DE1286334B

DE1286334B - UEberschallschubduese fuer Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE1286334B
Application number: DER41245A
Authority: DE
Inventors: Colville Francis Jeffrey; Brown David Morris; Roberts Norman
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1964-08-25
Filing date: 1965-08-05
Publication date: 1969-01-02
Also published as: GB1009777A; US3352494A; GB1009776A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Uberschallschubdüse für Gasturbinenstrahltriebwerke mit veränderbarer Querschnittsfläche mit einem balligen Strömungskörper, der relativ zum Düsengehäuse axial verschiebbar ist und zusammen mit der äußeren Düsenwandung eine Konvergent-Divergent-Düse bildet, und mit Geräuschdämpfklappen, die in ihrer Arbeitsstellung Strömungshindernisse im Hauptströmungskanal bilden und die Umfangsfläche, über die sich die Strahlgase mit der Umgebungsluft mischen, zum Zwecke der Geräuschdämpfung beträchtlich vergrößern, wobei zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitts bei Überführung der Geräuschdämpfklappen in ihre Arbeitsstellung die Querschnittsfläche der Düse um den Betrag der Strömungshindernisse vergrößert wird.

Bei einer bekannten Schubdüse dieser Bauart ist der eine vorbestimmte feste Querschnittsgestalt aufweisende Strömungskörper gegenüber der festen äußeren Düsenwandung, die nach hinten konvergiert, axial verschieblich, so daß die Querschnittsfläche in Höhe der axial mit dem Strömungskörper wandernden Einschnürung verändert wird. Es ist bei dieser bekannten Schubdüse zwar die Aufgabe gelöst, die durch die zur Geräuschdämpfung vorgesehenen Strömungshindernisse verengte Strömungsquerschnittsfläche durch Vergrößerung des Düsen-Ringflächenquerschnitts zu kompensieren, jedoch haften dieser bekannten Ausbildung insofern Mängel an, als die Strömungshindernisse im divergierenden Düsenabschnitt, also im Überschallbereich, liegen, wodurch Verdichtungsstöße auftreten können, die gerade vermieden werden sollen.

Im übrigen ist es ungünstig, gerade dann, wenn die Geräuschdämpfung insbesondere angestrebt wird, d. h. beim Start und bei der Landung, im Überschallgebiet, d. h. mit einer Konvergent-Divergent-Düse, zu arbeiten, wie es bei der bekannten Ausbildung unerläßlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schalldämpfungsanordnung mit Querschnittskompensation bei einer Überschallschubdüse vorzusehen, die bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten, d. h. bei Start und Landung, eine konvergente Form mit Unterschallströmung besitzt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Überschalldüse der eingangs genannten Bauart gelöst durch die gemeinsame Anwendung folgender an sich bekannter Merkmale:

a) die äußere Düsenwandung weist einen zylindrischen Rohrabschnitt auf, der stromunterseitig in der Höhe der Einschnürung endet und den Konvergent-Abschnitt der Düse bestimmt, wobei ein zylindrischer Rohrabschnitt nach hinten über die Einschnürung ausfahrbar ist und zusammen mit dem hinteren Teil des Strömungskörpers im ausgefahrenen Zustand den Divergent-Abschnitt der Düse bildet;

b) auf dem Strömungskörper sind Strömungsleitklappen derart beweglich angeordnet, daß die Querschnittsfläche der Einschnürung veränderbar ist, und die Geräuschdämpfklappen liegen im Bereich der Einschnürung am Ende des Konvergent-Düsenabschnitts.

Während bei bekannten Düsen gerade dann, wenn eine Konvergent-Düse wegen der großen Relativgeschwindigkeit angestrebt wird, nämlich beim Starten, eine Konvergent-Divergent-Düse aus Gründen der Geräuschdämpfung vorhanden ist, wird bei der erfindungsgemäßen Überschalldüse demgegenüber die Querschnittsfläche der rein konvergenten Düse in der entsprechenden Weise mit der Kompensation verändert, d. h., die Anpassung der Düse mit Geräuschdämpfung kann während des Startes und während der Landung vorgenommen werden, also ίο dann, wenn die Geräuschbelästigung besonders störend ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung derart getroffen, daß die Geräuschdämpfungsklappen in an sich bekannter Weise über eine Schiebehülse betätigbar sind, die auf einem in der Mitte des Strömungskörpers angeordneten Rohr axial verschiebbar ist.

