DE2839303C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubumkehrvorrichtung für eine Verwendung in Verbindung mit einer asymmetrischen Schub­ düse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei modernen, hochleistungsfähigen Kampfflugzeugen ist es wich­ tig, daß Mittel für ein plötzliches Bremsen oder Vermindern der Fluggeschwindigkeit vorgesehen sind, um die Manövrierbarkeit unter Kampfbedingungen zu verbessern. Es ist auch wichtig, daß ein solches Kampfflugzeug mit Mitteln zum Reduzieren der Länge des Flugzeuglanderollweges versehen ist, um ein Landen auf kur­ zen Pisten zu ermöglichen. Auch kommerzielle Flugzeuge erfor­ dern gewisse Mittel zum Verstärken des üblichen Bremsvorgangs zum Abbremsen des Flugzeugs nach dem Landen.

Das traditionelle und wirksamste Mittel zum Durchführen dieser Funktionen war und ist eine Schubumkehrvorrichtung, die an der Gasturbinentriebwerk-Schubdüse befestigt oder in diese eingebaut ist. Solche Umkehrvorrichtungen sind nur bei Gas­ turbinen-Triebwerken (gewöhnlich als "Strahltriebwerke" be­ zeichnet) anwendbar, da Kolbentriebwerke leicht mit anstel­ lungsvariablen Propellern versehen werden können, die eine Schubumkehrung durch Verschwenken eines jeden Propellerblatts um seine Längsachse bewirken können. Während ein erheblicher Fortschritt bezüglich einer Adaptierung von anstellungsvariab­ len Mechanismen bei Gasturbinentriebwerken mit großem Bypass- Verhältnis erzielt worden ist, wofür die US-PS 39 94 128 ein hervorragendes Beispiel ist, werden herkömmliche Schubum­ kehrvorrichtungen weiterhin das Mittel für eine Schubumkeh­ rung in Gasturbinentriebwerken vom Turbostrahltyp oder Turbo­ gebläsetyp mit niedrigem Bypassverhältnis sein, wobei dieser Typ charakteristisch für moderne hochleistungsfähige Kampf­ flugzeuge ist. Diese Vorrichtungen sorgen bei Betätigung für ein Umleiten der Abgase in Vorwärtsrichtung und somit für eine Umkehrung des Schubvektors.

Es taucht jedoch eine neue Familie von Gasturbinenschubdüsen auf, die gegenüber den früheren Schubdüsen, die als achsen­ symmetrisch gekennzeichnet sind, verbesserte Eigenschaften bezüglich der installierten Betriebsleistung haben. In her­ kömmlicher Weise haben diese Düsen eine zylindrische, kegel­ stumpfförmige oder aus einer Kombination der beiden Formen be­ stehende Geometrie, und sie sind symmetrisch zur zenralen Längsachse. Die neue Düsenart gemäß der US-PS 40 00 610 zeich­ net sich durch eine asymmetrische Form aus, und zwar als Er­ gebnis einer sorgfältigen Berücksichtigung der integrierten Einflüsse der Triebwerk- und Flugwerk- bzw. Zellenleistungs­ fähigkeit und auch als Ergebnis der Erkenntnis, daß eine Ver­ besserung der Flugzeugmanövrierfähigkeit durch eine im Flug er­ folgende Schubvektorsteuerung bzw. -umlenkung notwendig ist. Die hauptsächlich für ein hochleistungsfähiges Kampfflugzeug geeignete ADEN-Schubdüse (augmented deflecting exhaust nozzle, ADEN) der US-PS 40 00 610 hat auch einen erheblichen Vorteil durch eine Schubumkehrbarkeit. Die ADEN-Schubdüse ist jedoch als eine asymmetrische Schubdüse schwierig mit einer her­ kömmlichen Schubumkehrvorrichtung zusammenzubauen, insbeson­ dere in einem Zwillingstriebwerk mit einer Seite an Seite er­ folgenden Installation. Der Umkehrschubstrom von jedem Trieb­ werk muß in Zwillingstriebwerken vertikaler Ebene ausgesto­ ßen werden, und zwar wegen des seitlich angrenzenden Trieb­ werks. Die ADEN-Schubdüse ist jedoch in vertikaler Ebene nicht symmetrisch. Ferner sind bekannte Schubumkehrvorrich­ tungen für eine Verwendung in Verbindung mit herkömmlichen achsensymmetrischen Düsen ausgelegt, wobei einer Integration in eine Düse mit einer verbesserten Flugmanövrierbarkeit kaum Beachtung geschenkt wurde.

Das Problem besteht darin, daß es zum Erzeugen eines Umkehr­ schubes ohne ein begleitendes Kippmoment, welches eine Flug­ zeuginstabilität hervorrufen könnte, notwendig ist, daß der umgekehrte Abgas- bzw. Schubstrom in zwei Ströme aufgeteilt wird, von denen der eine nach oben sowie vorne um mehr als 90° und der andere nach unten sowie vorne um mehr als 90° abgelenkt sind, wobei die unvermeidbaren Querkomponenten des Schubes gleich und entgegengesetzt sind, um jeglichen nach­ teiligen Einfluß auf die Fluglagensteuerung des Flugzeugs auf­ zuheben. Mit anderen Worten muß der Umkehrschubstrom so ein­ gerichtet sein, daß nur ein reiner Umkehrschub ohne Quer­ kraftkomponenten oder Kippmomente erzeugt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schubumkehrvorrichtung für eine asymmetrische Gasturbinentriebwerk-Schubdüse für Hoch­ leistungskampfflugzeuge zu schaffen, die mit einfach und zuver­ lässig arbeitenden Mitteln symmetrische Teilströmungen er­ zeugt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die Klappe an zwei Anlenkungen verschwenkbar ist. Die eine Anlenkung ermöglicht es, daß die Klappe den Abgas- bzw. Schubstrom in der für die bekannte ADEN-Schubdüse üblichen Weise ablenkt. Die andere Anlenkung sorgt für ein derartiges Positionieren der Klappe, daß der vordere Klappenrand in den Abgasstrom eintaucht, um den Strom in zwei Teile aufzuteilen. Eine an dem vorderen Klappenrand ausgebildete Steuerfläche lenkt einen Teil des Abgasstroms nach oben sowie vorne durch einen zwi­ schen der Klappe und dem Gehäuse gebildeten Spalt, und zwar als Ergebnis eines Verschwenkens um die Anlenkung, während der übri­ ge Teil des Abgasstroms durch die Klappe sowie eine an dem hinteren Klappenrand angelenkte Lippe nach unten und vorne ab­ gelenkt wird. Die Steuerfläche, der Spalt, die Klappe und die Lippe sind so bemessen, daß die Querschubkomponenten gleich und entgegengesetzt sind, um unerwünschte Kippmomente zu eli­ minieren.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 - in einer schematischen Querschnittsansicht eine asymmetrische Gasturbinentriebwerk-Schubdüse, in der die Schubumkehrvorrichtung eingebaut ist, wo­ bei die Düse in dem üblichen Vorwärtsflugbetrieb arbeitet,

Fig. 2 - eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht, in der die asymme­ trische Schubdüse in dem Schubumlenkungsbetrieb dargestellt ist, und

Fig. 3 - eine den Fig. 1 und 2 ähnelnde Ansicht, in der die Schubumkehrvorrichtung im Sinne eines Umkehrschubbetriebes betätigt worden ist.

Fig. 1 zeigt eine asymmetrische Gasturbinentriebwerk- Schubdüse 10 und eine Schubumkehrvorrichtung 14 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Heiße Verbrennungsgase werden in der bekannten Weise durch eine Turbine (nicht dar­ gestellt) expandiert, und diese Gase treten in Fig. 1 von links in die Schubdüse ein, wie es durch einen Pfeil 12 dar­ gestellt ist.

Kurz gesagt enthält die Schubdüse 10 ein asymmetrisches Ge­ häuse 16 mit zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Wänden 18 und 20. Zwei allgemein rechtwinklige Seitenwände 21, von denen nur eine dargestellt ist, verbinden die Wände 18 so­ wie 20, um einen allgemein rechtwinkligen Querschnitt zu bil­ den. Die Wand 18 weist ein äußeres Gehäuse 22 und eine hierzu im Abstand angeordnete Verkleidung 24 auf, von der nur ein Teil dargestellt ist, wobei dazwischen ein Kühlluftdurchgang 25 gebildet wird. Es ist festzustellen, daß Hochtemperatur- Schubdüsen komplizierte Kühlungstechniken erforderlich machen, damit die kritischen Metallschmelztemperaturen nicht über­ schritten werden. Der Durchgang 25 stellt hier eine Kühlmittel­ quelle für die Schubdüse dar. Stromabwärts von der Verkleidung 24 befindet sich ein entsprechendes Paar von doppeltrichterför­ migen Klappen 26 und 28, die so arbeiten, daß sie die Quer­ schnittsfläche eines von dem Schubdüsengehäuse 16 bestimmten Schubstrompfades 30 verändern. Eine verstellbare Bauchklappe 32, die das stromabwärts gelegene Ende der Wand 20 bildet, ar­ beitet mit den doppeltrichterförmigen Klappen 26, 28 zusammen, um die Querschnittsfläche des Schubstrompfades 30 weiter zu steuern, und sieht eine Schubströmungs-Expansionssteuerung vor. Für einen V/STOL Betrieb wird ein drehbarer Reflektor 34 be­ nutzt, um den Abgas- bzw. Schubstrom nach unten abzulenken. Der Deflektor 34 hat ein im wesentlichen U-förmiges Quer­ schnittsprofil und weist eine gebogene bzw. gewölbte Ablenk­ haube 36 auf. Während des Reisefluges wird der Reflektor 34 in der dargetellten Weise eingefahren, so daß er nicht die aerodynamisch glatten Konturen des Strömungspfades 30 gefähr­ det. Um einem Flugzeug die Fähigkeit eines vertikalen Abhebens zu erteilen, kann der Deflektor 34 in die gestrichelt darge­ stellte Position verstellt werden, um den Schubstrom in der Abwärtsrichtung abzulenken.

Die Schubdüse 10 ist ferner mit einer variablen externen Expansionsrampe oder positionsvariablen, aerodynamisch ge­ stalteten Klappe 38 stromabwärts von dem asymmetrischen Ge­ häuse 16 versehen. Vorzugsweise bildet die Klappe 38 den hin­ teren Randabschnitt einer Tragfläche oder einer anderen Flug­ zeugsteuerfläche, die durch die Fläche 40 dargestellt ist. In der hier benutzten Bedeutung soll die Fläche 40 einen Teil der Schubdüse einschließen und soll hiermit irgendeine stromli­ nienförmige Oberfläche gemeint sein, die einem atmosphärischen Luftstrom ausgesetzt ist. Die Klappe 38 sorgt für eine Schub­ richtungssteuerung und auch für eine Abgasstrom-Expansionssteue­ rung, wobei die einen integralen Bestandteil der Schubumkehr­ vorrichtung 14 bildet. Die Klappe 38 ist in der horizontalen Ebene allgemein gerade und an ihren Enden mit zwei vertikalen Seitenwänden 42 versehen, von denen aus Einfachheitsgründen nur eine dargestellt ist. Diese Seitenwände arbeiten in der Weise, daß sie ein seitliches Austreten des Abgasstroms wäh­ rend des Umkehrschubes verhindern, was noch klarer ersichtlich wird.

Die Klappe 38 ist mit einem vorderen Rand 54, einem hinteren Rand 56, einer oberseitigen Oberfläche 58, die von der äußeren Oberfläche 40 des Gehäuses durch einen Zwischenraum 60 ge­ trennt ist, und einer unterseitigen Oberfläche 62 versehen, welche allgemein eine Fortsetzung des Schubstrompfades 30 bildet. Ein mit dem Gehäuse bei 66 verbundenes bewegliches Tür­ glied 64 bedeckt den Raum 60 während des normalen Reiseflug­ betriebes (Fig. 1) und während des Schubsteuerungs- bzw. -umlenkungsbetriebes (Fig. 2). Es bewegt sich längs eines ab­ geschrägten Teils 68 der oberseitigen Oberfläche 58 der Klappe 38, um einen stromlinienförmigen Umriß für den äußeren atmos­ phärischen Strom zu bilden.

Der hintere Rand 56 der Klappe 38 ist mit einer beweglichen profilierten Lippe 44 versehen, die für eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung um eine der Klappe 38 oder den Seitenwänden 42 zugeordnete Achse 46 an dieser angelenkt ist. Die Klappe 38 ist ihrerseits um eine feststehende Anlenkung 48 schwenkbar, um in Verbindung mit der Lippe 44 eine Richtungsänderung des aus der Düse austretenden Schubstroms zu erzeugen, wie es durch einen Pfeil 50 dargestellt ist. Dieses ist uncharakteri­ stisch für den in Fig. 2 dargestellten, im Flug erfolgenden Schubumlenkungsbetrieb, wobei sowohl die Klappe 38 wie auch die Lippe 44 verstellt worden sind, um die Richtung des Strö­ mungspfeils 50 zu verändern und hierdurch den Düsenschub um­ zulenken, wodurch eine vertikale Schubkomponente für eine ver­ besserte Flugzeugmanövrierbarkeit erzeugt wird. Zum Verschwen­ ken der Klappe 38 um die Anlenkung 48 sind Mittel in Form eines mit jeder Seitenwand 42 verbundenen hydraulischen oder pneuma­ tischen Klappenbetätigungsorgans 52 vorgesehen. Ähnliche Be­ tätigungsorgane können zum Verschwenken der Lippe 44 um die Achse 46 vorgesehen sein.

Gemäß Fig. 1 ist eine weitere Anlenkung 10 in Form eines fest­ stehenden Zapfens an den Seitenwänden 21 vorgesehen. Dieser Zapfen greift in einen gebogenen Schlitz 72 in den Seitenwänden 42 der Klappe 38, wobei die Schlitzlänge den Grad der Verschwenkung der Klappe 38 um die Anlenkung 48 begrenzt. Die beiden Extremwerte der Klappenverschwenkung sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist festzustellen, daß ein Ver­ schwenken der Klappe 38 um den Zapfen 30 zu einem Öffnen eines Zwischenraums 74 zwischen der Klappe 38 und dem Gehäuse 16 und insbesondere zwischen dem vorderen Rand der Klappe 38 (die in den Abgas- bzw. Schubstrom eingetaucht ist) sowie der divergenten Klappe 28 führt. Bei einer solchen Betriebsart ist die Klappe 38 von der Anlenkung 48 gelöst. und der vordere Klappenrand unter­ bricht den Schubstrom und teilt ihn in zwei Teile auf. Die An­ lenkung 48 ist längs dieses Bogens angeordnet.

Schwenk- bzw. Umlenkmittel, die beispielsweise eine allgemein konkav gewölbte Steueroberfläche 78 aufweisen, welche die entsprechenden oberseitigen sowie unterseitigen Oberflächen 58, 62 der Klappe 38 verbindet, an dem Klappenvorder­ rand 54 lenken einen durch Pfeile 80 dargestellten ersten Teil des Abgasstroms nach oben und vorne über einen Winkel von mehr als 90° und durch den Zwischenraum 74. Das Türglied 64 deckt den Zwischenraum 60 ab und bildet eine stromlinienförmige Begrenzung für den Abgasstrom. Der durch Pfeile 82 dargestellte übrige Teil des Abgasstroms wird durch die untere Klappenoberfläche 62 nach unten abgelenkt, um dann von der angelenkten Lippe 44 nach unten sowie vorne abgelenkt zu werden, wobei die Lippe 44 gemäß der Darstellung im wesentlichen rechtwinklig zur Klappe 38 angeordnet sein kann.

Die beiden abgelenkten Strömungsteile beinhalten jeweils eine Schubvektorkomponente in der Umkehrrichtung, um die erstrebte Flugzeugabbremsung herbeizuführen. Zusätzlich erzeugt jeder Strömungsanteil in der vertikalen Ebene eine Querschubkompo­ nente in entgegengesetzten Richtungen. Dabei können durch ge­ eignetes Bemessen der Komponenten der beschriebenen Schubum­ kehr die Querschubkomponenten ausgeglichen (das heißt gleich und entgegengesetzt gemacht) werden, um eine resultierende Schubkomponente in der vertikalen Richtung zu vermeiden, die nachteilige Kippmomente erzeugen könnten. Somit schafft die Schubumkehrvorrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungs­ beispielen der Erfindung ein zweckmäßiges und wirksames Mittel zum Erzeugen einer symmetrischen Schubumkehr in einer asymme­ trischen Düse. Ferner stellt die stromlinienförmige Schubum­ kehrvorrichtung nicht nur ein Beibehalten der installierten Leistungsfähigkeitsvorteile der asymmetrischen Düse sicher, sondern sie begünstigt die Flugmanövrierbarkeit wegen der zu­ sätzlichen schnellen Abbremsbarkeit und der verbesserten Schub­ richtungssteuerung durch eine Teilschwenkbewegung der ange­ lenkten Lippe 44 gemäß der Darstellung in Fig. 2.

Es können separate Mittel zum Verschwenken der Klappe 38 um die Anlenkung 70 vorgesehen sein, wie beispielsweise zwei hydraulische oder pneumatische Umkehrvorrichtung-Betätigungs­ organe 84, die mit jedem Ende der Klappe 38 verbunden sind und von denen aus Klarheitsgründen nur ein Betätigungsorgan dargestellt ist. Ferner ist es für den Fachmann klar, daß die Lippe 44 mit dem Umkehrvorrichtung-Betätigungsorgan 84 mittels eines Systems von Nocken, Hebeln und/oder Gestängen verbunden werden kann. Ein Betätigungsorgan 86 bekannter Art kann zum Positionieren des Türgliedes 64 benutzt werden, wenn dieses erforderlich ist.

Die Klappe 38 ist also um eine erste Anlenkung 70 und um eine zweite Anlenkung 48 schwenkbar und hat zwei Sätze von Betäti­ gungsorganen, nämlich einen Satz für die Schubvektorsteuerung und einen Satz für den Schubumkehrbetrieb. Während der Schub­ vektorsteuerung (Fig. 2) steuern die Klappenbetätigungsorgane 52 den Klappenwinkel, und die Schubumkehrvorrichtung-Betäti­ gungsorgane 84 üben eine ständige Belastung an der Anlenkung 48 aus, wodurch die Klappe 38 hiermit in Eingriff gehalten wird. Während des Umkehrschubbetriebes (Fig. 3) steuern die Umkehrvorrichtung-Betätigungsorgane 84 die Klappenposition, während die Klappenbetätigungsorgane 52 eine ständige Belastung auf die Anlenkung 70 ausüben, wodurch die Klappe 38 sicher hiermit in Eingriff gehalten wird. Somit sind die Steuerungs­ systeme voneinander unabhängig, zuverlässig und einfach.

Claims (8)

1. Schubumkehrvorrichtung für eine Verwendung in Verbindung mit einer asymmetrischen Schubdüse, die ein Auslaßgehäuse hat, das in seinem Inneren teilweise einen Abgasstrom- Strömungspfad bestimmt, gekennzeichnet durch eine strom­ abwärts von dem Gehäuse (16) angeordnete Klappe (38) mit einem vorderen Rand (54) sowie einem hinteren Rand (56), durch eine erste Klappenanlenkung (70), durch Mittel (84) zum Verschwenken der Klappe (38) um die erste Anlenkung (70), wobei der vordere Rand (54) der Klappe (38) einen den Abgasstrom (12) unterbrechenden Bogen (76) beschreibt, so daß der vordere Rand (54) der Klappe (38) in den Abgas­ strom (12) eintaucht und von dem Gehäuse (16) durch einen Spalt (74) getrennt ist, durch eine zweite Klappenanlen­ kung (48), die entlang dem Bogen (76) in bester Relation zu dem Auslaßgehäuse angeordnet ist, durch Mittel ( 52) zum Verschwenken des vorderen Klappenrandes (54) um die zweite Klappenanlenkung (48), durch dem vorderen Klappen­ rand (54) zugeordnete Mittel (78) zum Drehen eines Teils (80) des Abgasstroms (12), und zwar nach oben über einen Winkel von mehr als 90° und durch den Spalt (74), wenn die Klappe (38) um die erste Anlenkung (70) geschwenkt ist, und durch dem hinteren Klappenrand (56) zugeordnete Mittel (44) zum Umlenken des übrigen Teils (82) des Abgasstroms (12) nach unten über einen Winkel von mehr als 90°, wenn die Klappe (38) um die erste Anlenkung (70) geschwenkt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmittel (78) und die Umlenkmittel (44) entsprechend bemes­ sen sind, um entsprechend eine aufwärtsgerichtete Schubvektor­ komponente und eine abwärtsgerichtete Schubvektorkomponente zu erzeugen, wobei diese Komponenten von allgemein gleicher Größe sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (38) eine oberseitige Oberfläche (58) sowie eine unter­ seitige Oberfläche (62) hat und daß die Drehmittel eine allgemein konkav gewölbte Steuerfläche (78) aufweisen, die die Klappenoberflächen (58, 62) an dem vorderen Rand (54) ver­ bindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel eine mit dem hinteren Klappenrand (56) verbundene bewegliche Lippe (44) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe (44) an der Klappe (38) angelenkt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (38) einen allgemein geraden Flügelabschnitt und ein Paar von hiermit verbundenen sowie hierzu allgemein rechtwink­ ligen Seitenklappen (42) aufweist, die ein seitwärts erfolgen­ des Austreten des Abgasstroms (12) verhindern und die an der ersten Anlenkung (70) mit dem Gehäuse (16) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (16) eine einer atmosphärischen Strömung auszusetzende stromlinienförmige äußere Oberfläche (40) enthält, daß die Klappe (38) eine einer atmosphärischen Strömung auszusetzende stromlinienförmige oberseitige Oberfläche (58) sowie eine un­ terseitige Oberfläche (62 ) enthält, die eine Fortsetzung des Abgasstrom-Strömungspfades (30) bildet, und daß die oberseitige Klappenoberfläche (58) von der äußeren Oberfläche (40 ) des Ge­ häuses (16) durch einen Zwischenraum (60) getrennt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein mit dem Gehäuse (16) verbundenes bewegliches Türglied (64), das beim Verschwenken der Klappe (38) um die zweite Anlenkung (48) den Zwischenraum (60) umhüllt und das eine solche Länge hat, daß der Zwischenraum (60) abgedeckt ist, um einen Durchfluß des nach oben strömenden Abgasstrom­ teils (80) zu ermöglichen, wenn die Klappe (38) um die erste Anlenkung (70) geschwenkt ist.