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Ringförmige konvergent-divergente Schubdüse im
Die vorliegende
Erfindung betrifft eine ringförmige, konvergent-divergente Schubdüse für ein Strahltriebwerk,
C insbesondere L- zur Verwendung in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen, die einen verbesserten
Mechanismus für den übergang vom Unterschall- in den überschallflug hat, wobei der
aerodynamische Widerstand auf ein Minimum verringert und die Schubleistung auf ein
Maximum gesteigert wird.
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Verbesserte Triebwerke für Überschallflugzeuge mit hoher Machzahl
gewinnen mehr und mehr an Interesse. Solche Triebwerke wurden kürzlich zum Gegenstand
intensiver Untersuchungen, bei denen man bestrebt war, Vorrichtungen zu schaffen,
durch die die Triebwerksleistung bei unterschiedlichen Flugbedingungen optimiert
werden kann.
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Diese Untersuchun-en umfaßten auch Konstrulktionen für Schubdüsen
von Strahltriebwerken. Hierbei wurde deutlich, daß für Unterschallflug eine Schubdüse
für Strahltriebwerke mit konvergenter Form geeignet ist, und daß für überschallflug
eine Düse mit einem konvergenten Abschnitt, dem ein diveraenter Abschnitt folgt,
geeigneter ist. Außerdem ist es wünschenswert, Änderungen des engsten Querschnittes
der Ebene der Schallgeschwindigkeit oder des konvergenten Abschnittes einer solchen
Düse, wie auch der Düsenaustrittsfläche zu ermöglichen, um eine hohe Leistung für
einen g ,roßen Betriebsbereich beizubehalten. Ein Mittel zur Änderung des engsten
Düsenquerschnittes besteht aus einer Anzahl beweglicher Teile oder Klappen, die
konzentrisch um die Düsenachse schwenkbar angebracht sind. Ein Problem, das bei
Verwendung einer Vielzahl von Klappen, die konzentrisch um die Düsenachse angebracht
sind, auftritt, besteht darin, daß der Außendurchmesser der Düse innerhalb der Konstruktionsgrenzen
gehalten werden muß. Das ist für die Verminderung des aerodynamischen Widerstandes,
der durch das Vorragen der beweglichen Düsenteile und der Stützstruktur in dem Strömungsverlauf
um die Düse verursacht wird, notwendig. Ein Mittel zur Vereinfachuno, der &esamten
Düsenstruktur besteht in der Verwendun- der soaenannten »Nadeldüsen«, bei denen
ein allgemein konisch verlaufender Mittelkörper oder eine »Nadel« zentral zu den
veränderlichen Außenklappen gestützt wird. Die konische Nadel oder der Kegel bildet
einen divergenten Expansionsquerschnitt in der Düse und kann zur Änderung des engsten
Querschnittes auch im Durchmesser veränderlich sein.
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Beim Unterschallbetrieb oder schallnahen Betrieb solcher Düsen besteht
daher der Wunsch, die »Basisfläche« auf ein Minimum zu reduzieren, wobei die Basisfläche
als die kreisringförmige Fläche des hintersten Teils des Außenabschnittes der Düse
am Ende des engsten Querschnittes oder in der Ebene der Schallgeschwindigkeit der
Düse deffi-liert ist. Die Basisfläche selbst war bisher groß, weil auf Grund der
Tatsache, daß der Mechanismus zur Veränderung der konvergenten Abschnitte oder Abschnitte
engsten Querschnittes, die in der Basisfläche eingeschlossen sind, relativ aufwendig
waren. Eine weitere Forderung besteht in einem möglichst kleinen Heckwinkel,
d. h. dem Winkel, den der äußere konvertaente Abschnitt der Düse mit der
Triebwerkachse in der Unterschallposition bildet. Andererseits muß beim Betrieb
mit überschall oder mit hohem Druckverhältnis die Austrittsfläche für optimale Leistungso
groß wie möglich sein. Das Druckverhältnis wird als das Verhältnis des Drucks vor
dem engsten Querschnitt oder von der Ebene der Schallgeschwindigkeit in der Düse
zum Außendruck definiert. Außerdem sollte im Idealfall ein kleiner oder gar kein
Heckwinkel in den Außenabschnitten der Düse vorhanden sein, d. h., die Düse
sollte etwa die Oberfläche eines geraden Kreiszylinders haben und beim Flug mit
überschallgeschwindigkeiten ohne Basisfläche, sein. Es besteht auch dauernd die
Forderung nach geringstem Gewicht und einer Verminderung der Kompliziertheit der
Einrichtung für Änderungen des engsten Düsenquerschnittes und des Austrittsquerschnittes.
