DE3312281A1

DE3312281A1 - Strahlduese mit veraenderlicher geometrie fuer flugzeug-gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3312281A1
Application number: DE19833312281
Authority: DE
Inventors: Douglas John Jonesboro Ga. Nightingale; Gary Frank Marietta Ga. Szuminski
Original assignee: NIGHTINGALE DOUGLAS JOHN; SZUMINSKI GARY FRANK; Nightingale Douglas John 30236 Jonesboro Ga; Szuminski Gary Frank 30067 Marietta Ga
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1983-04-05
Publication date: 1983-10-20
Also published as: SE453936B; JPS59554A; FR2524937A1; FR2524937B1; GB2118249A; IT8320487A0; DE3312281C2; US4502636A; JPH0350106B2; GB2118249B; IT1167173B; SE8301883L; SE8301883D0

Description

Douglas John Nightingale₉ 8975 Emerald Court, Jonesboro, Georgia 30236, V.St.A,

Gary Prank Szuminski, 449 Springs End Lane, Marietta, Georgia 30067, V.St.A.

Strahldüse mit veränderlicher Geometrie für Plugzeug-Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Strahldüse mit veränderlicher Geometrie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Plugzeug-Gasturbinentriebwerke und bezweckt insbesondere eine Unterdrückung der von dem heißen Abgasstrahl solcher Triebwerke emittierten Infrarotstrahlung.

Moderne Kampflugzeuge müssen hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit sehr flexibel sein und sowohl mit Unterschall- als auch mit Überschallgeschwindigkeiten fliegen können, um in einer Mehrzahl von Verwendungen eingesetzt werden zu können. Bei manchen Verwendungen ist es notwendig, den vom Triebwerk in der "trockenen" Betriebsart erzeugten Grundschub durch Verbrennung zusätzlichen Brennstoffs stromab der Triebwerksturbinen zu vergrößern, wozu der

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noch nicht verbrannte Sauerstoff in den Turbinenabgasen zu dieser Nachverbrennung verwendet wird. Diese Betriebsart ist als Wiedererhitzung oder Nachverbrennung bekannt. Beim Betrieb mit Wiedererhitzung ist es notwendig, den Austrittsquerschnitt der Strahldüse zu vergrößern um ihn dem gesteigerten Gasdurchsatζvolumen anzupassen, damit der wirtschaftliche Betrieb des Triebwerks nicht beeinträchtigt wird. Bei anderen EinsatζVerwendungen, beispielsweise beim überschallreiseflug, ist es wünschenswert, die Geometrie der Strahldüse des Triebwerks zwischen einer konvergenten Geometrie für Unterschallgeschwindigkeit und einer Konfiguration mit einer einen größeren Durchtrittsquerschnitt aufweisenden Verengung (vergleichbar dem größeren Austrittsquerschnitt beim "trockenen" Betrieb oder beim Unterschall- reiseflug) zwischen einem konvergenten Abschnitt und einem divergenten Abschnitt der Düse verändern zu können.

Während des Plugauftrags eines Plugzeugs gibt es Zeiten, während welcher keine Wiedererhitzung erforderlich ist und bei denen das erste Erfordernis eine Verringerung der Infrarot ab strahlung des Abgasstrahls und dadurch eine Verringerung oder Vermeidung der Möglichkeit der Aufspürung durch auf Wärmestrahlung ansprechende Flugabwehrraketen darstellt. Derartige Raketen erfassen gewöhnlich die Infrarotstrahlung des heißen Abgasstrahls und dringen, wenn der Abgasstrahl einmal lokalisiert worden ist, in die heißen Teile des Triebwerks ein, um das Plugzeug zu zerstören.

Daraus ergibt sich der Bedarf nach einer Düsenkonstruktion, die nicht nur für trockenen Betrieb und Wiedererhitzungsbetrieb ausgelegt ist, sondern außerdem wahlweise eine Reduzierung der Infrarotabstrahlung des Triebwerks ermöglicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strahldüse mit variabler Geometrie zu schaffen, die sowohl

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im trockenen Betrieb als auch im Wiedererhitzungsbetrieb einsetzbar und außerdem zu einer Reduzierung der Infrarotabstrahlung des heißen Abgasstrahls in der Lage ist.

Diese' Aufgabe wird bei einer Strahldüse der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

10. Die erfindungsgemäße Strahldüse ermöglicht eine Veränderung der Düsengeometrie in Anpassung an die trockene Betriebsart und an den Wiedererhitzungsbetrieb durch entsprechende Bewegung von Klappen und ermöglicht außerdem, die Infrarotabstrahlung durch öffnung zusätzlicher Lufteinlässe herabzusetzen, die den Zutritt von Umgebungsluft zur Kühlung und Abschirmung des heißen Abgasstrahls gestatten.

