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Diese
Erfindung betrifft eine achsensymmetrische und allseitig drehbare
Schubdüse
für Turbotriebwerke,
die hinter einer Schubleitung mit der Achse X einen äußeren Kranz
von Mantelstrom-Klappen und einen inneren Kranz von Primärstrom-Klappen aufweist,
wobei der innere Kranz von Primärstrom-Klappen
zwei Gruppen von Klappen aufweist, die in Verlängerung zueinander angebracht
sind und an ihrer Verbindung angelenkt sind, wobei die Klappen der
Gruppe der vorderen Klappen konvergente Klappen sind und die Klappen
der Gruppe der hinteren Klappen divergente Klappen sind, wobei dieser äußere Kranz
von Klappen und jede der genannten Gruppen von Klappen eine Reihe
gesteuerter Klappen und eine Reihe dazwischen angeordneter Folgeklappen
aufweisen.
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Die
schwenkbaren Schubdüsen
verleihen Kampfflugzeugen eine zusätzliche Wendigkeit und verbesserte
Manövrierbarkeit
bei Nickbewegungen und Kehrtwendungen.
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Im
Allgemeinen ist die schwenkbare Schubdüse am Ende der Schubleitung
mittels eines Kugelgelenks angebracht, dessen äußeres Element mit Hilfe erster
Steuermittel um eine an der Schubleitung befestigte Kugel schwenken
kann, und die konvergenten Klappen, die auf dem äußeren Element sitzen, werden
einheitlich durch zweite, an dem äußeren Element des Kugelgelenks
verankerte Steuermittel betätigt,
um den Gas-Ausstoßquerschnitt
zu regulieren.
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In
der Schrift
US 4 984 741 wird
eine solche Düse
beschrieben, bei der die konvergenten Klappen einen gebogenen Längsschnitt
aufweisen und in Führungen
des äußeren Elements
gleiten. Wenn die divergenten Klappen an den konvergenten Klappen angelenkt
sind, wie in
11 dargestellt, ist ferner ein
Steuerring
61 vorgesehen, der durch Zylinder
62 betätigt wird,
die an dem äußeren Element
des Kugelgelenks verankert sind und durch Stangen
61 mit den
divergenten Klappen verbunden sind. Die Mantelstrom-Klappen werden über Schwingarme
von den divergenten Klappen bewegt.
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US-A-5
351 888 zeigt ferner eine vektorielle Schubdüse für Turbotriebwerke mit äußeren Mantelstrom-Klappen
und inneren Primärstrom-Klappen, die
eine Gruppe von konvergenten Klappen und eine Gruppe von divergenten
Klappen aufweist. Die Schubleitung ist mit einer kugelförmigen Wand
versehen und die Kinematik umfasst drei Gruppe von unabhängigen Klappen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik hat diese Erfindung die Aufgabe, eine
achsensymmetrische und allseitig drehbare Schubdüse vorzuschlagen, bei der eine
einzige Steuerung die Funktion des Drehens der Düse und die Funktion des Einstellens
des Querschnitts der Düse
in Abhängigkeit von
den Flugbedingungen erfüllt,
wodurch die Konstruktion vereinfacht und die Masse verringert werden
kann.
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Erfindungsgemäß ist die
Düse dadurch
gekennzeichnet, dass:
- – das hintere Ende der Schubleitung
eine kugelförmige
Wand mit der Achse X aufweist, an der die vorderen Enden der konvergenten
Klappen in Anlage kommen,
- – sich
ein Steuerring um die kugelförmige
Wand herum erstreckt, der durch Steuermittel parallel zur Achse
X verschoben wird und vermittels dieser Steuermittel zur Achse X
schwenkt,
- – die
Mantelstrom-Klappen an dem Steuerring angelenkt sind,
- – das
hintere Ende jeder konvergenten, gesteuerten Klappe mit dem hinteren
Ende eines Steuerhebels verbunden ist, der auf dem Steuerring angelenkt
ist und dessen vorderes Ende an der Außenfläche der kugelförmigen Wand
anliegt, und
- – die
vorderen Enden der Steuerhebel mit dem Steuerring durch eine Synchronisationsvorrichtung
verbunden sind, die eine Selbstzentrierung des Steuerrings und der
beiden Klappenkränze gegenüber der
kugelförmigen
Wand gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
weist die Synchronisationsvorrichtung für jedes Paar von aneinandergrenzenden
Steuerhebeln ein Teil auf, das auf dem Steuerring dergestalt angelenkt
ist, dass es um eine senkrecht zur Achse des Rings verlaufende Achse schwenken
kann, sowie zwei Schwingarme, die jeweils an dem genannten Teil
einerseits und an dem vorderen Ende eines Steuerhebels dieses Paars
von Hebeln andererseits angelenkt sind.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gleiten die vorderen Enden der konvergenten Klappen über zwei
Rollen im Inneren der kugelförmigen
Wand.
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Das
hintere Ende jedes Steuerhebels ist an dem hinteren Ende der entsprechenden
konvergenten, gesteuerten Klappe angelenkt. Das vordere Ende jedes
Steuerhebels rollt vermittels einer Rolle oder eines Kugelgleitschuhs
auf der Außenfläche der kugelförmigen Wand.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist das vordere Ende jedes Steuerhebels an dem vorderen
Ende der entsprechenden konvergenten, gesteuerten Klappe angelenkt.
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Das
hintere Ende jedes Steuerhebels ist an dem hinteren Ende der entsprechenden
konvergenten, gesteuerten Klappe angelenkt. Das vordere Ende der
konvergenten Klappe rollt vermittels zweier Rollen oder Kugelgleitschuhe
auf der Außenfläche der
kugelförmigen
Wand.
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Gemäß einer
Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist jeder Steuerhebel durch Zwei Schwingarme ersetzt,
die auf dem Steuerring angelenkt sind.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung ist das vordere Ende jedes Steuerhebels an dem vorderen
Ende der entsprechenden konvergenten, gesteuerten Klappe angelenkt.
Das vordere Ende der konvergenten Klappe rollt vermittels zweier Rollen
oder Kugelgleitschuhe auf der Außenfläche der kugelförmigen Wand.
Das hintere Ende jedes Steuerhebels ist mit der entsprechenden konvergenten,
gesteuerten Klappe durch einen ersten Schwingarm, der an einem Hebel
angelenkt ist, verbunden, wobei Letzterer an der genannten Klappe
angelenkt ist und ferner durch einen zweiten Schwingarm mit einem
zweiten Ring verbunden ist, der sich hinter dem Steuerring befindet
und mit Letzterem durch Zugstangen fest verbunden ist, wobei dieser
zweite Ring dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Druckkräfte aufzunehmen,
die von den Schubgasen auf den inneren Klappen-Kranz ausgeübt werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, die als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, wobei
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1 einen
Schnitt in der vertikalen Ebene durch die Achse des Turbotriebwerks
des hinteren Teils des Körpers
eines TL-Triebwerks mit achsensymmetrischer, allseitig drehbarer
Schubdüse
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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2 die
Düse von 1 in
einer perspektivischen Darstellung teilweise in Einzelteile aufgelöst zeigt,
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3 den
Lüftungskreislauf
der Düse
von 1 zeigt,
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4 in
einer Seitenansicht das vordere Ende eines mit einem Kugelgleitschuh
ausgestatteten Steuerhebels zeigt,
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5 den
Kugelgleitschuh von 4 in einer radialen Ansicht
zeigt,
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6 und 7 analog
zu den 4 und 5 eine Variante des Kugelgleitschuhs
zeigen,
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8 bis 11 die
Düse von 1 in
nicht ausgerichteter, geschlossener Stellung bzw. in nicht ausgerichteter,
geöffneter
Stellung bzw. in nach unten ausgerichteter und geschlossener Stellung
bzw. in nach oben ausgerichteter und geöffneter Stellung zeigen,
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12 mit 2 vergleichbar
ist und die Düse
von 1 in perspektivischer Darstellung in ausgerichteter
und geöffneter
Stellung zeigt,
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13 eine
Halbansicht im Schnitt in einer vertikalen Ebene durch die Achse
des Turbotriebwerks einer achsensymmetrischen, allseitig drehbaren
Schubdüse
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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14 die
Konfiguration der Steuerzylinder des Steuerrings in der Evolute
zeigt,
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15 einen
Zylinder mit zwei Kammern zeigt, der es ermöglicht, die Funktionen des
Düsenquerschitts
und der Ausrichtung der Düse
zu trennen, und
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16 einen
Schnitt in einer vertikalen Ebene durch die Achse des Turbotriebwerks
einer achsensymmetrischen, allseitig drehbaren Schubdüse gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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In
den 1, 13 und 16 ist
der hintere Teil des Körpers
eines Luftfahrt-Turbotriebwerks dargestellt, der hinter der Turbine
eine Gas-Schubleitung 1 aufweist, die sich um die Achse
X dreht und in einem Außengehäuse 2 angeordnet
ist. Die Schubleitung 1 und das Gehäuse 2 begrenzen zwischen sich
einen Ringkanal 3 ab, in dem eine Kühlungsluft für die Schubleitung 1 zirkuliert.
Die Schubleitung 1 kann die äußere Wand einer Nachverbrennungskammer
sein.
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Die
Schubleitung 1 ist an ihrem hinteren Ende mit einem Abschnitt
der kugelförmigen
Wand 5 versehen, der in dem rohrförmigen Kanal 3 angeordnet
ist. Dieser Abschnitt der kugelförmigen
Wand mit dem Mittelpunkt 0 wird hier im Fortgang ebenfalls
kugelförmige
Wand oder Kugel genannt.
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Die
vorderen Enden 6 der konvergenten, gesteuerten Klappen 7 kommen
in Anlage an der glatten Oberfläche
der Kugel 5. An den hinteren Enden 8 der konvergenten,
gesteuerten Klappen 7 sind die vorderen Enden 9 der
divergenten, gesteuerten Klappen 10 angelenkt.
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Zwischen
den konvergenten, gesteuerten Klappen 7 und den divergenten,
gesteuerten Klappen 10 sind auf an sich bekannte Weise
divergente Folgeklappen und konvergente Folgeklappen angeordnet.
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Die
konvergenten Klappen 7 und die divergenten Klappen 10 bilden
so zwei Gruppen von Klappen, die zueinander in Verlängerung
angeordnet sind und an ihrer Verbindungsstelle angelenkt sind, welche
einen inneren Kranz von Primärstrom-Klappen einer
konvergenten/divergenten Düse
bildet.
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Diese
konvergente/divergente Düse
ist von einem Kranz von Mantelstrom-Klappen 11 umgeben, der
von abwechselnd angeordneten gesteuerten Mantelstrom-Klappen und
Folgeklappen gebildet wird. Die gesteuerten Mantelstrom-Klappen 11 sind hinten
an den divergenten gesteuerten Klappen 10 und vorn an einem
Steuerring 12 angelenkt, welcher die Kugel 5 umgibt.
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Die
Verbindungsstelle zwischen den divergenten Klappen 10 und
den Mantelstrom-Klappen 11 bildet den Austrittsbereich
A9 der Düse,
während
die Verbindungsstelle zwischen den konvergenten Klappen 7 und
den divergenten Klappen 10 den Bereich A8 der Düse oder
den Düsenhals
bildet.
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Der äußere Teil
der Mantelstrom-Klappen 11 sorgt für die Kontinuität des Flugzeugprofils
hinter der Verkleidung, die das Gehäuse 2 überdeckt.
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Die
Anzahl konvergenter gesteuerter Klappen 7 ist gleich der
Anzahl divergenter gesteuerter Klappen 10 und der Anzahl
gesteuerter Mantelstrom-Klappen 11.
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Die
konvergenten gesteuerten Klappen 7 werden von dem Steuerring 12 gehalten,
und zwar jeweils mittels eines Steuerhebels 13, der am
Punkt 14 an dem Steuerring 12 angelenkt ist und
dessen vorderes Ende 15 sich in Gleitanlage auf der Außenfläche 16 der
Kugel 5 befindet.
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Bei
den in den 1 und 13 gezeigten Ausführungsformen
ist das hintere Ende 17 jedes Steuerhebels 13 an
einem Gabelgelenk 18 angelenkt, das fest mit dem hinteren
Ende 8 der konvergenten gesteuerten Klappe 7 verbunden
ist.
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Ferner
sind die vorderen Enden 15 der Steuerhebel 13 mit
dem Steuerring 12 durch eine Synchronisationsvorrichtung
verbunden, welche eine Selbstzentrierung des Steuerrings 12 und
der Klappenkränze
gegenüber
der Kugel 5 gewährleistet.
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Wie
in den 2 und 12 zu sehen ist, weist die Synchronisationsvorrichtung
für jedes
Paar von aneinandergrenzenden Steuerhebeln 13 ein Teil 20 auf,
das auf dem Steuerring 12 dergestalt angelenkt ist, dass
es um eine tangentiale, senkrecht zur Achse Y des Rings 12 verlaufende
Achse schwenken kann, sowie zwei Schwingarme 21a, 21b,
die jeweils an dem Teil 20 einerseits und an dem vorderen
Ende 15 eines der Steuerhebel 13 andererseits
angelenkt sind.
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Der
Steuerring 12 wird durch eine Gruppe von drei Zylindern 30 betätigt, die
an dem festen Aufbau des hinteren Teils des Triebwerkkörpers verankert
sind und in dem Ringkanal 3 gleichmäßig um die Achse X der Schubleitung 1 herum
verteilt angeordnet sind. Eine gleiche Verschiebung der drei Zylinder bewirkt
eine Vorschubbewegung des Steuerrings 12, wodurch eine
Steuerung der Bereiche A8 und A9 der konvergenten/divergenten Düse gewährleistet
ist. Eine unterschiedliche Verschiebung der Zylinder 30 bewirkt
hingegen ein Schwenken des Steuerrings 12 um den Mittelpunkt 0 der
Kugel 5. Die Achse Y des Steuerrings 12 schneidet
die Achse X der Kugel 5 und kann einen Winkel α mit der
Achse X bilden, der einen Wert von nahezu 20° erreichen kann. Durch die oben
beschriebene Synchronisationsvorrichtung sind die Bereiche A8 und
A9 bei jeder beliebigen geforderten Ausrichtung absolut kreisförmig, daher
ist das Verhalten der Klappen 7, 10 und 11 identisch
mit dem einer nicht vektoriellen, achsensymmetrischen Schubdüse. Dadurch,
dass bei einer Vektorisierung allein keine relative Verschiebung
zwischen den gesteuerten Klappen stattfindet, wird eine perfekte Reichweite
der Folgeklappen ermöglicht
und eine gute Dichtigkeit der Düse
gewährleistet.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform,
die in den 1 bis 12 gezeigt
wird, sind die vorderen Enden 6 der konvergenten Klappen 7 mit
zwei Rollen 40 ausgestattet, die auf der Innenfläche der
Kugel 5 rollen, während
die vorderen Enden 15 der Steuerhebel 13 mit Rollen 41 ausgestattet
sind, die auf der Außenfläche 16 der
Kugel 5 rollen. Eine zweite Kugel 42, die einen
Wärmeschutzschild
bildet, ist im Inneren der Kugel 5 angeordnet.
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Wie
in 3 gezeigt wird, weist die Kugel 5 Öffnungen 43 zur
Luftentnahme auf, um den Zwischenraum, der die beiden Kugeln 5 und 42 voneinander
trennt, zu belüften.
Mit einem Teil dieser entnommenen Luft kann das Innere der konvergenten Klappen 7 und
divergenten Klappen 10 gelüftet werden. Mit einer Bürstendichtung 45 wird
zwischen der Kugel 5 und den konvergenten Klappen 7 Dichtigkeit hergestellt.
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Die
Druckkräfte,
die durch die Schubgase auf die Innenfläche der konvergenten Klappen 7 und divergenten
Klappen 10 ausgeübt
werden, haben die Tendenz, die konvergenten Klappen 7 nach
außen um
die Achse der Rollen 40 schwenken zu lassen. Die Resultierende
dieser Drücke übt auf die
hinteren Enden 17 der Steuerhebel 13 eine nach
außen
gerichtete Kraft aus. Um diese Kraft zu kompensieren, übt die Kugel 5 auf
die Rollen 41 am vorderen Ende 15 der Steuerhebel 13 eine
nach außen
gerichtete Kraft aus.
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Um
den Kontaktdruck auf den Rollen 41 besser zu verteilen
und ein besseres Gleiten der vorderen Ende 15 der Steuerhebel 13 auf
der kugelförmigen
Wand 5 zu gewährleisten,
können
die Rollen 41 durch Kugelgleitschuhe 44 ersetzt
werden, wie in den 4 bis 7 gezeigt.
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Es
ist zu bemerken, dass die auf die konvergenten Klappen 7 ausgeübten Druckkräfte über die Steuerhebel 13 in
den Steuerring 12 und auf die Rollen 41 oder die
Kugelgleitschuhe 44 übergehen.
Da die Resultierende der auf den Steuerring 12 wirkenden
Kräfte
in den Punkten 14 radial ist und die Kräfte auf die Rollen 41 oder
die Kugelgleitschuhe 44 von der Kugel 5 aufgenommen
werden, nimmt der Steuerring 12 nur begrenzte Kräfte beim
Gelenk der Mantelstrom-Klappen 11 auf. Der den Steuerzylindern 30 abverlangte
Schub ist daher ziemlich gering.
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Die 8 bis 11 zeigen
verschiedene Stellungen der Düse
gemäß der oben
beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Ausgehend
von der nicht ausgerichteten und geschlossenen Stellung der Düse in 8,
bei der die drei Zylinder 30 in gleicher Weise ausgezogen sind,
kann durch ein identisches Einfahren der drei Zylinder 30 in
die nicht ausgerichtete und geöffnete Stellung übergegangen
werden, die in 9 gezeigt wird. Umgekehrt kann
durch ein identisches Ausfahren der drei Zylinder 30 von
der nicht ausgerichteten und geöffneten
Stellung von 9 in die nicht ausgerichtete
und geschlossene Stellung von 8 übergegangen
werden. Während
dieser Bewegungen des identischen Ausfahrens und Einfahrens der
Zylinder 30 gleiten die Folgeklappen in bekannter Weise
relativ zu den gesteuerten Klappen.
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Dagegen
wird durch eine unterschiedliche Verschiebung der Zylinder 30 ein
Kippen der Ebene des Steuerrings 12 um den Mittelpunkt 0 der
Kugel und dadurch ein Schwenken der gesamten Klappen der Düse gewährleistet.
Auf diese Weise kann von der nicht ausgerichteten, geöffneten
oder geschlossenen Stellung in eine ausgerichtete, geöffnete oder geschlossene
Stellung übergegangen
werden, die in den 10 und 11 gezeigt
werden, ohne die Stellung der Folgeklappen gegenüber den gesteuerten Klappen
zu verändern.
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Sobald
die Düse
ausgerichtet ist, kann der Bereich des Düsenhalses A8 verändert werden,
indem die drei Zylinder 30 auf gleiche Weise betätigt werden.
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In 13 wird
eine zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Düse gezeigt.
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Diese
zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform
im Wesentlichen dadurch, dass die vorderen Enden 6 der
konvergenten gesteuerten Klappen 7 vermittels zwei Rollen 40 auf
der Außenfläche 16 der
Kugel 5 rollen. Das vordere Ende 15 eines Steuerhebels 13 ist
an dem vorderen Ende 6 der entsprechenden konvergenten
gesteuerten Klappe angelenkt.
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Die
Schwingarme 21a und 21b der Synchronisationsvorrichtung
sind ebenfalls an den vorderen Enden 6 der konvergenten
gesteuerten Klappen 7 angelenkt. Die Bürstendichtungen 45 sind
hier unter den konvergenten Klappen 7 angeordnet.
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Die
Belüftungsluft
zirkuliert unter der Kugel 5, um den Hohlraum zwischen
der Kugel 5 und der inneren Kugel 42 zu reinigen
und um nach Durchdringen der in der Kugel 5 ausgeführten Löcher 50 das Innere
der konvergenten Klappen 7 und divergenten Klappen 10 zu
belüften.
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Die
Rollen 40 können
ebenfalls durch Kugelgleitschuhe 44 wie die in den 4 bis 7 gezeigten
ersetzt werden.
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Die
Arbeitsweise der Düse
in der zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist identisch mit der Arbeitsweise der Düse in der
ersten Ausfühungsform.
Es ist zu bemerken, dass die Steuerhebel 13 durch zwei
an dem Steuerring 12 und an den vorderen bzw. hinteren
Enden der konvergenten gesteuerten Klappen 7 angelenkte
Schwingarme ersetzt werden können.
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In 16 wird
eine dritte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, die sich von der zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet,
dass Mittel vorgesehen sind, um die von den Rollen 40 auf
die Außenfläche 16 der
Kugel 5 ausgeübten
Kräfte
zu verringern, wobei diese Mittel mindestens einen Teil der von
den Schubgasen auf die konvergenten Klappen 7 ausgeübten Kräfte aufnehmen.
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Dazu
ist hinter dem Steuerring 12 ein zweiter Ring 60 vorgesehen.
Dieser zweite Ring 60 wird durch Zugstangen 61 fest
mit dem Steuerring verbunden. Ein L-förmiger Hebel 62 ist
mit einem seiner Enden an dem hinteren Teil jeder der konvergenten
gesteuerten Klappen 7 angelenkt. Dieser Hebel 62 ist mittels
eines ersten Schwingarms 63 an seinem mittleren Bereich
mit dem zweiten Ring 60 verbunden und ist mittels eines
zweiten Schwingarms 64 an seinem zweiten Ende mit dem hinteren
Ende 17 des entsprechenden Steuerhebels 13 verbunden.
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Die
auf die konvergenten Klappen 7 ausgeübten Druckkräfte werden über den
Hebel 62 auf die Schwingarme 63 und 64 übertragen.
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14 zeigt
eine besondere Konfiguration von Steuerzylindern des Rings 12.
Jeder Zylinder 30 ist durch ein im Dreieck angeordnetes
Zylinderpaar ersetzt. Bei jedem Paar unterscheidet man einen Hauptzylinder 30a und
einen Hilfszylinder 30b. Es ist zu bemerken, dass die Hauptzylinder 30a paargemäß abwechselnd
angeordnet sind, um zu verhindern, dass sich die Düse selbst
um die Achse Y dreht.
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15 zeigt
einen Zylinder 30 mit zwei getrennten Kammern, der es ermöglicht,
die Funktion des Steuerns der Bereiche A8 und A9 und die Funktion
der Ausrichtung der Düse
zu trennen.