DE4024016C2 - Abgasdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Abgasdüse ist aus der US-A-46 90 329 bekannt.

Die Manövrierbarkeit von modernen Hochleistungs-Turbostrahl­ flugzeugen wird in signifikanter Weise dadurch verbessert, daß das Leistungsvermögen der Triebwerksabgasdüse über ihre übliche Strahlbeschleunigungsfunktion hinaus erweitert wird, um ein Strahlablenkungsvermögen aufzuweisen. Die Strahlablenkung in der Triebwerksabgasdüse kann schnellere Flugzeugmanöver bei klei­ neren Fluggeschwindigkeiten erzeugen, als diese durch übliche Steuerflächen erzielt werden können. Zusätzlich kann ein Schub­ umkehrvermögen der Abgasdüse ermöglichen, daß ein Flugzeug beim Landen schnell abbremst, um dadurch die Landestrecke zu verkür­ zen, damit auch ein Betrieb auf kurzen Landefeldern möglich ist.

Abgasdüsen, die diese zusätzlichen Funktionen ausführen können, sind als Multifunktions-Abgasdüsen bekannt. Ein typisches Bei­ spiel einer konventionellen Multifunktions-Abgasdüse ist sche­ matisch in den Fig. 3 bis 8 dargestellt. Die Abgasdüsen des in Fig. 3 gezeigten Typs, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, werden häufig zweidimensionale (2D) Düsen genannt. Diese Düsen werden für multifunktionale Anwendungen bevorzugt, denn im Gegensatz zu einen runden Quer­ schnitt aufweisenden achssymmetrischen Düsen können die ange­ lenkten Klappen unterschiedlich betätigt werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, um dadurch das Abgas für schnelle Stei­ gungsmanöver des Flugzeugs abzulenken.

Abgasdüsen für Triebwerke mit einem verstärkten Schub beruhen auf dem Schwenken oder Drehen von angelenkten Klappen, um die Querschnittsfläche der Düse nach Erfordernis selektiv zu variieren. Die 2D-Düsen enthalten vier breite, im wesentlichen ebene Oberflächen, die durch zwei oder mehrere bewegbare Klap­ pen und zwei feststehende Seitenwände gebildet werden, im Vergleich zu zwölf oder mehr schmalen Klappen, die bei konven­ tionellen achssymmetrischen Düsen Verwendung finden. Auch wenn die Gesamtfläche der Klappen ähnlich ist für jeden Düsentyp, so haben doch 2D-Düsen die Tendenz, mehr als achssymmetrische Düsen zu wiegen.

Während normaler Reiseflugzustände sind die Klappen symme­ trisch orientiert, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Anders als bei achssymmetrischen Düsen können die Klappen, die zwischen den zwei feststehenden Seitenwänden arbeiten, geschlossen sein, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Dies versperrt die Abgas­ strömung, so daß das Gas durch Hilfsabgasdüsen ausgestoßen wird, die stromaufwärts gerichtet sind, um umgekehr­ ten Schub zu erzeugen.

Auch wenn die Leistungsvorteile von 2D-Düsen signifikant sind, haben 2D-Düsen beständig mehr gewogen als konventionelle achs­ symmetrische Düsen. Aufgrund dieses natürlichen Gewichtsnach­ teiles ist das volle Leistungspotential von 2D-Düsen bisher nicht realisiert worden. Eine Verkleinerung der Gewichtsdiffe­ renz zwischen achssymmetrischen (kreisförmiger Querschnitt) und 2D-Düsen ist deshalb höchst erwünscht für einen verbesserten Flugzeugantriebsaufbau.

Ein Hauptfaktor in dem übermäßigen Gewicht von einer 2D-Düse gegenüber einer achssymmetrischen Düse ist das Gewicht des Übergangsgehäuses der 2D-Düse. Das Übergangsgehäuse, das an seinem stromaufwärtigen Ende einen kreisförmigen Querschnitt hat, geht gleichförmig in einen rechtwinkligen bzw. rechteckigen Querschnitt an seinem stromabwärtigen Ende über. Im Lichte dieser Änderung in der Strömungsbahn­ konfiguration sind Abschnitte des Übergangsabschnittes einer 2D-Düse im allgemeinen nicht-kreisförmig und somit kann der in­ ternen Gasdruckbelastung nicht mit einer einfachen, effizienten Zugbelastung entgegengewirkt werden, wie dies ein achssymmetri­ sches Düsengehäuse kann.

