DE4426195C2 - Schubdüse in Rechteckbauweise für Strahltriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse mit oder ohne Vektorisierung für Triebwerke, insbesondere für Turboluftstrahltriebwerke mit und ohne Nachbrenner, in Rechteckbauweise, gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Schubdüsen mit oder ohne Vektorisierung in Rechteckbauweise sind in ei­ ner Vielzahl von Ausführungen bekannt, so z. B. aus der EP-OS 0 292 422. Sowohl die Verstellung der Düsenhalsfläche als auch die austrittsseitige Vektorsisierung werden meist dadurch ermöglicht, daß zumindest Teile der Düsenkanalwände in Form von miteinander gekoppelten, schwenkbeweglichen Klappen ausgeführt sind. Siehe hierzu auch die Fig. 1a und 1b der ge­ nannten Offenlegungsschrift, welche allerdings nur symmetrische Stellun­ gen - ohne Vektorisierung - zeigen. Ebenfalls in dieser Schrift gezeigt sind gitterartige Leitschaufelanordnungen in den Düsenkanalwänden, mit deren Hilfe der Schubstrahl zumindest teilweise seitlich aus der Düse herausgeführt wird, wobei der stromabwärts liegende Düsenhals mehr oder weniger verschlossen wird. Die Leitschaufeln werden alle - mit Ausnahme einer Schaufel zur Querschnittssteuerung - gleichsinnig bewegt und die­ nen primär für den kontrollierten Übergang von Vorwärtsschub auf Umkehr­ schub und umgekehrt.

Die EP-OS 0 582 424 behandelt das Problem der Lärmminderung von Über­ schallflugzeugen in der Startphase, wobei vorgeschlagen wird, dem Schub­ strahl jedes Triebwerkes durch Ejektorwirkung Umgebungsluft zuzumischen. Das Prinzip wird sowohl anhand von axialsymmetrischen (runden) als auch anhand von Rechteckdüsen (2D-Düsen, siehe Fig. 2 und 3) erklärt. Dabei sind in regelmäßigen Abständen viele in das Düseninnere führende Luftka­ näle mit axialem Luftaustritt fest installiert. Am Austritt jedes Luft­ kanals ist jeweils ein Paar von gegensinnig symmetrisch beweglichen, leicht abgewinkelten Klappen angeordnet, mit dessen Hilfe der Luftaus­ trittsquerschnitt und damit der Luftdurchsatz variiert werden kann. Mit diesen Klappen kann gleichzeitig der Strömungsquerschnitt für die je­ weils zwischen den Luftkanälen hindurchströmenden Heißgase verändert werden. Somit kann im Bereich der Luftkanäle ein weiterer engster Düsen­ querschnitt (Düsenhals) erzeugt werden bis hin zur völligen Versperrung für Schubumkehr. Ohne daß explizit darauf hingewiesen wird, bewirkt eine zunehmende Öffnung (Spreizung) der Frischluftklappen auch eine Reduzie­ rung der Infrarotabstrahlung der Triebwerke nach hinten. Dieser Effekt ist jedoch hauptsächlich bei militärischen Anwendungen von Interesse.

Angesichts des beschriebenen Standes Technik besteht die Aufgabe der Er­ findung darin, eine Schubdüse in Rechteckbauweise für Triebwerke zu schaffen, welche bei relativ einfacher, leichter und zuverlässiger Kon­ struktion erstens eine Variation der durchströmten Halsfläche, zweitens eine wirksame Schubvektorisierung um mindestens eine Achse und drittens eine reduzierte Infrarotabstrahlung in mindestens einem Betriebszustand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird - in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen des Hauptanspruches - durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptan­ spruches genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine gerade Anzahl von Leitschaufeln installiert.

Im Falle der Anordnung von nur zwei Leitschaufeln sind diese gleich- und gegensinnig um gleiche und verschiedene Winkelmaße schwenkbar. Abgesehen von den bekannten Parallelstellungen der Leitschaufeln lassen sich - bei ausreichend kleinem Achsabstand - somit auch Stellungen realisieren, bei welchen sich die Leitschaufeln stromaufwärts oder stromabwärts ihrer ge­ meinsamen, quer zum Strömungskanal verlaufenden Achsenebene berühren und somit den zwischen ihnen liegenden Strömungsquerschnitt zumindest weitge­ hend versperren. Die sich dabei ergebenden, V-förmigen Stellungen können symmetrisch oder unsymmetrisch sein, wobei sich im letzteren Fall auch eine seitliche Strömungskomponente, d. h. eine Vektorisierung des Schub­ strahles ergibt.

