DE3242822A1

DE3242822A1 - Konvergente/divergente schubduesenanordnung mit veraenderbarer querschnittsflaeche

Info

Publication number: DE3242822A1
Application number: DE19823242822
Authority: DE
Inventors: Walter Hammond 33410 Palm Beach Gardens Fla. Wiley
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1983-07-07
Also published as: IL67300A0; US4440346A; IL67300A; DE3242822C2; EG15577A; JPS58117337A; SE8206771L; SE8206771D0; TR21973A; JPH0261617B2; SE453767B

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche

Die Erfindung betrifft eine konvergente/divergente Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk .

Schubdüsen mit veränderbarer Querschnittsfläche für Gasturbinentriebwerke sind bekannt und kommen in vielen verschiedenen Konfigurationen vor. Einige sind einfach zweidimensionale konvergente Düsen, wie sie in der US-PS 4 013 226 beschrieben sind, bei denen eine einzelne Klappe durch einen oder mehrere hydraulische Stellantriebe betätigt wird und um Rollen schwenkbar und längs einer gekrümmten Bahn bewegbar ist, die mit den Rollen so zusammenwirkt, daß der Schubdüsenquerschnitt verändert oder sogar blockiert werden kann. Die US-PS 3 354 649 beschreibt eine dreidimensionale konvergente Schubdüse, die mehrere Klappen aufweist, welche an einem axial ver-

schiebbaren Gleichlaufring gelenkig befestigt sind und durch hydraulische Stellantriebe längs gekrümmter Kurvenbahnen bewegt werden.

Konvergente/divergente dreidimensionale Schubdüsen mit veränderbarer Querschnittsfläche sind ebenfalls bekannt, beispielsweise aus den US-PSen 3 792 815, 4 141 501, 4 196 856 und 4 245 787. Jede dieser Patentschriften beschreibt Schubdüsen, die konvergente Klappen, divergente Klappen und äußere Schubdüsenklappen haben. Mit Ausnahme der US-PS 4 196 856 sind in jedem Fall entweder die konvergenten oder die äußeren Klappen an dem feststehenden Triebwerksgerüst angelenkt. Gemäß der US-PS 4 196 856 sind die stromaufwartigen Enden der äußeren Klappen unabhängig von der Bewegung der konvergenten und divergenten Klappen durch eine Stellantriebsvorrichtung axial verschiebbar, die unabhängig von dem Betätigungssyst-sm arbeitet, das die konvergenten und divergenten Klappen bewegt. Das ermöglicht zwar eine beträchtliche Bewegungsfreiheit, das Erfordernis eines zweiten Betätigungssystems ist jedoch angesichts seines zusätzlichen Gewichts, der zusätzlichen Kosten und der Komplexität unerwünscht.

Es wird bei Schubdüsenkonstruktionen gewöhnlich angestrebt, die erforderlichen Stellantriebskräfte zum Betätigen der Schubdüse zu minimieren. Die Schubdüsenklappen und Gestängeanordnungen sind deshalb manchmal so ausgelegt, daß die Druckkräfte, die auf gewisse Teile der Schubdüse einwirken und bestrebt sind, die Schubdüse zu öffnen, teilweise oder sogar vollständig durch Druck-Kräfte ausgeglichen werden, die bestrebt sind, die Schubdüse zu schließen. Beispielsweise erstreckt sich gemäß der oben erwähnten US-PS 3 792 815 eine zusätzliche stromauf wärtige Ausgleichsklappe vorderhalb des vorderen Endes

-y*

der konvergenten Schubdüsenklappen. Druckkräfte an diesen Ausgleichsklappen sind bestrebt, die konvergenten Klappen in eine geschlossene Stellung zu drehen, um die Kräfte an der Schubdüse aufzuheben, die versuchen, die Schubdüse aufzudrücken. Die aus der US-PS 3 792 815 bekannte Ausgleichsklappe arbeitet zwar zufriedenstellend, eine ein- " fächere, weniger teuere Vorrichtung zum Kraftausgleich an der Schubdüse ist jedoch äußerst erwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte konvergente/divergente Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche zu schaffen.

Weiter soll eine leichtgewichtige konvergente/divergente Schubdüsenanordnung geschaffen werden, bei der ein Kraftausgleich zum Verringern der erforderlichen Stellantriebskräfte leicht möglich ist.

Ferner soll eine vereinfachte Vorrichtung zum Verringern der erforderlichen Stellantriebskräfte an einer axial verschiebbaren und drehbaren konvergenten Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche geschaffen werden.

Außerdem soll eine dreidimensionale konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche geschaffen werden, deren Bewegung für die vielfältigsten Triebwerkszwecke leicht maßgeschneidert werden kann, ohne daß komplizierte Gestänge erforderlich sind.

