DE1121413B - Schubduese fuer Strahltriebwerke - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

H33817Ia/46g

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

16. JULI 1958

4. JANUAR 1962

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für Strahltriebwerke mit einem stromaufwärts gelegenen festen, im wesentlichen konvergenten Düsenteil, einem stromabwärts gelegenen, axial unbeweglichen divergenten Düsenteil und einer zwischen diesen beiden Teilen liegenden Verengung, deren Querschnitt durch eine Reihe von längs des Umfanges angeordneten Klappen veränderlich ist.

Bekanntlich muß die Querschnittsfläche der Schubdüsen von Strahltriebwerken von Flugzeugen oder Flugkörpern in Abhängigkeit von den Flugbedingungen veränderbar sein. Die Querschnittsverengung erfolgt häufig mittels einer Reihe von längs des Umfanges der Düse angeordneten Blechsegmenten oder Klappen, die an einem feststehenden Düsenteil so angelenkt sind, daß sie durch ein Gestänge oder andere mechanische Mittel in den Gasstrom eingeschwenkt werden können. Da bei Schubdüsen mit großem Querschnitt oder bei Düsen mit einem langen Ausstoßrohr, d. h. Düsen mit langen Klappen, erhebliche Kräfte zur Verstellung der Klappen erforderlich werden, ist es bekannt, den stromaufwärts gelegenen und den stromabwärts gelegenen Düsenteil fest und unveränderlich auszubilden und zwischen diesen Teilen verhältnismäßig kleine Klappen od. dgl. anzuordnen.

Die Kühlung solcher Düsenanordnungen bringt gewisse Schwierigkeiten mit sich. Es ist zwar bekannt, Kühlgas in einen den Betätigungsmechanismus enthaltenden Raum einzuspeisen und es nach Durchströmen dieses Raumes nach rückwärts ausströmen zu lassen. Es ist ferner bekannt, aus dem Bereich hinter den Klappen Kühlluft in das stromabwärts gelegene, feste Düsenteil einzublasen, solange sich die Klappen nicht im völlig geöffneten Zustand befinden. Es ist außerdem vorgeschlagen worden, den stromabwärts gelegenen divergenten Düsenteil in Achsrichtung verschiebbar auszubilden und von dem Bereich hinter den zur Veränderung des Querschnitts dienenden Klappen einen Luftstrom einzublasen, solange die Klappen nicht ganz geöffnet sind. Hierdurch sollen instabile Strömungszustände vermieden werden, solange die Klappen noch nicht ganz geöffnet sind.

Man hat auch bereits vom Vorderende der Klappen her Kühlluft in den Strömungskanal eingeblasen, um die Klappen selbst und den weiter stromabwärts gelegenen Düsenteil zu kühlen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich eine Kühlgasschicht nur über eine begrenzte Strecke ungestört längs der Düsenwand halten kann. Im allgemeinen wird die Kühlgasschicht schon nach einer verhältnismäßig kurzen Strecke von der Wand abgelöst und dadurch unwirksam. Eine ausreichende Kühlung des Schubdüse für Strahltriebwerke

Anmelder:

The de Havilland Engine Co., Ltd., Leavesden, Hertfordshire (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 17. Juli 1957 (Nr. 22 693)

John Wallace Hall, Southend-on-Sea, Essex

(Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

divergenten Düsenteils kann nicht durch Kühlluft gewährleistet werden, die am vorderen Ende der beweglichen Klappen eingeblasen wird.

Es ist auch verhältnismäßig aufwändig, zur Vermeidung von instabilen Strömungszuständen in Zwischenstellungen der Klappen das stromabwärts von den Klappen gelegene, divergente Düsenteil in Achsrichtung zu verschieben. Auch bei ganz geöffneten Klappen muß außerdem das divergente Düsenteil gekühlt werden. Wenn die Klappen im mittleren Teil einer Düse angeordnet sind, besteht die Gefahr, daß in der geschlossenen Stellung der Klappen der Gasstrahl stromabwärts von diesen verwirbelt wird und Luft, die außen über die Verkleidung der Düse strömt, über den Rand der Ausstoßöffnung in die Düse einströmt und eine zusätzliche Störung des Gasstrahles bewirkt.

Diese Nachteile sollen durch die Erfindung vermieden werden. Eine Schubdüse für Strahltriebwerke mit einem stromaufwärts gelegenen, festen, im wesentlichen konvergenten Düsenteil, einem stromabwärts gelegenen, axial unbeweglichen divergenten Düsenteil, mit einer zwischen diesen beiden Teilen liegenden Verengung, deren Querschnitt durch eine Reihe von längs des Umfanges angeordneten Klappen veränderlich ist, mit einem Betätigungsmechanismus zum Verstellen der Klappen zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung und mit einem den konvergenten Düsenteil umgebenden Kühlkanal ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftführung so ausgebildet ist, daß bei allen Stellungen der Klappen von ihrer Rückseite her un-

109 758/163

unterbrochen ein Kühlgasstrom in den stromabwärts gelegenen, divergenten Düsenteil geliefert wird.

Bei der vorliegenden Anordnung wird also dauernd ein einstellbarer Gasstrom von der Rückseite der Klappen in den stromabwärts gelegenen, divergenten Düsenteil geliefert, der gleichzeitig zur Kühlung der Rückseite der Klappen dient, wenn diese geöffnet sind. Zur weiteren Lenkung des Gasstromes an der Ausstoßöffnung ist der feste, stromabwärts gelegene, rohrförmige Düsenteil vorzugsweise mit einer Auslaßöffnung am stromabwärts gelegenen Ende versehen.

Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden; dabei bedeutet

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Strahltriebwerkes mit einer Schubdüse gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil einer Schubdüse veränderlicher Querschnittsfläche, wie sie für das Turbinentriebwerk nach Fig. 1 Verwendung finden kann, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Schubdüse.

In Fig. 1 ist die Erfindung am Beispiel eines Turbinentriebwerkes dargestellt, das aus einer Turbine 1, Brennkammern 2, einem Verdichter 3, einem festen, konvergenten Düsenteil 4, einem festen, divergenten Düsenteil 5 und einer Reihe von längs des Umfanges angeordneten, einstellbaren Klappen oder Düsensegmenten 6 besteht, die am stromabwärts gelegenen Ende des festen, konvergenten Düsenteils 4 angelenkt sind. Ferner ist ein Nachbrenner? angedeutet, die Klappen 6 werden in die offene Stellung gebracht, d. h. in die Stellung, bei der die Querschnittsfläche der Düse ihren Maximalwert erreicht, wenn der Nachbrenner im Betrieb ist, sie werden in die in Fig. 1 dargestellte geschlossene Stellung gebracht, wenn sich der Nachbrenner? außer Betrieb befindet. Je nach den Betriebsbedingungen des Triebwerkes sind auch Zwischenstellungen der Klappen möglich, die allgemeine Richtung des Gasstromes durch das Triebwerk ist durch Pfeile angedeutet.

Die in Fig. 2 dargestellte Schubdüse enthält einen festen, konvergenten Düsenteil 4, der im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes besitzt, ferner eine Reihe von längs des Umfanges beanstandeten, einstellbaren Klappen 6, die sich stromabwärts davon befinden und einen sich nach rückwärts erstreckenden, festen, divergenten Teil 5, der stromabwärts von den Klappen liegt und zu einer Ausstoßöffnung 8 führt, durch die die heißen Gase austreten. Der Betätigungsmechanismus für die Klappen ist im ganzen mit 9 bezeichnet, die äußere Verkleidung des Triebwerkes mit 10.

Die einstellbaren Klappen 6 sind längs des Umfanges eines verengten Teils 11 der Düse angeordnet, die Schwenkachsen liegen am stromabwärts gelegenen Ende des konvergenten Düsenteils und sind so angeordnet, daß die Klappen im wesentlichen parallel zum divergenten Teil 5 der Düse liegen, wenn sie sich in ihrer offenen Stellung befinden und die Querschnittsfläche der Verengung 11 ihren Maximalwert besitzt. Wenn sich die Klappen in ihrer vollständig geschlossenen Stellung befinden, wie es bei 12 in gestrichelten Linien angedeutet ist, so ist die Querschnittsfläche der Verengung 11 wesentlich verkleinert und liegt etwas weiter stromabwärts. Die Düse wirkt daher wie eine vollständig konvergente Düsenanordnung, und die natürliche Ausbreitung des ausströmenden Gases ist derart, daß die Wände des feststehenden, divergenten Düsenteils 5 nicht berührt werden. Um größere Verluste durch die um die Verkleidung 10 in den Bereich 13 zwischen der Wand des festen, divergenten Düsenteils und den den Antrieb bewirkenden Gasstrahl einströmende Luft zu vermeiden, wird eine gesteuerte Luftströmung, die durch die Pfeile 14 angedeutet ist, von der Hinterseite der Klappen 6 eingelassen, um diesen Bereich auszufüllen. Hierfür ist eine ringförmige Hilfsgasleitung 15 vorgesehen, deren Außenwand 16 die Innenwand einer Kammer 17 bildet, in welcher der Betätigungsmechanismus 9 untergebracht ist, die allgemeine Strömungsrichtung des Hilfsgases ist durch Pfeile 15 a angedeutet. Die stromaufwärts gelegenen Enden 18 der Klappen sind gebogen und wirken mit einem Abdichtteil 19 zusammen und bilden eine gasdichte Verbindung, die gewährleistet, daß der die Mitte der Düse durchströmende Gasstrom wirklich an der Rückseite der Klappen austritt. Die Klappen sind bei 20 an Lagern 21 angelenkt, die im Kühlgaskanal 15 liegen.

Wenn sich die Klappen 6 in einer Zwischenstellung befinden, beispielsweise parallel zur Längsachse der Düse, wie bei 22 angedeutet ist, also beispielsweise bei gedrosseltem Nachbrenner, berührt der Schubgasstrahl die Wand des feststehenden, divergenten Düsenteils 5 gleichfalls nicht, das Problem der Umströmung der Düsenöffnung ist dabei jedoch nicht so akut. Das aus dem Kanal 13 austretende Hilfsgas dient nun zusätzlich zur Kühlung der hinteren Flächen der Klappen 6, die Temperatur in der Düse ist beim Betrieb des Nachbrenners nämlich wesentlich höher.

Wenn sich die Klappen in ihrer äußersten, divergenten Stellung befinden, d. h. bei vollem Betrieb des Nachbrenners, wie bei 23 gestrichelt eingezeichnet ist, liegen die Klappen an einem gewellten Abstandshalterstreifen 24 an, der an der Wand des festen, divergenten Düsenteils 5 befestigt ist, so daß zwischen den hinteren Seiten der Klappen 6 und der Wand des Düsenteils 5 eine öffnung gebildet wird, durch die das Hilfsgas aus dem Kanal 15 austreten kann. Das Hilfsgas dient nun ausschließlich zur Kühlung der Düsenwand und der Rückseite der Klappen. Der Schubgasstrahl berührt unter diesen Umständen die Wand des festen, divergenten Düsenteils, so daß längs des ganzen Teils eine gesteuerte Expansion eintreten kann. Dieser Teil der Düse kann dabei natürlich so lang wie nötig gemacht werden, um eine wirksame Expansion in der gewünschten Weise zu gewährleisten; wenn dieser Teil sehr lang ist, kann es wünschenswert sein, zusätzlich Kühlluft zuzuführen, um eine Überhitzung der Wand zu verhindern.

Das Hilfsgas wird zweckmäßigerweise einer Hilfsgasquelle des Flugzeuges entnommen, so kann z. B. ein zusätzlicher Lufteinlaß zur Erzeugung von Stauluft vorgesehen sein, der mit 25 in Fig. 1 angedeutet ist, es kann auch Luft zwischen der Lufteintrittsöffnung des Flugzeuges und der Ansaugöffhung des Triebwerkes abgezweigt werden. Im letzteren Fall sollte jedoch vorzugsweise der Gasstrom beim Einlaß gedrosselt werden, um zu vermeiden, daß das Triebwerk bei nicht in Betrieb befindlichem Nachbrenner zu wenig Ansaugluft zur Verfügung hat.

Weiteres Kühlgas wird in die Kammer 17, die den Betätigungsmechanismus 9 aufnimmt, eingeleitet. Dieses Kühlgas, dessen Fluß durch die gestrichelten

Pfeile angedeutet ist, läßt man aus dieser Kammer durch eine ringförmige Austrittsöffnung 26 austreten. die zwischen dem stromabwärts gelegenen Ende des festen, divergenten Düsenteiles 5 und der Verkleidung 10 vorgesehen ist. Das ausströmende Gas trägt gleichfalls dazu bei. ein Einströmen der am Gehäuse vorbeistreichenden Luft in die Düse zu verhindern, wenn der Nachbrenner außer Betrieb ist.

Die festen, konvergenten Teile 4 der Schubdüse sind mit einer Wärmeabschirmung 27 bekannter Art versehen, um die Düsenwand zu schützen, der dadurch gebildete Kanal 28 wird mit Gas vom Auslaß der Turbine gespeist, die allgemeine Strömungsrichtung ist mit den gestrichelten Pfeilen 29 angedeutet. Die Außenwand 16 des Hilfsgaskanals 15 ist mit einer Wärmeschutzschicht 30 versehen, um den Wärmeübergang auf die Kammer 17 weiter einzudämmen. Bei in Betrieb befindlichem Nachbrenner ist also die Kammer 17 von dem heißen Gasstrahl der Düse durch eine Hitzesperre isoliert, die aus den zwei Kühlgaskanälen 15 und 28, der Wärmeschutzschicht 30 und dem in die Kammer eingeleiteten und durch die ringförmige Auslaßöffnung 26 abfließenden Kühlgasstrom besteht.

Der ringförmige, feste, divergente Düsenteil 5 kann als Verlängerung der Klappen 6 angesehen werden, wenn das Triebwerk mit Nachverbrennung arbeitet, da jedoch die Länge der Klappen reduziert ist, ist auch die gesamte Belastung durch den Gasdruck ebenfalls verringert und damit die Beanspruchung des Betätigungsmechanismus, der daher klein im Vergleich zu einem Mechanismus ausgeführt werden kann, der Klappen betätigen muß, die sich über die gesamte Länge des divergenten Düsenteiles 5 erstrecken.

In dem in Fig. 3 dargestellten anderen Ausführungsbeispiel sind für vergleichbare Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Die Klappen sind jedoch nicht am konvergenten Düsenteil 4 angelenkt, sondern werden durch Elemente 31, die in Rollen 32 gelagert sind, eingestellt. Durch diese Anordnung wird ermöglicht, daß der gesamte Betätigungsmechanismus entfernt von der in der Düse bestehenden Hitze angeordnet werden kann. Zwischen dem stromaufwärts gelegenen Ende der Klappen und dem festen, konvergenten Teil 4 ist eine Abdichtung 33 vorgesehen, die gewährleistet, daß das Hilfsgas entlang der Hinterseite der Klappen in den Bereich 13 der Düse ausströmt.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schubdüse für Strahltriebwerke mit einem stromaufwärts gelegenen festen, im wesentlichen konvergenten Düsenteil, einem stromabwärts gelegenen, axial unbeweglichen divergenten Düsenteil, mit einer zwischen diesen beiden Teilen liegenden Verengung, deren Querschnitt durch eine Reihe von längs des Umfanges angeordneten Klappen veränderlich ist, mit einem Betätigungsmechanismus zum Verstellen der Klappen zwisehen einer offenen und einer geschlossenen Stellung und mit einem den konvergenten Düsenteil umgebenden Kühlkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftführung so ausgebildet ist, daß bei allen Stellungen der Klappen von ihrer Rückseite her ununterbrochen ein Kühlgasstrom in den stromabwärts gelegenen, divergenten Düsenteil geliefert wird.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen in an sich bekannter Weise zwischen einer konvergenten und einer divergenten Stellung verstellbar sind.

3. Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Düsenteil am stromabwärts gelegenen Ende mit einer Auslaßöffnung (26) versehen ist.

4. Schubdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einen den Betätigungsmechanismus enthaltenden Raum Kühlgas eingespeist wird, das dann durch die Auslaßöffnung (26) entweicht, nachdem es diesen den Betätigungsmechanismus enthaltenden Raum durchströmt hat.

5. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Klappen unabhängig gelagert sind und ausschließlich durch ein Steuerelement einstellbar sind, das unverrückbar an der betreffenden Klappe befestigt ist und an deren Außenseite liegt, wobei die Steuerelemente durch den Betätigungsmechanismus geführt werden, der außerhalb des durch die Düse strömenden Gasstromes liegt.

6. Schubdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente der einzelnen Klappen aus starren Trägern (31) bestehen, die sich von den Klappen annähernd parallel zu der Längsachse der Schubdüse nach auswärts erstrecken und mit Führungsflächen versehen sind, die mit einer oder mehreren an dem festen Düsenteil befestigten Führungen zusammenwirken und von diesen getragen werden (Fig. 3).

7. Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen an zwei gegenüberliegenden Rändern der Träger (31) vorgesehen sind.

8. Schubdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Führungsflächen zusammenwirkenden Führungen in an sich bekannter Weise aus Rollen bestehen.

9. Schubdüse nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einzelnen Träger durch einen Schlitz in der Wand der Schubdüse in deren Innenraum erstrecken, der mit Mitteln versehen ist, die eine gute Abdichtung der Träger gewährleisten.

10. Schubdüse nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente im wesentlichen die Form von Teilen von Kreisringen besitzen, wobei der Krümmungsradius der Innen- und Außenfläche annähernd gleichförmig ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 315 081; französische Patentschrift Nr. 1122 800; britische Patentschriften Nr. 768 014, 757 218, 591;

USA.-Patentschriften Nr. 2 780 056, 2 778 190, 746 243.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 055 886.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 758/163 12.