DE3312281C2

DE3312281C2 - Strahldüse mit veränderlicher Geometrie für Flugzeug-Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3312281C2
Application number: DE3312281A
Authority: DE
Inventors: Douglas John Jonesboro Ga. Nightingale; Gary Frank Marietta Ga. Szuminski
Original assignee: Individual
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1983-04-05
Publication date: 1984-12-13
Also published as: GB2118249B; SE8301883D0; FR2524937A1; FR2524937B1; DE3312281A1; IT1167173B; US4502636A; JPH0350106B2; IT8320487A0; JPS59554A; GB2118249A; SE8301883L; SE453936B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahldüse mit veränderlicher Geometrie für Flugzeug-Gasturbinentriebwerke, die außer einer Anpassung an Unter- und Überschallgeschwindigkeit auch eine Vorrichtung der Infrarotabstrahlung ermöglicht. Am Strahlrohr (16) ist ein erster Klappenkranz angelenkt, an den sich ein zweiter Klappenkranz anschließt, dessen Klappen (23, 23a) jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende am stromabseitigen Ende einer zugeordneten Klappe (20, 20a) des ersten Klappenkranzes angelenkt sind und mit ihren stromabwärtigen Enden gleitend verschiebbar an einer Außenverkleidung (25) geführt sind. Mindestens einige der Klappen des zweiten Klappenkranzes sind mit einer Öffnung (29) und einer dieser zugeordneten Verschlußklappen (30) versehen. Dem ersten Klappenkranz ist ein Betätigungsantrieb (27, 28, 29) zugeordnet, und die Außenverkleidung (25) ist davon unabhängig axial zwischen einer vorderen Stellung und einer hinteren Stellung verschiebbar, in welch letzterer sie einen zusätzlichen Lufteinlaß (26) öffnet. Beim Verschieben in ihre hintere Stellung öffnet die Außenverkleidung (25) über Lenker (31) gleichzeitig die Verschlußklappen (30), so daß eintretende Umgebungsluft sich mit dem Heißgasstrahl vermischt.

Description

a) eine Anzahl der Klappen des zweiten Klappenkranzes (23) mit einer öffnung (29) und einer dieser öffnung zugeordneten Verschlußklappe (30) versehen Ut, die mit ihrem stromaufwlrtigen Ende im Bereich des stromaufwartigen Endes der betreffenden Klappe des zweiten Klappenkranzes (23) schwenkbar angelenkt ist,

b) die Außenverkleidung (2S) mittels eines weiteren Betitigungsantriebs axial zwischen einer vorderen Stellung und einer hinteren Stellung verschiebbar ist, in welch letzterer sie einen zusätzlichen, aus ein oder mehreren Lufteintrittsöffnungen bestehenden Lufteinlaß (26) öffnet, und

c) die verschiebbare Außenverkleidung (25) mit den Verschlußklappen (30) über Lenker (31) gekuppelt und die Lenkergeometrie so gestaltet ist, daß sie beim Verschieben der Außenverkleidung in ihre hintere Stellung gleichzeitig die Verschlußklappen öffnen.

2. Strahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (30) jeweils an der stromaufwartigen Kante der betreffenden Klappe des zweiten Klappenkranzes (!23) angelenkt sind.

3. Strahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (30) jeweils am stromabwärtigcn Ende der betreffenden Klappe des ersten Klappenkranzes(20) angelenkt sind.

4. Strahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (30) durch radiales Einwärtsschwenken geöffnet werden.

Die Erfindung betrifft eine Strahldüse mit veränderlicher Geometrie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Flugzeug-Gasturbinentriebwerke und bezweckt insbesondere eine Unterdrückung der von dem heißen Abgasstrahl solcher Triebwerke emittierten Infrarotstrahlung.

Moderne Kampfflugzeuge müssen hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit sehr flexibel sein und sowohl mit Unterschall- als auch mit Überschallgeschwindigkeiten fliegen können, um in einer Mehrzahl von Verwendungen eingesetzt werden zu können. Bei manchen Verwendungen ist es notwendig, den vom Triebwerk in der »trockenen« Betriebsart erzeugten Grundschub durch Verbrennung zusätzlichen Brennstoffs stromab der Triebwerkturbinen zu vergrößern, wozu der noch nicht verbrannte Sauerstoff in den Turbine labgasen zu dieser Nachverbrennung verwendet wird. Diese Betriebsart ist als Wiedererhitzung oder Nachverbrennung bekannt Beim Betrieb mit Wiedererhitzung ist es notwendig, de» Austrittsquerschnitt der Strahldüse zu vergrößern, um ihn dem gesteigerten Gasdurchsatzvolumen anzupassen, damit der wirtschaftliche Betrieb des Triebwerks

ίο nicht beeinträchtigt wird. Bei anderen Einsatzverwendungen, beispielsweise beim Oberschallreiseflug, ist es wünschenswert, die Geometrie der Strahldüse des Triebwerks zwischen einer konvergenten Geometrie für Unterschallgeschwindigkeit und einer Konfigura-

tion mit einer einen größeren Durchtrittsquerschnitt aufweisenden Verengung (vergleichbar dem größeren Austrittsquerschnitt beim »trockenen« Betrieb oder beim Unterschallreiseflug) zwischen einem konvergenten Abschnitt und einem divergenten Abschnitt der Düse verändern zu können.

