DE3730412A1 - Schubduese fuer gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für Gasturbinen­ triebwerke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf eine Schubdüse, die im Sinne einer Änderung der Strahlaustritts­ richtung und damit einer Veränderung des vom Triebwerk erzeugten Schubvektors betätigbar ist.

Es sind seit langem Flugzeuge bekannt, die sowohl mit hoher Vorwärtsgeschwindigkeit fliegen als auch vertikal starten oder landen können. Dazu können Schwenkdüsen einge­ setzt werden, wie sie bei dem Harrier bzw. AV8B-Flugzeug von British Aerospace verwendet werden. Die Schwenkdüsen dieses Flugzeugs können aus einer Stellung, in welcher sie zur Vorwärtsschuberzeugung den Strahl nach rückwärts aus­ treten lassen, in eine Stellung geschwenkt werden, in welcher sie zur Aufwärtsschuberzeugung den Strahl nach unten aus­ treten lassen.

Im Zuge der Weiterentwicklung solcher Flugzeuge besteht auch die Notwendigkeit, die Flugzeuglage während des Vorwärts­ flugs zu steuern, indem man eine kontinuierliche gering­ fügige Schwenkung der Düsen aufwärts oder abwärts (um bei­ spielsweise 20°) relativ zur Horizontalposition ermöglicht.

Eine Düse mit der Möglichkeit einer kontinuierlichen Strahl­ schwenkung um 90° oder mehr für den Vertikalflug und außer­ dem der Möglichkeit einer begrenzten Aufwärtsschwenkung um beispielsweise 20° mit Bezug auf die Horizontalflugposition würde außerdem die Manövrierfähigkeit im Kampfeinsatz ver­ bessern.

Viele Düsenkonstruktionen stellen sogenannte konvergente Düsen dar, d.h. das Strahlrohr des Triebwerks konvergiert auf einen kleineren festen Austrittsquerschnitt, und der Maximalschub wird dann erzeugt, wenn der Massendurchsatz durch die Düse bei dem Düsenaustrittsquerschnitt das Maximum beträgt. Die Düse arbeitet dann an der Drosselgrenze. Jede weitere Erhöhung des Massendurchsatzes durch die Düse würde dann zu unannehmbar starken Druckrückwirkungen auf den Turbinenauslaß und zu Rückstau- und Pumpschwingungserschei­ nungen führen.

Für Überschallflugzeuge mit Vertikalstart- und -Lande­ fähigkeit muß die Düsenkonstruktion an die stark schwanken­ den Massendurchsatzerfordernisse und den zu erzeugenden starken Schub angepaßt werden. In einem gewissen Maße kann diesen umfassenden Anforderungen durch Modifizierung konver­ genter Düsen dahingehend entsprochen werden, daß bei maximalem Schub eine Überschallströmung durch die Düse erzeugt wird.

Jedoch liegen auch Düsenkonstruktionen vor, bei welchen der Düsenaustrittsquerschnitt durch einen zwischen einem stromaufwärtigen konvergenten Bereich und einem stromab­ wärtigen divergenten Bereich gebildeten Düsenhals festgelegt ist. Bei solchen Düsenkonstruktionen wird der Maximalschub bei an der Drosselgrenze liegendem Strömungsdurchsatz, aber bei höheren Drücken über der Düse erzeugt. Dabei wird zu­ sätzlicher Schub durch die Reaktion der expandierenden druck­ beaufschlagten Gase stromab des Düsenhalses am divergenten Düsenabschnitt gewonnen. Solche üblicherweise als konvergent- divergent bezeichnete Düsen können eine beträchtliche Schub­ steigerung erzeugen, allerdings auf Kosten eines größeren Gewichts, größerer Kompliziertheit und höherer Herstellungs­ kosten.

Herkömmliche konvergent-divergente Düsen sind kompliziert und schon ohne Einbau der oben geforderten Zusatzfunktion einer begrenzten Schwenkung der Düse um die Vorwärtsflug­ stellung schwer genug.

Eine Düsenkonstruktion, bei welcher es sich um eine vereinfachte Konstruktion handelt, die außerdem im Vergleich zu einigen Konstruktionen konvergenter Düsen verhältnis­ mäßig kostengünstig ist, ist in der GB-PS 21 46 298 beschrie­ ben. Im wesentlichen besteht die darin beschriebene Düse aus einem Düsenkanal mit Rechteckquerschnitt, der zwei gegenüberliegende feststehende Seitenwände mit verschieden­ artig geformten Führungen sowie gegenüberliegende obere und untere Seitenwände aufweist, die jeweils aus einer Mehrzahl von aneinandergelenkten Lamellen bestehen, die in den Führungen geführt sind und mit Seilzügen bewegt werden, um verschiedene Positionen längs der Führungen einnehmen zu können.

Bei dieser bekannten Düse ist vorgesehen, daß die lamellierten Düsenkanalwände zur Bildung einer konvergenten Düse, einer divergenten Düse, oder einer strahlrichtungs­ veränderlichen Düse eingesetzt werden können. Jedoch sind bei den dort beschriebenen verschiedenen Ausführungformen keine konvergent-divergenten Düsen vorgesehen und es findet sich auch keine Lehre, wie die Strahlrichtung einer konver­ gent-divergenten Düse verändert werden könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine konvergent-divergente Düsenkonstruktion mit der Möglichkeit der Strahlaustrittsrichtungsänderung und folglich der Schub­ vektorschwenkung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schubdüse gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 in schematischem Axialschnitt eine Schubdüse nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt der Düse nach Fig. 1 in Rückwärtsrichtung gesehen,

Fig. 3 eine Rückansicht der Düse nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Axialschnitt der Düse ähnlich Fig. 1 in der Vertikalschubposition, und

Fig. 5 wiederum im Axialhalbschnitt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der Düse.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Schubdüse 10, die am strom­ abwärtigen Ende des Strahlrohrs 12 eines Gasturbinen-Flug­ zeugtriebwerks angeordnet ist, um den von den Turbinen kommenden Abgasstrahl in die Außenluft austreten zu lassen. Die Düse weist zwei gegenüberliegende feste Seitenwände 14 und 16 auf.

Die beiden festen Seitenwände 14 und 16 sind jeweils mit einer Führung 18 versehen, die eine etwa U-artige Grundform hat, wobei die beiden U-Schenkel stromaufwärts weisen. Die Führung selbst ist als Nut mit Rechteckquerschnitt ausge­ bildet. Außerdem sind zwei Gruppen 20 und 22 von Schiebe­ lamellen vorgesehen.

Die obere Lamellengruppe 20 weist fünf Lamellen 20 a auf (es können auch mehr oder weniger als fünf Lamellen vorge­ sehen sein) die mittels Scharnieren 24 gelenkig miteinander verbunden sind. Die untere Lamellengruppe 22 weist eben­ falls fünf Lamellen 22 a auf (auch hier können mehr oder weniger als fünf Lamellen vorgesehen sein), die wiederum mittels Scharnieren 24 aneinander angelenkt sind. Die Scharniere ragen jeweils seitlich über die Seitenkanten der Lamellen 20 a bzw. 22 a hinaus und tragen jeweils Rollen, die in die Führungen 18 eingreifen. Die stromaufwärts vorderste Lamelle jeder Lamellengruppe ist mit einem pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen, schematisch angedeuteten Betätigungsorgan 26 verbunden. Das Betätigungs­ organ 26 schiebt oder zieht die betreffende Lamellengruppe entlang der Führung 18, wobei die beiden Lamellengruppen gemeinsam oder voneinander unabhängig betätigt werden können, um die jeweils gewünschte Düsenform herzustellen. Alle Lamellen wirken mit zwischen ihnen angeordneten Dichtungen und auch mit zwischen ihnen und den Seitenwänden 14 und 16 angeordneten Dichtungen zusammen, um den Leckanteil minimal zu halten.

Die Düse 10 weist weiter eine obere feststehende Wand 32 und eine untere feststehende Wand 34 auf. Die untere fest­ stehende Wand 34 endigt in einer Querebene, die stromauf der stromabwärtigen Kante der oberen feststehenden Wand 32 liegt. Jedoch kann die untere Lamellengruppe 22 über das stromabwärtige Ende der unteren festen Wand 34 hinaus strom­ abwärts verschoben werden, um die Düse in ihre Horizontal­ schubstellung zu bringen.

Die stromabwärtige Kante der hintersten Lamelle 20 b der oberen Lamellengruppe wirkt mit der stromabwärtigen Kante der hintersten Lamelle 22 b der unteren Lamellengruppe zusammen, um den Düsenhals zu bilden.

Eine größere Klappe 28, die einen Fortsatz der Düse stromab des Düsenhalses bildet, ist mit ihrem stromauf­ wärtigen Ende am Hinterkantenbereich der hintersten Lamelle 20 b der oberen Lamellengruppe angelenkt. Ein unab­ hängig steuerbarer Betätigungsantrieb 30 dient zur Schwen­ kung der Klappe 28 um die Achse ihrer Gelenkverbindung mit der hintersten Lamelle 20 b. Die Klappe 28 bildet einen divergenten Düsenabschnitt in Form einer einfachen Druck­ rückgewinnungs-Expansionsrampe und kann unabhängig oder synchron mit der Bewegung der Lamellengruppen 20 und 22 bewegt werden, um einen jeweils optimalen Divergenzwinkel für alle möglichen Stellungen und Austrittsquerschnitte des Düsenhalses herzustellen.

Die Seitenwände ragen ausreichend weit nach hinten, damit die Lamellengruppen 20 und 22 sowie die Klappe 28 in allen Lamellen-Klappenstellungen mit den Seitenwänden zusammen­ wirken können.

Die Führungen 18 sind so gestaltet, daß sie einen etwa symmetrischen konvergenten Bereich unmittelbar stromauf des Düsenhalses bilden, wenn die oberen und unteren Lamellen­ gruppen 20 und 22 sich in der in Fig. 1 dargestellten Position befinden, also in der Vorwärtsschubposition. Bei in der Vorwärtsschubstellung stehender Düse, wobei die oberen und unteren Lamellengruppen 20 und 22 im Sinne der Bildung eines konvergenten Düsenabschnitts stromauf des Düsenhalses miteinander zusammenwirken, kann der Düsenhals­ querschnitt durch gleichzeitige Verschiebung der beiden Lamellengruppen rückwärts oder vorwärts verändert werden.

