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Regeleinrichtung mit Schalldämpferwirkung für regelbare Flugzeugstrahldüsen
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung mit Schalldämpferwirkung für regelbare
Strahldüsen mit mehreren am hinteren Düsenende schwenkbar angeordneten Steuerklappen
zur Regulierung des Düsenaustrittsquerschnitts in Abhängigkeit von düsenquerschnittsfremden
Parametern, mehreren ebenfalls am hinteren Düsenende schwenkbar angeordneten Folgeklappen,
die sich jeweils unter dem Einfluß des Strahlendrucks an die Innenflächen ihrer
benachbarten Steuerklappen anlegen können, und einem Servomechanismus zum Schwenken
der Steuerklappen.
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Strahldüsen veränderlichen Austrittsquerschnitts, bei denen in abwechselnder
Reihenfolge am Umfang des Düsenendes verteilte Steuerklappen und Folgeklappen um
zum Umfang tangentiale Achsen schwenkbar sind, sind an sich bekannt. Zur Veränderung
des Dü.senaustrittsquerschnitts werden bei diesen Strahldüsen lediglich die an der
Düse angelenkten Steuerklappen von einem Servomechanismus geschwenkt, während die
frei beweglichen Folgeklappen vom Druck des Abgasstrahls an die Ränder ihrer benachbarten
Steuerklappen angedrückt werden. Zur Erzielung einer Schalldämpfungswirkung hat
man vorgeschlagen, die Folgeklappen rohrkrümmerförmig auszubilden und derart an
der Düse anzulenken, daß die stromaufwärts liegende öffnung des Rohrkrümmers nach
außen in die Atmosphäre gerichtet ist und das stromabwärts liegende Ende in den
Abgasstrahl hineinragt. Somit wird nach dem Injektorprinzip von außen Luft in den
Abgasstrahl hineingesaugt, wodurch eine Schalldämpfungswirkung erzielt wird. Die
in den Abgasstrahl hineinragenden Rohrkrümmer bilden jedoch ein merklich störendes
Hindernis für die Düsenströmung, so daß bei sämtlichen Stellungen der Klappen eine
beträchtliche Wirkungsgradeinbuße in Kauf genommen werden muß.
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Es ist ferner eine Strahldüse bekannt, bei der das hintere Düsenende
von schwenkbaren, im Abstand voneinander liegenden Klappen gebildet wird. In ihrer
Normalstellung, die einer geringen Schalldämpfungswirkung entspricht, bilden die
Klappen einen Kegelstumpf. Um die Schalldämpfungswirkung zu verbessern, können die
Klappen in abwechselnder Reihenfolge nach innen bzw. außen in eine zweite Stellung
geschwenkt werden. In dieser zweiten Stellung tritt jedoch ein erheblicher Schubverlust
auf. Dies ist um so schwerwiegender, als gerade der Start, bei dem die Schalldämpfung
besonders erwünscht ist, den größten Schub verlangt.
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Bei einer weiteren bekannten Strahldüse sind hinter der Düse über
deren Umfang verteilt mehrere Schalldämpfungsklappen in verhältnismäßig großem Abstand
zueinander angeordnet, die ebenfalls in abwechselnder Reihenfolge zueinander wahlweise
nach innen oder außen geschwenkt werden können. Auch bei dieser Strahldüse muß ein
Schubverlust in Kauf genommen werden, wenn sich die Schalldämpfungsklappen in ihrer
Schalldämpfungsstellung befinden.
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Durch die Erfindung soll nun eine Regeleinrichtung für eine Strahldüse,
wie sie eingangs beschrieben wurde, geschaffen werden, mit der die Strahldüse in
eine Schalldämpfungsstellung verstellt werden kann, ohne daß sich dabei der von
der Düse erzeugte Schub wesentlich verändert.
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung, mit
der die Folgeklappen wahlweise in eine fest vorgegebene, nach innen geschwenkte
Schalldämpfungslage bewegbar sind, wobei dann der Servomechanismus die Steuerklappen
derart steuert, daß sich der jeweils erforderliche wirksame Düsenaustrittsquerschnitt
wieder einstellt.
