DE3138614A1

DE3138614A1 - Stroemungsveraenderungsvorrichtung, insbesondere drallkoerper

Info

Publication number: DE3138614A1
Application number: DE19813138614
Authority: DE
Inventors: James Samuel Miramar Fla. Kelm; Jack Rogers Cincinnati Ohio Taylor; Edward Charles Vickers; Jesse Junior Williams
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1982-06-24
Also published as: FR2491140A1; JPH0577928B2; DE3138614C2; GB2085146B; US4534166A; IT8124229A0; FR2491140B1; IT1139181B; JPS5787537A; GB2085146A

Description

31386U

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Strömungsveränderungsvorrichtung, insbesondere Drallkörper

Die Erfindung bezieht sich auf Strömungsveränderungsvorrichtungen und betrifft insbesondere eine neue und verbesserte Fluidströmungsveränderungsvorrichtung, in der die Menge und die Richtung der Fluidabgabe aus der Vorrichtung verändert werden können.

Eine Möglichkeit zum Verändern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses in dem Drallkörper oder Wirbler (swirler) eines Gasturbinentriebwerks ist die Verwendung einer Verschlußvorrichtung zum öffnen und Schließen von Luftstutzen, deren Öffnungen normal zu der Strömung von verdichteter Luft aus dem Verdichter sind. Solche Verschlußvorrichtungen haben jedoch häufig keine Stellungen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung. Weiter können sie zwar die Menge an in die Brennkammer eintretender Luft verändern, sie sind jedoch nicht in der Lage, eine entsprechende Veränderung des Drallwinkels der Luft zu bewirken. Ein weiterer Nachteil von Verschlußvorrichtungen, bei denen die Öffnungen der Luftstutzen normal zu der aus dem Verdichter auströmenden Luft angeordnet sind, besteht darin, daß die verdichtete Luft starke Beanspruchungen direkt auf die Teile der Verschlußvorrichtung ausübt. Zum Vermeiden einer

Leckage und zum Verhindern einer Beschädigung müssen die Verschlußteile so hergestellt werden, daß sie solche Beanspruchungen aushalten können, was wiederum zu erhöhten Kosten und zu erhöhtem Gewicht führen kann.

Die Erfindung beinhaltet in einer ihrer Ausführungsformen eine Strömungsänderungsvorrichtung, die die Menge und die Richtung der Fluidabgabe aus der Vorrichtung verändert. Die Vorrichtung ist von einer Bauart, die so angelegt ist, daß sie Fluid insgesamt radial empfängt und Fluid insgesamt axial abgibt. Sie enthält ein erstes Teil, das in fester Lage angeordnet ist und wenigstens eine insgesamt in die axiale Richtung weisende Durchgangsöffnung hat, und ein verstellbares zweites Teil axial neben dem ersten Teil, das wenigstens einen insgesamt in die axiale Richtung weisenden Schlitz hat, der mit der öffnung des ersten Teils in Verbindung bringbar ist, wobei die öffnung und der Schlitz in unterschiedlichen Relativstellungen die Menge und die Richtung der durch sie hindurchgehenden abgegebenen Fluidströmung verändern. Die Vorrichtung enthält außerdem eine Einrichtung zum Postitionieren des zweiten Teils relativ zu dem ersten Teil.

In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt das erste Teil eine ringförmige Platte mit sich radial erstreckenden öffnungen, und das zweite Teil umfaßt mehrere miteinander verbundene Flügel.

Die Einrichtung zum Positionieren des zweiten Teils kann einen Antriebsarm aufweisen, der mit dem zweiten Teil verbunden ist.

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

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Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht einer Brennkam

mer und eines Drallkörpers nach Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht des Drallkörpers

nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und

Fig. 3-5 Teilquerschnittansichten des Drallkörpers

nach der Linie 3-3 von Fig. 2, die verschie* dene Relativpositionen einer Platte und einer Flügelbaugruppe zeigen.

