DE2262183B2 - Für Unterschall- und Uberschallflug eines Gasturbinenstrahltriebwerks geeignete Schubdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine für Unterschall- und Überschallflug eines Gasturbinenstrahltriebwerks ge- 5" eignete Schubdüse mit Schwenkklappen, durch die im Unterschallflug ein konvergenter und im Überschallflug ein konvergent-divergenter Verlauf des kreisförmigen Strömungsquerschnittes der Schubdüse hergestellt wird. Die Erfindung ist auch auf Gasturbinen-Strahltriebswerke mi; einem Zweistromtriebwerk anwendbar.

Bekanntlich umfaßt der Flugbereich eines sogenannten Überschallflugzeuges oder -geräts den Unterschallflug und den Überschallflug, so daß die Schubdüse den Flugbedingungen bei Unterschallgeschwindigkeit und an der Schallgeschwindigkeitsgrenze sowie den Bedingungen für Überschallgeschwindigkeit angepaßt sein soll. Ein Strahltriebwerk mit einem Zweistromtriebwerk und mit einer Schubdüse der eingangs genannten Art ist in der US-Patentschrift 30 62 003 beschrieben. Die Schubdüse nach dieser Patentschrift besitzt einen äußeren Teil, der mit einer Primärdüse einen Ringkanal bildet, der mit dem Sekundärstrom des Generators gespeist wird, während die Primärdüse mit dem Primärstrom des Generators gespeist wird. Der den Ringkanal begrenzende äußere Teil ist durch einen hinteren Körper verlängert, der eine eine hintere Verengung definierende, konvergierende und divergierende Schubdüse bildet. Ein vorderer Kranz von Klappen ist zwischen dem äußeren Teil und dem hinteren Körper und ein hinterer Kranz von Klappen zur Verlängerung des hinteren Körpers vorgesehen.

Für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit und an der Schallgeschwindigkeitsgrenze nehmen die Klappen des vorderen Kranzes eine offene Stellung ein und lassen Durchlässe frei, durch welche ein Strom von Außenluft angesaugt wird und sich in der konvergierenden und divergierenden Schubdüse des hinteren Körpers mischt, während die Klappen des hinteren Kranzes eine einwärts geklappte Stellung in der Verlängerung der Außenfläche des hinteren Körpers einnehmen.

Die auf diese Weise ausgebildete Schubdüse ist mit plötzlichen Richtungsänderungen der Strömung und mit Unterbrechungen in dem Innen- und Außenprofil der Schubdüse verbunden. Eine strömungstechnisch andere Lösung mit »blow-in-doors« ist in der US-Patentschrift 33 46 193 beschrieben.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Schubdüse zu schaffen, die sowohl im Unterschall- als auch im Überschallbereich innen und außen glatte Konturen hat.

Das wird erfindungsgemäß mit einer Schubdüse der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Schubdüse von einem in Axialrichtung in seiner Wandstärke im Hinblick auf aerodynamische Erfordernisse profilierten Rohrstück mit Abstand umgeben ist derart, daß in der Stellung für Überschallflug der hintere Randbereich des Rohrstücks als Anschlag für die Schweikklappen und der vordere Rand des Rohrstücks als Anlage für weitere Klappen dient, die am Außenumfang der Schubdüse im Bereich deren stromaufwärtigen Endes gelagert sind, wobei der Durchmesser des Rohrstücks im wesentlichen gleich ist dem Durchmesser der Schubdüse in der Ebene der Lagerung der weiteren Klappen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.

F i g. 1 und 2 sind schematische Schnitte eines ersten Ausführungsbeispiels, welche die Schubdüse in ihrer Form für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit oder an der Schallgeschwindigkeitsgrenze bzw. in ihrer Form für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit zeigen.

F i g. 3 und 4 sind schematische geschnittene Teilansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels, welche die Schubdüse in ihrer Form für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit oder an der Schallgeschwindigkeitsgrenze bzw. in ihrer Form für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit zeigen.

