DE3882761T2

DE3882761T2 - Verfahren und Gelenkgetriebe zur Positionierung einer konvergierenden Klappe und eines koaxialen bogenförmigen Ventils.

Info

Publication number: DE3882761T2
Application number: DE88630037T
Authority: DE
Inventors: Eric Jonathan Ward
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1988-03-03
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2008-03-04
Also published as: US4767055A; DE3882761D1; CN88101725A; EP0284540B1; JPS63253160A; KR880011458A; CN1015322B; EP0284540A2; KR960013104B1; EP0284540A3

Description

ANWENDUNGSGEEIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Programmierung und Koordination der Bewegung einer konvergenten Klappe in einer Gasturbinentriebwerksschubdüse sowie der Öffnung eines darin vorgesehenen Bogenventils.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist üblich in einer Schubdüse mit Schubvektorsteuerung für Gasturbinentriebwerke Klappen und andere bewegliche Flächen zu benutzen, zum Führen der Abgase, um den erwünschten Schubwinkel zu erreichen und/oder den Schubdüsenstrümungsquerschnitt einzustellen, wie in der EP-A-0 180 524 und in der US-A-4,605,169 beschrieben ist. Um die Schubumlenkung durchzuführen benutzen bestimmte Schubdüsen mit Schubvektorsteuerung eine kombinierte Vntil-Klappenanordnung, in welcher die, die Strömung ablenkende Klappe oder Klappen, in eine Sperrlage eingestellt werden, bezüglich der Strömung der Abgase nach hinten, währenddem eine Ventilfläche oder andere Struktur geöffnet wird zum Einlaßen der Abgase in einen anderen, im wesentlichen nach vorne gerichteten Strömungskanal. Eine schubvektorsteuernde Schubdüse mit einer kombinierten Ventil-Klappenanordnung ist in der US- A-4,690,329 beschrieben, die nicht vorveröffentlicht ist und keinen Bestandteil des Standes der Technik bildet (Artikel 54 FPÜ).
Solche Umlenksysteme, welche einen anderen Strömungsweg und eine entsprechende Ventilstruktur benutzen, erfordern eine sorgfältige Koordination mit der Sperrklappe, um zu verhindern, dar der gesamte Auslaßströmungsquerschnitt der Schubdüse unter einen minimalen Querschnitt verringert wird, welcher erforderlich ist, um die Betriebsstabilität in dem Gasturbinentriebwerk beizubehalten. Falls der gesamte Auslaßquerschnitt der Schubdüse bis unterhalb diesen minimalen Querschnitt bei einer Schubumlenkung verringert wird, kann ein erhöhter Rückdruck der Triebwerksabgase ein Abwürgen des Triebwerkes oder eine andere unerwünschte Unstabilität des Triebwerkes hervorrufen.
Außer der zeitlichen Steuerung der Öffnung der Ventilstruktur ist es ebenfalls erwünscht, daß die Geschwindigkeit, mit welcher das Ventil öffnet, der Geschwindigkeit entspricht, oder größer ist, als die Geschwindigkeit, mit welcher die Sperrklappe den hinteren Strömungsquerschnitt der Schubdüse abschliept. Dies ist besonders schwierig zu erreichen in denjenigen Schubdüsenanordnungen, bei welchen die Ventilstruktur üblicherweise stillstehend bleibt, während die Ablenkklappe innerhalb eines Einstellbereiches beweglich ist, um die übliche Vorwärtsschubvektorsteuerung und die Steuerung des hinteren Auslaßquerschnittes durchzuführen.
Ein weiteres erwünschtes Merkmal für derartige Schubdüsen ist die Schaffung einer sicheren Betriebsweise im Falle einer Störung welche gewährleistet, dar beim Ausfallen der Schubdüsenstellmotore oder der zugeordneten Gestänge die Düsenklappen und die Ventilstruktur selbstätig zu einer nicht vektorisierten Vorwärtsschubstellung zurückgelangen. Ein Flugzeug mit einem gestörten Gestänge könnte dementsprechend im Vorwärtsschubbetrieb weiter fliegen, wodurch die Abfangwahrscheinlichkeit aus dieser Störungsart ihrerseits verbessert wird.
Wie für alle Flugzeugbauteile und insbesondere für Schubdüsen mit Schubvektorsteuerung ist das Gewicht und die Komplexität der körperlichen Bauteile von größster Wichtigkeit für den Konstrukteur, wobei die leichteste und die einfachste Anordnung bevorzugt wird vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit, des Gewichts und der Zuverlässigkeit.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen zur Koordination der Stellung einer Strömungsführungsklappe und eines Strömungsregelventils in einer Schubdüse mit Schubvektorsteuerung für ein Gasturbinentriebwerk.
