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Die
Erfindung betrifft eine achsensymmetrische und als Ganzes verschwenkbare
Turbotriebwerk-Schubdüse.
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Sie
betrifft speziell eine achsensymmetrische und als Ganzes schwenkbare
Turbotriebwerk-Schubdüse mit einem
von einer schwenkbaren Struktur getragenen Kranz von konvergierenden Klappen,
wobei die schwenkbare Struktur an dem stromabwärtigen Ende eines Düsengehäuses mit
einer Achse X so montiert ist, daß sie um ein auf der Achse
X liegendes festes Zentrum O schwenken kann, und wobei Mittel zum
Verschwenken der schwenkbaren Struktur und zur Regulierung des Ausgangsquerschnitts
(A8) der konvergierenden Klappen vorgesehen sind.
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EP 0 029 773 zeigt eine
konvergierende Düse
dieses Typs, bei der die verstellbare Struktur mit Hilfe von elastischen
Elementen, die alle transversale Lasten aufnehmen, mit dem Düsengehäuse verbunden
sind. Was die axialen Lasten betrifft, so werden diese von den Hubzylindern
für das
Schwenken der verschwenkbaren Struktur aufgenommen. Für die Regulierung
des Austrittsquerschnitts der Düse
wird eine zweite Gruppe von Hubzylindern benötigt, die an der verschwenkbaren
Struktur verankert sind.
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EP 0 060 763 schlägt eine
verschwenkbare Struktur mit sphärischen
Auflageflächen
vor, die mit sphärischen
Auflageflächen
zusammenwirken, die unter Zwischenfügung einer Wälz- und Führungsvorrichtung
mit dem Düsengehäuse fest
verbunden sind. Die Gegendrehung der schwenkbaren Struktur wird
mit Hilfe eines Führungsaggregats
erreicht, das aus einer an dem festen Strukturteil befestigten Laufschiene
und einem an der schwenkbaren Struktur befestigten Rollkörper besteht.
Die Verschwenkung erfolgt durch eine Gruppe von Hubzylindern, die
an dem Düsengehäuse verankert
sind, und die Regulierung des Düsenquerschnitts
erfolgt durch eine zweite Gruppe von Hubzylindern, die von der schwenkbaren Struktur
getragen werden. Bei dieser Konstruktion müssen die Hubzylinder, die die
Verschwenkung der schwenkbaren Struktur ermöglichen, die Kräfte aufnehmen,
die durch die Reibung und die Wälzbewegung
auf den sphärischen
Flächen,
die im allgemeinen große
Abmessungen haben und infolgedessen gegen thermische und mechanische
Ausdehnungen und Verformungen empfindlich sind, verursacht werden.
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In
den beiden oben genannten Dokumenten sind die konvergierenden Klappen
an dem stromabwärtigen
Ende der schwenkbaren Struktur angelenkt, und letztere trägt die Hubzylinder
für die
Klappen, wodurch die Masse des verschwenkbaren Teils und die Ansprechzeit
für das
Schwenken der Düse
vergrößert werden.
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US 4 984 741 betrifft eine
als Ganzes schwenkbare konvergente-divergente Düse, in der die konvergierenden
Klappen axial gleitend an einer schwenkbaren Struktur mit sphärischer
Form montiert sind und durch von dieser Struktur getragene Hubzylinder
betätigt
werden. Die Verbindung zwischen der schwenkbaren Struktur und dem
Düsengehäuse erfolgt
durch zwei Paare von radialen, diametral entgegengesetzten Spindeln,
die mit axialen Klammern fest verbunden sind, die an der schwenkbaren
Struktur und dem Düsengehäuse angeordnet sind
und in Riemen gleiten, die in den entsprechenden Klammern des anderen
Teils angebracht sind. Die Spindeln nehmen die transversalen Lasten
auf, die axialen Lasten werden jedoch von den Hubzylindern für das Schwenken
der schwenkbaren Struktur aufgenommen.
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Ein
erstes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verbindung zwischen
der schwenkbaren Struktur und dem Düsengehäuse vorzuschlagen, das die durch
Reibung oder Wälzbewegung
verursachten Kräfte
zum größten Teil
eliminiert und die transversalen Lasten sowie den größten Teil
der axialen Lasten aufnimmt.