Eine in ihrer Düsengeometrie veränderliche Strahldüse mit den Merkmalen des Gattungsbegriffs ist aus der DE-OS 28 1.5 573 bekannt.
Während des Flugauftrags eines Flugzeugs gibt es

Zeiten, während welcher keine Wiedererhitzung erforderlich ist und bei denen das wichtigste Erfordernis die Verringerung der Infrarotabstrahlung des Abgasstrahls und dadurch die Verringerung oder Vermeidung der Möglichkeit der Aufspürung durch auf Wärmestrahlung ansprechende Flugabwehrraketen ist Derartige Raketen erfassen gewöhnlich die Infrarotstrahlung des heißen Abgasstrahls und dringen, wenn der Abgasstrahl einmal lokalisiert worden ist in die heißen Teile des Triebwerks ein, um das Flugzeug zu zerstören.

Bekanntermaßen kann die Infrarotabstrahlung dadurch verringert werden, daß dem heißen Abgasstrahl kalte Umgebungsluft beigemischt wird. Dies ergibt sich beispielsweise aus der US-PS 40 07 587.
Es stellt sich nun das Problem, die Möglichkeit einer Kaltluftbeimischung zum heißen Abgasstrahl bei einer Strahldüse mit veränderlicher Geometrie der eingangs genannten Gattung zu ermöglichen, wobei zu berücksichtigen ist daß es nicht allein auf die Zufuhr der kalten Umgebungsluft zum heißen Abgasstrahl, sondern für eine wirksame Infrarotunterdrückung auch wesentlich auf eine möglichst gute Vermischung der Kaltluft mit dem heißen Abgasstrahl ankommt bevor der Strahl aus der Düse austritt Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine diesen Anforderungen genügende,

so zweckmäßige und kompakte Strahldüsenkonstruktion zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Strahldüse der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene An-

Ordnung gelöst

Die erfindungsgemäße Strahldüse ermöglicht eine Veränderung der Strahldüsengeometrie in Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand sowie die Verringerung der Infrarotabstrahlung durch die öffnung der Verschlußklappen, wodurch kalte Umgebungsluft zur Kühlung und Abschirmung in den heißen Abgasstrahl eintritt. Durch die öffnung der Verschlußklappen wird stromab des Düsenhalses ein Mischbereich geschaffen, in welchem sich der heiße Abgasstrahl mit der eintretenden Kaltluft vermischt, bevor das weniger heiße Gemisch aus dem hinteren Ende der Strahldüse austritt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Die erfindungsgemäße Strahldüse kann in Verbin- davon erstreckea

dung mit einem feststehenden Strahlrohr oder mit ei- Die Klappen 20 und 20a sind über Lenker 28 mit nem schwenkbaren Strahlrohr Anwendung finden. Au- einem gemeinüamen Stellring 27 verbunden, der mittels Qerdem k inn die erfindungsgemäße Strahldüse auch in eines Schraubüpindeltriebs 21 axial verschiebbar ist, um Verbindung mit schwenkbaren Frontdüsen Verwen- 5 die Klappen unabhängig von der jeweiligen Axialsteldung finden, wie beispielsweise beim Rolls-Royce-Pega- lung oder Axii.ibewegung der Außenverkleidung 25 um sus-Triebwerk, die mit einem Nebenstrom-Kaltluft- ihre Anlenkstellen am Strahlrohr 16 zu schwenken. Nastrahl oder mit Verbrennung im kalten Strahl arbeiten. türlich kann auch ein anderer geeigneter Klappenan-

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden trieb für die Betätigung der Klappen 20 und 20a Vernachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr ^;m to Wendung finden,
einzelnen beschrieben, in welchen zeigt Alle oder mindestens einige der Klappen 23 sind mit