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Zur Erzielung einer Schalldämpfung werden also die Folgeklappen, unabhängig
davon, wie groß der Düsenaustrittsquerschnitt gerade ist, mittels der Stelleinrichtung
nach innen in ihre Schalldämpfungslage geschwenkt. Der Abgasstrahl, der darauf in
bekannter Weise seitlich eintretende Luft mit sich reißt, wird auf Grund der Querschnittsverringerung
gedrosselt. Als Folge davon tritt die Regelung der Steuerklappen in Tätigkeit, die
auf düsenquerschnittsfremde Parameter, z. B. das Druckverhältnis des Verdichters
oder
der Turbine, anspricht. Die Steuerklappen werden nach außen geschwenkt, bis der
richtige Austrittsquerschnitt wiederhergestellt ist. Sobald die Schalldämpfung überflüssig
erscheint, gibt man die Folgeklappen frei, so daß sie sich wieder an die Innenfläche
der Steuerklappen anlegen können. Darauf greift die Regelung der Steuerklappen aufs
neue ein und stellt den Austrittsquerschnitt auf den dem Regelparameter entsprechenden
Wert ein. Wenn die Folgeklappen mit einem stationären Teil der Strahldüse kraftschlüssig
verbunden sind, schließen die Folgeklappen in der Schalldämpferstellung mit diesem
Teil der Strahldüse einen festen Winkel ein; dagegen vergrößert sich der Winkel
zwischen den Folgeklappen und den Steuerklappen, wenn die Folgeklappen in ihre Schalldämpfungsstellung
nach innen geschwenkt werden, da die erfindungsgemäße Regeleinrichtung die Steuerklappen
nach außen schwenkt. Die Steuerklappen und damit der Austrittsquerschnitt der Strahldüse
werden also bei eingeschalteter oder ausgeschalteter Schalldämpfung stets in der
gleichen Weise geregelt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden,
lediglich als Beispiel aufzufassenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den Zeichnungen.
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F i g.1 zeigt schematisch eine Ansicht des hinteren Endes einer erfindungsgemäßen
Düse in Normalstellung; F i g. 2 zeigt eine der F i g. 1 analoge Ansicht der Düse
in der Schalldämpfungsstellung; F i g. 3 und 4 sind schematische Schnitte nach den
Linien III-III bzw. IV-IV der F i g.1.
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Die dargestellte Düse ist an ihrem hinteren Ende mit einem doppelten
Kranz aus Steuerklappen 1 und Folgeklappen 2 versehen, die am Umfang des Düsenkanals
3 um Achsen 4 bzw. 5 schwenkbar gelagert sind. Durch den Druck des aus der Düse
austretenden Strahls werden die Folgeklappen 2 gegen die Innenflächen der beiden
benachbarten Steuerklappen 1 gedrückt. Die Steuerklappen 1 werden von einem Servomechanismus
gesteuert, der auf einen Kranz von Stellmotoren 6 wirkt. Diese Stellmotoren 6 sind
am Aufbau der Düse befestigt und können einen Ring 7 in Längsrichtung der Düse verschieben.
Der Ring 7 wirkt auf jede der Steuerklappen 1 über ein Steuergestänge ein,
das eine bei 8 a am Ring 7 aasgelenkte Stange 8 und eine bei 9 b an
der Steuerklappe 1 aasgelenkte Stange 9 aufweist. Das Gelenk 9 a wird von einer
um die Achse 4 schwenkbaren Stange 10 gestützt. Die F i g.1, 3 und 4 zeigen
die Klappen 1 und 2 in maximaler Schließstellung, die beispielsweise dem Start entspricht.
In unterbrochenen Linien sind bei 1 a und 2 a (F i g. 3 und 4) die Klappen
1 und 2 in der normalen Stellung mit maximaler Öffnung dargestellt;
die maximale Auslenkung der Klappen in dieser bekannten Anordnung ist mit a bezeichnet.
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Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird eine Schalldämpferwirkung
dadurch erzielt, daß die Folgeklappen 2 mit Hilfe von Stellmotoren 11 nach innen
geschwenkt werden. Die Stellmotoren 11 sind wie die Stellmotoren 6 im Kranz angeordnet;
ihre Zylinder 11a sind jedoch an einem in bezug auf die Düse festen ringförmigen
Träger 12 befestigt. Die Stangen 11 b der Stellmotoren 11 sind bei 13 c an einem
Ring 13 aasgelenkt, der dem Ring 7 analog ist und in Längsrichtung der Düse verschoben
werden kann. Der Ring 13 ist mit jeder der Folgeklappen 2 durch eine vor- und rückwärts
wirkende Übersetzung verbunden. Diese enthält eine Stange 14, die bei 14 a an dem
Ring 13 und bei 14 b an einem Arm eines Winkelhebels 15 aasgelenkt ist, der sich
um einen festen Punkt 16 des Düsenaufbaus dreht; dieser Drehpunkt kann vom Drehpunkt
5 der Klappe 2 verschieden sein. Der andere Arm des Winkelhebels 15 ist an einem
Gleitstück 17 aasgelenkt, das in einer auf der Außenfläche der Klappe 2 befestigten
Führung 18 gleitet.
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Die Stellmotoren 11 sind an eine Druckmittelquelle anschließbar (nicht
dargestellt). Bei der in F i g. 4 mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage stehen
die Zylinder der Stellmotoren 11 nicht unter Druck; sie sind beispielsweise an eine
Entlüftungsleitung angeschlossen, so daß sich die Folgeklappen 2 frei bewegen und
unter dem Einfluß des Strahldrucks in der gewohnten Weise gegen die Innenflächen
der beiden benachbarten Klapen 1 legen können.