Im Gegensatz zu einem rechteckigen Gehäuse kann ein zylindri­ sches Gehäuse, wie es bei einer achssymmetrischen Düse Verwen­ dung findet, eine sehr leichte Konstruktion haben mit wenigen, falls überhaupt, Rippen aufgrund einer unkomplizierten symmetri­ schen Lastverteilung. Das Übergangsgehäuse von einer 2D-Düse er­ fordert im Vergleich dazu zahlreiche Rippen, die eine relativ dickere Kanalhaut stützen, die erforderlich ist, um den Platten- Biegemomenten entgegenzuwirken, die aus der nicht-kreisförmigen Gehäusekontur resultieren. Der Unterschied in der strukturellen Handhabung von internen Druckkräften, d. h. einfacher Ringzug im Falle eines zylindrischen Gehäuses im Vergleich zu einer Bie­ gebelastung in einem 2D-Übergangsgehäuse, ist der Hauptgrund der großen Gewichtsdifferenz zwischen achssymmetrischen und 2D-Düsen.

Ein weiterer Nachteil von 2D-Düsen ist deren natürliche aerody­ namische Inkompatibilität mit ein einzelnes Triebwerk aufweisen­ den Flugzeuganwendungen. Obwohl der charakteristische rechteckige Querschnitt von 2D-Düsen glatt in die Konturen von einem Flugzeug mit zwei Triebwerken integriert werden kann, kann im Falle eines ein einzelnes Triebwerk aufweisenden Flugzeugs mit im allgemeinen kreisförmigen Rumpfquerschnitten die zweidimensio­ nale Düse mit ihrem rechteckigen Querschnitt nicht einfach mit den bogenförmigen Rumpfkonturen gemischt werden, um einen Körper mit kleinem Strömungswiderstand zu erzeugen. In Anbe­ tracht der Flugmanövrierbarkeit und anderen Vorteilen von 2D- Düsen besteht ein Bedarf an einem verbesserten Aufbau eines Übergangsgehäuses mit geringem Gewicht, das mit den Konturen eines Flugzeuges mit einem einzelnen Triebwerk im wesentlichen kompatibel ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Abgasdüse mit einem Übergangsgehäuse zu schaffen, das ein geringes Gewicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bekannten zweidimensionalen Düsen, die viel schwerer gewesen sind als achssymmetrische Düsen und die aufgrund des exzessiven Gewichtes von einer Anzahl von Anwen­ dungsfällen ausgeschlossen gewesen sind, die zwei­ dimensionale Abgasdüse gemäß der Erfindung mit ihrem leichten Übergangsgehäuse dieses exzessive Gewicht in signifikanter Weise senken und zur gleichen Zeit die er­ forderliche Klappenstellkraft verkleinern und die Kontur-Kompati­ bilität beim Einbau in ein Flugzeug mit einem einzigen Triebwerk verbessern kann. Dabei sind die konvergenten Klappen so geformt, daß ein Teil des kreisförmig/rechteckig Strömungsbahnüberganges in der konvergenten Düse erfolgt, wodurch die Länge des Übergangsgehäuses, die stromaufwärts der Düse erforderlich ist, verkürzt und dementsprechend das Gewicht des Übergangsgehäuses gesenkt wird. Die externe Düsen­ form geht nach stromabwärts von rund auf polygonal auf rechteckig an der Spitze der äußeren Klappe über und bildet somit eine kontinuierliche Kontur, die besonders gut angepaßt ist für In­ stallationen mit einem einzelnen Triebwerk, obwohl sie auch für Installationen mit Twin-Triebwerken vorteilhaft ist. Die für die Düsenfläche erforderliche Stellkraft und der Leistungsbe­ darf werden durch ein Ausgleichsmoment verkleinert, das aufgrund der besonders geformten Geometrie der konvergenten Klappe ent­ steht.

Das Gewicht, die Durchbiegung und die Oberflächenkonturverfor­ mung des kritischen Druckausgleichskammermantels werden vorteilhafterweise durch eine sandwichartige Plattenkonstruktion mit stabilisierenden Trägern bzw. Stützen gesteuert. Die Leckage der Druckausgleichs­ kammer kann durch eine Dichtung gesteuert werden, die einen großen Ausschlag er­ möglicht und auf der Welle der konvergenten Klappe angebracht ist, um an der Oberfläche des Druckausgleichskammer­ mantels anzugreifen. Die einen großen Ausschlag ermöglichende Dichtung paßt sich an Mantelauslenkungen an und ist bevorzugt aus einem Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellt für eine geringe Reibung, eine lange Lebensdauer, ein kleines Gewicht und ein gutes Formanpassungsvermögen.

Die hohlen Wellen der konvergenten Klappen dienen als Kühlmit­ telkammern, um den konvergenten und divergenten Klappen in allen Düsenklappenstellungen Kühlmittel zuzuführen.

