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Lader für Flugmotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
zur Herbeiführung einer weitgehenden Höhenunabhängigkeit für Flugmotoren mit einem
vorzugsweise von der Welle des Flugmotors angetriebenen Lader, dem bei im wesentlichen
gleichbleibender Drehzahl veränderliche Förderhöhen zugrunde liegen. Als Lader kommt
dabei ein Schleudergebläse, beispielsweise ein Spirallager, zur Anwendung, bei dem
die bei mäßigen Flughöhen sich ergebende, überschüssige Förderhöhe unter Zuhilfenahme
einer unmittelbar an dem Umfang des Laderlaufrades sich anschließende Strahldüse
in dem zwischen Laufrad und Spirale vorhandenen Spalt entspannt und die entspannte
Luft zum Ansaugen zusätzlicher, unter Atmosphärendruck stehender Zweitluft nutzbar
gemacht wird, worauf das aus Erst-und Zweitluft bestehende Gemisch auf dem Wege
über eine zweite Düse in den Spiralraum des Gebläses eingeführt und dort in seiner
Strömungsgeschwindigkeit. bis zur Erzielung des gewünschten Enddruckes verzögert
wird. Im besonderen betrifft die Erfindung die Anordnung der- einzelnen Bauteile
sowie die Mittel zu deren Regelung.
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Es sind bereits Ladegebläse für Höhenflugmotoren bekanntgeworden,
die dem Motor in allen Flughöhen die Verbrennungsluft oder das Brenngasgemisch unter
einem gleichbleibenden Druck zuführen. Dabei wurde die Ladeluft oder das Brenngasgemisch
vom Druck der Umgebung bei zunehmender Außenluftdichte durch die Gebläsefördermenge
beim Durchströmen eines mit Mitteln zur Veränderung des Durchtrittsquerschnittes
und damit der Ejektorwirkung versehenen Leitapparates in einem mit zunehmender
Außenluftdichte
wachsenden Maße durch entsprechende Verkleinerung der Durchtrittsquerschnitte angesaugt.
Man bediente sich dabei zur Zuführung des zusätzlichen Ladeteiles von Außenluftdichte
zur Veränderung der Durchtrittsquerschnitte eines Schleudergebläses, das mit hohlen
Leitschaufeln versehen war. Für die vorn Gebläse geförderte Luftmenge war ein Wandteil
jeder Leitschaufel bis zur Einlaßöffnung für die zusätzliche Lademenge um die Spitze
der Leitschaufel schwenkbar eingerichtet, wobei der Schwenkpunkt nahe der inneren
Spitze der Schaufel angeordnet war.
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Eine weitere Einrichtung zur Erreichung des gleichen Zweckes sah zur
Zuführung von Zweitluft hinter dem Laufrad des Laders einen unmittelbar an der Austrittsstelle
des Laufrades angeordneten Ejektor vor, der aus gegeneinander in Achsrichtung verschiebbaren
Ringschieberpaaren bestand -, von denen das innere Schieberpaar eine Expansionsdüse
und das äußere Schieberpaar die Auffangdüse bildete. Die Zuführung der Zweitluft
erfolgte durch die hohl ausgebildeten inneren Ringschieber. Die Ringschieberpaare
waren sowohl unter sich als auch in ihrer Gesamtheit einstellbar eingerichtet.