F i g. 5 ist eine schematische geschnittene Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispieis, wobei der voll ausgezogene Linienzug die Schubdüse in ihrer Form für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit bzw. an der Schallgeschwindigkeitsgrenze und der gestrichelte Linienzug die Schubdüse in ihrer Form für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit zeigt.

F i g. 6 und 7 sind schematische schaubildliche Teilansichten eines vierten Ausführungsbeispiels in ihrer Anwendung auf eine nebeneinander liegende

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Anordnung von zwei Triebwerken, wobei F i g. δ die Schubdüse in ihrer Form für den Rug mit Unterschallgeschwindigkeit oder an der Schallgeschwindigkeitsgrenze und F i g. 7 die Schubdüse in ihrer Form für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit zeigt.

F i g. 1 und 2 zeigen ein Strahltriebwerk mit einem einen Gasgenerator enthaltenden vorderen Teil 1 und einem durch eine Schubdüse gebildeten hinteren Teil 2.

Der Gasgenerator kann, wie in F i g. 1 dargestellt, durch einen Verdichter 3, Brennkammern 4 und eine den Verdichter antreibende Turbine 5 gebildet werden. Ein derartiger Gasgenerator liefert einen einzigen Gasstrom, der die Schubdüse 6 speist.

Fig.4 und 5 zeigen nur den hinteren Teil 2 eines Strahltriebwerke dessen vorderer Teil einen Doppel-Stromgasgenerator enthält, welcher einen aus der Turbine kommenden Primärfluß unj einen Sekundärftuß liefert, weicher von einer Abzweigung von aus dem Verdichter kommender Luft herrühren kann und verschiedene Teile des Gasgenerators durchströmt hat *> (Kühlung, Ansaugung der Grenzschicht usw.).

Die Schubdüse besitzt dann einen eine Primärdüse 7 umgebenden Düsenkörper 6a. welcher mit dem Sekundärstrorn des Gasgenerators gespeist wird, während die Primärdüse 7 mit dem Primärstrom des Gasgenerators gespeist wird.

Erfindungsgemäß weist die in F i g. 1 und 2 sowie in F i g. 3 und 4 dargestellte Schubdüse folgende Teile auf:

ein das Ende der Schubdüse 6 ( F i g. 1 und 2) oder 6a (F i g. 3 und 4) umgebendes Rohrstück 8, welches zusammen mil der Schubdüse einen äußeren Durchlaß 9 definiert, welcher in dem betrachteten Fall Ringform hat;

auf der Außenseite der Schubdüse 6 (1 und 2) oder 6a (F i g. 3 und 4) angeordnete Klappen 10, welche so ausgebildet sind, daß sie sich unter der Wirkung von ersten Betäligungsmitteln 11 zwischen einer eingezogenen Stellung (F i g. 1 und 3), in welcher sie mit der Außenseite der Schubdüse 6 oder 6a bündig abschließen, und einer ausgefahrenen Stellung (F i g. 2 und 4), in welcher sich ihre Hinterkante an die Vorderkante des Rohrstücks 1$ anschließt,bewegen können;

und an dem Ende der Schubdüse 6 (F i g. I und 2) oder 6a (Fig. 1 und 4) angeordnete Schwenkklappen 12, welche so ausgebildet sind, daß sie sich unter der Wirkung von zweiten Betätigungsmitteln 13 zwischen einer zurückgeklappten Stellung (F i g. 1 und 3), in welcher sie die Innenseite der Schubdüse 6 oder 6a verlängern, und einer entfalteten Stellung (F i g. 2 und 4), in welcher sich ihre Hinterkante an das Rohrstück 8 anschließt, bewegen können.

Für den Flug mit Unterschallgeschwindigkeit oder an der Schallgeschwindigkeitsgrenze nehmen die Klappen 10 ihre eingezogene Stellung und die Schwenkklappen 12 ihre zurückgeklappte Stellung ein (F i g. 1 und 3).