Die erfindungsgemäße Strahldüse kann in Verbindung mit einem feststehenden Strahlrohr oder mit einem schwenkbaren Strahlrohr Anwendung finden. Außerdem kann die erfindungsgemäße Strahldüse auch in Verbindung mit schwenkbaren Frontdüsen Verwendung finden, wie beispielsweise beim Rolls-Royce-Pegasus-Triebwerk, die mit einem Nebenstrom-Kaltluftstrahl oder mit Verbrennung im kalten Strahl arbeiten.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Gasturbinentrieb

werk mit einer Strahldüse mit variabler Geometrie nach der Erfindung,

- f-

Fig. 2 im Axialschnitt die hintere Strahl

düse des Triebwerks nach Fig. 1 in näheren Einzelheiten, und

die Fig. 3 abgewandelte Ausführungsformen der bis 7 erfindungsgemäßen Strahldüse.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk 10 mit, strömungstechnisch in Reihe angeordnet, einem Axialstrom-Niederdruckverdichter 11, einem Axialstrom-HoGhdruckverdichter 12₅ einer Brenneinrichtung' 13, einer den Hochdruckverdichter 12 antreibenden Hochdruckturbine 14, einer den Niederdruckverdichter 11 antreibenden Niederdruckturbine 15 j einem Strahlrohr 16 mit einem Nacherhitzungsbrenner 17, und einer Strahldüse 18 mit variabler Geometrie nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 2 weist die Strahldüse 18 ein Strahlrohr-16 und ein Außengehäuse 19 auf. Stromab des Strahlrohrs 16 befindet sich eine in Umfangsrichtung achssymmetrische Anordnung von Klappen 20.

Jede der Klappen 20 ist mit ihrem stromaufwärtigen Ende schwenkbar am stromabseitigen Ende des Strahlrohrs 16 angelenkt. Diese Klappen 20 haben die Form ebener Platten mit Trapezform. Mit den Klappen 20 abwechselnd angeordnete Klappen 20a überlappen jeweils die beiden benachbarten Klappen 20 und wirken als Dichtungsplatten zum Verschluß der umfangsmäßigen Zwischenräume zwischen den benachbarten

Klappen 20. ■

Stromab der Klappen 20 befindet sich ein Kranz von mit gegenseitigen Abständen angeordneten Klappen 23. Jede dieser Klappen 23 ist mit ihrem stromaufwärtigen Ende schwenkbar am stromabseitigen Ende einer der Klappen 20

λ * /a β

angelenkt. Auch hierbei sind wieder mit den Klappen 23 abwechselnde Klappen 23a als Dichtungsplatten vorgesehen, welche die umfangsmäßigen Zwischenräume zwischen den benachbarten Klappen 23 verschließen. Diese Dichtungsplatten 23a sind jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende am stromabseitigen Ende einer der Klappen 20a angelenkt. Die Klappen 23a sind mit Rollen 2H versehen, die jeweils an einem Flansch der betreffenden Klappe 23a angeordnet sind, der durch den Spalt zwischen den benachbarten Klappen 23 hindurchragt. Diese Rollen 24 wirken mit der Außenfläche der benachbarten Klappen zusammen und verhindern, daß sowohl die Dichtungsplatten 23a als auch die Dichtungsplatten 20a radial einwärts fallen können. Die stromabwärtigen Enden der Klappen 23 und 23a sind bezüglich des stromabwärtigen Endes der Außenverkleidung 25 gleitend verschiebbar geführt.

Die Außenverkleidung 25 ist ihrerseits axial verschiebbar 'stromab des Kanals 19 angeordnet. Am stromabwärtigen Ende des Kanals 19 ist ein Lufteinlaß in Form einer oder mehrerer Lufteintrittsöffnungen 26 vorgesehen. Dieser Lufteinlaß kann sich über den ganzen Umfang des Kanals 19 oder nur über einen Teil davon erstrecken.

Die Klappen 20 und 20a sind über Lenker 28 mit einem gemeinsamen Stellring 27 verbunden, der mittels eines Schraubspindeltriebs 29 axial verschiebbar ist, um die Klappen unabhängig von der jeweiligen Axialstellung oder Axialbewegung der Außenverkleidung 25 um ihre Anlenkstellen am Strahlrohr 16 zu schwenken. Natürlich kann auch ein anderer geeigneter Klappenantrieb für die Betätigung der Klappen 20 und 20a Verwendung finden.