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Die
Erfindung erreicht dieses Ziel dadurch, daß die schwenkbare Struktur
an dem stromabwärtigen
Ende des Düsengehäuses mit
Hilfe eines Zwischenrings montiert ist, der sich relativ zu dem
Düsengehäuse um eine
durch das Zentrum O verlaufende erste geometrische Achse drehen
kann und der sich relativ zu der schwenkbaren Struktur um eine zur ersten
Achse senkrechte und das Zentrum O verlaufende zweite geometrische
Achse drehen kann.
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Der
Zwischenring ist mit der schwenkbaren Struktur vorteilhafterweise
durch zwei diametral entgegengesetzte erste Drehverbindungen und
mit dem Düsengehäuse durch
zwei diametral entgegengesetzte zweite Drehverbindungen verbunden,
deren Rotationsachsen senkrecht zu den Rotationsachsen der beiden
ersten Drehverbindungen verlaufen.
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Die
ersten und die zweiten Verbindungen sind gelenkig, um die Wirkungen
von Verformungen oder Toleranzen auszuschalten.
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Die
Verbindungen zwischen dem Zwischenring und der schwenkbaren Struktur
und dem Düsengehäuse verhindern
die Drehung der schwenkbaren Struktur um die geometrische Achse
des Düsengehäuses. Die
axialen Kräfte,
die auf die schwenkbare Struktur einwirken, werden auf den Zwischenring
und dann auf das Düsengehäuse übertragen,
ohne daß sie
durch die Antriebsmittel zum Schwenken der schwenkbaren Struktur
verlaufen.
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Nach
einem zweiten Merkmal der Erfindung sind die konvergierenden Klappen
an dem stromabwärtigen
Ende der schwenkbaren Struktur angelenkt, und die Mittel zum Schwenken
der schwenkbaren Struktur und zur Regulierung des Ausgangsquerschnitts
der konvergierenden Klappen weisen einen einzigen Steuerring auf,
der durch Pleuel mit den konvergierenden Klappen verbunden ist und
durch mehrere Hubzylinder betätigt
wird, die sich an dem Düsengehäuse abstützen.
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Die
Düse umfaßt außerdem vorzugsweise einen
Kranz von divergierenden Klappen, die an dem stromabwärtigen Ende
der konvergierenden Klappe angelenkt und durch Pleuel mit der schwenkbaren Struktur
verbunden sind.
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Sie
weist außerdem
vorzugsweise einen Kranz von äußeren Klappen
auf, die mit ihrem stromaufwärtigen
Ende an dem Steuerring angelenkt und durch eine nachgiebige Verbindung
mit den divergierenden Klappen verbunden sind. Diese nachgiebige Verbindung
ist z.B. eine Gleitverbindung.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der folgenden
Beschreibung, die als Beispiel dient und auf die anliegenden Zeichnungen
Bezug nimmt.
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1 zeigt
einen Axialschnitt durch eine achsensymmetrische und als Ganzes
schwenkbare Düse
gemäß der Erfindung,
wobei die Düse
in der nichtverschwenkten offenen Position dargestellt ist,
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2 zeigt in einer 1 ähnlichen
Darstellung die gleiche Düse
in nichtverschwenkter geschlossener Position,
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3 zeigt
einen Axialschnitt der Düse
von 1 in geschlossener und verschwenkter Position,
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4 zeigt
in einem der Linie IV-IV von 1 entsprechenden
Schnitt die Verbindung zwischen der schwenkbaren Struktur und dem
Düsengehäuse,
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5 zeigt
ein Kühlsystem
für die
schwenkbare Struktur und die konvergierenden Klappen.
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Das
Bezugszeichen 1 bezeichnet eine schwenkbare Düse, die
am Ende eines Flugzeugrumpfs oder einer Flugzeuggondel angebracht
ist.
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Das
Düsengehäuse 2 mit
der Achse X, das eine Nachverbrennungskammer 3 begrenzt,
ist innen mit einem Wärmeschutzmantel 4 ausgekleidet.
Sowohl das Düsengehäuse 2 als
auch der Schutzmantel 4 enden auf der stromabwärtigen Seite
in sphärischen
Auflageflächen,
die mit 2a bzw. 4a bezeichnet sind.
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Das
Düsengehäuse 2 besitzt
außerdem
in seinem stromabwärtigen
Teil außerhalb
der sphärischen
Auflageflächen 2a, 4a zwei
Stützarme 6a und 6b,
die sich zur stromabwärtigen
Seite hin erstrecken und einander diametral entgegengesetzt sind.