Für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit nehmen die Klappen 10 ihre ausgefahrene Stellung und die Schwenkklappen 12 ihre entfaltete Stellung ein (F i g. 2 und 4).

Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Schubdüse also sowohl im Unterschall- als auch im Überschallflug glatte Konturen im Innen- und Außenbereich der Düse gewährleistet.

Entsprechend einer an sich bei Triebwerken mit Doppelstromgasgenerator bekannten Ausbildung ist die Primärdüse 7 an ihrem Ende mit einer Vorrichtung 14 mit veränderlichem Querschnitt versehen, welche sich unter der Wirkung von dritten Betätigungsmitteln 15 zwischen einer Stellung kleiner Öffnung (Fig. 3) und einer Stellung großer Öffnung (F i g. 4) bewegen kann.

Für gewisse Betriebsbedingungen, insbesondere für den Rug mit Unterschallgeschwindigkeit oder an der Schallgeschwindigkeitsgrenze, nimmt die Vorrichtung 14 veränderlichen Querschnitts ihre Stellung kleiner Öffnung ein, wobei der Primärstrom in einem an einer »geschlossenen« Verengung endigenden konvergierenden Teil strömt (Fig. 3).

Für andere Betriebsbedingungen, insbesondere mit Vorwärmung oder für den Flug mit Überschallgeschwindigkeit, nimmt die Vorrichtung 14 veränderlichen Querschnitts ihre Stellung großer öffnung ein. wobei der Primärstrom in einem zu einer »offenen« Verengung führenden konvergierenden Teil strömt ( F i g. 4).

Bei der in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausfülirungsform der Erfindung besitzt das Rohrstück 8 ein dünnes Profil, und die Klappen 10 sind an die Außenseite der Schubdüse 6 an der Stelle eines Abschnitts angelenkt, dessen Durchmesser praktisch gleich dem Außendurchmesser des Rohrstücks 8 ist. Wenn die Klappen 10 ihre ausgefahrene Stellung einnehmen, ist der hintere Teil 2 des Triebwerks praktisch zylindrisch und besteht aus der Schubdüse 6, den Klappen 10 und dem Rohrstück 8. Es ist zu bemerken, daß die Klappen 10 auch eine etwas gebogene Form erhalten können, derart, daß die Querschnitte von vorne nach hinten zu- oder abnehmen.

Die Schwenkklappen 12 sind dann so ausgebildet, daß in ihrer entfalteten Stellung ihre Hinterkante sich an die Hinterkante des Rohrstücks anschließt.

Bei der in F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Rohrstück 8 ein dickes Profil, und die Klappen 10 sind an die Außenseite der Schubdüse 6a an der Stelle eines Abschnitts angelenkt, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurcli messer des Rohrstücks 8 ist. Wenn die Klappen 110 ihre ausgefahrene Stellung einnehmen, besitzt der hintere Tei! 2 des Triebwerks einen sich etwas verändernden Querschnitt, dessen Minimum an der Stelle des Gelenks der Klappen 10 liegt.

Die Schwenkklappen 12 sind dann so ausgebildet, daß sich in ihrer entfalteten Stellung ihre Hinterkante an die Innenseite des Rohrstücks 8 in der Nähe des Abschnitts mit der größten Dicke des das Rohrstück bildenden Profils anschließt.

Bei dem in F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung 14 veränderlichen Querschnitts durch Überlappungsklappen gebildet, welche sich längs der Außenwand der Primärdüse 7 zurückziehen können, wenn sie ihre Stellung großer öffnung einnehmen.

Bei den in F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird das Rohrstück 8 gegenüber der Schubdüse 6 oder 6a durch Tragarme 16 gehalten.

Die ersten Betätigungsmittel 11 der Klappen 10 können durch die aerodynamischen Kräfte gebildet werden, welche auf die Klappen 10 wirken und sich mit der Geschwindigkeit des Flugzeugs oder des; Geräts ändern. Sie können aber auch eine Energiequelle benutzen, wobei sie dann durch in der Wand der Schubdüse untergebrachte hydraulische, pneumatische oder elektrische Arbeitszylinder gebildet werden.

Falls diese ersten Betätigungsmittel 11 durch die aerodynamischen Kräfte gebildet werden, werden zweckmäßig die Klappen 10 mit Dämpfervorrichtungen verbunden, welche ein Flattern der Klappen verhindern.

Die zweiten Betätigungsmittel 13 der Schwenkklappen 12 können durch die aerodynamischen Kräfte

gebildet werden, welche auf diese Schwenkklappen 12 wirken und sich mit der Geschwindigkeit des Flugzeugs oder des Geräts ändern. Sie können aber auch eine Energiequelle benutzen, wobei sie dann durch hydraulische, pneumatische oder elektrische Arbeitszylinder gebildet werden.

Falls die zweiten Betätigungsmittel 13 durch die aerodynamischen Kräfte gebildet werden, werden zweckmäßig die Schwenkklappen 12 mit Dämpfervorrichtungen verbunden, um ein Flattern der Schwenkklappen zu verhindern.

Wenn die zweiten Betätigungsmittel 13 hydraulische, pneumatische oder elektrische Arbeitszylinder oder Dämpfervorrichtungen enthalten, werden zweckmäßig diese Arbeitszylinder oder Dämpfer in den Tragarmen 16 des Rohrstücks 8 untergebracht.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, in welcher die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig.3 und 4 bezeichnen, besitzt das Rohrstück 8 ein dünnes Profil, und die Klappen 10 sind auf der Außenseite der Schubdüse 6a so angeordnet, daß der hintere Abschnitt einer jeden Klappe 10 in einer gebogenen Ausnehmung 10a gleitet, wodurch eine Rückwärtsbewegung der Klappe 10 sowie ihr Übergang in die ausgefahrene Stellung erzielt wird. Wenn die Klappen 10 ihre eingezogene Stellung einnehmen, besitzt die Schubdüse 6a eine von plötzlichen Krümmungsänderungen freie Form, während, wenn die Klappen 10 ihre ausgefahrene Stellung einnehmen, der hintere Teil 2 des Triebwerks praktisch jo zylindrisch ist und sich aus der Schubdüse 6, den Klappen 10 und dem Rohrstück 8 zusammensetzt.

Die Vorrichtung 14 veränderlichen Querschnitts kann durch Überlappungsklappen gebildet werden, welche an dem Ende der Primärdüse 7 schwenkbar und so ausgebildet sind, daß, wenn sie ihre Stellung großer öffnung einnehmen, sie diese Primärdüse 7 parallel zu dem gegenüberliegenden Abschnitt der Schubdüse 6a verlängern.

In F i g. 5 sind die verschiedenen beweglichen Teile vollausgezogen in der Stellung dargestellt, welche sie für Flugbedingungen mit Unterschallgeschwindigkeit und an der Schallgeschwindigkeitsgrenze einnehmen, und strichpunktiert in der Stellung, welche sie für die Flugbedingungen bei Überschallgeschwindigkeit einnehmen.

Das Rohrstück 8 sowie die dieses haltenden Tragarme können mit festen oder einziehbaren Geräuschdämpfern versehen sein.

F i g. 6 und 7, in welchen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in F i g. 1 und 2 bezeichnen, zeigen eine Anwendung der Erfindung auf eine nebeneinanderliegende Anordnung eines Schubdüsenpaars.

Bei einer derartigen Anordnung umgibt das Rohrstück 8 jeder Schubdüse 6 teilweise, aber die beiden nebeneinanderliegenden Schubdüsen 6 vollständig. Das Rohrstück 8 kann eine mittlere Trennwand 8c aufweisen, welche sich nach strömungsaufwärts gabelt.

Die Klappen 10 sind nur an einem Teil der Außenseite einer jeden Schubdüse 6 angeordnet, wobei sich die Gesamtheit der Klappen 10 auf den durch die Nebeneinanderlagerung der beiden Schubdüsen 6 gebildeten gebogenen Abschnitten befindet.

Fig.6 entspricht den Flugbedingungen bei Unterschallgeschwindigkeit und an der Schallgeschwindigkeitsgrenze und Fig.7 den Flugbedingungen bei Überschallgeschwindigkeit

Bei den verschiedenen obigen Ausführungsformen war angenommen, daß die Schubdüse 6 oder 6a an der Stelle der Klappen 10 kontinuierlich ist, d. h. daß die Innenseite der Düsen 6 oder 6a kontinuierlich bleibt, wenn sich die Klappen 10 in ihrer ausgefahrenen Stellung befinden.

Bei anderen (nicht dargestellten) Ausführungsformen kann die Schubdüse 6 oder 6a den Klappen 10 entsprechende öffnungen aufweisen, d. h. daß bei ausgefahrenen Klappen 10 die Innenseite der Schubdüse 6 oder 6a öffnungen aufweist durch welche keine Strömung erfolgt da diese öffnungen in ein geschlossenes Volumen münden, welches durch die Klappen 10, das Rohrstück 8 und die ihre entfaltete Stellung einnehmenden Schwenkklappen !2 begrenzt wird. Diese Lösung ermöglicht eine Verringerung des Gewichts des Aufbaus der Schubdüsen 6 oder 6a, sie ist jedoch in strömungstechnischer Hinsicht nicht sehr befriedigend Übrigens betrifft sie im besonderen die Zweistromtriebwerke, da dann nur die Strömung des Sekundärstroms gestört wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Für Unterschall- und Überschallflug eines Gasturbinenstrahltriebwerks geeignete Schubdüse mit Schwenkklappen, durch die im Unterschallflug ein konvergenter und im Oberschallflug ein konvergent-divergenter Verlauf des kreisförmigen Strömungsquerschnitts der Schubdüse hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubdüse (6) von einem in Axialrichtung in seiner Wandstärke im Hinblick auf aerodynamische Erfordernisse profilierten Rohrstück (8) mit Abstand umgeben ist derart, daß in der Stellung für Oberschallflug der hintere Randbereich des Rohr-Stücks (8) als Anschlag für die Schwenkklappen (12) und der vordere Rand des Rohrstücks (8) als Anlage für weitere Klappen (10) dient, die am Außenumfang der Schubdüse (6) im Bereich deren stromaufwärtigen Endes gelagert sind, wobei der Durchmesser des Rohrstücks im wesentlichen gleich ist dem Durchmesser der Schubdüse in der Ebene der Lagerung der weiteren Klappen.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (8) seine größte Wandstärke in seinem hinteren Randbereich aufweist derart, daß im Überschallflug beim Anliegen der Schwenkklappen (12) am Rohrstück deren divergenter Verlauf durch die Innenkontur des Rohrstücks im hinteren Randbereich fortgesetzt wird.

3. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Klappen (10) in einer bogenförmigen Ausnehmung (10a) in der Schubdüsenwandung gleitend gelagert ist.

4. Mit Schubdüsen nach einer der vorhergehenden Ansprüche gebildetes Schubdüsenpcar, dadurch gekennzeichnet, daß ein den beiden Schubdüsen (6) gemeinsames Rohrstück (8) aus zwei halbzylindrischen Teilen mit geraden Übergangsstücken zwisehen diesen Teilen besteht, wobei zwischen den beiden Schubdüsen eine vom stromabwärtigen Ende ausgehende, sich stromaufwärts gabelnde und mit dem Rohrstück fest verbundene Trennwand (8c) angeordnet ist.