DE3612522A1 - Zweidimensionale Düse, insbesondere mit Strahlumkehr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zweidimensionale Ejektions- oder Austrittsdüse für ein Turbo-Strahltriebwerk, mit einem System schwenkbarer Klappen zur Steuerung der Austrittsöffnung und der Strahlablenkung. Diese Düse weist im übrigen eine Anordnung zur Schubumkehr auf.

Eine bekannte zweidimensionale Düse (FR-PS 24 83 523) weist zur Einstellung bzw. Steuerung der Austrittsöffnung zwei konvergente Klappen, zwei divergente Klappen sowie zwei die Stromlinienverkleidung verlängernde äußere Klappen auf, wobei die Ausrichtung der konvergenten und divergenten Klappen in asymmetrischer Weise eingestellt werden kann, um eine Ablenkung der Strahlachse zu erreich wobei das Ganze durch eine Schubumkehranordnung ergänzt wird, die stromauf dieser Klappen angeordnet ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Düsen dieser Art dahingehend zu verbessern, daß sie insbesondere an moderne Hochleistungs-Motoren angepaßt sind.

Die Verbesserung besteht darin, daß die einzelnen Steue­ rungen zum Einstellen der Querschnitte der Düsen und der Ablenkung der Achse des Strahles in bestimmter Weise durchführbar sind, und ebenso auch für die Umkehr, um die verschiedenen Funktionen voneinander zu trennen.

Die Verbesserung besteht weiter darin, eine Steuerung der divergenten Klappen derart durchzuführen, daß die Verschwenkung dieser Klappen gegenüber den konvergenten Klappen bereits die Ablenkung der Strahlachse sicher­ stellt, was während der Ablenkphase sicherstellt, daß die Querschnitte der Düsen S₁₁/S₁₀ abhängig von einer vorbestimmten Vorgabe für S₁₁/S₁₀ verstellbar ist, damit die Arbeitsweise des Gaserzeugers nicht gestört wird.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird durch die Erfindung die Anordnung unabhängiger Zylinder für das Steuern der Verschwenkung der konvergenten Klappen vorgesehen, während ein zweiter Satz von Zylindern die Winkelausrichtung der divergenten Klappen steuert, die zur Strahlablenkung wirken.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung steuert der zweite Satz der Zylinder die Verschiebung der Anlenkachsen von Hebeln zur Führung der divergenten Klappen und zwar in Schlitzen, die in den an der Düse befestigten seitlichen Wangen oder Führungen vorgesehen sind.

Durch die Erfindung ist eine genaue Kontinuität des Stromes in allen Betriebsphasen erreichbar. Sie eignet sich auch für die Ausbildung des gesamten stromabseitigen Teils oder Endteils der Düse derart, daß er ventilierbar ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 axiale Halbschnitte einer Düse gemäß der Erfindung in drei verschiedenen Betriebszuständen, wobei der Strahl nicht abgelenkt ist,

Fig. 4 und 5 im vollständigen Schnitt die Düse in zwei verschiedenen Stellungen in einer Ablenkphase der Strahlachse,

Fig. 6 vergrößert eine Einzelheit der Verstellvorrichtung der Achse einer der Steuerungshebel der divergenten Klappen zwecks Strahlablenkung, entsprechend dem Schnitt VI-VI in Fig. 1,

Fig. 7 und 8 Ansichten gemäß den Pfeilen F₁ bzw. F₂ in Fig. 6.

Die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung weist sechs verschiedene Klappentypen auf.

• 1. Zwei konvergente Klappen 1, deren stromaufseitiger Teil mit einer Achse 11 einstückig ist, die in einem Lager 12 schwenkbar ist, das an dem festen Teil oder dem Rahmen 7 befestigt ist, und deren stromabseitiger Teil über eine Achse 13 an zugeordneten divergenten Klappen 2 angelenkt ist. Jede konvergente Klappe 1 weist am stromaufseitigen Drittel eine Haube zur Anlenkung über eine Achse 14 eines Hebels 15 auf, der den Austritts­ querschnitt S₁₂ der kalten Klappen 3 hinsichtlich Be­ wegungen der konvergenten Klappen 1 nachführt.
• 2. Zwei divergente Klappen 2, die stromaufseitig über die Achse 13 am stromabseitigen Ende der konvergenten Klappen 1 angelenkt sind. Die Klappen 2 weisen an einer zwischenliegenden Stelle eine Haube 21 auf zur Anlen­ kung über eine Achse 22 eines Hebels 23, der an seinem stromaufseitigen Ende an einer festen Achse 24 ange­ lenkt ist, die auch zur Anlenkung der kalten Klappe 3 dient.
• 3. Zwei kalte Klappen 3 oder Stromlinienklappen, die an der festen Achse 24 angelenkt sind sowie an einer Stelle 31 mit dem Hebel 15 verbunden sind, der von der konvergenten Klappe 1 ausgeht.
• 4. Zwei innere Klappen 4 für die Umkehrung, wobei die Klappen stromabseitig über eine Achse 41 und Hauben 42 an der Konstruktion bzw. dem Rahmen 7 angelenkt sind. Bei direktem Strahl liegt der stromaufseitige Rand dieser Klappen an dem Rand des Kanals über eine Dicht­ verbindung 43 an.
• 5. Zwei äußere Inversionsklappen 5, die stromabseitig über eine Achse 51 und Hauben 52 an der Konstruktion bzw. dem Rahmen 7 angelenkt sind. Deren stromaufseitiger Rand liegt bei direktem Strahl über eine Dichtverbin­ dung 53 fest an der Außenhülle des Rahmens 7 an.
• 6. Zwei Verschlußklappen 6, die über Achsen 61 und Hauben 62 am Rand des Kanals angelenkt sind. Während der Um­ kehrnutzung verschließen diese Klappen den Raum zwischen der externen Hülle und dem Kanal.

