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Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für ein Turbostrahltriebwerk
mit variablem Strahlquerschnitt, die einen äußeren Kranz von Klappen und
einen inneren Kranz von Klappen aufweist, wobei der innere Kranz
von Klappen zwei Gruppen von Klappen umfaßt, die in Verlängerung
zueinander angeordnet und an ihrer Verbindungsstelle gelenkig miteinander
verbunden sind, wobei die stromaufwärtigen Klappen des inneren
Kranzes außerdem
mit ihrem vorderen Ende an dem festen Endbereich des Turbostrahltriebwerks
angelenkt sind und die Klappen des äußeren Kranzes mit ihrem vorderen
Ende an einer Struktur, die radialen Abstand von dem genannten festen Endbereich
hat, angelenkt sind, wobei der äußere Kranz
und jede der genannten Gruppen von Klappen eine Reihe von angetriebenen
Klappen und eine Reihe von Nachlaufklappen umfaßt, wobei die stromaufwärtigen angetriebenen
Klappen mit einem Antriebsring verbunden sind, der unter der Einwirkung
mehrerer Antriebsorgane in axialer Richtung bewegbar ist, die zwischen
dem festen Teil des Turbostrahltriebwerks und dem Antriebsring angeordnet
sind.
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Gewisse mit Turbostrahltriebwerken
ausgestattete Flugzeuge ermöglichen
Flüge im
Unterschallbereich und im Überschallbereich.
Die Turbostrahltriebwerke sind in diesem Fall mit einem Nachverbrennungssystem
und mit einer Schubdüse mit
variablem Strahlquerschnitt ausgestattet. Letztere kann vom achsensymmetrischen
Typ oder von einem anderen Typ sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
achsensymmetrische Schubdüsen
mit variablem Strahlquerschnitt, die eine für Unterschallströmungen geeignete
konvergente-konvergente Konfiguration und eine für Überschallströmungen geeignete
konvergente-divergente Konfiguration annehmen können.
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Der konvergente-divergente Funktionsmodus
optimiert das Leistungsniveau der Düse und ermöglicht einen Gewinn an Schubkraft,
wenn die Nachverbrennungsvorrichtung in Betrieb ist.
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In dem konvergenten-konvergenten
Funktionsmodus ist die Düse
maximal geschlossen, und die Reihe von Klappen bildet zwei aufeinanderfolgende
konvergierende Kegel. Dieser Zustand ist vorteilhaft, wenn das Turbostrahltriebwerk
in einem mittleren Bereich zwischen Leerlauf und trockenem Vollgas
arbeitet. Man verbessert dadurch den Schub oder den spe zifischen
Verbrauch im Vergleich zu einem Turbostrahltriebwerk, das nicht über den
ersten Betriebsmodus verfügt.
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Schließlich reduziert man in einer
Schubdüse
mit variabler Geometrie den geometrischen Querschnitt, der erforderlich
ist, um den Durchgang einer gegebenen Durchflußmenge unter den gegebenen Druck-
und Temperaturbedingungen des durch die Düse wandernden Gasflusses zu
ermöglichen.
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FR-A-2 698 409 beschreibt eine Schubdüse mit variablem
Strahlquerschnitt des oben beschriebenen Typs, bei der die angetriebenen
Klappen und der äußere Kranz
mit dem Antriebsring über Schwingarme
mit der Struktur der Verkleidung verbunden sind, wobei letztere
in axialer Richtung bewegbar ist, um alle Konfigurationen der Düse zu ermöglichen.
Es gibt also zwei getrennte Steuerungen und zwei Regelungsschleifen.
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FR-A-1 225 736 und FR-A-1 588 791
betreffen ebenfalls Düsen
mit drei Gruppen von Klappen und zwei getrennten Steuerungen.
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Das Vorhandensein von zwei getrennten Steuerungen
bringt eine komplexe Realisierung und eine Vergrößerung der Masse mit sich.
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Durch FR-A-2 715 192 ist eine Düse bekannt,
bei der der Antriebsring über
Steuerhebel mit den angetriebenen Klappen verbunden ist und die Klappen
des äußeren Kranzes
an einer relativ zu dem festen Teil des Turbostrahltriebwerks festen Struktur
angelenkt sind, wobei die Verschiebung der stromaufwärtigen Klappen
durch eine Nocken-Stößel-Übertragung
erfolgt.
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EP-A-0 091 786 beschreibt einen Düsenmechanismus
mit einem ringförmigen
Element, an dem eine erste Reihe von primären Klappen, die Steuerhebel
einer zweiten Reihe von primären
Klappen und eine dritte Reihe von äußeren Klappen angelenkt sind.