F i g. 1 schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit ei- öffnungen 29 versehen, die mittels Verschlußklappen 30

ner Strahldüse mit variabler Geometrie nach der Erfin- verschlossen sind. Diese Verschlußklappen 30 sind je-

dung, weils mit ihrem stromaufwärtigen Ende um die gleiche

Fig.2 im Axialabschnitt die hintere Strahldüse des is Schwenkachse wie die zugehörige Klappe 23 schwenk- Triebwerks nach F i g. 1 in näheren Einzelheiten, und die bar an der betreffenden Klappe 20 angelenkt. An jeder F i g. 3 bis 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Verschlußklappe 30 ist ein Teleskoplenker 31 gelenkig

erfindungsgemäßen Strahldüse. befestigt, der in einem Schlitz 32 dieser Klappe gleitend

F i g. 1 zeigt schematisch ein Flugzeug-Gasturbinen- verschiebbar is;t.

triebwerk 10 mit, strömungstechnisch in Reine angeord- 20 Für den »trcckenen« Triebwerksbetrieb wird die Au-

net, einem Axialstrom-Niederdruckverdichter 11, einem ßenverkleidung 25 nach rückwärts verschoben und die

Axialstrom-Hochdruckverdichter 12, einer Brennein- Klappen 20 und 20a werden so eingestellt, daß sie einen

richtung 13, einer den Hochdruckverdichter 12 antrei- konvergenten Düsenabschnitt mit minimalem HaIs-

benden Hochdruckturbine 14, einer den Niederdruck- querschnitt bilden. In dieser, in der oberen Hälfte der

verdichter 11 antreibenden Niederdruckturbine 15, ei- 25 Fig. 2 dargestellten Stellung bilden die Klappen 23 und

nem Strahlrohr 16 mit einem Nacherhitzungsbrenner 23a einen divergierenden Düsenabschnitt großen

17, und einer Strahldüse 18 mit variabler Geometrie Durchmessers. Die Lenker 31 haben eine solche Länge,

nach der Erfindung. daß alle Verschlußklappen 30 offen sind, wenn die Au-

Gemäß F i g. 2 weist die Strahldüse 18 ein Strahlrohr ßenverkleidung 25 sich in ihrer hintersten Stellung be-

16 und ein Außengehäuse 19 auf. Stromab des Strahl- 30 findet und die Klappen 20 zusammen mit den Ver-

rohrs 16' befindet sich eine in Umfangsrichtung achs- schlußklappen 30 einen minimalen Halsquerschnitt bil-

symmetrische Anordnung von Klappen 20. den. In dieser Stellung der Außenverkleidung 25 ist der

Jede eier Klappen 20 ist mit ihrem stromaufwärtigen Lufteinlaß 26 offen und in den Zwischenraum zwischen Ende schwenkbar am stromabseitigen Ende des Strahl- der Außenverkleidung 25 und den Klappen 20, 23 einroh rs 16 angelenkt Diese Klappen 20 haben die Form 35 tretende Umgebungsluft tritt durch die von den Verebener Platten mit Trapezform. Mit den Klappen 20 schlußklappen 30 freigegebenen öffnungen aus. Dies abwechselnd angeordnete Klappen 20a überlappen je- verringert die lnfrarotabstrahlung des Gasstrahls. Auweils die beiden benachbarten Klappen 20 und wirken ßerdem verringern die Verschlußklappen 30 die direkte als Dichtungsplatten zum Verschluß der umfangsmäßi- Abstrahlflächt: der heißen Turbinen nach hinten,
gen Zwischenräume zwischen den benachbarten Klap- 40 Für den Nacherhitzungsbetrieb werden die Klappen pen 20. 20 im Sinne di;r Bildung eines vorgewählten Halsquer-

Stromab der Klappen 20 befindet sich ein Kreuz von Schnitts eingestellt, der größer als der für eine

mit gegenseitigen Abständen angeordneten Klappen 23. «trockene« Unterschallbetriebsart erforderliche Quer-

Jede dieser Klappen 23 ist mit ihrem stromaufwärtigen schnitt ist, und die Außenverkleidung 25 wird gleichzei- Ende schwenkbar am stromabseitigen Ende einer der 4s tig nach vorwärts verschoben. Damit verschließt die Klappen 20 angelenkt. Auch hierbei sind wieder mit den Außenverkleidung 25 den Lufteinlaß 26 und die Klap- Klappen 23 abwechselnde Klappen 23a als Dichtungs- pen 20 und 23 bilden eine konvergent-divergente Düse,

platten vorgesehen, welche die umfangsmäßigen Zwi- Die Verschlußklappen 30 werden in dieser Stellung

schenräime zwischen den benachbarten Klappen 23 durch die Lenker 3t geschlossen gehalten,

verschließen. Diese Dichtungsplatten 23a sind jeweils so Für den Üburschallreiseflug wird eine konvergent-di-

mit ihrem stromaufwärtigen Ende am stromabseitigen vergente Düse gebildet, indem die Außenverkleidung 25

