DE2815573C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Strahltriebwerke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Mehrzweckflugzeugen ändern sich die Betriebsbe­ dingungen der Schubdüse während des Betriebes be­ trächtlich. Um eine hohe Leistung über den gesamten Betriebsbereich des Flugzeuges aufrechtzuerhalten, werden bei den meisten Mehrzweckflugzeugen Strahl­ triebwerke mit konvergierend/divergierend ausge­ bildeten Düsen verwendet, die den jeweiligen An­ forderungen entsprechen. Typischerweise ist bei diesen Düsen die Durchtrittsfläche, sowohl an der Düsendrosselstelle (an dem strömungsabwärts ge­ legenen Ende der konvergierenden Düse) als auch an der Düsenaustrittsstelle (an dem strömungsabwärts gelegenen Ende der divergierenden Düsenklappen) veränderlich. Im Betrieb der Düse soll unter idealen Verhältnissen ein Flächenverhältnis zwischen der Drosselstelle und der Austrittsstelle einstellbar sein, welches einem für die jeweilige Auslegung des Triebwerkes gegebenen, optimierten Diagramm folgt.

Dieses Verhältnis soll sowohl unter langsamen Unterschall-Flugbedingungen als auch unter schnellen Überschall-Flugbedingungen eine einwandfreie Steuerung des Abgasstromes gewährleisten, wobei ein geringer Strömungswiderstand des Rumpfes vorhanden sein soll.

Aus der DE-OS 23 18 607 ist eine regelbare konvergent­ divergente Düse für Strahltriebwerke bekannt, bei der aus den genannten Gründen die divergierende und die konvergierende Klappe verstellbar sind und von der die Erfindung ausgeht. Diese Düse erlaubt zwar eine vorbestimmte Veränderung des Verhältnisses engster Durchtrittsfläche/Austrittsfläche der Düse im Sinne einer Optimierung dieses Flächenverhältnisses und damit eine gewisse Anpassung an Veränderungen der Betriebsbedingungen und der Arbeitsweise des Trieb­ werkes, doch bleiben Wünsche hinsichtlich einer genaueren, einfacheren Verstellung der Klappen offen. Grundsätzlich ähnliches gilt auch für andere, aus der DE-OS 25 48 640 und der US-PS 27 94 317 bekannte Düsenklappenkonstruktionen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Düse ver­ änderlichen Durchtrittsquerschnitts für Strahltrieb­ werke zur Verwendung bei Mehrzweckflugzeugen zu schaffen, die es nicht nur gestattet, über den Be­ triebsbereich des Triebwerkes ein günstiges Düsen­ drosselstelle-/Austrittsstelle-Flächenverhältnis einzustellen, sondern auch die der jeweiligen Ein­ stellung zugrundeliegende Gesetzmäßigkeit durch ein­ fache Maßnahmen an die jeweiligen Einsatzbedingungen der Düse anzupassen, wobei außerdem gewährleistet ist, daß die Düse sich durch einfache Betätigung, geringes Gewicht und wirtschaftliche Herstellung auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die eingangs ge­ nannte Düse die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.

Durch entsprechende Gestaltung der Krümmung der Steuerkurve der Stelleinrichtung zur Verschwenkung der konvergierenden Klappe um ihre an dem Abgaskanal liegende Schwenkstelle läßt sich eine sehr fein­ fühlige Verstellung der konvergierenden Klappe mit zweckentsprechendem Übersetzungsverhältnis erzielen, wobei sich günstige Kraftangriffsverhältnisse an der Klappe selbst ergeben. Das Verhältnis engster Durch­ trittsfläche/Austrittsfläche der Düse ist für die jeweilige Auslegung des zugehörigen Triebwerkes im wesentlichen optimiert, wobei das Flächenverhältnis- Diagramm derart verändert werden kann, daß es an die Betriebsbedingungen und die Arbeitsweise des Trieb­ werks angepaßt ist.