Die Erfindung wird nun an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt von einer kurzen zweidimensionalen Abgasdüse gemäß einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Überlagerung von Schnitten B-B und C-C in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung von einer zweidimen­ sionalen Multifunktions-Abgasdüse gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von einer bekannten zweidimensionalen Abgasdüse, die unterschiedlich betä­ tigt wird, um Abgase nach unten abzulenken.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der zweidimensionalen Abgasdüse gemäß Fig. 4, die in die Stellung für einen Reiseflugbetrieb gebracht ist.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der zweidimensionalen Düse gemäß Fig. 4, die so eingestellt ist, daß eine Schubumkehr erzeugt wird, indem die Strömung durch Hilfsabgasdüsen abgeleitet wird.

Fig. 7 ist ein schematischer Längsschnitt von einer bekannten zweidimensionalen Abgasdüse.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Überlagerung von Schnitten A-A und B-B in Fig. 7.

Fig. 9, 10 und 11 sind schematische axiale Schnitte und zei­ gen die Bewegung der Abgasdüsenklappe gemäß der Erfin­ dung, wobei Fig. 9 eine Stellung für maximalen Schub, Fig. 10 eine Stellung für normalen Reiseflug und Fig. 11 eine Stellung zur Strömungsablenkung für eine Schub­ umkehr oder einen Strahlhubbetrieb zeigen.

Fig. 12 ist ein schematischer Axialschnitt der flächenvariab­ len zweidimensionalen Abgasdüse gemäß der Erfindung und zeigt die Klappenstellglieder und die Verbindungsglie­ der, die die Stellglieder mit den Klappen verbinden.

Fig. 13 ist eine perspektivische Darstellung von einer glatt geformten zweidimensionalen Abgasdüse gemäß der Erfin­ dung.

Fig. 14 ist eine perspektivische Darstellung von einer von zwei konvergenten Klappen, die in die Düse gemäß der Erfindung eingebaut sind.

Fig. 15 und 16 sind axiale Schnitte einer zweidimensionalen Abgasdüse gemäß der Erfindung und zeigt die Verbindung der Klappen und ferner Einzelheiten der Leckagesteuer­ dichtung und des Dichtungsmantels.

Fig. 17 ist eine Detaildarstellung der Leckagesteuerdichtung.

Fig. 18 ist eine schematische Darstellung von einer ebenen konvergenten Klappe einer bekannten Abgasdüse.

Fig. 19 ist eine graphische Darstellung der Druckbelastungs­ fläche der bekannten langen, ebenen, konvergenten Klappe gemäß Fig. 18.

Fig. 20 ist eine schematische Darstellung der geformten kon­ vergenten Klappe gemäß der Erfindung, die in einer of­ fenen und einer geschlossenen Stellung gezeigt ist, analog den in Fig. 18 gezeigten Stellungen.

Fig. 21 ist eine graphische Darstellung der Druckbelastungs­ fläche der kurzen, geformten, konvergenten Klappe ge­ mäß Fig. 20 und zeigt ferner eine Druckausgleichs­ fläche, die das Luftbelastungsmoment verkleinert.

Fig. 22 ist eine perspektivische Darstellung von einer bekann­ ten zweidimensionalen Düse eines einzigen Triebwerks.

Fig. 23 ist eine perspektivische Darstellung von einer erfin­ dungsgemäßen zweidimensionalen Düse von einem einzelnen Triebwerk.

Fig. 24 ist ein schematischer Axialschnitt und zeigt ein Ab­ gasdüsenklappenkühlsystem gemäß der Erfindung nach einem Schnitt durch die Linie E-E in Fig. 25.

Fig. 25 zeigt einen Schnitt entlang der Linie D-D in Fig. 24.

Bekannte zweidimensionale Abgasdüsen basieren auf einer Strö­ mungsbahngestaltung, wie sie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Die schematische Strömungsbahngestaltung ist auf eine Mit­ tellinie 18 bezogen, wobei der Einfachheit halber nur die obere Hälfte der symmetrischen Strömungsbahn gezeigt ist. Konvergente Klappen 20 und divergente Klappen 22 sind als ebene planare Teile ausgebildet.

Der konvergente Strömungsbahnquerschnitt 23 an der Linie A-A in Fig. 7 an dem Gelenk 24 der konvergenten Klappe ist rechteckig bzw. rechtwink­ lig, während der Schnitt 25 durch die Linie B-B des Abgasge­ häuses 32 kreisförmig ist. Wie aus der Überlagerung dieser Strömungsbahnschnitte in Fig. 8 ersichtlich ist, besteht eine beträchtliche geometrische Fehlanpassung zwischen den recht­ winkligen und zylindrischen Strömungsbahnquerschnitten 23, 25.

Diese Fehlanpassung erfordert die Zwischenfügung eines Über­ gangskanals 26 ausreichender Länge L zwischen den Schnitten A-A und B-B, um eine interne Strömungsbahngeometrie zu gestat­ ten, die kontinuierlich ist und Änderungen im Strömungswinkel auf genügend graduelle Werte begrenzt, um sicherzustellen, daß eine Strömungsablösung von den Düsenwänden und infolgedessen eine Turbulenz nicht auftritt. Eine derartige Ablösung und Tur­ bulenz sind nicht akzeptabel, da sie den Wirkungsgrad der Düse verkleinern und die Wirksamkeit der Filmkühlung zerstören wür­ den, von denen die Metallwände abhängig sind für einen Schutz vor den dort strömenden heißen Abgasen.

Wie bereits ausgeführt wurde, muß ein derartiges langes Über­ gangsgehäuse aufgrund seiner Biegelast, die keine Ringspannung hervorruft, aus dickerem Material aufgebaut sein, das gut mit Rippen verstärkt ist, um die unter Druck stehenden Abgase auf­ zunehmen. Diese strukturelle Verstärkung ist eine Hauptquelle des Gewichtsproblems, das bei bekannten zweidimensionalen Düsen auftritt.

Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die obere Hälfte von dem Aufbau der Strömungsbahn eines Übergangsgehäuses für einen rechtwinkligen bzw. rechteckigen Abschnitt einer 2D-Düse, der ein übermäßiges Ge­ wicht des Übergangshäuses eliminiert. Es sei darauf hingewiesen, daß der Begriff "2D", wie er hier verwendet wird, und auch der Begriff "rechtwinklig" bzw. "rechteckig" nahezu rechtwinklig (rechteckig) oder im wesentlichen rechtwinklig (rechteckig) bedeuten soll und daß eine 2D-Düse eine im wesent­ lichen zweidimentsionale Strömung erzeugen soll, die aber nicht notwendigerweise eine hundertprozentige zweidimensionale Strö­ mung ist. Ein den Fig. 1 und 2 ähnlicher Strömungsbahnaufbau ist auf der unteren Hälfte der Strömungsbahn (nicht gezeigt) vorgesehen.

Ein Vergleich des bekannten Strömungsbahnaufbaues gemäß Fig. 7 mit dem verbesserten Strömungsaufbau gemäß Fig. 1 macht deut­ lich, daß bei dem erfindungsgemäßen Aufbau die etwa gleiche axiale Übergangslänge L verwendet wird wie bei bekannten Ge­ staltungen für eine ungestörte interne Strömung. Eine gegebene Übergangslänge L ist erforderlich, um für eine ausreichende Zeit für den Brennstoff zu sorgen, vor seinem Austritt aus der Düse angemessen verbrannt zu werden.

Obwohl die Gesamtlänge der Abgasdüsen gemäß den Fig. 7 und 1 im wesentlichen die gleiche ist, so kann die axiale Länge des Übergangsgehäuses gemäß Fig. 1 verkürzt werden im Vergleich zu Fig. 7, und es kann ein viel leichteres und viel billigeres Material stromabwärts von dem eine kurze Länge aufweisenden Übergangsgehäuse verwendet werden, um so das Gesamtgewicht der Düse zu senken, während eine äquivalente Düsenlänge ausgebildet wird. Das heißt, der kurze fixierte Abschnitt des Übergangsge­ häuses 30 ist aus einem relativ dicken Material gebildet, um für die notwendige Verstärkung und Festigkeit zu sorgen, damit es den Kräften des Abgases standhalten kann. Dagegen kann das Mate­ rial der konvergenten Klappen 20 und des Düsengehäuses und der Wände neben und stromabwärts von den konvergenten Klappen ein Material mit kleinem Gewicht sein anstelle des schweren Mate­ rials von bekannten Übergangsgehäusen.

Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Aufbaues ist das Ende des internen Strömungsbahnübergangs an dem Düsenhals 28 statt an dem Gelenk 24 der konvergenten Klappe. Der Übergang in Fig. 1 erfolgt teilweise in der konturierten konvergenten Düsenklappe 20 und teilweise über einem viel kürzeren verstärk­ ten Abschnitt des ein kleineres Gewicht aufweisenden Über­ gangsgehäuses 30, das an dem zylindrischen Abgasgehäuse 32 des Triebwerks befestigt ist. Das Übergangsgehäuse 30 hat einen kreisförmigen Querschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende neben dem zylindrischen Abgasgehäuse 32 und einen nicht-rechtwinkligen, polygonalen Querschnitt an seinem stromabwärtigen Ende neben der kon­ vergenten Klappe 20.

