DE3030581A1

DE3030581A1 - Schubduese zum umlenken des abgasstroms eines gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE3030581A1
Application number: DE19803030581
Authority: DE
Inventors: Donald Wayne Cincinnati Ohio Speir; William Harvey Evendale Ohio Wooten jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1980-08-13
Publication date: 1981-04-09
Also published as: GB2055333B; FR2463859B1; DE3030581C2; SE8005644L; GB2055333A; FR2463859A1; IT1209339B; US4280660A; IT8023873A0; IL60648A; JPS5641436A; JPS6339781B2

Description

Schubdüse zum Umlenken des Abgasstroms eines Gasturbinentriebwerks

Die Erfindung bezieht sich auf Schubdüsen von Gasturbinentriebwerken und betrifft insbesondere Vortriebssysteme, bei denen der Schub umlenkbar ist.

Die hohe Geschwindigkeit, die Abgasen einer Gasturbine durch eine Abgasdüse gegeben wird, liefert Schub für den Vortrieb. Dieser Schub ist zu der Strömungsrichtung der die Düse verlassenden Abgase im wesentlichen entgegengesetzt. Wenn die Richtung der Abgase geändert wird, wird infolgedessen die Vortriebsschubrichtung entsprechend verändert.

Im allgemeinen sind Flugzeuggasturbinentriebwerke mit Düsen versehen, die in der axialen Richtung fest sind, und das Manövrieren und der Auftrieb des Flugzeuges werden allein durch FlugzeugzellensteuerfRächen erreicht. Moderne Flugzeuge

moglxcherweise
haben und benötigen/sogar das selektive Umlenken des Gasturbinentriebswerksschubes, um die Flugzeugleistungsfähigkeit zu verbessern und das Flugzeug mit Betriebskenndaten zu versehen, die bislang für praktisch unmöglich gehalten worden

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sind. Wenn beispielsweise das Abgas eines in herkömmlicher Weise installierten Flugzeugturbinentriebwerks nach unten statt nach hinten in eine Richtung gelenkt wird, die zu der Triebwerkslängsachse im wesentlichen rechtwinkelig ist, wird der sich ergebende Aufwärtsschub einen direkten Auftrieb für das Flugzeug ergeben und, wenn er richtig gesteuert wird, die Möglichkeit des senkrechten Starts oder Kurzstarts und des senkrechten Landens oder Kurzlandens bieten. Ebenso kann die Schubumlenkung während des Fluges die Flugzeugmanövrierbarkeit stark verbessern, da die Schubkraft die Manövrierkräfte der Flugzeugsteuerflächen erhöhen kann.

Zum Erreichen einer derartigen Schubumlenkung ist eine Vorrichtung erforderlich, um die Richtung von Gasturbinentriebwerksschubdüsengasen wirksam und praktisch zu ändern. Viele Vorrichtungen, die dem einschlägigen Fachmann bekannt sind, sind für den Zweck der Schubumlenkung entwickelt worden. Zu diesen Vorrichtungen gehört eine Abgasdüse, bei der eine obere und eine untere Klappe benutzt werden, die gleichzeitig abgewinkelt werden, um das Abgas in Aufwärts- oder Abwärtsrichtung abzulenken. Durch Vergrößern des Winkels der Klappen wird das Ausmaß der Umlenkung, die dem Abgasstrom gegeben wird, vergrößert. In der Praxis werden die Klappen um einen relativ kleinen Winkel in der Größenordnung von ungefähr 20 für den Zweck des Manövrierens im Flug geneigt und um einen größeren Winkel in der Größenordnung von 40-70° für den Zweck des Kurzstarts und -landens (STOL) geneigt. Dieses bekannte System ergibt zwar eine Düse mit umlenkbarem Schub, es sind jedoch Probleme hinsichtlich des Fluidstroms innerhalb der Düse wegen der Lage einer Mindestströmungswegquerschnittsflache oder eines engsten Querschnitts der Düse aufgetreten. Bei der bekannten Vorrichtung ist der engste Querschnitt in einem feststehenden Kanalteil der Düse angeordnet, wobei es sich um das Gebiet handelt, wo die Abgase von Unterschall- auf Überschallgeschwindigkeiten beschleu-