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Das Ziel der Erfindung besteht in der Herstellung einer verbesserten,
zuverlässigen Vorrichtung geringen
Gewichts zur Umwandlung einer
Düse mit einem kleinen Heckwinkel und geringem Basiswiderstand im Unterschall- und
schallnahen Betriebsbereich in eine ringförmige, konvergent-divergente Düse mit
optimaler aerodynamischer Leistung im überschallbetriebsbereich.
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Die Erfindung betrifft eine ringförmige, konvergent-divergente Schubdüse
für Strahltriebwerke mit einer äußeren durchgehend zylindrischen Stützkonstruktion,
die austrittsseitig in einem konvergenten Lippenabschnitt endet, mit einer durchgehenden
konischen Düsennadel, die zentrisch zu diesem Lippenabschnitt angebracht ist und
einen Bereich maximalen Durchmessers turbinenseitig von einem keo, örmia Abschnitt
besitzt, wobei der Bereich ,elf en maximalen Durchmessers mit dem Lippenabschnitt
so zusammenwirkt, daß sie zwischen sich den ensten Querschnitt der Düse bilden und
im Bereich maximalen Durchmessers eine Vielzahl von Klappenteilen mit Außen- und
Innenflächen konzentrisch um die Düsennadel schwenk-bar am austrittsseitigen Ende
eines im wesentlichen zylindrischen Mantels befestigt ist, der relativ zu der Stützkonstruktion
axial bewegbar ist, und der in seiner eingezogenen Stelluna, eine konvergente Düse
für Unterschallbetrieb und in seiner ausgefahrenen Stellung eine konverg t-divergente
Düse für überschallbetrieb bildet. gen Die Erfindun- besteht darin, daß die Außenflächen
der Klappenteile mit dem Lippenabschnitt einen relativ kleinen Heckwinkel in den
einerezogeneu Unterschall- und schallnahen Düsenbetriebsstellunaen des Mantels bilden
und mit dem Mantel die Oberfläche eines -eraden Kreiszylinders in der auscefahrenen
überschalldüsenbetriebsstelluin- des Mantels bilden.
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Der Bereich maximalen Durchmessers der Düsennadel kann durch zwei
Sätze untereinander verbundener, schwenkbar angebrachter Bauteile, verändert werden.
D#ie Klappenteile sind zwischen ihren Enden am austrittsseiti-en Ende des bewegbaren
Mantels schwenkbar angebracht; sich in Längsrichtung erstreckende Führungsbahnen
sind für die Stützkonstruktionen und wirken mit Gleitstücken zusammen, die an den
turbinenseitigen Enden der Klappenteile befestigt sind, während die austrittsseitigen
Enden der Führungsbahnen leicht radial nach innen gebogen sind. Die gebogene Führungsbahn
der Stützkonstruktion verursacht, daß sich die turbinenseitigen Enden der Klappenteile
radial nach innen drehen, während sich der Mantel herausschiebt, um die Beaufschlagung
der äußeren tubinenseitigen Enden der Klappenteile durch Kühlluft, die durch den
Mantel gepumpt wird, zuzulassen.
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Für den Mantel sind ebenfalls Führun-Sbahnen vorgesehen. Jede Bahn
wirkt jeweils mit einem Gleitstück zusammen, das fest an einem Ring, der an der
Stützkonstruktion sitzt, angebracht ist, wobei die Gleitstücke, eine einfache Verschiebestätzfläche
für das Mantelbauteil darstellen.