Dieser modifizierte Übergang wird dadurch erhalten, daß die konvergente Klappe 20 und ihre Stützwelle 34 so geformt sind, wie es in den Fig. 1, 2 und 9 bis 16 gezeigt ist. Der stromaufwärtige Teil der konvergenten Klappe 20 bildet zusammen mit Seitenwänden 12 und einer unteren Welle (nicht gezeigt) der konvergenten Klappe 20 einen nicht-rechteckigen polygonalen Strömungsbahnquer­ schnitt neben dem stromabwärtigen Teil des Übergangsgehäuses 30. Die Schnitte durch das stromabwärtige Ende des Übergangsgehäuses 30 und den stromaufwärtigen Teil der konvergenten Klappe 20 sind eng angepaßt, um einen im wesentlichen kontinuierlichen Strömungsbahnübergang auszubilden. Dieser Aufbau sorgt für eine Integration des Über­ gangsschnittes der Düse mit ihrem konvergenten Abschnitt durch die Verwendung einer zwei Funktionen ausübenden konvergenten Klappe, die zum Teil als ein Übergangsgehäuseteil dient.

Aus den Fig. 8, 2 und 14 ist ersichtlich, daß die Klappen­ welle 34, die in ihrer Funktion dem Klappengelenk 24 analog ist, nicht gerade ist wie das Klappengelenk 24, sondern sie ist nicht-linear mit einem Mittelabschnitt, der als ein Bogen aus­ geführt ist. Diese bogenförmige Kontur der Klappenwelle 34 und die entsprechende Kontur der konvergenten Klepp 20 sorgen für eine Strömungsbahnkontur 27 an der Linie C-C in Fig. 1, die besser an die zylindrische Kanalform an dem Schnitt B-B des Triebwerksabgasgehäuses 32 angepaßt ist. Diese verbesserte Strö­ mungsbahnanpassung der Schnitte C-C und B-B gegenüber den Schnitten A-A und B-B, wie es am besten aus einem Vergleich der Fig. 8 und 2 hervorgeht, gestattet ihrerseits die Verwendung eines axial kürzeren Übergangsgehäuses mit einem kleinen Gewicht.

Fig. 9 bis 11 zeigen die Bewegung der oberen Düsenklappen, wenn die obere konvergente Klappe 20 um ihre Achse 36 während des Multifunktionsbetriebs gedreht wird. Der untere Rand 33 der konvergenten Klappe 20 und auch der Mittelabschnitt 35 der kon­ vergenten Klappe 20 haben ein unterschiedliches Profil in den drei getrennten Stellungen, die in den Fig. 9, 10 und 11 ge­ zeigt sind. Weiterhin sind in diesen Figuren die entsprechenden Stellungen der divergenten Klappe 22 und der äußeren Klappe 38 gezeigt.

In Fig. 9 ist die Düse weit geöffnet für einen maximalen Schub, während Fig. 10 die Stellung der Düse während des nor­ malen Reiseflugs darstellt, und Fig. 11 zeigt die Düse in ihrer Strömungsablenkungsposition für eine Schubumkehr oder ei­ nen Strahlhubbetrieb. Die Relativbewegungen der konvergenten Klappe 20, der divergenten Klappe 22 und der äußeren Klappe 38 werden durch eine Gelenkeinrichtung koordiniert, die nachfolgend beschrieben wird. Eine vereinfachte Darstellung dieser Gelenk­ einrichtung ist aus den Fig. 9 bis 11 ersichtlich, wobei die divergente Klappe 22 die Bewegung zwischen der konvergenten Klappe 20 und der äußeren Klappe 38 über eine Drehverbindung 37 und eine Gleitstiftverbindung 41 koordiniert.

Fig. 12 zeigt Einzelheiten der Düsenklappen-Stellmechanismen. Ein Stellglied 40 für die konvergente Düsenklappe ist mit einem konvergenten Düsengelenk 42 verbunden, und ein Stellglied 44 für die divergente Düsenklappe ist mit einem divergenten Düsen­ gelenk 46 verbunden. Das Stellglied 40 kann die Form eines Hy­ draulikkolbens mit einer Welle 45 haben, die mit Drehverbindun­ gen 47 und 49 des Düsengelenks 43 verbunden ist.

Ein Verbindungsglied 49 ist drehbar mit einem Klappendreharm 51 verbunden, während ein Verbindungsglied 47 in ähnlicher Weise mit einem entsprechenden Klappenhebelarm auf der unteren konver­ genten Klappe 20 (nicht gezeigt) verbunden ist. Das Stellglied 44 der divergenten Klappe kann ebenfalls die Form eines Hydrau­ likkolbens mit einer Welle 39 haben, die mit dem einen Ende der Drehverbindung 53 verbunden ist. Das andere Ende des Drehgelenks 53 ist mit dem Dreharm 55 drehbar verbunden, der an der Seiten­ wand 12 angebracht ist.

Die relative Lage und Anordnung der konturierten konvergenten Klappe 20 in bezug auf die gesamte Düsenkonfiguration ist in Fig. 13 gezeigt. Die konvergente Klappe 20 ist weiterhin mit ihrer Welle 34 in Fig. 14 für eine größere Klarheit in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die schaufelförmige, drei­ seitige konvergente Klappe 20 ist fest mit der Welle 34 so ver­ bunden, daß ein äußerer Klappenabschnitt 20a sich von der Schwenkachse 36 der Klappenwelle radial nach außen erstreckt und ein innerer Klappenabschnitt 20b sich von der Klappenwel­ lenachse radial nach innen erstreckt. Ein Richtungspfeil 61 gibt die Richtung an, in der durch das Stellglied 40 eine Stellkraft ausgeübt wird.

Fig. 15 und 16 zeigen auf entsprechende Weise die Düse in ihrer Strömungsablenkungsposition und in ihrer den maximalen Schub entwickelnden Position. Diese Positionen sind die extre­ men Stellungen der Klappenbewegung. Die Koordination der Bewe­ gung zwischen der konvergenten Klappe 20, der divergenten Klap­ pe 22 und der äußeren Klappe 38 wird am besten aus einem Ver­ gleich der Fig. 15 und 16 deutlich. Wenn das Stellglied 44 der divergenten Klappe (siehe Fig. 12) den Schwenkarm 55 über die Schwenkverbindung 53 dreht, bewirkt ein zweiter Schwenkarm 57, der mit einem Schlitz 63 in der divergenten Klappe 22 über die Gleitstiftverbindung 59 verbunden ist, daß sich die diver­ gente Klappe um die Schwenkverbindung 37 dreht.

Eine Leckage-Steuerungsdichtung 48 des Klappengelenkes ist an der Welle 34 befestigt und greift an einem Dichtungsmantel 50 an, der an die Form der Welle 34 angepaßt ist, um für eine effektive Dichtung gegen einen Verlust an Antriebsgas zu sorgen. Aufgrund der hohen Druckbelastung auf dem Dichtungsmantel 50 und der Wichtigkeit einer glatten inneren Oberfläche für einen innigen Dichtungseingriff hat der Mantel eine sandwichartige Plattenkonstruktion, wie es aus Fig. 17 ersichtlich ist, und ist an seinen stromab- und stromaufwärtigen Kanten durch Stützträger 54 bzw. 56 gehaltert. Die Stützträger 54, 56 sind ihrerseits an den stationären Seitenwänden 12 der Düse starr befestigt.

Der Mantel 50 und auch die Stützen 54 und 56 überspannen die volle Breite der Düse, die in einem typischen Triebwerk 75 cm oder mehr betragen kann. Die elastische Auslenkung dieser Teile unter einer Druckbelastung kann etwa 6-12 mm betragen.

Um diese Auslenkungen aufzunehmen ist die Dichtung 48 eine Dichtung mit großer Auslenkung die den Durchbiegungen des bogenförmigen Mantels 50 folgen kann, um dadurch eine effektive Leckage-Steuerung zu gewährleisten.

Wie in Fig. 17 gezeigt ist, ist die Dichtung 48 durch einen Dichtungshalter 58 geführt und durch eine Blattfeder 60 vorbe­ lastet und nach außen vorgespannt. Die Dichtung 48 hat eine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundkonstruktion. Dieses Verbundmate­ rial sorgt für eine einzigartige Kombination von geringer Rei­ bung, langer Abnutzungsdauer, geringem Gewicht und guter An­ passungsfähigkeit.

Die geformte Welle 34 mit dem passenden Dichtungsmantel 50 sorgt für einen zusätzlichen Vorteil in bezug auf ein vermindertes Dü­ senklappen-Luftlastmoment, das direkt zu einer verminderten Stellkraft führt, die von dem Stellglied 44 (siehe Fig. 12) der konvergenten Klappe aufgebracht werden muß. Diese Verkleinerung der Stellkraft ist schematisch in den Fig. 18, 19, 20 und 21 gezeigt, die sowohl für die bekannte (ebene) Klappe als auch die ge­ formte Klappe gemäß der Erfindung die Wirkung auf das Luftlast­ moment und die direkt damit in Beziehung stehende Kraft zeigen, die erforderlich ist, um die Klappen für eine Düsenflächenände­ rung zu betätigen.

In den Fig. 19 und 21 stellen die schraffierten Flächen die durch Druck belasteten Flächen dar, die um die Achse 36 wirksam werden. Diese Flächen stellen die Belastungen dar, die durch die Stellglieder 40 der konvergenten Klappen überwunden werden müssen. In Fig. 21 ist die Wellenachse 36 der konvergenten Klappe näher an der Triebwerks-Mittellinie 18 angeordnet als in Fig. 19. Diese nähere Positionierung der Wellenachse 36 der konvergenten Klappe verkleinert nicht nur die belastete Fläche, sondern auch den Momentarm, woraus eine große Verkleinerung der Klappenstellkraft resultiert. Die Verkleinerung des Momentarms wird dadurch möglich, daß die Länge X der bekannten Klappe 20 in Fig. 18 auf eine kürzere Länge Y gemäß der Erfindung ver­ kürzt wird, wie es in Fig. 20 gezeigt ist.