Im Falle der Anordnung von vier oder mehr Leitschaufeln sind deren Achs­ abstände abwechselnd kleiner und größer gewählt, wobei jeweils die mit kleinerem Achsabstand nebeneinanderstehenden Leitschaufeln ein Funk­ tionspaar mit den soeben genannten Bewegungsmöglichkeiten (gleich- und gegensinnig etc.) bilden. Alle linken Leitschaufeln aller Funktionspaare und alle rechten Leitschaufeln aller Funktionspaare sind jeweils kinema­ tisch so gekoppelt, daß sie nur gleichsinnig schwenkbar sind, wobei sich die Winkelmaße von Schaufel zu Schaufel unterscheiden können. Die Win­ kelmaße können natürlich auch für alle Schaufeln oder für einen Teil der Schaufeln gleich sein.

Somit sind die Stellungsfiguren aller Funktionspaare gleich oder zumin­ dest ähnlich.

Die Unteransprüche 2 bis 7 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Schubdüse nach Anspruch 7.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläu­ tert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1a) bis d) horizontale Teilschnitte durch eine Schubdüse im Be­ reich rautenförmiger Leitschaufeln mit verschiedenen Schaufelstellungen,

Fig. 2a), b) horizontale Teilschnitte durch eine Schubdüse im Be­ reich tropfenförmiger Leitschaufeln mit verschiedenen Schaufelstellungen,

Fig. 3 einen vertikalen Teillängsschnitt durch eine Schubdüse im Bereich der Hinterkante eines Rumpfes mit Klappen an Rumpf und Düse,

Fig. 4 einen vergleichbaren Teillängsschnitt mit schräg nach hinten oben gerichteter Schubdüse.

Fig. 1 zeigt vier horizontale Teilschnitte a) bis d) der selben Schubdü­ se 1 mit unterschiedlichen Leitschaufelstellungen für verschiedene Be­ triebszustände des zugehörigen Triebwerkes.

Schnitt 1a) zeigt die Stellung für maximale Nachverbrennung (d. h. mit maximaler Düsenhalsfläche) ohne Schubvektorisierung. Dabei sind die hier symmetrisch profilierten, rautenförmigen Leitschaufeln 5 bis 8 zueinan­ der parallel und in Düsenlängsrichtung orientiert. Die Leitschaufeln 5 und 6 mit den Schwenkachsen X1 und X2 bilden ein Funktionspaar 17, die Leitschaufeln 7 und 8 mit den Schwenkachsen X3 und X4 ein Funktionspaar 18. Es ist zu erkennen, daß die Abstände zwischen den Schwenkachsen X1 und X2 sowie X3 und X4 deutlich kleiner sind als der Abstand zwischen den Schwenkachsen X2 und X3, d. h. zwischen zwei Funktionspaaren. Eine ggf. vorhandene Leitschaufelkühlung erfolgt ähnlich wie bei den Schau­ feln von modernen Turbinen durch die Achse, wobei die linke und die rechte Profilseite unterschiedlich gekühlt sein können. Durch Einblasen von kalter Luft (z. B. aus dem Nebenstrom des Triebwerks) werden die Leitschaufeln soweit gekühlt, daß die zulässige Materialtemperatur der Achsen und Schaufelkörper nicht überschritten wird. Dieses Kühlprinzip ist bekannt und deshalb nicht gesondert dargestellt.

Mit der dargestellten Schaufelstellung wirkt die Schubdüse 1 wie eine konventionelle Konvergent-Divergent-Düse (C-D-Düse) mit gutem Schubbei­ wert und minimalen Basisflächen.

Schnitt 1b) zeigt die Stellung ohne Nachverbrennung (d. h. mit minimaler Düsenhalsfläche) und ebenfalls ohne Schubvektorisierung. Dazu werden die Leitschaufeln 5, 6 bzw. 7, 8 jedes Funktionspaares 17, 18 um gleiche Winkelmaße gegeneinander verschwenkt, bis sich ihre Eintrittskanten be­ rühren, und somit der Strömungskanal innerhalb jedes Funktionspaares 17, 18 versperrt ist. Die Schubdüse 1 wirkt dabei wie eine Konvergent-Düse mit gutem Schubbeiwert bei geringen Druckverhältnissen, wobei sie jedoch erhebliche Basisflächen aufweist. Durch Einblasen von kalter Luft (z. B. Überschußluft aus dem Triebwerkseinlauf) wird die nach hinten weisende Profilseite der Leitschaufeln soweit gekühlt, daß ihre Infrarot-Abstrah­ lung (IR-Abstrahlung) gering ist, gleichzeitig wird durch die Kühlluft­ ströme der Widerstand der Basisflächen reduziert.

Schnitt 1c) zeigt die Stellung für maximale Nachverbrennung (d. h. mit maximaler Düsenhalsfläche) mit maximaler Schubvektorisierung. Dazu wer­ den alle Leitschaufeln 5 bis 8 gleichsinnig verschwenkt, im vorliegenden Fall um das gleiche Winkelmaß. Es wäre auch möglich, den Schaufel­ schwenkwinkel von der linken zur rechten Düsenseite, d. h. in der Dar­ stellung von unten nach oben, zu variieren, z. B. zu vergrößern. Die Küh­ lung erfolgt wie bei 1a).

Schnitt 1d) zeigt die Stellung für "Trockenbetrieb" (Dry, ohne Nachver­ brennung) mit maximaler Schubvektorisierung. Dazu werden jeweils die Leitschaufeln 5, 6 bzw. 7, 8 jedes Funktionspaares 17, 18 gegeneinander um unterschiedliche Winkelmaße verschwenkt. Die Kühlung erfolgt wie bei 1b).

Die Schubdüse 2 nach Fig. 2 unterscheidet sich vor der Ausführung nach Fig. 1 zunächst durch die Verwendung tropfenförmiger, symmetrischer Leitschaufeln 9 bis 14, welche ebenfalls Funktionspaare 19 bis 21 bilden.

Die Betriebsweise gemäß Schnitt 2a) entspricht derjenigen nach Schnitt 1a).

Für Triebwerke, die vorwiegend sehr hohe Düsendruckverhältnisse aufwei­ sen, ist auch eine umgekehrte Verstellung der Leitschaufeln im Trocken­ betrieb denkbar, wie in Schnitt 2b) dargestellt (entspricht einer umge­ kehrten Durchströmungsrichtung in Schnitt 1b) und ggf. in 1d)), wobei die Austrittskanten der Leitschaufeln 9 bis 14 funktionspaarweise anein­ anderliegen.

Es ist auch denkbar, daß für Langsamflug (Unterschall) die Stellungen nach 1b) und 1d) eingesetzt werden, und im Schnellflug (z. B. Überschall­ reiseflug ohne Nachverbrennung) auf Stellung 2b) gewechselt wird.

Fig. 3 zeigt in vertikalem Längsschnitt eine Schubdüse 3 im Bereich der Hinterkante eines Rumpfes 26 (oder auch eines Tragflügels). Sowohl an dem Rumpf 26 als auch an der unteren Schubdüsenwand sind Klappen 22, 23 mit horizontalen Schwenkachsen Y1, Y3 angeordnet. Dadurch kann zusätz­ lich eine Vektorisierung um die Nickachse des Flugzeuges erreicht wer­ den, unter Nutzung des Koanda-Effekts. Entsprechende Klappenstellungen mit Schubkomponente nach oben und unten sind weiß, d. h. ohne Schraffur dargestellt. In der Schubdüse 3 ist eine Leitschaufel 15 mit vertikaler Schwenkachse Y2 in Seitenansicht zu erkennen. In Verbindung mit weite­ ren, nicht sichtbaren Leitschaufeln ermöglicht diese eine Vektorisierung um die Gierachse des Flugzeuges. Zwischen der Schubdüse 3 und dem Rumpf 26 ist ein Strömungskanal 28 angeordnet, durch welchen Kühlluft zur Un­ terseite der Klappe 22 geleitet wird, um deren Aufheizung durch den Dü­ senstrahl in Grenzen zu halten. Auch für die Klappe 23 an der Schubdüse 3 können geeignete Kühlmaßnahmen vorgesehen sein.

Fig. 4 schließlich zeigt eine Schubdüse 4 unter einem Rumpf 27 mit ho­ rizontaler, schwenkbarer Klappe 24, wobei die Schubdüse 4 zur Unterstüt­ zung des Koanda-Effekts um eine Querachse nach hinten oben geneigt ist. Dadurch liegt auch in oberen Klappenstellungen der Schubstrahl immer si­ cher an der Klappenunterseite an. Am hinteren, unteren Ende der Schubdü­ se 4 ist ebenfalls eine schwenkbare Klappe 25 angelenkt. Die horizonta­ len Schwenkachsen der Klappen 24, 25 sind mit Z1 und Z3 bezeichnet, die oben nach vorne geneigte Schwenkachse der Leitschaufel 16 mit Z2. Auch hier ist ein Strömungskanal 29 für die Kühlluftführung vorhanden.

Zusammenfassend gesagt ermöglicht die Erfindung die Erfüllung von drei zum Teil konträren Forderungen an eine Schubdüse für militärische Strahltriebwerke zur gleichen Zeit:

• 1. Variation der durchströmten Halsfläche zwischen den zwei Grenzen für Betrieb ohne und mit maximaler Nachverbrennung (z. B. Verhältnis 1 : 1,6).
• 2. Schubvektorisierung um die Gierachse und ggf. auch um die Nickachse.
• 3. Reduzierte Infrarotabstrahlung im Betrieb ohne Nachverbrennung.

