DE4103517A1

DE4103517A1 - Abgasduese fuer ein flugzeug-gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE4103517A1
Application number: DE4103517A
Authority: DE
Inventors: John Bailey Taylor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1991-08-14
Also published as: FR2658247A1; ITMI910356A1; CA2034406A1; IT1245154B; ITMI910356A0; JPH0762465B2; US5140809A; JPH04219450A; GB9102859D0; GB2241744A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf verstellbare Abgasdüsen für Flugzeug-Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf ein Vefahren und eine Einrichtung zum Abbau von Leerlaufschub von derartigen Triebwerken.

Konventionelle Militär-Kampfflugzeuge werden durch hochleistungsfähige Gasturbinentriebwerke mit einem relativ großen Schub/Gewicht-Verhältnis angetrieben, um hohe Beschleunigungen für das Flugzeug zu erhalten. Das Flugzeug-Gasturbinentriebwerk enthält typisch eine verstellbare konvergente/divergente Abgasdüse mit einem konventionellen Nachbrenner oder Verstärker am stromabwärtigen Ende. Die Abgasdüse weist primäre und sekundärer Abgasklappen auf, die konvergente und divergente Kanäle bilden, durch die Verbrennunggase aus dem Triebwerk ausgestoßen werden, um Schub zu erzeugen.

Die Abgasdüse ist in konventioneller Weise im allgemeinen für zwei Betriebsarten positionierbar: einen trockenen Betriebszustand des Triebwerkes, bei dem der Nachbrenner nicht in Betrieb ist und die primären und sekundären Abgasklappen im allgemeinen in einer vollständig geschlossenen Position sind; und einen nassen oder Nachbrenner-Betriebszustand, bei dem der Nachbrenner aktiviert ist und zusätzlichen Brennstoff verbrennt, um erhöhten Schub zu liefern, wobei die primären und sekundären Klappen in einer im allgemeinen völlig geöffneten Position sind. Selbstverständlich sind die primären und sekundären Klappen der Abgasdüse auch in konventioneller Weise in Zwischenstellungen in jeder der trockenen und nassen Betriebsarten positionierbar.

Ein konventionelles Militärflugzeug kann auch ein Umgebungskontrollsystem (Enviromental Control System, ECS) enthalten, das die Extraktion von Kompressorabzapfluft bei absoluten Drucken von typischerweise wenigstens 2,8 bar (40 psia) erfordert. Weiterhin enthält das Triebwerk üblicherweise einen Generator, der eine minimale Wellendrehzahl erfordert, um akzeptable elektrische Ausgangsleistung für das Flugzeug zu liefern.

Wenn das Flugzeug in Start- und Reiseflug-Betriebsarten ist und während trockener und nasser Betriebsarten ist das Triebwerk genügend effektiv, um die erforderliche ECS- Abzapfluft und auch elektrische Leistung aus dem Generator zu erzeugen. Weiterhin ist das Triebwerk in einem üblichen Leerlauf-Betriebszustand am Boden betreibbar, wobei der Gashebel auf eine minimale Schub- und Leistungsstellung des Triebwerks zurückgestellt ist, die typisch weniger als etwa 6% des maximalen trockenen Schubs des Triebwerks beträgt. Um jedoch akzeptable Werte der ECS-Abzapfluft und akzeptable Leistung aus dem Generator zu erhalten, erfordert der Leerlauf-Betriebszustand am Boden eine Drehzahl des Kerntriebwerks, die typisch etwa 70% der maximalen Drehzahl beträgt, obwohl die konventionelle Fan- Drehzahl wesentlich kleiner ist.

Da das Triebwerk eine hohe Leistungsfähigkeit mit einem großen Schub/Gewicht-Verhältnis hat, hat diese relativ hohe Kerndrehzahl einen wesentlichen Schub aus dem Triebwerk während des Bodenleerlauf-Betriebszustand zur Folge. Dieser Schub ist typisch ausreichend, damit das Flugzeug auf dem Boden rollt, wenn keine Bremsung verwendet wird. Ein derartiges Bremsen während des Bodenleerlauf- Betriebszustandes vergrößert selbstverständlich wesentlich die Abnutzung der Bremsen, Reifen und Räder des Flugzeugs. Weiterhin ist bei eisigen Rollbahn- und Rollwegzuständen eine Bremsung durch die Räder relativ ineffektiv, um den Leerlaufschub am Boden aufzunehmen. Weiterhin werden diese Flugzeuge typisch weltweit betrieben und arbeiten bei vielfaltigen Rollbahn/Rollweg-Oberflächenzuständen einschließlich Wasser- und Eisansammlungen und mit verschiedenen Graden an Ladeplatzverstopfung durch andere Flugzeuge. Unter diesen Umständen ist ein relativ kleiner Wert an Bodenleerlaufschub wünschenswert, um sichere Lande- und Rollweggeschwindigkeiten beizubehalten.

Demzufolge können die Flugzeugbremsen, wie vorstehend beschrieben, dazu verwendet werden, den relativ großen Bodenleerlaufschub aufzunehmen, der während des Landens, des Rollwegs und beim Stehen auftritt, aber dies ist im allgemeinen unerwünscht in Anbetracht der damit verbundenen erhöhten Abnutzung. Selbstverständlich könnte der Bodenleerlauf-Betriebszustand des Triebwerkes vorgewählt sein, um relativ niedrige Kerntriebwerksdrehzahlen zu erhalten, um den Bodenleerlaufschub aus dem Triebwerk zu verkleinern. Wenn jedoch die Kerntriebwerksdrehzahl so vermindert wird, werden keine akzeptable ECS-Abzapfluft und Generatorleistung aus dem Triebwerk erhalten, wodurch ein Hilfskompressor und -generator erforderlich werden. Dies ist unerwünscht aufgrund des erhöhten Gewichtes, Kosten und Komplexität derartiger Systeme in dem Flugzeug.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, um den Bodenleerlaufschub aus einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk abzubauen bzw. zu vernichten.

Weiterhin soll eine neue und verbesserte Gasturbinentriebwerks-Abgasdüse mit variabler Strömungsquerschnittfläche geschaffen werden. Weiterhin soll eine Gasturbinentriebwerks-Abgasdüse mit primären und sekundären Abgasklappen geschaffen werden, die zum Abbauen bzw. Vernichten von Bodenleerlaufschub aus dem Triebwerk positionierbar sind. Diese Abgasdüse soll insbesondere dazu dienen, akzeptable Werte von ECS-Abzapfluft bei Bodenleerlauf-Betriebszuständen zu liefern, während Bodenleerlaufschub abgebaut bzw. vernichtet wird. Eine derartige Abgasdüse soll in trockenen und nassen Betriebszuständen arbeiten können und bei einem Bodenleerlauf-Betriebszustand betreibbar sein, bei dem der Bodenleerlaufschub aus dem Triebwerk ein vermindertes Radbremsen erfordert, um zu verhindern, daß das Flugzeug auf seinen Rädern rollt.

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Einrichtung geschaffen, um Bodenleerlaufschub von einem Flugzeug- Gasturbinentriebwerk abzubauen bzw. zu vernichten. Die Einrichtung enthält eine verstellbare Gasturbinentriebwerksabgasdüse mit primären und sekundären Abgasklappen, die verschieden positionierbar sind während trockener und verstärkter und Bodenleerlauf- Betriebszustände des Triebwerkes. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine sekundäre Abgasklappe so positioniert, daß ein Diffusor gebildet wird, um Schub von den Verbrennungsgasen bei dem Bodenleerlauf-Betriebszustand abzubauen bzw. zu vernichten und bei dem die Anhaftung der Verbrennungsgase entlang den sekundären Abgasklappen beibehalten wird.

Die Erfindung wird nunmehr mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einem Flugzeug mit zwei Turbofan-Gasturbinentriebwerken mit Abgasdüsen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematisch Darstellung von einem der Triebwerke mit einer Abgasdüse, die das in Fig. 1 dargestellte Flugzeug antreibt.

Fig. 3 ist eine Endansicht des Triebwerks entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und zeigt eine stromaufwärtige Endansicht seiner Abgasdüse.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von den Stellungen der primären und sekundären Abgasklappen der Abgasdüse des in Fig. 2 dargestellten Triebwerks während eines Bodenleerlauf-Betriebszustandes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Stellungen der primären und sekundären Abgasklappen der Abgasdüse des in Fig. 2 dargestellten Triebswerks während eines trockenen Betriebszustandes des Triebwerkes.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Stellungen der primären und sekundären Abgasklappen der in Fig. 2 dargestellten Abgasdüse während eines verstärkenden Zwischenzustandes des Triebwerks.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Stellungen der primären und sekundären Abgasklappen der Abgasdüse des in Fig. 2 dargestellten Triebwerks während eines maximal verstärkten Betriebszustandes des Triebwerks.

Fig. 8 ist eine teilweise schematische Querschnittsdarstellung der oberen Hälfte der in Fig. 2 dargestellten Abgasdüse.

Fig. 9 ist eine teilweise schematische Draufsicht auf Teile der in Fig. 8 dargestellten Abgasdüse entlang der Linie 9-9 in Fig. 8.

In Fig. 1 ist eine schematisch Darstellung von einem militärischen Kampfflugzeug 10 hoher Leistungsfähigkeit mit zwei Turbofan-Gasturbinentriebwerken 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Flugzeug 10 weist mehrere konventionelle einziehbare Räder 14 und konventionelle Bremsen 16 auf, die betriebsmäßig damit in Verbindung stehen. Die Triebwerke 12 können Verbrennungsgase 18 erzeugen, die Schub zum Antrieb des Flugzeugs 10 liefern. In Fig. 1 ist das Flugzeug gezeigt, wie es auf einem Rollweg 20 unter dem Antrieb der Verbrennungsgase 18 rollt.

In Fig. 2 ist eines der gleichen Turbofan-Triebwerke 12 dargestellt, die in Fig. 1 schematisch gezeigt sind. Das Triebwerk 12 enthält ein ringförmiges Gehäuse 22, das koaxial um eine longitutinale Mittelachse angeordnet ist. Das Triebwerk 12 enthält ferner eine konventionelle Einströmung 26 zur Aufnahme von Umgebungsluft 28 und zum Leiten der Luft 28 durch einen konventionellen Fan bzw. Bläser 30. Ein konventionelles Kerntriebwerk 32 ist unmittelbar stromabwärts von dem Fan 30 angeordnet und enthält in einer Reihenströmung einen konventionellen Verdichter 34, eine Brennkammer 36 und eine Hochdruckturbine 38. Die Hochdruckturbine 38 treibt den Verdichter 34 über eine erste Welle 40 an, die fest damit verbunden ist.

Das Triebwerk 12 weist ferner eine konventionelle Niederdruckturbine 42 auf, die stromabwärts von der Hochdruckturbine 38 angeordnet und in Strömungsverbindung mit dieser ist, um den Fan 30 über eine zweite Welle 44 anzutreiben, die sich dazwischen erstreckt. In konventioneller Weise verbunden mit der ersten Welle 40 ist ein üblicher Generator 46 zur Lieferung elektrischer Energie an das Triebwerk 12 und das Flugzeug 10. Mit dem Verdichter 34 ist in konventioneller Weise ein übliches Umgebungskontrollsystem (ECS) 48 verbunden, das Abzapfluft 50 von dem Verdichter 34 erhält.

Das Triebwerk 12 enthält ferner einen üblichen Nachbrenner oder Verstärker 52, der stromabwärts von der Niederdruckturbine 42 angeordnet ist. Der Nachbrenner 52 weist ein ringförmiges Gehäuse oder ein Stahlrohr 54 auf, das sich in üblicherweise stromabwärts von dem Gehäuse 22 erstreckt. Der Nachbrenner 52 enthält eine übliche Brennkammerauskleidung 56, die die Verbrennungsgase 18 einschließt.

Die Verbrennungsgase 18 werden aus einem Teil der Einlaßluftströmung 28 gebildet, die durch das Kerntriebwerk 32 geleitet wird, wo sie mit Brennstoff gemischt und in der Brennkammer 36 gezündet und durch die Hochdruckturbine 38 und die Niederdruckturbine 42 ausgestoßen wird. Ein weiterer Teil der Einlaßluftströmung 28 strömt an dem Kerntriebwerk 32 vorbei zum Nachbrenner 52, um die Auskleidung 56 zu kühlen. Ein Teil der Luftströmung 28 wird in üblicherweise radial innen von der Auskleidung 56 geleitet. Während eines trockenen Betriebszustandes des Triebwerkes 12 ist der Nachbrenner 52 nicht in Betrieb, und die aus der Niederdruckturbine 42 ausgestoßenen Verbrennungsgase 18 werden durch den Nachbrenner 52 geleitet, ohne daß irgendwelcher Brennstoff zugeführt wird. Während eines nassen oder verstärkenden Betriebszustandes des Triebwerkes 12 jedoch wird zusätzlicher Brennstoff in konventioneller Weise zugesetzt zu den aus der Niederdruckturbine 42 ausgestoßenen Verbrennungsgasen 18 und dem Anteil der Luftströmung 28, die an dem Kerntriebwerk 32 vorbeigeleitet und radial innen von der Auskleidung 36 kanalisiert wird, und dieser zusätzliche Brennstoff wird in üblicher Weise in dem Nachbrenner 52 entzündet, um Verbrennungsgase 18 mit zusätzlicher Energie und Geschwindigkeit zu liefern und dadurch Schub zu erzeugen, um das Triebwerk 12 und das Flugzeug 10 anzutreiben.

Das Triebwerk 12 enthält eine Abgasdüse 58 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die an einem stromabwärtigen Ende 60 des Nachbrenners 52 angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Abgasdüse 58 achssymmetrisch um die longitutinale Mittelachse 24 und weist mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete konventionelle, primäre Abgasklappen 62 und mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete, konventionelle, sekundäre Abgasklappen 64, die sich stromabwärts davon erstrecken. Mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete konventionelle Verkleidungen 66 verbinden die sekundären Klappen 64 mit dem Gehäuse 54.

Firgur 3 stellt eine stromaufwärtsblickende Ansicht der Abgasdüse 58 dar und zeigt die achssymmetrische Anordnung der Verkleidungen 66, hinter denen die primären und sekundären Klappen 62 und 64 verdeckt sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Triebwerk 12 ist bei einem Bodenleerlauf-Betriebszustand oder einem Modus minimalen Ausgangsschubes von den Gasen 18 betätigbar, die von dem Triebwerk 12 ausgestoßen werden. Der Bodenleerlaufmodus ist vorgewählt, um einen vorbestimmten Druck der Abzapfluft 50 zu erhalten, der für den Betrieb des Umgebungskontrollsystems (ECS) 48 des Flugzeugs akzeptabel ist, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein absoluter Druck von wenigstens 2,8 bar (40 psia) ist. Weiterhin ist der Bodenleerlaufmodus auch so vorgewählt, daß der Generator 46 mit einer geeigneten Drehzahl angetrieben wird, um eine akzeptable Ausgangsleistung zu liefern. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die erste Welle 40 des Kerntriebwerks während des Bodenleerlaufbetriebs mit etwa 70% ihrer maximalen Drehzahl betätigt. Die Drehzahl der zweiten Welle 44 und des Fans 30 ist wesentlich kleiner als die Drehzahl der ersten Welle 40 während des Bodenleerlaufbetriebs, als sie üblicherweise erhalten wird.

Die Verwendung einer derartigen relativ hohen Drehzahl der ersten Kerntriebwerkswelle 40 für das ECS 48 oder den Generator 46 oder beides würde einen unerwünscht hohen Schub von den Verbrennungsabgasen 18 zur Folge haben, wenn eine konventionelle Abgasdüse verwendet würde. Dies würde auftreten, weil eine konventionelle Abgasdüse mit variablem Strömungsquerschnitt typisch für nur zwei Betriebsarten konfiguriert ist: einen trockenen Betriebsmodus, bei dem die primären und sekundären Abgasklappen im wesentlichen geschlossen sind, und einem Nachbrennerbetrieb, bei dem die primären und sekundären Abgasklappen in einer im wesentlichen geöffneten, konvergenten/divergenten Stellung sind, um eine im wesentlichen optimale Kanalisierung der eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Abgase durch die Düse während eines nassen Betriebs zu erhalten. Wenn jedoch ein Flugzeug, das eine derartige konventionelle verstellbare Abgasdüse verwendet, landet und rollt und in einem Bodenleerlaufbetrieb arbeitet, ist seine Abgasdüse ebenfalls in dem Nachbrennerbetrieb positioniert, obwohl der Nachbrenner bzw. Verstärker nicht in Betrieb ist. Dies wird deshalb getan, um eine maximale Austrittsströmungsfläche aus der Abgasdüse während des Bodenleerlaufbetriebs auszubilden, um den Schub von dem Triebwerk zu verkleinern. Da jedoch die Abgasdüse in ihrem Nachbrennermodus für die aerodynamischen Zustände ausgelegt ist, die bei einem im Betrieb befindlichen Nachbrenner auftreten, wird sie, wenn sie in einer derartigen Nachbrennermodus-Stellung bei Bodenleerlauf betrieben wird, in einer nicht dafür vorgesehenen Stellung (off-design) betrieben. Demzufolge ist der Schub von dem Triebwerk, der während des Bodenleerlaufbetriebs auftritt, relativ klein im Vergleich zum Flugbetrieb des Triebwerks, aber er ist relativ hoch für einen Bodenantrieb des Flugzeugs und hat einen wesentlichen absoluten Wert.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Schub von den Verbrennungsgasen 18, die im Bodenleerlauf-Betriebszustand der Abgasdüse 58 ausgestoßen werden, abgebaut oder vermindert. Das Verfahren enthält den Schritt, daß die sekundären Abgasklappen 64, wie es schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, positioniert werden, um einen Difusor 68 für die Verbrennungsgase 18 bei dem Bodenleerlauf-Betriebszustand zu bilden, wobei der Diffusor wirksam ist, die Anhaftung von Verbrennungsgasen 18, ohne Strömungsablösung, entlang den sekundären Abgasklappen 64 beizubehalten. Durch die Difusorwirkung der Verbrennungsgase 18 in dem Difusor 68 wird ihre Geschwindigkeit und somit der dadurch erzeugte Schub vermindert. Um eine akzeptable Diffusorwirkung ohne Strömungsablösung zu erhalten, müssen die sekundären Abgasklappen 64 relativ zu der longitutinalen Mittelachse 24 und den im wesentlichen parallel dazu strömenden Verbrennungsgasen 18 in relativ flachen Winkeln positioniert werden. Der Winkel der sekundären Abgasklappe 64 relativ zur longitutinalen Mittelachse 24 ist als ein Halbwinkel H bezeichnet und hat vorzugsweise einen Wert von etwa 15°, um eine Diffusorwirkung ohne Strömungsablösung zu erhalten.

Es wird eine maximales Maß an Diffusorwirkung mit einem minimalen Maß an longitutinaler Ausdehnung gewünscht, um die Abgasdüse 58 relativ kurz zu halten und dadurch ihr Gewicht zu senken. Wenn jedoch der Halbwinkel H zu groß ist, tritt eine unerwünschte Strömungsablösung mit einer damit verbundenen unerwünschten Vergrößerung des Schubes von den Verbrennungsgasen 18 auf, die aus der Abgasdüse 58 ausgestoßen werden. Um sicherzustellen, daß eine Ablösung der Verbrennungsgase 18 nicht auftritt, ist eine vorgewählte Strömungsablösungsgrenze erwünscht, die für eine bestimmte Auslegung von Anwendungsfällen nach Wunsch vorbestimmt sein kann, und sie gibt die relative Fähigkeit der Abgasdüse 58 an, eine Strömungsablösung zu vermeiden. Beispielsweise könnte ein geeigneter dimensionsloser Parameter der Strömungsablösungsgrenze einen Wert von 100% haben, wenn der Halbwinkel H 0° wäre, und er würde einen Wert von null haben, wenn der Halbwinkel H so gewählt wäre, daß er der Winkel ist, an dem eine Strömungsablösung auftritt. Um eine akzeptable Strömungsablösungsgrenze für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erhalten, wird ein Halbwinkel H für die sekundären Abgasklappen 64 von etwa 10° bevorzugt.

In dem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Verfahren zum Abbauen bzw. Vernichten von Schub ferner den Schritt enthalten, die primären Abgasklappen in eine vollständig geöffnete Position bei dem Bodenleerlauf- Betriebszustand zu positionieren, wie es ebenfalls in Fig. 4 dargestellt ist. Die Position der primären Abgasklappen 62 kann durch den Winkel A definiert sein, der den Neigungswinkel der primären Abgasklappen 62 relativ zu der longitutinalen Mittelachse 24 darstellt. In dem bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist der Neigungswinkel A relativ klein und beträgt vorzugsweise 0° bei der völlig geöffneten Position der primären Abgasklappen 62.

An der Verbindungsstelle der primären und sekundären Klappen 62 und 64 ist eine konventionelle Engstelle 70 der Abgasdüse 58 gebildet, die einen relativ minimalen Strömungsquerschnitt hat, der üblicherweise mit A₈ bezeichnet ist. Da die sekundären Abgasklappen 64 mit den primären Abgasklappen 62 verbunden sind, enden sie an einem konventionellen Auslaß 72 mit einer Strömungsquerschnittsfläche, die üblicherweise mit A₉ bezeichnet wird. Durch das Positionieren der primären Abgasklappe 62 in einer voll geöffneten Stellung und durch Positionieren der sekundären Klappe 64 zur Erzielung einer Diffusorwirkung bildet die Abgasdüse 58 relativ große Flächen A₈ und A₉ zur Kanalisierung der Verbrennungsgase 18, während im Bodenleerlaufbetrieb Schub abgebaut bzw. vernichtet wird. Da der Neigungswinkel A in diesem Modus vorzugsweise null ist, ist die primäre Abgasklappe 62 im wesentlichen parallel zur longitutinalen Mittelachse 54 angeordnet.

Anders als bei einer konventionellen verstellbaren Abgasdüse, bei der die Stellung der primären und sekundären Abgasklappen typischerweise die gleich ist sowohl während eines Bodenleerlauf-Betriebszustandes als auch eines Nachbrenner-Betriebszustandes, besteht ein zusätzliches Merkmal der Erfindung darin, daß die primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 zusammen in unterschiedlichen Positionen während des Bodenleerlauf- Betriebszustandes und während des Nachbrenner- Betriebszustandes und auch während des trockenen Betriebszustandes des Triebwerkes angeordnet sind.

Wie in Fig. 4 genauer dargestellt ist, bildet die Abgasdüse 58 während des Bodenleerlauf-Betriebszustandes den Diffusor 68 als einen divergenten Kanal, der durch und zwischen den sekundären Abgasklappen 64 gebildet ist. Die primären Abgasklappen 62 sind im allgemeinen parallel zur longitutinalen Mittellinie 64 angeordnet und bilden dazwischen einen Strömungskanal 74 mit einer im wesentlichen konstanten Fläche. In alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Strömungskanal 74 leicht konvergent sein mit Neigungswinkeln H bis zu etwa 5°, ohne daß die Fähigkeit der sekundären Abgasklappen 64 in signifikanter Weise nachteilig beeinflußt wird, Schub abzubauen bzw. zu vernichten.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie die Abgasdüse 58 während des trockenen Betriebszustandes oder Modus des Triebwerks 12 angeordnet ist, um im wesentlichen vollständig geschlossene konvergente und divergente Kanäle 74 und 68 zu bilden, die zwischen den primären und sekundären Abgasklappen 62 bzw. 64 hergestellt sind, um das Flugzeug 10 im Fluge mit Schubzwischenwerten anzutreiben, die größer sind als der Schub im Bodenleerlauf-Betriebszustand. Der konvergente Strömungskanal 74, der durch die primären Klappen 62 während des Trockenmodus gebildet wird, wird als im wesentlichen vollständig geschlossen betrachtet, da die Strömungsfläche A₈ an der Engstelle 70 relativ minimale Werte hat im Vergleich zu den anderen Betriebsarten des Triebwerkes 12. Der Neigungswinkel A der primären Klappe 62 beträgt etwa 35° während dieses Trockenbetriebes und kann sich selbstverständlich während dieses Trockenbetriebes verändern. Der divergente Kanal 68 wird ebenfalls als im wesentlichen vollständig geschlossen betrachtet, da die Auslaßfläche A₉ ebenfalls auf einem relativ minimalen Wert ist, wobei der Halbwinkel H Werte nahe etwa 7° hat.

In Fig. 6 ist als Beispiel ein Zwischenzustand mit Verstärkung oder nasser Betriebszustand oder -Modus des Triebwerkes 12 dargestellt, wobei die primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 positioniert sind, um im wesentlichen geöffnete konvergente und divergente Kanäle 74 bzw. 68 zu bilden für einen Antrieb des Flugzeugs 10 im Fluge bei großen Schubwerten, die größer sind als die Zwischenwerte des Schubes, die dem trockenen Modus zugeordnet sind. Der konvergente Kanal 74 ist als im wesentlichen geöffnet betrachtet, da der Neigungswinkel A relativ klein ist, was dann auftritt, wenn die primären Klappen 62 so positioniert sind, daß maximale Werte der Strömungsfläche A₈ der Engstelle erhalten werden. Die sekundären Abgasklappen 64 sind im wesentlichen geöffnet, um relativ große Auslaßflächen A₉ zu erhalten, wobei der Halbwinkel H beispielsweise 15° für den in Fig. 6 dargestellten Zwischenmodus beträgt.

Fig. 7 ist ähnlich Fig. 6, es wird aber die Position der primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 während eines maximalen Nachbrenner-Betriebszustandes dargestellt, wobei ein maximaler Schub aus den Abgasen 18 erhalten wird. Die primären und sekundären Klappen 62 und 64 werden als völlig geöffnet betrachtet, wobei die Strömungsfläche A₈ der Engstelle maximal und die Auslaß-Strömungsfläche A₉ minimal sind. Der der sekundären Abgasklappe 64 zugeordnete Halbwinkel H hat in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von etwa 20°.

In einem konventionellen Flugzeug würde die Abgasdüse 58 in der vollständig geöffneten Stellung angeordnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, sowohl während eines nassen Betriebs als auch während eines Bodenleerlaufbetriebes mit einer dabei auftretenden Strömungsablösung der Abgase 18 während des Bodenleerlaufbetriebs und einem relativ großen und unerwünschten Schub von dem Triebwerken 12. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird durch Positionierung der primären und sekundären Klappen 62 und 64, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, während des Bodenleerlaufmodus Schub vernichtet oder vermindert. Dies verkleinert die erforderliche Radbremsung, um ein Rollen des Flugzeugs zu verhindern, und deshalb wird die Abnutzung an den Bremsen vermindert. Die Bremsen können nur leicht benutzt oder überhaupt nicht benutzt werden in einigen Ausführungsbeispielen, um ein Rollen des Flugzeugs 10 zu verhindern, was anderenfalls bei einem relativ großen Bodenleerlaufschub auftreten würde. Es wird auch eine sicherere Leistung (Performance) des Flugzeugs 10 erhalten, insbesondere bei eisigen Rollbahn- und Rollwegzuständen, da der unerwünschte relativ große Bodenleerlaufschub abgebaut bzw. vernichtet wird.

Um die im allgemeinen drei unterschiedlichen Stellungen der primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 während des Bodenleerlaufes, bei trockenen und Verstärker- Betriebszuständen zu erhalten, ist es bevorzugt, daß die sekundären Abgasklappen 64 teilweise unabhängig von den primären Abgasklappen 62 positionierbar sind. Eine konventionelle verstellbare Abgasdüse enthält primäre und sekundäre Klappen und eine Verkleidung, die in einer konventionellen Vierstab-Anordnung mit Stellgliedern zum Verstellen der Klappen angeordnet sind. Da die Klappen und die Verkleidungen in einer Vierstab-Anordnung vorgesehen sind, sind ihre Bewegungen wechselseitig abhängig (interdependent), und ohne zusätzliche Mittel würden sie nicht in den drei erforderlichen Positionen während der Bodenleerlauf-, trockenen und Verstärker-Betriebszustände, wie sie oben beschrieben sind, positioniert werden können.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. die Abgasdüse 58 enthält in diesem achssymmetrischen Ausführungsbeispiel das ringförmige Gehäuse oder Strahlrohr 54, die primären Klappen 62, die sekundären Klappen 64 und die Verkleidungen 66. Jede primäre Klappe 62 weist ein stromaufwärtiges Ende 76, das in bekannter Weise mit dem Gehäuse 54 schwenkbar verbunden ist, ein stromabwärtiges Ende 78, eine Innenfläche 80, die auf die Verbrennungsgase 18 gerichtet ist und diese einschließt, und eine Außenfläche 82 auf, die teilweise durch eine Versteifungsrippe gebildet ist, die sich zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden 76 und 78 erstreckt. Jede sekundäre Klappe 64 weist ein stromaufwärtiges Ende 84, das in bekannter Weise mit dem stromabwärtigen Ende 78 der primären Abgasklappe schwenkbar verbunden ist, ein stromabwärtiges Ende 86, eine Innenfläche 88, die auf die Verbrennungsgase 18 gerichtet ist und diese einschließt, und eine Außenfläche 90 auf, die teilweise durch eine konventionelle Versteifungsrippe gebildet ist, die sich zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden 84 und 86 erstreckt. Bekannte Dichtungen 92, von denen einige in Fig. 3 gezeigt sind, sind zwischen den primären und sekundären Klappen 62 und 64 angeordnet, um Abgase so abzudichten, daß sie nicht zwischen benachbarten primären und sekundären Klappen 62 und 64 hindurchströmen.

Jede Verkleidung 66 weist ein stromaufwärtiges Ende 94, das mit dem Gehäuse 54 schwenkbar verbunden ist, wie es nachfolgend näher beschrieben wird, und ein stromabwärtiges Ende 96 auf, das mit dem stromabwärtigen Ende 86 einer sekundären Abgasklappe schwenkbar verbunden ist.

Die Abgasdüse 58 enthält ferner Mittel 98 zum selektiven Positionieren der primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 während der drei Betriebsarten: Bodenleerlauf-Betriebszustand, trockener Betriebszustand und Nachbrenner-Betriebszustand, wie es vorstehend beschrieben wurde. Die Positioniereinrichtung 98 enthält eine primären Ring 100, der die primären Klappen 62 umgibt, mehrere primäre Stellglieder 102, wie beispielsweise hydraulische Stellglieder, die in bekannter Weise mit dem primären Ring 100 verbunden sind zum Verschieben des primären Ringes 100 parallel zur longitutinalen Mittelachse 24. Jedes primäre Stellglied 102 weist ein stromaufwärtiges Ende 104, das beispielsweise durch eine Kugelverbindung mit dem Gehäuse 54 schwenkbar verbunden ist, und eine ausfahrbare Stange 106 auf, die beispielsweise durch eine Kugelverbindung mit dem primären Ring 100 schwenkbar verbunden ist. Mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete primäre Verbindungen 108 verbinden schwenkbar den primären Ring 100 mit den stromabwärtigen Enden 78 der primären Klappen 62, was beispielsweise durch Kugelverbindungen geschehen kann.

Die Positioniereinrichtung 98 enthält ferner einen sekundären Ring 110, der radial außen von dem primären Ring 100 verbunden ist und mit den stromaufwertigen Enden 94 der Verkleidung beispielsweise durch Kugelverbindungen schwenkbar verbunden ist. Mehrere sekundäre Stellglieder 112, die konventionelle hydraulische Stellglieder sein können, sind funktionsmäßig mit dem sekundären Ring 110 verbunden zum Verschieben des sekundären Ringes parallel zur longitutinalen Mittelachse 24. Jedes sekundäre Stellglied 112 weist ein stromaufwärtiges Ende 114, das beispielsweise durch eine Kugelverbindung mit dem Gehäuse 54 schwenkbar verbunden ist, und eine ausfahrbare Stange 116 auf, die beispielsweise durch eine Kugelverbindung mit dem sekundären Ring 110 schwenkbar verbunden ist.

Während des Betriebes sind die primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 durch die primären und sekundären Stellglieder 102 und 112 positionierbar. Die primären Stellglieder 102 haben die Funktion, den primären Ring 100 zu verschieben, der seinerseits bewirkt, daß die Verbindungen 108 die primären Klappen 62 um die stromaufwärtigen Enden 76 der primären Klappen drehen. Die primären Klappen 62 können somit in irgendeine der in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Positionen und in Positionen dazwischen gedreht und positioniert werden. Der Neigungswinkel A kann in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in dem Bereich von etwa 0° während des Bodenleerlaufmodus, der in Fig. 4 dargestellt ist, bis zu 35° in dem Trockenmodus liegen, da in Fig. 5 dargestellt ist, wo die primären Klappen 62 vollständig geschlossen sind.

Wenn die primären Klappen 62 gedreht werden, bewegen sich die stromaufwärtigen Enden 84 der sekundären Abgasklappen 64 mit der Bewegung der stromabwärtigen Enden 78 der primären Klappen. Die stromabwärtigen Enden 86 der sekundären Klappen werden durch die Verkleidung 36, die durch eine Bewegung des sekundären Ringes 110 hervorgerufen wird, positioniert. Die sekundären Stellglieder 112 haben die Funktion, den sekundären Ring 110 zu verschieben, der bewirkt, daß sich die sekundären Klappen 64 relativ zu den stromabwärtigen Enden der primären Klappen drehen. Demzufolge sind die sekundären Klappen 64 teilweise unabhängig von den primären Abgasklappen 62 positionierbar, da die stromabwärtigen Enden 86 der sekundären Klappen durch den sekundären Ring 110 unabhängig positioniert werden können, wogegen die stromaufwärtigen Enden 84 der sekundären Klappen mit und deshalb abhängig von der Position der primären Klappen 62 positioniert werden. Die sekundären Klappen 64 können somit durch die Positioniereinrichtung 98 in alle Stellungen gebracht werden, die in den Fig. 4 bis 7 dargestellt sind.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise ist die Erfindung zwar in Bezug auf eine achssymmetrische Abgasdüse mit verstellbarem Strömungsquerschnitt beschrieben, sie kann aber auch mit zweidimensionalen konvergenten/divergenten Abgasdüsentypen verwendet werden, die einen im allgemeinen rechtwinkligen Strömungsquerschnitt haben. Sie kann auch in Verbindung mit noch anderen Abgasdüsentypen einschließlich nicht symmetrischen Düsen verwendet werden.

Weiterhin ist zwar die vorstehend beschriebene Positioniereinrichtung 98 bevorzugt, es können aber auch andere Mittel zum Positionieren bzw. Verstellen der primären und sekundären Abgasklappen 62 und 64 zum Herbeiführen aller in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Positionen erfindungsgemäß verwendet werden, um bei Bodenleerlauf-Betriebszuständen Schub abzubauen bzw. zu vernichten, während sie auch in der Lage sind, die primaren und sekundären Klappen 62 und 64 in unterschiedliche Positionen für sowohl trockene als auch Verstärker- Betriebszustände zu bringen.

Claims

1. Verfahren zum Abbauen von Schub aus Verbrennungsgasen, die aus einer Abgasdüse bei einem Bodenleerlauf- Betriebszustand ausgestoßen werden, bei einem Flugzeug mit einem Nachbrenner-Gasturbinentriebwerk, das eine verstellbare Abgasdüse mit einer selektiv positionierbaren primären Abgasklappe und einer selektiv positionierbaren sekundären Abgasklappe, die sich stromabwärts von der primären Klappe erstreckt, aufweist, um die Verbrennungsgase zu kanalisieren, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abgasklappe so positioniert wird, daß ein Diffusor für die Verbrennungsgase bei dem Bodenleerlauf- Betriebszustand gebildet wird, bei dem die Anhaftung von Verbrennungsgasen entlang der sekundären Abgasklappe beibehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Abgasklappe bei dem Bodenleerlauf- Betriebszustand in einer vollständig offenen Position angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Abgasklappe in einer vollständig geöffneten Position wesentlich parallel zur longitutinalen Mittelachse der Abgasdüse angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abgasklappe teilweise unabhängig von der primären Abgasklappe positioniert werden kann.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die primären und sekundären Abgasklappen zusammen in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden können während des Bodenleerlauf-Betriebszustandes und während eines trockenen Betriebszustandes und während eines Verstärker-Betriebszustandes des Triebwerkes.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die primären und sekundären Abgasklappen positioniert werden:
während des Bodenleerlauf-Betriebszustandes zur Bildung eines divergenten Kanals, der durch die sekundäre Abgasklappe gebildet ist, zur Ausübung einer Diffusorwirkung auf die Verbrennungsgase zum Abbauen bzw. Vernichten von Schub,
während des trockenen Betriebszustandes zur Bildung von im wesentlichen geschlossenen konvergenten und divergenten Kanälen, die durch die primären bzw. sekundären Abgasklappen gebildet werden, zum Antreiben des Flugzeuges im Fluge bei Schubzwischenwerten, die größer sind als der Schub im Bodenleerlauf-Betriebszustand, und
während eines Verstärker-Betriebszustandes, um im wesentlichen offene konvergente und divergente Kanäle zu bilden, die durch die primären bzw. sekundären Abgasklappen gebildet sind, zum Antreiben des Flugzeuges im Fluge bei hohen Schubwerten, die größer als die Schubzwischenwerte sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abgasklappe teilweise unabhängig von der primären Abgasklappe positioniert werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Abgasklappe in einer vollständig geöffneten Position im wesentlichen parallel zur longitutinalen Mittelachse der Abgasdüse angeordnet wird und die sekundäre Abgasklappe in einem Winkel relativ zur longitutinalen Mittelachse bis zu etwa 15° angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abgasklappe in einem Winkel relativ zur longitutinalen Mittelachse von etwa 10° angeordnet wird, um eine vorgewählte Strömungsablösungsgrenze der Verbrennungsgase einzuhalten, die entlang der sekundären Abgasklappe strömen können.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk einen Verdichter aufweist und der Bodenleerlauf-Betriebszustand so gewählt wird, daß Abzapfluft aus dem Verdichter bei einem absoluten Druck von wenigstens 2,8 bar (40 psia) erhalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flugzeug Räder aufweist und die sekundäre Abgasklappe im Bodenleerlauf-Betriebszustand so positioniert wird, daß von dem Triebwerk kein ausreichender Schub erhalten wird, um das Flugzeug auf seinen Rädern zum Rollen zu bringen.

12. Abgasdüse für ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk mit einem Gehäuse (56),
einer primären Abgasklappe (62), die ein mit dem Gehäuse schwenkbar verbundenes stromaufwärtiges Ende, ein stromabwärtiges Ende und eine Innenfläche aufweist zum Kanalisieren von Verbrennungsgasen,
einer sekundären Abgasklappe (64), die ein stromaufwärtiges Ende, das mit dem stromabwärtigen Ende der primären Abgasklappe schwenkbar verbunden ist, ein stromabwärtiges Ende und eine Innenfläche aufweist zum Kanalisieren von Verbrennungsgasen,
einer Verkleidung (66) mit einem stromaufwärtigen Ende, das mit dem Gehäuse schwenkbar verbunden ist, und ein stromabwärtiges Ende aufweist, das mit dem stromabwärtigen Ende der sekundären Abgasklappe schwenkbar verbunden ist, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (98) zum selektiven Positionieren der primären und sekundären Abgasklappen (62, 64) derart, daß während eines Bodenleerlauf-Betriebszustandes ein konvergenter Kanal gebildet ist, der durch die sekundäre Abgasklappe begrenzt ist, für eine Diffusorwirkung der Verbrennungsgase, wobei eine Anhaftung der Verbrennungsgase entlang der sekundären Abgasklappe für einen Abbau bzw. eine Vernichtung von Schub beibehalten ist,
während eines trockenen Betriebszustandes (ohne Nachbrenner) zur Bildung im wesentlichen geschlossener konvergenter und divergenter Kanäle, die durch die primären bzw. sekundären Abgasklappen begrenzt sind, zum Antreiben eines Flugzeuges im Fluge bei Schubzwischenwerten, die größer sind als der abgebaute bzw. vernichtete Schub im Bodenleerlauf-Betriebszustand, und
während eines Verstärker- bwz. Nachbrenner- Betriebszustandes zur Bildung im wesentlichen offener konvergenter und divergenter Kanäle, die durch die primären bzw. sekundären Abgasklappen begrenzt sind, zum Antreiben des Flugzeuges im Fluge bei hohen Schubwerten, die größer als die Schubzwischenwerte sind.

13. Abgasdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (98) die primären Abgasklappen (62) im Bodenleerlauf-Betriebszustand in einer vollständig geöffneten Stellung anordnet.

14. Abgasdüse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Abgasklappe (62) in einer vollständig geöffneten Position im wesentlichen parallel zur longitutinalen Mittelachse der Abgasdüse angeordnet ist.

15. Abgasdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (98) das stromabwärtige Ende der sekundären Abgasklappe (64) unabhängig von der primären Abgasklappe (62) positioniert.

16. Abgasdüse nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch:
mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete primäre Abgasklappen (62), die achssymmetrisch um eine longitutinale Mittelachse der Düse angeordnet sind,
mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete sekundäre Abgasklappen (64) und mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Verkleidungen (66), wobei die Positioniereinrichtung (98) aufweist:
einen primären Ring (100), der die primären Abgasklappen (62) umgibt,
mehrere primäre Stellglieder (102), die mit dem primären Ring (100) verbunden sind, zum Verschieben des primären Rings (100) parallel zur longitutinalen Mittelachse, mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete primäre Verbindungsglieder (108), die den primären Ring (100) schwenkbar mit den primären Abgasklappen (62) verbinden, einen sekundären Ring (110), der mit den stromaufwärtigen Verkleidungsenden schwenkbar verbunden ist, und
mehrere sekundäre Stellglieder (112), die mit dem sekundären Ring (110) verbunden sind, zum Verschieben des sekundären Ringes (110) parallel zur longitutinalen Mittelachse.

17. Abgasdüse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (98) die primären Abgasklappen (62) in einer vollständig geöffneten Stellung im wesentlichen parallel zur longitutinalen Mittelachse der Düse anordnet und die sekundären Abgasklappen (64) in Winkeln relativ zur longitutinalen Mittelachse bis zu etwa 15° anordnet.

18. Abgasdüse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Abgasklappen (64) in einem Winkel relativ zur longitutinalen Mittelachse von etwa 10° angeordnet sind zur Einhaltung einer vorgewählten Strömungsablösungsgrenze der Verbrennungsgase, die entlang den Innenflächen der sekundären Abgasklappen strömen können.

19. Abgasdüse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk einen Verdichter aufweist und der Bodenleerlauf-Betriebszustand so gwählt ist, daß Abzapfluft aus dem Verdichter bei einem absoluten Druck von wenigstens 2,8 bar (40 psia) erhalten ist.

20. Abgasdüse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinentriebwerk und die Abgasdüse in einem Flugzeug mit Rädern angeordnet sind und daß die sekundären Abgasklappen bei dem Bodenleerlauf-Betriebszustand so positioniert sind, daß der von dem Triebwerk entwickelte Schub nicht ausreicht, um ein Rollen des Flugzeugs auf seinen Rädern herbeizuführen.