Ende einer der Klappen 20a angelenkt. Die Klappen 23a in ihrer vordersten Stellung verbleibt und die Klappen

sind mit Rollen 24 versehen, die jeweils an einem 20 auf den gleichen Halsquerschnitt eingestellt werden,

Flansch der betreffenden Klappen 23a angeordnet sind, wie er auch für den trockenen Unterschallbetrieb erfor-

der durch den Spalt zwischen den benachbarten Klap- 55 derlich ist. Durch diese Klappenverstellung werden die

pen 23 hindurchragt. Diese Rollen 24 wirken mit der stromaufwärtigen Enden der Klappen 23 einwärts gezo-

AußenfUiche der benachbarten Klappen zusammen und gen, um einen stärker divergenten Abschnitt der Düse

verhindern, daß sowohl die Dichtungsplatten 23a als stromab der Halseinschnürung zu bilden, als dies im

auch die Dichtungsplatten 20a radial einwärts fallen Nacherhitzun^sbetrieb erforderlich ist. Auch hier wer-

können. Die stromabwärtigen Enden der Klappen 23 60 den die Verschlußklappen 30 durch die Lenker 31 ge-

und 23a sind, bezüglich des stromabwärtigen Endes der schlossen gehalten.

Außenvef kleidung 25 gleitend verschiebbar geführt. In den F i g. 3 bis 5 ist eine Düse in den Einstellungen Die Aiißenverkleidung 25 ist ihrerseits axial ver- für den Ejektorbetrieb, den trockenen Betrieb und den

schiebbar stromab des Kanals 19 angeordnet. Am Nacherhitzungsbetrieb dargestellt. Die Klappen 20 sind

stromabwärtigen Ende des Kanals 19 ist ein Lufteinlaß 65 an einem Bautuil 36 montiert, das feststehend oder axial

in Form einer oder mehrerer Lufteintrittsöffnungen 26 verschieblich sein kann, und jede Klappe 23 ist mittels

vorgesehen. Dieser Lufteinlaß kann sich über den gan- eines gelenkig angeschlossenen Lenkers 37 am Bauteil

zen Umfang des Kanals 19 oder nur über einen Teil 36 befestigt.

Wenn das Bauteil 36 feststehend ausgebildet ist, kann ein Betätigungsantrieb ähnlich dem gemeinsamen Betätigungsring 27 mit Schubstangen 28 und Motoren 29 der in F i g. 2 dargestellten Bauart Anwendung finden, um die Klappen 20 um ihre Alenkstellen am Bauteil 36 zu schwenken. Dadurch wird wiederum die Stellung der Klappen 23 verändert, die um die Anlenkenden der Lenker 37 geschwenkt werden.

Ist das Bauteil 36 axial verschiebbar, können feststehende Nocken 38 vorgesehen sein, mit welchen Profilfolgeorgane 39 zusammenwirken, so daß eine Axialverschiebung des Bauteils 36 in eine Schwenkung der Klappen 20 um ihre Anlenkstellen am Bauteil 36 umgesetzt wird, wie aus den F i g. 3 bis 5 hervorgeht

In beiden Fällen hat eine Axialverschiebung der Auuenverkieidung 25 nach rückwärts relativ zur Anlenk· stelle der Klappen 20 am Bauteil 36 zur Folge, daß die Lenker 31 die Verschlußklappen 30 öffnen. Die Lenker 31 sind teleskopartig ausgebildet und in ihre auseinandergeschobene Stellung vorgespannt, und sie halten die Verschlußklappen 30 geschlossen, wenn die Außenverkleidung 25 nach vorne verschoben ist.

Die Außenverkleidung 25 besteht aus einer Anzahl schwenkbarer Klappen 40, die mit ihren stromaufwärtigen Enden an einem Ring 41 mit festem Durchmesser 2s angelenkt sind und mit ihren stromabwärtigen Enden gleitend verschiebbar mit den stromabwärtigen Enden der Klappen 23 zusammenwirken.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprache:

1. Strahldüse mit veränderlicher Geometrie für Flugzeug-Gasturbinentriebwerke, mit einem ersten Klappenkranz, dessen Klappen jeweils mit ihrem stromaufwlrtigen Ende schwenkbar am Strahlrohrende angelenkt sind, weiter mit einem sich daran anschließenden zweiten Klappenkranz, denen Klappen jeweils mit ihrem stromaufwartigen Ende schwenkbar am stromabseitigen Ende einer zugeordneten Klappe des ersten Klappenkranzes angelenkt und mit ihrem stromabwirtigen Ende gleitend verschiebbar in einer Außenverkleidung geführt sind, und mit einem allen Klappen gemeinsamen Betätigungsantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß