DE3242824A1 - Schubduesenanordnung mit veraenderbarer querschnittsflaeche fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents
Schubduesenanordnung mit veraenderbarer querschnittsflaeche fuer ein gasturbinentriebwerkInfo
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Description
Schubdüsenanordnunq mit veränderbarer Querschnittsf]nchc
für ein Gasturbinentriebwerk'
Die Erfindung betrifft eine Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsflache für ein Gasturbinentriebwerk.
Schubdüsen mit veränderbarer Querschnitts flache für Gasturbinentriebwerke
sind bekannt und kommen in vielen verschiedenen Konfigurationen vor. Einige sind einfach zweidimensionale
konvergente Düsen, wie sie in der US-PvS 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 Pollen 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 nn einem ay.i/il vcr-
BAD ORIGINAL
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 stromaufwärtigen Enden der äußeren Klappen unabhängig
von der Bewegung der konvergenten und divergenten Klappen durch eine Stellantriebsvorrichtung axial verschiebbar,
die unabhängig von dem Betätigungssystem 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 Druckkräfte ausgeglichen werden, die bestrebt sind, die Schubdüse
zu schließen. Beispielsweise erstreckt sich gemäß der oben erwähnten US-PS 3 792 815 eine zusätzliche stromaufwärtige
Ausgleichsklappe vorderhalb des vorderen Endes
O ft « · «
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 einfachere, 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 Schubdüsenanordnung mit veränderbarer
Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk mehrere umfangsmäßig angeordnete Schubdüsenklappen auf, die an
ihren vorderen Enden an einem axial verschiebbaren Gleichlaufring angelenkt sind, der eine nach vorn weisende ringförmige
Ausgleichsfläche hat, die relativ zu dem Gleichlaufring fest
BAD ORIGINAL
ist und einer Gesamtdruckkraft ausgesetzt ist, die eine Komponente
in der stromabwärtigen Richtung hat, welche die Kraft
verringert, die ein Stellantrieb ausüben muß, um die Klappen in fester Stellung zu halten und den Gleichlaufring zu bewegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform laufen die Klappen auf
Rollen, die einer gekrümmten Kurvenbahn folgen, um die Querschnittsfläche
der Schubdüse zu verändern, wenn der Gleichlaufring verschoben wird. Die stromaufwärtigen Enden der Klappen
sind an dem radial inneren Rand der Ausgleichsfläche angelenkt.
Die ringförmige Ausgleichsfläche des Gleichlaufringes kann so
dimensioniert und gerichtet sein, daß die benötigte oder erwünschte Ausgleichskraft erzeugt wird. Die Erfindung kann bei
praktisch jeder axial verschiebbaren Schubdüse mit veränderbarer Querschnittsfläche einschließlich konvergenten/divergenten
Schubdüsen angewandt werden. Sie ersetzt teuerere Vorrichtungen zum Ausgleichen von Schubdüsenanordnungen, beispielsweise
solche, die die Klappenlänge vergrößern. Bei Verwendung in Verbindung mit konvergenten/divergenten Schubdüsenanordnungen
kann sich der Konstrukteur darauf konzentrieren, die besten Beziehungen für das Austrittsflächenverhältnis zu erzielen,
ohne daß er sich übermäßig um den Kraftausgleich zu kümmern braucht, da der Ausgleich zum überwiegenden Teil erreicht
wird, indem die Ausgleichsfläche an dem Gleichlaufring
einfach korrekt dimensioniert wird.
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.
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-r-
■; ·:··:·.: 32A282A
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 Schubverstärkergasströmungsweg
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,
Umfangsmäßig um die Triebwerksachse 19 sind mehrere stromaufwärtige
Klappen 20 angeordnet, die eine konvergente Schubdüse bilden, mehrere stromabwärtige Klappen 22, die
eine divergente Schubdüse bilden, und mehrere äußere Klappen 24. Nicht dargestellte Dichtvorrichtungen sind
zwischen umfangsmäßig 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 22 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 4 0, wenn sich der Gleichlaufring 28 verschiebt.
Die Kurvenbahn 4 0 ist an dem Schubverstärkerkanal 14 durch konische und zylindrische Traggehäuse 42 bzw. 44 ab-
"1O ORlGIiSlAL
* β O
-y- η/ι.