Fig. 1 zeigt den stromaufwärtigen Teil einer Brennkammer 20 in einem Gasturbinentriebwerk. Ein Gemisch aus Luft und Brennstoff tritt in die Brennkammer 20 ein und wird in dieser verbrannt. Die Energie der sich ergebenden Abgase wird entnommen, um Arbeit zu leisten, beispielsweise um eine Turbine (nicht dargestellt) zu drehen.

Der Brennstoff für die Verbrennung wird aus einer Druckbrennstoff düse 21 eingeleitet. Wenn der Brennstoff aus der Brennstoffdüse 21 austritt, wird er in dem Drallkörper 22 mit Luft vermischt, und das sich ergebende Gemisch tritt in die Brennkammer 20 ein, um darin verbrannt zu werden. Der Drallkörper 22 gibt der durch ihn hindurchströmenden Luft und damit dem aus der Brennstoffdüse 21 ausgestoßenen Brennstoff eine Wirbelbewegung, wobei sich letzterer mit der Luft vermischt, was zur Zerstäubung des Brennstoffes führt, durch die die Vermischung gefördert wird.

Die Erfindung umfaßt eine Strömungsveränderungsvorrichtung, wie den Verwirbler 22, der wenigstens einen Teil seines Fluids aus einer insgesamt radialen Richtung empfängt/ dieses Fluid in einer insgesamt axialen Richtung abgibt und die Menge und die Richtung der Abgabe des ihn durchströmenden Fluids, wie beispielsweise Luft, verändern kann. Mit "radial" ist gemeint,

in einer Richtung insgesamt rechtwinkelig zu der Drallkörperlängsachse/ die durch die gestrichelte Linie 27 dargestellt ist. Mit "axial" ist gemeint, in einer Richtung insgesamt parallel zu der Drallkörperlängsachse 27. Die Strömungsveränderungsvorrichtung, wie der Drallkörper 22, enthält ein erstes Teil, das eine feste Position hat und wenigstens eine insgesamt in die axiale Richtung weisende Durchgangsöffnung aufweist, und ein zweites Teil, das axial neben dem ersten Teil angeordnet ist, relativ zu dem ersten Teil positionierbar ist und wenigstens einen insgesamt in die axiale Richtung weisenden Schlitz aufweist, der mit der öffnung des ersten Teils in Verbindung bringbar ist.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Teil gemäß den Figuren 1 und 2 eine im wesentlichen ringförmige, radial ausgerichtete Platte 23, und die öffnungen sind mehrere sich radial erstreckende öffnungen 24. Gemäß Fig. 3 haben diejenigen Teile der Platte 23, die sich umfangsmäßig neben jeder der öffnungen 24 befinden, wenigstens eine sich radial erstreckende Fläche 25a oder 25b, die in einer Ebene liegt, welche gegen die Längsachse 27 des Drallkörpers 22 abgewinkelt ist. In gewissen Relativstellungen des ersten und des zweiten Teils legen die Flächen 25a und 25b, wie weiter unten noch deutlicher werden wird, den Drallwinkel fest, der der Luft gegeben wird, wenn diese den Drallkörper 22 verläßt. Der Winkel, den die Flächen 25a und 25b mit der Längsachse 27 bilden, wird daher durch den gewünschten Wirbelgrad bestimmt. Gemäß Fig. 3 sind die bevorzugten Querschnittsformen der Teile der Platte 23, die sich umfangsmäßig neben jedem Schlitz 24 befinden, die eines Parallelepipeds, das heißt drei Gruppen von parallelen und einander gegenüberliegenden, sich radial erstreckenden Flächen 25a und 25b, 26a und 26b, 28a und 28b. Es können jedoch auch andere Querschnittsformen bei Bedarf benutzt werden.