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Vorliegende Erfindung betrifft nun eine weitere Verbesserung des Ladegebläses
eines Flugmotors, bei dem die geförderte Luft hinter dem Laufrad beim Durchströmen
eines Ejektors weitere Luft (Zweitluft) vom Druck der Außenluft ansaugt. Sie besteht
im besonderen aus einem Tader, bei dein durch einen unmittelbar hinter dem Laufrad
angeordneten Ejektor, dessen Expansionsdüse aus axial zueinander verschiebbaren
ringförmigen Düsenhälften besteht, diese Zweitluft gefördert wird. Erfindungsgemäß
wird die Zweitluft in einem weiteren Gebläse vorverdichtet und nicht nur der Austrittsquerschnitt
für die Erstluft, sondern auch der Austrittsquerschnitt für die Zweitluft steuerbar
eingerichtet, derart, daß in der einen Endstellung, die der Abflugstellung entspricht,
der die Expansionsdüse bildenden Düsenhälften der Querschnitt für die Zweitluft
vollständig geöffnet und der für die Erstluft ganz geschlossen wird, jedoch in der
anderen Endstellung der Querschnitt für die Erstluft (Hauptluft) ganz geöffnet und
der für die Zweitluft ganz geschlossen wird. Die Vorverdichtung der Zweitluft erfolgt
in einer der Erstluftstufe parallel geschalteten oder vorgeschalteten Axial- oder
Radialstufe; für ihre, Förderung werden Laufradkanäle für die Erstluft angezapft,
ferner Ansätze an den Schaufeln des Rotors vorgesehen, denen Leitspiralen zugeordnet
sind. Nach der Erfindung können die Austrittsquerschnitte für den Erstluftstrom
Zahnlinienform aufweisen, wobei die Zähne in Richtung des austretenden Luftstromes
schräg liegen, auch können die Düsenhälften mit Reihen durch Schieber abdeckbarer
Bohrungen versehen sein, die gegeneinander versetzt dem von beiden Hälften gebildeten
Spalt entlang sich anreihen, wobei die Achse jeder Bohrung eine der Strömungsrichtung
der in die Bohrungen eintretenden Luft entsprechende Neigung und weiterhin eine
Schräglage derart aufweist, daß die die Bohrung verlassenden Luftstrahlen sich berührend
an die aus dem Spalt austretende Luftscheibe anlegen, sie eindrücken und ihrer Oberfläche
einen welligen Verlauf aufzwingen. Weiterhin können diese Bohrungen in Ringen angeordnet
sein,- die in U-förmigen Düsenhälften unter der Wirkung von Druckfedern stehend
axial verschiebbar mit ihren einander zugekehrten freien Rändern den Austrittsspalt
für die Erstluft bilden, wobei ein Verschieben der Ringe zueinander bis zu zugeordneten
Anschlägen ein Öffnen und voneinander ein Abdecken der Lochreihen durch die gegen
den Spalt hin verlängerten unteren U-Schenkel der Düsenhälften bewirkt.
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Die im Vorausgegangenen beschriebenen Einrichtungen können in ihrer
Gesamtheit oder auch teilweise zur Anwendung gelangen.
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In den Zeichnungen sind ein über die Höhenunabhängigkeit eines mit
einem Spirallader nach der Erfindung ausgerüsteten Motors Aufschluß gebende s Kurvenbild
sowie einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes wiedergegeben.
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Abb. i zeigt das mit beigegebenen Vergleichskurven ausgestattete Kurvenbild,
Abb. 2 den Längsschnitt durch einen Spirallader mit zur Erstluftstufe parallel geschalteter
Axialstufe, Abb. 3 mehrere Schieberstellungen der Einrichtung nach Abb. 2, Abb.
4 das Laufrad der Erstluftstufe nach Abb. 5, Abb. 5 den Längsschnitt durch einen
Lader mit angezapftem Laufrad, Abb. 6 zickzacklinienförmig verlaufende Ränder an
den querverschieblichen Strahldüsenhälften, Abb. 7 die Schrägstellung der Längskanten
der Zähne nach Abb. 61 Abb. 8 den Schieberrändern entlang geführte Bohrlochreihen,
Abb. 9 das Querschnittsbild der den Bohrlöchern entströmenden Erstluftstrahlen,
die der Erstluft entstammenden Luftscheibe eine wellige Form aufzwingen, Abb. io
eine Schieberausbildung, bei der die Bohrlöcher abdeckbar eingerichtet sind. Es
ist mit a die Kurve bezeichnet, die sich bei einer Drehzahlregelung des Laders ergibt.
Die
Kurve b -veranschaulicht die Leistung, bei der mit unveränderlicher Laderdrehzahl
und Regelung durch die Drosselklappe geflogen wird. Die Kurve c gibt den Leistungsverlauf
bei Verwendung eines zweistufigen Höhenladers wieder, bei dem zunächst mit nicht
vollständig geöffneter Drosselklappe geflogen wird. Ist die Höhe H, erreicht, so
findet beim Umschalten auf den zweiten Ladergang ein plötzlicher Leistungsabfall
statt, wie dies aus der Kurve zu ersehen ist.
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Die Kurve d, zeigt den Leistungsverlauf bei der Einrichtung
nach der Erfindung.
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In Abb. 2 ist mit dem Bezugszeichen i der Läufer der Erstluftstufe,
mit :3 ein Axialgebläse bezeichnet. Die Einströmrichtung der Luft findet in der
durch den Pfeil 3 angegebenen Richtung statt. Zwischen Axial- und Radialstufe,
deren gesamte Läufer die Drehwelle 4 gemeinsam haben, befindet sich ein Ringraum
5 für die Entnahme der vorn Axialgebläse 2°geförderten Luft.
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Unmittelbar am Umfang des Läufers i befinden sich aus zwei Strahldüsenhälften
bestehende Schieber 6 und 7, die am Gehäuse des Laders querverschieblich
gelagert sind. Der aus diesen beiden Ringschiebern 6 und 7
gebildeten
Strahldüse ist im Spalt zwischen dein Läufer i und der Spirale 8 die Düse
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vorgeschaltet, die sich gegen den Spiralraum 8 hin verengt. An der Innenseite
des Spiralgehäuses befindet sich noch ein als Schieberauflage dienender Ringansatz
Io, der in den Ringraum zwischen Axial- und Radialstufe hineinragt.
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Im Bild A der Abb. 3 ist diejenige Schieberstellung gezeigt, bei der
der Erstluftstrom abgeriegelt ist. Das Bild B zeigt die Schieberstellung, bei der
der Strahldüse die Erstluft in Gestalt einer dünnen Scheibe entströmt, solange dieselbe
von beiden Seiten her von der Zweitluft bespült wird. Im Bild C
schließlich
sind die Schieberhälften so weit auseinandergezogen, daß der Durchtrittsquerschnitt
für die Erstluft in seiner ganzen Ausdehung freigegeben ist, während zugleich die
eine der beiden Schieberhälften den Ringraum 5 zwischen Axial- und Radialstufe überbrückt
und so den Zustrom der Luft aus diesem Raum heraus zum Spalt hin unterbindet.
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In Abb. 4 ist in verkleinerter Darstellung das Laufrad nach Abb. 5
besonders herausgezeichnet, und zwar so, daß die Einströmöffnungen i i ersichtlich
sind.
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Beim Anwendungsfall nach Abb. 5 sind die Schaufelkanäle des Läufers
12 der Erstluftstufe so angezapft, daß die Schaufelansätze 13 der Förderhöhe der
Zweitluftstufe entsprechen. Zu diesen Schaufelansätzen gehören die Ringräume 14,
denen die von der Zweitluftstufe geförderte Luft entnommen wird. Die Läufer beider
Stufen haben somit auch hier eine Welle, nämlich die Welle 15, gemeinsam.
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Um eine Vergrößerung der Oberfläche der der Strahldüse entstammenden
Luftscheibe zu erreichen, sind nach Abb. 6 die einander zugekehrten Ränder der Strahldüsenhälften
6, 7 zahnlinienförmig ausgestattet, so daß der Spalt die Gestalteines zickzacklinienförmigen
Bandes 16 annimmt. Dabei sind die Längskanten 17 der Zähne bzw. Zacken, wie es in
Abb. 7 gezeigt ist, so geneigt, daß ihre Neigungswinkel mit der Strömungsrichtung
der Luft übereinanderstimmen.
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Um eine Vergrößerung der Oberfläche der Luftscheibe zu erreichen,
kann man aber auch in der Weise vorgehen, daß man an den Rändern der Schieber 6
und 7 gegeneinander versetzte Bohrlöcher 18, I9 vorsieht, derenLängsachsen in ihrer
Neigung wiederum der Strömungsrichtung entsprechen, wobei sie ferner noch jeweils
gegen die Luftsheibe hin geneigt sind, so, daß die den Bohrlöchern entströmenden
Strahlen sich an die Scheibe be-
rührend anlegen und sie in Wellen legen,
wie es im Querschnittsbild Abb. 9 veranschaulicht ist.
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Wesentlich ist nun aber, daß diese Bohrlöcher abdeckbar eingerichtet
sind. Hierfür zeigt die Abb. Io ein Ausführungsbeispiel. Darnach sind die Bohrlöcher
-->o und :21 in den den Austrittsspalt miteinander bildenden Rändern der Ringe 22
und :23 eingebracht, welch letztere unter der Wirkung von Druckfedern 24, 25 stehen
und querverschieblich gelagert sind, wobei durch Anschläge 26, 27
dafür Sorge
getragen ist, die mit ihren Bohrlöchern versehenen Ringe in einer bestimmten Verschiebungslage
zu begrenzen. Die U-förmigen Lager 28, 29 für diese Ringe gehören den Strahldüsenhälften
6 und 7 an, so daß sich die Ringe 2-2, 23 relativ verschieben können zu den
Düsenhälften.
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Die Betriebsweise soll nun zunächst an Hand der Abb. 2 erläutert werden.
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Mit dem Anlaufen des Flugmotors beim Start werden die Läufer i und
:2 der Radial-bzw. Axialstufe gemeinsam in Umlauf gesetzt, solange nach Bild,4 der
Abb. 3 die Schieber am Laufradumfang geschlossen sind und damit die Strahldüse
in ihrer Wirkung ausgeschaltet und die Erstluftzufuhr abgeschnitten ist. Es wird
vielmehr lediglich die vom Axialgebläse geförderte Zweitluft auf Startladedruck
-verdichtet und dem Ringraum 5 entnommen. Dabei strömt die Zweitluft durch
die zweite Düse 9 hindurch und tritt damit in den Spiralraum 8 ein,
wo sie eine Verzögerung bis zum gewünschten Enddruck erfährt.
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Nach dem Erreichen einer bestimmten, noch mäßigen Flughöhe entfernt
man die beiden
Strahldüsenhälften 6 und 7 voneinander so weit, daß
sich die Schieberstellung nach dem Bild B der Abb. 3 ergibt, womit die Strahldüsenwirkung
einsetzt und der Strahldüse eine aus der Erstluft gebildete dünne Scheibe entströmt,
die von beiden Seiten her von der Zweitluft bespült wird.
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Erst in größerer Flughöhe, also dann, wenn die Förderung der Zweitluft
nachläßt, werden die Strahldüsenhälften so weit auseinandergerückt, daß der Erstluftstrom
in vollem Umfange zur Geltung kommt, während andererseits durch die eine der Strahldüsenhälften
der Durchtrittsquerschnitt für die Zweitluft überbrückt und der Zweitluftstrom somit
abgeriegelt wird.
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Die Handhabung der Vorrichtung nach der Erfindung geschieht in folgender
Weise.
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Beim Abflug öffnet der Flugzeugführer den Austrittsspalt für die Zweitluft
vollständig, während er den Austrittsspalt für die Luft der höheren Gebläsestufe
(Erstluft) völlig geschlossen hält. Nach Erreichung einer gewissen Flughöhe öffnet
er nun den Austrittsspalt für die Erstluft allmählich, so daß aus diesem die Luft
in Gestalt einer dünnen Scheibe entströmt und dabei gleichzeitig die von der niederen
Gebläsestufe geförderte Luft (Erstluft) mit sich reißt. Bei Erreichung einer 1 och
größeren Flughöhe öffnet er den Austrittsquerschnitt für die höhere Gebläsestufe
(Erstluft) völlig und schließt -den Austritt für die niedere Gebläsestufe (Zweitluft)
gänzlich. Bei Verringerung der Flughöhe und schließlich bei der Landung bedient
ei die Einrichtung in umgekehrtem Sinne.
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Beim Anwendungsfall nach Abb. j lassen sich ähnliche Ergebnisse erzielen.
Die dort nötigen Schieberstellungen entsprechen im wesentlichen denen, die in der
Beschreibung der Einrichtungen nach Abb. 2 und 3 enthalten sind.
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Verfährt man beim Betrieb des Laders in der geschilderten Weise, so
erhält man für die Höhenunabhängigkeit des Motors, wie es oben schon gesagt wurde,
die Kurved. Aus ihrem Verlauf ergibt sich, daß die Motorleistung zunächst etwas
abfällt. Dieser Leistungsabfall läßt sich nicht völlig verhindern, weil er mit dem
Strahldüsenwirkungsgrad und der Größe der Berührfläche zwischen Erst- und Zweitluft
zusammenhängt. Dem für den praktischen Betrieb mehr oder weniger unerheblichen Leistungsabfall
folgt nun alsbald ein stetiger Verlauf der Wertekurve. Sie geht erst in größerer
Höhe ganz allmählich, also ohne jeden schroffen -Übergang, in die Richtung der Geraden
b über, der die Leistung eines Motors mit unveränderter Laderdrehzahl und
Drosselregelung zugrunde I liegt. Dieses letztere Überladeverfahren hat aber den
Nachteil, daß, wie oben schon ausgeführt wurde, die Motorleistung beim Start zu
gering ist.
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Dein bekannten zweistufigen Lader liegt als Wertekurve die Gerade
c zugrunde, die in der Flughöhe H, in die Gerade b übergeht, wenn von der
einen auf die andere Stufe umgeschaltet wird. Wenngleich bei diesem zweistufigen
Lader die Motorleistung am Start sofort in voller Höhe einsetzt, so weist er doch
den erheblichen Nachteil auf, daß seine Motorleistung mit zunehmender Höhe sehr
weit abfällt und daß mit dem Wiederanstieg der Motorleistung sich ein heftiger Sprung
ergibt heim Übergang von der einen zur anderen I Verdichtungshöhe, der durch sehr
schnelle Verstellung der Drosselklappe ausgeglichen werden muß.
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Man erkennt aus den dem Kurvenbild beigegebenen Vergleichskurven ohne
weitere.-. daß die Kurve d diejenige ist. die dem Ideal-fall a, am nächsten
kommt.
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Das Er gebnis wird am günstigsten, wenn 9 b
F2/F1 . 20-30 ist,
wobei unter F2 die auf beide Seiten der der Strahldüse entströmenden Luftscheibe
sich beziehende Berührungsfläche, die sich der Zweitluft darbietet, verstanden ist,
während F, die Größe des Durchtrittsquerschnittes des die Scheibe bildenden Erstluftstromesbedeutet.
UmdiesenWert20-30 zu erreichen, ist es nötig, die Oberfläche der Scheibe, also F,
groß zu machen. Der Vergrößerung desWertesvonF2 sind nun aber insofernGrenzengesetzt,alsmitdickerwerdender
Luftscheibe die in der Zeiteinheit zugeführte Menge an Zweitluft abnimmt und es
unerwünscht ist, über bestimmte Abmessungen des Laders, insbesondere in bezug auf
die Höhe des zwischen Laufradumfang und Spirale vorhandenen Spalts, hinauszugehen,
so da ß angestrebt werden muß, den Wert 20 - 30 durch eine möglichst dünn gehaltene
Luftscheibe und durch Vergrößerung ihrer Oberfläche zu erreichen.