Weiterbildungen der Düse sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Schubdüse gemäß der Erfindung im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht, unter Veranschaulichung ledig­ lich einer Düsenwandung, in der geschlossenen

Fig. 2 die Betätigungseinrichtung und zugeordnete Dichtungs­ einrichtungen für die Düse nach Fig. 1, im axia­ len Schnitt, in einer Seitenansicht,

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2, in der voll geöffneten Stellung in einer entsprechenden Darstellung,

Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie 4-4 in einer Seitenansicht und im Ausschnitt und

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Reihe mög­ licher Düsenflächen-Verhältnis-Kennlinien der Düse nach Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindung bei 10 in der Anwendung auf eine sonst im wesentlichen gebräuchliche Schubdüse darge­ stellt, welche an eine Triebwerksabgasleitung 11 angeschlos­ sen ist und innen liegende Klappen 12 mit einer innen lie­ genden Dichtung 13 sowie äußere Klappen 14 mit zugeord­ neter außen liegender Dichtung 16 aufweist. Die gegenseitige Zuordnung und das Zusammenwirken der einzelnen Klappen und Dichtungen im Sinne der Erzielung der gewünschten Düsenfunk­ tion sind nicht Gegenstand der Erfindung. Die ganze Dü­ senanordnung weist eine Anzahl im Abstand ringsum verteilt angeordneter Düsenklappen auf, die an dem strömungsabwärts liegenden Ende der Abgasleitung derart angelenkt sind, daß eine symmetrische, innere Düsenfläche begrenzt wird, die sowohl bei der Drosselstelle 17 als auch an der Austritts­ stelle 18 veränderbar ist, während durch die äußere Klappe 14 eine symmetrische äußere Düsenfläche definiert ist. Die Düsenflächen werden durch Betätigungsglieder 21 verändert, welche derart ausgelegt sind, daß sie die einzelnen Düsen­ klappen zwischen der ganz geschlossenen Stellung nach Fig. 1 und der ganz geöffneten Stellung nach Fig. 3 wahlweise ver­ stellen können. Ein Eintritt von Abgasen zwischen die Klappen 12, 14 wird dadurch verhindert, daß konvergierenden Klappen 23 konvergierende Dichtungen 22 sowie divergierenden Klappen 26 divergierende Dichtungen 24 und den äußeren Klappen 14 die äußeren Dichtungen 16 zugeordnet sind.

Die die heißen Abgase von dem Gebläse und der Turbine führende Abgasleitung 11 weist eine Abgasleitungsauskleidung 27 auf, die dazu dient, die Abgasleitungswände in an sich bekannter Weise zu kühlen. Von der Abgasleitung 11 ragt nach hinten und außen ein starres Verbindungs- oder Ringteil 28 vor, welches mit der Abgasleitung 11 durch Anschweißen oder dgl. verbunden ist. An dem Ringteil 28 sind an im Umfang verteilten Stellen eine Anzahl äußerer und innerer Gelenklager 29 bzw. 31 be­ festigt. Jedes Paar äußerer und innerer Gelenklager ist dazu ein­ gerichtet, eine einzige Klappe an der Düse mechanisch zu befestigen. An dem äußeren Gelenklager 29 ist das vordere En­ de der äußeren Klappe 14 mittels eines geeigneten Gliedes, etwa eines Bolzens oder dgl., drehbar befestigt. An dem inne­ ren Gelenklager 31 ist das vordere Ende der konvergierenden Klappe 23 angelenkt. Andere, in der Düsenklappe selbst lie­ gende Verbindungen umfassen die Drosselstellenverbindung 32 zwischen dem strömungsabwärts gelegenen Ende der konvergieren­ den Klappen 23 und dem strömungsaufwärts gelegenen Ende der divergierenden Klappen 26, sowie eine Austritts-Verbindung 33 zwischen dem strömungsabwärts gelegenen Ende der divergieren­ den Klappen 26 und dem strömungsabwärts glegenen Ende der äußeren Klappen 14. Die Austritts-Verbindung 33 weist einen Längsschlitz 34 auf, der sowohl eine relative Translations­ bewegung als auch eine relative Drehbewegung zwischen den mit­ einander verbundenen Teilen gestattet. Eine andere Verbindung in der Klappenanordnung besteht aus einem Druckglied 36, wel­ ches an einem Ende an dem äußeren Gelenklager 29 und an dem anderen Ende an ein Druckgelenklager 37 angelenkt ist, welches an einer Zwischenstelle auf dem äußeren Aufbau 38 der divergie­ renden Klappe 26 angeordnet ist. Das Druckglied 36 dient dazu, die Bewegung der divergierenden Klappe 26 und der äußeren Klappe 14 wunschgemäß verändern zu können, wie dies im ein­ zelnen noch beschrieben wird.

Wie aus den Fig. 1 und 3 zu entnehmen, ist der äußere Aufbau 39 der konvergierenden Klappe 23 verstärkt und derart gekrümmt ausgebildet, daß er eine konvexe Steuerkurve 41 bildet. Durch entsprechende Bewegung eines eine Kraft ausübenden Elementes über diese Steuerkurve werden die Klappen wunschgemäß derart bewegt, daß sie die Abgasdurchtrittsfläche der Düse in einer noch zu erläuternden Weise verändern. Die Fig. 1 und 2 zeigen, daß das Betätigungselement 21 einen Hydraulikkolben 42 aufweist, an des­ sen Ende ein Halter 43 sitzt, der zur Befestigung an einem Be­ tätigungsring 44 in an sich bekannter Weise eingerichtet ist. Die Betätigungselemente 21 sind jeweils durch zwei Verbindungs­ stangen 45 gehaltert, welche ihrerseits an dem Ringteil 28 befestigt sind. Eine Vor- und Rückbewegung des hydraulischen Kolbens 42 bewirkt eine Bewegung des Betätigungsringes in der gleichen Richtung. Bei der Verstellung des Betätigungsringes 44 bewirken diesem zugeordnete Rollen 46 eine radiale Bewegung der Steuerkurve 41 und deren zugeordneter konvergierender Klap­ pe, womit die divergierende Klappe 26, die äußere Klappe 14 und das Druckglied 36 ebenso entsprechend verschwenkt werden.

In Fig. 4 ist der Steuermechanismus in größerem Detail darge­ stellt. Die Figur zeigt den an dem Hydraulikkolben 42 vor­ ragend angeordneten Halter 43 und zwei im Abstand angeordnete Rollen 46, die mittels einer Anzahl Rollenlager 48 auf einer gemeinsamen Achse 47 gelagert sind. Die Rollen 46 rollen auf der Steuerkurve 41 des Außenaufbaues 39 der konvergieren­ den Klappe 23 ab. Der Außenaufbau 39 weist zwei im Abstand an­ geordnete Streben 49 auf, die einen axialen Kanal 51 begren­ zen. Um ein Abheben der Rollen 46 von der Steuerkurve 41 zu verhüten, sind zwei von zugeordneten Trägern 54, 56 nach unten ragende Kegelrollen 52, 53 vorgesehen, deren Kegelflächen mit der Unterseite der Steuerkurve 41 in der dargestellten Weise zusammenwirken. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich der Rollenmechanismus von der Steuerfläche nach oben abhebt.

Im Betrieb nehmen der Betätigungsring 44 und die Rollen 46 die in Fig. 1 dargestellte Stellung ein, wenn der Hydraulik­ kolben 42 in der zurückgezogenen oder vorderen Stellung steht. In dieser Stellung befinden sich die Düsenklappen in der ganz geschlossenen Stellung, während die Düsendrosselfläche (A 8) und die Austrittsfläche (A 9), die den Stellen 17 bzw. 18 zugeordnet sind, auf einem Minimumswert oder nahe diesem ste­ hen. Wie zu ersehen, ist die Austrittsfläche A 9 geringfügig kleiner als die Drosselfläche A 8, so daß sich eine konvergie­ rende Düsengestalt ergibt. Selbstverständlich kann für speziel­ le Anforderungen durch den Triebwerksbetrieb diese Gestalt unterschiedlich gemacht werden, d. h. in der ganz geschlossenen Stellung kann eine Anordnung in Gestalt einer konvergierenden oder divergierenden Düse vorgesehen sein.

