DE3711159C2 - Flugzeug mit Schwenkdüsentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Schwenkdüsen­ triebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Prinzip der Schubrichtungsveränderung mit Hilfe von Schwenkdüsentriebwerken auf der Basis eines Gasturbinentrieb­ werks der Bypassbauart ist allgemein bekannt. Beispiele von Flugzeugen mit einem Schwenkdüsentriebwerk nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 zeigen die DE-AS 12 54 474 und die DE-OS 15 06 569.

Bei mit Schwenkdüsentriebwerken ausgerüsteten Flugzeugen ist es üblich, das Triebwerk je nach Bedarf in einer von zwei Be­ triebsarten zu betreiben. In einer Reihenstrombetriebsart ar­ beitet das Triebwerk als Turbostrahltriebwerk, wobei ein erster Verdichter bzw. ein Gebläse mit seinem Förderluftstrom einen zweiten Verdichter auflädt und der gesamte Massendurch­ satz hinten aus dem Triebwerk ausgestoßen wird, während die vorderen Schwenkdüsen nicht in Betrieb sind. In einer Parallelstrombetriebsart arbeitet das Triebwerk hingegen als Bypasstriebwerk oder Turbogebläsetriebwerk, wobei der vom ersten Verdichter bzw. Gebläse geförderte Luftstrom durch die vorderen Schwenkdüsen ausgestoßen wird, während ein gesonder­ ter Luftstrom durch einen gesonderten zweiten Lufteinlauf in den zweiten Verdichter eingeleitet und dann der Brenneinrich­ tung und der Turbine zugeführt und schließlich hinten ausge­ stoßen wird.

Die Parallelstrombetriebsart findet beim Kurz- oder Vertikal­ start und auch bei langsamem Vorwärtsflug Anwendung, während die Reihenstrombetriebsart für hohe Vorwärtsgeschwindigkeit, beispielsweise Überschallgeschwindigkeit, benutzt wird. Im letzteren Fall stellen die vorderen Schwenkdüsen, weil sie bei den bekannten Konfigurationen Ursache eines beträcht­ lichen Widerstands sind, ein deutliches Problem dar. Dies ist bei den Flugzeugen nach den beiden oben genannten Druck­ schriften evident, wo die vorderen Schwenkdüsen, die jeweils etwa die Form eines Rohrbogens haben, in jeder Betriebsstel­ lung seitwärts über den Flugzeugrumpf vorsteht, wobei die DE-AS 12 54 474 vorschlägt, vor der Düse am Flugzeug eine Verkleidung anzubringen, rum den aerodynamischen Luftwider­ stand zu vermindern. Allerdings sorgt bei schnellem Vorwärts­ flug auch die hinter dieser Verkleidung im Bereich der Düse gebildete Bucht in der Rumpfkontur bei nicht gebrauchter Düse für einen zusätzlichen Widerstand.

Die DE-PS 12 88 921 schlägt eine Lösung diese Widerstands­ problems dadurch vor, daß die Schwenkdüse ein ein- und aus­ schwenkbares Krümmersegment aufweist, das bei nicht gebrauch­ ter Düse eingeschwenkt und im Gebrauch der Düse aus einer Rumpföffnung herausgeschwenkt ist, wobei eine Verkleidungs­ klappe zur Abdeckung der Rumpföffnung dient. Dies verkom­ pliziert allerdings die Mechanik der Schwenkdüse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Lösung zur Bewältigung des Widerstandsproblems der vorderen Schwenk­ düsen bei deren Nichtgebrauch zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene Flugzeugkonstruktion gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, die vordere Schwenkdüse bei Nichtgebrauch in die Vertikalschubstellung zu verschwenken, in welcher sie sich innerhalb der in der Flug­ zeugkonstruktion gebildeten Einbuchtung befindet und prak­ tisch keinen Widerstand im schnellen Vorwärtsflug des Flug­ zeugs verursacht, insbesondere auch nicht durch Wirbelver­ luste, da die Schwenkdüse die Einbuchtung im wesentlichen vollständig ausfüllen kann, und für den Gebrauch im Vorwärts­ schubbetrieb kann die Schwenkdüse aus der Einbuchtung heraus in ihre Horizontalschubstellung ausgeschwenkt werden und Vor­ wärtsschub erzeugen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht außerdem durch Weiterbildung der zur Aufnahme der vorderen Schwenkdüse ge­ bildeten Einbuchtung der Flugzeugkonstruktion nach einigen der Unteransprüchen dergestalt, daß die Einbuchtung zu einem von der Flugzeugoberseite her verlaufenden Ejektorkanal aus­ gebildet ist, daß der bei herkömmlichen Flugzeugkonfigura­ tionen als erhebliches Problem in Erscheinung tretende Ab­ wärtssogeffekt bei Vertikalschubbetrieb in Bodennähe be­ trächtlich abgemindert wird, da bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung die zum Vertikalschubbetrieb in der Einbuchtung befindliche Schwenkdüse Luft von der Flugzeugoberseite her durch Strahlpumpenwirkung des Düsenstrahls durch den Ejektor­ kanal hindurchzieht und so der Abwärtssogeffekt verringert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 ein Flugzeug nach der Erfindung in Seitenansicht,