Ferner ist festzustellen, daß der nicht axialsymmetrische Teil des Rahmens 7 Perforationen bzw. Öffnungen 71 auf­ weist, damit bei rückgestellten Klappen Sekundärluft zwischen den Klappen 4 und 5 hindurchtreten kann, um den Endteil der Düse zwischen den Stromlinienklappen 3 und den Klappen 1 und 2 zu ventilieren.

Im Folgenden wird der Steuerungsmechanismus der Klappen erläutert.

a) Steuerung der Düse

Die mit den jeweiligen konvergenten Klappen 1 einstückigen Achsen 11 werden durch ein System mit Zylinder V₂ und Hebel 80 (Fig. 8) in Drehung versetzt, wobei das System außerhalb der festen seitlichen Wangen der Düse angeord­ net ist.

Weil jede Klappe 1 stromabseitig a der zugehörigen diver­ genten Klappe 2 angelenkt ist, wird diese bei ihren Ver­ schiebungen mitgenommen. Der Verbindungshebel 23 (Verbin­ dungsstange), der an der festen Achse 24 angelenkt ist, steuert den Querschnitt S₁₁ aufgrund Änderungen des Querschnitts S₁₀. Die konvergente Klappe 1 hat auch eine Verschwenkung der kalten Klappe 3 mittels des Hebels 15 zur Folge, wobei die kalte Klappe 3 stromaufseitig an der Achse 24 angelenkt ist, an der auch der Hebel 23 schwenkbar ist.

b) Steuerung des Umkehrsystems (in den Fig. 2 und 3 durch Strichlinien dargestellt)

Das Umkehrsystem weist wie erwähnt die drei Klappenarten 4, 5 und 6 auf. Die drei Schwenkachsen 41, 51 und 61 sind zwischen den seitlichen Wangen der Düse zentriert und von außerhalb durch eine einzige Steuerung gesteuert, die unabhängig von der für die Klappen der Düse ist.

Diese Steuerung ist durch drei Hebel 44, 54 und 63 ge­ bildet, die jeweils über Achsen 81, 82 bzw. 83 an einem Verbindungsdreieck 8 angelenkt sind, das durch einen Zylinder 9 steuerbar ist.

Der Umkehrdurchtritt kann nur gebildet werden, wenn die konvergenten und divergenten Klappen 1, 2 der Düse in einer solchen Lage sind, daß das Verhältnis der Querschnitte S₁₁/S₁₀ kleiner als 0,78 ist (Fig. 3).

Bei ventilierter Bauart der Düse verschließen die Klappen 6 den Ventilationskanal während der Umkehrnutzung, um zu verhindern, daß Gas über diesen Kanal in Stromauf­ wärtsrichtung zurückströmen kann.

Die Tatsache, daß das Verschließen des Gases in Stromab­ wärtsrichtung bei der Umkehrung durch die konvergenten und divergenten Klappen sichergestellt ist, ermöglicht es, eine Verringerung der Längserstreckung der konvergenten Klappen zu erreichen und damit eine verlängerte Kraftwir­ kung des Gases auf diese Klappen gegenüber solcher Aus­ bildungen, bei denen die Verschließung durch die konver­ genten Klappen alleine sichergestellt worden ist.

Darüberhinaus wird die notwendige kinematische Kette zum Erreichen des vorgegebenen Verlaufs für das Verhältnis der Querschnitte S₁₁/S₁₀ durch ein System von einfachen Hebeln oder Stangen erreicht, die mit den verschiedenen Klappen verbunden sind.

Andererseits stellt der Aufbau des Systems zwischen den Phasen "offene Düse" (S₁₁/S₁₀ =1,3) und "geschlossene Düse" (S₁₁/S₁₀ = 0,78) in Höhe der innenliegenden Inversionsklappen eine genaue Kontinuität des Strömungs­ verlaufes sicher.

Schließlich ermöglicht die Ventilierung des Endteils oder hinten liegenden Teils der Düse eine Verringerung der Längsausdehnung der Klappen unter Beibehaltung optimaler Wirkung.