Selbstverständlich kann die Schubdüse mit ihren integrierten, bewegli­ chen Leitschaufeln räumlich beliebig angeordnet werden, so daß z. B. auch eine Leitschaufelvektorisierung um die Nickachse (anstelle der Gierach­ se) möglich ist.

Claims (7)

1. Schubdüse in Rechteckbauweise für Strahltriebwerke, insbesondere für Turboluftstrahltriebwerke, mit verstellbarer wirksamer Düsenhalsfläche, mit mehreren um parallele Schwenkachsen beweglichen, vertikal oder nahezu ver­ tikal angeordneten Leitschaufeln, mit im Bewegungsbereich aller Leitschaufeln gleicher oder etwa gleicher Strömungskanalhöhe sowie mit zumindest in ge­ wissen Betriebszuständen durch die Leitschaufelstellung reduziertem opti­ schem Einblick auf heiße Teile im Düseninneren, dadurch gekennzeich­ net,
daß eine gerade Anzahl von Leitschaufeln (5 bis 16) installiert ist, welche ein Funktionspaar oder mehrere Funktionspaare (17 bis 21) bilden, dessen/deren Schaufeln benachbart und gleich- und gegensinnig um gleiche und verschiede­ ne Winkelmaße schwenkbar sind,
daß im Falle der Anordnung von vier (5 bis 8) oder mehr Leitschaufeln (9 bis 14) diese - jeweils von der seitlich am weitesten von der Düsenmitte entfernten Schaufel (5, 9) beginnend - abwechselnd mit kleinerem und größerem Achs­ abstand installiert sind,
wobei immer die zwei mit kleinerem Achsabstand benachbarten Leitschaufeln jeweils ein Funktionspaar (17 bis 21) bilden, und
daß einerseits alle - bei Betrachtung in Düsenlängsrichtung umgekehrt zur Strömung - linken Leitschaufeln (6, 8; 10, 12, 14) aller Funktionspaare (17, 18; 19 bis 21) und andererseits alle - bei gleicher Betrachtung - rechten Leitschau­ feln (5, 7; 9, 11, 13) aller Funktionspaare (17, 18; 19 bis 21) jeweils kinema­ tisch so gekoppelt sind, daß sie gleichsinnig schwenkbar sind.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (5 bis 16) mit symmetrischem, insbesondere mit rautenför­ migem oder tropfenförmigem, oder mit unsymmetrischem Strömungsprofil ausgeführt sind, und daß im Falle der Ausführung mit unsymmetrischem Strömungsprofil die Leitschaufeln mit von Schaufel zu Schaufel entgegen­ gesetzt gekrümmter Profilmittellinie angeordnet sind.

3. Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (5 bis 16) aus einem hochwarmfesten Material bestehen, vorzugsweise aus einer Nickellegierung, aus kohlefaserverstärktem Koh­ lenstoff (CC) oder aus kohlefaserverstärktem Siliziumkarbid (C-SiC).

4. Schubdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln integrierte Kühlkanäle zur Führung von Kühlluft, z. B. aus dem Triebwerksnebenstrom, aufweisen, daß die Kühlluftzufuhr durch die Schaufelachse erfolgt, und daß die Kühlka­ näle nur auf einer Seite, hauptsächlich auf einer Seite oder gleicherma­ ßen auf beiden Seiten des Strömungsprofiles jeder Leitschaufel austreten.

5. Schubdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß an ihrem austrittsseitigen Ende in Verlänge­ rung mindestens einer Strömungskanalwand mindestens eine um eine etwa senkrecht zu den Schwenkachsen (Y2, Z2) der Leitschaufeln (15, 16) orientierte Schwenkachse (Y3, Z3) bewegliche Klappe (23, 25) angeordnet ist.

6. Schubdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, welche im Bereich der mit einer schwenkbeweglichen Klappe versehenen Hinterkan­ te eines Tragflügels oder Rumpfes in einem gewissen Höhenabstand zu die­ sen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubdüse (3, 4) so installiert und gegebenenfalls um eine Querachse geneigt ist, daß ihr Schubstrahl an der Ober- oder der Unterseite der Klappe (22, 24) anliegt.

7. Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dieser (3, 4) und dem Tragflügel oder dem Rumpf (26, 27) ein Strömungs­ kanal (28, 29) zur Führung von Kühlluft über die vom Schubstrahl beauf­ schlagte Seite der schwenkbeweglichen Klappe (22, 24) vorhanden ist.