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In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Teilquerschnitt entlang
der Mittellinie einer Düse eines Strahltriebwerks gemäß einer Ausführun-sfonn der
Erfindung, bei der die Düse im Unterschallbetrieb verwendet wird; F i
g. 2 ist eine Ansicht der Duse nach F i g. 1
beim überschallbetrieb;
F i g. 3 ist eine schematische Ansicht einer verbesserten Betätigungs- und
Befestigungsvorrichtung für die Düsenklappenteile der Ausführung in F i
g. 1
und 2, und F i g. 4 ist eine Ansicht nach der Linie 4-4 in Fig.
3.
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In F i g. 1 ist eine Form einer verstellbaren Nadeldüse für
die Ausström-ase eines nicht dargestellten Strahltriebwerks gezeigt. Selbstverständlich
kann die Erfindung auch mit anderen Schubdüsen verwendet werden, bei denen eine
Veränderung des engsten Querschnittes und der Austrittsfläche erforderlich sind.
In der Zeichnung erkennt man eine ausgebuchtete, ringförmige durchgehend konische
Düsennadel 10. Diese Düsennadel umfaßt einen turbinenseitig en divergierenden
Abschnitt 12 und einen austrittsseitigen kegelförinigen Abschnitt 14. Die Düsennadel
10
hat einen Bereich 16 mit maximalem Durchmesser, dessen Größe durch
mehrere drehbar gelagerte Teile verändert werden kann, von denen zwei mit
17 und 18 bezeichnet sind. Wie in F i g. 1 durch die ununterbrochenen
Linien dargestellt, d. h., in der zurückgezogenen Stellung sind die Teile
17 und 18
drehbar bei 19 und 20 an ihren turbinenseitigen und
austrittsseitigen Enden an den Wänden 12 und 14 der Düsennadel befestig gt. Die
Bewegung der Teile 17 und 18 um die Punkte 19 und 20 zur Änderung
des Durchmessers der Düsennadel wird durch ein Verbindungsglied 22 ausgeführt, das
drehbar in 24 niit dem turbinenseitiaen Ende der Klappe 18 verbunden ist,
und diese ist wiederum mit dem austrittsseitigen Ende der Klappe 17 in
26 verbunden; das andere Ende des Verbindungsgliedes 22 ist an einem Verbindunasrina
27 in 24a befestigt, der wiederum an einer Re-elstan-e 28 in 28a befestiat
ist. Das andere Ende der Stan-e 28 ist mit einer Be-C tätic,unc,svorrichtun-
30 verbunden. Die Betäti ungs-C C C 9
vorrichtung 30 bewegt
den Ring '227, der --.viederum durch ein Gleitstück 32 -eführt wird, das
auf einer Bahn 34 angeordnet ist. Der äußere Abschnitt der dargestellten Düse umfaßt
einen Innenwandteil oder Gehäuse 40 und ein äußeres zylindrisches Stützteil 42.
Das Außenteil oder der Stützzylinder 42 enthält einen Flanschabschnitt 46, der an
einem konischen Teil 48 angebracht ist, und dieses bildet gleichzeitig eine Stütze
für einen Stator oder ein Rahmenteil 50.
Stromunterhalb des Stators befindet
sich eine Turbine 52 herkömmlicher Art. Als Stütze der Düsennadel
10 dient eine Strebe 54, die sich in einem Winkel quer zum ringförmig= Strömungskanal
56 für die heißen Abgase erstreckt. Der Strömungskanal 56
wird durch
die Wände 40 und 12 gebildet und durch die stark gezeichneten Pfeile in der Zeichnung
angedeutet.
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Um nun auf ein erstes Merkmal der Erfindung zu kommen, so ist einer
einer Vielzahl verschwenkbarer Klappenteile 60 dargestellt, die, wie nachfolgend
beschrieben wird, so zu bedienen ist, daß sie die Änderung der Düse von einer Unterschall-
und schallnahen Betriebsstellung mit kleinem Heckwinkel in eine überschallbetriebsart
bewirkt. Wie zuvor erwähnt, ist es sehr wünschenswert, leichte und möglichst einfache,
d. h. zuverlässige Mittel zur Änderuno, der Düsenbetriebsbedin-Ungen zu schaffen.
Daher erhalten die Klappenteile in den Zeichnungen in ihrer Mitte einen Lagerpunkt
62, der an die Klappeninnenfläche 63 anggrenzt, durch den die Klappen
an einem äußeren, ringförmigen Mantelteil, das allgemein mit 64 bezeichnet ist,
über einem Bügel 66
befestigt sind. Der Bügel 66 wird durch den Ring
70
gehalten, der das austrittsseitige Ende des ringförmigen
Mantelteils bildet. Die Außenfläche der Klappe 60 umfaßt einen austrittsseitigen
Abschnitt 74a, einen abgesetzten Abschnitt 74 b und einen turbinenseiti-en
schmaleren Abschnitt 74e, der Endring 70
des Mantels ist in der in F i
g. 1 dargestellten Unterschallstelluna dazu vorgesehen, in den abgesetzten
Abschnitt 74b der Außenfläche der Klappe einzu-C Greifen, wobei der Winkel
der Außenfläche 72 des Ringes dem des Abschnittes 74a der Klappenaußenfläche entspricht.
Auf der Turbinenseite des Ringes 70 beginnt das austrittsseitige Ende
75 des Triebwerksgehäuses oder Flugzeugrumpfes. Daher bildet die Außenfläche
bei Unterschall- oder schallnahen Flugbedingungen g C einen kleinen Heckwinkel mit
dem austrittsseitigen Ende 80 der Stützkonstruktion 42. Man beachte, daß
der Rin 'g 81 und das am weitesten austrittsseitig gelegene Ende des Stützteils
42, das sich über das austrittsseitige Ende 84 der Klappe 60 hinaus erstreckt,
eine kleine »Basisfläche« bildet, während der Abschnitt 80 eine solche Winkelstellunc,
einnimmt, daß er eine Verlängerung des Heckwinkels bildet, der durch die Außenfläche
74a der Klappe gebildet wird.
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Die zylindrische Stützkonstruktion 42 sieht ebenfalls Mittel zur Bewegung
der Klappenteile 60 axial zur Düse vor, d. h. zwischen einer ausgefahrenen
überschallstellung und einer eingezogenen Unterschallstellung. Daher ist ein Schlitz
oder eine Führungsbahn 85 vorgesehen, auf der ein Paar Gleitstücke
86 laufen, die an einem Ende eines abgewink-elten Bügels 87 angebracht
sind, der drehbar im Punkt 88 an dem turbinenseitiaen Ende 90 des
Ab-
schnittes 74c mit verringertem Querschnitt der Klappe 60 befestigt
ist. Daher können die Gleitstücke 86, wie in F i g. 2 dargestellt,
in der das Mantelteil 64 austrittsseitie, verschoben ist, entlano, des Nockens
85 Gleiten, bis sie sich in einem austrittsseitigen gebogenen Abschnitt
91 der Führungsbahn befinden. Da der Bügel 87 drehbar im Punkt
88
an dem turbinenseitigen Ende der Klappe 60 befestigt ist, die wiederum
im Punkt 62 mit dem Bügel 66 drehbar verbunden. ist, wird die Klappe
außen um den Punkt 62 gedreht, bis der abgesetzte Abschnitt 74b der
Klappe 60 an den Ring 70 stößt, wo die Oberfläche 74a eine Verlängerung
der Außenfläche des Mantels 64 bildet. Es ist gezeigt, daß die austrittsseitige
Lippe oder Kante 84 der Klappe 60 in einer Spitze endet, die die »Basisfläche«
der Düse in der überschaltarbeitsweise vermindert oder beseitigt. Die Klappen werden
in nach außen angelegter Stellung gehalten, und zwar teilweise durch die Druckbeaufschlagung
durch einen Kühlluftstrom, wie er durch die schraffierten Pfeile in F i
g. 2 dargestellt ist, der radial von innen gegen die Innenfläche der Klappen
drückt, und außerdem durch die Ausdehnun- in dem divergenten Abschnitt der Düse,
in der die sich ausdehnende Luft nach außen drückt, und auf die Innenfläche
63 der Klappe Druck aufbringt, und teilweise durch die Drehsperrung des Bügels
87.