Auf dem Rohr kann eine zweite Schiebehülse gleitbar sein, welche die Strömungsbegrenzungsklappen über eine aus Lenker und Schwenkzapfen bestehende Schwenkanordnung steuert.

Jede der Geräuschdämpfungsklappen kann in an sich bekannter Weise stromunterseitig von Einzelabschnitten gebildet werden, die in der Schließstellung gegeneinander abgedichtet sind und in der Öffnungsstellung im Abstand zueinander liegen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerkes mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Überschalldüse,

F i g. 2 einen Längsschnitt der Düse nach F i g. 1 in größerem Maßstab,

F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 2,

F i g. 4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer Überschalldüse,

F i g. 5 eine axiale Ansicht der Düse nach F i g. 4, F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß Fig. 4.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Flugzeug 10 mit einer Gondel 11, die das Überschall-Gasturbinenstrahltriebwerk 12 trägt. Das Triebwerk 12 weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Überschalleinlaß 13, einen oder mehrere Verdichter 14, eine Brennkammer 15, eine oder mehrere Turbinen 16 und ein Strahlrohr 17 auf, das mit einer nicht dargestellten Schubumkehrvorrichtung und mit einer Überschalldüse 19 ausgestattet ist.

Die äußere Düsenwandung 23 (F i g. 2) weist einen zylindrischen Rohrabschnitt 23 α auf, über den ein weiterer zylindrischer Rohrabschnitt 22 axial verschieblich gelagert ist. Der zylindrische Rohrabschnitt 23 a endet stromunterseitig in der Höhe einer Einschnürung 24, die sich zwischen dem Düsengehäuse und einem inneren Strömungskörper 25 befindet. Der Rohrabschnitt 22 kann durch einen Kraftantrieb von der aus F i g. 2 ersichtlichen Stellung in der sein stromunterseitiges Ende mit dem stromunterseitigen Ende des Rohrabschnitts 23 α abschließt, in die in F i g. 2 strichliert dargestellte Stellung überführt werden, in der er über die Einschnürung nach hinten vorsteht. Wenn der Rohrabschnitt 22 in der vollausgezogenen Stellung befindlich ist und die Einschnürung 24 mit dem stromabwärtigen Ende des äußeren Rohrabschnitts 22 fluchtet, wird die Düse zu einer Konvergentdüse. Wenn der äußere Rohr-

abschnitt 22 jedoch axial in die gestrichelt gezeichnete Stellung bewegt wird, befindet sich die Einschnürung 24 stromaufwärts des stromabwärtigen Endes des äußeren Rohrabschnitts 22, so daß die Düse zu einer Konvergent-Divergent-Düse wird.

Der Strömungskörper 25 stützt sich an der Wandung 23 über eine Vielzahl von winkelmäßig versetzten Streben 26 ab, von denen jede tangential zum Strömungskörper 25 angeordnet ist, um ein Ausbiegen unter den Einwirkungen unterschiedlicher Expansion und Zusammenziehung zu verhindern.

Der Strömungskörper besteht aus einem im wesentlichen konischen stromaufwärtigen Teil 30 und einem konischen stromabwärtigen Teil 31; die beiden Teile 30 und 31 sind durch ein Rohr 32 verbunden, das in der Mitte des Strömungskörpers angeordnet ist.

Der Mittelteil des Strömungskörpers 25 hat ein äußeres Gehäuse, das aus einer Vielzahl von Paaren von Strömungsleitklappen 33, 34 besteht, die einander an ihren Enden überlappen. Die Klappen 33, 34 jedes Paares sind durch ein Kniegelenk 35, 36 mit einem gemeinsamen Drehzapfen 37 eines Lenkers 38 verbunden, wobei die Drehzapfen 37 neben der Einschnürung 24 liegen. Jede Klappe 33 ist an ihrem stromaufwärtigen Ende auf einem Drehzapfen 39 befestigt, und jede Klappe 34 ist an ihrem stromabwärtigen Ende auf einem Drehzapfen 40 befestigt, der auf einem Verbindungsstück 41 sitzt.

