DE2633405A1

DE2633405A1 - Kuehleinrichtung fuer ein schwenkschub-gasturbinentriebwerksauslassystem

Info

Publication number: DE2633405A1
Application number: DE19762633405
Authority: DE
Inventors: Dudley Owen Nash; Thomas George Wakeman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-07-28
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1977-02-10
Also published as: IT1062506B; JPS60256541A; JPS5221513A; JPH0112935B2; FR2319771B1; US4000612A; FR2319771A1; JPS6045303B2; CA1065621A; DE2633405C2

Description

Kühleinrichtung für ein Schwenkschub-Gasturbinentriebwerksauslaßsystem

Die Erfindung bezieht sich auf Auslaß- bzw. Schubdüsen von Gasturbinentriebwerken und insbesondere auf hierfür bestimmte Kühlsysteme.

Die den Abgasen bzw. Auslaßgasen eines Gasturbinentriebwerks durch die Schubdüse erteilte hohe Geschwindigkeit sorgt für den Antriebsschub. Dieser Schub verläuft im wesentlichen parallel und in entgegengesetzter Richtung zu den aus der Düse austretenden Abgasen. Wenn dementsprechend die Richtung der Auslaßgase verändert wird, erfolgt eine entsprechende Richtungsänderung des Antriebsschubes. In typischer Weise sind Flugzeug-Gasturbinentriebwerke mit in der axialen Richtung festgelegten Düsen versehen, und die Flugzeugmanövrierung bzw. -steuerung erfolgt allein durch Flugzeugsteuerflächen .

Eine wirksame Integration eines Schwenkschub-Gasturbinentriebwerks in ein Vertikal-/Kurzstart- und -landungsflugzeug (V/ STOL - vertical/short take-off and landing aircraft) erfordert ein Gasturbinentriebwerk, mit dem sich große Schubpegel erzielen lassen, um die mit zusätzlichen Auftriebstriebwerken verbundenen Gewichtsnachteile zu vermeiden, wobei diese Triebwerke nur während

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der Start- und Landeflugphasen benutzt werden. Um derartig große Auftriebsschubpegel zu erreichen, ist eine Hochtemperaturverstärkung (Nachverbrennung) erforderlich, und zu einem zufriedenstellenden Triebwerk gehört ein wirksames Kühlschema für die V/STOL Auslaß- bzw. Schubdüse.

Besonders gravierende Kühlprobleme sind charakteristisch für verstärkt bzw. mit einer Nachverbrennung betriebene V/STOL Auslaßsysteme. Im einzelnen weist ein herkömmlich verstärktes Auslaßsystem (keine V/STOL Fähigkeit) entlang dem Strömungspfad des Auslaßstroms nur kleinere Druck- und Geschwindigkeitsänderungen auf. Das bedeutet, daß eine wirksame Filmkühlung durch Verwenden von flächenkonstanten Schlitzen oder Löchern zum Einspritzen des Kühlfilms erreicht werden kann, wobei sich nur kleinere Änderungen bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit und Verteilung des Kühlmittels ergeben, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern. Aus einem Vergleich ergibt sich, daß bei bekannten V/STOL Auslaßsystemen erhebliche Gasstrom-Druckveränderungs- und Kühlstrom-Steuerungsprobleme auftreten. Wegen der variablen Geometrie des Strömungspfades sind diese Systeme bei der Auftriebs- bzw. Steigbetriebsart wirkungsvoll, und der Düsenhals wird mit dem Ablenkglied so gedreht bzw. geschwenkt, daß der Gasstrom stromaufwärts vom Düsenhals bei Geschwindigkeiten gedreht wird, die wesentlich kleiner als die Schallgeschwindigkeit sind. Es werden somit starke Druckverluste vermieden und eine wirkungsvolle Arbeitsweise erzielt. Während dieses Merkmal zwar die Leistungsfähigkeit begünstigt, führt es zu einer schwierigen Steuerung des KühlmittelStroms, da Änderungen

_vchenden in der Geometrie des Strömungspfadeb längs desselben mit weitreT¹¹) Veränderungen bezüglich der Geschwindigkeit und des Drucks des heißen Gases verbunden sind. Deshalb ist ein Mittel erforderlich, um den V/STOL Düsenkühlstrom unter Berücksichtigung der sich ändernden Auslaßstrom-Druckbedingungen zu regulieren. Es muß ein passender Kühlstrom beim Steigbetrieb vorgesehen werden, wenn die Querschnittsflächen des Strömungspfades groß, die Geschwindigkeiten klein und die statischen Drücke des Auslaßstroms groß sind. Ein passender, jedoch nicht übermäßig großer Kühlmittelstrom muß auch gebildet werden, wenn im Reiseflugbetrieb mit kleineren Querschnittsflächen des Strömungspfades, höheren Geschwindigkeiten und

dementsprechend niedrigen statischen Drücken des Auslaßstroms gearbeitet wird.

Ferner ist eine Kühlung der den heißen Auslaßstrom drehenden oder ablenkenden Oberfläche schwierig wegen des Aufprallens infolge der Drehung bzw. Schwenkung des Auslaßstroms, wobei dessen Druck so groß wie oder größer als der Gebläseluftdruck ist, welcher die bevorzugte Kühlmittelquelle darstellt. Dieser Zustand verhindert das Verwenden einer Filmkühlung und allgemein ein Strömen des Kühlmittels von der relativ kalten Niederdruckseite der Einlage des Ablenkgliedes zu der relativ heißen Hochdruckseite desselben. Es ist ein wirksames, zuverlässiges Mittel zum Kühlen der kritischen stromablenkenden Oberfläche erforderlich.

Zusätzlich wird ein Mittel benötigt, mit dem eine passende Kühlmittelzufuhr zum schwenkbaren Ablenkglied in einer solchen Weise erfolgt, daß das Kühlmittel nur strömt, wenn im V/STOL Betrieb gearbeitet wird. Indem der Kühlmittelstrom begrenzt wird, wenn das Ablenkglied in der Reiseflugposition verstaut bzw. untergebracht ist, werden eine maximale Leistungsfähigkeit von Auslaßsystem und Reiseflugreichweite des Flugzeugs sichergestellt.

Kurz gesagt ist die erforderliche Steuerung des Kühlmittelstroms aus zwei Gründen äußerst wichtig: Erstens liegt im V/STOL Betrieb eine sehr viel größere zu kühlende Fläche als im Reiseflugbetrieb vor, und deshalb ist ein größerer Kühlmittelstrom erforderlich; zweitens ist der Gasdruck des Auslaßstroms im Steigbetrieb allgemein größer, da sich der gesamte Strömungspfad stromaufwärts von dem Düsenhals befindetο Das bedeutet, daß die Filmkühlmitte !drücke entsprechend groß sein müssen. Im Reiseflugbetrieb befindet sich jedoch der Düsenhals weiter vorne, und die Gasstromdrücke sind dementsprechend kleiner. Wenn der Kühlmitteldruck im Reiseflugbetrieb nicht reduziert wird, treten übermäßige Kühlströme und erhebliche Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit auf. Außerdem können andere heiße Oberflächen stromaufwärts von der Düse (wie Turbinenschaufeln und Flügel) einem Kühlmittelmangel und einer hiermit verbundenen überhitzung unterworfen sein.

Dementsprechend besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Schwenkschubgasturbinentriebwerk-Auslaßdüse bzw. Schubdüse mit verbesserter Kühlfähigkeit. Es sol-

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len ferner Mittel zum Regulieren des V/STOL KühlStroms unter Berücksichtigung der sich variierenden Auslaßstrom-Druckbedingungen geschaffen werden, die mit Veränderungen der Auslaßstrom-Strömungspfadfläche verbunden sind. Es sollen Kühlmittel für Abgas-Ablenkglieder geschaffen werden, auf die die Abgase bei Druckpegeln aufprallen, die größer als die Drücke der Kühlfluidquelle sind. Außerdem soll den Abgas-Ablenkgliedern nur beim Aufprallen bzw. Auftreffen des heißen Auslaß- bzw. Abgasstroms ein passender Kühlmittelvorrat zugeleitet werden.

Diese und andere Ziele sowie Vorteile ergeben sich klar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und spezifischen Ausführungsformen, die alle nur beispielhaft sind und die Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.

Kurz gesagt wird zum Lösen der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß eine den Strömungspfad begrenzende Wandung der Auslaßbzw. Schubdüse mit einer thermischen Einlage versehen. Ein außerhalb des Strömungspfades befindlicher Kühlraum empfängt ein Kühlfluid, das bei der bekannten Filmkühlungstechnik aus dem Kühlraum durch Ausflußkanäle über die Einlage geleitet wird. Regulierungsmittel, wie ein Ventil, befinden sich in der den Kühlraum versorgenden Kühlfluidleitung, und der Kühlfluiddruck neigt zu einem Verschließen des Ventils. Es sind Mittel vorgesenen, um den Kühlfluiduruck zu übersteuern und das Ventil durch eine betriebsmäßige Verbindung mit den Betätigungsmitteln für die Strömungspfadfläche der Düse zu öffnen, wenn diese Fläche zunimmt (und umgekehrt). Bei einer Ausführungsform enthalten die Übersteuerungsmittel eine Nocke, die auf dem Betätigungsmechanismus für die variable Strömungsfläche aasgebildet ist, am Ventil entlanggleitet und dieses öffnen kann.

Der Abgasablenker ist mit einem inneren Hohlraum versehen, der sich in Fluidströmungsverbindung mit einer Druckquelle befindet. Da die heißen Oberflächen den auftreffenden Abgasen bei Drükken ausgesetzt sind, die größer als diejenigen der Kühlmittelquelle sind, unterliegt das Ablenkglied einer Prallkühlung, wobei das gelieferte Kühlfluid an die Umgebung abgeführt und hierdurch ein günstiger Druckgradient für das Kühlfluid hergestellt werden. Zu dem inneren Hohlraum des Ablenkglieduü bzw. Ablenkers führt ein

Ablenkglied-Kühlmittelrohr, das ein einteiliges Glied des Ablenkerstützgebildes ist. Das einlaßseitige Ende des Kühlmittelrohrs wird teleskopartig in einer Bohrung aufgenommen und arbeitet mit einem Bohrungseinlaß in der Weise zusammen, daß eine flächenvariable Öffnung bzw. Mündung gebildet wird, wobei die Größe derselben (und damit die Größe des Kühlmittelstroms) eine Funktion des Eindringungsmaßes des Kühlmittelrohrs in die Bohrung ist, was wiederum von der Position des Ablenkgliedes abhängt.

Wenn eine Expansionsklappe vorhanden ist, um in der Verstau- bzw. Unterbringungsposition des Ablenkgliedes eine Auslaßstrom-Expansionssteuerung und eine Flugmanövrierungssteuerung zu bilden, wird ein anderes Regulierungsmittel, wie ein Ventil, vorgesehen, um den Kühlfluidstrom in das Innere der Expansionsklappe zu steuern bzw. zu leiten. Dieses Ventil ist ebenfalls mit dem Betätigungsorgan für die variable Strömungspfadfläche der Auslaßbzw. Schubdüse verbunden, so daß die Kühlmittelstromabgabe mit zunehmender Düsenfläche steigt, und umgekehrt. Das Kühlfluid wird dann über die Klappe ausgelassen bzw. geleitet, um eine Kühlung durch die bekannte Filmkühlungstechnik zu bilden. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer schematischen Darstellung ein teils geschnittenes und an einem Flügel befestigtes Gasturbinentriebwerk nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - in einer vergrößerten schematischen Ansicht die Auslaßbzw. Schubdüse aus Figur 1 mit dem Kühlsystem der vorliegenden Erfindung in einer Betriebsart,

Figur 3 - in einer Figur 2 ähnelnden vergrößerten schematischen Ansicht das erfindungsgemäße Kühlsystem in einer anderen Betriebsart,

Figur 4 - einen Teilschnitt längs der Linie 4-4 aus Figur 2, wobei das Kühlen einer Seitenwandung detaillierter dargestellt ist,

Figur 5 - einen Teilschnitt längs der Linie 5-5 aus Figur 2, Figur 6 - in einer vergrößerten fragmentarischen Teilansicht das Ablenkerkühlsystem in der Betriebsart aus Figur 2,

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Figur 7 - in einer Figur 6 ähnelnden vergrößerten fragmentarischen Teilansicht das Ablenkerkühlsys tem in der Betriebsart

aus Figur 3,
Figur 8 - in einem vergrößerten Schnitt einen Teil des Kühlsystems

für das Auslaßdüsen- bzw. Schubdusenablenkglied und Figur 9 - in einer vergrößerten schematischen Darstellung das Kühlsystem für die Auslaßdüsenexpansionsklappe.

In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente. In Figur 1 ist ein allgemein mit der Hinweiszahl Io bezeichnetes Gasturbinentriebwerk, das die vorliegende Erfindung verkörpern kann, schematisch dargestellt. Heiße Verbrennungsgase werden durch eine nicht dargestellte Turbine in einer bekannten Weise expandiert und gelangen von links in eine Auslaßbzw. Schubdüse 12, wie es durch einen Vektor 14 dargestellt ist. Bei der Ausführungsform aus Figur 1 weist das Gasturbinentriebwerk eine Verstärkung durch einen Nachbrenner 16 bekannter Art auf. Nach dem Durchströmen der Auslaß- bzw. Schubdüse 12 wird der Gasstrom von der Düse ausgestoßen.

Wie es leicht aus den Figuren 1,2 und 3 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem dargestellten Auslaßsystem um einen Typ mit einer äußeren Expansion und einer inneren büsenflächenvariation. Ein solcher Aufbau kann in einer angepaßten Weise beispielsweise mit einem Flugzeugflügel 18 verschachtelt bzw. zusammengebaut werden, um ein aerodynamisch stromlinienförmiges Gebilde zu schaffen und gleichzeitig für eine Integration zwischen der geometrisch variablen Auslaß- bzw. Schubdüse und dem Flügelklappensystem des Flugzeugs unter Ausschaltung redundanter bzw. überflüssiger Teile zu sorgen.

Die dargestellte Schubdüse enthält zwei im wesentlichen gegenüberliegende und mit den Hinweiszahlen 22, 24 allgemein bezeichnete Wandungen, während innenliegende Oberflächen (26, 28) teilweise einen Strömungspfad 3o für den Auslaßstrom bestimmen. Die Wandung 22 wird ferner von variablen Düsenflächenmitteln begrenzt, die zusammenarbeitende Düsenklappen 32, 34 aufweisen, welche jeweils an einem Ende 36, 3ö an der Wandung 22 angelenkt sind. Die anderen Enden der Düsenklappen sind miteinander verbunden, wie

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durch einen zusammenarbeitenden Rollen- und Kurvenkörperaufbau 39. Der Bereich bzw. die Fläche des Auslaßstrom-Strömungspfades 3o wird somit zum Teil durch die Positionierung der Düsenklappen gesteuert.

Eine stromabwärts von den Düsenklappen angeordnete variable Klappe 44 sorgt für eine Flugsteuerungsverschwenkung wie auch eine Expansionssteuerung des Auslaßstroms. Gemäß der Darstellung bildet die Klappe 44 einen Teil der Hinterkante des Flügels.18, der einen Teil des Flugzeuggebildes ausmacht. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Klappe am Triebwerk oder am Flugzeugrumpf angebracht sein. Die Klappe 4 4 kann durch bekannte Betätigungsmittel 48 manövriert bzw. verstellt werden. Eine variable Bodenflächenklappe 46, die das stromabwärts gelegene Ende der Wandung 24 bildet, arbeitet mit den Düsenklappen 32 sowie 34 zusammen, um teilweise die Fläche des Strömungspfades 3o des Auslaßstroms zu steuern und für eine Expansionssteuerung des Auslaßstroms zu sorgen. Ferner führt die Bodenklappe 46 zu einer Bereichs- bzw. Flächensteuerung des Düsenhalses bei den V/STOL-Betriebsarten.

Für einen V/STOL Betrieb wird ein deckel- bzw. haubenartiges Ablenkglied 52 benutzt, um den Auslaßstrom nach unten abzulenken. Das Ablenkglied 52 hat gemäß den Figuren 4 und 6 ein im wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil und ein gebogenes Ab-Ienkglied54, das von zwei platinenförmigen Armgliedern 56 begrenzt ist. Während eines Reiseflugbetriebes (Figuren 1 und 3) ist das Ablenkglied innerhalb der Seitenwandung 22 untergebracht, so daß es nicht die aerodynamisch glatten Konturen des Strömungspfades gefährdet. Deshalb beeinflußt es nicht die große Reiseflug-Düsenleistungsfähigkeit. In der V/STOL Betriebsart gemäß Figur 2 ist das Ablenkglied 52 um seine Schwenkverbindungen (von denen nur eine bei 6o dargestellt ist) in den Strömungspfad 3o gedreht bzw. geschwenkt, wodurch der Auslaßstrom nach unten abgelenkt wird.

Gemäß den Figuren 2 bis 9 ist ein verbessertes System zum Kühlen der Schwenkschub-Auslaßdüse aus Figur 1 schematisch dargestellt. Die Kühleinrichtung kann so angesehen werden, daß sie im wesentlichen drei Untersysteme aufweist, von denen sich jedes zum Bilden einer Kühlung für eine spezifische Schubdüsenkomponente besonders eignet. Im einzelnen sind kühlende Untersysteme zum Kühlen

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der im wesentlichen gegenüberliegenden stationären Seitenwandungen 62 (Figur 4), des sich drehenden bzw. des schwenkbaren Ablenkgliedes 52 und der Expansionsklappe 44 vorgesehen. Wie es jedoch noch nachfolgend erläutert wird, stehen die Funktionsweise und die Reihenfolge bzw. Schaltfolge der Untersysterne in einer direkten Beziehung zur geometrischen Veränderung des Strömungspfades.

Wie es zuvor erörtert wurde, ist der dargestellte Typ der Schwenkschubdüse in dem V/STOL Betrieb wirksam, da der Düsenhals 64 teilweise mit dem Ablenkglied 52 gedreht bzw. geschwenkt wird, so daß der Auslaßstrom stromaufwärts von dem Düsenhals bei Geschwindigkeiten gedreht wird, die wesentlich kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist. Veränderungen in der Strömungspfadfläche erzeugen jedoch beträchtliche Änderungen bezüglich der statischen Druckverteilungen infolge der Einflüsse des Auslaßstroms auf die Seitenwandung 62. Es muß ein passender Kühlstrom in der V/STOL Betriebsart aus Figur 2 gebildet werden, wenn die Querschnittsflächen des Strömungspfades groß und die statischen Drücke relativ groß sind. Große Strömungspfadflächen sind einem Hochtemperatur-Verstärkungsbetrieb zugeordnet, der erforderlich ist, um die notwendigen großen V/STOL Schubpegel zu erreichen und zusätzliche Auftrxebsvorrichtungen (wie Auftriebsgebläse) zu vermeiden. Das Verwenden herkömmlicher und entsprechend der V/STOL Erfordernisse bemessener Filmkühlungstechniken ist unerwünscht, da sich hierbei eine übermäßige Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit im Reiseflugbetrieb aus Figur 3 ergeben würde, bei dem die Auslaßgeschwindigkeiten größer und die statischen Drücke kleiner sind (der niedrigere statische Druck des Auslaßstroms erzeugt somit ein unnötig großes Kühlfluid-Druckpotential zwischen der Kühlmittelquelle und dem Strömungspfad des Auslaßstroms).

Gemäß den Figuren 2 bis 5 ist ein verbesserte s Mittel zum Kühlen der Seitenwandung 62 schematisch dargestellt. Ein Kühlfluid, in typischer Weise Luft, wird von einer bevorzugten Kühlmittelquelle, wie dem Gasturbinentriebwerksgebläse (nicht dargestellt) durch einen Durchgang 6 6 geführt, der zwischen einer äußeren baulichen Düsenverkleidung 68 und einer inneren thermischen

Verkleidung/ Einlage 7o gebildet ist. Die thermische ( ist von dem Typ, bei dem sich zwischen jedem Paar angrenzender sowie sich überlap-

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pender Segmente 74 ein Schlitz 72 befindet, durch den in bekannter Weise ein Kühlfluidfilm über die heiße Auslaßstromseite der Einlage ausströmt. Zwischen dem stromabwärts gelegenen Abschluß bzw. Ende 76 der thermischen Einlage 7o und der Verkleidung 68 befindet sich ein Schlitz 75, aus dem ein Kühlfilm für ein weiteres Kühlen des stromabwärts gelegenen Gehäuses 6 8 (Figur 5) ausströmt. Der durch die Einlage 7o umgebene Strömungspfadbereich unterliegt keinen geometrischen Änderungen während eines Übergangs von den V/STOL zu den Reiseflugbetriebsarten, und somit können die statischen Druckveränderungen infolge des Abgases beim Bemessen der Schlitze 72 im wesentlichen ignoriert werden. Der Druck des Kühlfluids im Durchgang 66 übersteigt ständig denjenigen an der heißen Auslaßstromseite der Einlage 7o, und bei einer passenden Schlitzbemessung ergibt sich ein günstiger Kühlmittelstrom.

Jedoch können die großen Flächenveränderungen hinter dem Abschluß 76 der Einlage aus bereits genannten Gründen nicht ignoriert werden bzw. unbeachtet bleiben. Dementsprechend wird das Kühlfluid vom Durchgang 66 in einen Raum 78 geleitet, der bei einer Ausführungsform zwischen der baulichen Verkleidung 68 und den doppeltrichterförmig verlaufenden Klappen 32 sowie 34 ausgebildet ist. Hohle bauliche Rippen 8o stützen die Verkleidung bzw. Ummantelung 68 (die ein Metallblechaufbau sein kann) und erstrekken sich in den Raum 78. Wie die Verkleidung haben die Rippen ein im wesentlichen U-förmiges Profil, wobei die Basis des ¹U¹ im Raum 78 angeordnet ist und sich die Schenkel längs der Seitenwandungen (Figur 4) erstrecken. Kühlfluid strömt durch eine Vielzahl von Öffnungen 82, die den Kühlraum sowie das Innere der Rippen strömungsmäßig miteinander verbinden, und wird längs der Seitenwandungen geleitet, wie es klar in Figur 4 dargestellt ist. Daher haben die Rippen die doppelte Funktion als bauliche Glieder für das Gehäuse bzw. die Ummantelung und als Versorgungskanäle für die Kühlmittelverteilung. Das Kühlmittel strömt dann durch eine Vielzahl von Öffnungen 84 in den Schenkeln der Rippen und in einen Kühlmitteldurchgang 86, wonach es auf eine Seite einer den Strömungspfad 3o teilweise begrenzenden Wärmeabschirmung 88 auftrifft bzw. aufprallt. Danach tritt es durch Schlitze 89 (Figur 2) zwischen angrenzenden Wärmeabschirmungen aus, um einen Kühlfilm zu bilden, wie es durch Vektoren 9o dargestellt ist.

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Ein erstes Regulierungsmittel, wie ein Kühlmittelströmungsventil 92, ist im Durchging 66 vorgesehen, um den Kühlfluidstrom als Funktion der Strömungspfadfläche zu steuern.

Das vordere Ende der konvergierenden Klappe 32 ist an einer Antriebswelle befestigt, die einen Angelpunkt 36 aufweist. Damit führt eine Drehung der Antriebswelle zu einer direkten Steuerung der Fläche des Strömungspfades 3o, und zwar durch eine Verlagerung der betriebsmäßig miteinander verbundenen Klappen 32 und 34. Es ist deshalb zweckmäßig, dieselbe Antriebswelle zum Steuern des Kühlfluidstroms zum Raum 78 auszunutzen. Dementsprechend enthält das Ventil 92 eine Klappe 94, die schwenkbar mit der Ummantelung 68 verbunden ist und über eine auf der Welle 36 ausgebildete vorspringende Nocke 96 gleiten kann. Der Druck des Kühlfluids neigt dazu, die Klappe geschlossen und in Eingriff mit der Nocke zu halten. Die letztere ist umfangsmäßig so an der Welle 36 angeordnet, daß die Klappe 94 in der am weitesten geöffneten Position der konvergierenden Klappe 32 (Nachverbrennung, V/STOL Betriebsart) durch die Nocke aufgedrückt wird, wobei der Kühlmitteldruck im Durchgang 66 überwunden wird und die maximale Kühlmittelmenge gemäß Figur 2 zum Raum 78 strömen kann. Da die Nocke 96 sich nicht über die volle Spannweite bzw. Lichtweite erstreckt, führt sie in der Öffnungsposition zu keiner wesentlichen Behinderung des Kühlmittelstroms zum Raum. Im Reiseflugbetrieb, wenn eine kleinere Kühlung erforderlich ist, ist die Nocke in Umfangsrichtung von der Klappe 94 unter weitgehendem Verschließen des Ventils verlagert, wodurch der Kühlmitteldruckabfall am Ventil steigt und der Druck im Raum 78 fällt. Dies führt wiederum zu einer Verminderung der Kühlmittelabgabe von dem Raum 78. Auf diese Weise wird der Auslaßdüsen^Kühlstrom automatisch entsprechend den mit Veränderungen bezüglich der Strömungspfadfläche verbundenen statischen Druckzuständendes Auslaßstroms reguliert.

Ein weiterer Vorteil des oben beschriebenen Systems besteht darin, daß der Kühlraumdruck zum Verstärken der zum Positionieren der Klappen 32 und 34 erforderlichen Betätigungskräfte benutzt wird, wodurch die Größe und das Gewicht des erforderlichen Betätigungsorgans vermindert werden. +) bzw. Unterstützen

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Ein zweiter kritischer Bereich bezüglich der V/STOL Düsenkühlung ist das Kühlen des sich drehenden bzw. verschwenkenden Ablenkgliedes 52. Das Ablenkglied unterliegt besonderen Kühlproblemen, da es, wenn der heiße Auslaßstrom auf das Ablenkglied prallt, zumindest einen Teil des dynamischen Druckgefälles des Auslaßstroms erfaßt, was bei einer Kombination mit dem statischen Druck des Auslaßstroms einen Druck erzeugt, der demjenigen der bevorzugten Kühlmittelquelle angenähert ist. Deshalb ist die Filmkühlung selbst nicht geeignet, um die heiße Seite des Ablenkgliedes zu kühlen. Dementsprechend wird die Prallkühlung zur Haupttechnik zum Kühlen des Ablenkgliedes, wobei eine verstärkte Kühlung durch die Filmkühlungstechnik gemäß der nachfolgenden Erörterung gebildet wird. +) bzw. unterstützende

Aus Figur 8 ist es ersichtlich, daß der gebogene bzw. gewölbte Teil des Ablenkgliedteils 54 unter Abstandsbeziehung eine thermische Ablenkgliedeinlage 1o2 trägt und stützt, um dazwischen einen Raum 1o4 zu bilden, in den eine Vielzahl von Pralltöpfen eingesetzt ist, Die Pralltopfe können einen Kühlfluidstrom von einer Vielzahl hohler baulicher Rippen 1o6 aufnehmen, die den Rippen 8o innerhalb des Raums 78 ähneln. Die Rippen 1o6 erstrecken sich quer zur Außenseite des gebogenen Ablenkgliedteils 54 sowie der Arme 56 unter Verfestigung dieser Teile und laufen schließlich an einer gemeinsamen Drehverbindung 1o7 zusammen. Die Pralltöpfe 13o stehen mit dem Innenraum der Rippen 1o6 über Öffnungen 132 im Ablenkgliedteil 54 in Strömungsverbindung, und das von den Pralltöpfen aufgenommene Kühlfluid tritt durch eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern 134 aus, um auf die Einlage 1o2 aufzuprallen. Das gelieferte Kühlfluid verläßt den Raum 1o4 durch Öffnungen 136 zwischen angrenzenden Pralltöpfen, wobei diese öffnungen eine Strömungsverbindung zwischen dem Raum 1o4 und der Umgebung hinter dem Ablenkgliedteil 54 herstellen. Während Figur 8 das gewölbte bzw. gebogene Ablenkgliedteil im Detail zeigL, ist davon auszugehen, daß die Arme 56 in einer ähnlichen Weise hergestellt und gekühlt werden können.

Gemäß den Figuren 3,6 und 7 wird das Ablenkglied-Kühlfluid stromaufwärts vom Ventil 92 mittels einer hohlen baulichen Rippe 1o8 vom Durchgang 6 6 abgezweigt, wobei die Rippe 1o8 als eine Rohr-

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leitung bzw. ein Verteiler dient, die Düsenummantelung 68 zumindest teilweise umgibt und eine Vielzahl von darin ausgebildeten Abzapföffnungen 11o aufweist. Das von der Rohrleitung bzw. dem Verteiler gesammelte Kühlfluid wird über Leitungen 112 an jeder Seite der Düse zu einem festen Gehäuse 114 mit einer darin ausgebildeten Bohrung 116 geleitet. Die Bohrung nimmt teleskopartig ein Ablenker-Kühlmittelrohr 118 auf, das die Bohrung und die Drehverbindung 1o7 strömungsmäßig miteinander verbindet. Die Drehverbindung sorgt für eine Fluidströmungsverbindung zwischen dem Ablenker-Kühlmittelrohr 118 sowie den zuvor beschriebenen baulichen Rippen 1o6 und ist an der Schwenkverbindung 12o am Ablenkglied befestigt.

Da die Kühlmittelrohr-Schwenkverbindung 12o des Ablenkgliedes nicht mit dessen Drehachse 6o zusammenfällt, führt eine Drehung bzw. Verschwenkung des Ablenkgliedes zu einem Kreisen des Schwenkpunkts 12o um die Drehachse 6o, wodurch dem Kühlmittelrohr 118 des Ablenkgliedes in bezug auf das feststehende Gehäuse 114 eine axiale Translationsbewegung erteilt wird. Eine winkelmäßige Verlagerung des Kühlmittelrohrs in bezug auf das Gehäuse 114 wird durch eine auch Fehlausrichtungen in allen Ebenen kompensierende Einkugellagerung 122 (uniball bearing) absorbiert bzw. aufgefangen. Es ist zweckmäßig, die Düse aus Metallblech herzustellen, dessen Ausweitungs- und Zusammenziehungsvorgänge bei variierenden Wärmebelastungen ohne eine solche Lagerung zu Störungen und Verbiegungen führen könnten. Der Berührungsabschnitt zwischen dem sich drehenden bzw. verschwenkenden Ablenkglied 52 und dem bewegten Kühlmittelrohr 118 ist der Faktor, der die Drehverbindung 1o7 erforderlich macht.

Das Kühlmittel-Versorgungsrohr 118 dient als ein Ventil zum Abschalten des Kühlmittelstroms, wenn die Düse im Reiseflugbetrieb arbeitet. Im einzelnen arbeitet das Kühlmittelversor'jungsrohr mit dem Einlaß 126 zur Bohrung 116 zwecks Bildung zweiter Regulierungsmittel in Form einer flächenvariablen öffnung bzw. Mündung zusammen, deren Querschnittsfläche eine direkte Funktion des Eindringungsmaßes des Kühlmittelrohrs in die Bohrung ist. Wenn sich das Ablenkglied in der untergebrachten bzw. verstauten Position (Figuren 3 und 7) befindet, besteht keine Notwendigkeit für eine Kühlung des Ablenkgliedes, da sich dieses außerhalb des strotz 0 9 8 H 6 / 0 8 R 9

mungspfades befindet. Daher ist der Einlaß 126 in diesem Zustand durch das Kühlmittelrohr verschlossen, dessen Ende bzw. Stirnseite mit einer elastischen Membran 128 in Eingriff kommt, um den Kühlmittelstrom vollständig zu unterbinden. In der V/STOL Betriebsart aus den Figuren 2 und 6 ist der Einlaß 126 geöffnet, und Kühlmittel kann durch das Kühlmittelrohr des Ablenkgliedes in die baulichen Rippen 1o6 strömen, wonach es in der zuvor erörterten Weise zu den Pralltöpfen 13o gelangt.

Das vorstehende System sorgt im Öffnungszustand des Einlasses 126 zum Gehäuse 114 zu einer zwangsläufigen Kühlmittelfluidströmung von der Kühlmittelquelle zum Ablenkglied, da das stromabwärts gelegene Ende dieses Kühlkreises ständig an den Öffnungen 136 endet, welche mit der Umgebungsluft hinter dem Ablenkglied in Strömungsverbindung stehen. Damit werden die leistungsfähigen Wirkungen bzw. Einflüsse einer Prallkühlung ausgenutzt, da die ümgebungsluft immer einen kleineren Druck als die bevorzugte Kühlmittelquelle aufweist _t- wodurch günstige Druckgradienten für den Kühlfluidstrom gebildet werden. Das System arbeitet auch schnell, wenn es den vollen Kühlmittelstrom zum Ablenkglied leitet, sobald dieses für einen V/STOL Betrieb in den Abgasstrom abgelenkt bzw. geschwenkt wird. Das Ausmaß des Kühlmittelstroms ist direkt abhängig von der Position des Ablenkgliedes, da dieses direkt die Öffnungsgröße des Einlasses 126 durch das Kühlmittelrohr 118 steuert.

Um den Luftstrom zu begrenzen, der durch das Kühlmittelrohr 118 fließen muß, wird die Kühlung in den Ablenkgliedbereichen unmittelbar stromabwärts von der Ummantelung 68 durch eine Filmkühlung verstärkt, wobei der diesbezügliche Film durch einen Vektor 138 (Figur 2) dargestellt ist und aus einem Hinterkantenschlitz 128 zwischen dem Gehäuse bzw. Mantel 68 und der Wärmeabschirmung 88 ausströmt. Es ist zweckmäßig, die am weitesten hinten liegenden Rippen 8o dazu zu benutzen, um das Kühlfluid von dem Raum 78 zum Schlitz 128 zu führen. Eine zusätzliche Filmkühlung des Ablenkgliedes wird durch eine Öffnung 139 in der Anlenkstelle 38 der Klappe 34 gebildet, wobei diese Öffnung Kühlfluid vom Raum 78 über das Ablenkglied 52 strömen läßt,wie es durch einen Vektor 141 dargestellt ist.

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Figur 9 zeigt das Kühlungsschema für die dritte Hauptkomponente, die Expansions- und Steuerklappe 44. Kühlfluid vom Durchgang 66 wird mittels eines dritten Regulierungsmittels, wie eines zweiten Ventils 142, und einer Leitung 144 der Expansionssteuerungsklappe zugeführt. Das Ventil 142 kann vom Ring-,bzw. Tellerventil-Typ sein und eine Nockensteuerungsverbindung mit der Antriebswelle 36 aufweisen, die durch eine kinematische Düsenfläcnen-Antriebskette 146 betrieben wird. Im nicht verstärkten Reiseflugbetrieb, wenn sich die Klappen 32 und 34 in der Minimumflächenposition befinden, wird das Ventil 142 aufgesteuert, und das Kühlmittelfluid kann zum Innenraum der Klappen 44 strömen. Die Expansionsklappe hat ein darin ausgebildetes Konvektions- bzw. Wärmeübertragungsumlenkblech 148 in unmittelbarer Nähe der Auslaßstromoberfläche, die eine Wärmeabschirmung 15o aufweist. Um eine wirksame Kühlung der Wärmeabschirmung zu bilden, wird eine Gegenstromkühlung unter Verwendung einer Kombination einer Konvektions- bzw. Wärmeübertragungs- und Filmkühlung gebildet. Die Kühlmittelströme fließen in einer Vorwärtsrichtung zwischen dem Konvektionsümlenkblech 148 und der Wärmeabschirmung 15o, um diese einer Konvektionskühlung auszusetzen. Schließlich gelangt der Kühlmittelstrom durch einen Schlitz 152, um zum Bilden einer Filmkühlung über die Wärmeabschirmung geleitet zu werden.

Ferner unterstützt der Schlitz 139 (Figur 2) an der hinteren Anlenkung 38 der divergierenden Klappe 34 die Filmkühlung der Expansionsklappe 44. Der Schlitz 139 vermag einen Teil der Kühlluft direkt vom Raum 78 über die Klappe zu leiten. Die Öffnungsfläche des i. iilitzes verändert sich mit dem Winkel bzw. der Winkellage der Klappe 34. Im V/STOL Betrieb ist der Schlitz, wie es zuvor erörtert wurde, vollständig geöffnet, um die erforderliche Filmkühlung des Ablenkgliedes zu bilden. Im Reiseflugbetrieb nimmt die Schlitzfläche mit der Düsenfläche ab, bis eine minimale Fläche für einen nicht verstärkten Betrieb vorliegt, um so die Leistungsfähigkeit zu begünstigen und die Expansionsklappe 44 zu kühlen.

Damit ist ein wirksames Kühlsystem für eine Schwenkschubdüse geschaffen worden. Mittels Ventilen, die den Kühlstrom als Funktion der Strömungspfadfläche sowie der Position des Ablenkgliedes zumessen, und durch Erzeugen günstiger Druckgradienten

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für den Kühlkreis wird ein ausreichender Kühlmitteldruck und -strom für den Hochtemperatur-V/STOL-Betrieb gebildet. Darüberhinaus werden die Kühlmitteldrücke und -ströme während des Reiseflugbetriebes reduziert, um die Leistungsfähigkeit desselben und die Flugzeugreichweite zu vergrößern.

Dem Fachmann ist es klar, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Änderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise können die kühlenden Untersysteme in individueller oder kollektiver Abhängigkeit von der Auslaßdüsenkonfiguration benutzt werden. Ferner kann der Kühlkreis umgeordnet werden, um in verschiedene Düsenumhüllungen zu passen» Diese und andere Veränderungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.

- Ansprüche -

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Claims

- 16 Ansprüche

.^: Kühlsystem für eine Schwenkschubgasturbinentriebwerk-Auslaßdüse, gekennzeichnet durch erste Durchgangsmittel (66) zum Einführen eines Kühlfluids von einer Kühlmittelquelle in einen zu einer positionsvariablen Düsenklappe (32, 34) außenliegenden Raum (78) , wobei die Düsenklappe teilweise einen flächenvariablen Auslaßstrom-Strömungspfad (3o) begrenzt, durch Betätigungsmittel (36) zum Positionieren der Düsenklappe (32, 34), durch Mittel zum Ablassen des Kühlfluids aus dem Raum (78) und zum Überführen des Kühlfluids zu einer zu kühlenden Düsenwandung und durch auf eine Positionsänderung der Düsenklappe (32, 34) ansprechende erste Mittel zum Regulieren des Druckpegels des in den Raum (78) eintretenden Kühlfluids.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regulierungsmittel· (92, 94, 96) in den ersten Durchgangsmittein (66) angeordnet und mit den Betätigungsmittein (36) mechanisch verbunden sind.

■3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regulierungsmittel ein erstes Ventil (92, 94) aufweisen, das durch den Druck des Kühlfluids geschlossen werden kann, wenn sich die Betätigungsmittel (36) in einer ersten Betriebsposition befinden, und Mittel (96) zum Übersteuern des Kühlfluiddrucks sowie zum Öffnen des ersten Ventils (92, 94) enthalten, wenn sich die Betätigungsmittel (36) in einer zweiten Betriebsposition befinden.

4. Kühlsystem n_.oh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersteuerungsmittel eine auf den Betätigungsmitteln (36) ausgebildete Nocke (96) aufweisen und daß das erste Ventil (92, 94) von der Nocke (96) angehoben bzw. geöffnet werden kann.

5. Kühisystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersteuerungsmittel das erste Ventil (92, 94) bei zunehmender Strömungspfadfläche öffnen und bei abnehmender Strömungspfadfläche schlit-iien lassen können.

6. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßmittel eine teils im Raum (78) angeordnete, hohle, bauliche Düsenmantelrippe (8o) aufweisen, deren Inneres eine Fluidströmungsverbindung mit dem Raum (78) und der zu kühlenden Wandung (62) hat.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bauliche Rippe (8o) bei einer Betrachtung senkrecht zur Längsachse der Auslaß- bzw. Schubdüse einen im wesentlichen umgekehrt U-förmigen Querschnitt hat, wobei die Basis der U-Form innerhalb des Raums (78) angeordnet ist und ein Schenkel der U-Form eine bauliche Abstützung der zu kühlenden Wandung

(62) bildet.

8. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlende Wandung (62) durch Filmkühlung gekühlt wird.

9. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsvariable Auslaß- bzw. Schubdüsenklappe (32, 34) teilweise einen Strömungspfadhals (64) bestimmt, wenn sich die Betätigungsmittel (36) in der ersten Betriebsposition befinden, und daß der Düsenhals (64) von der zu kühlenden Wandung (62) weiter begrenzt wird.

1o. Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine thermische Einlage (1o2), die von einem Ablenkglied (52, 54) getragen wird, welches zwischen einer Verstauungs- bzw. Unterbringungsposition außerhalb des Auslaßstrom-Strömungspfades (3o) und einer den Strömungspfad (3o) weiter begrenzenden betätigten Position schwenkbar ist, durch einen zwischen dem Ablenkglied (52, 54) und der Einlage (1o2) angeordneten Ablenkerraum (1o4), durch mit dem Ablenkglied (52, 54) schwenkbare Mittel (1o6, 1o7) zum Einführen von Kühlfluid in den Ablenkerraum (1o4), durch Mittel (13o) zum Aufprallen \^τοη Kühlfluid auf die thermische Einlage (1o2), durch Mittel (136) zum Ablassen von Kühlfluid aus dem Ablenkerraum (1o4) zu einer Stelle außerhalb des Düsenstrompfades (3o), wo der Druckpegel

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kleiner als derjenige der Kühlmittelquelle ist, und durch zweite Regulierungsmittel (114, 116, 118, 126) zum Steuern des Kühlfluidstroms zum Ablenkerraum (1o4) als Funktion der Position des Ablenkgliedes (52, 54).

11. Kühlsystem nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Regulierungsmittel zwischen der Kühlmittelquelle sowie dem Ablenkerraum (1o4) angeordnet sind und ein festes Gehäuse (114) mit einer darin ausgebildeten Bohrung (116J, einen Einlaß (126) zum Einführen von Kühlfluid in die Bohrung (116), einen Bohrungsausgang und für das Kühlmittel Ablenkerrohrmittel (118) aufweisen, von denen ein Ende in teleskopartiger Weise im Gehäuse (114) aufgenommen wird, wo es mit dem Einlaß (126) zusammenarbeitet, um eine flächenvariable Öffnung bzw. Mündung zu bilden, und von denen ein anderes Ende mit den Mitteln (1o6, 1o7) zum Einführen von Fluid in den Ablenkerraum (1o4) betriebsmäßig verbunden ist.

12. Kühlsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einführen von Kühlfluid in den Ablenkerraum (1o4) eine hohle bauliche Rippe (1o6) des Ablenkgliedes (52, 54) aufweisen, deren hohler Innenraum eine Fluidströmungsverbindung mit dem Ablenkerraum (1o4) und dem anderen Ende der Ablenkerrohrmittel (118) für das Kühlmittel hat.

13. Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die flächenvariable öffnung bzw. Mündung in der betätigten

- Position des Ablenkgliedes (52, 54) öffnen und in der verstauten bzw. untergebrachten Position des Ablenkgliedes (52, 54) schließen kann.

14. Kühlsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Regulierungsmittel ferner Dichtungsmittel (128) in der Bohrung (116) aufweisen, um das eine Ende der Ablenkerrohrmittel (118) in der Unterbringungsposition des Ablenkgli.jdes (52, 54) abzudichten und eine Kühl fluids trömung durch die Ablenkerrohrmittel (118) zu verhindern.

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15. Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Leitungsmittel (144) zum Einführen von Kühlfluid in das Innere einer Klappe (44) , die für eine Abgasexpansionssteuerung sorgen kann, durch Mittel (148, 15o, 152) zum Ablassen des Kühlfluids aus dem Inneren der Klappe (44) sowie zum Leiten des Kühlfluids über das den Auslaßstrom-Strömungspfad (3o) teilweise begrenzende Äußere der Klappe und durch dritte Regulierungsmittel (142) zum Steuern des Kühlfluidstroms zu der Klappe (44) , wobei diese Regulierungsmittel auf eine Positionsänderung der den Auslaßstrom-Strömungspfad (3o) begrenzenden Oberfläche ansprechen.

16. Kühlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Regulierungsmittel ein zwischen der Kühlmittelquelle sowie den Leitungsmitteln (144) angeordnetes zweites Ventil (142) aufweisen, das betriebsmäßig mit den Betätigungsmitteln (36, 146) verbunden ist.

17. Kühlsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zweite Ventil (142) öffnen kann, wenn die Strömungspfadfläche abnimmt, und umgekehrt.

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