Entsprechend der Erfindung wird dies erreicht durch ein Verfahren zum Einstellen eines halbzylindrischen Bogenventils, das schwenkbar ist um eine gemeinsame Achse mit einer konvergenten Klappe in einer Schubdüse mit Schubvektorsteuerung für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die konvergente Klappe wahlweise schwenkbar ist zwischen einer ersten Winkelstellung, in der im wesentlichen sämtliche Triebwerksabgase von der Düse nach hinten ausgestoßen werden und einer zweiten Winkelstellung, in welcher im wesentlichen jede Strömung der Triebwerksabgase nach hinten gesperrt ist, und das Bogenventil schwenkbar ist um die gemeinsame Achse zum Einleiten von Triebwerksabgasen in einen anderen Schubumlenkströmungskanal, wobei das Verfahren zum Einstellen des Bogenventils auf die Bewegung der konvergenten Klappe zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung ansprechend ist und folgende Schritte aufweist: (a) Zurückhalten des Bogenventils in einem statischen, geschlossenen Zustand, in welchem kein Abgas in den Schubumlenkströmungskanal eingeleitet wird, ansprechend auf eine Bewegung der konvergenten Klappe in einem ersten Bereich zwischen ihrer ersten Winkelstellung und einer dritten intermediären Winkelstellung, wobei die dritte intermediäre Winkelstellung von einer vierten Stellung beabstandet ist, welche nicht innerhalb des ersten Bereiches liegt und die vierte Winkelstellung einer Ausrichtung der konvergenten Klappe entspricht zur Bildung eines minimalen Auslaßströmungsquerschnittes der Schubdüse für einen stabilen Betrieb des Gasturbinentriebwerkes; (b) Winkelbeschleunigung des Bogenventils um die gemeinsame Achse aus dem statischen Zustand in einen Vollgeschwindigkeitszustand, in welchem die Winkelgeschwindigkeit des Bogenventils sowohl proportional zu und größer ist, als die augenblickliche Geschwindigkeit der konvergenten Klappe bei einer Bewegung der konvergenten Klappe in einem zweiten Bereich zwischen der dritten intermediären Winkelstellung und der vierten Winkelstellung, wobei das beschleunigende Bogenventil geschlossen bleibt gegen eine Strömung der Triebwerksabgase in den Schubumlenkströmungskanal; und (c) Öffnen des Bogenventils in dem Vollgeschwindigkeitszustand ansprechend auf die Bewegung der konvergenten Klappe über die vierte Winkelstellung hinaus zur zweiten sperrenden Winkelstellung hin, wobei das Bogenventil anfänglich öffnet zum Einlassen von Abgasen in den Schubumlenkströmungskanal gleichzeitig mit der Einstellung durch die konvergente Klappe eines hinteren Düsenauslaßströmungsquerschnittes, der kleiner ist als der minimale Auslaßströmungsquerschnitt der Schubdüse.
Vorzugsweise wird das Bogenventil in dem Verfahrensschritt des Beschleunigens des Bogenventils beschleunigt auf eine Winkelgeschwindigkeit entsprechend etwa dem doppelten Wert der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit der konvergenten Klappe.
Die vorliegende Erfindung schafft desweiteren eine Gestängeanordnung zum Verschwenken eines halbzylindrischen Bogenventils um eine gemeinsame Achse mit einer schwenkbaren konvergenten Klappe und ansprechend auf die Bewegung der Klappe, mit einer in der Struktur der konvergenten Klappe angeordneten und mit derselben um die gemeinsame Achse schwenkbaren Nockenbahn, wobei die Nockenbahn versehen ist mit einem ersten Verweilabschnitt, welcher einen Weg bildet, der von der gemeinsamen Achse im wesentlichen gleichförmig beabstandet ist, einem zweiten Beschleunigungsabschnitt, anschließend an den ersten Verweilabschnitt und der einen gekrümmten Weg bildet, welcher im wesentlichen zu der gemeinsamen Achse hin verläuft, und einem dritten Aktionsabschnitt anschließend an den zweiten Beschleunigungsabschnitt, und der einen Weg begrenzt, der im wesentlichen weiter zu der gemeinsamen Achse hin läuft; einem durch eine in der Nockenbahn laufende Nockenrolle angetriebenen Vierlenkergestänge, mit einem Bogenventilkurbelarm, der an dem Bogenventil befestigt ist und sich in Radialrichtung von der gemeinsamen Achse erstreckt, einem Antriebslenker, der mit seinem einen Ende schwenkbar an das radial äupere Ende des Bogenventilkurbelarmes und mit seinem anderen Ende an die Nockenrolle angelenkt ist, wobei die Nockenrolle in der Nockenbahn aufgenommen ist, um nacheinander den ersten, zweiten und dritten Abschnitt derselben zu durchlaufen, und einem Folgelenker, der sich zwischen der Rolle und einer Schwenkstütze erstreckt, die an einer benachbarten statischen Schubdüsenstruktur befestigt ist, um mit derselben das durch die in der Nockenbahn laufende Rolle angetriebene Vierlenkergestänge zu bilden zwecks Einstellung des Bogenventils über den Antriebslenker und den Bogenventilkurbelarm.