Gemäß den Figuren 1 und 2 ist das zweite Teil im wesentlichen ringförmig und weist eine Flügelbaugruppe 29 auf, die mehrere sich radial erstreckende Flügel JoVnat, axe an den radial inneren und äußeren Enden mit ringförmigen Teil'en 31 bzw. 32 verbunden sind. Die Flügel 30 sind so angeordnet, daß jeweils ein sich radial erstreckender Schlitz 33 zwischen jeweils zwei Flügeln vorhanden ist.

Gemäß Fig. 3 begrenzen die sich radial erstreckenden Flächen 34 und 35 die Schlitze 33, und der Winkel, den diese Flächen mit der Längsachse 27 des Drallkörpers bilden, legt wenigstens zum Teil den Drallwinkel fest, der der Luft gegeben wird, wenn diese den Drallkörper 22 verläßt. Dieser Winkel sollte daher gemäß dem gewünschten Wirbelgrad vorbestimmt werden. Aus Gründen, die im folgenden erläutert sind, ist der Abstand zwischen den Flächen 34 und 35 von benachbarten Flügeln 30 im wesentlichen gleich der Breite der Fläche 28a der Platte 23, und sind die Flächen 34 und 35 der Flügel 30 parallel zu den Flächen 26a und 26b der Platte 23.

Gemäß Fig. 1 hat der Drallkörper 22 eine hohle Nabe 36, die insgesamt ringförmig ist. Der stromaufwärtige Teil der Nabe 36 erstreckt sich insgesamt radial und liegt in einer Ebene, die zu der Drallkörperlängsachse 27 rechtwinkelig ist. Die Nabe 36 ist gekrümmt, so daß der stromabwärtige Teil, der radial einwärts der Platte 23 und der Flügelbaugruppe 29 angeordnet ist und einstückig mit der Platte 23 gebildet oder an dieser befestigt sein kann, sich insgesamt axial erstreckt. Die Flügelbaugruppe 29 und der stromaufwärtige Teil der Nabe 36 begrenzen einen ringförmigen, radialen Lufteinlaß 37, über den ein Teil der Luft für die Verbrennung in den Drallkörper eintritt. Die Tatsache, daß die Luft in den verstellbaren Teil des Drallkörpers 22, d. h. in den aus der Flügelbaugruppe 29 und der Platte 23 bestehenden Teil aus einer radialen Richtung statt aus der axialen Richtung eintritt, ist vorteil-

haft, weil die Flügelbaugruppe und die Platte dadurch durch den stromaufwärtigen Teil der Nabe 36 vor den Beanspruchungen geschützt werden, die durch eine direkte Anströmung von verdichteter Luft auf sie ausgeübt würden. Der stromaufwärtige Teil der Nabe 36 kann eine einstückig mit ihm gebildete oder eine an ihm befestigte radiale ringförmige Scheibe 39 aufweisen. Brennstoff für die Verbrennung tritt aus der Brennstoffdüse 21, die sich durch einen Spalt in der ringförmigen Scheibe 39 des stromaufwärtigen Teils der Nabe 36 erstreckt, aus und strömt durch den hohlen Innenraum der Nabe 36 hindurch, bevor er in die Brennkammer 20 eintritt. Der Drallkörper 22 kann außerdem mehrere Fluidkanäle, wie die Venturidüsen 38, in der ringförmigen Scheibe 39 des stromaufwärtigen Teils der Nabe 36 aufweisen, über die Luft aus einer insgesamt axialen Richtung eintritt und sich mit Brennstoff vermischt. Bei dieser Anordnung erfolgt daher die anfängliche Vermischung von Luft und Brennstoff im Innern der Nabe 36, weil sich Luft aus den Venturidüsen 38 mit Brennstoff aus der Brennstoffdüse 21 vermischt. Wenn dieses Gemisch dann die Nabe 36 verläßt, wird sie weiter mit Luft aus den radialen Lufteinlässen 37 vermischt, nachdem diese die Flügelbaugruppe 29 und die Platte 23 passiert hat. Es handelt sich um die Menge und um die Richtung der Luftabgabe durch die zweite Luftquelle, d. h. der Luft, die in den Drallkörper radial eintritt und durch Flügelbaugruppe 29 und die Platte 23 hindurchströmt, die die Erfindung verändern kann.