Im Folgenden wird die Einrichtung erläutert, durch die der Strahl gegenüber der Längs-Symmetrieebene der Düse abgelenkt werden kann, wie das beispielhaft in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, in denen zur Darstellung der Ablenkung ein vollständiger Axialschnitt der Düse wieder­ gegeben ist.

Jede der Achsen 24, die zur Lagefixierung des Fußes des entsprechenden Hebels 23 dient, besitzt keine unveränder­ bar feste Stellung, sondern kann in einem Schlitz 101 der festen Wangen 100 verstellt werden (Fig. 7 und 8) , die seitlich die Düse begrenzen. Die Steuerung der Ver­ schiebung erfolgt mittels eines Zylinders V₁ (Fig. 8) der gleichzeitig die Achse in der gewählten Lage festlegt. Es ist für jede der Achsen 24 ein Zylinder V₁ vorgesehen und die beiden Zylinder V₁ können unabhängig voneinander betätigt werden. Die Stange 103 jedes Zylinders ist an der entsprechenden Achse 24 angelenkt, wobei diese Achse, die den Schlitz 101 durchsetzt, mit einem Hebel 102 einstückig verbunden ist, der an der Achse 11 der konver­ genten Klappe 1 angelenkt ist, wobei der Schlitz 101 ferner die Form eines Kreisbogens besitzt, der zur Achse 11 zentriert ist.

Daraus folgt, daß dann, wenn die beiden Achsen 24 unter Wirkung der beiden steuernden Zylinder V₁ Positionen einnehmen, die gegenüber der Längsebene der Düse symme­ trisch sind, der Strahl selbst gegenüber dieser Ebene symmetrisch ist.

Wenn dagegen die Achsen 24 in asymmetrische Stellungen versetzt sind, wird diese Asymmetrie durch Wirkung des Satzes der Hebel 15 und 23 in eine Asymmetrie der divergenten Klappen 2 und damit eine Asymmetrie des Strahls umgesetzt.

Fig. 4 zeigt den Fall, in dem die Achsen 24 in deren Schlitze 101 die äußerst entgegengesetzten Stellungen einnehmen, während Fig. 5 dem Fall entspricht, in dem eine der Achsen 24 in einer der äußersten Lagen angeordnet ist, während die andere Achse in einer Zwischenstellung angeordnet ist.

Es ist festzustellen, daß in beiden Fällen die Ablenkung einzig durch die divergenten Klappen 2 sichergestellt ist.

Es wurde festgestellt, daß eine Anordnung dieser Art es ermöglicht, eine Abweichung des Strahls von ± 20° bei trockener Motorphase und von ± 15° bei Nachverbrennungs­ phase für eine fiktive Ebene ermöglicht, die durch die Mitte der Querschnitte S₁₀ und S₁₁ hindurchgeht.

Das nicht näher erläuterte Einstellsystem, das auf die Klappen 1 derart einwirkt, daß das optimale Verhältnis der Querschnitte S₁₁/S₁₀ sichergestellt ist, kann so ausgebildet werden, daß dies sowohl bei der Betriebsweise mit trockenem Motor (Fig. 11) als auch bei Betriebsweise mit Nachverbrennung (Fig. 5) sichergestellt ist.

Claims (4)

1. Ejektionsdüse für Turbinen-Strahltriebwerk zweidimensionaler Bauart, mit angelenkten konvergenten und divergenten Klappen, durch die die charakteristischen Querschnitte der Düse veränder­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei von einer Zylinderanordnung (V₂) gesteuerten konvergenten Klappen (1) eine Hebelanordnung (23) zwischen jeder divergenten Klappe (2) und einer vom festen Teil der Düse getragenen Achse (24) die Lage der divergenten Klappen für jede Lage der konver­ genten Klappen bestimmt.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hebelanordnungen (23) an dem festen Teil der Düse anlen­ kenden Achsen (24) in Schlitzen (101) mittels einer Steuerung (V₁) verstellbar sind, die unabhängig von anderen Steuerungen ist, um die Ablenkung des Strahles durch einzig die divergenten Klappen (2) derart sicherzustellen, daß während der Ablenkphase die Halsabschnitte der Düse (S₁₁ und S₁₀) abhängig von einer Vorgabe einstellbar bleiben.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am festen Rahmen der Düse stromauf der konvergenten und divergenten Einstellklappen Klappen (4, 5) zum Sicherstellen der Strahlumkehr be­ festigt sind, wobei die paarweise gekoppelten Klappen zwischen sich einen Raum lassen, der stromauf und stromab mit dem Rahmen der Düse in Verbindung steht, um Luftum­ wälzung zu ermöglichen.

4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß außerhalb der divergenten und konvergenten Klappen (1, 2) angelenkte sogenannte kalte Klappen (3) um Achsen der die divergenten Klappen betätigenden Hebelanordnungen (23) schwenkbar angeordnet sind und im übrigen über ange­ lenkte Hebel (15) mit konvergenten Klappen (1) verbunden sind.