Das Gestänge entsprechend der Erfindung gewährleistet den erwünschten Betrieb des Bogenventils ohne einen separaten Stellmotor oder eine andere Antriebsvorrichtung, wodurch der Schubdüsenaufbau insgesamt vereinfacht und die Zuverlässigkeit desselben verbessert wird.
Ein anderer Vorteil der Gestänge- und Nockenvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung beruht in der fortdauernden "Fehler offen" Vorspannung, die durch den inneren Düsendruck auf die konvergente Klappe aufrechterhalten wird. Ein Ausfallen, zum Beispiel, des Klappenstellmotors bewirkt eine Öffnung der konvergenten Klappe und gleichzeitig damit ein Schliefen des Bogenventils und dementsprechend eine Öffnung des Strömungsweges nach hinten. Die Düse wird dementsprechend auf ihren normalen Vorwärtsschubbetrieb zurückgestellt oder sie bleibt in diesem Betriebszustand, falls der Fehler während dem normalen Flug auftritt.
Diese sowie weitere Vorteile werden für den Fachmanne offensichtlich sein, nach Studium der folgenden Beschreibung und Zeichnungsfiguren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt eine aufgebrochene Seitenansicht einer zweidimensionalen Schubdüse mit Schubvektorsteuerung, welche mit einer konvergenten Klappe und einem konzentrischen, halbzylindrischen Bogenventil versehen ist.
Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung der Änderung des hinteren, Umlenk- und Gesamtgasströmungsquerschnittes der Schubdüse über dem Bewegungsbereich der konvergenten Klappe.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Nockengestänges entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt eine Detailwiedergabe im Schnitt der Abdichtungsvorrichtung zwischen dem Bogenventil und der feststehenden Schubdüsenstruktur.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Figur 1 zeigt eine zweidimensionale Schubdüse 10 mit Schubvektorsteuerung, die eine Strömung von Abgasen 12 von einem Gasturbinentriebwerk 4 zum Antrieb eines Flugzeuges (nicht dargestellt) erhält. Die Düse 10 ist als "zweidimensional" bezeichnet, wegen ihrer Fähigkeit, die Abgase 12 innerhalb eines in einer einzigen Ebene liegenden Bereiches von Auslaßvektoren zu führen. Die Düse 10 nach Figur 1 kann dementsprechend, durch Bewegung der verschiedenen Klappen in einer im Stand der Technik hinreichend bekannten Art und Weise, die Abgase im wesentlichen nach oben, nach unten oder in Schubumlenkrichtung führen.
Die in Figur 1 dargestellte Düse erlaubt nicht nur die Vektorsteuerung der Abgasströmung 12 sondern sie gestattet außerdem die Regelung des hinteren Auslaßströmungsquerschnittes der Schubdüse, der als Düsenhalsabmessung 18 zwischen einer oberen und einer unteren konvergenten Klappe 20, 22 gemessen wird. Der Düsenhals 18 wird dementsprechend verändert zum Abstimmen der augenblicklichen Triebwerks- und/oder Schubverstärkerleistungsabgabe, um einen optimalen Auslaßströmungsquerschnitt und eine optimale Ausströmgeschwindigkeit für den Triebwerkswirkungsgrad und den Schub zu gewährleisten.
Die Ablenkung der Abgasströmung 12 sowie die Veränderung der Ausdehnungsrate der Abgase werden erreicht durch die hinteren divergenten Klappen 24, 26, welche an den hinteren Enden der konvergenten Klappen 20 bzw. 22 angelenkt sind.
In der Schubdüse nach Figur 1 sind die konvergenten Klappen 20, 22 an ihren gegenüberliegenden Enden mit Scheiben 28, 30 versehen, die ihrerseits schwenkbar um die Querachsen 32, 34 sind. Die Scheiben und dementsprechend die konvergenten Klappen werden eingestellt mittels hydraulischen oder anderen Betätigern (nicht dargestellt), welche die Scheiben und die Klappen wahlweise einstellen zur Steuerung der Auslaßgasströmung 12.
Aus der Figur 1 ist desweiteren ersichtlich, dap die Schubdüse 10 auch wenigstens ein Bogenventil 36 umfaßt, das eine halbzylindrische Form aufweist und konzentrisch angeordnet ist und schwenkbar um die entsprechende konvergente Klappe 22 ist. Das Bogenventil 36 regelt die Strömung des Abgases 12 in den entsprechenden anderen Umlenkströmungskanal 38, aus dem es nach vorne, oder anders, mittels einer Schaufelkaskade 40 oder einer anderen Strömungsführungsvorrichtung gerichtet werden können.