Fig. 21 zeigt eine trapezförmige schraffierte Fläche 64, die über der Achse 36 angeordnet ist. Die Fläche 64, die eine Projek­ tion des Plattenabschnitts 20a (siehe Fig. 14) ist, hat als ihre obere Begrenzung die Dichtung 48, die an dem Dichtungsmantel 50 angreift. Das Moment, das durch das Abgas über dieser Fläche oberhalb der Achse 36 erzeugt wird, ist in der Richtung entgegen­ gesetzt zu demjenigen, das unterhalb der Achse 36 erzeugt wird, das der projizierten Fläche des Flächenabschnitts 20b entspricht. Dieser Ausgleich der Momente verkleinert das gesamte Düsenklap­ pen-Luftlastmoment.

Bei einem typischen Triebwerk verkleinert dieses Druckausgleichs­ merkmal das Luftlastmoment und somit die erforderliche Stell­ kraft auf nur etwa 37% der Kraft, die für die übliche Anordnung erforderlich ist, die in den Fig. 18 und 19 gezeigt ist. Bei­ spielsweise kann das Luftlastmoment, das durch die übliche Ge­ stalt einer ebenen Platte gemäß Fig. 18 erzeugt wird, 2750 mN erreichen, während das entsprechende Luft­ lastmoment, das durch den Aufbau gemäß Fig. 20 erzeugt wird, nur etwa 1000 mN beträgt.

Während der charakteristische rechteckigen Querschnitt von ei­ ner typischen zweidimensionalen Düse im allgemeinen glatt in die Konturen eines zwei Triebwerke aufweisenden Flugzeugs integriert werden kann, ist dies nicht der Fall bei einem Flugzeug mit ei­ nem einzelnen Triebwerk, das im allgemeinen kreisförmige Rumpf­ querschnitte hat. Fig. 22 zeigt die dabei auftretende Kontur- Inkompatabilität. Im Vergleich dazu paßt die in Fig. 23 gezeig­ te zweidimensionale Düse mit ihrer charakteristischen polygona­ lisierten Außenkontur glatter zu den Flugzeugkonturen, wie dies durch einen Vergleich der zwei Konstruktionen ohne weiteres deut­ lich wird. Diese glatte Formanpassung der Abgasdüse an den Flugzeugmantel hat einen kleineren Strömungswiderstand zur Folge und verbessert somit die Leistungsfähigkeit.

Während eines Nachbrennerbetriebs ist die Fläche der geöffneten Düse größer, wie es in den Fig. 9 und 24 gezeigt ist. In die­ ser Stellung ist die konvergente Klappe 20 gut mit der Kanalaus­ kleidung 66 ausgerichtet, so daß eine übliche Filmkühlung ange­ wendet werden kann. Diese beinhaltet eine Einspritzung von Kühl­ luft durch Schlitze in der Kanalauskleidung, um einen Luftfilm mit verminderter Temperatur auf ihrer heißen, inneren Seite aus­ zubilden und somit die Kanalauskleidung vor einer übermäßigen Erhitzung zu schützen.

Wenn die Düsenfläche geschlossen wird zu Positionen, wie bei­ spielsweise einem Reiseflug ohne Nachbrennerbetrieb (Fig. 10) und schließlich zu der Strömungsablenkungsposition (siehe Fig. 11), vergrößert sich der Kühlluftfilm-Einspritzschlitz 68, der aus Fig. 9 ersichtlich ist, zu einem großen Spalt, der sich mit einer Filmkühlung nicht mehr verträgt. Ein Nachbrennerbe­ trieb wird bei den Düsenkonfigurationen, die in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigt sind, nicht mehr benutzt und somit muß bei den mittleren Turbinenausgangstemperaturen von derzeitigen Triebwer­ ken eine Kühlung der Klappen nicht erforderlich sein, und dann sind große Spalte 68, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt sind, nicht abträglich für eine Kühlung.

Bei fortgeschrittenen Triebwerken mit extremen Turbinenausgangs­ temperaturen kann eine Kühlung bei allen Düsenstellungen erfor­ derlich sein. Wie in den Fig. 24 und 25 gezeigt ist, ist die konvergente Klappe 20 mit einer Kühlluftversorgung bei allen Klappenstellungen durch die Klappenwelle 34 versehen, die hohl ist und als eine Kühlmittelversorgungskammer dient. Das Kühl­ mittel, das durch die Richtungspfeile dargestellt ist, strömt von der hohlen Klappenwelle 34 durch eine Anordnung von Öffnun­ gen 72. Die Kühlluft wird somit über die Breite der konvergenten Klappe verteilt und strömt in einen Spalt 74 zwischen der kon­ vergenten Klappe 20 und ihrer Auskleidung 76. Das Kühlmittel tritt schließlich an dem Düsenhals 28 aus, um für eine effektive Filmkühlung der divergenten Klappe 22 zu sorgen.

Das Kühlmittel wird der Kammer der Welle 34 von dem Ringraum zu­ geführt, der durch das Übergangsgehäuse 30 und die Kanalausklei­ dung 66 gebildet ist. Zwei oder mehr Kühlmittelversorgungsleitun­ gen 80, die an dem Übergangsgehäuse 30 befestigt sind, liefern Kühlmittel an die Kammer, die sich um eine Achse 36 dreht. Somit besteht eine Gleit- bzw. Schiebebewegung zwischen den Kühlmittelversorgungsleitungen 80 und der Kammer der Welle 34. Eine Dichtung 82 mit üblichem Aufbau wird dazu verwendet, die Leckage zwischen den Kühlmittelversorgungsleitungen und der Kammer zu steuern. Zusätzlich oder alternativ kann Kühlmittel der Kammer der Welle 34 von einer Düsenseitenwandauskleidung 66 zu­ geführt werden. In diesem Fall tritt das Kühlmittel in die Kam­ mer über eine Anzahl von in engem Abstand angeordneten Öffnungen 86 ein.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Bei­ spielsweise ist die konturierte konvergente Klappe 20 als ein dreiseitiges Teil gezeigt, sie könnte aber auch mit einer kreis­ förmigen oder greiferförmigen Kontur oder irgendeiner anderen Form mit einer Geometrie versehen sein, die mit dem Dichtungsman­ tel 50 zusammenpaßt. Weiterhin können die geformten konvergenten Klappen 20 auch bei ohne Strömungsablenkung arbeitenden Düsen­ konstruktionen verwendet werden, die nicht für ein Schubumkehr­ vermögen sorgen. Wenn eine Düse keinen Schubumkehrer enthält, können die konvergenten und divergenten Abschnitte der Düse axial verkürzt sein, da die Abgasströmungsbahn nicht blockiert zu werden braucht, d. h. verkürzt auf einen Hals der Größe Null. Demzufolge erfahren diese verkürzten Abschnitte weniger Kraft und kleinere Biegemomente und können deshalb mit dünneren Quer­ schnitten und kleinerem Gewicht aufgebaut werden.

Claims (6)

1. Multifunktions-Abgasdüse mit einem eine verstellbare rechteckige Querschnittsfläche aufweisenden Düsenhals, einem Übergangsgehäuse zum Leiten von Abgasen von einem stromaufwärtigen zylindrischen Turbostrahlgehäuse zu dem stromabwärtigen Düsenhals, wobei das Übergangsgehäuse einen zylindrischen stromaufwärtigen Abschnitt, der mit dem zylindrischen Turbostrahlgehäuse verbunden ist, und zwei konvergente Klappen aufweist, die am stromabwärtigen Ende des Übergangsgehäuses jeweils um eine Klappenwelle schwenkbar angebracht sind, gekennzeichnet durch, daß
die konvergenten Klappen (20) als dreiflächige, in Strömungsrichtung angestellte Trapezoide ausgebildet sind,
die Klappenwellen (34) eine quer zur Strömungsrichtung dem Klappenquerschnitt angepaßte, einem Trapez ohne Grundlinie entsprechende Form haben, und
die Schwenkachsen (36) der Klappenwellen die Klappen (20) jeweils in einen radial inneren und einen radial äußeren Abschnitt teilen.

2. Multifunktions-Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergenten Klappen (20) schaufelförmig sind.

3. Multifunktions-Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Klappenwelle (34) zwei geformte Dichtungsmäntel (50) und eine Lecksteuerdichtung (48) zugeordnet sind zum Abdichten von Abgasen zwischen dem Übergangsgehäuse (30) und den konvergenten Klappen (20).

4. Multifunktions-Abgasdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lecksteuerdichtung (48) aus einem Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellt ist.

5. Multifunktions-Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenwellen (34) jeweils als eine rohrförmige Hohlkammer ausgebildet sind, durch die ein über die zwei konvergenten Klappen (20) zu verteilendes Kühlmittel zuführbar ist.

6. Multifunktions-Abgasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsübergang von dem zylindrischen Turbostrahl-Triebwerksgehäuse auf den im Querschnitt rechteckigen Düsenhals teilweise in dem Übergangsgehäuse (30) und teilweise innerhalb der zwei konvergenten Klappen (20) erfolgt.