DE4004919A1

DE4004919A1 - Jet nozzle for an aircraft gas turbine engine

Info

Publication number: DE4004919A1
Application number: DE19904004919
Authority: DE
Inventors: John Matthew Backwell Hall
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 2009-02-26
Also published as: GB8903673D0; FR2894630A1; GB2435676B; GB2435676A

Abstract

Düse (14, 16), bei welcher der Austrittsquerschnitt und die Aufteilung des Austrittsquerschnitts verändert werden kann. Die Düse weist einen etwa rechteckigen Düsenkanal (32) und einen parallelogrammförmigen Zentralkörper (40) auf, welcher vergrößert werden kann, um den Austrittsquerschnitt zu verändern, sowie quer bewegt werden kann, um die Aufteilung des Austrittsquerschnitts zu verändern. Die Bewegung des Körpers wird durch unabhängig voneinander betätigbare Kugelumlaufspindeln (66, 68) bewirkt.Nozzle (14, 16), in which the outlet cross section and the distribution of the outlet cross section can be changed. The nozzle has an approximately rectangular nozzle channel (32) and a parallelogram central body (40) which can be enlarged to change the exit area and transversely moved to alter the distribution of the exit area. The movement of the body is effected by independently operable ball screws (66, 68).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahldüse für ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere eine Strahldüse für senkrecht startende und landende Flugzeugarten.The The invention relates to a jet nozzle for a gas turbine engine and in particular a jet nozzle for vertical taking off and landing aircraft types.

Auf dem Gasturbinentriebwerk-Sektor sind viele Arten von Düsen bekannt. Eine sehr bekannte derartige Düse ist die bogenförmige Schwenkdüse, die im Pegasus Triebwerk der Firma Rolls Royce plc für das Harrierflugzeug der British Aerospace plc eingesetzt wird. Vorne und hinten am Flugzeug sind jeweils zwei Düsen vorgesehen, die zur Steuerung des Anstellwinkels schwenkbar sind, während zur Rollsteuerung während des Schwebens an beiden Flügelenden kleine Steuerdüsen vorgesehen sind.On In the gas turbine engine sector, many types of nozzles are known. A well known such nozzle is the arcuate Swivel nozzle, the in the Pegasus engine of the company Rolls Royce plc for the British airliner Aerospace plc is used. There are front and rear of the plane two nozzles each provided which are pivotable for controlling the angle of attack, while for roll control during hovering at both ends of the wing small control nozzles are provided.

Ein Nachteil der oben geschilderten Anordnung ist, daß die Düsen notwendigerweise über die Oberfläche des Flugzeugrumpfes vorstehen und somit die glatte Luftströmung um das Flugzeug insbesondere bei hohen Fluggeschwindigkeiten behindert. Zudem sind komplexe und teure Leitungssysteme notwendig, um die Steuerdüsen mit Luft zu versorgen.One Disadvantage of the above-described arrangement is that the nozzles necessarily above the surface of the Aircraft fuselage protrude and thus the smooth air flow around hinders the aircraft, especially at high speeds. moreover Complex and expensive piping systems are necessary to use the control nozzles To supply air.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Strahldüse für ein Flugzeug zu schaffen, das sowohl Anstellwinkel- als auch Rollsteuerung erfordert, wobei die Strahldüse beide Steuerungsarten ermöglicht und dabei die Luftströmung über die Flugzeugoberfläche während des Fluges nur wenig oder nicht stört.The The object of the invention is to provide a jet nozzle for an aircraft, which requires both pitch and roll control, where the jet nozzle allows both types of control and while the air flow over the aircraft surface during the Flight little or no bother.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß beide Steuerungsarten mit der Strahldüse bewältigt werden, so daß besondere Leitungssysteme oder Steuerungen entbehrlich sind, und daß die Düse auch dazu eingesetzt werden kann, um das Rollverhalten und die Steuerbarkeit während des Schwebens zu verbessern.One Advantage of the invention is that both types of control with the jet nozzle to be mastered so that special Piping systems or controls are dispensable, and that the nozzle too can be used to control the rolling behavior and controllability while of hovering.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Düse für ein Gasturbinentriebwerk mit einer zentralen Längsachse, wobei die Düse einen Düsenkanal aufweist, deren Seitenwände einen Auslag mit einer Austrittsebene begrenzen, wobei ein Zentralkörper in der Düse angeordnet ist und aus dem Auslag hervorsteht, und zusammen mit der Düsenkanalwand den Austrittsquerschnitt der Düse begrenzt, wobei der Zentralkörper so montiert ist, daß er in der Austrittsebene bewegbar ist und dabei die Verteilung des Austrittsquerschnitts verändert, und daß er außerdem in seiner Dicke veränderbar ist, wodurch der Austrittsquerschnitt der Düse verändert wird, und wobei Mittel vorgesehen sind, die diese Bewegung und Aufweitung herbeiführen.The The present invention provides a nozzle for a gas turbine engine with a central longitudinal axis, the nozzle a nozzle channel has, whose side walls delimiting a delivery with an exit plane, wherein a central body in the Nozzle arranged is and protrudes from the display, and together with the nozzle wall the outlet cross section of the nozzle limited, the central body is mounted so that he is movable in the exit plane and thereby the distribution of Outlet cross section changed, and that he Furthermore changeable in its thickness is, whereby the outlet cross section of the nozzle is changed, and wherein means provided are, which bring about this movement and expansion.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:The Invention will be described below with reference to the drawings, in which shows:

