DE2644092A1

DE2644092A1 - Ausstroemduese mit schubverstellmoeglichkeit

Info

Publication number: DE2644092A1
Application number: DE19762644092
Authority: DE
Inventors: Mieczyslaw Konarski; Dudley Owen Nash
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1977-04-14
Also published as: GB1561139A; DE2644092C2; FR2326585B1; IT1073329B; JPS5253400A; GB1561138A; US4000854A; JPS615546B2; FR2326585A1; CA1054384A

Description

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Ausströmdüse mit Schubverstellmöglichkeit

Die Erfindung betrifft Schubsysteme für Gasturbinentriebwerke
und insbesondere Ausströmdüseneinrichtungen des Typs mit Verstellmöglichkeit während des Fluges zur Verwendung in den selben.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Entwicklung einer leistungsfähigen Schubdüse besteht in der Steuerung des Engstellenbereiches oder -Querschnitts des Strömungsweges (Bereich mit kleinstem Querschnitt) und des Bereichs am Auslassende der Ausströmdüse. Der Engstellenbereich wird normalerweise durch einen kon-

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vergent-divergenten Teil der Ausströmdüse gebildet. Ein konvergenter Abschnitt der Ausströmdüse ist vorgesehen, um die Ausström-,ase der Turbine vor dem Erreichen der Engstelle auf Unterschallgeschwindigkeit zu halten. Zu diesem Zeitpunkt erreichen sie dann die Schallgeschwindigkeit. Anschliessend gestattet ein divergenter Teil die gesteuerte Expansion der Gase, welche gestattet, dass sie Überschallgeschwindigkeit erreichen. Neben der absoluten Grosse des Querschnittes der Engstelle im Strömungsweg und des Querschnittes aiu Düsenauslass ist das Verhältnis der letzteren Grosse zu der ersteren ein bedeutungsvoller Parameter, welcher den Antriebswirkungsgrad des Schubs beherrscht. Die Konstruktion des Ausströmsystems beeinflusst in starkem Masse die Gesamtleistung des Triebwerkes und die Wahl der Querschnitte in der Ausströmdüse wird bestimmt durch die Turbineneinlasstemperatur, die Luftstromdurchsatzmenge und die Geschwindigkeit und den Druck des Abgasstroms. Obwohl durch Verwendung von Ausströmdüsen mit variablem Querschnitt bei Luftfahrzeugen mit niedriger Leistung nur wenig gewonnen wird, können bei Luftfahrzeugen mit hoher Leistung bede^cende Betriebsvorteile realisiert werden.

Typischerweise wird eine Ausströmdüse mit variablem Querschnitt während des Startens hei geringer Höhe geöffnet und danach in einer geeigneten Höhe geschlossen, um den notwendigen Schub für den Dauerflug zu erhalten. Die Düse wird dabei nach einem vorgegebenen Programm gemäss den Erfordernissen der Flugverhältnisse durch die Haupttriebwerkssteuerung automatisch gesteuert. Die Einführung der Möglichkeit zur Schubverstellung im Flug für Gasturbinentriebwerke ergibt eine neue Dimension für die Steuerung der Ausströmdüseiiquerschnitte und es müssen Einrichtungen entwic⁷ elt werden, um praktisch die Programmierung

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des Nennquerschnittes aufzuheben, um während der Betriebsart mit Schubverstellung im Flug optimale Düsenquerschnitte zu erhalten. Dabei sollte ein solches System so einfach sein, wie dies zusamnu «i mit der Erfüllung der Forderung nach einer ausfallsicheren Koi. >truktion möglich ist.

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Weiterhin sind Ausströj; lüsen, welche mit der Struktur der Tragfläche und der Klappen eines Luftfahrzeuges zusammenwirken, n-iturgemäss breit (das heisst, sie besitzen eine grosse Spannweite) . Daher ist ein grosser Querschnitt verfügbar, auf welchen die ausströmenden Gase wirken und es werden daher grosb- Kräfte für die Klappenverstellung und schwere Stelleinrichtungen benötig . Da bei der Konstruktion von Bauteilen .ür Flugzeuge das Gewicht stets eine überragende Rolle spielt, sind Mittel zur Verminderung der Verstellungskräfte und zur Verminderung des Gewichtes der Stelleinrichtung erwünscht.

Das Problem für die Konstrukteure eines Gasturbinentriebwerkes und eines Luftfahrzeuges besteht daher darin, eine im Flug verstellbare Schubdüse zu schaffen, welche ein Minimum von Verlusten bei der Strömungsumlenkung besitzt,zur Ausnutzung der Vorteile durch den Effekt der Superzirkulation (super circulation) an die Tragfläche des Flugzeuges angepasst ist, eine ausreichende Steuermöglichkeit für den Düsenquerschnitt ergibt und mit einer möglichst kleinen Zahl von Stellgliedern betätigt werden kann.

Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Flug verstellbare Abgaseinrichtung mit verringerter Kompliziertheit zu schaffen, welche zur Einfügung in die Tragfläche eines Flugzeuges eine aerodynamische Form besitzt.

Zusammengefasst werden die obigen Aufgaben in einer Ausführungsform der Erfindung bei einem Flugzeug mit Doppeltriebwerk dadurch erreicht, dass die Turbinentriebwerke in den beiden Seiten des Flugzeugrumpfes befestigt werden. In jedem Triebwerk leitet ein Übergangskanal das Abgas von diesem Triebwerk nach aussen in diu ' Tragfli.-lie, wo es in einem Kanalbrenner mit hohem Aspektverhältnis erneut erhitzt wird, welcher in seiner Form an das Tragflächenprofil angepasst ist. Der maximale aerodynamische Nutzen aus dem Abgas wird dadurch erreicht, dass es durch eine im Flug verstellbare Ausströmdüse ausgestossen wird, welche über einen beträchtlichen Teil der Tragflächenspannweite an der Austrittskante gebildet ist. 709815/0325

Die Ausströmdüse enthält einen Abgasstromdeflektor, welcher teilweise den Abgasstromweg und eine Steuerfläche des Flugzeuges begrenzt (beispielsweise eine Tragfläche). Die synchrone Bewegung von drei Klappen, welche den Deflektor bilden, gewährleistet eine ordnungsgemässe Steuerung des In^-iiquerschnittes und eine Richtungsverste llung des Abgasstroms. Eine erste Klappe ist schwenkbar mit einem festen Kanalabschnitt verbunden und ergibt die Möglichkeit zur variablen Einstellung eines konvergenten Querschnittes im Strömungsweg. Eine stromabwärts gelegene divergente Klappe dient zur Schaffung einer Steuerung der Abgasexpansion und der Abgasablenkung. Eine dritte Klappe begrenzt teilweise die Steuerfläche des Flugzeuges und ist vorgesehen zur Änderung der Profilwölbung der Steuerfläche. Eine synchrone Bewegung der Klappen ..ird erreicht mittels eines Paars von Stellgliedern in Kombination mit einem Winkelhebel und Verbindungsgestängen mit solchen Abmessungen, dass sich die drei Klappen gleichzeitig bewegen zur Optimierung der Gestalt des inneren und äusseren Strömungsweges der Düse für einen Bereich von Flugbetriebszuständen. Im besonderen ergibt im Dauerflugbetrieb c ι Ha.pstellglied und ein Gestänge eine synchrone Bewegung der kovergenten und divergenten Klappen zur Steuerung der Querschnitte der Engstelle im Abgasstrom und des Auslasses in einem vorbestimmten Verhältnis. Ein Stellglied zur Strömungsrichtungsänderung ist von dem Hauptstellglied getragen und ist in der Betriebsart für Flugmanöver dem Hauptstellglied übergeordnet. Es bewirkt dabei ein Schwenken der divergenten Klappe nach unten und damit eine Umlenkung des Abgasstroms. Gleichzeitig wird die Klappe zur Begrenzung des Profils der Steuerfläche in eine neue Lage g rächt zur Vergrösserung der Steuerflächenprofilwölbung und zur Erhöhung des Auftriebs. Eine Strömungsablösung wird dabei durch den Effekt der SuperZirkulation in Folge des Abgasstroms verhindert.

Die Stellkräfte für die Klappe werden dadurch verringert, dass die konvergente Klappe mit e^;-em Druckausgleich ausgestattet

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wird, wobei eine Oberfläche der Klappe der verdichteten Luft von dem Verdichterteil des Triebwerkes ausgesetzt wird, um ein Drehmoment um die Schwenkachse der Klappe zu erzeugen, welches entgegengesetzt ist zu dem Drehmoment, welches durch'den Druck des Abgasstroms auf die Klappe erzeugt wird, welche die Oberfläche des Abgasstromweges begrenzt.

Die Figur 1 zeigt ein seitliches Profil, welches schematisch eine beispielhafte Einfügung der Abgasdüse als Ausführungsform der Erfindung in ein Gasturbinentriebwerk und in Verbindung mit der Steuerfläche eines Flugzeuges zeigt.

Die Figur 2 zeigt eine Ansicht der Ausströmdüse der Figur 1 entlang der Linie 2-2.

Die Figur 3 zeigt teilweise im Schnitt eine vergrösserte schematische Darstellung der im Flug verstellbaren Ausströmdüse nach Figur 1 in der Betriebsart ohne Nachverbrennung.

Die Figur 4 enthält eine Ansicht ähnlich Figur 3 und zeigt die Ausströmdüse nach Figur 1 in einer Betriebsart mit Nachverbrennung.

Die Figur 5 ist eine Ansicht ähnlich Figur 3 und zeigt die Ausströmdüse der Figur 1 in der Betriebsart für Flugmanöver.

Die Figur 6 zeigt eine vergrösserue Draufsicht eines Teils des Stellsystems der Ausströmdüse nach den Figuren 3 bis 5.

In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Bauelemente. Es wird zunächst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen, in denen ein Schubsystem als Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt ist. Ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform soll das Schubsystem repräsentativ sein für eine Anlage mit Doppeltriebwerk, bei der zwei Gasturbinentriebwerke symmetrisch in oder unterhalb eines Hauptteils eines Luftfahrzeuges

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befestigt sind, beispielsweise in dem Rumpf oder der Tragfläche 14, wie dies schematisch in Figur 1 angedeutet ist. Wegen der Symmetrie des Systems wird nur ein Triebwerk 12 gezeigt. Auf der anderen Seite des Luftfahrzeuges würde dann ein ähnliches Schubsystem spiegelbildlich angeordnet werden.

Zusammengefasst umfasst das Triebwerk \1 einen Axialstromverdichter 16, welcher zur Unterhaltung der Verbrennung des Brennstoffes im Verbrennungsraum oder der Brennkammer 2o die im Einlass 18 eintretende Luft verdichtet. Der vom Brenner 2o erzeugte Heissgasstrom expandiert und treibt die Turbine 22 an, wel-^e ihrerseits antrxebsmässig mit dem Rotorteil 24 des Verdichters 16 über die Welle 26 verbunden ist, wie dies gewöhnlich bei einem Gasturbinentriebwerk der Fall ist. Nach der Expansion der Gase durch die Turbine 22 treten sie in einen Abgasstrom, ein, welcher allgemein bei 28 bezeichnet ist und strömungsmässig in Reihe einen Diffusor 3o, einen Obergangskanal 32 und eine im Flug verstellbare Abgaseinrichtung 34 enthält. Nachstehend soll dabei der Ausdruck "Abgaseinrichtung" (oder Ausströmdüse) die Ausströmdüse eines Kerntriebwerkes oder irgendeine andere Ausströmdüse eines Gasturbinentriebwerkes bezeichnen, unabhängig davon, ob ihr strömungsmässig in Reihe eine Brennkammer vorgeschaltet ist oder nicht. In dem Übergangskanalabschnitt sind Nachbrenner in an sich bekannter Bauform enthalten, um in der üblichen Weise eine Schubverstärkung zu erhalten.

Im allgemeinen verbessert sich die Einfügung oder Integration des Abgassystems in dem Rumpf/Tragfläche eines Luftfahrzeuges in dem Masse, wie das Verhältnis von Spannweite zu Höhe (s/h) für den Abgasstrom ansteigt (siehe Figuren 1 und 2), da ein langer flacher Kanal die Aufwölbung verkleinert, welche zu Unterbringung des Abgassystems in der Tragfläche erforderlich ist (das Verhältnis s/h i_{st auch als} "Aspektverhältnis" bekannt). Das Gewicht des Abgassystems, die inneren Strömungsverluste und die Schwierigkeiten bei der Kühlung zeigen jedoch ebenfalls eine Tendenz

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zur Vergrösserung bei Vergrösserung des Aspektverhältnisse-Diese widersprüchlichen Tendenzen begünstigen die Annahme, dass ein optimales Aspektverhältnis vorhanden ist, das nur aus den konstruktiven Erwägungen für das gesamte Flugzeugsystem bestimmt werden kann. In einigen Arwendungsfäll en wären Aspektv^rhältnisse bis zu 3o nicht unrealistisch, während in den Anordnungen nach den Figuren 1 und 2 das Aspektverhältnis eher in der Grössenordnung von 5 liegt.

In Folge der Auswirkung der Superzirkulation ist der Konstrukteur in der Lage, den erforderlichen Strömungswinkel des Flugzeuges unter Flugverhältnissen im Überschallbereich zu verringern. Hierdurch ist das Flugzeug in der Lage, Hochleistungskurvenflüge .j.Lt geringerem Flugwiderstand auszuführen. Die hier beschriebene Abgaseinrichtung beinhaltet auch das Prinzip der SuperZirkulation und ergibt eine in hohem Masse wirksame Möglichkeit zur Schubverstellung zur Verbesserung der ManÖverxerfähigkeit des Flugzeuges.

Es wird nunmehr auf die Figuren 3 bis 5 Bezug genommen, in welchen die Ausführungsform der Erfindung mit mehr Einzelheiten dargestellt ist. Es ist wichtig zu beachten, dass die Ausströmdüse 34 praktisch zweidimensional ist, das heisst, ihr Querschnittsprofil ist im wesentlichen konstai r über ihre Spannweite mit hohem Aspektverhältnis in Anpassung an den Obergangskanalabschnitt Gegenüberstehende Wände 38 und 39 begrenzen teilweise einen dazwischen liegenden Stromweg 5 2 für das Abgas. Die Wand 3 8 enthält eine allgemein bei 4o bei.-ichnete innere Oberfläche, welche teilweise den Abgasstromweg 42 definiert und eine äussere Oberfläche 44, welche den Flächenverlauf einer Flugzeugsteuerfläche definiert; in diesem Falle eine Tragflächenklappe. Die innere Oberfläche 4o umfasst einen allgemein kovergenten festgelegten Kanalteil 46, welcher hier eine Verlängerung des Übergangskanalabschnitts 32 darstellt, sowie erste bzw. zweite Klappen 48 bzw. 5o. Die Klappen 48 und 5o sind Klappen mit variabler Einstell-Lage. Die erste Klappe 48 ist zur Drehung um eine Achse bei 52 schenkbar mit dem stromaufwärts liegenden festen Kanalteil 46 verbunden und so eingerichtet-, dass sie die Möglichkeit für eine variable

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Konvergenz des Querschnittes des Abgasstroms schafft. Daher kann die Klappe 48 auch als die "kovergente Klappe" bezeichnet werden. Stromabwärts von der konvergenten Klappe befindet sich die zweite Klappe 5o, welche schwenkbar mit dem hinteren Ende der konvergenten Klappe bei 54 verbunden ist und so eingerichte¹ ist, dass sie eine variable Steuerung der Expansion des Abgasstroms in mindestens einer oder einer ersten Betriebsart ergibt und weiterhin in einer weiteren oder zweiten Betriebsart den Abgasstrom ablenken und umlenken kann, wie diesnoch nachstehend erläutert wird. An der Klappe 5o sind Klappenseiten ^ς5 vorgesehen, um ein Austreten oder Überfliessen des Abgasstroms an den Seiten der Klappe mit entsprechendem Verlust an Schubleistung zu verhindern.

Die äussere Oberfläche oder Aussenfläche 44 besteht im wesentlichen aus einer dritten Klappe 56, welche ebenfalls eine variable Einstell-Lage besitzt und mit der zweiten Klappe in der Nähe ihres stromabwärts gelegenen Endes bei 58 schwenkbar verbunden ist. Das stromaufwärts gelegene Ende der Klappe 56 ist antriebsmässig mit einer noch anschliessend beschriebenen Stelleinrichtung verbunden. Daher bildet die Klappe 56 eine Klappenverlängerung einer festen Flugflächenstruktur 6o, ähnlich einer Tragfläche und einer Tragflächenklappe. Es ist zu beachten, dass die Klappe 56 eine Klappe mit voller Spannweite sein kann, welche sich über die gesamte Spannweite der .Flugstruktur 6o erstreckt, oder auch eine Klappe für einen Teil der Spannweite bilden kann, wobei dann der feste Teil der Struktur 6o in der bei 62 angedeuten Form erscheint. Die drei Klappen 48, 5o und 56 bilden zusammen einen Abgasstromdeflektor, mit dem während des gesamten Flugbetriebes der Querschnitt des AbgasStrömungsweges gesteuert werden kann. Sie sind antriebsmässig miteinander und mit dem festen Kanalteil 56 durch ein allgemein bei 64 bezeichnetes Stellsystem verbunden, welches die synchrone Bewegung der drei Klappen ermöglicht.

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Während des Dauerflugbetriebes gemäss Figur 3 (ohne Nachverbrennung) und Figur 4 (mit Nachverbrennung) wird die Querschnittsveränderung hauptsächlich mittels des Haupstellgliedes 66 erreicht im Zusammenwirken mit dem Winkelhebel 68 (dieser ist um * die Achse 7 ο schwenkbar) und einem Paar von Gestängen 72 und Im besonderen ist ein Ende des Hauptstellgliedes 66 an der starren Düsenstruktur befestigt und das andere Ende mit dem Stellarm 76 ist mit einem Schlitten 76 bei 8o verbunden. Der Schlitten enthält eine Anzahl von Rollen oder Zapfen 82, welche von dem Schlitten aus abstehen und gleitend von einem Paar paralleler Schienen 84 geführt werden, welche fest an der starren Gehäusestruktur 1oo der Düse befestigt sind. Auf diese Weise bewirkt die Betätigung des Stellgliedes 66 eine im wesentlicnen axiale Verschiebung des Schlittens 78 entlang der Schienen 84. Hierdurch wird wiederum eine Drehung des Winkelhebels 68 durch die Stange 72 um ihre Achse 7o erzeugt und dadurch die Klappe 48 über die Antriebsverbindung mit der Stange 74 eingeteilt. Wenn die Klappe 48 um ihren Schwenkzapfen oder Schwenkpunkt 52 gedreht wird, dann bewegt sie ihrerseits die Klappe 5o über die Verbindung 54 und das stromabwärts gelegene Ende der Klappe 56 über die Verbindung 58. Die erforderliche Bewegung des vorderen Endes der Klappe 56 wird durch die Verschiebung des Schlittens 78 mit Hilfe einer noch änschliessend beschriebenen Antriebsverbindung bewerkstelligt. Die Gestänge und die Kurvenscheibe sind so bemessen, dass der optimale Winkel der divergenten Klappe 5o in Abhängigkeit von dem Engstellenquerschnitt 86 programmiert ist, wobei die Engstelle als Stelle mit dem kleinsten Querschnitt zwischen den Klappen 48, 5o und der Wand 39 definiert ist.

Für den Betrieb mit Schubverstellung im Flugmai.överbetrieb nach Figur 5 wird das Stellglied 88 über die Schubversteilung (es können ein oder mehrere dieser Stellglieder vorhanden sein) die Klappe 56 bezüglich des Schlittens 78 unabhängig vom Querschnitt der Düsenengstelle und von dem Winkel der divergenten Klappe verschieben. Das rückwärtige Ende des Schlittens 78 ist mit einer Längsöffnung 9o ausgestattet, alche gleitend einen Zapfen oder eine Rolle 92 aufnimmt, me auf dem stromauf-

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wärts gelegenen Ende der Klappe 56 gebildet ist. Der Zapfen ist mit einem Kolbenarm 94 des Stellgliedes 88 für die Schubverstellung verbunden, das wie das Hauptstellglied 66 eine hydraulisches Stellglied sein kam und unbeweglich ist bezüglich des Schlittens 78 mit Ausnahme der freien Drehung um seine Stiftverbindung 96 mit dem Schlitten. Daher bewirkt die Betätigung des Stellgliedarms 94 einf- Führung in und eine Verschiebung entlang der Öffnung 9o für den Zapfen 92, um auf diese Weise die Profilwölbung der Steuerfläche des Flugzeuges zu vergrössern oder zu verringern und den Auftrieb durch den Effekt der Superzirkulation zu steigern. Daher laufen die Schubverstellungsstellglieder in dem beweglichen Schlitten 78 und sind während der Betriebsarten ohne Schubvers te 1^..mg nach den Figuren 3 und 4 ruhend und halten lediglich den Klappenbolzen 92 gegen das vorderste Ende der Nut 9o. Das Haupstellglied 66 zur Steuerung des Düsenquerschnittes kann an irgendeiner zweckmässigen Stelle in der Düsenstruktur angeordnet werden, da der vorstehend beschriebene Mechanismus die Bewegungsverhältnisse zwischen den Klappen unabhängig von der Lage des Stellgliedes erzeugt. Zur Versorgung dieser Stellglieder, welche hydraulische Stellglieder sein können, können flexible Zuleitungen (nicht gezeigt) verwendet werden, wie dies in ähnlicher Weise bei den Bremssystemen für Flugzeugen geschieht.

Im Betrieb können der Düsenengstellenquerschnittt 86 und die variable konvergente Klappe 48 in Abhängigkeit von dem Einstellwert für die Triebwerksleistung allein eingestellt werden. Die Einstell-Lage der Klappen 5o und 56 ist dagegen einmal abhängig von der Einste11-Leistung für das Flugzeug und vom Schubvektorwinkel (dieser ist eine Funktion der Flugsteuerung des Flugzeuges). Daher wird die Klappe 48 durch das Triebwerkssteuersystem gesteuert und i.e Klappen 5o und 56 werden sowohl durch das System zur Triebwerksteuerung als auch durch das Flugsteuersystem gesteuert. Die vorliegende Erfindung schafft die Möglichkeit zur Steuerung der Klappen ^rι und 56 ohne vollständige

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Integration der beiden Systeme und hierdurch wird die Zuverlässigkeit verbessert.

Weiterhin steuert das Stellglied 66 den Engstellenquerschnitt 86 und den Düsenauslassquerschnitt 87, welcher teilweise du^ch das stromabwärts gelegene Ende der Klappe 5o und die Begrei^ung des Abgasstroms (Stromlinie) 89 definiert wird. Das Verhältnis diesei Querschnitte ist kritisch für die SchubIeistung. Obwohl das Stellglied 88 praktisch bezüglich des Düsenauslassquerschnittes dem Stellglied 66 in der Betriebsart mit Schubverstellung übergeordnet ist, würde bei einem Ausfall des Stellgliedes 88 die Steuerung des Querschnittes für die Engstelle und den Auslass immer noch vom Stellglied 66 bewirkt we ien zur optimalen Leistung während des Flugbetriebes (mit Ausnahme der Betriebsart mit Schubverstellung). Das System besitzt dahei das Merkmal einer inhärenten Ausfallsicherung.

Die Klappenbetätigung wird unterstützt mit Hilfe eines einzigartigen Druckausgleichssystems, welches verdichtete Luft verwendet, die vom Gebläse oder Verdichterteil des Triebswerkes abgezweigt wird. Diese Luft wird in einen Sammelraum 98 eingeleitet, welcher zwischen der thermischen oder Wärmeverkleidung 4 7 und dem starren Gehäuseteil 46 gebildet ist. Das vordere Ende (in Figur 3 links) der Klappe 48 ist mit einer allgemein ebenen Fläche 1o2 ausgestattet, welche noch eine Dichtungsverlängerung 1o4 besitzt und zusammen mit der Klappe 48 um den den&chwenkpunkt 52 schwenkt. Dabei ist das Ende der Verlängerung 1o4 in gleitendem Kontakt mit einer bogenförmigen Dichtungsfläche 1o6, welche einen Teil des starren Gehäuseteils 46 bildet. Die Fläche Io2 ist praktisch die Stirnfläche eines Druckausgleichskolbens, welcher dem Druck der Luft im Sammelraum 98 ausgesetzt ist. Diese Druck multipliziert mit der Grosse der Fläche 1o2 xst gleich einer Kraft, welche ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um die Achse 52 erzeugt. Diese gleicht mindestens teilweise das Moment im Gegenuhrzeigersinn aus, welches dadurch erzeugt

wird, dass der Abgasdruck auf die grossen Flächen der Klappen und 5o wirkt, und vermindert damit die Stellkräfte. Hierdurch wird wiederum die Grosse und das Gewicht des Stellgliedes verringert und dies bildet einen wichtigen Gesichtspunkt bei Anlagen in Flugzeugen.

Die Klappenkühlung wird erhalten mit Hilfe des Filmkühlverfahrens. Das gleiche fließfähige Mittel, welches den Druckausgleich für die Klappe erzeugt, erfüllt auch die Kühlfunktion. Insbesondere wird aus dem Sammelraum 98 durch mindestens eine Öffnung 1o8 in der Fläche 1o2 Luft ausgeblasen und hierdurch eine Verbindung des Sammelraums 98 mit der inneren Klappe 48 geschaffen. Eine Leitung 11o leitet das Kühlmittel zum Verbindungspunkt der Klappen 48 und 5o, wo es durch einen Schlitz 112 als Film übei lie dive gente Klappe 5o ausgestossen wird.

Es wurde daher eine im Flug manöveriurbare Abga^einrichtung oder Ausströmdüse geschaffen, welche zu Unterbringung in einer Tragfläche aerodynamisch gestaltet ist und die Auswirkung der Superzirkulation zur Auftriebssteigerung ausnutzt. Die Veränderung der Düsenquerschnitte wird während des gesamten Flugbetriebes durch ein Stellsystem mit Ausfallsicherung und mit verringerter Kompliziertheit erhalten. Weiterhin beseitigt das vorbeschriebene Stellsystem die Notwendigkeit einer Integration der unabhängigen komplizierten Systeme zur Flugzeugsteuerurg und zur Triebwerkss teuerung.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass in der vorbeschriebenen Ausfuhrungsform der Erfindung gewisse Änderungen vorgenommen werden können, ohne den weiteren Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise könnte die Ausströmdüse mit Schubverstellmöglichkeit in einer Rumpfgondel eines Flugzeuges eingebaut werden und trotzdem noch die Möglichkeit zur Schubversteilung und Flugmanöverierfähigkeit beibehalten ohne den zusätzlichen Vorteil der Superzirkulation. Weiterh , können die Längen und andere

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Abmessungen der Stelleinrichtuiigsbauteile zur Erfüllung bestimmter Betriebswerkserfordernisse abgeändert werden, ohne die Lehre der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Ausströmdüsensystem mit Möglichkeit zur Verstellung im Flug. \ / zur Verwendung mit einem Gasturbinentriebwerk, d;lurch gekennzeichne ι dass es umfasst:

eine erste Klappe (48) mit variabler Einstel] Lage, die teilweise einen Abgasströmungsweg (42) mit einer Engstelle (86) und einem Auslass (87) definiert, wobei die Klappe mit einem stromaufwärts gelegenen festen Kanalteil (46) schwenkbar verbunden und zur einstellbaren Querschnituskonvergenz des Abgasstromweges eingerichtet ist, eine zweite Klappe (5o) mit veränderlicher Einstellung stromabwärts von der ersten Klappe (48), welche mit derselben schwenkbar verbunden ist, ebenfalls den AbgasStrömungsweg (42) definiert und zur variablen Steuerung der Expansion des Abgasstroms in einer ersten Betriebsart und zur Ablenkung des Abgasstroms in einer zweiten Betriebsart eingerichtet ist,

eine dritte Klapp (56) mit variabler Einstellung, die mit der zweiten Klappe (5o) an dem stromabwärts gelegenen Ende verbunden ist, wobei diese dritte Klappe (56) teilweise den Verlauf einer Flugsteuerfläche definiert und zu Änderung derselben eingerichtet ist, und

ein Stellsystem (64), das mindestens mit iner der Klappen(48, 5o, 56) an .triebsmässig verbunden und zur Erzeugung einer synchronen Bewegung zwischen der ersten, zweiten und dritten Klappe eingerichtet ist zur Steuerung des Querschnittes der Engstelle (86) des AbgasStrömungsweges und des Querschnittes am ,.ustrittsort oder Auslass (87) des Abgasströmungsweges.

2.) Ausströmdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsystem umfasst:

eine erste Stelleinrichtung (66), welche mit der ersten Klappe (48) antriebsmässig verbunden ist zur Steuerung des Querschnittes der Engstelle (86) und des Querschnittes des Aus-

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lasses (87) in der ersten Betriebsart über die schwenkbaren Verbindungen (54, 58) zwischen der ersten und der zweiten Klappe und zwischen der zweiten und der dritten Klappe, und eine zweite Stelleinrichtung (88), welche von der ersten Stelleinrichtung (64) getragen wird und dieser in der zweiten Betriebsart dadurch übergeordnet ist, dass durch sie die zweite Klappe (5o) zur Ablenkung des Abgasstroms und die dritte Klappe (56) zur Änderung der Profa!wölbung der Flugsteuerfläche einstellbar sind.

3.) Ausströmdüsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stelleinrichtung des Ste11systems enthält: ein Hauptstellglied (66),

einen antriebsmässig mit dem Hauptstellglied verbundenen Schlitten (78),

eine an dem festen Kanalteil (1oo) angebrachte Spureinrichtung oder Schiene (84) zur gleitende ι Aufnahnu des Schlittens (78), und

ein Gestänge zur antriebsmässigen Verbindung des Schlittens (78) und der ersten Klappe (48), wobei das Gestänge solche Abmessungen besitzt, dass durch die Verschiebung des Schlittens (78) entlang der Schiene (84) unter der Einwirkung des Hauptstellgliedes (66) der Querschnitt der Engstelle (86) des Abgasstroms und der Querschnitt am Auslass (87) nach einem vorbestimmten Verhältnis steuerbar sind, wobei die Querschnitte mindestens teilweise durch die erste und zweit. Klappe begionzt sind.

4.) Ausströmdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge umfasst:

einen an dem festen Kanalteil (1oo) befestigten Winkelhebel (68),

ein erstes Gestänge (72) zur Antriebsverbindung zwischen dem Schlitten (78) und dem Winkelhebel (68), und ein zweites Gestänge (74) zur Antriebsverbindung zwischen

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dem Winkelhebel (68) und der ersten Klappe (48).

5.) Ausströmdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsystem noch eine zweite Stelleinrichtung umfasst einschliesslich eines Stellgliedes (88) für die Schubverstellung, welches mit dem Schlitten (78) verbunden und von ihm getragen ist, wobei dieses Stellglied (88) für die Schubverstellung antriebsmässig mit dem stromaufwärts gelegenen Ende der dritten Klappe (56) so verbunden ist, dass während der ersten Betriebsart das Stellglied (88) für Schubverstellung die dritte Klappe (56) praktisch konstant axial beabstandet zu dem Schlitten (78) hält und während der zweiten Betriebsart das Stellglied (88) zur Schubverstell mg zur Verschiebung der dritten Klappe (56) bezüglich des Schlittens dient, wodurch die Profilwölbung der Flugsteuerfläche veränderlich und gleichzeitig der Abgasstrom mit der zweiten Klappe (5o) ablenkbar wird.

6.) Ausströmdüse nach Anspruch 5, dadurch gekem. eichnet, dass das stromaufwäi us gelegene Ende der dritten Klappe (56) mit einem Zapfen (92) ausgestattet ist, welcher in einer Längsnut (9o) in dem Schlitten aufgenommen ist, wobei das Stellglied (88) zur Schubvers teilung mit dem Zapfen (92) antriebsmässig zur Verschiebung des Zapfens entlang der Nuten (9o) verbunden ist.

7.) Ausströmdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptstellglied (86) und das Stellglied (88) für die Schubverstellung hydraulische Stellglieder sind.

8.) Ausströmdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klappe (48) mit einer Kolbenfläche (1o2) verbunden ist, welche in Strömungsmittelverbindung mit einer Quelle für verdichtetes fliessfähiges Medium steht zur Erzeugung eines Drehmomentes um die Schwenkverbindung (52) für einen

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mindestens teilweise Ausgleich eines durch die Einwirkung des Abgases auf die erste Klappe (48) erzeugten Drehmomentes .

9.) Ausströmdüse nach Anspruch 8, daduixh gekennzeichnet, dass die Kolbenfläche (1o2) allgemein eben ist.

1o.) Ausströmdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfläche (1o2) eine Dichtungsverlängerung (1o4) enthält, welche zur Bewegung entlang einer bogenförmigen Dichtungsfläche (1o6) zur Verringerung der Strömung des verdichteten fliessfähigen Mediums zwischen den beiden Teilen eingerichtet ist.

1.0 Ausströmdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin Einrichtungen zur Überleitung mindestens eines Ttxls des auf die Kolbenfläche (1o2) einwirkenden fliessfähigen Mediums zum stromaufwärts gelegenen Ende der zweiten Klappe besitzt und weiterhin Einrichtungen zum Ausstoss dieses fliessfähigen Mittt 's über die zweite Klappe in einem Kühlfilm besitzt.

12.) Ausströmdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Leitung des fliessfähigen Mittels eine Leitung (11o) im Innern der ersten Klappe (48) besitzt, bei der ein erstes Ende in Strömungsmittelverbindung mit der Kolbenfläche (1o2) steht und ein zweites Ende in einer Öffnung (112) in der Nähe der Schwenkverbindung (54) zwischen der ersten Klappe (48) und der zweiten Klappe (5o) endet.

13.) Stellsystem ζ ./ Verwendung in der Ausströmdüse für ein Gasturbinentriebwerk mit Verstellmöglichkeit im Flug, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung umfasst:

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eine erste Stelleinrichtung zur Einstellung einer Wand zur Begrenzung eines variablen AbgasStrömungsweges und dadurch zur gleichzeitigen Steuerung des Verhältnisses des Querschnittes der Engstelle des Abgasströraungsweges und des Querschnittes am Auslass des Abgasströmungsweges in einem vorgegebenen Verhältnis in einer ersten Betriebsart, und

eine von der ersten Stelleinrichtung getragene zweite Stelleinrichtung, welche so eingerichtet ist, dass sie der ersten Stelleinrichtung in einer zweiten Betriebsart übergeordnet ist zur Einstellung eines Teils der Wand zur Ablenkung des Abgasstroms und zur Änderung des Auslassquerschnittes für den AbgasStrömungsweg.

14.) Stellsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stelleinrichtung antriebsmässig mit einer Klappe (48) mit variabler Einstellung verbunden ist, welche einen Teil der Wand bildet, die teilweise den Abgasströmungsweg (42) definiert.

15.) Stellsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stelleinrichtung umfasst: ein Hauptstellglied (66),

einen antriebsmässig mit dem Hauptstellglied (66) verbundenen Schlitten,

eine Spur oder Schieneneinrichtung (84), welche an einem festen Kanalteil (1oo) der Ausströmdüse mit Verstellmöglichkeit im Flug befestigt ist und den Schlitten (78) gleitend aufnimmt und

ein© Gestängeeinrichtung zur antriebsmässigen Verbindung des Schlittens (78) und der Klappe (48), wobei die Abmessungen des Gestänges so ausgelegt sind_a dass durch die Verschiebung des Schlittens (78) entlang der Schiene (84)

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WiDgl

BAD ORIGINAL

unter der Einwirkung des Haupstellgliedes (66) die Klappe (48) zur Steuerung des Querschnittes der Engstelle (86) des Abgasstroms einstellbar ist.

16.) Stellsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupstellglied (66) antriebsmässig mit einer konvergenten Klappe (48) mit variabler Einstell-Lage verbunden ist.

17.) Stellsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine divergente Klappe (5o) mit variabler Einstell-Lage einen weiteren Teil der Wand bildet und schwenkbar mit dem stromabwärts gelegenen Ende der konvergenten Klappe (48) verbunden ist.

18.) Stellsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stelleinrichtung ein Stellglied (88) zur Schubverstellung enthält, das mit dem Schlitten (78) verbunden ist und von ihm getragen wird, wobei dieses Stellglied (88) zur Schubverstellung antriebsmässig mit einem stromaufwärts gelegenen Ende einer Klappe (56) verbunden ist, welche eine variable Einstell-Lage besitzt und eine Flugsteuerfläche definiert, wobei das stromabwärts gelegene Ende dieser Klappe schwenkbar mit einem stromabwärts gelegenen Ende der divergenten Klappe (5o) so verbunden ist, dass während der ersten Betriebsart durch das Stellglied (88) zur Schubverstellung die Klappe (.56) für die Flugsteuerfläche praktisch konstant axial beabstandet zum Schlitten (78) gehaltert ist und während der zweiten Betriebsart die Klappe (56) zur Begrenzung der Flugsteuerfläche durch das Stellglied 88 zur Schubverstellung bezüglich des Schlittens (78) verschiebbar ist»

.19.) Stellsysteiß nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge umfasst:
einen mit dem festen. Kanalteil (Ho) verbundenen Winkel- Jn --Z₁ ^rH ,rs ""!

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BAD ORIGI

2644032

ein erstes Gestänge (72) zur antriebsmässigen Verbindung des Schlittens (78) und des Winkelhebels (68), und ein zv^eites Gestänge (74) zur antriebsmässigen Verbindung des Winkelhebels (68) und derlkonvergenten Klappe (48).

2o.) Stellsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupstellglied (66) und das Stellglied (88) zur Schubverstellung hydraulische Stellglieder sind.

21.) Klappe mit Druckausgleich, welche um eine Achse in der Nähe ihres Endes schwenkbar ist und teilweise einen Abgasströmungsweg in einem Gasturbinentriebwerk begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (48) eine Kolbenfläche (1o2) in Strömungsmittelverbindung mit einer Quelle für verdichtetes fliessfähiges Medium besitzt zur Erzeugung eines ersten Drehmomentes um die Achse, wobei dieses Drehmoment einem zweiten Drehmoment entgegen gerichtet ist, welches durch den Druck des Abgasstroms gegen die Klappe erzeugbar ist.

22.) Flugzeug mit einer im Flug verstellbaren Ausströmdüse eines Gasturbinentriebwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse umfasst:

eine erste Klappe mit variabler Einstell-Lage, welche teilweise einen AbgasStrömungsweg mit einer Engstelle (86) und einem Auslass (87) definiert, wobei die erste Klappe (48) mit einem stromaufwärts gelegenen festen Kanalteil schwenkbar verbunden ist und zur veränderlichen Querschnittskonvergenz des Abgasströmungsweges eingerichtet ist, eine zweite Klappe (5o) mit variabler Einstell-Lage stromabwärts von der ersten Klappe (48) welche mit dieser schwenkbar verbunden ist und noch den AbgasStrömungsweg definiert,

wobei diese zweito Klappe (5o) zur variablen Steuerung der Expansion des Abgasstroms in einer ersten Betriebsart und zur Abgasstrunablenkung in einer zweiten Betriebsart eingerichtet -.t,

7Q981S/Q33S

₂₁ ^ßAD

eine dritte Klappe (56) mit variabler Einstell-Lage, welche schwenkbar mit der zweiten Klappe an dem stromabwärts gelegenen Ende verbunden ist, wobei diese dritte Klappe (56) teilweise den Verlauf einer Flugsteuerfläche des Flugzeuges definiert und zu deren Änderung eingerichtet ist und ein Stellsystem, welches mit mindestens einer der Klappen antriebsmässig verbunden ist zur Erzeugung einer synchronen Bewegung zwischen der ersten, zweiten und dritten Klappe zur Steuerung des Querschnittes der Engstelle des Abgasströmungsweges und des Querschnittes am Auslass des Abgas Strömungsweges nach einem vorbestimmten Verhältnis.

709815/0321