beispiel der auf einen Einlass 80' angewendeten Entwurfsverfahren, welcher eine Einfangfläche aufweist, die allgemein als ein Ringsektor gebildet ist, wobei aber die Seitenwände 80' abgerundet sind und sanft in die Verkleidungslippe 100' übergehen.

10 zeigt eine Stromlinienverfolgungsprozedur der vorliegenden Erfindung auf ein axialsymmetrisches Strömungsfeld, über welches eine kreisförmige Einfangfläche 120 überlagert wird, angewendet. Das axialsymmetrische Strömungsfeld wird analysiert, um Stromlinien 122 zu verfolgen. Diejenigen Stromlinien, welche durch den Umfang der Einfangfläche 120 hindurchgehen, werden benutzt, um eine Oberfläche zu fitten. Diese Oberfläche wird die externe Kompressionsoberfläche für einen Ultraschalldiffusor in Übereinstimmung mit der Erfindung. Ein sich ergebender Einlass 130 ist in 11 und 12 dargestellt. Der Einlass 130 umfasst einen durch eine Hauptwand 134 und gegenüberliegende Seitenwände 135 gebildeten Ultraschallkompressionsabschnitt 132. Die Innenoberflächen der Hauptwand 134 und der Seitenwände 135 bilden zusammen die externe Kompressionsoberfläche, welche durch Fitten einer Oberfläche durch verfolgte Stromlinien wie in 10 bestimmt ist. Die Seitenwände 135 weisen freie oder führende Kanten 136 auf, welche sich von der führenden Kante 138 der Hauptwand zu der Verkleidungslippe 140 erstrecken. Die führenden Kanten 136 der Seitenwände sind leicht nach vorne gebogen, um ein weiches Übergehen der Seitenwände 135 zu der Verkleidungslippe 140 zu erleichtern. Der Einlass 130 umfasst eine bewegliche externe Rampe 142, welche sowohl in Reisedurchgezogene Linie) als auch Niedriggeschwindigkeit- (gepunktete Linie) Position gezeigt ist, und welche einen Abschnitt der Innenoberfläche des Ultraschallkompressionsabschnitts 132 bildet. Der Diffusor 130 umfasst zudem einen Unterschalldiffusionsabschnitt 144, welcher durch einen geschlossenen Kanal oder eine Verkleidung 146 gebildet wird. Der Unterschalldiffusionsabschnitt umfasst eine bewegliche interne Rampe 148, welche sowohl in der Reise- (durchgezogene Linie) als auch in einer Niedriggeschwindigkeit (gepunktete Linie) Position gezeigt ist.

Aus dem vorstehenden wird erkannt werden, dass die vorstehende Erfindung einen einzigartigen Ultraschalldiffusor oder -einlass und ein Verfahren zum Entwerfen desselben bereitstellt. Computergestützte Fluiddynamikanalysen (CFD) von in Übereinstimmung mit der Erfindung entworfenen Diffusoren deuten an, dass die Diffusoren das Potenzial für Druckwiedergewinnungen aufweisen, welche gleich den höchsten in Windkanaltests von herkömmlichen Einlässen mit gemischter Kompression, welche für dieselbe Flugmachzahl entworfen sind, sind. Die Diffusoren der Erfindung ermöglichen es zudem, externen Luftwiderstand und Gewicht verglichen mit herkömmmlichen Einlässen zu verringern. Diese Vorteile sind möglich, während die guten Strömungsstabilitätseigenschaften herkömmlicher Einlässe mit externer Kompression beibehalten werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entworfene Einlässe können bei einer Vielzahl von Anwendungen benutzt werden, umfassend Ultraschall- oder hypersonische Flugzeuge oder Raketen. Es wird zudem durch Durchschnittsfachleute erkannt werden, dass das Stromlinienverfolgungsentwurfsverfahren der Erfindung ebenso auf den Entwurf einer aerodynamischen Oberfläche einer Ausstoßdüse angewendet werden könnte, um eine kurze und niedriggewichtige Düse bereitzustellen.

Viele Modifikationen und andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden einem Fachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung einfallen, welcher die Vorzüge der in den vorstehenden Beschreibungen verbundenen Zeichnungen dargestellten Lehren hat. Daher ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt ist und dass beabsichtigt ist, dass Modifikationen und andere Ausführungsbeispiele in den Bereich der angehängten Ansprüche einbezogen sind. Obwohl spezifische Begriffe hier benutzt werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zwecke der Beschränkung benutzt.


Anspruch[de]
Ultraschalleinlass (60, 80, 130) mit externer Kompression, umfassend:

– einen Ultraschallkompressionsabschnitt (40, 40', 82, 132) zum Diffundieren eines freien Ultraschallströmungsflusses, wobei der Ultraschallkompressionsabschnitt eine Hauptwand (42, 42', 84, 134) mit einer führenden Kante (50, 136) und einen Halsabschnitt stromabwärts der führenden Kante (50, 136) umfasst, wobei der Ultraschallkompressionsabschnitt Seitenabschnitte (46, 68, 135) aufweist, welche mit gegenüberliegenden Seitenkanten der Hauptwand (42, 42', 84, 134) verbunden sind, um eine allgemein schaufelförmige Struktur zu bilden, wobei die Hauptwand (42, 42', 84, 134) eine Innenoberfläche aufweist, welche allgemein als ein sich umfangsmäßig erstreckender Abschnitt einer Rotationsoberfläche gebildet ist, wobei die Innenoberfläche (94) der Hauptwand (42, 42', 84, 134) mit Innenoberflächen der Seitenabschnitte zusammen wirkt, um eine dreidimensionale externe Kompressionsoberfläche zu definieren, und

– einen Unterschalldiffusionsabschnitt (64, 92, 144), welcher angeordnet ist, Strömung von dem Ultraschallkompressionsabschnitt (40, 40', 82, 132) zu empfangen und die Strömung zu einem Unterschallzustand zu diffundieren, wobei der Unterschalldiffusionsabschnitt (64, 92, 144) durch eine als geschlossener Kanal geformte Verkleidung gebildet ist, wobei die Verkleidung eine Verkleidungslippe als führende Kante aufweist, welche in einer Richtung quer zur Strömung von dem Halsabschnitt der Hauptwand (42, 42', 84, 134) derart beabstandet ist, dass ein Hals (54) des Ultraschalleinlasses nahe der Verkleidungslippe (52) zwischen der Verkleidung und dem Halsabschnitt definiert ist, wobei die Verkleidung ein Auslassende aufweist, welches stromabwärts von dem Hals (54) beabstandet ist.
Ultraschalleinlass nach Anspruch 1, wobei der Einlass eine Einfangfläche definiert, welche als Ringabschnitt ausgestaltet ist. Ultraschalleinlass nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innenfläche (44) der Hauptwand (42, 42', 84, 134) im Querschnitt senkrecht zu der Richtung (44) der freien Strömung eine Kreisbogenform aufweist und einen konstanten Kreisbogenwinkel von der führenden Kante (28) zu dem Hals (54) schneidet. Ultraschalleinlass nach Anspruch 3, wobei die Seitenabschnitte des Ultraschallkompressionsabschnitts (40, 40', 82, 132) zwei im Wesentlichen planare Seitenwände (46) umfassen, welche jeweils mit gegenüberliegenden Seitenkanten der Hauptwand (82, 82', 84) verbunden sind und sich allgemein radial bezüglich deren kreisbogenförmiger Innenoberfläche erstrecken, wobei sich die Seitenwände (46) von der führenden Kante der Hauptwand zu der Verkleidungslippe des Unterschalldiffusionsabschnitts erstrecken und mit der Verkleidungslippe verbunden sind. Ultraschalleinlass nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Ultraschallkompressionsabschnitt (40, 40', 82, 132) an seinem Auslassende eine Strömungsfläche definiert, welche als Ringsektor ausgestaltet ist, wobei der Unterschalldiffusionsabschnitt (64, 92, 144) an seinem Einlassende eine Strömungsfläche definiert, welche ausgestaltet ist, im Wesentlichen zu derjenigen des Auslassendes des Ultraschallkompressionsabschnitts (40, 40', 82, 132) zu passen, und wobei das Auslassende des Unterschalldiffusionsabschnitts (64, 92, 144) eine im Wesentlichen kreisförmige Strömungsfläche definiert. Ultraschalleinlass nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Innenoberfläche der Hauptwand (42, 42', 84, 134) in der Strömungsrichtung in einer Weise konturiert ist, eine anfängliche schwache schräge Stoßwelle (43) gefolgt von einer isentropen Kompression, welche durch eine Abfolge von Machlinien (45) derart, dass bei einem vorgegebenen Strömungszustand die Stoßwelle (43) und die Machlinien von der Innenoberfläche der Hauptwand (42') zu einem gemeinsamen Brennpunkt (P) strahlen, welcher in Richtung quer zur Strömung von dem Halsabschnitt der Hauptwand beabstandet ist, gekennzeichnet ist, zu erzeugen. Ultraschalleinlass nach Anspruch 6, wobei die Verkleidungslippe (52') im Wesentlichen bei dem gemeinsamen Brennpunkt (P) der Stoßwellen angeordnet ist. Ultraschalleinlass nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der Einlass (60, 80, 130) eine kreisförmige Einfangfläche (120) definiert. Ultraschalleinlass nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Hauptwand (42, 42', 84, 134) eine bewegliche externe Rampe (88, 142) umfasst, welche um eine vorwärtsgerichtete Kante derselben, welche von dem Hals beabstandet ist, schwenkbar ist, wobei die externe Rampe (88, 142) einen Rückabschnitt aufweist, welcher gegenüberliegend der Verkleidungslippe (100, 140) beabstandet ist, wobei eine Schwenkbewegung der externen Rampe (88, 142) dazu dient, eine Strömungsfläche zwischen der externen Rampe (88, 142) und der Verkleidungslippe (100, 140) zu variieren. Ultraschalleinlass nach Anspruch 9, wobei die Verkleidung (94) eine bewegliche interne Rampe (96, 148) umfasst, welche um eine rückwärtige Kannte derselben schwenkbar ist, welche rückwärtig des Halses beabstandet ist, wobei die interne Rampe (96, 148) einen vorwärtsgerichteten Abschnitt nahe dem rückwärtigen Abschnitt der externen Rampe (88, 142) aufweist, wobei die interne Rampe (96, 148) im Zusammenspiel mit der externen Rampe (88, 142) schwenkbar ist, um so eine Strömungsfläche des Halses zu variieren. Ultraschalleinlass nach Anspruch 10, wobei der vorwärtsgerichtete Abschnitt der internen Rampe (96, 148) stromabwärts des rückwärtigen Abschnitts der externen Rampe (88, 142) beabstandet ist, um so zwischen diesen einen Schlitz (102) nahe des Halses zu definieren. Ultraschalleinlass nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Hauptwand (42, 42', 84, 134) eine feststehende Rampe (86) vorderhalb der externen Rampe (88, 142) umfasst, wobei eine vorwärtsgerichtete Kante der feststehenden Rampe (86) die führende Kante der Hauptwand (84, 134) definiert und eine rückwärtige Kante der feststehenden Rampe (86) benachbart zu der vorwärtsgerichteten Kante der externen Rampe (88, 142) ist. Ultraschalldiffusor, ausgelegt, einen freien Ultraschallströmungsfluss zu empfangen und zu diffundieren und ausgelegt, mit einem Unterschalldiffusionsabschnitt (64, 92, 144) gekoppelt zu werden, welcher angeordnet ist, Strömung von dem Ultraschalldiffusor (40, 40', 82, 132) zu empfangen und welcher eine Verkleidungslippe (52) aufweist, welche sich in den Hals (54) des Ultraschalldiffusors (40, 40', 82, 132) erstreckt, wobei der Ultraschalldiffusor umfasst:

– eine allgemein schaufelförmige Struktur zum Verteilen eines freien Ultraschallströmungsflusses (24), wobei die Struktur eine Einfangfläche (120) definiert und durch Wände gebildet wird, welche Innenoberflächen aufweisen, welche kollektiv eine nicht axialsymmetrische Kompressionsoberfläche definieren, wobei die Kompressionsoberfläche einen Abschnitt aufweist, welcher sich von einer führenden Kante (28) der Struktur entlang einer Richtung des freien Strömungsflusses (24) erstreckt und sich zudem allgemein quer zu der Richtung des freien Strömungsflusses (24) erstreckt, wobei der Abschnitt der Kompressionsoberfläche einen sich umfangsmäßig erstreckenden Abschnitt einer Rotationsoberfläche umfasst, wobei die Kompressionsoberfläche als ein dreidimensionaler Oberflächenfit durch Stromlinien konturiert ist, welche durch einen Umfang des Einfanggebiets (120) des Diffusors (20) hindurchgehen, wobei die Stromlinien (122) basierend auf einem axialsymmetrischen Kompressionsfeld verfolgt werden, welches für eine axiale Kompressionsoberfläche abgeleitet ist, welche konturiert ist, zu der Rotationsoberfläche zu passen.
Verfahren zum Entwerfen einer aerodynamischen Innenoberfläche eines Ultraschalldiffusors, umfassend:

– Entwerfen einer axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche zum Komprimieren einer Ultraschallströmung mit einem vorgegebenen Strömungszustand, um ein axialsymmetrisches Kompressionsfeld bereitzustellen,

– Überlagern einer Einfangfläche (120) über das axialsymmetrische Kompressionsfeld, wobei die Einfangfläche (120) einen Umfang aufweist, von welchem sich ein Abschnitt entlang der axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche in einer Umfangsrichtung hiervon erstreckt, wobei die Einfangfläche (120) weniger als die gesamte von der axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche enthaltene Strömung einschließt,

– Verfolgen einer Vielzahl von Stromlinien (122), welche in einer Vielzahl von Punkten entspringen, welche um den Umfang der Einfangfläche beabstandet sind, wobei die Stromlinien (122) basierend auf dem axialsymmetrischen Kompressionsfeld verfolgt werden, und

– Fitten einer Oberfläche durch die Stromlinien (122), um die aerodynamische Innenoberfläche zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die axialsymmetrische Kompressionsoberfläche (42, 42', 84, 134) entworfen ist, eine an einer führenden Kante der Kompressionsoberfläche angebrachte schräge Stoßwelle (43) gefolgt von einem isentropen Kompressionsprozess, welcher durch eine Abfolge von Machlinien (45) gekennzeichnet ist, welche von der Kompressionsoberfläche strahlen, hervorzurufen, wobei die Kompressionsoberfläche derart konturiert ist, dass sich die anfängliche Stoßwelle (43) und die Machlinien (45) alle in einem gemeinsamen Brennpunkt (P) schneiden. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Einfangfläche (120) derart ausgestaltet ist, dass die durch einen Abschnitt des Einfangflächenumfangs (120) verfolgten Stromlinien, welcher am weitesten von der axialsymmetrischen Kompressionsoberfläche beabstandet ist, im Wesentlichen durch den gemeinsamen Brennpunkt (P) hindurchgehen. Einlass/Flügelsystem für ein Flugzeug umfassend:

– einen Flügel (110) mit einer aerodynamischen Oberfläche, gekennzeichnet:

– durch einen Ultraschalleinlass (60, 80, 130) für externe Kompression nach Anspruch 1, und

– dadurch, dass der Einlass (60, 80, 130) mit dem Flügel (110) derart integriert ist, dass ein Abschnitt der aerodynamischen Oberfläche des Flügels (110) durch zumindest einen Teil des Einlasses (60, 80, 130) gebildet ist.






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