1 Eine Seitenansicht eines Flugzeugs mit erfindungsgemäßen Strahldüsen, 1 A side view of an aircraft with jet nozzles according to the invention,

2 Einen Querschnitt eines Gasturbinentriebwerks und zwei bestimmte Strahldüsen-Anordnungen 2 A cross section of a gas turbine engine and two particular jet nozzle assemblies

3 Eine perspektivische Ansicht einer der in den 1 und 2 gezeigten Strahldüsen, und 3 A perspective view of one of the 1 and 2 shown jet nozzles, and

4 Eine Ansicht entsprechend des Pfeiles A in 3. 4 A view corresponding to the arrow A in 3 ,

Wie aus den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist ein Flugzeug 10 mit einem Gastubinentriebwerk 12 und einer vorderen Düse 14 und einer hinteren Düse 16 ausgestattet. Das gezeigte Triebwerk weist eine Tandemverdichteranordnung auf. Dabei sind strömungsmäßig hintereinandergeschaltet ein Gebläse 18 als erster Axialverdichter, ein Strömungskanal 20, ein zweiter Axialverdichter 22 und eine strömungsmäßig dahinter angeordnete Brennkammer 24, eine Turbine 26, die zum Antrieb der beiden Verdichter 18 und 22 mit diesen gekuppelt ist, und ein hinteres Strahlrohr 28, welche die am Flugzeug hinten angebrachte Düse 16 begrenzt. Die vordere Düse 14 ist so angeordnet, daß sie, nach Bedarf über den Strömungskanal 20 vom ersten Verdichter 18 mit Luft versorgt wird.Like from the 1 and 2 it can be seen is an airplane 10 with a gas turbine engine 12 and a front nozzle 14 and a rear nozzle 16 fitted. The engine shown has a tandem compressor arrangement. In this case, one blower is connected in series with each other in terms of flow 18 as the first axial compressor, a flow channel 20 , a second axial compressor 22 and a combustion chamber disposed downstream thereof 24 , a turbine 26 that drive the two compressors 18 and 22 coupled with these, and a rear jet pipe 28 , which is the nozzle attached to the aircraft at the rear 16 limited. The front nozzle 14 is arranged so that it, as needed via the flow channel 20 from the first compressor 18 is supplied with air.