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In 1 ist
der Stützarm 6a in
die Schnittebene zurückgeführt, die
beiden Arme befinden sich jedoch in Wirklichkeit unter bzw. über der
Zeichenebene von 1. Die Stützarme 6a und 6b könnten auch
aus einem Rotationsprofil bestehen, das die sphärischen Auflageflächen 2a und 4a umschließt.
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Die
beiden Stützarme 6a und 6b tragen,
um eine durch das Zentrum O der sphärischen Auflageflächen 2a und 4a verlaufende
geometrische Achse 7 schwenkbar, zwei Dorne 8a, 8b,
die einander diametral entgegengesetzt und mit einem Zwischenring 9 mit
dem Zentrum 0 fest verbunden sind. Der Zwischenring 9 trägt, um eine
geometrische Achse 10 schwenkbar, die zur geometrischen
Achse 7 senkrecht ist und durch das Zentrum O verläuft, zwei
einander entgegengesetzte und mit einer schwenkbaren Struktur 12 fest
verbundene Dorne 11a und 11b.
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Die
schwenkbare Struktur 12 hat die Form von zwei ringförmigen sphärischen
Reifen 13, 14, die mit ihren stromabwärtigen Enden
verbunden sind und unter Zwischenfügung von Dichtungen 15 und 16 an
ihrem stromaufwärtigen
Ende in der Nachbarschaft der sphärischen Auflageflächen 2a bzw. 4a angeordnet
sind.
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Der
von der äußeren sphärischen
Auflagefläche 2a und
dem inneren Reifen 14 begrenzte ringförmige Zwischenraum 17 steht
in direkter Verbindung mit dem ringförmigen Zwischenraum, der das
Düsengehäuse 2 von
dem Wärmeschutzmantel 4 trennt, und
nimmt Kühlluft
F auf, die durch in der Verbindungswand 18 der beiden Reifen 13 und 14 angebrachte Öffnungen 17 in
die Strömung
der Auswurfgase ausgetragen wird.
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Die
schwenkbare Struktur 12 besitzt an ihrem stromabwärtigen Ende
einen Flansch 19, an dem mit Hilfe von radialen Scharnieren 20 die
stromaufwärtigen
Enden mehrerer konvergierender Klappen 21 angelenkt sind.
Diese konvergierenden Klappen umfassen wechselweise angetriebene
Klappen und Nachlaufklappen. Die angetriebenen konvergierenden Klappen 21 tragen
an ihrer Innenseite Verstärkungsrippen 22,
an denen in dem Punkt 23 die stromabwärtigen Enden von Pleueln 24 angelenkt sind,
deren stromaufwärtige
Enden in dem Punkt 25 an Gabeln 26 angelenkt sind,
die mit einem Antriebsring 27 fest verbunden sind. Der
Antriebsring 27 ist mit dem Düsengehäuse 2 durch wenigstens
drei Hubzylinder 28 verbun den, die in regelmäßiger Verteilung
um die Achse X des Gehäuses 2 angeordnet sind.
Die Körper
der Hubzylinder 28 sind durch radiale Scharniere 29 mit
dem Düsengehäuse 2 verbunden,
und die Stangen 30 der Zylinder sind mit Gabeln 31 verbunden,
die durch radiale Scharniere 32 fest mit dem Antriebsring 27 verbunden
sind.
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Eine
identische Verschiebung der Stangen 30 der drei Hubzylinder 28 bewirkt
eine Translation des Antriebsrings 27 parallel zur Achse
X und durch das Verschieben der in den Punkten 23 an den
angetriebenen konvergierenden Klappen 21 angelenkten Pleuel 24 die
Regulierung des Ausgangsquerschnitts A8 der konvergierenden Klappen 21.
Diese Anordnung gewährleistet
sowohl die selbsttragende Anordnung als auch die Zentrierung des
Antriebsrings 27. Der Antriebsring 27 umschließt die beiden
Stützarme 6a und 6b.
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Wenn
jeder Hubzylinder 28 individuell gesteuert wird, neigt
sich der Antriebsring 27 relativ zu der Achse X in der
ausgewählten
Richtung, und das Aggregat der Pleuel 24 übt auf jede
konvergierende Klappe 21 ein Drehmoment um den Punkt 23 aus. Dieses
Drehmoment bewegt über
die konvergierenden Klappen 21 die radialen Scharniere 20 in
Richtung auf die schwenkbare Struktur 12.
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Die
Mehrzahl der konvergierenden Klappen 21 treibt so die schwenkbare
Struktur 12 und den Zwischenring 9 zu einer Drehbewegung
um ihre geometrischen Achsen 7 bzw. 10 an. Dies
ermöglicht
das Verschwenken des ganzen Kranzes der konvergierenden Klappen 21 in
der gewünschten
Richtung und damit den gesteuerten vektoriellen Schub des Turbotriebwerks.
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Stromabwärts der
konvergierenden Klappen 21 ist ein zweiter Kranz von Klappen 30 vorgesehen, die
als divergierende Klappen bezeichnet werden. Dieser zweite Klappenkranz
umfaßt
die gleiche Anzahl von Klappen wie der Kranz der konvergierenden Klappen
sowie eine Mehrzahl von gesteuerten divergierenden Klappen, die
zwischen divergierenden Nachlaufklappen angeordnet sind. Die divergierenden
Klappen 30 sind mit Hilfe eines radialen Scharniers 31 an
dem stromabwärtigen
Ende der konvergierenden Klappen 21 angelenkt. Sie sind
außerdem durch
Pleuel 32, die annähernd
parallel zu den konvergierenden Klappen 21 angeordnet sind,
mit der schwenkbaren Struktur 12 verbunden. Die Länge der Pleuel 32 und
die Position ihrer Gelenke sind so berechnet, daß die den häufigsten Flugphasen entsprechenden
Konfigurationen erreicht werden können.
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Es
ist auch möglich,
in Abhängigkeit
von der Mission des Flugzeugs mehrere winkelkinematische Gesetze
vorzusehen, indem man für
jeden Pleuel 32 einen zweiten Verankerungspunkt an der
entsprechenden divergierenden Klappe 30 vorsieht und die Pleuel 32 vor
dem Flug durch andere Pleuel mit anderer Länge ersetzt, die in dem gleichen
Verbindungspunkt an der Klappe 32 oder an einem zweiten vorgesehenen
Punkt befestigt sind.
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1 der
Zeichnungen zeigt außerdem
einen Kranz von externen Klappen 40, die in der Verlängerung
des aerodynamischen Profils des Flugzeugs angeordnet sind. Diese äußere Klappen,
die auch als Sekundärklappen
oder kalte Klappen bezeichnet werden, sind mit ihrem stromaufwärtigen Ende
mit Hilfe eines radialen Scharniers 42 an dem Antriebsring 27 angelenkt
und mit ihrem stromabwärtigen
Ende über
eine nachgiebige Verbindung, die kein Blockieren des Aggregats mit
sich bringt, mit den stromabwärtigen
Enden der divergierenden Klappen 30 verbunden. Diese nachgiebige
Verbindung kann durch Schwingarme oder durch eine Gleitverbindung 41 realisiert
werden, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist.
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Der
einschlägige
Fachmann erkennt leicht, daß das
Verschwenken des Antriebsrings allein eine Drehung der gesamten
Düse um
das Zentrum O bewirkt und daß eine
axiale Verschiebung des Antriebsrings die Regulierung des Ausgangsquerschnitts
A8 der konvergierenden Klappen und die diese begleitende Regulierung
des Ausgangsquerschnitts A9 der divergierenden Klappen 30 und
des Winkels der äußeren Klappen 40 herbeiführt.
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In
der vorliegenden Erfindung hat die sphärische Auflagefläche 2a des
Gehäuses 2 keine
strukturelle Funktion. Diese sphärische
Fläche
dient einzig zur Herstellung der Dichtigkeit zwischen der schwenkbaren
Struktur 12 und dem Gehäuse 2 mit Hilfe
der Dichtung 15.
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Die
Reibungen oder Wälzbewegungen
zwischen Sphären,
die Gegenstand der in der Einleitung zitierten Patente sind, sind
durch ein Kardangelenk ersetzt, das von klassischen Gelenken gebildet
ist, die senkrecht angeordnet sind, wodurch alle mit den Fertigungstoleranzen,
thermischen Ausdehnungen und Verformungen an Komponenten mit großen Abmessungen
zusammenhängendenden
Probleme beseitigt werden. Außerdem
nehmen diese Gelenke die axialen Kräfte und die tangentialen Kräfte auf,
die auf die schwenkbare Struktur 12 einwirken.