Gemäß der Erfindung weist eine konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk mehrere konvergente Schubdüsenklappen auf, die mit einer axial verschiebbaren Gleichlaufringvorrichtung gelenkig verbunden sind, mehrere diver-

gente Schubdüsenklappen, die mit den stromabwärtigen Enden der konvergenten Schubdüsenklappen gelenkig verbunden sind, und mehrere Verbinder, die außerhalb der konvergenten und der divergenten Schubdüsenklappen angeordnet und an ihren stromaufwärtigen Enden mit der Gleichlaufringvorrichtung und an ihren stromabwärtigen Enden mit den divergenten Schubdüsenklappen gelenkig verbunden sind, wodurch eine Axialverschiebung der Gleichlaufringvorrichtung zu einer Axialverschiebung sowohl der konvergenten SchufodüsenkXap«- pen als auch der äußeren Verbinder führt und sich die konvergenten Schubdüsenklappen drehen, wenn sie axial verschoben werden, um das Schubdüsenaustrittsflächenverhältnis während der Verschiebung zu verändern.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die konvergenten Schubdüsenklappen an einem inneren Gleichlaufring befestigt und laufen zum Verändern der Schubdüsenaustrittsfläche auf einer gekrümmten Kurvenbahn. Die Verbinder sind äußere Klappen, die mit einem äußeren Gleichlaufring verbunden sind. Der innere und der äußere Gleichlaufring sind mechanisch miteinander verbunden, so daß die Verschiebung eines Ringes zur Verschiebung des anderen führt. Die gleichzeitige Axialverschiebung der konvergenten Klappen und der äußeren Klappen gibt dem Konstrukteur mehr Spielraum, wenn er eine konvergente/divergente Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche mit einem ausreichenden Austrittsflächenverhältnis entwirft. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß ein großer Teil der konvergenten Klappen aus dem Strömungsweg des heißen Abgases heraus in eine Stellung radial außerhalb des Kanals bewegt werden kann, der den AbgasStrömungsweg begrenzt. Dieser Kanal wirkt als Hitzeschild, und Kühlluft von

außerhalb des Abgasströmungsweges strömt sowohl über die konvergenten als auch über die divergenten Klappen und verringert die Kühlerfordernisse der konvergenten/divergenten Schubdüse im Vergleich zu gewissen bekannten Schubdüsen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Schubdüsen

anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilansicht, teilweise wegge

brochen, insgesamt nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer wei

teren Ausführungsform der Schubdüsenanordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Teilansicht, teilweise wegge

brochen, insgesamt nach der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Teilquerschnittansicht nach

der Linie 5-5 in Fig. 3,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht, die noch

eine weitere Ausführungsform der Schubdüsenanordnung nach der Erfindung zeigt,

Fig. 7 eine Teilansicht, teilweise wegge

brochen, insgesamt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 und

Fig. 8 ein Diagramm, in welchem eine

Schleppkurve dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnete konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schubdüsenanordnung 10 umfaßt ein feststehendes Triebwerksgerüst 12, das einen Schubverstärkerkanal 14 umfaßt, der eine Kanalauskleidung 16 hat, die in radialem Abstand einwärts desselben angeordnet ist und den Schubvers tärkergasströmungsweg begrenzt, der eine Achse 19 . hat, bei der es sich um die Triebwerksachse handelt» Das feststehende Triebwerksgerüst 12 kann auch die Triebwerksgondel umfassen, die nicht dargestellt ist. Die Kanalauskleidung 16 hat ein kreisförmiges Auslaßende 18. ümfangsmäßig um die Triebwerksachse 19 sind mehrere stromauf wärtige Klappen 20 angeordnet, die eine konvergente Schubdüse bilden, mehrere stromabwärtige Klappen 22, die eine divergente Schubdüse bilden, und mehrere äußere Klappen 24. Nicht dargestellte Dichtvorrichtun^en sind zwischen ümfangsmäßig benachbarten Klappen vorgesehen, um das Entweichen von Gas im Betrieb zu verhindern. Die stromaufwärtigen Klappen 20 sind mit ihren vorderen Enden 25 an Stellen 26 an einem inneren Gleichlaufring 28 angelenkt, der axial verschiebbar ist. Die hinteren Enden 30 der stromaufwärtigen Klappen 20 sind an Stellen 32 an den vorderen Enden 34 von entsprechenden stromabwärtigen Klappen 2 2 angelenkt. An jeder stromaufwärtigen Klappe 20 ist ein Kurvenabtaster befestigt. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist der Kurvenabtaster eine Rolle 36. Die Rolle 36 läuft auf der Oberfläche 38 einer Kurvenbahn 40, wenn sich der Gleichlaufring 28 verschiebt. Die Kurvenbahn 4 0 ist an dem Schubverstärkerkanal 14 durch konische und zylindrische Traggehäuse 42 bzw. 44 ab-

gestützt, die an einer Flanschverbindungsstelle 46 miteinander verschraubt sind. Wenn sich die vorderen Enden der Klappen 20 stromabwärts verschieben, wird die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse kleiner, und wenn sich die vorderen Enden 25 stromaufwärts verschieben, wird die Austrittsfläche größer.

Die vorderen Enden 48 der äußeren Klappen 24 sind an Stellen 50 an einem axial verschiebbaren Gleichlaufring 52 angelenkt. Der Anlenkpunkt 50 ist radial außerhalb von dem Anlenkpunkt 26 angeordet. Die äußere Klappe 24 und die stromabwärtige Klappe 22 sind an einer Stelle 54 an einem Punkt stromabwärts ihrer vorderen Enden 48 bzw. aneinander angelenkt. In dieser Schubdüsenanordnung nimmt die Austrittsfläche der divergenten Schubdüse, die durch die Klappen 22 begrenzt wird, zu, wenn die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse, die durch die Klappen 20 begrenzt wird, zunimmt, und umgekehrt. Unter dem Gesichtspunkt der richtigen Auslegung der konvergenten und der divergenten Schubdüsenteile der Schubdüsenanordnung 10 könnten die äußeren Klappen 24 Stangen sein, die an ihren vorderen und hinteren Enden an den Anlenkpunkten 50 bzw. 54 angelenkt sind. Klappen werden jedoch bevorzugt, um einen glatten, aerodynamisch wirksamen äußeren Umriß für die Schubdüsenanordnung 10 zu schaffen.

Gemäß der Erfindung sind der innere Gleichlaufring 28 und der äußere Gleichlaufring 52 miteinander verbunden, so daß die Verschiebung eines Gleichlaufringes zur gleichzeitigen Verschiebung des anderen Gleichlaufringes führt. Gemäß den Fig. 1 und 2 hat der Gleichlaufring 28 eine ringförmige, axial langgestreckte Tragvorrichtung 56, die eine ringförmige, sich radial nach außen erstreckende Lippe

55 an ihrem vorderen Ende hat. Eine Dichtvorrichtung 57, die an dem Kanal 14 befestigt ist, liegt an der inneren zylindrischen Fläche 59 der Tragvorrichtung 56 an und verhindert eine Abgasleckage. Der dargestellte Dichtungstyp ist nicht Teil der Erfindung und ist ausführlich in der US-PS 3 354 649 beschrieben.

Der äußere Gleichlaufring 52 ist an der Gleichlaufringtragvorrichtung 56 durch mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete dreieckige Streben 68 starr befestigt (und ist daher relativ zu dem inneren Gleichlaufring 28 feststehend). Eine nach hinten gerichtete Spitze 70 jeder Strebe 68 ist mit dem Gleichlaufring 52 an einer Stelle 72 verbunden. Die anderen beiden Spitzen 74, 76 jeder Strebe 68 sind an Stellen 78 bzw. 80 mit Winkeln 53 verbunden, die an der Gleichlaufringtragvorrichtung befestigt sind. Die Streben 68 erstrecken sich durch axial langgestreckte Schlitze 82 in dem Gehäuse 44. Mindestens drei Streben 68 sind erforderlich, um den äußeren Gleichlaufring 52 zu positionieren und konzentrisch zu der Triebwerksachse 19 zu halten.

Der innere Gleichlaufring 28 wird durch mehrere Rollen 60, die in Bahnen 61 laufen, positioniert und konzentrisch zu der Triebwerksachse 19 gehalten. Wenigstens drei in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Rollen/Bahn-Kombinationen sind erforderlich. Jede Rolle ist an einem radialen Stift 63 befestigt und dreht sich um dessen Achse Der Stift 63 ist an der Gleichlaufringtragvorrichtung 56 mittels eines Winkels 64 befestigt. Die Bahnen 61 sind gerade, axial ausgerichtete und im Querschnitt U-förmige Teile, deren U-Öffnung radial nach innen weist. Jede Bahn 61 ist an dsr Innenseite des Gehäuses 44 befestigt. Die

Bahnen 61 und die Rollen 6 0 sind gegenüber den Streben

68 umfangsmäßig versetzt und liegen deshalb in Wirklich-

keit nicht in der Ebene von Fig. 1. Aus diesem Grund sind sie mit unterbrochenen Linien dargestellt.

In dieser Ausführungsform wird der innere Gleichlaufring 28 durch mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Stellantriebe 84 verschoben, die an dem Triebwerksgerüst 12 befestigt sind. Wegen der starren Verbindung zwischen dem inneren Gleichlaufring 28 und dem äußeren Gleichlaufring 52 über die Streben 68 führt die Betätigung des inneren Gleichlaufringes 28 zur Verschiebung des äußeren Gleichlaufringes 52 mit derselben Geschwindigkeit und in derselben Richtung wie der innere Gleichlaufring, wie wenn sowohl die stromaufwärtigen Klappen 20 als auch die äußeren Klappen 24 an einem gemeinsamen Gleichlaufring befestigt wären. Wegen der gemeinsamen Bewegung der Gleichlaufringe 28, 52 ist die Bewegung der Klappen 20, 22, 24 relativ zueinander allein eine Funktion der Längen der Glieder des Gelenkvierecks, das durch die Klappendrehpunkte 26, 32, 54 und 50 gebildet ist. Die Schubdüsenklappen 20, 22, 24 sind mit ausgezogenen Linien in ihrer Stellung minimaler Austrittsfläche und strichpunktiert in ihrer Stellung maximaler Austrittsfläche dargestellt.

Die Form der Kurvenbahnoberfläche 38 ist für das mechanische Funktionieren der Schubdüsenanordnung 10 nicht kritisch und kann auf. der Basis einer Anzahl von Kriterien gewählt werden, zu denen physikalische und aerodynamische Grenzwerte gehören. Es ist jedoch festgestellt worden, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die Kurvenbahnoberfläche 38 die Form einer Traktrix oder Schlepp-

kurve hat, so daß ein Punkt P' auf der Oberfläche 83 jeder Klappe 20 sich auf einer Schleppkurve bewegt,, die als X-Achse eine axiale Linie hat, die durch den Drehpunkt 26 hindurchgeht. (Es sei angemerkt, daß konvergente Schubdüsen mit veränderbarer Querschnittsfläche, die Klappen haben, welche an einem verschiebbaren Gleichlauf~ ring befestigt sind und in schleppkurvenförmigen Kurvenbahnen laufen, bereits an bekannten Triebwerken benutzt worden sind.) Eine Schleppkurve hat folgende Gleichung und ist in Fig. 8 gezeigt;

- γ

\ - γ a² - y²

χ =' a · sch ¹ \ - γ a² - y

Gemäß Fig. 8 ist eine Schleppkurve oder Traktrix der geometrische Ort des Endes P einer Tangente der festen Länge a, wenn sich das andere Ende T der Tangente auf der X-Achse bewegt. Wenn der Punkt P¹ auf der Oberfläche 83 einer Klappe 20 dem Punkt P in Fig. 8 entspricht und wenn der Punkt T¹ der Drehpunkt 26 in Fig. 1 ist und dem Punkt T in Fig. 8 entspricht, dann entspricht die Linie P¹T' der Linie PT in Fig. 8, wobei sich der Punkt T' auf der X-Achse bewegt, und die Konstante a in der Gleichung ist die Länge von P¹T'. Der Punkt P' beschreibt eine Schleppkurve, und die Klappe 20 wird immer zu der Kurve in dem Punkt P¹ tangential sein. Die Wahl einer Position für den Punkt P' legt die axiale Lage der Y-Achse und die axiale Position der Schleppkurve relativ zu dem feststehenden Triebwerksgerüst fest. Die Y-Achse für die Schubdüsenanordnung 10 ist in Fig. 1 strichpunktiert"dargestellt.

Wenn eine Linie L,die durch den Punkt P' rechtwinkelig zu der Oberfläche 83 hindurchgeht, auch durch den Mittelpunkt 85 der Rolle 36 hindurchgeht und wenn diese Linie einen Endpunkt S' auf dem Umfang der Rolle 36 hat.

ORIGINAL^

dann wird der Punkt S¹ eine Schleppkurve beschreiben/ wenn der Punkt P¹ eine Schleppkurve beschreibt. Die durch den Punkt S¹ beschriebene Kurve legt dann die gewünschte Form und Lage der Kurvenbahnoberfläche 38 fest, die die gewünschte Bewegung für die Oberflächen 83 der Klappe ergibt. Die Schleppkurve, die der Punkt P¹ beschreibt, ist in Fig. 1 strichpunktiert gezeigt und mit der Bezugszahl 99 bezeichnet. Aufgrund dieser Anordnung ist die Druckkraft auf der Oberfläche jeder Klappe 20 immer rechtwinkelig zu einer Tangente an der Oberfläche 38 ihrer zugeordneten Kurvenbahn 4 0 in dem Berührungspunkt der Rolle 36 in sämtlichen Stellungen der Klappen 20. Wenn der Punkt P¹ außerdem der Druckmittelpunkt für eine Klappe 20 ist, dann wird die Druckkraft auf jeder Klappe 20 kein Moment um die Achse 85 der Rolle 36 erzeugen. Der Punkt P¹ kann selbstverständlich auch stromaufwärts oder stromabwärts des Druckmittelpunkts liegen.

Die Wahl der Lage des Punktes P' auf der Oberfläche der Klappe 20 kann daher zu einem Moment im Uhrzeigersinn, zu einem Moment im Gegenuhrzeigersinn oder zu keinem Moment um die Rollenachse aufgrund der auf die Klappen 20 einwirkenden Kräfte führen. Dieses Merkmal der Erfindung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Schubdüsenanordnung ausgleichen zu helfen und dadurch die Stellantriebsbelastungen zu verringern und zu gewährleisten, daß, wenn die Stellantriebe 84 ausfallen, die Schubdüsen in ihre vollständig geöffnete oder vollständig geschlossene Stellung zurückkehren oder darin bleiben, je nach Bedarf.

Ein weiterer Vorteil der Schubdüsenanordnung 10 ist, daß, wenn sich die Klappen 20 in stromaufwärtiger Rieh-

tung verschieben, ein Teil der Klappenoberfläche 83 in eine Stellung radial außerhalb und vorderhalb des Auslaßendes 18 der Kanalauskleidung 16 bewegt wird. Das Auslaßende 18 befindet sich absichtlich so weit wie möglich stromabwärts und so nahe wie möglich bei der Oberfläche 83 der Klappen 20, ohne die Bewegung der Klappen 20 zu stören. Wenn die durch die Klappen 20 gebildete konvergente Schubdüse in ihrer Stellung maximaler Querschnittsfläche ist, befindet sich der Hauptteil der Oberfläche der Klappen 20 stromaufwärts des Auslaßendes 18 und ist dadurch vor direktem Auftreffen der heißen Abgase geschützt. Kühlluft, die sich zwischen der Auskleidung und dem Kanal 14 stromabwärts bewegt, geht nicht nur über die Oberflächen 83 der Klappen 20 hinweg, sondern strömt auch über die divergenten Klappen 22 und kühlt diese, und zwar in sämtlichen Stellungen der Klappen. Ss ist beträchtlich weniger Luft zum Kühlen der Klappen 20, 22 in der hier beschriebenen Konfiguration erforderlich als beispielsweise zum Kühlen der konvergenten Klappen der in der US-PS 3 792 815 beschriebenen konvergenten/ divergenten Schubdüse.

Der Gleichlaufring 28 weist einen Ausgleichsfortsatz auf, der das Verringern der erforderlichen Stellantriebskräfte und damit der Kosten und des Gewichts des Betätigungssystems unterstützt, um das Verkleinern der Länge, des Gewichts und der Kosten der konvergenten Klappen zu ermöglichen (die sonst länger ausgebildet sein müssen, damit·derselbe Ausgleichseffekt erzielt wird, wie oben erläutert). Der Ausgleichsfortsatz 90 hat eine nach vorn weisende ringförmige Ausgleichsfläche 92, die wie eine Kolbenfläche wirkt. An der Fläche 92 findet ein derartiger Druckabfall statt, daß sie einer Gesamtdruckbelastung

ausgesetzt ist, die eine Komponente in stromabwärtiger Richtung hat, was eine insgesamt stromabwärtige Kraft an dem Gleichlaufring 28 ergibt. Diese stromabwärtige Kraft wird zusammen mit der Ausgleichswirkung der Schleppkurve, die oben erläutert ist, ausgenutzt. Bei Bedarf kann die Fläche 92 so bemessen und ausgerichtet sein, daß die stromabwärtige Komponente der Druckkraft auf der Fläche 92 ausreichend groß ist, um die konvergenten Klappen 20 in ihre Stellung minimaler Querschnittsfläche zu bewegen, wenn die Stellantriebe 84 ausfallen. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat die Ausgleichsfläche 9 2 einen radial inneren Rand 94. Die Klappen 20 sind an den Stellen 26 an dem inneren Rand des Ausgleichsfortsatzes 90 angelenkt, und der Druckabfall an der Fläche 92 ist dadurch im wesentlichen gleich dem Druckabfall an den stromaufwärtigen Klappen 20. Diese Ausgleichswirkung bei der Schubdüsenanordnung 10 nach Fig. 1 und 2 kann benutzt werden, um die Betätigungskräfte an irgendeiner Schubdüsenanordnung zu verringern, deren stromaufwärtige Klappen an einem Gleichlaufring angelenkt sind, damit sie sich mit diesem axial bewegen.

Ein weiterer Freiheitsgrad kann dem System gegeben werden, indem der innere Gleichlaufring 28 und der äußere Gleichlaufring 52 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zueinander, aber gemäß einer vorbestimmten Beziehung oder gemäß einem vorbestimmten Plan axial verschoben werden. Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine Möglichkeit des Miteinanderverbindens des inneren Gleichlaufringes 28 und des äußeren Gleichlaufringes 52, durch die sich dieser zusätzliche Feiheitsgrad ergibt. In den Fig. 3 bis 5 tragen gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 gleiche Bezugszeichen, die aber mit einem hochgesetzten Strich versehen sind. Wie in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und