Fig. 2 das Schwenkdüsentriebwerk des Flug­ zeugs nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 einen Querschnitt in der Ebene A-A in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles c in Fig. 4, und

Fig. 6 nochmals einen Querschnitt in der Ebene A-A in Fig. 1 mit zusätzlichen oberen Einlaßöffnungen.

Gemäß Fig. 1 weist ein Flugzeug 10 einen Rumpf 12, Flügel 14, Horizontal- und Vertikalstabilisatoren 16, 18 und ein Gasturbinen-Strahltriebwerk 20 auf.

Das Triebwerk 20 (Fig. 2) weist ein Gebläse 22, das stromab eines ersten Lufteinlaufs 24 angeordnet ist, einen Verdichter 26, der mit dem Luftstrom vom Gebläse 22 oder durch einen zweiten Lufteinlauf 28 gespeist wird, eine Brenn­ einrichtung 30 und eine Turbine 32 auf. Das Gebläse 22, der Verdichter 26 und die Turbine 30 sind durch nicht darge­ stellte koaxiale Wellen mechanisch miteinander gekuppelt.

Zwischen dem Gebläse 22 und dem Verdichter 26 ist eine Umschaltventileinrichtung 34 einer an sich bekannten Bauart angeordnet. Diese Ventileinrichtung ist so ausgelegt, daß in der Parallelstrombetriebsart des Triebwerks 20 der Luft­ strom vom Gebläse 22 in zwei symmetrisch angeordnete verstau­ bare vordere Schwenkdüsen 36 geleitet wird, während weitere Luft durch den zweiten Lufteinlauf 28 zum Verdichter 26 gelangt. Von dort strömt die verdichtete Luft durch die Brenneinrichtung 30, und der aus dieser kommende Abgasstrahl durchströmt die Turbine 32 und wird schließlich durch eine hintere Schwenkdüse 38 ausgestoßen. Die Parallelstrombetriebs­ art findet für Unterschallfluggeschwindigkeiten des Flug­ zeugs 10 oder im Vertikalstart- oder -Landebetrieb Anwen­ dung. In der Reihenstrombetriebsart wird der vom Gebläse 22 kommende verdichtete Luftstrom in den Verdichter 26 geleitet, um das restliche Triebwerk wirksam aufzuladen. Dabei findet kein Luftstrom durch den zweiten Lufteinlauf 28 statt und die vorderen Düsen 36 sind unwirksam. Diese Reihenstrom­ betriebsart findet im Überschallgeschwindigkeitsbereich statt.

Nunmehr wird auf die Fig. 3 bis 5 Bezug genommen. In Fig. 3 ist die eine vordere Schwenkdüse 36a in einer ver­ stauten Stellung dargestellt, in welcher sie sich in einer im Flügel 14 gebildeten Einbuchtung 40 befindet. Diese Stellung ist aber gleichzeitig die Vertikalschubstellung, in welcher die Düse 36a den Luftstrahl vom Gebläse 22 zur Vertikal­ schuberzeugung abwärts ausstoßen kann, nämlich durch eine nach unten weisende Auslaßöffnung 41. Dazu werden äußere und innere Verkleidungsklappen 42 und 44 geöffnet, um den Luftstrahl aus der Einbuchtung 40 austreten zu lassen. Dabei sind die Verkleidungsklappen 42 und 44 so geformt, daß sie in ihrer Offenstellung einen günstigen Strömungsweg für den austretenden Luftstrahl bilden. Wenn die vorderen Schwenk­ düsen 36 nicht in Betrieb sind, schirmen die Flügel diese jeweils in der Einbuchtung 40 untergebrachten vorderen Schwenk­ düsen gegen den äußeren Luftstrom ab, so daß sie dann keinen zusätzlichen Strömungswiderstand bilden, der den Vorwärts­ flug beeinträchtigt. Bei nicht in Betrieb befindlichen vorderen Schwenkdüsen 36 sind die Verkleidungsklappen 42 und 44 geschlossen, um den Widerstand weiter zu verringern. Dazu dienen den Verkleidungsklappen zugeordnete Betätigungs­ antriebe 47 und 48.