Die obere feststehende Wand 32 ist mit einem äußeren angelenkten Fortsatz versehen, der mit dem stromabwärtigen Ende der Klappe 28 gelenkig verbunden ist. Dieser Fortsatz dient zur Führung der äußeren Luftströmung beim Bewegen der Klappe 28.

Gemäß Fig. 4 wird, um den von der Düse erzeugten Schub­ vektor nach unten zu schwenken, beispielsweise um Aufwärts­ schub zu erzeugen, die untere Lamellengruppe 22 stromauf­ wärts zurückgezogen und die obere Lamellengruppe 20 strom­ abwärts verschoben, so daß sie entlang des U-Bogenbereiches der Führungen 18 bogenförmig verschoben wird und so eine nach unten gerichtete Düsenhalsöffnung gebildet wird. In dieser Position wird die Klappe 28 nach unten gezogen und wirkt dann nicht mehr als divergente Expansionsrampe. Gleich­ zeitig wird die äußere Verkleidungsklappe 36, die bezüglich des Bauteils 32 schwenkbar ist und auch längs dessen ver­ schiebbar sein kann, mit der Klappe 28 nach unten geschwenkt. Damit kann die Bodenfreiheit im Vertikalstart- und -Lande­ betrieb stark verbessert werden.

Wie oben erwähnt, können jeweils mehr oder weniger als fünf Lamellen in jeder Lamellengruppe 20 und 22 vorgesehen sein, vorausgesetzt, daß die Führungen 18 in geeigneter Weise gestaltet sind, um die gewünschte Form des Düsenab­ schnitts stromauf des Düsenhalses herzustellen.

In Fig. 5 ist eine Düsenausführungsform dargestellt, bei welcher in der oberen Lamellengruppe 20 zwei Lamellen und in der unteren Lamellengruppe 22 nur eine einzige Lamelle vorgesehen ist. Dadurch erreicht man ein viel geringeres Gewicht und dennoch die Konstruktion einer aerodynamisch stromlinienförmigen Düse. Außer der Anzahl der Lamellen und der Form der Führungen 18 ist diese Düse im Aufbau ähnlich derjenigen nach Fig. 1.

Es ist ersichtlich, daß die Düsen nach den Fig. 1 und 5 in verschiedene Positionen innerhalb eines Bereiches von etwa 20° oberhalb der Horizontalposition bis 90° abwärts eingestellt werden kann. Für den normalen Vorwärtsflug mit einem Schwenkbereich von 20° nach oben oder 20° nach unten (zur Flugzeuglage- und Anstellwinkelsteuerung) können die Lamellen 20 b, 22 b und die Klappe 28 so eingestellt werden, daß sie eine konvergent-divergente Düse mit dem Vorteil der Erzeugung eines größeren Schubs als bei einer rein konver­ genten Düse eingestellt werden.

Claims (3)

1. Schubdüse für Gasturbinentriebwerke, deren Düsenkanal etwa Rechteckquerschnitt aufweist und von zwei gegenüber­ liegenden feststehenden Wänden (14, 16) und zwei dazwischen angeordneten, ebenfalls gegenüberliegenden beweglichen Wänden (20, 22) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wände jeweils durch eine Anzahl gelenkig miteinander verbundener querverlaufender Lamellen gebildet sind, die mittels an den feststehenden Wänden (14, 16) ange­ ordneter Führungen (18) verschiebbar geführt sind, und daß am stromabwärtigen Ende (20 b) einer der beweglichen Wände (20) eine Klappe (28) mit ihrem stromaufwärtigen Ende schwenkbar angelenkt ist, die in mindestens einer Düsenbetriebsstellung im Zusammenwirken mit den feststehenden Wänden eine diver­ gente Expansionsrampe stromab eines von den beweglichen Wänden gebildeten Düsenhalses bildet.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (18) für die beweglichen Wände (20, 22) so gestaltet sind, daß diese zwischen einer Betriebsstellung, in welcher sie eine konvergente Düse mit rückwärts weisendem Düsenhals (Fig. 1) bilden, und einer Betriebsstellung ver­ schiebbar sind, in welcher sie eine konvergente Düse mit unter einem Winkel mit Bezug auf die Rückwärtsrichtung aus­ mündenden Düsenhals bilden, und daß die Klappe (28) nur in der ersteren Betriebsstellung eine divergente Expansions­ rampe stromab des Düsenhalses bildet.

3. Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß entlang der einen, an ihrem Ende die Klappe (28) tragenden beweglichen Wand ein äußerer feststehender Wand­ abschnitt (32) verläuft, an dessen stromabwärtigem Ende ein Wandfortsatz (36) schwenkbar angelenkt ist, der im Sinne einer den äußeren Luftstrom über die Düse leitenden Ver­ kleidung mit der Klappe (28) zusammenwirkt.