sind die stromaufwärtigen Klappen 20" mit einem inneren Gleichlaufring verbunden, der hier mit der Bezugszahl bezeichnet ist, und die äußeren Klappen 24' sind mit einem äußeren Gleichlaufring 102 verbunden, der durch mehrere Stellantriebe 84' verschoben wird. In dieser Ausführungsform hat das Gehäuse 44' wenigstens eine und vorzugsweise mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Kurvenbahnen 104, die durch zwei gegenseitigen Abstand aufweisende und sich im wesentlichen radial einwärts erstreckende parallele Wände 107 begrenzt werden. Wenigstens ein Teil der Kurvenbahn 104 erstreckt sich in nichtaxialer Richtung, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Kurvenabtaster oder eine Rolle 106 läuft in jeder Kurvenbahn 104. Ein Kurvenabtasterstift 108 erstreckt sich durch jede Rolle 106 in radialer Richtung. An dem inneren Gleichlaufring 100 ist an einer axialen Stelle hinter dem Stift 108 ein sich radial erstreckender innerer Stift 110 befestigt. An dem äußeren Gleichlaufring 102 ist ebenfalls an einer axialen Stelle hinter dem Stift 108 ein äußerer, sich radial erstreckender Stift 112 befestigt. Ein inneres Verbindungsglied 114 ist an seinem vorderen Ende 116 an dem Kurvenabtasterstift 108 und an seinem hinteren Ende 118 an dem inneren Stift 110 angelenkt. Ein äußeres Verbindungsglied 120 ist an seinem vorderen Ende 122 an dem Kurvenabtasterstift 108 und an seinem hinteren Ende 124 an dem äußeren Stift 112 angelenkt.

Gemäß Fig. 5 wird der innere Gleichlaufring 100 in bezug auf die Triebwerksachse durch mehrere Rollen 130 positioniert und konzentrisch gehalten, die in geraden axialen Bahnen 132 (nur eine ist in Endansicht sichtbar) laufen, die an dem Gehäuse 44' befestigt sind. Das ist der Art und Weise sehr ähnlich, auf die der Gleichlaufring 28 der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform posi-

tioniert und konzentrisch gehalten wird. Jede Bahn 132 ist ein im Querschnitt U-förmiges Teil, dessen U-Öffnung radial nach innen weist. Jede Rolle ist an einem radial ausgerichteten Stift 134, der an dem Gleichlaufring 100 mittels eines Winkels 133 befestigt ist, befestigt und dreht sich um dessen Achse. Wenigstens drei Rollen 130 und entsprechende Laufbahnen 132, die in gegenseitigem Umfangsabstand um die Triebwerksachse angeordnet sind, sind zum richtigen Positionieren erforderlich.

Auf ähnliche Weise wird der äußere Gleichlaufring 112 durch mehrere Rollen 136, die in geraden, axialen Laufbahnen 138 laufen, welche an dem Gehäuse 44' befestigt sind, positioniert und zu der Triebwerksachse konzentrisch gehalten. Die Bahnen 138 sind im Querschnitt U-förmige Teile, deren U-Öffnung radial nach außen weist. Die Rollen 138 sind an sich radial nach außen erstreckenden Stiften 140 befestigt, welche an dem äußeren Gleichlaufring 102 befestigt sind. Das Gehäuse 44' hat einen axialen Schlitz 142, der mit einer Laufbahn 138 fluchtet und durch den sich der Stift 140 erstreckt.

Im Betrieb verschieben die Stellantriebe 84* den äußeren Gleichlaufring 102 mit einer gewünschten Geschwindigkeit. Der innere Gleichlaufring 100 wird gleichzeitig über das Verbindungsgestänge verschoben. Die Stifte 110, 112 bewegen sich immer in einer axialen Linie; da sich jedoch die Rolle 106 nicht in einer axial geraden Linie bewegt, drehen sich die Verbindungsglieder 114, 120, wenn sie sich verschieben. Das Ergebnis ist, daß sich die Gleichlaufringe 100, 102 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten relativ zueinander verschieben. Fig. 4 zeigt die Verbindungsglieder 114, 120 mit strichpunktierten Linien in

dem Zeitpunkt, in welchem sich der Gleichlaufring 102 in seiner vordersten Stellung befindet. Aus der Zeichnung ist zu erkennen, daß sich der Stift 110 beim Bewegen in die mit 110A bezeichnete Stellung weiter verschoben hat als der stift 112 beim Bewegen in seine neue Stellung 112A.

In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform gibt es für jeden besonderen Bewegungsablauf der Klappen 20 der konvergenten Schubdüse nur einen festen Austrittsflächenbewegungsablauf für die Klappen 22 der divergenten Schubdüse, und dieser letztgenannte feste Austrittsflächenbewegungsablauf wird durch das durch die Klappen gebildete Gelenkviereck festgelegt. Die Klappenlängen (oder statt dessen die Längen der Verbindungsglieder von Drehpunkt zu Drehpunkt) müssen daher so gewählt werden, daß für eine oder zwei Stellungen der Schubdüse die Austrittsflächenverhältnisse sozusagen "perfekt" sind-, wobei aber in anderen Stellungen die Austrittsflächen ein Kompromiß sind. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3-5 ist der Austrittsflächenbewegungsablauf der divergenten Klappen nicht durch ein festes Gelenkviereck festgelegt, da die Form der Kurvenbahn 104 benutzt werden kann, um die Stellung der divergenten Klappen maßZuschneidern oder zu trimmen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsform der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Schubdüsenanordnung, die noch zusätzliche Flexibilität beim Festlegen der Äustrittsflächen der konvergenten und divergenten Schubdüsen ergibt. In den Fig. 6 und 7 tragen gleiche Teile wie in den Fig. 3, 4 und 5 gleiche Bezugszeichen, allerdings mit zwei hochgesetzten Strichen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 3 und 4 gezeigten

dadurch, daß die Kurvenbahnen 104¹¹ bewegbar sind. Gemäß Fig. 7 ist jede Kurvenbahn 104'· an einer Platte 200 befestigt, die an dem Gehäuse 44'' an einer Stelle 202 gelenkig befestigt ist, so daß sie, wie durch Pfeile 201 angedeutet, um eine radiale Achse drehbar ist. Diese in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Platten 200 tragen jeweils eine Kurvenbahn 104'' und sind durch einen Gleichlaufring 204 miteinander verbunden, der an jeder Platte 200 an einer Stelle 203 gelenkig befestigt ist. Der Gleichlaufring 204 wird durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder 206 über ein L-förmiges Betätigungsglied 208 betätigt, das an dem konischen Gehäuse 42'' an einer Stelle 210 gelenkig befestigt ist. (Das Gehäuse 42'' ist der Übersichtlichkeit halber in Fig. 7 nicht dargestellt). Der Hydraulikzylinder 206 ist an dem feststehenden Triebwerksgerüst 12'' befestigt. Für jede Stellung der Kurvenbahn 104'' ist die mechanische Betätigung der Schubdüsenanordnung nach den Fig. 6 und 7 im wesentlichen gleich der mechanischen Betätigung der Schubdüsenanordnung nach den Fig. 3-5. Diese Ausführungsform gestattet jedoch, den Austrittsflächenbewegungsablauf oder -plan während des Fluges zu ändern.

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Claims

Patentansprüche :

(i.) Konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:
ein festes Triebwerksgerüst (12);

eine Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) die an dem Gerüst (12) abgestützt und axial verschiebbar ist; wenigstens einen Stellantrieb (84) zum axialen Verschieben der Gleichlaufringvorrichtung; mehrere stromaufwärtige Klappen (20), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine konvergente Schubdüse begrenzen, wobei jede der stromaufwärtigen Klappen ein vorderes Ende (25) und ein hinteres Ende (30) hat und wobei das vordere Ende (25) jeder stromaufwärtigen Klappe (20) an der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) angelenkt ist, so daß es mit dieser verschiebbar ist und die Klappen gedreht werden können, um die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse zu verändern;
eine Kurvenbahn- und Kurvenabtastvorrichtung (40, 36), die

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den stromaufwärtigen Klappen (20) zugeordnet ist, damit die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse verkleinert wird, wenn sich die vorderen Enden (25) stromabwärts verschieben, und damit die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse vergrößert wird, wenn sich die vorderen Enden (25) stromaufwärts verschieben; mehrere stromabwärtige Klappen (22), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine divergente Schubdüse begrenzen, wobei jede stromabwärtige Klappe ein vorderes Ende (34) und ein stromabwärtiges Ende hat und wobei die vorderen Enden der stromabwärtigen Klappen an den hinteren Enden (30) der stromauf wärtigen Klappen (20) angelenkt sind; und mehrere äußere Klappen (24), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) radial außerhalb der stromabwärtigen Klappen (22) angeordnet sind und einen äußeren Schubdüsenumriß begrenzen, wobei die äußeren Klappen jeweils ein vorderes Ende (48) haben, das an der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) zur Verschiebung mit derselben angelenkt ist; und wobei die stromabwärtigen Klappen und die äußeren Klappen stromabwärts ihrer vorderen Enden (34, 48) aneinander angelenkt sind.
2. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) einen radial inneren Gleichlaufring (28; 100) und einen radial äußeren Gleichlaufring (52; 102) aufweist, wobei die stromaufwärtigen Klappen (20, 20¹) gelenkig mit dem inneren Gleichlaufring und die äußeren Klappen (24, 24') gelenkig mit dem äußeren Gleichlaufring verbunden sind, und daß di-a Gleichlauf ringvorrichtung eine Verbindungsvorrichtung (68; 114, 120) aufweist, die den inneren und den äußeren Gleichlaufring miteinander verbindet, so daß die Verschiebung eines Gleichlaufringes

zur Verschiebung des anderen Gleichlaufringes führt,
3. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenbahn- und Kurvenabtastvorrichtung (40, 36) eine Bahneinrichtung (40) aufweist, die radial außerhalb der stromaufwärtigen Klappen (20) angeordnet und an dem festen Gerüst abgestützt ist und eine Rolleneinrichtung (36), die an jeder der Klappen befestigt ist und der Bahneinrichtung folgt.
4. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Enden (25) der stromaufwärtigen Klappen (20) und die vorderen Enden (48) der äußeren Klappen (24) in bezug aufeinander fest sind.
5. Konvergente/divergente Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch:

ein feststehendes Triebwerksgerüst (12); eine Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102), die an dem festen Gerüst (12) abgestützt und axial verschiebbar ist;

wenigstens einen Stellantrieb (84; 84'), mittels welchem die Gleichlaufringvorrichtung axial verschiebbar ist; mehrere stromaufwärtige Klappen (20, 20·), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine konvergente Schubdüse begrenzen, wobei jede stromaufwärtige Klappe ein vorderes Ende (25), ein hinteres Ende (30) und eine radial nach innen weisende Strömungswegoberfläche (83) hat und wobei das vordere Ende (25) jeder stromaufwärtigen Klappe an der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) angelenkt ist, so daß sie mit dieser verschiebbar ist und die Klappen drehbar

sind, um die Austrittsfläche der konvergenten Schubdüse zu verändern;

eine Kurvenbahneinrichtung (40; 40'), die an dem festen Gerüst (12) abgestützt ist und eine Kurvenbahn aufweist, die jeder der stromaufwärtigen Klappen (20, 20') zugeordnet und radial außerhalb derselben angeordnet ist/ wobei jede der stromaufwärtigen Klappen eine Kurvenbahnabtasteinrichtung (36; 36') aufweist, die die Kurvenbahn (40; 40') berührt, wenn sich die Gleichlaufringvorrichtung verschiebt, und eine Drehung der stromaufwärtigen Klappen bewirkt, wenn sich die stromaufwärtigen Klappen verschieben;

mehrere stromabwärtige Klappen (22, 22'), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine divergente Schubdüse begrenzen, wobei jede stromabwärtige Klappe ein vorderes Ende (34) und ein stromabwärtiges Ende hat und wobei die vorderen Enden der stromabwärtigen Klappen an den hinteren Enden (30) der stromaufwärtigen Klappen (20, 20') angelenkt sind; und mehrere Verbindungseinrichtungen (24, 24'), von denen eine jeder der stromabwärtigen Klappen (22, 22') zugeordnet ist und jeweils ein vorderes Ende (48) , das an der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) radial außerhalb der Anlenkstelle der stromaufwärtigen Klappen angelenkt ist, und ein hinteres Ende hat, das an der zugeordneten stromabwärtigen Klappe hinter dem vorderen Ende der stromabwärtigen Klappe angelenkt ist.
6. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52; 100, 102) einen radial inneren Gleichlaufring (28; 100) und einen radial äußeren Gleichlaufring (52; 102) aufweist, wobei die Verbindungseinrichtung (24, 24') an dem äußeren Gleichlaufring und die stromaufwärtigen Klappen an dem inneren Gleichlaufring angelenkt sind, und daß die

Gleichlaufringvorrichtung eine Verbindungsvorrichtung (68; 114, 120) aufweist, die den inneren und den äußeren Gleichlaufring miteinander verbindet, so daß die Verschiebung eines Gleichlaufringes zur Verschiebung des anderen Gleichlaufringes führt.
7. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung (68; 114, 120) die Position des äußeren Gleichlaufringes (52; 102) relativ zu dem inneren Gleichlaufring (28; 100) festlegt.
8. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswegoberflächen (83) der stromaufwärtigen Klappen (20, 20') im wesentlich eben sind und daß ein Punkt auf der Oberfläche jeder stromaufwärtigen Klappe zwischen dem vorderen Ende (25) und dem hinteren Ende (30) eine Schleppkurve beschreibt, wenn sich die Kurvenabtasteinrichtungen (36; 36') längs der Kurvenbahnen (4 0, 40') bewegen.
9. Schubdüsenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Gerüst (12) eine Auslaßkanalvorrichtung (16) aufweist, die einen Abgaskanal Strömungsweg begrenzt und ein Auslaßende (18) mit Abstand vorderhalb und in der Nähe der Strömungswegoberfläche (83) der stromaufwärtigen Klappen (20, 20") hat, wobei der Hauptteil der Strömungswegoberfläche (83) der stromaufwärtigen Klappen (20, 20') sich vor dem Auslaßende (18) der Kanalvorrichtung (16) und mit Abstand radial außerhalb der Kanalvorrichtung befindet, wenn die konvergente Schubdüse in ihrer Stellung maximaler Querschnittsfläche ist.