Während dem Betrieb der Schubdüse 10 in dem Umlenkströmungsbetrieb sind die konvergenten Klappen 20, 22 in eine vollständig sperrende Stellung geschwenkt, wodurch der hintere Düsenhals 18 im wesentlichen verschlossen ist zum Absperren der Strömung der Abgase 12 nach hinten. Während diesem Betrieb ist das Bogenventil 36 ebenfalls verschwenkt zum Einlassen der Abgase 12 in den Strömungskanal 38, um die erwünschte Schubumlenkung zu erreichen.
Wie dem mit dem Betrieb der Gasturbinentriebwerke vertrauten Fachmann geläufig ist, bewirkt eine Verringerung des gesamten Auslaßgasströmungsquerschnittes der Schubdüse bis unterhalb einen bestimmten Minimalquerschnitt einen übermäßigen Rückdruck am Triebwerksauslaß und möglicherweise ein Abwürgen des Triebwerksverdichters oder andere unerwünschte und unstabile Triebwerksbetriebsbedingungen. Während dem Übergang zwischen dem Fortwärts- und Umlenkschubbetrieb ist es dementsprechend klar, daß die Düse 10 die Schließbewegung der divergenten Klappen 20, 22 genau und positiv programmieren und koordinieren muß mit der Öffnung des Bogenventils oder Bogenventile 36, um eine Verminderung des gesamten Düsenauslaßquerschnittes bis unterhalb den erforderlichen Minimalquerschnitt zu verhindern bei gleichzeitiger Verhinderung des Verlustes des Schubwirkungsgrades, was bei Betrieb der Triebwerks- Schubdüsenbaugruppe mit zu großem Gesamtdüsenauslaßquerschnitt bei der gegebenen Triebwerksleistungsabgabe auftritt.
Ein solcher Querschnittsplan, der den gewünschten Gesamtdüsenauslaßquerschnitt erzielt, ist in der Figur 2 graphisch dargestellt, in welcher die Strömungsquerschnitte 42, 44 des hinteren Düsenauslasses und des anderen durch das Bogenventil geregelten Strömungskanals zusammen mit dem durch die unterbrochene Linie dargestellten Gesamtauslaßquerschnitt 46 der Schubdüse dargestellt sind. Der relative Querschnitt eines jeden Parameters ist wiedergegeben durch die vertikale Verlagerung in der graphischen Darstellung nach Figur 2, während die horizontale Verlagerung die Stellung der konvergenten Klappe 22 darstellt in dem Bereich zwischen der vollständig geöffneten Winkelstellung θO und der vollständig geschlossenen Winkelstellung θB.
Der hintere Düsenauslaßquerschnitt 42 nimmt dementsprechend, wie ersichtlich, unmittelbar ab bei einer Verschwenkung der konvergenten Klappe 22 von der offenen Stellung θO in die geschlossene Stellung θB. Der hintere Düsenquerschnitt nimmt ab und erreicht den zulässigen Minimalquerschnitt Amin in der entsprechenden Winkelstellung θmin. Eine weitere Verschwenkung der konvergenten Klappe 22 über die Stellung θmin hin aus, ohne Bereitstellung eines anderen Strömungsweges für die Auslaßgase führt zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, falls nicht sogar zur Sicherheit des Abwürgens des Gasturbinentriebwerkes.
Wie aus dem Querschnittplan entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist, wird der andere Strömungskanalquerschnitt 44 bei der Stellung θmin geöffnet und nimmt zu mit einer höheren Geschwindigkeit als die Verschließgeschwindigkeit des hinteren Düsenströmungsquerschnittes bei einer Drehung der konvergenten Klappe 22 in die vollständige Sperrstellung θB. Dementsprechend fällt zu keinem Zeitpunkt in dem Betriebsbereich der konvergenten Klappe 22 der gesamte Auslaßquerschnitt der Schubdüse unterhalb Amin.
Durch Öffnen des Bogenventils 36 mit einer Winkelgeschwindigkeit, die größer ist als die Verschließgeschwindigkeit der konvergenten Klappe 22 gewährleistet das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung, daß der Strömungsquerschnitt zu dem Umlenkströmungskanal 38 mit einer höheren Geschwindigkeit zunimmt, als die Verschließgeschwindigkeit des konvergenten Klappenhalses 18, um demnach den gesamten Auslaßquerschnitt 46 der Schubdüse zu vergrößern, wenn die konvergente Klappe 22 sich ihrer voll sperrenden Stellung θB nähert. Dieser Querschnittsplan ist besonders ausgelegt, um die Düse 10 mit der Fähigkeit einer sanften Umschaltung zwischen dem Vorwärts- und dem Umlenkschubbetrieb zu versehen. Beim Übergang zwischen dem Vorwärts- und dem Umlenkschubbetrieb ist es üblich, die Leistungsabgabe des Gasturbinentriebwerks auf einen minimalen Wert herabzusetzen bei einer gleichzeitigen Verringerung des hinteren Auslaßströmungsquerschnittes der Schubdüse und anschließend daran die Triebwerksleistungsabgabe zu steigern nach Öffnen des Umlenkströmungskanals, um den erwünschten Umlenkschub zu erreichen.
Der gesamte Auslaßquerschnitt 46 der Düse, welcher durch das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung erreicht wird und in Figur 2 deutlich dargestellt ist, ist gut geeignet zur Bereitstellung des erforderlichen Querschnittes für den Betrieb der Schubdüse beim Übergang vom Vorwärts- auf den Umlenkschubbetrieb und gewährleistet den richtigen Gesamtauslaßquerschnitt der Schubdüse für die Auslaßgase in dem erwarteten Triebwerksbetriebsbereich. Die genau koordinierte Programmierung zwischen dem Düsenauslaßquerschnitt und der Triebwerksleistungsabgabe ergibt den optimalen Auslaßquerschnitt für die Schubdüse, ohne die Wahrscheinlichkeit des Einleitens einer Triebwerksabwürgung oder anderen Betriebsunstabilitäten zu erhöhen.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Gestänge, das zwischen der konvergenten Klappe 22 und dem Bogenventil 36 angeordnet ist zur Durchführung des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Gestänge, im wesentlichen mit dem Bezugszeichen 48 bezeichnet, ist im wesentlichen in einer einzigen Ebene beweglich und ist durch die feststehende Düsenstruktur getragen, wie z. B. die Seitenwände 16, wie in Figur 3 dargestellt. Eine Nockenbahn 50 ist in einem Teil der Struktur 22a der konvergenten Klappe angeordnet und drehbar mit derselben um die Schwenkachse 34, wie noch im späteren beschrieben wird. Die Nockenbahn 50 umfaßt einen ersten Verweilabschnitt 52, einen zweiten Beschleunigungsabschnitt 54 und einen dritten Vollgeschwindigkeits- oder aktiven Abschnitt 56. Der Verweilabschnitt 52 ist im wesentlichen von dem Schwenkpunkt 34 gleichförmig beabstandet, während der aktive Abschnitt 56 im wesentlichen nach innen zu der Schwenkachse 34 hin verläuft. Der Beschleunigungsabschnitt 54 bildet einen gekrümmten Übergang zwischen den Verweilund aktiven Abschnitten 52, 56.
Das Bogenventil 36 wird durch den Bogenventilkurbelarm 36a eingestellt, der um die gemeinsame Achse 34 drehbar ist. Der Kurbelarm 36a ist schwenkbar mit einem Antriebslenker 66 verbunden, der seinerseits mit einem Folgelenker 60 verbunden ist. Der Folgelenker ist drehbar um einen feststehenden Schwenkpunkt 62 in der feststehenden Düsenstruktur 16. Eine Rolle 58 läuft in der Nockenbahn 50 und ist befestigt an dem Vierlenkergestänge, das gebildet ist durch die feststehende Struktur 16, den Folgelenker 60, den Antriebslenker 66 und den Kurbelarm 36a, an der Schwenkstelle zwischen dem Antriebslenker 66 und dem Folgelenker 60.
Die Rolle 58 und die Nockenbahn 50 treiben dementsprechend das Vierlenkergestänge 16, 60, 66, 36a an, ansprechend auf die Bewegung der konvergenten Klappe 22. Wie aus Figur 3 und der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, bleiben die Rolle 58 und dementsprechend der Antriebslenker 66 und der Bogenventilkurbelarm 36a im wesentlichen stillstehend bei einer Rotation der Nockenbahn 50 und der konvergenten Klappenstruktur 22, 22a innerhalb des Verweilabschnittes 52 der Nockenbahn 50, welcher gleichförmig von der querverlaufenden Schwenkachse 34 beabstandet ist. Wenn die Lage der konvergenten Klappe sich der Stellung θmin nähert, tritt die Rolle 58 in den Beschleunigungsabschnitt 54 der Nockenbahn 50 ein und leitet die Bewegung des Antriebslenkers 66 und des Bogenventilkurbelarmes 36a ein.
Wenn die konvergente Klappe 22 die Winkelstellung entsprechend emin erreicht hat die Rolle 58 entsprechend der vorliegenden Erfindung den Beschleunigungsbereich 54 der Nockenbahn 50 durchlaufen und das Bogenventil 36 bewegt sich nun um die Schwenkachse 34 mit seiner vollen Winkelgeschwindigkeit, welche größer ist als die Winkelgeschwindigkeit der drehenden konvergenten Klappe 22, 22a.