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FR-A-2 724 977 beschreibt eine Schubdüse, bei
der die mit den Antriebszylindern und den Klappen verbundenen Antriebshebel
an der festen Struktur angelenkt sind.
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Es ist das Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Schubdüse
mit variablem Strahlquerschnitt vorzuschlagen, bei der die drei
Gruppen von Klappen von einer einzigen Steuerung betätigt werden,
was eine Verbesserung bezüglich
der Masse und der Kosten ermöglicht.
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Die Erfindung erreicht dieses Ziel
dadurch, daß der
Antriebsring mit den stromaufwärtigen,
angetriebenen Klappen durch verschiebbare Hebel verbunden ist, die
mit einem ihrer Enden an den Antriebsorganen angelenkt sind, und
daß die
angetriebenen Klappen des äußeren Kranzes über Schwingarme mit
den Steuerhebeln verbunden sind.
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Durch diese Anordnung wird das aus
den drei Gruppen von Klappen bestehende Aggregat ausschließlich durch
axiale Verschiebung des Antriebsrings angetrieben. Der Antriebsring
gewährleistet
die Synchronisierung der Antriebsorgane. Er wird außerdem durch
die stromabwärtigen
Klappen des inneren Kranzes selbsttätig zentriert.
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Schließlich werden durch die Verwendung der
verschiebbaren Hebel die Kräfte
in dem Mechanismus verringert, so daß Antriebsorgane mit kleineren
Abmessungen benutzt werden können,
die z. B. aus hydraulischen Zylindern bestehen, die von einer kleineren
Speisepumpe gespeist werden.
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Der Antriebsring hat vorzugsweise
eine polygonale Form, und die Gelenke der Steuerhebel an dem Antriebsring
stützen
sich auf den Eckpunkten des Antriebsrings ab.
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Diese polygonale Form vermeidet Biegeverformungen
des Rings.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung,
die lediglich als Beispiel dient und auf die anliegenden Zeichnungen
Bezug nimmt.
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1 zeigt
eine achsensymmetrische Schubdüse
mit veränderlichem
Strahlquerschnitt gemäß der Erfindung
in voll geöffneter
Stellung in einer schematischen Halbansicht, die als Schnitt in
einer durch die Rotationsachse der Turbomaschine verlaufenden Ebene
ausgeführt
ist,
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2 zeigt
die Schubdüse
von 1 in einer konvergenten-divergenten
Zwischenposition,
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3 zeigt
die gleiche Schubdüse
in der konvergenten-konvergenten Position,
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4 zeigt
eine Kurve, in der der Austrittsquerschnitt der Düse als Funktion
des Austrittsquerschnitts der stromaufwärtigen Klappen dargestellt
ist,
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5 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Teils des Antriebsrings gemäß der Erfindung,
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines verschiebbaren Hebels.
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Die Erfindung betrifft eine achsensymmetrische
Düse 1 mit
veränderlichem
Strahlquerschnitt, die in dem Endbereich 3 eines Turbostrahltriebwerks angeordnet
ist, wobei die Achse der Düse
mit 2 bezeichnet ist.
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Die Düse 1 besitzt drei
Gruppen von Klappen, die jeweils aus einer Mehrzahl von angetriebenen
Klappen und einer Mehrzahl von Nachlaufklappen bestehen, die zwischen
die angetriebenen Klappen eingefügt
sind und zwei koaxiale Kränze
von Klappen bilden.
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Der innere Kranz ist im Anschluß an die Schubdüse 4 der
Turbine oder der Nachverbrennungskammer angeordnet und umfaßt zwei
Gruppen von in gegenseitiger Verlängerung angeordneten Klappen,
wobei diese Gruppen von Klappen im folgenden als Gruppe der stromaufwärtigen Klappen bzw.
als Gruppe der stromabwärtigen
Klappen bezeichnet werden.
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Der äußere Kranz von Klappen umgibt
den inneren Kranz und ist in Verlängerung einer Verkleidung 5 angeordnet,
die die Schubdüse 4 umschließt.
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Die Klappen 6 des äußeren Kranzes
sind mit ihrem vorderen Ende in Gelenkachsen 7 gelagert,
die relativ zur Schubdüse 4 fest
sind.
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Die stromaufwärtigen Klappen 8 des
inneren Kranzes sind mit ihrem vorderen Ende in Gelenkachsen 9 gelagert,
die in dem Endbereich der Schubdüse 4 angeordnet
sind, während
die stromabwärtigen Klappen 10 mit
ihrem vorderen Ende mit Hilfe von Gelenkachsen 11 an den
hinteren Enden der stromaufwärtigen
Klappen 8 gelagert sind.
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Erfindungsgemäß wird die Geometrie der drei
Gruppen von Klappen 6, 8, 10 durch die
axiale Position eines Antriebsrings 12 bestimmt, dessen Achse 2 in
dem ringförmigen
Zwischenraum 13 liegt, der die Gruppe der stromaufwärtigen Klappen 8 und den äußeren Kranz
von Klappen 6 voneinander trennt, wobei der Antriebsring 12 unter
der Wirkung mehrerer Antriebszylinder 14 in axialer Richtung
bewegbar ist, die sich in 15 an dem Endbereich des Turbostrahltriebwerks
abstützen.
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Wie aus 1, 2 und 3 klar hervorgeht, sind die
Stangen 15 der Antriebszylinder 14 in 16 an
dem äußeren Ende
von verschiebbaren Hebeln 17 angelenkt, die die angetriebenen
stromaufwärtigen
Klappen 8 mit dem Antriebsring 12 verbinden. Die
Bezugszeichen 18 und 19 repräsentieren die Gelenkachsen
der verschiebbaren Hebel 17 an dem Antriebsring 12 bzw.
an den angetriebenen stromaufwärtigen
Klappen 8.
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Jede angetriebene stromabwärtige Klappe 10 ist über einen
Steuerungshebel 20, der drei parallele und nicht koplanare
Gelenkachsen 21, 22, 23 besitzt, mit
dem Antriebsring 12 verbunden.
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Das Bezugszeichen 21 repräsentiert
die Gelenkachse eines Steuerungshebels 20 an dem Antriebsring 12,
und das Bezugszeichen 22 repräsentiert die Gelenkachse desselben
Steuerungshebels 20 an der angetriebenen stromabwärtigen Klappe 10.
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Wenigstens ein Schwingarm 24 verbindet den
Steuerungshebel 20 mit einer angetriebenen Klappe 6 des äußeren Kranzes.
Dieser Schwingarm 24 ist in 23 an dem Steuerungshebel 20 und
in 25 an der angetriebenen Klappe 6 des äußeren Kranzes angelenkt.
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Die Zahl der angetriebenen Klappen
und der Nachlaufklappen ist in den drei Gruppen von Klappen 6, 8, 10 jeweils
gleich, und die Zahl der Antriebszylinder 14 ist gleich
der Zahl der angetriebenen Klappen in jeder Gruppe. Außerdem wirkt
jeder Antriebszylinder 14 auf einen einzigen verschiebbaren
Hebel 17, der eine einzige angetriebene, stromaufwärtige Klappe 8 mit
dem Antriebsring 12 verbindet.
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Durch die oben definierte Kinematik ändert sich
die Geometrie der drei Gruppen von Klappen 6, 8, 10 und
der Querschnitt der Düse
in Abhängigkeit von
der Position des Antriebsrings 12, d. h. in Abhängigkeit
von dem Hub der Antriebszylinder 14. Der Antriebsring 12 gewährleistet
die Synchronisierung der Antriebszylinder 14.
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1 zeigt
die konvergente-divergente Position des inneren Kranzes, wenn die
Stangen 15 der Antriebszylinder 14 maximal eingezogen
sind. Diese Position entspricht dem voll geöffneten Überschallbetrieb, wenn die
Nachverbrennungskammer im Vollgasbetrieb arbeitet.
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2 zeigt
eine konvergente-divergente Zwischenposition des inneren Kranzes,
wobei der Austrittsquerschnitt S1 der stromaufwärtigen Klappen dann minimal
ist.
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3 zeigt
die konvergente-konvergente Konfiguration des inneren Kranzes, der
als "voll geschlossen" bezeichnet wird
und dem maximalen Auszug der Stangen 15 der Antriebszylinder 14 entspricht
und im Leerlaufbetrieb benutzt wird. In dieser Konfiguration ist
der Austrittsquerschnitt S2 der stromabwärtigen Klappen am kleinsten.
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Die Positionierung der verschiedenen
Gelenkachsen der Hebel und Schwingarme definiert das Gesetz, das
die Abhängigkeit
der Querschnitte S1 und S2 von dem Hub der Antriebszylinder 14 beschreibt. 4 zeigt eine Kurve, in der
der Querschnitt S2 als Funktion des Querschnitts S1 dargestellt
ist. Die Punkte A, C und D entsprechen jeweils den in 1 bis 3 dargestellten Konfigurationen. Der Punkt
B entspricht einer konvergenten-divergenten Zwischenposition.
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Für
die Klappen 6 des äußeren Kranzes,
die als "kalte Klappen" bezeichnet werden
werden zwei Extremwerte des Ausschlagwinkels vorgegeben, um den
mit der externen Strömung
und der Sockelspeisung verbundenen Anforderungen zu entsprechen, um
ihren aerodynamischen Luftwiderstand zu reduzieren.
