DE2609779C1 - Zweistrom-Gasturbinentriebwerk fuer kurz- oder vertikalstartfaehige Flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zweistrom-Gasturbinentriebwerk für kurz- oder vertikalstartfähige Flugzeuge, welches zwei Schubstrahlen erzeugt und pro Schubstrahl mindestens eine das Verändern der Strahlrichtung ermöglichende Strahldüse aufweist sowie Mittel zur wahlweisen zusätzlichen Brennstoff­ verbrennung in einem der beiden Schubstrahlen zur Schub­ steigerung enthält.

Dabei handelt es sich insbesondere um ein Schwenkdüsen­ triebwerk.

Zweistrom-Gasturbinentriebwerke mit Schwenkdüsen sind allgemein bekannt und weisen gewöhnlich ein durch ein Basistriebwerk angetriebenes Frontgebläse sowie zwei Düsen­ paare auf, nämlich ein erstes Düsenpaar, dessen Düsen an den beiden Seiten des Triebwerks angeordnet sind und mit verhältnismäßig kalter Luft vom Gebläse beliefert werden, und ein zweites Düsenpaar am hinteren Triebwerksende, dessen Düsen mit verhältnismäßig heißem Abgas der Turbine des Basistriebwerks beaufschlagt werden. Durch Schwenken dieser Düsen können die Triebwerksschubstrahlen je nach Bedarf nach hinten, nach unten oder nach vorne gelenkt werden. Zur Ermöglichung eines Vertikalstarts eines Flugzeugs mit hoher Nutzlast muß das Triebwerk ein großes Schub/Gewichts- Verhältnis besitzen. Der Triebwerksschub kann leicht durch Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff im verhältnismäßig kalten Luftstrom zu den vorderen Schwenkdüsen gesteigert werden.

Wenn beim Vertikalstart der Schub der vorderen Schwenk­ düsen relativ zu demjenigen der hinteren Schwenkdüsen gesteigert wird, so liegt die Wirkungslinie des resultierenden Triebwerksgesamtschubes, die Gesamtschubangriffslinie, weiter vorne als bei nicht gesteigertem Schub der vorderen Düsen. Die Lage der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks ist von den relativen Größen und Lagen der Einzelschub­ vektoren der vorderen und hinteren Schwenkdüsen abhängig.

Die Lage der Schubangriffslinie des Triebwerks ist von wesentlicher Bedeutung, da Verschiebungen dieser Schubangriffslinie ernsthafte Probleme hinsichtlich der Flugzeugstabilität hervorrufen können. Dieses Problem ist beim Vertikalstart besonders gravierend, da die aero­ dynamischen Steuerflächen des Flugzeugs bei fehlender oder geringer Vorwärtsgeschwindigkeit hinsichtlich der Steuerung der Flugzeuglage unwirksam sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Triebwerk der eingangs dargelegten Art im Sinne einer Beseitigung oder weitgehenden Verringerung der eben erwähnten Stabilitäts­ schwierigkeiten zu verbessern.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Zweistrom-Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung durch Mittel gekennzeichnet, mittels welcher mindestens beim Vertikalstart die Lage der Schubangriffslinie des betreffenden einen Schubstrahls bei zusätzlicher Brenn­ stoffverbrennung derart veränderbar ist, daß eine wesent­ liche Änderung der Lage der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks vermieden wird.

Dazu kann, da eine Strahldüse mit veränderlichem Aus­ trittsquerschnitt zur Anpassung an den veränderlichen Schub­ strahl erforderlich ist, diese Düse so ausgebildet sein, daß die Schubangriffslinie dieser Düse bei gesteigertem Schub eine andere Lage als bei nicht gesteigertem Schub aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Triebwerk ein Paar rohrkrümmerartiger Schwenkdüsen auf, welche an beiden Seiten der Triebwerksmittellinie angeordnet sind und den kalten Schubstrahl ausstoßen. Jede dieser Düsen endigt in einem verstellbaren Segmentdüsenendrohr mit variabler Konvergenz, welches an einer Seite längere Segmente als an der anderen Seite aufweist, so daß in der am stärksten konvergenten Stellung der nicht gesteigerte Schubstrahl aus der Strömungsachse der Schwenkdüse abgelenkt wird.

Es leuchtet ein, daß bei der eben beschriebenen verstellbaren Segmentdüse bei fortschreitend schwächer konvergenter Stellung zum Ausstoßen eines fortschreitend stärkeren Schubstrahls dieser Schubstrahl in zunehmend geringerem Maße aus der Strömungsachse der Düse abgelenkt wird, bis in der Parallelstellung der Düsensegmente der Schubstrahl der Strömungsachse der Düse folgt.

Durch Schwenken der Schwenkdüse, wenn sich diese zum Ausstoßen eines nicht verstärkten Schubstrahles in ihrer konvergenten Stellung befindet, in eine Winkelstellung vorderhalb einer für eine zum Ausstoßen eines verstärkten Schubstrahles weniger konvergente Düseneinstellung zu wählenden Winkelstellung ist es infolge der bei der konvergenten Düsen­ einstellung bewirkten Strahlablenkung möglich, sowohl den verstärkten als auch den nicht verstärkten Schubstrahl vertikal nach unten auszustoßen, wobei jedoch die Schubangriffslinie der Düse bei nicht verstärktem Schubstrahl weiter vorne als bei verstärktem Schubstrahl liegt. Diese Möglichkeit der Verschiebung der Düsenschubangriffslinie bei verstärktem Schubstrahl relativ zur Lage dieser Schubangriffslinie bei nicht verstärktem Schubstrahl ermöglicht es, eine Ver­ schiebung der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks im wesentlichen zu vermeiden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist eine Ablenkvorrichtung vorgesehen, die derart positionier­ bar ist, daß mindestens beim Vertikalstart einer der beiden Schubstrahlen des Triebwerks abgelenkt wird.

Diese Ablenkeinrichtung kann entweder an der Düse oder an der Flugzeug- oder Triebwerkskonstruktion befestigt sein.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ stehend mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungs­ gemäßes Triebwerk im Halbschnitt,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Trieb­ werks, die Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 für kurz- oder vertikalstart- und -landefähige Flugzeuge, mit einem Frontgebläse 12, welches in einen Einlauf 13 einströmende Luft verdichtet. Ein Strömungsteiler 14 teilt den ver­ dichteten Gebläseluftstrom in einen ersten, in eine Ausgleichs­ kammer 15 eintretenden Teilstrom und in einen zweiten, in das Basistriebwerk eintretenden Teilstrom auf. Das Basis­ triebwerk enthält einen Hochdruckverdichter 17 zur weiteren Verdichtung des zugeführten Luftstroms, weiter eine Brenn­ einrichtung 18, in welcher der Luftstrom mit Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrannt wird, und eine durch die Verbrennungsgase angetriebene Turbine 19, welche über eine Welle 20 den Hochdruckverdichter 17 antreibt.

Stromab der ersten Turbine 19 ist eine zweite Turbine 21 angeordnet, welche über eine zweite Welle 22 das Frontgebläse 12 antreibt. Die aus der zweiten Turbine 21 austretenden heißen Gase bilden einen der beiden Schubstrahlen des Trieb­ werks und werden durch ein Hosenrohrstück 23 und ein Schwenk­ düsenpaar 24, 25 ausgestoßen, dessen Düsen in einer Lateral­ ebene beiderseits der Triebwerksachse 26 angeordnet sind.

Die Düsen sind in bekannter Weise in Lagern 27 und 28 schwenkbar gelagert.

Die verhältnismäßig kalte, in die Ausgleichskammer 15 geleitete Strömung bildet den zweiten Schubstrahl des Trieb­ werks und wird durch ein zweites Schwenkdüsenpaar 29, 30 ausgestoßen, dessen Düsen ebenfalls in einer Lateralebene beiderseits der Triebwerksachse angeordnet sind.

In der Ausgleichskammer 15 sind Zusatzbrenneinrichtungen angeordnet, mittels welcher zusätzlicher Brennstoff zur Schubsteigerung der kalten vorderen Schubstrahlen verbrannt werden kann.

Die vorderen Schwenkdüsen 29 und 30 sind in Lagern 32 und 33 schwenkbar gelagert und endigen jeweils in einem Segmentdüsenendrohr 34 bzw. 35.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Segmentdüsenend­ rohre jeweils auf ihrer einen Seite 37 längere Segmente 36 als auf ihrer anderen Seite 38 aufweisen. Weiter ist ersichtlich, daß bei in der Stellung 39 stehender Schwenk­ düse 30 und am stärksten konvergenter Einstellung des Segmentdüsenendrohrs 35 für die nicht verstärkte kalte Strömung die Strahlrichtung 40 aus dem Düsenendrohr aus der Strömungsachse 41 der rohrkrümmerartigen Schwenkdüse 30 heraus so abgelenkt ist, daß der Strahl vertikal nach unten ausgestoßen wird. Wird die Strömung durch die vorderen Schwenkdüsen verstärkt, so wird jeweils das Segmentdüsen­ endrohr bis in seine Paralleleinstellung erweitert und die Schwenkdüse in die mit 42 bezeichnete Stellung bewegt. In dieser Stellung 42 wird die Strömung wiederum vertikal nach unten ausgestoßen, wie durch den Pfeil 43 angedeutet ist, jedoch wird die Strömung nicht mehr aus der Strömungsachse 41 der Schwenkdüse heraus abgelenkt. Das Ergebnis der Veränderung der Winkellage der Schwenkdüse in Verbindung mit der unter­ schiedlichen Strahlablenkung infolge der veränderten Kon­ vergenz der ungleichlangen Segmente des Düsenendrohrs ist eine Verschiebung der Schubangriffslinie 43 bei verstärkter Strömung nach hinten mit Bezug auf die Schubangriffslinie 40 für die nicht verstärkte Strömung.

Die resultierende Gesamtschubangriffslinie des Trieb­ werks hängt von den Größen der Schübe sowie der Lage und Richtung der einzelnen Schubangriffslinien der vorderen und hinteren Schwenkdüsen ab. Während des Vertikalstarts bleibt der Schub der hinteren Schwenkdüsen im wesentlichen konstant und wirkt in der gleichen Wirkungslinie unabhängig von der Steigerung der Strömung durch die vorderen Schwenk­ düsen. Die Verschiebung der Schubangriffslinie der Schub­ strahlen der vorderen Schwenkdüsen, die jeweils von der Vergrößerung der Strömung durch die vorderen Düsen abhängig ist, in Verbindung mit der feststehenden Schubangriffslinie der hinteren Schwenkdüsen ermöglicht es, die resultierende Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks stets im wesentlichen durch den Flugzeugschwerpunkt 45 verlaufend zu halten.

Die Schwenkdüse 30 kann zur Erzeugung eines nach hinten gerichteten Schubstrahls in ihre mit strichpunktierten Linien angedeutete Stellung 44 geschwenkt werden und es ist ein­ zusehen, daß auch in dieser Stellung die Strahlaustritts­ richtung aus der Düse sich in Abhängigkeit davon, ob die Strömung verstärkt ist oder nicht, ändert. Dies stellt jedoch aus den nachstehenden Gründen kein so ernstes Problem wie bei nach unten gerichtetem Strahl dar.

Der Schwerpunkt des Flugzeugs, in welches das Triebwerk eingebaut ist, liegt etwa beim eingezeichneten Punkt 45 und folglich führt die Änderung der Strahlaustrittsrichtung aus den Düsen 29 und 30 in deren nach hinten gerichteter Stellung nur zu einem sehr kleinen Längsmoment auf das Flugzeug. Ein solches kleines Längsmoment kann jedoch mittels der aerodynamischen Steuerflächen des Flugzeugs ausgeglichen werden. Es ist auch möglich, irgendwelche sich infolge von Längsmomenten beim Vorwärtsflug ergebende Schwierigkeiten durch geringfügige Änderung der Neigung der hinteren Schwenk­ düsen 24 und 25 zu lösen. Dies führt zu keinem merklichen Schubverlust, da der Schwenkwinkel der hinteren Düsen nicht groß zu sein braucht, um ein beträchtliches Längskippmoment auf das Flugzeug auszuüben.

Änderungen der Strahlaustrittsrichtung aus den vorderen Schwenkdüsen, die bei Änderungen des Düsenaustrittsquer­ schnitts während des Vorwärtsfluges auftreten und durch Trimmen der aerodynamischen Steuerflächen oder Änderung der Neigung der hinteren Schwenkdüsen ausgeglichen werden können, können in gewissem Maße einen induzierten Widerstand bewirken. Es ist jedoch möglich, diesen induzierten Widerstand für irgendeinen bestimmten Flugzustand auf ein Minimum zu verringern. Infolgedessen kann der induzierte Widerstand bei der Konstruktion eines Flugzeugs, beispielsweise eines Überschalljagdflugzeugs, für den Überschallflugbereich auf ein Minimum verringert und ein höherer induzierter Widerstand bei Unterschallfluggeschwindigkeiten in Kauf genommen werden.

Bei der Konstruktion eines bestimmten Flugzeugs kann die Wahl der jeweiligen relativen Orientierungen der Düsen und die Trimmung der aerodynamischen Steuerflächen eine Abwandlung erforderlich machen, um die Verschiebung des Auftriebszentrums des Flugzeugs beim Überschallflug zu berücksichtigen.

Auf die Beschreibung einer Betätigungsvorrichtung für die Segmentdüsenendrohre 34 und 35 wird verzichtet, da der Fachmann leicht bekannte Vorrichtungen zur Betätigung solcher Düsenendrohre auf die oben beschriebenen Düsenendrohre mit veränderlichem Austrittsquerschnitt anwenden kann. Besonders geeignet ist eine Betätigungsvorrichtung, wie sie in der GB-PS 12 78 801 beschrieben ist.

Es leuchtet weiter ein, daß die Betätigungsvorrichtung für die einen veränderlichen Austrittsquerschnitt aufweisende Düse stromab des Schwenklagers wirksam sein muß, in welchem die betreffende Schwenkdüse gelagert ist.

Es ist folglich ein Mechanismus erforderlich, um das Betätigungssignal bzw. die Betätigungskraft über das Schwenk­ lager hinüber zu übertragen. Ein geeigneter Mechanismus ist in der GB-PS 11 77 954 beschrieben.

Gemäß einer Abwandlung der Erfindung ist eine rohr­ krümmerartige Schwenkdüse, wie in den Fig. 3A und 3B dar­ gestellt ist, mit einer beweglichen Ablenkschale 50 versehen, welche das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Segmentdüsen­ endrohr mit verschieden langen Segmenten ersetzt.

Es ist ersichtlich, daß die etwa einen U-Querschnitt aufweisende Ablenkschale 50 mittels eines Steuermechanismus 53 um ein Lager 51 herum schwenkbar ist und mit der Kante 52 des Schwenkdüsenrohres derart zusammenwirkt, daß sowohl der Düsenaustrittsquerschnitt als auch die Strahlaustrittsrichtung des Schubstrahls mit Bezug auf die Strömungsachse 41 des Düsenrohres analog zum oben beschriebenen Segmentdüsen­ endrohr variabel ist.

Bei einer weiteren, schematisch in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist ein Ablenkblech 60 an der Flugzeugkonstruktion 61 aufgehängt und dient zur Ablenkung der aus der vorderen Schwenkdüse 61 austretenden Strömung während des Vertikal­ starts. Die beiden vorderen Schwenkdüsen 61 sind jeweils mit herkömmlichen Segmentdüsenendrohren 62 mit gleichlangen Segmenten ausgerüstet und die Strahlablenkung aus der Strömungsachse der Düse erfolgt mittels des Ablenkbleches 60. Jeder vorderen Düse ist ein solches Ablenkblech zugeordnet. Die Steuerung der Düsen bei vergrößerter oder nicht vergrößerter Strömung erfolgt ähnlich wie bei den in den vorhergehenden Zeichnungsfiguren gezeigten Anordnungen.

Die Ablenkbleche 60 können während des Vorwärtsfluges des Flugzeugs mittels pneumatischer Betätigungsvorrichtungen 63 eingezogen oder ausgefahren werden. In ihrer eingezogenen Stellung 64 liegen die Ablenkbleche 60 bündig in Ver­ tiefungen 65 beiderseits des Rumpfes 66. Diese letztere Anordnung weist gewisse Vorteile auf, beispielsweise werden die sich aus der veränderlichen Ablenkung des Düsenschub­ strahls infolge von Änderungen des Düsenaustrittsquerschnitts beim Vorwärtsflug ergebenden Schwierigkeiten vermieden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Ablenkblech zur Vergrößerung der wirksamen Bewegung desjenigen Punktes verwendet werden kann durch welchen die Wirkungslinie des gesteigerten Schubes der Schwenkdüsen hindurchverläuft, ohne die Düsenlänge zu vergrößern. Eine solche Vergrößerung der Schwenkdüsenlänge wäre nachteilig, da sie bei Vorwärts­ flug einen zusätzlichen Widerstand erzeugen könnte und eine erhöhte Betätigungskraft des Düsenschwenkmechanismus bedingen würde. Die Kräfte im Düsenschwenkmechanismus sind in jedem Falle gegenüber denjenigen bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen wegen der Verwendung eines herkömmlichen Segmentdüsenendrohrs verringert, da kein Hebelarm mehr vorhanden ist, auf welchen der abgelenkte Strahl wirken kann.

Obwohl das Ablenkblech hier an der Flugzeugkonstruktion aufgehängt dargestellt ist, ist es klar, daß es ebenso an der Triebwerkskonstruktion aufgehängt sein kann.

Es ist ferner einzusehen, daß, obwohl sich die oben beschriebenen Ausführungsformen auf rohrkrümmerartige Schwenkdüsen beziehen, auch andere Düsenkonstruktionen Anwendung finden können. Insbesondere ist es möglich, die kalte Schubstrahlströmung des Triebwerks durch eine einzige, an der Rumpfunterseite angeordnete Düse auszustoßen und Mittel zur Veränderung der Schubangriffslinie dieser Düse vorzusehen, um eine Steigerung des Schubes der kalten Strömung auszugleichen.

Claims (6)

1. Zweistrom-Gasturbinentriebwerk für kurz- oder vertikal­ startfähige Flugzeuge, welches zwei Schubstrahlen erzeugt und pro Schubstrahl mindestens eine das Verändern der Strahlrichtung ermöglichende Strahldüse aufweist sowie Mittel zur wahlweisen zusätzlichen Brennstoffverbrennung in einem der beiden Schubstrahlen zur Schubsteigerung enthält, gekenn­ zeichnet durch Mittel (35, 36; 50; 60), mittels welcher mindestens beim Vertikalstart die Lage der Schubangriffs­ linie des betreffenden einen Schubstrahls bei zusätzlicher Brennstoffverbrennung derart veränderbar ist, daß eine wesentliche Änderung der Lage der Gesamtschubangriffslinie des Triebwerks vermieden wird.

2. Triebwerk nach Anspruch 1, mit zwei Schwenkdüsen zum Ausstoßen des verstärkbaren Schubstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schwenkdüse (19, 30) an ihrem Austrittsende Mittel (35; 50) zur Ablenkung des austretenden Schubstrahls aus der Strömungsachse in der Düse aufweist, welche bei gleichzeitiger Änderung der Winkelstellung der betreffenden Schwenkdüse das Verschieben der Schubangriffs­ linie dieser Düse ermöglichen.

3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwenkdüsen (29, 30) jeweils ein Segment­ düsenendrohr (35) mit verstellbarem Austrittsquerschnitt aufweisen, welches auf seiner einen Seite (37) längere Segmente (36) als auf seiner anderen Seite (38) aufweist und zwischen einer konvergenten Stellung mit verhältnismäßig kleinem Austrittsquerschnitt, in welcher die längeren Segmente eine Ablenkung des austretenden Schubstrahls aus der Strömungsachse der Düse bewirken, und einer stärker geöffneten Stellung verstellbar ist, in welcher im wesentlichen keine Strahlablenkung stattfindet.

4. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung des Schubstrahls aus der Strömungsachse der Düse (30) eine Ablenkschale (50) dient, die schwenkbar an der Düse angeordnet und zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie den Düsenauslaß zwecks Austrittsquerschnitts­ verringerung teilweise verdeckt und den Schubstrahl aus der Strömungsachse der Düse ablenkt, und einer zweiten Stellung schwenkbar ist, in welcher sie die Düsenaustrittsöffnung im wesentlichen nicht verdeckt und im wesentlichen keine Strahlablenkung bewirkt.

5. Triebwerk nach Anspruch 1, mit zwei Schwenkdüsen zum Ausstoßen des verstärkbaren Schubstrahls, gekennzeichnet durch ein oder mehrere nahe den Austrittsenden der Schwenk­ düsen (29, 30) angeordnete Ablenkbleche (60), welche bei nach unten gerichteten Schwenkdüsen derart mit diesen zusammen­ wirken, daß sie den austretenden Schubstrahl ablenken und dadurch die Schubangriffslinie dieser Schwenkdüsen verschieben.

6. Triebwerk nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (63) zum Einziehen des oder der Ablenkbleche (60) in eine unwirksame, mit der Rumpfaußenlinie des Flugzeugs bündige Stellung.