Die Lenkerstücke 38 sind an einer gemeinsamen Schiebehülse angebaut; die Hülse 42 ist über eine Schubstange 43 axial zwischen einer in F i g. 2 voll ausgezogenen und einer gestrichelt gezeichneten Stellung bewegbar. Die Schubstange 43 ist mit einer Zahnstange 44 ausgestattet, die mit einem Ritzel 45 kämmt, das seinerseits auf einer Welle 46 montiert ist, die sich durch eine der Streben 26 erstreckt. Die Welle 46 wird durch nicht dargestellte Antriebsmittel gedreht.

Durch die Bewegung der Schubstange 43 können die Klappen 33, 34 daher entweder in die voll ausgezogene Stellung oder in eine der gestrichelt gezeichneten Stellungen bewegt werden. Dadurch, daß die Klappen 33, 34 radial bewegbar sind und damit die Umfangsform des Mittelteils des Strömungskörpers 25 einstellbar ist, kann die Querschnittsfläche der Einschnürung 24 eingestellt werden, sowohl wenn der Rohrabschnitt 22 in der voll ausgezogenen als auch in der gestrichelt gezeichneten Stellung steht.

Der äußere Rohrabschnitt 22 kann entweder so bewegt werden, daß er eine Konvergent-Divergent-Düse oder eine Konvergent-Düse bildet, um den aerodynamischen Strömungsverhältnissen angepaßt zu werden. Für hohe Mach-Zahlen kann es jedoch notwendig sein, den Querschnitt der Einschnürung 24 zu ändern, und dies läßt sich durch die Klappen 33, 34 erzielen.

So steht beispielsweise beim Starten der äußere Rohrabschnitt 22 in der voll ausgezogen gezeichneten Stellung und die Klappen in ihrer äußersten Lage. Unmittelbar nach dem Start werden die Klappen 33, 34 radial eingezogen, so daß die Einschnürung 24 ihren größten Querschnitt hat.

Auf dem Rohr 32 ist gleitbar eine Schiebehülse 50 angeordnet, die durch Verbindungsgestänge 51 mit einer Vielzahl von winkelmäßig versetzten Geräuschdämpfungsklappen 52 verbunden ist, die in der Einschnürung 24 angeordnet sind. Jede Klappe 52 ist bei 53 am Gehäuse des Mittelteils des Strömungskörpers 25 angelenkt. Die Klappen 52 können in eine gestrichelt gezeichnete Stellung, in welcher sie die Strahlströmung durch gewisse Teile der Einschnürung 24 verhindern und in eine voll ausgezogene Stellung, in welcher sie einen Teil des Gehäuses dieses Mittelteils bilden, bewegt werden.

Wenn die Klappen in der gestrichelten Stellung stehen, vergrößern sie die Umfangsfiäche, auf welcher sich die Strahlgase mit der Umgebungsluft vermischen, wesentlich. Dies trägt wesentlich dazu bei, den Lärm der durch die Düse strömenden Strahlgase zu vermindern. Wenn die Klappen in ihrer gestrichelten Stellung stehen, kommt es auch stromabwärts dieser Klappen zur Bildung eines Unterdrucks, durch welchen Umgebungsluft angesaugt wird. Dies unterstützt das Durchmischen der Strahlgase mit der Umgebungsluft und trägt weiter zur Schalldämpfung bei.
Um die Verkleinerung im effektiven Querschnitt der Einschnürung 24 zu kompensieren, wenn die Klappen 52 in der gestrichelt gezeichneten Stellung stehen, können die Klappen 33, 34 radial nach innen bewegt werden, z. B. aus ihrer äußersten gestrichelten Stellung in ihre innerste gestrichelte Stellung.

Die Schiebehülse 50 kann aus ihrer voll ausgezogenen Stellung in ihre gestrichelte Stellung bewegt werden, und umgekehrt. Dabei kann die Hülse 50 axial durch an der Schubstange 43 angebaute Mittel oder durch eine weitere, selbständig betätigte Schubstange bewegt werden.

F i g. 4 bis 6 zeigen eine abgewandelte Überschalldüse, die mit einem Triebwerk 12 benutzt werden kann. Diese Düse hat ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einem äußeren Gehäuseteil 100, der gleitbar auf einem inneren Gehäuseteil 101 angeordnet ist.

