DE2318607C3 - Verstellbare konvergent-divergente Schubdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse mit stromaufseitigen verstellbaren ersten Klappen, deren jede an einem ortsfesten Gehäuseteil angclcnkt ist, stromabseitigen verstellbaren zweiten Klappen, deren jede mit ihrer zugeordneten ersten Klappe gelenkig verbunden is!, und mit einer Verstelleinrichtung, die für jedes von einer ersten und zweiten Klappe gebildetes Klappenpaar einen Verstellmotor, welcher nur mit der ersten Klappe und dem ortsfesten Gehäuseteil verbunden ist und ein Verbindungsgestänge in Form eines Kurbelvierecks zum Verstellen der zweiten Klappe relativ zur ersten Klappe aufweist, wobei das Kurbelviereck einerseits mit der zweiten Klappe an einer Stelle gelenkig verbunden ist, die von der Stelle der Gelenkverbindung der zweiten Klappe mit der ersten Klappe verschieden iit, und andererseits an dem Gehäuse an einer Stelle angelenkt ίο ist, die von der Stelle der ortsfesten Anlenkung der ersten Klappe am Gehäuse verschieden ist.

Bei einer bekannten Schubdüse der genannten Art

(DE-AS 11 02 494; F i g. 2,3) ist unter Verwendung eines Verstellmotors eine gleichzeitige Verstellung der ersten und der zweiten Klappen derart möglich, daß die Winkellage der zweiten Klappen zur Düsenachse von Verstellungen der ersten Klappen nicht beeinflußt wird.

Soll auch die Winkellage der zvveiten Klappen zur Düsenachse geändert werden, so muß ein gesonderter Verstellmotor zur Wirkung gebracht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schubdüse der

einleitend genannten Art so auszuführen, daß eine gleichzeitige Verstellung der ersten und der zweiten Klappen mit einfachen Mitteln vorgenommen werden kann.

Gelost wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die zweiten Klappen mit den ersten Klappen direkt über ein Scharniergelenk verbunden sind und daß das Kurbelviereck an insgesamt zwei Gelenkpunkten ortsfest mit dem Gehäuse verbunden ist und die Seitenlängen des Kurbelvierecks so aufeinander abgestimmt sind, daß zu jeder eingestellten Winkeländerung der ersten Klappen eine vorbestimmte Winkeländerung der zweiten Klappen gehört.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist gleichzeitige Verstellung beider Klappen, z. B. derart, daß die Querschnitte am Hals der Düse und am Austritt der Düse gleichzeitig nach einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit geregelt werden können, mit einem einzigen Verstellmotor möglich, so daß der konstruktive Aufwand und der Betätigungsaufwand gegenüber der bekannten Schubdüse verringert sind. Außerdem ist eine Falschbetäligung, wie sie möglich ist, wenn für eine solche Verstellung zwei Verstellmotoren benötigt 4S werden, nicht möglich.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 ist eine nach der Linie l-l von F i g. 2 verlaufende axiale Halbschnittansicht einer regelbaren konvergent-divergenten Schubdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht der Düse gemäß Fig. 1, in « Richtung des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeils Il gesehen.

Fig.3 ist eine Teilquerschnittansicht nach der Linie III-III von Fig. 1.

F i g. 4 ist eine Teilquerschnittsansicht nach der Linie IV-IV von F ig. 1.

F i g. 5 ist eine nach der Linie V-V von F i g. 7 verlaufende axiale Halbschnittansichl einer regelbaren konvergent-divergenten Schubdüse gemäß einer zweiten Ausfiihrungsform der Erfindung, wobei die Düse in '·> ihrer einen Endgestalt wiedergegeben ist.

F ι g. 6 ist eine der F i g. 5 ähnliche Axialschnittansieht, in welcher die Düse in ihrer anderen Endgestalt wiedergegeben ist.

F ι g. 7 ist eine Draufsicht der Düse gemäß F i g. 5. in Richtung des in Fig. 5 eingezeichneten Pfeils VlI gesehen.

Die Fig. 1 bis 4 geben eine erste Ausführungsform wieder.

In Fig. 1 ist allgemein mit 1 das Schubteil eines Strahltriebwerkes bezeichnet, das für den Vortrieb eines Fluggerätes, wie z. B. eines Flugzeuges, bestimmt ist. Das Schubteil weist einen Primärkanal 2 und einen Sekundärmantel 3 auf.

Der Primärkanal 2 weist einen ortsfesten Schubkanal 4 auf, der vorn mit einem nicht dargestellten Heißgaserzeuger, bspw. von der Art einer Gasturbine, verbunden ist und nach hinten in eine regelbare Primärdüse 5 übergeht, die eine Auslaßöffnung 6 aufweist.

Der Sekundärmantel 3, dessen Querschnittsfläche größer als diejenige des Primärkanals 2 ist, umgibt den Primärkanal 2 und erstreckt sich nach hinten bis jenseits der Auslaßöffnung 6 der Primärdüse 5. Dtr Primarkanal 2 und der Sekuridärmantel 3 begrenzen zusammen einen Sekundärkanal 7.

Im Betrieb geht ein Pnmärgasstrom Fi durch die Primärdüse 5 hindurch, während ein Sekundärluftstrom F2 den Sekundärkanal 7 durchströmt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Primärdüse 5 und 'trifft insbesondere deren Regelung. Es ist natürlich einleuchtend, daß die Erfindui 1 auch in dem Fall anwendbar ist, in welchem die Primärdüse 5 nicht von einem Sekundärniantel 3 umgeben ist.

Der Schubkanal 4 weist an seinem hinteren F.nde einen Flansch 8 auf, mit dem ein Flansch 9 verbolzt ist, der einen Teil eines den Schubkanal 4 umgebenden Ringes 10 bildet. Der Ring 10 weist an seinem hinteren Teil Rippen (1 auf und ist an seinem vorderen Teil mit einem Aufhängungsring 12 einstückig verbunden, der ebenfalls mit Rippen 13 versehen ist.

Um den Ring 10 herum sind Längsstreben 14.i, 146 verteilt angeordnet, deren jede am vorderen Ende an dem Aufhängungsring 12 mittels eines durch die Rippen 13 des Aufhängungsringes 12 hindurchgehenden Zapfens 15 und an ihrem hinteren Ende an einem Bügel 16 mittels eines Gelenkzapfens 17 befestigt ist. Der Bügel 16 ist seinerseits an dem Ring 10 mittels eines Gelenkzapfens 18 befestigt, der durch die Rippen 11 des Rings 10 hindurchgeht.

Der Zusammenbau der Längsstreben 14a, 146 bildet ein ortsfestes Gehäuse, das dazu bestimmt ist, die regelbare Düse 5 sowie die Regelorgane für die Düse abzustützen.

Die Düse 5 weist einen Satz stromaufseitiger verstellbarer erster Klappen 20 und einen Satz stromabseitiger verstellbarer zweiter Klappen 30 auf. Ferner ist die Düse mit stromaufseitigen und stromabseitigen Nachfolgeklappen 40 bzw. 50 versehen (F i g. 2), die dazu bestimmt sind, die Umfangsabdichtung der Düse in bekannter Weise zu gewährleisten. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist jede Nachfolgeklappe (im dargestellten Fall eine stromaufseitige Narhfolgeklappe 40) zwischen zwei verstellbaren Klappen 20 angeordnet, und sie wird unter der Wirkung des Drucks des Gasstroms F\ an die Innenränder dieser Klappen 20 angelegt.

lede s'.romaul'seitige bzw. erste Klappe 20 ist an ihrem stiomauf liegenden Teil mit dem ortsfesten Gehäuse 14a, 146 durch eine Schwenkachse 21 gelenkig verbunden. Ein Dichtring 19 gewährleistet die Abdichtung zsvischen dem stromab liegenden Ende des Schubkanals 4 und den ersten Klappen 20 und den stromaufseitigen Nachfolgeklappen 40.

Jede stromabseitige bzw. zweite Klappe 30 ist an ihrem stromauf liegenden Ende unmittelbar mit dem

^ stromab liegenden Ende einer ersten Klappe 20 durch ein Scharniergelenk 31 verbunden. Der stromab liegende Teil der zweiten Klappe 30. der dazu dient, den Ausgangsquerschnitt der Düse 5 zu bestimmen, ist frei. Die Nachfolgeklappen 40 und 5Ü sind in ähnlicher Weise miteinander gelenkig verbunden.

Nachstehend soll ein Klappenpaar betrachtet werden, das von einer ersten Klappe 20 und einer zweiten Klappe 30 gebildet ist.

jedem Klappenpaar 20, 30 ist eine Steuereinrichtung zugeordnet, welche den Querschnitt an der engsten Stelle der Düse 5 und den Querschnitt am Ausgang der Düse 5 gleichzeitig zu ändern gestattet. Diese Steuereinrichtung weist zwei getrennte Steuerorgane auf. nämlich ein »aktives« Steuerorgan 2*. und ein »passives« Steuerorgan 32.

Das »aktive« Steuerorgan 22 ist an seinem einen Ende lediglich mit der ersten Klappe 20 mitteis einer Schwenkachse 23 gelenkig verbunden, und an seinem anderen Ende ist es mit einem Verstellmotor, z. B. der verschiebbaren Stange 24 eines Arbeiiszylinders 25. verbunden, die an dem ortsfesten Gehäuse 14a. 146 mittels Lagerzapfen 26 schwenkbar gelagert ist. Mit 27 (F i g. 2) ist eine mit dem Arbeitszylinder 25 verbundene Leitung für die Zufuhr von Druckmitteln bezeichnet.

Das »passive« Steuerorgan 32 besteht aus einer gabelförmigen Verbindungsstange von unveränderlicher Länge (Fig. 2), die einen Schaft 32c· und zwei Zweige 32a, 326 aufweist. Das freie Ende des Schaftes 32c der Verbindungsstange 32 ist mit der zweiten Klappe 30 durch eine Schwenkachse 33 gelenkig verbunden, die von dem die erste Klappe 20 und die zweite Klappe 30 miteinander verbindenden Scharniergelenk 31 verschieden ist. Das freie Ende jedes der Zweige 32a, 326 der Verbindungsstange 32 ist mit dem ortsfesten Gehäuse 14a, 146 durch eine Achse 34 gelenkig verbunden, die von der Achse 21 verschieden ist. durch welche die erste Klappe 20 mit dem ortsfesten Gehäuse 14a, 1!46ge!enkig verbunden ist.

Die beschriebene Ausführung bildet ein Verbindungsgestänge in Form eines Kurbelvierecks 34, 33, 31, 21. Hierbei ist der Teil zwischen den Anlenkstellen 34 und 33 der außen liegende Teil, und der Teil zwischen den Anlenkstellen 31 und 21 der innen liegende Teil des Kurbelvierecks.

Die Düse 5 weist bspw. zwölf Klappenpaare 20, 30 auf. deren jedem ein Arbeitszylinder 25 und eine Verbindungsstange 32 zugeordnet ist. Sämtliche Arbeitszylinder 25 sind untereinander snychronisie'-.
Wenn im Betrieb die Arbeitszylinder 25 beaufschlagt werden, wird jede erste Klappe 20 um ihre Schwenkachse 21 verschvvenkt. Wie in F i g. 1 veranschaulicht, beschreibt aaher ein Punkt der Achse des Scharniergelenks 31, durch welche eine erste Klappe 20 und eine zweite Klappe 30 gelenkig miteinander verbunden sind.

um die Schwenkachse 21 der ersten Klappe 20 einen Kreisbogen vom Radius R]. Desgleichen beschreibt ein Punkt der Gelenkachse 33 an der zweiten Klappe 30 um die vordere Geienkachse 34 üer Verbindungsstange 32 einen Kreisbogen vom Radius R?. Diese geometrischen

'<> Größen sind ajsreichend, um zu gewährleisten, daß jeder Stellung der gesteuerten siromaufseitigen Klappe 20 eine einzige Stellung der gesteuerten stromabseitigen Klappe 30 entsprich; Diese Stellung ist in der Tal

geometrisch bestimmt, wenn einerseits der Ort der Gelenkachse 33 an der zweiten Klappe 30 und andererseits der Ort der Gelenkachse 34 an dem ortsfesten Gehäuse 14a, 14£> bekannt sind. Anders ausgedrückt, sind die Seitenlängen des Kurbelvierecks 34, 33, 31, 21 so aufeinander abgestimmt, daß zu jeder eingestellten Winkeländerung der ersten Klappen 20 eine vorbestimmte Winkeländerung der zweiten Klappen 30 gehört.

Es ist daher ersichtlich, daß durch zweckentsprechende Wahl der Orte der Gclenkac' jcn 33 und 34, zwischen denen sich die Verbindungsstangen 32 erstrecken, die Neigung der ersten Klappen 20 mit Bezug auf das ortsfeste Gehäuse 14a, 14i> und die Neigung der zweiten Klappen 30 mit Bezug auf die ersten Klappen 20 gemäß einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit gleichzeitig eingestellt werden können, d.h. daß schließlich der Querschnitt am Düsenhals und der Querschnitt am Ausgang der Düse 5 derart geregelt werden können, daß das Strahltriebwerk an die jeweiligen Flugbedingungen des Flugzeugs in günstiger Weise angepaßt wird.

Die vorliegende Erfindung führt daher zu dem Vorteil, daß mittels eines einzigen Satzes von Arbeitszylindern 25 die ersten Klappen 20 und die zweiten Klappen 30 der Düse gleichzeitig gesteuert werden können. Dieses Ergebnis wird aufgrund der Anwendung der Verbindungsstangen 32 erhalten, deren jede, obwohl sie »passiv« ist, die gleiche Aufgabe wie ein »aktives« Steuerorgan (wie z. B. ein Arbeitszylinder) erfüllt, jedoch mit einer geringeren Masse und bei geringeren Herstellungskosten sowie mit einer größeren Zuverlässigkeit.

Die Fig. 5 bis 7 beziehen sich auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

In diesen Figuren, in welchen die Aufbauteile, die denjenigen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4 identisch oder analog sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind insbesondere wieder das ortsfeste Gehäuse 14a, 14£> und ein Paar verstellbarer Klappen 20, 30 zu erkennen, die durch ein Scharniergelenk 31 miteinander verbunden sind, jedem Klappenpaar 20, 30 ist wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine Steuereinrichtung zugeordnet, die ein mit einem Arbeitszylinder 25 verbundenes »aktives« Steuerorgan 22 und ein »passives« Steuerorgan aufweist, das hier mit 132 bezeichnet ist.

Das »passive« Steuerorgan 132 ist wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4 von einer gabelförmigen Verbindungsstange gebildet, die einen Schaft 132c und zwei Zweige 132a, 1326 aufweist. Das freie Ende des Schaftes 132cder Verbindungsstange 132 ist mit der zweiten Klappe 30 durch eine Achse 33 gelenkig verbunden, die von dem die erste Klappe 20 und die zweite Klappe 30 gelenkig miteinander verbindenden Scharniergelenk 31 verschieden ist. Das freie Ende jedes der Zweige 132a, 132Z) der Verbin dungsstange 132 ist mit dem ortsfesten Gehäuse 14a, 14b durch eine Achse 34 gelenkig verbunden, die von der Achse 21 verschieden ist durch welche die erste Klappe 20 mit dem ortsfesten Gehäuse 14a, 14i> gelenkig verbunden ist.

Der Schaft 132c der Verbindungsstange 132 weist einen ersten Teil oder Kolben 132cx,der mit der zweiten Klappe 30 durch eine Achse 33 gelenkig verbunden ist, und einen mit Bezug auf den ersten Teil verschiebbaren zweiten Teil oder Zylinder 132Cy auf, der mit den

Zweigen 132a, 1326 der Verbindungsstange 132 einstückig verbunden ist.

Zwei wechselseitig zusammenarbeitende Anschlagteile 150,151, von denen der eine von dem Kolben 132or und der andere von dem Zylinder 132cy getragen ist, gestatten, die relative Verschiebungsbewegung zwischen dem Kolben und dem Zylinder über eine vorbestimmte Grenze hinaus anzuhalten.

Ferner ist jedem Klappenpaar 20, 30 eine Winkelan-Schlageinrichtung zugeordnet, die dazu bestimm ist, die Schwenkbewegung der zweiten Klappe 30 mit Bezug auf die erste Klappe 20 über eine vorbestimmte Winkelgrenze hinaus anzuhalten. Diese Winkelanschlageinrichtung weist zwei wechselseitig zusammenarbeitende Anschlagteile 160, 161 auf, von denen der eine von der ersten Klappe 20 und der andere von der zweiten Klappe 30 getragen ist.

Wenn im Betrieb die ersten Klappen 20 sich in der voll geöffneten Stellung befinden (Fig. 5). hat der Druck der Gase (zufolge des Stromes Fi), der auf die zweiten Klappen 30 ausgeübt wird, das Bestreben, den Schaft 132c der gabelförmigen Verbindungsstange 132 zu verkürzen, bis die mit dem Schaft verbundenen Anschlagleile 150,151 miteinander im Eingriff sind. Die Verbindungsstange 132 hat dann ihre minimale Länge, und die Winkelanschlagteile 160, 161 verbleiben im Abstand voneinander. Die Stellung der zweiten Klappen 30 ist auf diese Weise genau bestimmt.

Zu Beginn des von den Arbeitszylindern 25 gesteuerten Vorgangs des Schließens der ersten Klappen 20 behält die Verbindungsstange 132, solange die Winkelanschlagteile 160, 161 nicht miteinander in Eingriff treten, eine unveränderliche Länge, die gleich ihrer vorgenannten minimalen Länge ist. Die Einrichlung zum Steuern der Neigung der ersten und der zweiten Klappen 20 bzw. 30 arbeiten dann in der gleichen Weise wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.

In dem Maße, wie die ersten Klappen 20 sich schließen, nähern sich die Winkelanschlagteile 160, 161 einander, bis sie miteinander in Eingriff treten. Die Anschlagteile 150,151 kommen dann außer Eingriff, und der Schaft 132c der Verbindungsstange 132 beginnt sich zu verlängern. Von diesem Augenblick an ist die Verbindungsstange 132 ohne Wirkung auf die zweite Klappe 30, deren Stellung mit Bezug auf die erste Klappe 20 jetzt allein von den Winkelanschlagteilen 160,161 bestimmt ist.

Diese zweite Ausführungsform weist gegenüber der ersten Ausführungsform den Vorteil auf, daß sie eine umfassendere Änderungsgesetzmäßigkeit des Verhältnisses des Querschnitts am Ausgang der Düse zu dem Querschnitt am Düsenhals zu bestimmen gestattet. Aus diesem Grund verfügt man über eine größere Freiheit in der Wahl der Orte der Achsen 33 und 34, an denen die Verbindungsstange 132 angelenkt ist was andere Zwangsvorgänge oder Bedingungen zu erfüllen gestattet, wie z. B. die Bedingung eines minimalen äußeren Raumbedarfs.

Mit 170 ist eine elastische Rückführvorrichtung, wie z. B. eine Feder, bezeichnet die mit dem Kolben 132cx und dem Zylinder 132cy des Schaftes 132c der Verbindungsstange 132 in dem Sinn verbunden ist, in welchem sie die Gesamtlänge der Verbindungsstange zu verkürzen sucht. Diese Anordnung gewährleistet das automatische öffnen der zweiten Klappen 30 während der Ruheperioden der Düse 5.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, mit stromaufseitigen verstellbaren ersten Klappen, deren jede an einem ortsfesten Gehäuseteil angelenkt ist, stromabseitigen verstellbaren zweiten Klappen, deren jede mit ihrer zugeordneten ersten Klappe gelenkig verbunden ist, und mit einer Verstelleinrichtung, die für jedes von einer ersten und zweiten Klappe gebildetes Klappenpaar einen Verstellmotor, welcher nur mit der ersten Klappe und dem ortsfesten Gehäuseteil verbunden ist und ein Verbindungsgestänge in Form eines Kurbelvierecks zum Verstellen der zweiten Klappe relativ zur ersten Klappe aufweist, wobei das Kurbelviereck einerseits mit der zweiten Klappe an einer Stelle gelenkig verbunden ist, die von der Steile der Gelenkverbindung der zweiten Klappe mit der ersten Klappe verschieden ist, und andererseits an dem Gehäuse an einer Stelle angelenkt ist, die von der Stelle der ortsfesten Anlenkung der ersten Klappe am Gehäuse verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Klappen (30) mit den ersten Klappen (20) direkt über ein Scharniergelenk (31) verbunden sind und daß das Kurbelviereck an insgesamt zwei Gelenkpunkten ortsfest mit dem Gehäuse verbunden ist und die Seitenlängen des Kurbelvierecks so aufeinander abgestimmt sind, daß zu jeder eingestellten Winkeländerung der ersten Klappen (20) eine vorbestimmte Winkeländerung der zweiten Klappen (30) gehört.

2. Düse nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der außenliegende Teil des Kurbelvierecks, der einerseits mit der zweiten Klappe (30) gelenkig (bei 33) und andererseits mit dem Gehäuse (13) ortsfest und gelenkig (34) verbunden ist, eine einheitliche Verbindungsstange (32) aufweist.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (132) in ihrer Länge änderbar ist, und daß jedem Klappenpaar (20, 30) eine die Schwenkbewegung der zweiten Klappe (30) relativ zur ersten Klappe (20) auf einen vorbestimmten Winkel begrenzende Anschlageinrichtung zugeordnet ist, die zwei Anschlagelemente (160, 161) aufweist, von denen je eines von einer der beiden Klappen getragen ist.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Längenänderung der Verbindungsstange (132) diese zwei relativ zueinander verschiebbaren Teile (132cy, 132cx^ aufweist, die im Sinne einer Verkürzung der Länge der Verbindungsstange elastisch vorgespannt sind.

5. Düse nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anschlageinrichtung (150, 151) zum Begrenzen der Verschiebung der beiden Verbindungsstangenteile (132cy, 132cx_/)zueinander.