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nigen. Die obere und die untere Klappe, die zum Umlenken des Schubes benutzt werden, sind stromabwärts des engsten Querschnittes der Düse angeordnet, was zur Folge hat, daß die Abgase umgelenkt werden, nachdem sie Überschallgeschwindigkeiten erreicht haben. Das hat sich als eine ineffiziente Art der Abgasumlenkung herausgestellt und es hat in einigen Konfigurationen sogar zu einer Düse mit doppelter Verengung geführt, die Bedingungen übermäßigen Stoßes erzeugt, welche manchmal zur Beschädigung von Düsenteilen geführt haben. Es sind zwar bekannte Düsen entwickelt worden, die den Abgasstrom vor der Beschleunigung auf überschall umlenken, diese Düsen sind jedoch im allgemeinen entweder nicht in der Lage, den Abgasstrom ausreichend umzulenken, um STOL-Operationen zu ermöglichen, oder haben sich als übermäßig schwer und sperrig erwiesen, insbesondere bei der Verwendung in einem Hochleistungsdüsenj äger.

In einer Ausführungsform werden, kurzgesagt, die oben aufgeführten Nachteile in einer Abgasdüse mit einer oberen und einer unteren Klappe, deren Position variabel ist, vermieden. Die obere oder Schubumlenkklappe ist an einem stromabwärtigen Teil eines feststehenden Kanals in einem Gebiet kleineren inneren Strömungswegquerschnittes angeordnet, das eine Düsenverengung bildet, wenn die Düse in einer Betriebsart ohne Abgasumlenkung ist. Die obere Klappe kann geschwenkt werden und ist dadurch in der Lage, die Abgase unter ausgewählten Winkeln gegen die Triebwerksaxialrichtung umzulenken. Die untere oder Steuerklappe ist mit einem Teil des feststehenden Kanals stromaufwärts des Anlenkpunktes der Umlenkklappe verbunden und wird in Zusammenwirkung mit der Umlenkklappe fortschreitend abgewinkelt, um eine Verengung mit variabler Position zwischen ihnen zu bilden, wenn die Düse in einer Betriebsart mit Schubumlenkung ist. Die Steuerklappe dient zum Ändern der Position der Verengung, so daß diese stromabwärts der Abgasumlenkung, wo die Strömung überschallge-

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schwindigkeit erreicht, angeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel· der Erfindung wird im foigenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer bekannten Abgasdüse, bei der der Schub umlenkbar ist,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Erfindung,

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer Steuerklappe längs der Linie 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 eine Querschnittansicht einer Umlenkklappe längs der Linie 4-4 von Fig. 2 und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarsteliung der Erfindung bei Verwendung in einer Schubumlenkbetriebsart.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Abgasdüse in einer Position ohne Schubumlenkung und, mit einem überlagerten gestrichelten Umriß von geeigneten Düsenteilen, in einer Schubumlenkposition. In der Position ohne Schubumlenkung werden die stromabwärts durch die Düse 10 strömenden Abgase von einer Unterschallgeschwindigkeit vor einer Verengungsposition 14 beschleunigt, wonach die Gasströmung Mach 1 erreicht und auf Überschallgeschwindigkeiten stromabwärts der Verengung beschleunigt. Die Abgase werden aus der Düse im wesentlichen ungehindert ausgestoßen und erzeugen Vorwärtsschub in einer zu der Triebwerksachse parallelen Richtung.

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In der Position der Düsenteile, die in Fig. 1 mit gestricheltem Umriß dargestellt sind, wird eine Schubumlenkbetriebsart erreicht, indem eine obere Klappe 11 geschwenkt wird, wie dargestellt, damit der Abgasstrom in eine stromabwärtige Richtung umgelenkt und dadurch ein Schubvektor unter einem Winkel zur Triebwerksachse hervorgerufen wird. Die in Fig.1 gezeigte bekannte Vorrichtung kann zwar den Abgasstrom um Vektorwinkel von 30° oder weniger umlenken, Tests haben jedoch gezeigt, daß die Gase umgelenkt werden, nachdem sie Überschallgeschwindigkeit erreicht haben, wodurch bei der Schuberzeugung ein übermäßiger Reibungswiderstand verursacht wird und Verluste erzeugt werden. In der Betriebsart mit Schubumlenkung treffen die in der Düse 10 strömenden Gase auf eine minimale Strömungswegquerschnittsflache oder Verengung an der Stelle 14, was zur-Folge hat, daß die Strömung Mach 1 überschreitet und stromabwärts der Position 14 Überschallgeschwindigkeiten erreicht. Der Abgasstrom wird dann durch die obere Klappe 11 umgelenkt, während er Überschallgeschwindigkeit aufweist, wodurch ein übermäßiger Reibungswiderstand erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen von bekannten Düsen tritt ein noch ernsterer Zustand auf, bei dem der Abgasstrom einen unstabilen Strömungszustand annehmen kann, der dadurch verursacht wird, daß die Verengung schnell und wiederholt von der Position 14 zu einer Position 16 und wieder zurück verschoben wird, wodurch innerhalb der Düse Stoßwellen erzeugt werden, die zur Beschädigung von Düsenteilen führen können.

In Fig. 2 ist die Erfindung als eine Düse in einer Betriebsart ohne Schubumkehr dargestellt. In dieser Düse 20 ist ein feststehender Kanal 22 mit einem inneren Strömungswegprofil gebildet, das an dessen stromabwärtigen Ende auf ein rechteckiges Innenprofil übergeht. Wenn das Profil übergeht, wird der innere Strömungsweg des feststehenden Kanals 22 im Quer-

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schnitt kleiner, da der obere Teil des Kanals nach innen in das Strömungsweggebiet gekrümmt ist. Der obere Teil des feststehenden Kanals erstreckt sich insgesamt in ein Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes 26 und die untere Hälfte erstreckt sich zu einem festen Anlenkpunkt 28. Wenn bei der Düse 20 ein Nachbrenner vorgesehen ist, würde der Übergang auf ein rechteckiges Profil nahe der Ebene des Flammhalters 30 beginnen. Ein innerer schützender Kühleinsatz 32 stromabwärts des Flammhalters 30 würde benutzt werden, um Kühlluft stromabwärts zu heißen Teilen der Abgasdüse zu leiten.

Die Düse 20 hat zwei bewegte Hauptteile zum Umlenken des Abgasstroms und zum Ändern der Lage der Verengung innerhalb des inneren Strömungsweges der Düse. Eines dieser bewegten Teile ist eine Umlenkklappe 36, die einen gelenkigen Abgasstromablenker bildet, welcher sich über einen stromabwärtigen Teil einer oberen Wand erstreckt, die den AbgasStrömungsweg begrenzt, und mit dem feststehenden Kanal 22 an einem Drehpunkt 37 schwenkbar verbunden ist. Das andere bewegliche Teil ist ein Abgasstromablenker oder eine Steuerklappe 38, die einen Fortsatz eines unteren Wandteils des AbgasStrömungsweges bildet und mit dem feststehenden Kanal 22 an dem Drehpunkt 28 schwenkbar verbunden ist. In der in Fig. 2 gezeigten Betriebsart der Düse 20 ohne Schubumlenkung treffen die Abgase auf ein Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes an der Stelle 26, woraufhin das Abgas Mach 1 erreicht und weiter expandiert und auf Überschallgeschwindigkeiten stromabwärts des Gebietes 26 beschleunigt. Die Umlenkklappe 36 und die Steuerklappe 38 sind in einer derartigen Relativposition, daß die Expansion der Abgase nicht wesentlich behindert wird und sich der Strömungsweg stromabwärts fortsetzen und Vorwärtsschub in der Richtung der Triebwerksachse erzeugen kann.

Zum Schaffen einer Vorrichtung zum Steuern des Abgasdruckes bildet die Steuerklappe 38 ein Druckgefäß, das eine

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untere Fläche/ die ein unteres Gebiet des Abgasströmungsweges begrenzt, und eine obere Fläche 42 aufweist. Ein unter inneren Überdruck gesetzter Hohlraum oder Druckhohlraum wird zwischen der oberen Fläche 42 und dem feststehenden Kanal 22 aufgrund des Kühlluftstroms gebildet, der aus dem Kühleinsatz 32 eingelassen wird. Die Kraft auf der oberen Fläche 42, die durch diesen Druckhohlraum verursacht wird, kompensiert die Abgaskraft oder wirkt der Abgaskraft in gewissem Ausmaß entgegen, die auf die untere Fläche 40 der Steuerklappe 38 ausgeübt wird. Das ermöglicht, die gesamte Steuerklappe 38 mit kleineren Betätigungskräften zu schwenken, wodurch die Notwendigkeit großer und sperriger Betätigungsvorrichtungen vermindert wird.