Das Triebwerk 12 kann in zwei verschiedenartigen Betriebsarten arbeiten: nämlich im Einstrombetrieb oder im Zweistrombetrieb. Im Einstrombetrieb, der beim Vorwärtsflug angewandt wird, wird die gesamte Strömung vom ersten Verdichter 18 in den zweiten Verdichter 22 eingeleitet, um diesen zu überladen. Im Zweistrombetrieb, der beim Schweben oder beim Senkrechstart oder der -Landung angewandt wird, wird die gesamte Strömung vom ersten Verdichter 18 in die vordere Düse 14 geleitet und ein (nicht dargestellter) behelfsmäßiger Lufteinlaß wird geöffnet, um Luft dem zweiten Axialverdichter 22 zuzuführen. Eine Klappe 30, die in 2 graphisch dargestellt ist, ist in der Strömungsleitung 20 angeordnet, damit Luft vom ersten Verdichter 18 während des Zweistrombetriebs nicht in den zweiten Verdichter 22 gelangt, wobei eine (nicht dargestellte) Klappe vorgesehen ist, um während des Einstrombetriebes den Auslag der vorderen Düse 14 zu versperren. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Düsen 14 und 16, die nachfolgend detaillierter beschrieben werden, liegt darin, daß sie in vielen anderen Arten von Gasturbinentriebweken eingesetzt werden können und daß der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf Tandemverdichter-Trieb werke beschränkt ist.The engine 12 can work in two different operating modes: in single-stream operation or in two-wire operation. In the one-way operation applied to the forward flight, the entire flow is from the first compressor 18 in the second compressor 22 initiated to overload this. In two-stream operation, which is used for hovering or vertical take-off or landing, the entire flow is from the first compressor 18 in the front nozzle 14 directed and a (not shown) makeshift air inlet is opened to air the second axial compressor 22 supply. A flap 30 , in the 2 is shown in the flow line 20 arranged to allow air from the first compressor 18 during dual-flow operation, not in the second compressor 22 , wherein a flap (not shown) is provided to the delivery of the front nozzle during the Einstrombetriebes 14 to block. An advantage of the nozzles according to the invention 14 and 16 which are described in more detail below, is that they can be used in many other types of gas turbine engines and that the scope of the present invention is not limited to tandem compressor engines.