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Die Schwenkung der Steuerklappen 1 wird somit durch die Gruppe von
Stellmotoren 6 unter Zwischenschaltung der Übersetzung gesteuert, die aus dem Ring
7 und der Gestängeanordnung 8, 9, 10 besteht. Die Stellmotoren 6 werden ihrerseits
in Abhängigkeit von düsenquerschnittsfremden Parametern geregelt. Eine derartige
Regelung ist an sich bekannt und ist deshalb hier weder in den Zeichnungen dargestellt
noch im einzelnen beschrieben. Die Stelleinrichtung zur Steuerung der Schalldämpfung
umfaßt die Stellmotoren 11, die aus dem Ring 13, den Stangen 14 und Winkelhebeln
15 bestehende Übersetzung sowie die Druckmittelquelle und Entlüftungsleitung bzw.
Rückführleitung. Die Übersetzung 14, 15 dreht die Folgeklappen bis in ihre
Stellung 2 b, wenn die Stellmotoren 11 an die Druckmittelquelle angeschlossen sind,
und bewegt die Stangen 11 b der Stellmotoren 11 nach links (F i g. 4), wenn die
Stellmotoren an die Entlüftungsleitung angeschlossen sind und die Folgeklappen sich
unter dem Einfluß des Strahldrucks in ihre Stellung 2 oder 2a drehen. Die Druckbeaufschlagung
bzw. Entlüftung der Stellmotoren kann z. B. durch zwei getrennte Ventile oder ein
einziges Dreiwegeventil gesteuert werden, die jeweils nach Belieben betätigbar sind,
je nachdem, ob die Schalldämpferwirkung gewünscht wird oder nicht.
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Um die Schalldämpferwirkung zu erhalten, setzt man die Stellmotoren
11 unter Druck, so daß ihre Kolben ganz ausfahren und den Ring 13 nach hinten bewegen;
dieser Ring 13 bewegt seinerseits sämtliche Stangen 14, die die Winkelhebel 15 um
ihre Achsen 16 drehen und dabei durch das Zusammenwirken der Gleitstücke 17 und
der Führungen 18 die Drehung der entsprechenden Folgeklappen 2 bewirken. Die Folgeklappen
2 nehmen somit die in F i g. 4 strichpunktiert dargestellte Lage ein, in welcher
sie nach innen geklappt sind. Es ergibt sich eine Drosselung des Strahls, worauf
unverzüglich die Regelung der Steuerklappen in Kraft tritt. Die Stellmotoren 6 werden
in dem Sinn betätigt, daß der Ring 7 nach vorn (d. h. nach links im Sinn der F i
g. 3) geschoben wird und die Steuerklappen 1 nach außen geschwenkt werden. Die Folgeklappen
2 bleiben in Ruhe.
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Man erkennt somit, daß die Belastung des Triebwerks allein durch die
Regelung der Steuerklappen geregelt wird, die indirekt (nach irgendeinem bekannten
Verfahren) die wirksamen Düsenquerschnitte
bestimmt, und zwar sowohl
bei normaler Einstellung (F i g.1), bei der die Folgeklappen 2 den Lageänderungen
der Steuerklappen folgen, als auch bei Schalldämpfereinstellung (F i g. 2), obwohl
in diesem Fall die Folgeklappen 1 bis zu einem festen Anschlag geführt sind und
allein die Steuerklappen die gewünschten Querschnittsveränderungen mittels der normalen
Regulierung herbeiführen.
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In dieser letztgenannten Einstellung sollen sich die Steuerklappen
noch weiter öffnen können als bei der bekannten Strahldüse mit Folgeklappen, damit
sie den Einschlag der Folgeklappen 2 kompensieren können. In F i g. 3 ist bei 1
b die maximale öffnung der Steuerklappen 1 punktiert dargestellt, und die gesamte
Auslenkung dieser Klappen ist mit ß1 bezeichnet. In F i g. 4 ist die gesamte Auslenkung
der Klappen 2 zwischen der Lage 2a (maximale Öffnung bei normaler Anordnung ohne
Schalldämpfung) und der Lage 2 b (Schließstellung bei Schalldämpfer-Einstellung)
mit ß2 bezeichnet. Der Winkel ß2 ist deutlich größer als der Winkel ß1; d. h., daß
die Steuerklappen 1 sich nur in einem begrenzten Ausmaß drehen können, während sich
die Folgeklappen 2 unter dem Einfluß der Stelleinrichtung um einen beträchtlichen
Winkel drehen können, um sich in ihre Schalldämpferstellung 2 b zu begeben, in welcher
jede Folgeklappe in bezug auf den Düsenkanal um einen beträchtlichen Winkel nach
hinten und nach innen geneigt ist.