Zum Schaffen einer Abdichtung' für diesen Druckhohlraum ist die obere Fläche 42 der Steuerklappe 38 zwischen zwei Innenwänden 48 und 49 angeordnet, die an dem feststehenden Kanal 22 der Düse 10 befestigt sind. Die Innenwände 48 und 49 sind mit Oberflächen versehen, die Bögen mit gemeinsamen Mittelpunkten bilden, welche dem Drehpunkt 28 entsprechen, um eine Abdichtung zwischen den Innenwänden 48 und 49 und der oberen Fläche 42 während der gesamten Bewegung der Steuerklappe 38 um den Drehpunkt 28 zu schaffen.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht der Steuerklappe 38, die das Verständnis erleichtert, wie ein Druckgefäß durch die Steuerklappe 38 gebildet wird. Die Abgase strömen in dem Zwischenraum zwischen der unteren Fläche 40 und dem feststehenden Kanal 22, der in dem unteren Gebiet der Steuerklappe 38 gebildet ist. In dem oberen Gebiet der Steuerklappe 38 ist das Druckgefäß zwischen dem feststehenden Kanal 22 und der oberen Fläche 42 gebildet. Es ist ohne weiteres zu erkennen, wie Druckkräfte aus den Abgasen auf der unteren Fläche 40 durch Druckkräfte aus dem Druckhohlraum auf der oberen Fläche 42 kompensiert werden.

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Gemäß Fig. 2 ist die Schubumlenkklappe 3 6 an dem feststehenden Kanal 22 an dem Drehpunkt 37 befestigt, welcher insgesamt in dem Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes 26 angeordnet ist. Die Umlenkklappe 36 hat eine sehr breit gekrümmte Oberfläche zum Führen des Abgasstroms und Seitenwände 44 zum Einschließen des Abgasstroms. Die Umlenkklappe 3 6 ist außerdem mit einer oberen Klappenfläche versehen, um eine glatte Grenzfläche mit einer feststehenden oberen Fläche 46 des Flugzeuges über dem Triebwerk zu bilden.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht der Umlenkklappe 36 mit den Seitenwänden 44. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß die Seitenwände das Einschließen des Abgasströmungsweges unterstützen.

In Fig. 5 ist die Düse 20 mit verstellten Klappen 36 und 38 in Schubumlenkbetriebsart gezeigt. Die Schubumlenkklappe 36 wird unabhängig betätigt, um die Richtung des Schubes für sämtliche Triebwerksleistungseinstellungen unter Flugbetriebsbedingungen zu steuern. Darüber hinaus dient die Schubumlenkklappe auch zum Steuern des Düsenquerschnittsverhältnisses in einer Weise, die von dem Düsenverengungsquerschnitt unabhängig ist.

Die Lage des Drehpunktes 37 für die Schubumlenkklappe 36 in dem Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes 26 in der Betriebsart ohne Schubumlenkung bietet zwei Hauptvorteile, die in Kombination bei bekannten Abgasdüsenkonstruktionen nicht anzutreffen sind. Erstens führt die Lage des Drehpunktes 37 zu einer Vorrichtung, die eine hohe Leistungsfähigkeit im Betrieb mit Schubumkehr durch Umlenkung der Abgase vor einer eine neue Lage aufweisenden Düsenverengung 50, wo die Gase Überschallgeschwindigkeiten erreichen, ergibt. In Fig. 5 ist das ohne weiteres zu erkennen, wenn dem inneren Strömungsweg der Gase gefolgt wird, die zuerst durch den fest-

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stehenden Kanal 22 und dann durch die Umlenkklappe 36 umgelenkt werden. Das eine neue Lage aufweisende Gebiet minimalen Stromungswegquerschnittes befindet sich an der Stelle der Verengung 50, die sich deutlich stromabwärts des Gebietes befindet, wo die Abgase zur Erzeugung von Umlenkschub umgelenkt worden sind. Die Abgase bleiben deshalb im Unterschallbereich, bis sie die Verengungsstelle 50 erreichen, und erreichen Überschallgeschwindigkeiten erst, wenn sie die Abgasdüse 20 in bereits geänderter Stromabwärtsrichtung verlassen.

Ein zweiter Vorteil infolge der Lage des Drehpunktes 37 ist der breite Bereich von Schubvektorwinkeln, der bei der Düse 20 zur Verfügung steht. Gemäß Fig. 5 sind die Abgase unter einem Winkel von 60° gegen die Triebwerksachse umgelenkt worden. Dieser Vektor- oder Umlenkwinkel ergibt einen größeren Vertikalschub, der für eine Kurzstart- und -landeoperation eines Flugzeuges vorteilhaft ist.

