DE3030581C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schubdüsen von Gasturbinentrieb­ werken 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 ver­ lassenden 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 Flugzeugzellensteuerflächen erreicht. Moderne Flugzeuge haben und benötigen möglicherweise sogar das selektive Umlenken des Gastur­ binentriebswerksschubes, um die Flugzeugleistungsfähigkeit zu verbessern und das Flugzeug mit Betriebskenndaten zu ver­ sehen, die bislang für praktisch unmöglich gehalten worden 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 Flugzeugmanöv­ rierbarkeit stark verbessern, da die Schubkraft die Manövrier­ kräfte der Flugzeugsteuerflächen erhöhen kann.

Zum Erreichen einer derartigen Schubumlenkung ist eine Vor­ richtung erforderlich, um die Richtung von Gasturbinentrieb­ werksschubdüsengasen 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 gleichzei­ tig abgewinkelt werden, um das Abgas in Aufwärts- oder Ab­ wärtsrichtung 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 Mindestströmungsweg­ querschnittsfläche oder eines engsten Querschnitts der Düse aufgetreten. Bei der bekannten Vorrichtung ist der engste Querschnitt in einem feststehenden Kanalteil der Düse ange­ ordnet, wobei es sich um das Gebiet handelt, wo die Abgase von Unterschall- auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigen.

Die obere und die untere Klappe, die zum Umlenken des Schubes benutzt werden, sind stromabwärts des engsten Querschnitts der Düse angeordnet, was zur Folge hat, daß die Abgase umgelenkt werden, nachdem sie Überschallge­ schwindigkeiten erreicht haben. Das hat sich als eine in­ effiziente 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 Düsen­ teilen geführt haben. Es sind zwar bekannte Düsen entwickelt worden, die den Abgasstrom vor der Beschleunigung auf Über­ schall umlenken, diese Düsen sind jedoch im allgemeinen ent­ weder nicht in der Lage, den Abgasstrom ausreichend umzu­ lenken, um STOL-Operationen zu ermöglichen, oder haben sich als übermäßig schwer und sperrig erwiesen, insbesondere bei der Verwendung in einem Hochleistungsdüsenjäger.

Aus der DE-OS 26 28 808 ist eine Abgasdüse gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 bekannt, die zwei Ablenkvor­ richtungen für den Abgasstrom aufweist, die zwischen sich eine lageveränderliche Verengung bilden. Bei dieser vorbe­ kannten Abgasdüse werden die beiden Ablenkvorrichtungen ge­ trennt und unabhängig voneinander betätigt, um die Lage der Verengung auf die gewünschte Position einzustellen. Dies hat zur Folge, daß zur Betätigung der Steuerklappe eine große und sperrige Betätigungsvorrichtung erforderlich ist.

Aus der DE-OS 26 29 049 ist eine Abgasdüse bekannt, die im Zusammenhang mit einer schwenkbaren Steuerklappe einen Druckhohlraum aufweist. Bei dieser vorbekannten Düse ist jedoch nur der Querschnitt der Düsenverengung variabel, während die Lage der Verengung unveränderbar ist, da diese zwischen einer den Abgasströmungsweg feststehend begrenzen­ den inneren Rampe und der verschwenkbaren Steuerklappe ge­ bildet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasdüse der betrachteten Art so weiter zu entwickeln, daß die Steuerklappe einfacher zu betätigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung bildet eine obere Fläche der Steuer­ klappe mit einem feststehenden Kanalteil ein Druckgefäß, wobei die auf die obere Fläche einwirkenden Druckkräfte denje­ nigen auf ihrer unteren Fläche entgegenwirken. Hierdurch wird erreicht, daß die gesamte Steuerklappe mit kleineren Betätigungskräften verschwenkt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Abgasdüse kann die obere Klappe geschwenkt werden und ist dadurch in der Lage, die Abgase unter ausgewählten Winkeln gegen die Triebwerksaxialrichtung umzulenken. Die untere Steuerklappe ist mit einem Teil des feststehenden Kanals stromaufwärts des Anlenkpunkts der Umlenkklappe verbunden und wird in Zusammenwirkung mit der Umlenkklappe fortschreitend abgewinkelt, um einen engsten Querschnitt 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 Überschallgeschwindigkeit erreicht, angeordnet ist.

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

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

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Erfin­ dung,

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 Schnittdarsteilung der Er­ findung bei Verwendung in einer Schubumlenk­ betriebsart.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Abgasdüse in einer Position ohne Schubumlenkung und, mit einem überlagerten gestrichelten Umriß von geeigneten Düsenteilen, in einer Schubumlenkpo­ sition. In der Position ohne Schubumlenkung werden die strom­ abwärts durch die Düse 10 strömenden Abgase von einer Unter­ schallgeschwindigkeit vor einer Verengungsposition 14 be­ schleunigt, 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.

In der Position der Düsenteile, die in Fig. 1 mit gestrichel­ tem 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 je­ doch 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 Strömungswegquerschnittsfläche oder Ver­ engung an der Stelle 14, was zur Folge hat, daß die Strömung Mach 1 überschreitet und stromabwärts der Position 14 Über­ schallgeschwindigkeiten erreicht. Der Abgasstrom wird dann durch die obere Klappe 11 umgelenkt, während er Überschall­ geschwindigkeit aufweist, wodurch ein übermäßiger Reibungs­ widerstand erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen von be­ kannten 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 Düsentei­ len führen können.

In Fig. 2 ist die Erfindung als eine Düse in einer Betriebs­ art ohne Schubumkehr dargestellt. In dieser Düse 20 ist ein feststehender Kanal 22 mit einem inneren Strömungswegprofil gebildet, das an dessen stromabwärtigen Ende auf ein recht­ eckiges Innenprofil übergeht. Wenn das Profil übergeht, wird der innere Strömungsweg des feststehenden Kanals 22 im Quer­ 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 stromab­ wärts 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 Ab­ gasstroms und zum Ändern der Lage der Verengung innerhalb des inneren Strömungsweges der Düse. Eines dieser bewegten Teile ist eine Umlenkklappe 36, die einen gelenkigen Abgasstromab­ lenker bildet, welcher sich über einen stromabwärtigen Teil einer oberen Wand erstreckt, die den Abgasströmungsweg be­ grenzt, 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 bil­ det und mit dem feststehenden Kanal 22 an dem Drehpunkt 28 schwenkbar verbunden ist. In der in Fig. 2 gezeigten Betriebs­ art 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 untere Fläche, die ein unteres Gebiet des Abgas­ strömungsweges begrenzt, und eine obere Fläche 42 aufweist. Ein unter inneren Überdruck gesetzter Hohlraum oder Druck­ hohlraum wird zwischen der oberen Fläche 42 und dem fest­ stehenden Kanal 22 aufgrund des Kühlluftstroms gebildet, der aus dem Kühleinsatz 32 eingelassen wird. Die Kraft auf der oberen Fläche 42, die durch diesen Druckhohlraum ver­ ursacht wird, kompensiert die Abgaskraft oder wirkt der Ab­ gaskraft 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 Innen­ wänden 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 Mittel­ punkten 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 festste­ henden 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 er­ kennen, wie Druckkräfte aus den Abgasen auf der unteren Fläche 40 durch Druckkräfte aus dem Druckhohlraum auf der oberen Fläche 42 kompensiert werden.

Gemäß Fig. 2 ist die Schubumlenkklappe 36 an dem feststehen­ den Kanal 22 an dem Drehpunkt 37 befestigt, welcher insgesamt in dem Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes 26 angeord­ net ist. Die Umlenkklappe 36 hat eine sehr breit gekrümmte Oberfläche zum Führen des Abgasstroms und Seitenwände 44 zum Einschließen des Abgasstroms. Die Umlenkklappe 36 ist außer­ dem 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 Flugbetriebs­ bedingungen zu steuern. Darüber hinaus dient die Schubumlenk­ klappe auch zum Steuern des Düsenquerschnittsverhältnisses in einer Weise, die von dem Düsenverengungsquerschnitt un­ abhängig ist.

Die Lage des Drehpunktes 37 für die Schubumlenkklappe 36 in dem Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes 26 in der Be­ triebsart 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 Strö­ mungsweg der Gase gefolgt wird, die zuerst durch den fest­ stehenden Kanal 22 und dann durch die Umlenkklappe 36 umge­ lenkt werden. Das eine neue Lage aufweisende Gebiet minimalen Strömungswegquerschnittes befindet sich an der Stelle der Verengung 50, die sich deutlich stromabwärts des Gebietes be­ findet, wo die Abgase zur Erzeugung von Umlenkschub umgelenkt worden sind. Die Abgase bleiben deshalb im Unterschallbereich, bis sie die Verengungsstelle 50 erreichen, und erreichen Über­ schallgeschwindigkeiten 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 wor­ den. 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 vorbe­ stimmten Winkel angeordnet, um einen gewünschten Schubvektor­ winkel zu erzielen. In Zusammenwirkung mit der Bewegung der Klappe 36 wird die Steuerklappe 38 so positioniert, daß der richtige Abgasdüsenverengungsquerschnitt in einer erwünsch­ ten 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 zu­ sätzlich als Schubumlenkdüse für Kurzstart- und -landezwecke zu benutzen, die einen effizienten Aufbau und ein geringes Gewicht hat.

Claims (6)

1. Abgasdüse zum Umlenken des Abgasstromes eines Gas­ turbinentriebwerks, mit einer oberen Wand, die einen Ab­ gasströmungsweg teilweise begrenzt, einer ersten schwenkba­ ren Ablenkvorrichtung, die einen stromabwärtigen Teil der oberen Wand bildet, wobei die Ablenkvorrichtung eine lageveränderliche Schubumlenkdüse aufweist, die um einen stromabwärtigen Teil eines feststehenden Kanals in einer Position mit kleinerer Querschnittsfläche schwenkbar ist, um den Abgasstrom unter ausgewählten Winkeln gegen die Triebwerksaxialrichtung abzulenken und zu drehen, ferner mit einer unteren Wand, die der oberen Wand im wesentlichen gegenüberliegt und weiter den Abgasströmungsweg begrenzt, und einer zweiten schwenkbaren Ablenkvorrichtung, die einen stromabwärtigen Teil der unteren Wand bildet, wobei die zweite Ablenkvorrichtung eine lageveränderliche Steuer­ klappe aufweist, die mit einem Teil des feststehenden Kanals in Betriebsverbindung steht und in Zusammenwirkung mit der ersten Ablenkvorrichtung zwischen dieser und sich eine lageveränderliche Verengung bildet, die stromabwärts der Abgasumlenkung angeordnet ist, wenn die Umlenkklappe in einer Ablenkbetriebsart ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (38) eine den Abgasströmungsweg be­ grenzende untere Fläche (40) und eine obere Fläche (42) aufweist, die ein Druckgefäß mit dem stromaufwärtigen, feststehenden Kanalteil (22) bildet, wobei die Druckkräfte auf der oberen Fläche (42) denjenigen auf der unteren Fläche (40) entgegenwirken.

2. Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubumlenkklappe (36) und die Steuerklappe (38) für eine Relativbewegung so an­ gelenkt sind, daß sich der engste Querschnitt variabler Querschnittsfläche relativ zu den Klappen stromabwärts bewegt, wenn die Ablenkung der Abgase von der Triebswerks­ axialrichtung zunimmt.

3. Abgasdüse nach Anspruch 1, 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 (48, 49) während der gesamten Bewegung der Steuerklappe zu schaffen.

4. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Strömungswegquer­ schnitt geeignet verteilt ist, damit die Abgase während der gesamten Abgasumlenkung im Unterschallbereich bleiben und Überschallgeschwindigkeit stromabwärts des engsten Querschnitts veränderlicher Querschnittsfläche (50) erreichen, nachdem das Umlenken der Abgase im wesentlichen abgeschlossen ist.

5. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (38) an einem Punkt (28) angelenkt ist, der sich stromaufwärts 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.

6. Abgasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerklappe (38) mit Seitenwänden versehen ist, die die untere Fläche (40) und die obere Fläche (42) verbinden, und daß die Seiten­ wände einen stromabwärtigen Abschnitt des Abgasströmungs­ weges bilden.