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 2 0 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
- AX
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 Gleichlauf ring 28 wird durch mehrere Rollen 60,· die in Bahnen 61 laufen, positioniert und konzentrisch zu
der Triebwerksachse 19 gehalten. Wenigstens drei in gegenseitigem
Umfangsabstand angeordnet^ ßollen/Bahn-Kombinationen
sind erforderlich. Jede Rolle ist an einem radialen Stift 63 befestigt und dreht sich um dessen Achse 62.
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-Öffn.ung radial nach innen weist. Jede Bahn 61 ist an 4r Innenseite des Gehäuses 44 befestigt. Die
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32Λ2824
Bahnen 61 und die Rollen 60 sind gegenüber den Streben
68 umfangsmäßig versetzt und liegen deshalb in Wirklichkeit
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 Ver- · bindung 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 Pf 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 Gleichlaufring 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:
χ = a · sch
3^ a - V
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 einer Klappe 2 0 dem Punkt P in Fig. 8 entspricht und wenn
der Punkt T' der Drehpunkt 26 in Fig. 1 ist und dem Punkt T in Fig. 8 entspricht, dann entspricht die Linie P1T1
der Linie PT in Fig. 8, wobei sich der Punkt T1 auf der
X-Achse bewegt, und die Konstante a in der Gleichung ist die Länge von P1T1. Der Punkt P1 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 P1 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 P1 rechtwinkelig
zu der Oberfläche 83 hindurchgeht, auch durch den Mittelpunkt 85 der Rolle 36 hindurchgeht und wenn diese
Linie einen Endpunkt S1 auf dem Umfang der Rolle 36 hat,
3 2Λ2824
dann wird der Punkt S1 eine Schleppkurve beschreiben, wenn
der Punkt Pf 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 Hauptteii der Oberfläche
der Klappen 20 stromaufwärts des Auslaßendes 18 und ist dadurch vor direktem Äuftreffen der heißen Abgase geschützt.
Kühlluft, die sich zwischen der Auskleidung 16 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. Es 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 90
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 20
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 92 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 stromaufwältigen 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-
ORfGfNAlT
• tt · β
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 Austrittsflachen
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 104'· bewegbar sind. Gemäß
Fig. 7 ist jede Kurvenbahn 104rl 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 Austrittsflächenbe- · · wegungsablauf oder -plan während des Fluges zu ändern.
Claims (9)
- Patentansprüche :( 1 .JSchubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch: ein festes Triebwerksgerüst (12);eine Gleichlaufringvorrichtung (28, 52), die an dem festen Gerüst abgestützt und axial verschiebbar ist und einen ersten Gleichlaufring (28) aufweist; wenigstens einen Stellantrieb (84), der die Gleichlaufringvorrichtung erfaßt und axial verschiebt; mehrere stromaufwärtige Klappen (20), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine konvergente Schubdüse bilden, wobei jede stromaufwärtige Klappe ein vorderes Ende (25) und ein hinteres Ende (30) hat und wobei das vordere Ende jeder Klappe an dem ersten Gleichlaufring angelenkt ist, so daß es mit diesem verschiebbar ist;eine Kurvenbahnvorrichtung (40), die durch das feste Gerüst (12) abgestützt ist und eine Kurvenbahn (40) enthält, die jeder der stromaufwärtigen Klappen (20) zugeordnet und radial außerhalb derselben angeordnet ist, wobei jede stromaufwärtige Klappe eine Kurvenabtastvorrichtung (36) aufweist, die auf der ihr zugeordneten Kurvenbahn ruht undBAD ORfG/NALder Kurvenbahn folgt, wenn sich die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) verschiebt, und wobei die Kurvenbahn so geformt ist, daß sie das Drehen der Klappen bewirkt, wenn sich die Gleichlaufringvorrichtung verschiebt; wobei die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) eine Ausgleichsvorrichtung (90) mit einer nach vorn weisenden rinförmigen Ausqleichsflache (92) aufweist, wobei die Ausgleichsvorrichtung .relativ zu dem ersten Gleichlauf ring fest ist und wobei die Ausgleichsfläche einer Gesamtdruckkraft ausgesetzt ist, die eine Komponente in der stromabwärtigen Richtung hat, welche die Kraft verringert, die der Stellantrieb (84) ausüben muß, um die Klappen in fester Position zu halten und den inneren Gleichlaufring (28) zu bewegen.