Die andere vordere Schwenkdüse 36b ist in Fig. 3 in der Horizontalschubstellung dargestellt, in welcher sie nach hinten weist, um Vorwärtsschub zu erzeugen. In dieser Düsen­ stellung ist die äußere Verkleidungsklappe 42 geschlossen, während die innere Verkleidungsklappe 44 zusammen mit der Düse gedreht worden ist und nun nach hinten weist und einen rückwärtigen Teil eines Rumpfausschnittes 56 verdeckt. Eine Verkleidungsmanschette 46, die an jeder Düse 36 befestigt ist, verdeckt den übrigen Teil des Rumpfausschnittes 56, durch welche die betreffende Düse 36 hindurchragt. Die innere Verkleidungsklappe 44 ist an der Verkleidungsman­ schette 46 angelenkt, so daß sie mit der Düse 36 mitgedreht wird.

Die vorderen Schwenkdüsen 36 sind jeweils um eine Achse X-X drehbar in einem Drehlager 49 gelagert, das am Trieb­ werk 20 oder am Rumpf 12 befestigt ist. Ein Betätigungs­ antrieb 45 bewegt die Düse über ein Zahnrad 50 und einen Zahnkranz 52, wobei jedoch dieser Drehantrieb auch in anderer Weise ausgeführt sein kann.

Die Düsendrehachse X-X ist mit Bezug auf eine zur Trieb­ werksachse senkrechte Ebene Z-Z und auf eine Horizontalebene R-R geneigt, hat also sowohl eine Rückwärts- als auch eine Abwärtsneigung zur wirksamen Strömungslenkung.

Die Schwenkdüse 36 selbst bildet einen schwanenhals­ artigen inneren Strömungskanal, der innerhalb der Umrisse eines gedachten schräg abgeschnittenen Zylinders verläuft, der sich an das Drehlager 49 anschließt. Wenn die Düse 36 aus ihrer Horizontalschubstellung in die Vertikalschub­ stellung gedreht wird, kann die Düse aufgrund der schwanen­ halsartigen Gestaltung sauber in der Einbuchtung 40 unter­ gebracht werden. Der tatsächliche Drehwinkel, um welchen die Düse 36 dabei gedreht werden muß, stellt eine Funktion der Rückwärts- und Abwärtsneigungswinkel der Düsendrehachse und der exakten Form des inneren Strömungskanals der Düse 36 dar. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, liegt die Austrittsöffnung 37 der Düse mit Bezug auf die Drehachse X-X seitlich versetzt.

Wie oben beschrieben, ragt die Schwenkdüse 36 durch einen Ausschnitt 56 des Flugzeugrumpfes hindurch, der ver­ kleidet ist, um den Strömungswiderstand zu verringern und zu verhindern, daß ausgestoßene Luft in eine Rumpfkammer 54 eintritt. Wenn sich die Düse 36 in ihrer Vertikalschub­ stellung befindet, verdeckt die etwa kreisförmige Ver­ kleidungsmanschette 46 den Ausschnitt 56 des Rumpfes 12. In der Horizontalschubstellung wird der hintere Bereich des Rumpfausschnitts 56 durch die innere Verkleidungsklappe 44 verdeckt, während die Verkleidungsmanschette 46 den vor­ deren Teil des Ausschnitts abdeckt. Die exakte Form der Verkleidungsmanschette und der inneren Verkleidungsklappe hängt von den Rumpfkonturen ab.

Um Abwärtssogeffekte zu verringern und den Vertikal­ schub zu vergrößern, kann die Einbuchtung 40 sich vertikal durch den ganzen Flügel 14 hindurcherstrecken und einen Ejektorkanal 58 (Fig. 6) bilden. Dabei sind federbelastete Klappen 60 im Bereich einer nach oben weisenden Einlaß­ öffnung 53 des Ejektorkanals 58 angeordnet, die sich öffnen, wenn die Düse 36 einen Luftstrahl abwärts ausstößt. Der Düsenluftstrahl saugt durch Strahlpumpenwirkung einen Sekundärluftstrom durch den divergierenden Ejektorkanal hindurch, wodurch die Gesamtauftriebskraft vergrößert wird. Wenn die Düse 36 außer Betrieb ist oder wenn sie in der Horizontalschubstellung steht, verschließen die Klappen 60 die Einlaßöffnung des Ejektorkanals 58.