Im inneren Gehäuseteil 101 und von diesem durch eine Einschnürung 102 getrennt, sitzt ein balliger Strömungskörper 103. Das äußere Gehäuse 100 kann durch einen druckluftbetätigten Stößel 104 aus einer voll ausgezogenen Stellung in eine gestrichelt gezeichnete Stellung (F i g. 4) bewegt werden, und umgekehrt. Wenn der äußere Gehäuseteil 100 in der voll ausgezogenen Stellung steht, fluchtet die Einschnürung 102 mit dem Ende des äußeren Gehäuseteils 100, und es kommt eine konvergierende Düse zustande. Wenn der äußere Gehäuseteil 100 durch den Stößel 104 axial in die gestrichelt gezeichnete Stellung bewegt wird, befindet sich die Einschnürung 102 stromaufwärts des stromabwärtigen Endes des äußeren Gehäuses 100, und die Düse ist eine Konvergent-Divergent-Düse.

Der Strömungskörper 103 stützt sich am inneren Gehäuseteil 101 über eine Vielzahl von winkelmäßig versetzten Streben 105,106 mit stromlinienförmigem Querschnitt ab, die jeweils tangential zum Strömungskörper 103 angeordnet sind. Außerdem ist der Strömungskörper 103 mit einer Vielzahl von winkelmäßig versetzten, stromlinienförmig geformten Geräuschdämpfklappen 107 ausgestattet, die mit dem Strömungskörper 103 an der Einschnürung 102 verbunden sind. Die Streben 105 und die Klappen 107 sind mit Rollen 110, 111 ausgestattet, die mit dem äußeren Gehäuseteil 100 zusammenwirken.

Der Strömungskörper 103 hat ein äußeres Gehäuse 112, in dem eine Vielzahl von winkelmäßig versetzten, stromlinienförmigen Gliedern 113 montiert ist, die jeweils am stromabwärtigen Ende eines Arms

114 befestigt sind, dessen stromaufwärtiges Ende bei

115 angelenkt ist.

Jedes Glied 113 läßt sich radial zwischen einer Außerbetriebsstellung, in welcher es innerhalb des Profils des äußeren Gehäuses 112 liegt, und einer Betriebsstellung (voll ausgezogen gezeichnet) bewegen, in der es sich außerhalb desselben erstreckt.

Jedes Glied 113 ist durch ein Verbindungsstück

116 mit einer Hülse 117 verbunden. Diese Hülse 117 ist auf einem sich axial erstreckenden Rohr 120 verschiebbar, das im Strömungskörper 103 angeordnet ist. Das stromaufwärtige Ende des Rohres 120 stützt sich an Streben 106 ab, während das stromabwärtige Ende des Rohrs 120 sich am äußeren Gehäuse 112 über ein Gehäuse 122 abstützt.

Ein druckluftbetätigter Stößel 123 bewegt die Hülse 117 und damit auch das Glied 113 mittels einer mechanischen Verbindung, umfassend einen Winkelhebel 124, ein durch eine Strebe 105 durchgehendes Verbindungsstück 125, einen Winkelhebel 126 und ein Verbindungsstück 127.

Die Glieder 113 können daher durch den Stößel 123 so bewegt werden, daß sie den Strömungsquerschnitt durch die Einschnürung 102 sowohl bei konvergenter als auch bei konvergent-divergenter Düse verstellen. Das äußere Gehäuse 100 kann durch den Stößel 104 so bewegt werden, daß entweder eine konvergente oder eine konvergent-divergente Düse zustande kommt, um so den aerodynamischen Strömungsbedingungen zu entsprechen. Bei hohen Mach-Zahlen kann es jedoch notwendig sein, die Einschnürung 102 zu ändern, um den zufriedenstellenden Betrieb des Triebwerks zu gewährleisten, und dies läßt sich durch die Glieder 113 bewerkstelligen. Da diese Glieder 113 außerdem durch mechanische Verbindüngen bewegt werden, eignet sich diese Konstruktion insbesondere für die hohen Temperaturen, die beim Betrieb vorkommen.