Aus der vorgehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine gewisse Bewegung des Bogenventils 36 stattfindet vor dem Öffnen desselben zum Einlassen von Auslaßgasen 12 in den Umlenkströmungskanal 38, da die konvergente Klappe die Stellung θmin noch nicht erreicht hat in dem Augenblick, wo die Rolle 58 in den Beschleunigungsabschnitt 54 der Nockenbahn 50 eintritt. Diese "Vorlaufbewegung" gewährleistet, dar das Bogenventil seine erwünschte Winkelgeschwindigkeit erreichen kann vor der Öffnung und dem Einlassen der Auslapgase in den Strömungskanal 38, um sicher zu stellen, daß die erwünschte Steigerungsrate des Strömungsquerschnittes in den Umlenkströmungskanal erreicht wird beim Beginn der Strömung in diesen Kanal 38 hinein. Ohne die Bereitstellung einer solchen Vorlauföffnungsbewegung des Bogenventils 36 könnte das Gestänge entsprechend der Erfindung den Querschnittsplan entsprechend der Figur 2 nicht vollziehen, da das Bogenventil, obschon leicht aufgebaut jedoch trotzdem massiv, nicht augenblicklich beim Erreichen der Stellung θmin durch die konvergente Klappe auf die volle Winkelgeschwindigkeit beschleunigt werden kann.
Dieser Vorlaufbewegungsbereich wird erreicht durch ein vorderes Teil des Bogenventils 36, das sich an der linearen Abdichtung 68 vorbei erstreckt, die zwischen der vorderen stationären Struktur 70 der Schubdüse und dem Bogenventil 36 vorgesehen ist zum Abdichten gegen eine Strömung der Abgase 12 in den Umlenkkanal 38, wenn das Ventil 36 sich in der geschlossenen Stellung befindet. Das verlängerte Teil 72, wie in Figur 4 dargestellt, des Bogenventils 36 erlaubt eine Verschwenkung des Bogenventils 36 nach hinten, währenddem das Ventil 36 auf seine volle Öffnungswinkelgeschwindigkeit beschleunigt wird. Beim Durchlaufen der Winkelstellung θmin durch die konvergente Klappe 22 bewegt sich das Bogenventil 36, das durch den Antriebslenker 36 und den Kurbelarm 36a nach hinten verschwenkt wird, von der Abdichtung 68 weg und öffnet den Strömungquerschnitt in den anderen Schubumlenkströmungskanal 38 hinein mit der erwünschten Geschwindigkeit und zu dem erwünschten Zeitpunkt.
Es wird für den Fachmanne ersichtlich sein, daß diese zeitliche Steuerung sowie die Geschwindigkeit für besondere Düsen, Bauarten, Betriebsbedingungen, Gasturbinentriebwerke, oder dergleichen, unterschiedlich sein kann und daß die relativen Bewegungen der konvergenten Klappe 22 und des entsprechenden Bogenventils 36 durch eine einfache Veränderung der Form der Nockenbahn 50 anders programmiert werden können. Solche Veränderungen können dementsprechend erzielt werden, ohne aufwendigen Neuentwurf oder erneute Fertigung der verschiedenen Bauteile der Schubdüse 10, so wie zukünftige Triebwerksentwicklungen und Betriebserfahrungen sich ansammeln.
Obschon das Verfahren und das Gestänge nach der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit einer symmetrischen, zweidimensionalen Schubdüsenanordnung beschrieben wurden, bei welcher gegenüberliegende, konvergente Klappen 20, 22 und entsprechende Strukturen die Abgasströmung 12 regeln und ablenken, kann wohlverstanden die Klappen- und Ventilanordnung 22, 36 einzeln benutzt werden zum Erreichen einer Schubvektor- und Querschnittssteuerung ohne die Notwendigkeit für eine zugeordnete symmetrische Klappen- und Ventilanordnung. Das Verfahren und das Gestänge nach der vorliegenden Erfindung sind dementsprechend nicht beschränkt auf die Anwendung in der dargestellten Schubdüsenanordnung, sondern können demgegenüber vorteilhaft benutzt werden in einer Vielzahl von Ausbildungen und Anwendungen, ohne den durch die nun folgenden Ansprüche bestimmten Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Einstellen eines halbzylindrischen Bogenventils (36), das schwenkbar ist um eine gemeinsame Achse (34) mit einer konvergenten Klappe (22) in einer Schubdüse (10) mit Schubvektorsteuerung für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die konvergente Klappe (22) wahlweise schwenkbar ist zwischen einer ersten Winkelstellung, in der im wesentlichen sämtliche Triebwerksabgase von der Düse (10) nach hinten ausgestoßen werden und einer zweiten Winkelstellung, in welcher im wesentlichen jede Strömung der Triebwerksabgase nach hinten gesperrt ist, und das Bogenventil (36) schwenkbar ist um die gemeinsame Achse (34) zum Einleiten von Triebwerksabgasen in einen anderen Schubumlenkströmungskanal (38), wobei das Verfahren zu Einstellen des Bogenventils (36) auf die Bewegung der konvergenten Klappe (22) zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung ansprechend ist und folgende Schritte aufweist:

(a) Zurückhalten des Bogenventils (36) in einem statischen, geschlossenen Zustand, in welchem kein Abgas in den Schubumlenkströmungskanal (38) eingeleitet wird, ansprechend auf eine Bewegung der konvergenten Klappe in einel ersten Bereich zwischen ihrer ersten Winkelstellung und einer dritten intermediären Winkelstellung, wobei die dritte intermediäre Winkelstellung von einer vierten Stellung beabstandet ist, welche nicht innerhalb des ersten Bereiches liegt und die vierte Winkelstellung einer Ausrichtung der konvergenten Klappe (22) entspricht zur Bildung eines minimalen Auslaßströmungsquerschnittes der Schubdüse für einen stabilen Betrieb des Gasturbinentriebwerkes;

(b) Winkeibeschleunigung des Bogenventils (36) um die gemeinsame Achse (34) aus dem statischen Zustand in einen Vollgeschwindigkeitszustand, in welchem die Winkelgeschwindigkeit des Bogenventils (36) sowohl proportional zu und größer ist, all die augenblickliche Geschwindigkeit der konvergenten Klappe (22) bei einer Bewegung der konvergenten Klappe (22) in einem zweiten Bereich zwischen der dritten intermediären Winkelstellung und der vierten Winkelstellung, wobei das beschleunigende Bogenventil (36) geschlossen bleibt gegen eine Strömung der Triebwerksabgase in den Schubumlenkströmungskanal (38); und

(c) Öffnen des Bogenventils (36) in dem Vollgeschwindigkeitszustand ansprechend auf die Bewegung der konvergenten Klappe (22) über die vierte Winkelstellung hinaus zur zweiten sperrenden Winkelstellung hin, wobei das Bogenventil (36) anfänglich öffnet zum Einlassen von Abgasen in den Schubumlenkströmungskanal (38) gleichzeitig mit der Einstellung durch die konvergente Klappe (22) eines hinteren Düsenauslapströmungsquerschnittes, der kleiner ist als der minimale Auslaßströmungsquerschnitt der Schubdüse.

2. Verfahren zum Einstellen eines Bogenventils nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Beschleunigung des Bogenventils (36) in den Vollgeschwindigkeitszustand den Schritt umfaßt, der Beschleunigung des Bogenventils (36) auf eine Winkelgeschwindigkeit entsprechend etwa dem Zweifachen der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit der konvergenten Klappe (22).

3. Gestängeanordnung zum Verschwenken eines halbzylindrischen Bogenventils (36) um eine gemeinsame Achse (34) mit einer schwenkbaren konvergenten Klappe (22) und ansprechend auf die Bewegung der Klappe (22), mit:

einer in der Struktur (22a) der konvergenten Klappe angeordneten und mit derselben um die gemeinsame Achse (34) schwenkbaren Nockenbahn (50), wobei die Nockenbahn (50) versehen ist mit:

einem ersten Verweilabschnitt (52), welcher einen Weg bildet, der von der gemeinsamen Achse (34) im wesentlichen gleichförmig beabstandet ist,

einem zweiten Beschleunigungsabschnitt (54), anschließend an den ersten Verweilabschnitt (52) und der einen gekrümmten Weg bildet, welcher im wesentlichen zu der gemeinsamen Achse (34) hin verläuft, und

einem dritten Aktionsabschnitt (56) anschließend an den zweiten Beschleunigungsabschnitt (54), und der einen Weg begrenzt, der im wesentlichen weiter zu der gemeinsamen Achse (34) hin läuft;

einem durch eine in der Nockenbahn (50) laufende Nockenrolle (58) angetriebenen Vierlenkergestänge, mit

einem Bogenventilkurbelarm (36a), der an dem Bogenventil (36) befestigt ist und sich in Radialrichtung von der gemeinsamen Achse (34) erstreckt,

einem Antriebslenker (36), der mit seinem einen Ende schwenkbar an das radial äußere Ende des Bogenventilkurbelarmes (36a) und mit seinem anderen Ende an die Nockenrolle (58) angelenkt ist, wobei die Nockenrolle (58) in der Nockenbahn (50) aufgenommen ist, um nacheinander den ersten, zweiten und dritten Abschnitt (52, 54, 56) derselben zu durchlaufen, und

einem Folgelenker (60), der sich zwischen der Rolle (58) und einer Schwenkstütze (62) erstreckt, die an einer benachbarten statischen Schubdüsenstruktur (70) befestigt ist, um mit derselben das durch die in der Nockenbahn (50) laufende Rolle (58) angetriebene Vierlenkergestänge zu bilden zwecks Einstellung des Bogenventils (36) über den Antriebslenker (66) und den Bogenventilkurbelarm (36a).

4. Gestängeanordnung nach Anspruch 3, ferner mit:

einer linearen Abdichtung (68) zwischen dem halbzylindrischen Bogenventil (36) und der statischen Schubdüsenstruktur (70), um dazwischen eine Umfangsströmung von Gasen zu verhindern wänrend der Bewegung der Rolle (58) längs dem ersten Verweilabschnitt (52) der Nockenbahn (50), wobei das Bogenventil (36) einen Abschnitt (72) aufweist, der sich an der linearen Abdichtung (68) vorbei erstreckt, um das Bogenventil (36) geschlossen zu halten gegen die Strömung von Abgas in den Schubumlenkkanal (38) während der Bewegung des Bogenventils (36) ansprechend auf die Bewegung der Rolle (58) längs dem zweiten Beschleunigungsabschnitt (54) der Nockenbahn (50).