Um eine Schubumkehrmöglickkeit zu erreichen, können die beiden vorderen Schwenkdüsen 36 außerdem in eine weitere Stellung gedreht werden, in welcher der austretende Strahl eine Vorwärtsrichtungskomponente hat und damit einen Umkehr­ schub erzeugt.

Claims (17)

1. Flugzeug mit einem Schwenkdüsentriebwerk, mit mindestens einer vorderen Schwenkdüse (36) und einer hinteren Strahldüse (38), wobei die vordere Schwenkdüse (36) in einem Drehlager (49) zwischen einer Vertikalschubstellung und einer Horizon­ talschubstellung drehbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Düsenauslaß (37) der Schwenkdüse (36) mit Bezug auf die Düsendrehachse (X) seitlich versetzt angeordnet ist und daß im Bereich des Düsendrehlagers (49) in der Flugzeugkonstruktion eine Einbuchtung (40) gebildet ist und Form und Anordnung von Schwenkdüse (36) und Einbuchtung mit Bezug auf die Düsendrehachse (X) so getroffen sind, daß die Schwenkdüse (36) in ihrer Vertikalschubstellung sich innerhalb der Einbuchtung (40) befindet, die eine nach unten gerichtete Auslaßöffnung (41) aufweist, und aus dieser Ein­ buchtung heraus in ihre Horizontalschubstellung ausschwenkbar ist.

2. Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkdüse (36) einen etwa schwanenhalsförmigen Düsenkanal mit schräg abgeschnittener Zylinderform bildet, die vom Düsendrehlager (49) aus verläuft.

3. Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehebene des Düsendrehlagers (49) mit Bezug auf die Hochachse des Flugzeugs geneigt ist.

4. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehebene des Düsendrehlagers (49) mit Be­ zug auf die Längsachse des Flugzeugs geneigt ist.

5. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es mindestens ein im Flugzeugrumpf angeordnetes Gasturbinentriebwerk mit mindestens einer Schwenkdüse (36) aufweist, die von dem noch innerhalb des Rumpfes gelegenen Düsendrehlager (49) aus durch einen Rumpfausschnitt (56) hin­ durchragt.

6. Flugzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbuchtung (40) zur Aufnahme der Schwenkdüse (36) in deren Vertikalschubstellung im Flügelansatz des Flugzeugs gebildet ist.

7. Flugzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkdüse (36) mit einer daran befestigten und mit ihr mit drehbaren Verkleidungsmanschette (46) versehen ist, welche den Rumpfausschnitt mindestens teilweise verdeckt.

8. Flugzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungsmanschette (46) im wesentlichen kreisrund ist.

9. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine gelenkig angeordnete Verkleidungsklappe (44) vorgesehen ist, welche die Auslaßöffnung (41) der Ein­ buchtung (40) mindestens teilweise verdeckt und zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbar ist.

10. Flugzeug nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verkleidungsklappe (44) an der Verklei­ dungsmanschette (46) angelenkt ist.

11. Flugzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungsklappe (44) etwa halbkreisförmig ausge­ bildet ist und bei in der Horizontalschubstellung befind­ licher Schwenkdüse (36) den rückwärtigen Teil des Rumpfaus­ schnitts (56) verdeckt.

12. Flugzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite drehbar angeordnete Verklei­ dungsklappe (42) vorgesehen ist, welche die Auslaßöffnung (41) der Einbuchtung (40) teilweise verdeckt und zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbar ist.

13. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbuchtung (40) mit einer etwa nach oben weisenden Einlaßöffnung versehen ist, derart, daß die Einbuchtung (40) in der Vertikalschubstellung der Schwenkdüse (36) als Ejektorkanal wirkt, durch welchen Luft von der Flug­ zeugoberseite her durch Strahlpumpenwirkung des Düsenstrahls hindurchgezogen wird.

14. Flugzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Einbuchtung (40) gebildete Ejektorkanal (58) eine von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung (41) diver­ gierende Form hat.

15. Flugzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel (60) zum bedarfsweisen Verschließen und Öffnen der Einlaßöffnung des Ejektorkanals (58) vorgesehen sind.

16. Flugzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verschließen und Öffnen der Einlaßöffnung des Ejektorkanals (58) mindestens eine drehbare Klappe (60) auf­ weisen, die in Schließstellung federbelastet ist und deren Öffnung durch einen über ihr stehenden vorgegebenen Diffe­ renzdruck erfolgt.

17. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schwenkdüse (36) außerdem in eine Stellung drehbar ist, in welcher der Düsenaustrittsstrahl eine Vorwärtsrichtungskomponente hat.