- 2. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Ausgleichsfläche (92) einen radial inneren Rand (94) hat, der sich an den vorderen Enden (25) der stromaufwärtigen Klappen (20) befindet, wodurch der Druckabfall an der Ausgleichsfläche im wesentlichen derselbe wie der Druckabfall an den stromaufwärtigen Klappen (20) in der Nähe der vorderen Enden der Klappen ist, wobei die stromaufwärtigen Klappen an dem inneren Rand angelenkt sind.
- 3. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere stromabwärtige Klappen (22), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine divergente Schubdüse bilden, 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) angelenkt sind, und durch mehrere Verbindungseinrichtungen (24), von denen eine jeder der stromabwärtigen Klappen (22) zugeordnet ist, wobei jede Verbindungseinrichtung ein vorderes Ende (48) hat, das an der Gleichlaufringvorrichtung (28, 52). radial außerhalb der Anlenkverbindung der stromaufwä'r-ORIGINAL'tigen Klappen (20) angelenkt ist, und ein hinteres Ende, das an der zugeordneten stromabwärtigen Klappe (22) hinter dem vorderen Ende (34) der stromabwärtigen Klappe (22) eingelenkt ist.
- 4. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gleichlaufring (28) ein innerer Gleichlaufring ist, daß die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) einen äußeren Gleichlaufring (52) enthält und daß die Verbindungseinrichtungen (24) an dem äußeren Gleichlaufring (52) angelenkt sind, wobei der innere und der äußere Gleichlaufring so miteinander verbunden sind, daß die Verschiebung des einen zur Verschiebung des anderen führt.
- 5. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-. net, daß die vorderen Enden (48) der Verbindungseinrichtungen (24) und die vorderen Enden (25) der stromaufwärtigen Klappen (20) relativ zu einander fest sind.
- 6. Schubdüsenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen (24) jeweils eine äußere Klappe sind.
- 7. Schubdüsenanordnung mit veränderbarer Querschnittsfläche für ein Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch: ein festes Triebwerksgerüst (12);eine Gleichlaufringvorrichtung (28, 52), die an dem festen Gerüst abgestützt und axial verschiebbar ist und einen ersten Gleichlaufring (28) aufweist; wenigstens einen Stellantrieb (84), der die Gleichlaufringvorrichtung erfaßt und axial verschiebt; mehrere stromaufwärtige Klappen (20), die umfangsmäßig um die Triebwerksachse (19) angeordnet sind und eine Schubdüse bilden, wobei die stromaufwärtigen Klappen (20) jeweils einBAD ORIGINALvorderes Ende (25) und ein hinteres Ende (30) haben und wobei das vordere Ende der Klappe an dem ersten Gleichlaufring (28) zur Verschiebung mit diesem angelenkt ist; eine Vorrichtung (36, 40), die den Klappen zugeordnet ist, um die Drehung der Klappen zu bewirken, wenn sich die Gleichlaufringvorrichtung verschiebt, um die Querschnittsfläche der Schubdüse zu verändern;wobei die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) eine Ausgleichsvorrichtung (90) aufweist, die eine nach vorn weisende ringförmige Ausgleichsfläche (92) hat, wobei die Ausgleichsvorrichtung relativ zu dem ersten Gleichlaufring (28) fest ist und wobei die Ausgleichsfläche einer Gesamtdruckkraft ausgesetzt ist, die eine Komponente in der stromabwärtigen Richtung hat, welche die Kraft verringert, die der Stellantrieb (84) ausüben muß, um die Klappen in einer festen Position zu halten und die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) zu verschieben.
- 8. Schubdüsenanordnung nach Anspruch ;7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Ausgleichsfläche (92) einen radial inneren Rand (94) aufweist und daß dile Klappen (20) an diesem inneren Rand angelenkt sind.
- 9. Schubdüsenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubdüse eine konvergenjte Schubdüse ist und daß die Schubdüsenanordnung (10) eine Kurvenbahnvorrichtung (40) aufweist, die an dem festen Triebwerksgerüst (12) abgestützt ist, wobei die Klappen (20) jeweils eine Kurvenabtastvorrichtung (36) aufweisen, die in der Kurvenbahnvorrichtung (40) läuft, wenn die Gleichlaufringvorrichtung (28, 52) verschoben wird, um die Querschnittsfläche der Schubdüse zu verändern.
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