Bezugnehmend auf die 3 und 4 weist jede Düse 14 und 16 einen Kanal 32 mit etwa rechteckiger Querschnittsform auf, wobei dessen Seitenwände 34 und 36 einen Auslag 38 begrenzen, der eine Auslaßebene P und einen in der Düse angeordneten Körper 40 aufweist, der durch den Auslag 38 aus der Düse hervorsteht, um den Austrittsquerschnitt der Düse zu begrenzen. Die seitlichen Düsenbegrenzungen sind von vier paarweise gegenüberliegenden Seitenwänden gebildet, wobei sich ein Seitenwandpaar 34 über die Breite W der Düse und das zweite Seitenwandpaar 36 über die Düsentiefe D erstreckt. Der Körper 40 besteht aus vier Platten 42, 44, 46 und 48, die in zwei Seitenplattenpaare 50 und 52 aufgeteilt sind, die gegeneinander schwenkbar sind, um ein parallelogrammförmiges Hindernis im Austritt der Düsen 14 und 16 zu bilden. Drehgelenke 54 und 56, welche den Platten jedes Seitenplattenpaares 50 und 52 gemeinsam sind, verlaufen längs zwischen dem ersten Seitenwandpaar 34 parallel zueinander und zwar in der Austrittsebene P. Die beiden anderen Drehgelenke 58 und 60 verlaufen zu den einen Drehgelenken 54 und 56 parallel und verbinden die Plattenpaare miteinander. Ein Betätigungsmechanismus 62 in Form von zwei Kugelumlaufspindeln 64 und 66 macht die Transversalbewegung des Körpers in der Auslaßebene P über die Breite W der Düse möglich, wobei die Aufteilung des Austrittsquerschnitts A verändert und der Körper 40 vergrößert wird, wobei die Größe des Austrittsquerschnitts A verkleinert wird. Die Kugelumlaufspindeln 64 und 66 sind an jeweils gegenüberliegenden Seiten der Düse 40 angeordnet und verlaufen am Austritt 38 der Düse angrenzend axial entlang der einen bzw. anderen Wand des ersten Seitenwandpaares 34. Jede Kugelumlaufspindel 64 und 66 besteht aus einer zentralen Welle 68, einer Laufbuchse 70 und einer Bewegungsvorrichtung 72 die so angeordnet ist, daß sie die jeweilige Welle 68 in eine Drehbewegung versetzt. Die Laufbuchse 70 der ersten Kugelumlaufspindel 64 ist mit dem ersten Plattenpaar 50 neben deren gemeinsame, Drehgelenk 54 verbunden und die Laufbuchse 70 der zweiten Kugelumlaufspindel ist auf die gleiche Weise mit dem zweiten Plattenpaar 52 verbunden. Die Laufbuchsen 70 können mit den jeweiligen Plattenpaaren auf der gleichen Düsenseite oder auf gegenüberliegenden Seiten der Düse verbunden sein, wie es in den 3 und 4 dargestellt ist.Referring to the 3 and 4 points each nozzle 14 and 16 a channel 32 with approximately rectangular cross-sectional shape, wherein the side walls 34 and 36 an exhibition 38 defining an outlet plane P and a body disposed in the nozzle 40 which, by the issuing 38 protrudes from the nozzle to limit the exit cross section of the nozzle. The lateral nozzle boundaries are formed by four paired opposite side walls, with a side wall pair 34 across the width W of the nozzle and the second side wall pair 36 extends over the nozzle depth D. The body 40 consists of four plates 42 . 44 . 46 and 48 placed in two side plate pairs 50 and 52 are split, which are pivotable against each other to a parallelogram-shaped obstacle in the exit of the nozzles 14 and 16 to build. swivel joints 54 and 56 which are the plates of each pair of side plates 50 and 52 are common, run longitudinally between the first pair of side walls 34 parallel to each other and in the exit plane P. The other two hinges 58 and 60 run to the one swivel joints 54 and 56 parallel and connect the plate pairs together. An actuating mechanism 62 in the form of two ball screws 64 and 66 makes the transverse movement of the body possible in the outlet plane P across the width W of the nozzle, the distribution of the outlet cross-section A changing and the body 40 is increased, wherein the size of the outlet cross section A is reduced. The ball screws 64 and 66 are on opposite sides of the nozzle 40 arranged and run at the exit 38 the nozzle adjacent axially along one or the other wall of the first side wall pair 34 , Each ball screw 64 and 66 consists of a central shaft 68 , a liner 70 and a movement device 72 which is arranged so that they the respective shaft 68 put in a rotary motion. The bush 70 the first ball screw 64 is with the first plate pair 50 next to their joint, swivel joint 54 connected and the liner 70 the second ball screw is in the same way with the second plate pair 52 connected. The liners 70 can be connected to the respective plate pairs on the same nozzle side or on opposite sides of the nozzle, as shown in the 3 and 4 is shown.

Die Funktion der Kugelumlaufspindeln ist hinlänglich bekannt und wird deshalb nicht detalliert beschrieben. Durch die Drehbewegung der Welle 68 bewegt sich die Laufbuchse entlang der Welle 68, es wird also Drehbewegung in Längsbewegung umgewandelt. Die zur Drehung der Wellen angeordneten Bewegungsvorrichtungen 72 sind umschaltbar, wodurch die Laufbuchsen 70 wahlweise in beiden Richtungen auf der Welle wandern können. Es können selbstverständlich auch alternative Betätigungsvorrichtungen, wie z. B. Hydraulik- oder Pneumatikzylinder verwendet werden, die alle hinlänglich bekannt und für ähnlich Anwendungen genutzt werden.The function of the ball screws is well known and is therefore not described in detail. By the rotational movement of the shaft 68 the bushing moves along the shaft 68 , so it is converted rotary motion in longitudinal motion. The movement devices arranged to rotate the shafts 72 are switchable, reducing the liners 70 can either wander in both directions on the wave. Of course, alternative actuators, such. As hydraulic or pneumatic cylinders are used, all of which are well known and used for similar applications.