Jede Schaufel 107 hat einen stromaufwärtigen Teil 131 (F i g. 6) und einen stromabwärtigen Abschnitt 132, 133, der schwenkbar angeordnet ist. Die Abschnitte 132, 133 sind über Verbindungsstücke 135, 136 mit einer gemeinsamen Schubstange 134 verbunden. Durch Bewegen der Schubstange 134 lassen sich die Abschnitte 132 und 133 in eine geschlossene Stellung (voll ausgezogen gezeichnet) bewegen, in der sie miteinander verbunden sind, und eine offene Stellung (gestrichelt gezeichnet), in der sie voneinander abstehen und den Durchfluß der Umgebungsluft gestatten. Wenn die Abschnitte 132, 133 daher in der offenen Stellung stehen, strömt Luft zwischen ihnen durch, und dies vermindert das Geräusch der durch die Düse strömenden Strahlgase durch die Vergrößerung der Umfangsfläche, auf welcher sich die Strahlgase mit der Umgebungsluft vermischen.

Die Schubstange 134 jeder Schaufel 107 ist durch einen Winkelhebel 140 und ein Verbindungsstück mit einem Winkelhebel 142 verbunden. Letzterer ist an einer festen Hülse 143 angebaut, die am Rohr befestigt ist.

Der Winkelhebel 142 ist über ein Verbindungsstück 144 mit einer Hülse 145 verbunden, die gleitbar auf dem Rohr 120 angeordnet ist. Die Hülse 145 hat eine sich diametral erstreckende Platte 146, die durch einen Schlitz im Rohr 120 durchgeht. Die Platte 146 ist mit einem druckluftbetätigten Stößel über eine mechanische Verbindung verbunden, die einen Winkelhebel 150, ein sich durch eine Strebe erstreckendes Verbindungsstück 151, einen Winkelhebel 152 und ein Verbindungsstück 153 umfaßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Überschaüschubdüse für Gasturbinenstrahltriebwerke mit veränderbarer Querschnittsfläche mit einem balligen Strömungskörper, der relativ zum Düsengehäuse axial verschiebbar ist und zusammen mit der äußeren Düsenwandung eine Konvergent-Divergent-Düse bildet, und mit Geräuschdämpfklappen, die in ihrer Arbeitsstellung Strömungshindernisse im Hauptströmungskanal bilden und die Umfangsfläche, über die sich die Strahlgase mit der Umgebungsluft mischen, zum Zweck der Geräuschdämpfung beträchtlich vergrößern, wobei zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitts bei Überführung der Geräuschdämpfklappen in ihre Arbeitsstellung die Querschnittsfläche der Düse um den Betrag der Strömungshindernisse vergrößert wird, gekennzeichnetdurchdie gemeinsame Anwendung folgender, für sich bekannter Merkmale:

a) die äußere Düsenwandung weist einen zylindrischen Rohrabschnitt (23 d) auf, der stromunterseitig in der Höhe der Einschnürung (24) endet und den Konvergent-Abschnitt der Düse bestimmt, wobei ein zylindrischer Rohrabschnitt (22) nach hinten über die Einschnürung (24) ausfahrbar ist und zusammen mit dem hinteren Teil des Strömungskörpers im ausgefahrenen Zustand den Divergent-Abschnitt der Düse bildet;

b) auf dem Strömungskörper (25) sind Strömungsleitklappen (33,34) derart beweglich angeordnet, daß die Querschnittsfläche der Einschnürung (24) veränderbar ist, und die Geräuschdämpfklappen (52) liegen im Bereich der Einschnürung (24) am Ende des Konvergent-Düsenabschnitts.

2. Uberschalldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräuschdämpfklappen (52) in an sich bekannter Weise über eine Schiebehülse (50) betätigbar sind, die auf einem in der Mitte des Strömungskörpers (25) angeordneten Rohr (32) axial verschiebbar ist.

3. Uberschalldüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schiebehülse (42) auf dem Rohr (32) gleitbar ist, welche die Strömungsleitklappen (33,34) über eine aus Lenker (38) und Schwenkzapfen (37) bestehende Schwenkanordnung steuert.

4. Uberschalldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Geräuschdämpfungsklappe (107) in an sich bekannter Weise stromunterseitig von Einzelabschnitten (132,133) gebildet wird, die in der Schließstellung gegeneinander abgedichtet sind und in der Öffnungsstellung im Abstand zueinander liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen