DE3132961C1 - Duesenvorrichtung fuer ein Turbinen-Strahltriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung für ein Turbinen-Strahltriebwerk gemäß dem Oberbgriff des Anspruches 1.

Eine derartige Düsenvorrichtung ist in der älteren nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung 80 401 850.5 (entsprechend EP 00 33 044 A1) beschrieben. Bei dieser Düsenvorrichtung sind Divergenz-Klappe und Konvergenz-Klappe darüberhinaus mit einer kalten Klappe schwenkbar verbunden, so daß die möglichen Freiheitsgrade sehr eingeschränkt sind, also nicht alle in der Praxis erwünschten Stellungen erreicht werden können. Somit ist eine Optimierung des Verhältnisses von Austrittsquerschnitt des Divergenz-Abschnitts zum Halsquerschnitt nicht möglich.

Aus der US-PS 28 58 668 ist eine Düsenvorrichtung bekannt, bei der über zwei Steuereinrichtungen die Lage von Konvergenz-Klappe und Divergenz-Klappe zueinander individuell eingestellt werden kann, was einen komplizierten Aufbau bedingt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Düsenvorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau zusätzliche Freiheitsgrade für die Definition der Geometrie der Düse erreichbar sind.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung kann unabhängig von dem geforderten Betriebszustand eine optimale Anpassung erhalten werden, insbesondere eine erleichterte Optimierung des Verhältnisses zwischen Austrittsquerschnitt des Divergenz-Abschnittes und Halsquerschnitt der Düse. Darüberhinaus kann auf diese Weise ein radiales Intervall zwischen dem Ende der Divergenz-Klappen und dem Ende kalter Klappen vorliegen, wodurch eine Düse mit kontinuierlichem Hals und ventiliertem Sockel gebildet wird.

Vorteilhaft ist die Auflagefläche der Konvergenz-Klappe am Ende eines Fortsatzes angeordnet, der in einer im wesentlichen nach außen radialen Richtung das stromabseitige Ende der Klappe verlängert.

Die Düsenvorrichtung kann eine dritte ringförmige Anordnung von kalten Klappen mit gegenüber der Triebwerksachse einstellbarer Neigung aufweisen, wobei jede kalte Klappe einerseits an ihrem stromaufseitigen Ende an Stützbeschlägen an dem Stützelement angelenkt ist, und die andererseits über Lenkstangen mit dem zugeordneten ersten oder zweiten Kraftübertragungselement verbunden ist.

Vorteilhaft ist die erste Auflagefläche des ersten Kraftübertragungselementes derart ausgebildet, daß die Bewegungsbahn bei einer Schwenkung dieses Kraftübertragungselementes im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Auflagefläche der zugeordneten Konvergenz-Klappe ist, und derart, daß die Auflageflächen ohne zu gleiten aufeinanderabrollen können, und sind die zweite Auflagefläche des ersten Kraftübertragungselementes und die zweite Auflagefläche des zweiten Kraftübertragungselementes derart ausgebildet, daß die Bewegungsbahn bei der Schwenkung der Kraftübertragungselemente im wesentlichen senkrecht zur Ebene der ersten Auflagefläche des zweiten Kraftübertragungselementes bzw. der Ebene der zugeordneten Divergenz-Klappe ist und derart, daß die Auflageflächen ohne zu gleiten aufeinander während der Drehbewegung der Klappen und der Kraftübertragungselemente abrollen können. Zur Verbesserung dieses Ergebnisses kann die zweite Auflagefläche des zweiten Kraftübertragungselementes eine Laufrolle zur Verringerung von Reibungen aufweisen.

Neben dem Vorteil des geringen Raumbedarfes und der geringen Masse, die durch eine derart ausgebildete Vorrichtung erreichbar sind, werden durch die Erfindung aufgrund des zweiten Kraftübertragungselementes drei Freiheitsgrade in dem System Definition der Geometrie der Düse erreicht:

• - zwischen dem zweiten Kraftübertragungselement und der Divergenz-Klappe,
• - zwischen dem ersten Kraftübertragungselement und dem zweiten Kraftübertragungselement
• - und schließlich zwischen dem ersten Kraftübertragungselement und der Konvergenz-Klappe über einen Fortsatz an dieser Klappe.

Dabei sind die beweglichen Elemente an dem ringförmigen Stützelement angebracht, wobei sie eine "Schleifenbildung" aller Kräfte mit radialer Resultierender des Systems erreichen.

Gemäß der Erfindung erfolgen an den verschiedenen Anlenkpunkten die Wirkungen zwischen den sich bewegenden Teilen, Kraftübertragungselementen oder Klappen, gemäß einem optimalen Winkel nahe 90°. Diese verbessert die Genauigkeit unter Vermeidung von sehr wesentlichen Rückwirkungen von Verformungen, Dehnungen und Toleranzeinflüssen und ermöglicht weiter, den Kraftaufwand zu verringern, der für das Motorglied erforderlich ist.

Hierzu trägt auch an den Anlenkpunkten die Ausbildung der Auflageflächen bei, die ohne zu gleiten abrollen können.

Die Anlenkung zwischen der Steuereinrichtung und der Divergenz-Klappe ermöglicht eine vereinfachte Optimierung des Verhältnisses des Divergenz-Austrittsquerschnittes zum Halsquerschnitt. Außerdem besteht die Möglichkeit, das Verhältnis zwischen dem Austrittsquerschnitt der kalten Klappen und dem Divergenz-Austrittsquerschnitt zu optimieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles einer konvergent-divergenten Düse mit belüftetem Sockel näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt perspektivisch eine schematische Teilansicht der Düsenvorrichtung.

Die dargestellte Düsenvorrichtung ist am stromabseitigen Ende des Ejektionskanals einer Strahlturbine (nicht dargestellt) angeordnet und weist auf

• - eine erste ringförmige Anordnung von Konvergenz-Klappen 1, deren jede über ihr stromaufseitiges Ende um eine Achse 2 angelenkt ist an einem Stützelement (Tragring) 3, der zu dem Kanal koaxial ist und dessen Querschnitt in einer die Düsenachse enthaltenden Ebene halbkreisförmig ist,
• - eine zweite ringförmige Anordnung von Divergenz-Klappen 4, deren jede über ihr stromaufseitiges Ende um eine Achse 5 am stromabseitigen Ende der entsprechenden Konvergenz-Klappe 1 angelenkt ist mittels eines dichten Scharniers 6 üblichen Aufbaus,
• - eine dritte ringförmige Anordnung von kalten Klappen 7, deren jede über ihr stromaufseitiges Ende an Stützbeschlägen 8 angelenkt ist, die am Tragring 3 befestigt sind.

Zwischen zwei benachbarten Konvergenz-Klappen 1 und in gleicher Weise zwischen zwei benachbarten Divergenz-Klappen 4 befindet sich in an sich bekannter Weise eine (nicht dargestellte) Folge-Klappe, die die Dichtheit der Verbindung zwischen den Klappen sicherstellt.

Die Klappen 1 und die Klappen 4 bilden einen konvergenten Kegelstumpf bzw. einen divergenten Kegelstumpf einer konvergenten-divergenten Düse mit kontinuierlichem Hals, der zu dem Ejektionskanal der (nicht dargestellten) Strahlturbine koaxial ist.

Die Steuerung der Neigung gegenüber der Achse der konvergenten und divergenten Kegelstümpfe sowie der Anordnung der kalten Klappen 7 wird mittels einer Vorrichtung erreicht, die eine Reihe von Motorgliedern (Zylindern) 9 aufweist, deren jeder einer Konvergenz-Klappe 1, einer Divergenz-Klappe 4 und einer kalten Klappe 7 zugeordnet ist. Die Zylinder 9 werden von den Stützbeschlägen 8 getragen. Jeder Zylinder 9 ist über das freie Ende der Kolbenstange 10 an ein erstes Kraftübertragungselement (Schwenkhebel) 11 über ein Gelenk 12 angelenkt. Jeder Schwenkhebel 11 ist seinerseits am Tragring 3 um eine Achse 13 angelenkt. Die Achse 13 ist radial vom Gelenk 12 beabstandet.

Die Schwenkhebel 11 besitzen jeweils prismatische Form, deren Längsquerschnitt annähernd die Form eines rechtwinkligen Dreiecks besitzt. Die Drehachse 13 nimmt einen Basiswinkel ein. Jeder Schwenkhebel 11 wirkt auf eine Konvergenz-Klappe 1 ein durch Kontakt längs einer Auflagefläche 14 des Schwenkhebels 11 auf einer Auflagefläche 15, die an einem Fortsatz 16 auftritt, der am stromabseitigen Ende eine balkenförmige Verstärkung der Klappe 1 verlängert. Die Auflageflächen 14 und 15 erstrecken sich längs des stromabseitigen Randes des Schwenkhebels 11 bzw. des Fortsatzes 16 der Klappe 1. Jeder Schwenkhebel 11 wirkt darüberhinaus auf ein zweites Kraftübertragungselement (Träger) 17 mit Trapezform ein, das am Tragring 3 angelenkt ist. In der Zeichnung ist diese Anlenkung mit der gleichen Achse 2 wie die Konvergenz-Klappen 1 dargestellt, jedoch kann die stromaufseitige Anlenkung der Träger 17 gegenüber der Anlenkung der Konvergenz-Klappen 1 versetzt sein. Die Wirkung erfolgt durch Kontakt einer Auflagefläche 18 des Schwenkhebels 11 auf einer Auflagefläche 19, die durch ein Tragsegment 20 gebildet ist, das auf halber Länge des Trägers 17 angeordnet ist und die beiden Längsbalken 21 und 21a verbindet, die den Träger 17 bilden. Jeder Träger 17 wirkt darüberhinaus auf die entsprechende Divergenz-Klappe 4 ein durch Kontakt einer Auflagefläche 22, die durch ein Tragsegment 23 gebildet ist, das die beiden Balken 21 und 21a des Trägers 17 an deren stromabseitigem Ende verbindet, auf einer Auflagefläche 24 der Divergenz-Klappe 4. Jeder Träger 17 ist über Lenkstangen 25 mit einer zugeordneten kalten Klappe 7 verbunden.

Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lenkstangen 25 nicht vorgesehen und ist vielmehr die kalte Klappe 7 mit dem zugeordneten Schwenkhebel 11 über (andere) Lenkstangen verbunden.

Die Synchronisation der Anordnung aus den Elementen 1, 4, 7, 11 und 17 wird über eine kinematische kreisförmige Ketten-Verbindung zwischen allen Schwenkhebeln 11 sichergestellt. Diese kinematische Verbindung weist ein Paar von Lenkhebeln 26 auf, die jedem Schwenkhebel 11 zugeordnet sind, wobei die Lenkhebel 26 jeweils einerseits an dem Schwenkhebel 11 über ein Gelenk 27 und andererseits über ein Gelenk 28 an einem Ende eines Rückführhebels 29 angelenkt sind, dessen anderes Ende an dem Tragring 3 um eine Achse angelenkt ist mittels eines (nicht dargestellten) Bügels. Die Lenkhebel 26 sind annähernd parallel zur Achse der Düse. Die beiden Rückführhebel 29, die den beiderseitig benachbarten Lenkhebeln 26 zugeordnet sind, sowie die in Umfangsrichtung folgenden beiden Klappen 1 sind untereinander mit einem (nicht dargestellten) Torsionsstab verbunden. Zur Erläuterung der Wirkungsweise einer derartigen Synchronisation wird beispielsweise verwiesen auf die EP 00 33 044 A1 der Patentinhaberin.

Die Auflageflächen 14 und 15 sind so augebildet, daß die Auflagefläche 14, ohne während der Bewegung der Klappe 1 zu gleiten, auf der Auflagefläche 15 des Fortsatzes 16 der Konvergenz-Klappe 1 abrollt. Das gleiche tritt bei den Auflageflächen 18 und 19 während der Bewegung der Divergenz-Klappen 4 auf.

Das gleiche kann ebenfalls zutreffen für die Auflageflächen 22 und 24 in dem Maße, wie die Wahl der Anlenkachsen ein Abrollen ohne merkliches Gleiten ermöglicht. Andernfalls kann eine Laufrolle entweder an der Auflagefläche 22 oder an der Auflagefläche 24 vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise der erläuternden Düsenvorrichtung ist folgende:
Die Zylinder 9 wirken auf die Schwenkhebel 11 ein, die über die Auflageflächen 14, 15 die Konvergenz-Klappen 1 steuern, wodurch der Querschnitt am Hals der Düse verändert wird. Die Schwenkhebel 11 steuern darüberhinaus über die Auflageflächen 19, 20 die Träger 17, die ihrerseits über die Auflageflächen 22, 24 die Divergenz-Klappen 4 und über die Lenkstangen 25 die kalten Klappen 7 steuern, wodurch Veränderungen in den Querschnitten der Düse am Austritt des divergenten Teils und am Austritt der kalten Klappen erreicht werden.

Das ganze System synchronisiert sich selbst.

Die Kraft, die sich aufgrund des Druckes von Gas auf die Klappen 1, 4 ergibt, wird mit einer Einfallrichtung von 90° auf die Auflageflächen 14, 15 der Schwenkhebel 11 und auf die Auflageflächen 22 der Träger 17 gerichtet, wobei diese Kraft in gleichförmiger Weise verteilt wird auf den gesamten Umfang der Düse über die Schwenkhebel 11, die Träger 17 und die Bauteile 26 bis 29 der Synchronisationseinrichtung.

Die Verwendung eines Tragringes mit einem Querschnitt, der sich von dem dargestellten unterscheidet, ist möglich, ebenso die Verwendung eines einzigen Trägers für das zweite Kraftübertragungselement 17, das in Längsrichtung im Mittelbereich jeder Divergenz-Klappe 4 angeordnet ist, anstelle von zwei Hebeln für jede Seite dieser Klappen, wie das beim dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert ist.

Claims (6)

1. Düsenvorrichtung für ein Turbinen-Strahltriebwerk,
mit mindestens zwei ringförmigen Anordnungen aus Klappen (1, 4) mit gegenüber der Achse des Triebwerkes einstellbaren Neigung, die eine konvergent-divergente Düse mit kontinuierlichem Hals definieren, wobei jede Divergenz-Klappe (4) über ihr stromaufseitiges Ende bezüglich der Strömung eines Gases durch die Düse um eine Achse (5) am stromabseitigen Ende der zugeordneten Konvergenz-Klappe (1) schwenkbar ist,
mit einem allgemein ringförmigen Stützelement (3), an dem um eine Achse (2) schwenkbar jede Konvergenz-Klappe (1) über ihr stromaufseitiges Ende angelenkt ist,
mit einer Steuereinrichtung, die jeweils die Neigung einer Konvergenz-Klappe (1) und einer Divergenz-Klappe (4) gegenüber der Triebwerksachse einstellt und die jeweils ein erstes Kraftübertragungselement (11) aufweist, das mittels eines von dem Stützelement (3) getragenen Motorglieds (9) um eine Drehachse (13) am Stützelement (3) drehbar ist und das eine erste von der Drehachse (13) stromabwärts beabstandete Auflagefläche (14) besitzt zum Einwirken auf eine Auflagefläche (15) der zugeordneten Konvergenz-Klappe (1), und
mit einer mechanischen Synchronisiereinrichtung (26, 28, 29), die alle ersten Kraftübertragungselemente (11) zur Synchronsteuerung miteinander verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Kraftübertragungselement (11) eine zweite Auflagefläche (18) auf halber Länge besitzt zum Einwirken auf eine erste Auflagefläche (19) eines zweiten Kraftübertragungselementes (17), das um eine Drehachse (z. B. 2) am Stützelement (3) drehbar ist und zum Einwirken auf eine Auflagefläche (24) der zugeordneten Divergenz-Klappe (4) eine zweite Auflagefläche (22) besitzt.

2. Düsenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (15) der Konvergenz-Klappe (1) am Ende eines Fortsatzes (16) angeordnet ist, der in einer im wesentlichen nach außen radialen Richtung das stromabseitige Ende der Konvergenz-Klappe (1) verlängert.

3. Düsenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (3) in einer die Achse der Düse enthaltenden Ebene einen Halbkreis-Querschnitt besitzt.

4. Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dritte ringförmige Anordnung aus kalten Klappen (7) mit gegenüber der Triebwerksachse einstellbarer Neigung, wobei jede kalte Klappe (7) einerseits an ihrem stromaufseitigen Ende an Stützbeschlägen (8) an dem Stützelement (3) angelenkt ist und andererseits über Lenkstangen (25) mit dem zugeordneten ersten oder zweiten Kraftübertragungselement (11 oder 17) verbunden ist.

5. Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Auflagefläche (14) des ersten Kraftübertragungselementes (11) so ausgebildet ist, daß die Bewegungsbahn einer Schwenkung dieses Kraftübertragungselementes (11) im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Auflagefläche (15) der zugeordneten Konvergenz-Klappe (1) ist, und derart, daß die Auflagefläche (14, 15) ohne zu gleiten aufeinander abrollen können, und
daß die zweite Auflagefläche (18) des ersten Kraftübertragungselementes (11) und die zweite Auflagefläche (22) des zweiten Kraftübertragungselementes (17) derart ausgebildet sind, daß die Bewegungsbahn bei der Schwenkung der Kraftübertragungselemente (11, 17) im wesentlichen senkrecht zur Ebene der ersten Auflagefläche (19) des zweiten Kraftübertragungselementes (17) bzw. der Ebene der zugeordneten Divergenz-Klappe (4) ist und derart, daß die Auflageflächen (18, 19; 22, 24) ohne zu gleiten aufeinander während der Drehbewegung der Klappen (1, 4) und der Kraftübertragungselemente (11, 17) abrollen können.

6. Düsenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Auflagefläche (22) des zweiten Kraftübertragungselementes (17) eine Laufrolle aufweist.