Wenn der Hydraulikkolben 42 nach hinten geschoben wird, wird der Betätigungsring 44 nach hinten bewegt, womit sich die Rollen 46 nach hinten über die Steuerkurve 41 abrollen. Da­ mit kann die konvergierende Klappe 23 um das Gelenklager 31 in eine weiter geöffnete Stellung sich verdrehen. Gleichzei­ tig bewegt sich die Drosselstellen-Verbindung 32 nach außen, während die Druck-Gelenkstelle 37 um das äußere Gelenklager 29 verdreht wird. Die Stellung der Auslaß-Verbindung 33 und da­ mit die Stellung der divergierenden Klappe 26 sowie jene der äußeren Klappe 14 hängen von den Kenngrößen des Verbindungs­ mechanismus ab und sind insbesondere durch das Druckglied 36 bestimmt, d. h. abhängig von der Länge des Druckgliedes 36 und der Lage der Druck-Gelenkstelle 37 auf dem Außenaufbau 38 der divergierenden Klappe 26 können die divergierende Klappe 26 und die äußere Klappe 24 entsprechend der jeweils gewünschten Weise in der Einwärts- oder Auswärtsrichtung bewegt werden. Veränderungen der Länge des Druckgliedes 36 oder der Stelle, an der dieses an den Außenaufbau 38 der divergierenden Klap­ pe 26 angeschlossen ist, verändern dieses Bewegungsschema ent­ sprechend. Durch richtige Wahl dieser Parameter kann das je­ weils gewünschte Bewegungsschema für einen speziellen Trieb­ werkszyklus eingestellt werden. Späteren Änderungen des Trieb­ werkszyklus kann dadurch Rechnung getragen werden, daß diese Parameter weitere entsprechende Änderungen erfahren. Wie aus Fig. 5 zu entnehmen, kann die ganze Anordnung auch derart ab­ gewandelt werden, daß sich jede der dort repräsentativ darge­ stellten Bewegungs-Kennlinien einstellen läßt. Wenngleich die grundsätzliche Gestalt der jeweiligen Kennlinie festliegt, so können doch wesentliche Veränderungen in dem Flächenver­ hältnis-Diagramm verhältnismäßig einfach dadurch erreicht wer­ den, daß die Länge und/oder Lage des Druckgliedes verändert wird.

Im vorstehenden wurde die Erfindung lediglich anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben; sie kann aber im Rahmen der Erfindung auch in anderer Gestalt verwirklicht werden.

Claims (4)

1. Düse mit veränderlichem Durchtrittsquerschnitt für Strahltriebwerke, mit wenigstens einer mit einem Ab­ gaskanal gelenkig verbundenen konvergierenden Klappe und einer an dieser angelenkten divergierenden Klappe, sowie mit einem mit dem Abgaskanal verbundenen ersten Verbindungsglied und einem an seinem einen Ende ge­ lenkig an das erste Verbindungsglied angeschlossenen zweiten Verbindungsglied, das mit seinem anderen Ende mit der divergierenden Klappe gelenkig verbunden ist, wobei die konvergierende Klappe durch eine zugeord­ nete Stelleinrichtung unter vorbestimmter Veränderung des Verhältnisses engster Durchstrittsfläche/Austritts­ fläche der Düse um ihre abgaskanalseitige Schwenkstelle verschwenkbar ist, das erste Verbindungsglied starr an dem Ende des Abgaskanals befestigt und von diesem aus nach außen ragend angeordnet ist, das zweite Verbindungs­ glied in seiner Länge einstellbar ausgebildet ist und die Stelleinrichtung zur Verschwenkung der konvergieren­ den Klappe um ihre an dem Abgaskanal liegende Schwenk­ stelle einen Verstellmechanismus aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verbindungs­ glied (36) Einrichtungen zur Voreinstellung seiner Länge aufweist und daß der Verstellmechanismus der Stelleinrichtung eine Steuerkurve (41) umfaßt.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verbindungsglied (36) an der diver­ gierenden Klappe (26) an einer zwischen deren beiden Enden befindlichen Stelle angelenkt ist.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierende Klappe (23) auf ihrer radial außenliegenden Seite die mit Abtastelementen (46) zusammenwirkende gekrümmte Steuerkurve (41) aufweist.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Steuerkurve (41) nach außen zu konvex ist.