DE60013678T2 - Kardanisch gelagerte schwenkbare Schubdüse - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine achsensymmetrische und als Ganzes verschwenkbare Turbotriebwerk-Schubdüse.
- 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. -
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. - 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. - 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.
- 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.
- 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.
- Die ersten und die zweiten Verbindungen sind gelenkig, um die Wirkungen von Verformungen oder Toleranzen auszuschalten.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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, -
2 zeigt in einer1 ähnlichen Darstellung die gleiche Düse in nichtverschwenkter geschlossener Position, -
3 zeigt einen Axialschnitt der Düse von1 in geschlossener und verschwenkter Position, -
4 zeigt in einem der Linie IV-IV von1 entsprechenden Schnitt die Verbindung zwischen der schwenkbaren Struktur und dem Düsengehäuse, -
5 zeigt ein Kühlsystem für die schwenkbare Struktur und die konvergierenden Klappen. - Das Bezugszeichen
1 bezeichnet eine schwenkbare Düse, die am Ende eines Flugzeugrumpfs oder einer Flugzeuggondel angebracht ist. - Das Düsengehäuse
2 mit der Achse X, das eine Nachverbrennungskammer3 begrenzt, ist innen mit einem Wärmeschutzmantel4 ausgekleidet. Sowohl das Düsengehäuse2 als auch der Schutzmantel4 enden auf der stromabwärtigen Seite in sphärischen Auflageflächen, die mit2a bzw.4a bezeichnet sind. - Das Düsengehäuse
2 besitzt außerdem in seinem stromabwärtigen Teil außerhalb der sphärischen Auflageflächen2a ,4a zwei Stützarme6a und6b , die sich zur stromabwärtigen Seite hin erstrecken und einander diametral entgegengesetzt sind. - In
1 ist der Stützarm6a in die Schnittebene zurückgeführt, die beiden Arme befinden sich jedoch in Wirklichkeit unter bzw. über der Zeichenebene von1 . Die Stützarme6a und6b könnten auch aus einem Rotationsprofil bestehen, das die sphärischen Auflageflächen2a und4a umschließt. - Die beiden Stützarme
6a und6b tragen, um eine durch das Zentrum O der sphärischen Auflageflächen2a und4a verlaufende geometrische Achse7 schwenkbar, zwei Dorne8a ,8b , die einander diametral entgegengesetzt und mit einem Zwischenring9 mit dem Zentrum0 fest verbunden sind. Der Zwischenring9 trägt, um eine geometrische Achse10 schwenkbar, die zur geometrischen Achse7 senkrecht ist und durch das Zentrum O verläuft, zwei einander entgegengesetzte und mit einer schwenkbaren Struktur12 fest verbundene Dorne11a und11b . - Die schwenkbare Struktur
12 hat die Form von zwei ringförmigen sphärischen Reifen13 ,14 , die mit ihren stromabwärtigen Enden verbunden sind und unter Zwischenfügung von Dichtungen15 und16 an ihrem stromaufwärtigen Ende in der Nachbarschaft der sphärischen Auflageflächen2a bzw.4a angeordnet sind. - Der von der äußeren sphärischen Auflagefläche
2a und dem inneren Reifen14 begrenzte ringförmige Zwischenraum17 steht in direkter Verbindung mit dem ringförmigen Zwischenraum, der das Düsengehäuse2 von dem Wärmeschutzmantel4 trennt, und nimmt Kühlluft F auf, die durch in der Verbindungswand18 der beiden Reifen13 und14 angebrachte Öffnungen17 in die Strömung der Auswurfgase ausgetragen wird. - Die schwenkbare Struktur
12 besitzt an ihrem stromabwärtigen Ende einen Flansch19 , an dem mit Hilfe von radialen Scharnieren20 die stromaufwärtigen Enden mehrerer konvergierender Klappen21 angelenkt sind. Diese konvergierenden Klappen umfassen wechselweise angetriebene Klappen und Nachlaufklappen. Die angetriebenen konvergierenden Klappen21 tragen an ihrer Innenseite Verstärkungsrippen22 , an denen in dem Punkt23 die stromabwärtigen Enden von Pleueln24 angelenkt sind, deren stromaufwärtige Enden in dem Punkt25 an Gabeln26 angelenkt sind, die mit einem Antriebsring27 fest verbunden sind. Der Antriebsring27 ist mit dem Düsengehäuse2 durch wenigstens drei Hubzylinder28 verbun den, die in regelmäßiger Verteilung um die Achse X des Gehäuses2 angeordnet sind. Die Körper der Hubzylinder28 sind durch radiale Scharniere29 mit dem Düsengehäuse2 verbunden, und die Stangen30 der Zylinder sind mit Gabeln31 verbunden, die durch radiale Scharniere32 fest mit dem Antriebsring27 verbunden sind. - Eine identische Verschiebung der Stangen
30 der drei Hubzylinder28 bewirkt eine Translation des Antriebsrings27 parallel zur Achse X und durch das Verschieben der in den Punkten23 an den angetriebenen konvergierenden Klappen21 angelenkten Pleuel24 die Regulierung des Ausgangsquerschnitts A8 der konvergierenden Klappen21 . Diese Anordnung gewährleistet sowohl die selbsttragende Anordnung als auch die Zentrierung des Antriebsrings27 . Der Antriebsring27 umschließt die beiden Stützarme6a und6b . - Wenn jeder Hubzylinder
28 individuell gesteuert wird, neigt sich der Antriebsring27 relativ zu der Achse X in der ausgewählten Richtung, und das Aggregat der Pleuel24 übt auf jede konvergierende Klappe21 ein Drehmoment um den Punkt23 aus. Dieses Drehmoment bewegt über die konvergierenden Klappen21 die radialen Scharniere20 in Richtung auf die schwenkbare Struktur12 . - Die Mehrzahl der konvergierenden Klappen
21 treibt so die schwenkbare Struktur12 und den Zwischenring9 zu einer Drehbewegung um ihre geometrischen Achsen7 bzw.10 an. Dies ermöglicht das Verschwenken des ganzen Kranzes der konvergierenden Klappen21 in der gewünschten Richtung und damit den gesteuerten vektoriellen Schub des Turbotriebwerks. - Stromabwärts der konvergierenden Klappen
21 ist ein zweiter Kranz von Klappen30 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 Klappen30 sind mit Hilfe eines radialen Scharniers31 an dem stromabwärtigen Ende der konvergierenden Klappen21 angelenkt. Sie sind außerdem durch Pleuel32 , die annähernd parallel zu den konvergierenden Klappen21 angeordnet sind, mit der schwenkbaren Struktur12 verbunden. Die Länge der Pleuel32 und die Position ihrer Gelenke sind so berechnet, daß die den häufigsten Flugphasen entsprechenden Konfigurationen erreicht werden können. - 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 Klappe30 vorsieht und die Pleuel32 vor dem Flug durch andere Pleuel mit anderer Länge ersetzt, die in dem gleichen Verbindungspunkt an der Klappe32 oder an einem zweiten vorgesehenen Punkt befestigt sind. -
1 der Zeichnungen zeigt außerdem einen Kranz von externen Klappen40 , 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 Scharniers42 an dem Antriebsring27 angelenkt und mit ihrem stromabwärtigen Ende über eine nachgiebige Verbindung, die kein Blockieren des Aggregats mit sich bringt, mit den stromabwärtigen Enden der divergierenden Klappen30 verbunden. Diese nachgiebige Verbindung kann durch Schwingarme oder durch eine Gleitverbindung41 realisiert werden, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. - 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 Klappen40 herbeiführt. - In der vorliegenden Erfindung hat die sphärische Auflagefläche
2a des Gehäuses2 keine strukturelle Funktion. Diese sphärische Fläche dient einzig zur Herstellung der Dichtigkeit zwischen der schwenkbaren Struktur12 und dem Gehäuse2 mit Hilfe der Dichtung15 . - 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.
Claims (10)
- Achsensymmetrische und als Ganzes schwenkbare Turbotriebwerk-Schubdüse mit einem von einer schwenkbaren Struktur (
12 ) getragenen Kranz von konvergierenden Klappen (21 ), wobei die schwenkbare Struktur (12 ) 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 (12 ) und zur Regulierung des Ausgangsquerschnitts (A8) der konvergierenden Klappen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbare Struktur (12 ) an dem stromabwärtigen Ende des Düsengehäuses (2 ) mit Hilfe eines Zwischenrings (9 ) montiert ist, der sich relativ zu dem Düsengehäuse (2 ) um eine durch das Zentrum O verlaufende erste geometrische Achse (7 ) drehen kann und der sich relativ zu der schwenkbaren Struktur (12 ) um eine zur ersten Achse (7 ) senkrechte und das Zentrum O verlaufende zweite geometrische Achse (10 ) drehen kann. - Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (
9 ) mit der schwenkbaren Struktur (12 ) durch zwei diametral entgegengesetzte erste Drehverbindungen (11a ,11b ) verbunden ist und mit dem Düsengehäuse (2 ) durch zwei diametral entgegengesetzte zweite Drehverbindungen (8a ,8b ) verbunden ist, deren Rotationsachsen senkrecht zu den Rotationsachsen der beiden ersten Drehverbindungen (11a ,11b ) verlaufen. - Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Verbindungen und die zweiten Verbindungen gelenkig sind.
- Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden Klappen (
21 ) an dem stromabwärtigen Ende der schwenkbaren Struktur (12 ) angelenkt sind und daß die Mittel zum Verschwenken der schwenkbaren Struktur (12 ) und zur Regulierung des Ausgangsquerschnitts (A8) der konvergierenden Klappen (21 ) einen einzigen Steuerring (27 ) umfassen, der durch Pleuel (24 ) mit den konvergierenden Klappen (21 ) verbunden ist und durch mehrere Hubzylinder (28 ) betätigt wird, die sich an dem Düsengehäuse (2 ) abstützen. - Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Kranz von divergierenden Klappen (
30 ) aufweist, die an dem stromabwärtigen Ende der konvergierenden Klappen (21 ) angelenkt und durch Pleuel (32 ) mit der schwenkbaren Struktur (12 ) verbunden sind. - Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Kranz von äußeren Klappen (
40 ) aufweist, die mit ihrem stromaufwärtigen Ende an dem Steuerring (27 ) angelenkt und durch eine nachgiebige Verbindung (41 ) mit den divergierenden Klappen (30 ) verbunden sind. - Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Verbindung (
41 ) eine Gleitverbindung ist. - Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (
9 ) von zwei Stützarmen (6a , ab) getragen ist, die außerhalb des stromabwärtigen Endes des Düsengehäuses (2 ) liegen und mit letzterem fest verbunden sind. - Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende des Düsengehäuses (
2 ) einen sphärischen Teil (2a ) aufweist und daß die schwenkbare Struktur (12 ) einen sphärischen Ring (13 ) aufweist, der außerhalb des sphärischen Teils (2a ) angeordnet ist. - Düse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem sphärischen Ring (
13 ) und dem sphärischen Teil (2a ) eine Dichtung (15 ) angeordnet ist.
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