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Es ist zu erkennen, daß die Düsenklappe und die Stützkonstruktion
dieser Erfindung die minimale Basisfläche liefern, die für maximale aerodynamische
Leistung und minimalen Widersatnd erforderlich ist, und außerdem einen optimalen
Heckwinkel liefern, der ebenfalls erforderlich ist, um die aerodynamische Leistuna
auf ein Maximum zu bringen. Außerdem liefert die beschriebene Einzelklappen- und
Betätigungsvorrichtung auch eine minimale Austrittsfläche in den Unterschall- und
schallnahen Stellungen, was erforderlich ist, da die nötige Düsenexpansionsfläche
bei dieser Arbeitsweise klein ist und sich ein zunehmender Widerstand ergibt, falls
diese nicht dem Druckverhältnis entspricht. Bei höheren Druckverhältnissen,
d. h. bei größeren Geschwindigkeiten, ist jedoch eine maximale Austrittsfläche
erforderlich, um die Expansionsbedingungen in dem divergenten Abschnitt zu erfüllen
und außerdem, um den Luftwiderstand zu vermindern. Die bewegliche Klappenkonstruktion
der Erfinduna liefert außerdem optimale Expansion der Strömung in der überschaII-stellung'
und zwar durch Kombination der Innendüsenfläche mit der Expansionsfläche der Düsennadel
zu einem optimalen Expansionswinkel auf minimalem Raum am Ende der Düse.
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F i 1-. 3 und 4 stellen Mittel dar, mit denen der Mantel 64
der Düse, die in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, axial durch eine vereinfachte
Betätigungs- und Befestigungsvorrichtung verschoben werden kann. Sie dient gleichzeitig
dazu, größere Starrheit der Düse bei minimalem Gewicht zu gewährleisten. Das Betätigungssystem
umfaßt vier synchronisierte Verstellvorrichtungen 92 a, 92 b,
92 c und 92 d. Die Verstellvorrichtungen sind fest am Triebwerk oder
am Rumpf angebracht. Die Verstellvorrichtungen sind betätigbar mit dem Mantel 64
durch Stangen 93 a bis 93 d verbunden. An der Innenfläche des Mantels
sind Bahnen 94 angebracht, die mit Mitnehmern oder Gleitstücken 95 zusammenwirken,
die fest an einem Umfangsring 96 angebracht sind, der wiederum an der Stützkonstruktion
42 befestigt ist. Das dargestellte System sichert eine genaue Ausrichtung bei der
Verschiebuna des Mantels und ermöglicht eine relative Radialbewegung zwischen Mantel
und Rino, 96 auf Grund der verschiedenen Wärmeausdehnungen. Diese Anordnung
verstärkt auch den Mantel 64 bei Flugmanövern oder Massen- bzw. Gewichtskräften.
Der Ring 96, der an der Stützkonstruktion _angebracht ist, dient zur Einhaltung
der genauen radialen Stellung des Mantels, indem er Schubkräften widersteht, während
die synchrone Wirkung der Verstellvorrichtan-Gen jedes Kippmoment durch plötzliche
Manöver des Flugzeuges ausschaltet.
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Wie in F i g. 4 dargestellt, schafft das Befestigungssystem
also nur eine Verschiebestützfläche, während es eine minimale Länge und daher einen
Mantel mit minimalem Gewicht hat. Durch die einzelne Verschiebestützfläche braucht
keine herkömmliche vierpunktige Stützvorrichtung in einer axialen Ebene für die
Schiebeklappenstützvorrichtung, die meist ein verlängertes Zylinderteil umfaßt,
vorgesehen zu werden. Das, System der vorliegenden Erfindung ermöglicht es also,
die normalerweise erforderlichen austrittsseitigen Befestigungspunkte
(d. h. die zweite Befestigungsfläche) wegzulassen, die sich normalerweise
links von den Gleitstücken oder Rinabefestigungen 95 befänden, wie in F i
g. 3 dargestellt. Das Ergebnis ist, daß keine zusätzlichen Stützvorrichtungen
vorgesehen sein müssen und daß die synchronisierten Verstellvorrichtunaen näher
am Mantel liegen könneu, so daß keine zusätzliche Stützung für die, Bahn 94 erforderlich
ist, und dadurch auch keine Störungen auftreten können. Die beschriebene Befestigungsvorrichtung
ermöglicht also die Verwendung des Mantels, Klappenstütz- und Verschiebungsmechanismus
der Erfindung mit geringerem Gewicht.