Im Betrieb wird die Schubumlenkklappe 36 unter einem vorbestimmten Winkel angeordnet, um einen gewünschten Schubvektorwinkel zu erzielen. In Zusammenwirkung mit der Bewegung der Klappe 36 wird die Steuerklappe 38 so positioniert, daß der richtige Abgasdüsenverengungsquerschnitt in einer erwünschten Position stromabwärts der Umlenkung der Abgase erzielt wird. Die kombinierte Wechselwirkung der Steuerklappe 38 mit der Umlenkklappe 36 gestattet, die Düsenausführungsform nach der Erfindung sowohl als Flugmanövrierabgasdüse als auch zusätzlich als Schubumlenkdüse für Kurzstart- und -landezwecke zu benutzen, die einen effizienten Aufbau und ein geringes Gewicht hat.

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Claims

Ansprüche :

MJ Abgasdüse zum Umlenken des Abgasstroms eines Gasturbinentriebwerks, gekennzeichnet durch:

eine obere Wand (49), die einen Abgasströmungsweg teilweise begrenzt;

eine erste schwenkbare AbgasStromablenkvorrichtung (36), die einen stromabwärtigen Teil der oberen Wand bildet; wobei die Ablenkvorrichtung eine lageveränderliche Schubumlenkdüse (36) aufweist, die um einen stromabwärtigen Teil eines feststehenden Kanals (22) in einer Position (26) längs des feststehenden Kanals insgesamt kleineren inneren Strömungswegquerschnittes schwenkbar ist, um den Abgasstrcm unter ausgewählten Winkeln gegen die Triebwerksaxialrichtung abzulenken und zu drehen; und

eine untere Viand, die der oberen Wand im wesentlichen gegenüberliegt und weiter den AbgasStrömungsweg begrenze; eine zweite schwenkbare Abgasstromablenkvorrichtung (38), die einen stromabwärtigen Teil der unteren Wand bildet; wobei die zweite Ablenkvorrichtung eine lageveränderliche Steuerklappe aufweist, die mit einem Teil des feststehenden Kanals in Betriebsverbindung steht und in Zusammenwirkung mit der ersten Ablenkvorrichtung zwischen dieser und sich

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ORIGINAL INSPECTED

eine lageveränderliche Verengung (50) bildet, die stromabwärts der Abgasumlenkung angeordnet ist, wenn die Umlenkklappe (36) in einer Ablenkbetriebsart ist.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumlenkklappe (36) und die Steuerklappe (38) für eine Relativbewegung so angelenkt sind, daß sich die Verengung (50) zwischen ihnen relativ zu den Klappen stromabwärts bewegt, wenn die Ablenkung der Abgase von der Triebwerksaxialrichtung zunimmt.
3. Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (38) weiter aufweist: eine untere Fläche (40), die den AbgasStrömungsweg begrenzt; und

eine obere Fläche (42), die einem unter inneren Überdruck gesetzten Hohlraum ausgesetzt ist, um Druckkräften auf der oberen Fläche zu gestatten, Druckkräfte aus dem Abgasstrom auf der unteren Fläche zu kompensieren, wodurch ein Druckgefäß innerhalb der Steuerklappe gebildet ist.
4. Abgasdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (42) zwischen einander gegenüberliegenden Flächen von zwei inneren Wänden (48, 49) angeordnet ist, die an dem feststehenden Kanalteil (22) befestigt sind, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der Wände Bögen mit einem gemeinsamen Mittelpunkt bilden, der einem Drehpunkt (28) der lageveränderlichen Steuerklappe (38) entspricht, um eine Abdichtung zwischen der oberen Fläche und den inneren Wänden während der gesamten Bewegung der Steuerklappe zu schaffen.
5. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Strömungswegquerschnitt geeignet verteilt ist, damit die Abgase während der gesamten Ab-

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gasumlenkung im Unterschallbereich bleiben und Überschallgeschwindigkeit stromabwärts der Verengungsposition (50) erreichen, nachdem das Umlenken der Abgase im wesentlichen abgeschlossen ist.
6. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (38) an einem Punkt (28) angelenkt ist, der sich · tromaufwärts der Schubumlenkklappe (36) befindet, und daß die Klappen (36, 38) positionierbar sind, um die Abgase bis zu einem Winkel von wenigstens 60 gegen die Triebwerksaxialrichtung umzulenken.

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SAD