Das Verändern der Menge und der Richtung der Abgabe oder des Drallwinkels von Luft aus dem Drallkörper 22 erfolgt durch Verstellen, vorzugsweise Verdrehen, des zweiten Teils, wie der Flügelbaugruppe 29, relativ zu dem ersten Teil, wie der Platte 23. Die Flügelbaugruppe 29 ist auf der Drallkörpernabe 36 drehbar gelagert. Eine Einrichtung zum Positionieren des zweiten Teils weist vorzugsweise wenigstens einen betätigbaren Antriebsarm 40 auf, der mit dem zweiten Teil verbunden ist,

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wie es in den Figuren 1 und 2 zu erkennen ist. Der radial äußere Teil des Antriebsarms 40 ist mit Einrichtungen ver-* bunden, die den Antriebsarm in Bewegung versetzen. Der Antriebsarm 40 kann beispielsweise über ein Kugelgleitlager 42 mit einem Gleichlaufring 41 verbunden sein. Ein Gleichlauf ring 41 kann mit weiteren Antriebsarmen 40 verbunden sein, die weiteren Drallkörpern in dem Verbrennüngsabschnitt des Triebwerks zugeordnet sind, so daß sämtliche Antriebsarme gemeinsam bewegt werden.

Das radial innere Ende des Antriebsarms 40 ist vorzugsweise mit der Flügelbaugruppe 29 über ein Gelenk 43 verbunden. Die Verwendung des Gelenks 43 erlaubt, die Flügelbaugruppe 29 sogar dann zu drehen, wenn es eine axiale Fehlübereinstiramung zwischen der Flügelbaugruppe 29 und dem Gleichlaufring 41 gibt. Gemäß Fig. 2 kann das Gelenk 43 Beilegscheiben 44 aufweisen, die das Voreinstellen der Umfangsposition des Ahtriebsarms 40 gestatten, um dadurch die Stellung dieses Antriebsarms mit denen weiterer Antriebsarme zu synchronisieren·, die mit dem Gleichlaufring 41 verbunden sein können.

Der Drallkörper 22 ist mit dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer 20 in geeigneter Weise verbunden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verschrauben von Flanschen 45, die von der Platte 23 vorstehen, mit einer Büchse 47 der Brennkammer. Ebenso kann der Gleichlaufring 41 durch geeignete Vorrichtungen abgestützt sein, beispielsweise durch ein Rollenlager 48 und eine Tragkonsole 46.

Die oben beschriebene Strömungsveränderungsvorrichtung ist somit eine relativ einfache und billige Vorrichtung zum Verändern der Menge und der Richtung der Luftabgabe an die Brennkammer .

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Diese Ausführungsform der Strömungsveränderungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Fig. 3 zeigt den Drallkörper in seiner offenen Stellung. Die Flügelbaugruppe 29 ist so angeordnet, daß die Flächen 34 und 35 der Flügel 30 in einer Linie mit den Flächen 26a bzw. 26b der Platte 23 sind. Die Schlitze 33 der Flügelbaugruppe 29 sind daher in einer Linie mit den öffnungen 24 der Platte 23, so daß die maximale Luftmenge durch sie hindurchgeht. Die Richtung, in der die Luft strömen wird, wenn sie aus den Schlitzen 33 und den öffnungen 24 austritt, d. h. ihr Drallwinkel, wird durch den Winkel festgelegt, den die Flächen 34, 35, 26a und 26b, welche vorzugsweise parallel sind, mit der Drallkörperlängsachse 27 bilden.

Fig. 4 zeigt die Flügelbaugruppe 29, nachdem diese in eine Zwischenstellung gedreht worden ist. Ein Teil der Luft, die durch jeden der Schlitze 33 der Flügelbaugruppe 29 hindurchströmt, trifft auf eine Fläche 25b der Platte 23 auf und wird durch diese abgelenkt. Dieser Teil der Luft bewirkt, daß die übrige Luft, die durch den Schlitz 33 hindurchströmt, ebenfalls abgelenkt wird und über die benachbarte Fläche 25a hinwegströmt. Je mehr die Flügelbaugruppe 29 aus der in Fig. 3 gezeigten offenen Stellung herausgedreht wird, um so größer wird der Luftströmungsaustrittswinkel oder Drallwinkel sein, gemessen von der Drallkörperlängsachse 27 aus.

Wenn die Flügelbaugruppe 29 über die Zwischenstellung von Fig. 4 hinaus weiter gedreht wird, beginnt die Fläche 28a der Platte 23, einen Teil des Schlitzes 33 zu blockieren. Je stärker die Blockierung durch die Fläche 28a ist, um so geringer wird die Menge an Luft sein, die in der Lage ist, durch den Schlitz 33 hindurchzuströmen. Fig. 5 zeigt die FlÜgelbaugruppe 29, nachdem diese in die geschlossene Stellung gedreht wor-

η.

den ist. Die Flächen 28a der Platte 23 blockieren die Schlitze 33/ so daß im wesentlichen keine Luft durch die Schlitze 33 oder die öffnungen 24 hindurchströmen kann. Wenn die Plügelbaugruppe 29 in der geschlossenen Stellung ist, ist die einzige Luft, die in die Brennkammer 20 über den Drallkörper 22 eintritt, diejenige, die aus den Venturidüsen 38 durch das Innere der Drallkörpernabe 36 hindurchströmt, wie es in Fig. .' 1 zu erkennen ist. Selbstverständlich kann die Flügelbaugruppe 29 in viele Zwischenstellungen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung gebracht werden.

Es ist somit zu erkennen, daß durch Verdrehen des zweiten Teils oder der Flügelbaugruppe 29 relativ zu dem ersten Teil oder der Platte 23 die Menge und die Richtung der Luftabgabe aus dem Drallkörper verändert werden können. Somit kann das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoff/Luft-Gemisches in der Brennkammer 20 verändert werden, und der Drallwinkel der Luft, wenn diese sich mit der Luft vermischt, kann entsprechend verändert werden. Das verbessert den Brennerwirkungsgrad, verringert unerwünschte gasförmige Emissionen und ver-* bessert die Brennstoff/Luft-Vermischung sowie die Verteilung des Gemisches innerhalb der Brennkammer.

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Leerseite

Claims

Ansprüche:

(TT) Strömungsveränderungsvorrichtung, die Fluid insgesamt radial empfängt und Fluid insgesamt axial abgibt, gekennzeichnet durch:

a) ein erstes Teil (23) , das eine feste Stellung hat und wenigstens eine insgesamt in die axiale Richtung weisende Durchgangsöffnung (24) aufweist;

b) ein zweites Teil (29) , das axial neben dem ersten Teil (23) angeordnet ist, wenigstens einen insgesamt in die axiale Richtung weisenden Durchgangsschlitz (33), der mit der öffnung (24) in Verbin-^ dung bringbar ist, aufweist und relativ zu dem ersten Teil (23) verstellbar ist, um dadurch die Menge und die Richtung des von der StrÖmungsveränderungsvorrichtung abgegebenen Fluids zu verändern;

c) eine Einrichtung (40) zum Verstellen des zweiten Teils (29).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (23) und das zweite Teil (29) jeweils im wesentlichen ringförmig sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß das zweite Teil (29) relativ zu dem ersten Teil (23) verdrehbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (23) eine im wesentlichen ringförmige, radial ausgerichtete Platte aufweist und daß die öffnungen (24) mehrere sich radial erstreckende öffnungen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Teile der Platte (23), die jeder der öffnungen (24) umfangsmäßig benachbart sind, wenigstens eine sich radial erstreckende Fläche (26a) aufweisen, welche in einer Ebene liegt, die gegen eine Längsachse (27) der Vorrichtung abgewinkelt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialquerschnitt von jedem der Teile der Platte (23) neben den öffnungen (24) insgesamt ein Parallelepiped ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil (29) eine Flügelbaugruppe ist, die mehrere miteinander verbundene, sich radial erstrekkende Flügel (29) aufweist, zwischen denen mehrere Durchgangsschlitze (33) gebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurcn gekennzeichnet, daß die sich radial erstreckenden Flächen (34, 35) der Flügel (29), die die Schlitze (33) begrenzen, gegen eine Längsachse (27) der Vorrichtung abgewinkelt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch eine insgesamt ringförmige, hohle Nabe (36) , die radial einwärts des ersten und des zweiten Teils (23, 29) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

sich ein stromaufwärtiger Teil der Nabe (36) insgesamt radial erstreckt und mit dem zweiten Teil (29) einen ringförmigen radialen Lufteinlaß (37) begrenzt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40) zum Verstellen des zweiten Teils (29) wenigstens einen betätigbaren Antriebsarm aufweist, der mit dem zweiten Teil (29) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsarm (40) mit dem zweiten Teil (29) über ein Gelenk (43) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Gleichlaufring (41) zum Miteinanderverbinden von mehreren Antriebsarmen (41).
14. Drallkörper, der Luft insgesamt radial empfängt und die Luft insgesamt axial abgibt, gekennzeichnet durch :

a) eine im wesentlichen ringförmige, radial ausgerichtete Platte (23), die eine feste Lage hat und mehrere sich radial erstreckende Durchgangsöffnungen

(24) aufweist, wobei die Teile der Platte, die je- / der der öffnungen umfangsmäßig benachbart sind, wenigstens eine sich radial erstreckende Fläche (26a) aufweisen, die in einer Ebene liegt, welche gegen eine Längsachse (27) des Drallkörpers (22) abgewinkelt ist;

b) eine Flügelbaugruppe (29) , die der Platte (23) axial benachbart ist und mehrere miteinander verbundene, sich radial erstreckende Flügel (29) aufweist, die mehrere Schlitze (33) begrenzen, welche mit den öffnungen (24) in Verbindung bringbar sind, wobei die sich radial erstreckenden Flächen (34, 35) der Flügel (29), die die Schlitze (33) begrenzen, gegen die

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Längsachse (27) des Drallkörpers (22) abgewinkelt sind und wobei die Flügelbaugruppe (29) relativ zu der Platte (23) verdrehbar ist, um dadurch die Menge und die Richtung der aus dem Drallkörper (22) abgegebenen Luft zu verändern;

c) eine insgesamt ringförmige Nabe (36) , die einen sich insgesamt axial erstreckenden stromabwärtigen Teil hat, welcher radial einwärts der Platte (23) und der Flügelbaugruppe (29) angeordnet ist, und einen sich insgesamt radial erstreckenden stromaufwärtigen Teil, der wenigstens einen Kanal aufweist zum Empfangen von Luft aus einer axialen Richtung und einen Spalt zum Empfangen eines Fluids, das mit der Luft zu vermischen ist, wobei der stromaufwärtige Teil der Nabe mit der Flügelbaugruppe (29) einen ringförmigen, in die radiale Richtung weisenden Lufteinlaß (37) begrenzt; und

d) eine Einrichtung (40) zum Verdrehen der Flügelbaugruppe (29).
15. Drallkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40) zum Verdrehen der Flügelbaugruppe (29) einen betätigbaren Antriebsarm aufweist, der mit der Flügelbaugruppe verbunden ist.