Während des Betriebs kann der Austrittsquerschnitt der Düse durch Vergrößern oder Verkleinern der Breite W_P des Körpers verändert werden. Die Breite des Körpers wird dadurch vergrößert, daß die Wellen 68 jeder Kugelumlaufspindel 64 und 66 so gedreht werden, daß sich die Laufbuchsen 70 in Richtung der Pfeile I₁ und I₂ voneinander wegbewegen. Dadurch werden das stromaufliegende Ende 58 und das stromabliegende Ende 60 zueinander hingezogen und die beiden Seiten auseinandergezogen, wobei sich der Austrittsquerschnitt A verringert. Eine entgegengesetzte Bewegung der beiden Laufbuchsen in Richtung der Pfeile D₁ und D₂ vermindert die Breite W des Körpers 40 und vergrößert somit den Austrittsquerschnitt A.During operation, the exit area of the nozzle can be changed by increasing or decreasing the width W _{P of} the body. The width of the body is increased by the fact that the waves 68 each ball screw 64 and 66 be turned so that the liners 70 in the direction of the arrows I ₁ and I ₂ move away from each other. This will be the upstream end 58 and the downstream end 60 attracted to each other and pulled apart the two sides, with the outlet cross-section A decreases. An opposite movement of the two liners in the direction of the arrows D ₁ and D ₂ reduces the width W of the body 40 and thus increases the outlet cross-section A.

Um die Verteilung des Austrittsquerschnitts über der Düse zu verändern, ist es notwendig, den Körper 40 transversal in der Austrittsebene zu bewegen. Eine Transversalbewegung des Körpers kann dadurch erreicht werden, daß die Kugelumlaufspindeln 64 und 66 so betätigt werden, daß sich die jeweiligen Laufbuchsen gleichzeitig in die gleiche Richtung bewegen und sich dabei der Körper 40 seitlich über die Düse entweder in Richtung des Pfeiles D₁ oder I₁ bewegt.In order to change the distribution of the outlet cross section above the nozzle, it is necessary to use the body 40 move transversally in the exit plane. A transverse movement of the body can be achieved in that the ball screws 64 and 66 be operated so that the respective liners move simultaneously in the same direction and thereby the body 40 moved laterally over the nozzle either in the direction of arrow D ₁ or I ₁ .

Die vordere Düse 14 ist so befestigt, daß sie immer nach unten zielt, wobei die hintere Düse 16 in bekannter Weise um einen Punkt P zwischen zwei Stellungen schwenkbar ist. In der ersten Stellung ist die Düse nach hinten und in der zweiten Stellung nach unten gerichtet, wie in 2 dargestellt. Wenn der Strahl nach unten austritt, bewirkt eine leichte Bewegung des Körpers 40 einen unterschiedlichen Schub der beiden Düsen 14 und 16 und somit rollt das Flugzeug auf die Seite mit dem geringeren Schub. Diese Art der Rollsteuerung macht die Notwendigkeit von teuren und komplizierten Rollsteuerdüsen an den Flugzeugflügelenden überflüssig.The front nozzle 14 is fixed so that it always aims downward, with the rear nozzle 16 in a known manner is pivotable about a point P between two positions. In the first position, the nozzle is directed to the rear and in the second position downwards, as in 2 shown. When the jet exits down, it causes a slight movement of the body 40 a different thrust of the two nozzles 14 and 16 and thus the aircraft rolls to the side with the lower thrust. This type of roll control eliminates the need for expensive and complicated roll control nozzles on the aircraft wing tips.

Eine Anstellwinkelsteuerung beim Schweben und Vorwärtsflug mit niedriger Geschwindigkeit kann dadurch erreicht werden, daß der Austrittsquerschnitt der beiden Düsen 14 und 16 verändert wird, und dabei vorne und hinten unterschiedliche Schubverteilung zu erzeugen, wodurch die Flugzeugnase angehoben wird oder sich senkt.A pitch control during levitation and low speed forward flight can be achieved by having the exit section of the two nozzles 14 and 16 is changed, and thereby generate different thrust distribution front and rear, whereby the aircraft nose is raised or lowered.