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Beim Übergang von der in 1 dargestellten Position
der voll geöffneten
Schubdüse
zu einer stärker
geschlossenen Zwischenposition in der in 2 dargestellten konvergenten-divergenten
Position laufen die Bewegungen der Kinematik in der folgenden Form
ab.
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Die Antriebszylinder 14 gehen
von der Position "Stange
eingezogen" in eine
Position "Stange ausgefahren" über. Diese Aktion bewirkt die
Verschiebung des Antriebsrings 14 zur stromabwärtigen Seite
hin und die gleichzeitige Drehung der verschiebbaren Hebel 17 und
der Steuerungshebel 23 im Uhrzeigersinn. Dies hat zur Folge,
daß die
stromaufwärtigen
Klappen 8 in Richtung auf ihre Schließstellung und die stromabwärtigen Klappen 10 in
Richtung auf einen kleineren Austrittsquerschnitt bewegt werden.
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Wenn die Ausfahrbewegung der Antriebszylinder
fortschreitet, nimmt der innere Kranz die in 3 dargestellte konvergente-konvergente
Konfiguration ein.
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Der Antriebsring 12 ermöglicht die
Bewegung und die Synchronisierung des aus den drei Gruppen von Klappen
bestehenden Aggregats. Diese Möglichkeit
erlaubt es außerdem,
auf ein System zur Synchronisierung der Antriebszylinder 14,
z. B. mit flexiblen Wellen, zu verzichten.
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Andererseits wird der Antriebsring 12 durch seine
Verbindung mit den angetriebenen stromabwärtigen Klappen 8 relativ
zu den Klappen 6, 8, 10 selbsttätig zentriert,
wobei verhindert wird, daß auf diese
Klappen Torsionskräften
einwirken.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Teils des Antriebsrings 12.
Dieser Ring 12 hat die Form eines Polygons, dessen Seitenzahl
gleich der Zahl der Klappen jeder Klappengruppe ist, und umfaßt zwei
polygonale Strukturen 30 und 31, die axial versetzt
sind und deren Eckpunkte durch axiale Stege 32 verbunden
sind, die die Kräfte
aufnehmen sollen, die von den verschiebbaren Hebeln 17 und
den Steuerungshebeln 20 übertragen werden. Zu diesem Zweck
besitzen zwei aufeinanderfolgende Stege 32a, 32b,
die der gleichen gesteuerten, stromaufwärtigen Klappe 8 gegenüberliegen,
in ihrer mittleren Zone fluchtende Öffnungen 33a, 33b,
die die Gelenkachse 18 eines verschiebbaren Hebels 17 bestimmen,
und auf der Rückseite
der Struktur 30 zwei Ösen 34a, 34b,
die fluchtende Öffnungen 35a, 35b aufweisen,
die die Gelenkachse 21 eines Steuerungshebels 20 bestimmen.
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Durch diese polygonale Struktur des
Antriebsrings 12 werden die Seiten der Strukturen 30 und 31 ausschließlich Zug-
oder Druckkräften
ausgesetzt und erfahren keine Biegekraft.
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6 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines verschiebbaren Hebels 17.
Dieser Hebel 17 besitzt einen Lagerzapfen 40,
der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stegen 32a, 32b des
Antriebsrings 12, mit den Öffnungen 33a und 33b fluchtend,
montierbar ist. Zwei erste Arme 41a, 41b, die
mit dem Lagerzapfen 40 fest verbunden sind, weisen an ihren Enden
Gabelbügel 42a, 42b zur
Befestigung an Vorsprüngen
der entsprechenden gesteuerten, stromaufwärtigen Klappe auf, die die
Gelenkachse 19 bestimmen. Zwei zweite Arme 43a, 43b,
die mit dem Lagerzapfen 40 fest verbunden sind, weisen
an ihren Enden gelochte Osen 44a, 44b auf, die
die Gelenkachse 16 des Kopfes einer Antriebszylinderstange 15 bestimmen.
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Dank dieser Anordnung sind die von
den Antriebszylindern 14 auf die zweiten Arme 43a, 43b ausgeübten Kräfte kleiner
als die Kräfte,
die aufgebracht werden müßten, wenn
die Kolben direkt an dem Antriebsring 12 angelenkt wären. Andererseits ist
der Antriebsring ausschließlich
radialen Kräften ausgesetzt.
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Man kann die Schubdüse also
mit kleineren Antriebszylindern 14 und einer kleineren
Speisepumpe betätigen.
Die Struktur der Schubdüse
ist leichter, und die Gelenke sind kleiner.