Alle oder mindestens einige der Klappen 23 sind mit öffnungen 29 versehen, die mittels Klappen 30 verschlossen sind. Diese Klappen 30 sind jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende um die gleiche Schwenkachse wie die

zugehörige Klappe 23 schwenkbar an der betreffenden Klappe angelenkt. An jeder Klappe 30 ist ein Teleskoplenker 31 gelenkig befestigt, der in einem Schlitz 32 dieser Klappe gleitend verschiebbar ist.

Für den "trockenen" Triebwerksbetrieb wird die Außenverkleidung 25 nach rückwärts verschoben und die Klappen und 20a werden so eingestellt, daß sie einen konvergenten · Düsenabschnitt mit minimalem Halsquerschnitt bilden. In dieser, in der oberen Hälfte der Fig. 2 dargestellten Stellung bilden die Klappen 23 und 23a einen divergierenden Düsenabschnitt großen Durchmessers. Die Lenker 31 haben eine solche Länge, daß alle Klappen 30 offen sind, wenn die Außenverkleidung 25 sich in ihrer hintersten Stellung befindet und die Klappen 20 zusammen mit den Klappen 30 einen minimalen Halsquerschnitt bilden. In dieser Stellung der Außenverkleidung 25 ist der Lufteinlaß 26 offen und in den Zwischenraum zwischen der Außenverkleidung 25 und den Klappen 20, 23 eintretende Umgebungsluft tritt durch die von den Klappen 30 freigegebenen öffnungen aus. Dies verringert die Infrarotabstrahlung des Gasstrahls. Außerdem verringern die Klappen 30 die direkte Abstrahlfläche der heißen Turbinen nach hinten.

Für den Nacherhitzungsbetrieb werden die Klappen 20 im Sinne der Bildung eines vorgewählten Halsquerschnitts eingestellt, der größer als der für eine "trockene" Unterschallbetriebsart erforderliche Querschnitt ist, und die Außenverkleidung 25 wird gleichzeitig nach, vorwärts verschoben.

Damit verschließt die Außenverkleidung 25 den Lufteinlaß 26 und die Klappen 20 und 23 bilden eine konvergentdivergente Düse. Die Klappen 30 werden in dieser Stellung durch die Lenker 31 geschlossen gehalten.

Für den Überschallreiseflug wird eine konvergentdivergente Düse gebildet, indem die Außenverkleidung 25

in ihrer vordersten Stellung verbleibt und die Klappen 20 auf den gleichen Halsquerschnitt eingestellt werden, wie er auch für den trockenen Unterschallbetrieb erforderlich ist. Durch diese Klappenverstellung werden die stromaufwärtigen Enden der Klappen 23 einwärts gezogen, um einen stärker ■ divergenten Abschnitt der Düse stromab der Halseinschnürung zu bilden, als dies im Nacherhitzungsbetrieb erforderlich ist. Auch hier werden die Klappen 30 durch die Lenker 31 geschlossen gehalten.

Bei der in Pig. 2 dargestellten Düse sind die Klappen im trockenen Betrieb geöffnet. Für einen trockenen Betrieb ohne geöffnete Klappen 30 kann die Düse nach Fig. 2 in der in Fig. 3 dargestellten Weise abgewandelt werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Klappen 23 mit ihren hinteren Enden nicht mit der Außenverkleidung 25 verbunden. Stattdessen wird die jeweilige Stellung der Klappen 23 mittels eines kranzartigen Spannmechanismus 32 der in Fig. 7 dargestellten Bauart bestimmt. Dieser Mechanismus 32 besteht aus einem Kranz von miteinander verbundenen Lenkern 33 und Doppelkurbeln 34, die mittels eines oder mehrerer Motoren betätigt wird. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Außenverkleidung 25 nach hinten verschoben, um den Lufteinlaß zu öffnen, die Klappen 20 sind im Sinne der Bildung des jeweils richtigen Halsquersehnitts eingestellt, und der Mechanismus 32 ist so eingestellt, daß er die Klappen 23 in einer Stellung hält, in welcher sie stromab des Düsenhalses parallel verlaufen, also einen zylindrischen Düsenabschnitt bilden.

·

In den Fig. 4 bis 6 ist eine Düse in den Einstellungen für den Ejektorbetrieb, den trockenen Betrieb und den Nacherhitzungsbetrieb dargestellt. Die Klappen 20 sind an einem Bauteil 36 montiert, das feststehend oder axial verschieblieh sein kann, und jede Klappe 23 ist mittels eines gelenkig angeschlossenen Lenkers 37 am Bauteil 36 befestigt.

Wenn das Bauteil 36 feststehend ausgebildet ist,.kann ein Betätigungsantrieb ähnlich dem gemeinsamen Betätigungsring 27 mit Schubstangen 28 und Motoren 29 der in Fig. 2 dargestellten Bauart Anwendung finden, um die Klappen 20 um ihre Anlenkstellen am Bauteil 36 zu schwenken. Dadurch wird wiederum die Stellung der Klappen 23 verändert, die um die Anlenkenden der Lenker 37 geschwenkt werden.

Ist das Bauteil 36 axial verschiebbar, können feststehende Nocken 38 vorgesehen sein, mit welchen Profilfolgeorgane 39 zusammenwirken, so daß eine Axialverschiebung des ' Bauteils 36 in eine Schwenkung der Klappen 20 um ihre Anlenkstellen am Bauteil 3d umgesetzt wird, wie aus den Fig. 4 bis hervorgeht.

In beiden Fällen hat eine Axialverschiebung der Außenverkleidung 25 nach rückwärts relativ zur Anlenkstelle der Klappen 20 am Bauteil 36 zur Folge, daß die Lenker 31 die Klappen 30 öffnen. Die Lenker 31 sind teleskopartig ausgebildet und in ihre auseinandergeschobene Stellung vorgespannt, und sie halten die Klappen 30 geschlossen, wenn die Außenverkleidung 25 nach vorne verschoben ist.

Die Außenverkleidung 25 besteht aus einer Anzahl schwenkbarer Klappen 40, die mit ihren stromaufwärtigen Enden an einem Ring 41 mit festem Durchmesser angelenkt sind und mit ihren stromabwärtigen Enden gleitend verschiebbar mit den stromabwärtigen Enden der Klappen 23 zusammenwirken.

Claims

Pat entansprüche

fl.J Strahldüse mit veränderlicher Geometrie für Plugzeug-Gasturbinentriebwerke, mit einem Kranz von Klappen, die jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende schwenkbar am Strahlrohrende angelenkt sind, und mit einem allen Klappen gemeinsamen Betätigungsantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß

a) sich an den Klappenkranz (20) ein zweiter Klappenkranz (23) anschließt, dessen Klappen jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende am stromabseitigen Ende einer zugeordneten Klappe des ersten Klappenkranzes schwenkbar angelenkt sind,

b) die Klappen des zweiten Klappenkranzes (23) mit

ihren stromabwärtigen Enden gleitend verschiebbar in einer Außenverkleidung (25) geführt sind,

c) eine Anzahl der Klappen des zweiten Klappenkranzes (23) mit einer öffnung (29) und einer dieser öffnung zugeordneten Verschlußklappe (30) versehen ist, die mit ihrem stromaufwärtigen Ende im Bereich des stromaufwärtigen Endes der betreffenden Klappe des zweiten Klappenkranzes (23) schwenkbar angelenkt ist,

d) die Außenverkleidung (25) mittels eines zweiten Betätigungsantriebs axial zwischen einer vorderen Stellung und einer hinteren Stellung' verschiebbar ist, in welch letzterer sie einen zusätzlichen, aus ein oder mehreren Lufteintritt söffnungen bestehenden Lufteinlaß (26) öffnet, und

e) die verschiebbare Außenverkleidung (25) über Lenker (31) mit den Verschlußklappen (30) gekuppelt ist, derart, daß beim Verschieben der Außenverkleidung in ihre hintere Stellung gleichzeitig die Verschlußklappen geöffnet werden und stromab des Düsenhalses ein Misehbereich "entsteht, in welchem sich durch den zusätzlichen Lufteinlaß (26) eintretende Luft mit dem Heißgasstrahl vermischt.
2. Strahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (30) jeweils an der stromaufwärtigen Kante der betreffenden Klappe des zweiten Klappenkranzes (23) angelenkt sind.
3. Strahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußklappen (30) jeweils am stromabwärtigen.

Ende der betreffenden Klappe des ersten Klappenkranzes (20) angelenkt sind.
4. Strahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite Klappe (20a, 23a) des ersten und des zweiten Klappenkranzes (20, 23) die beiden benachbarten Klappen überlappt und als Dichtungsplatte zum Verschluß des Zwischenraumes zwischen diesen beiden benachbarten Klappen dient, und daß Mittel (24) zur Halterung dieser Verschlußplatten gegen ein radiales Einwärtsfallen vorgesehen sind.
5. Strahldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverkleidung einen hohlzylindrischen stromaufwärtigen Abschnitt und einen aus einer Anzahl von daran schwenkbar angelenkten dritten Klappen bestehenden stromabwärtigen Abschnitt aufweist, und daß die Klappen des zweiten Klappenkranzes mit ihren stromabwärtigen Enden gelenkig mit den stromabwärtigen Enden der dritten Klappen verbunden sind.