Die Düse 14 kann selbstverständlich auch in einem konventionellen (nicht senkrechtstartfähigen) Flugzeug verwendet werden, wo sie so eingebaut werden würde, daß sie immer nach hinten gerichtet ist.The nozzle 14 Of course, it can also be used in a conventional (not vertically launchable) aircraft, where it would be installed so that it is always directed backwards.

Beim Einbau der Düse in ein konventionelles Flugzeug, wie oben beschrieben, kann die Düse so angeordnet werden, daß sich der Körper anstatt horizontal etwa vertikal bewegt. Eine vertikale Bewegung des Körpers erzeugt beim Vorwärtsflug einen gewissen Grad an Anstellwinkelsteuerung.When installing the nozzle in a conventional aircraft, as described above, the nozzle can be arranged so that the body moves approximately vertically rather than horizontally. A vertical movement of the body produces a certain in the forward flight sen degree of pitch control.

Claims

Nozzle for a gas turbine engine ( 12 ), with a nozzle channel ( 32 ) whose side walls ( 34 . 36 ) which has a nozzle outlet ( 38 ), characterized in that a central body arranged in the nozzle and projecting beyond the delivery ( 40 ) together with the side walls ( 34 . 36 ) limits the outlet cross-section of the nozzle and this central body ( 40 ) is transversely displaceable in the outlet cross-sectional plane in order to change the distribution of the outlet cross-section, and which is also changeable in its width or thickness in order to change the outlet cross section of the nozzle in size can.

Nozzle according to claim 1, characterized in that the channel ( 32 ) has an approximately rectangular cross-section bounded by a first and a second pair of respective opposite side walls, and that the central body ( 40 ) between the first, in the direction of the nozzle width apart side wall pair ( 34 ) and the channel ( 32 ) branches.

Nozzle according to claim 2, characterized in that the central body ( 40 ) four plates ( 42 . 44 . 46 . 48 ), which are mutually pivotable and form a parallelogram-shaped flow obstacle in the outlet of the nozzle.

Nozzle according to claim 3, characterized in that the four plates ( 42 . 44 . 46 . 48 ) in two pairs ( 50 . 52 ) are arranged, and that for connection, the plates of each pair by pivot joints ( 54 . 56 ) are connected in the outlet cross-sectional plane parallel to each other between the first side wall pair ( 34 ) longitudinally.

Nozzle according to claim 4, characterized in that for transverse movement and expansion movement of the central body ( 40 ) two ball screw transmissions ( 64 . 66 ) are provided, each having a control shaft ( 68 ), a liner ( 70 ) and a drive device ( 72 ), for rotating the shaft, and that the bushing ( 70 ) of a ball screw ( 64 ) with the first plate pair ( 50 ) to the common swivel joint ( 54 ) is connected adjacent and the liner ( 70 ) of the other ball screw ( 66 ) with the second plate pair ( 52 ) at their joint pivot ( 56 ) is connected adjacent.

Nozzle according to claim 5, characterized in that the bushing ( 70 ) of a ball screw ( 64 ) and the liner ( 70 ) of the other ball screw ( 66 ) with the respective plate pairs ( 50 . 52 ) are joined together on opposite sides of the nozzle.

Nozzle according to Claim 5 or 6, characterized in that the drive devices ( 72 ) of the ball screw ( 64 . 66 ) are selectively operable so that their liners both move in the same direction so that the common pivot connections of each pair of plates are simultaneously moved in the same direction or their liners move away from each other so that the common pivot joints of each pair of plates are moved away from each other ,

Nozzle according to one of claims 5 to 7, characterized in that each ball screw ( 64 . 66 ) along a side wall of the first side wall pair ( 34 ) and transverse to the engine axis.