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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verstellbare Düse für ein Düsentriebwerk,
d.h. auf eine Düse,
welche geeignet ist, den Strahl eines Düsentriebwerks einzustellen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Düse mit einem
feststehenden Teil, an dem verstellbare Klappen angelenkt sind.
Wenn diese Düse
an einem Flugzeug angebracht ist, ermöglicht sie dem Piloten, die
Quersteuerung des Flugszeugs (sogar das Rollen für ein zweimotoriges Flugzeug)
schnell zu ändern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Düsen dieses
Typs sind in der Technik bekannt. Einige unter ihnen verwenden einen
Aktivierungsring, der an einem stromabwärtigen Ende des feststehenden
Teils angeordnet und mit den Klappen verbunden ist. Der Aktivierungsring
wird mittels Zylindern bewegt, was zur Ausrichtung der Klappen führt. Diese
Düsen benötigen komplizierte
Ausrüstungen, insbesondere
Kardangelenke, um die Bewegungen des Aktivierungsrings zu den Klappen
zu übertragen.
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In
dem Dokument FR 2 470 253 wurde vorgeschlagen, ein Mittel zum Ausrichten
eines schwenkbaren Düsenteils
auszubilden, das eine in Abschnitte unterteilte, elastische ringförmige Struktur aufweist,
die einerseits mit dem feststehenden Teil der Düse und andererseits mit dem
schwenkbaren Teil verbunden ist, sowie Steuerzylinder, welche ermöglichen,
den schwenkbaren Teil mit Verformung der elastischen ringförmigen Struktur
zu bewegen. Diese umfaßt
einen ersten, aus mehreren Schichten bestehenden Ring mit einer
steifen Innenverstärkung,
die mit dem feststehenden Teil der Düse fest verbunden ist, sowie
einen zweiten, aus mehreren Schichten bestehenden Ring mit einer
steifen Innenverstärkung,
die mit dem schwenkbaren Teil fest verbunden ist. Die steifen Außenverstärkungen
der beiden Ringe sind miteinander verbunden. Die Zylinder wirken
auf den schwenkbaren Teil, der dadurch, daß er sich bewegt, eine Verformung
der elastischen Ringe mit gegenseitigen Annähern oder Entfernen ihrer steifen
Innenverstärkungen
bewirkt.
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Gegenstand
und Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düse mit verstellbaren Klappen
zu liefern, die eine einfachere und kostengünstigere Struktur hat.
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Zu
diesem Zweck ist eine verstellbare Düse für ein Düsentriebwerk vorgesehen, umfassend
einen feststehenden Abschnitt (Teil), der dazu bestimmt ist, am
Triebwerk befestigt zu werden, einen beweglichen Abschnitt (Teil),
der an einem Ende des feststehenden Teils befestigt ist, und ein
Mittel zur Ausrichtung des beweglichen Abschnitts, das eine elastische
ringförmige
Struktur mit einem feststehenden Umfang, der mit dem Ende des feststehenden Teils
fest verbunden ist, und einem beweglichen Umfang, der mit dem beweglichen
Abschnitt verbunden ist, sowie erste Steuerzylinder aufweist, die
ermöglichen,
den beweglichen Abschnitt mit Verformung der elastischen ringförmigen Struktur
zu verschieben, Düse,
bei der gemäß der Erfindung
- – der
bewegliche Teil der Düse
von einer Vielzahl verstellbarer Klappen und
- – die
elastische ringförmige
Struktur von einem elastischen Ring gebildet ist,
welcher
einen feststehenden Innenumfang, der durch einen ersten steifen
ringförmigen
Ring gebildet ist, der mit dem feststehenden Abschnitt fest verbunden
ist, und einen beweglichen Außenumfang
aufweist, der von einem zweiten steifen ringförmigen Ring gebildet ist, an
welchem freie Enden der ersten Steuerzylinder sowie Platten und
Stangen angebracht sind, an denen die Klappen gelenkig angebracht
sind.
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Die
von dem elastischen Ring und den zwei steifen ringförmigen Ringen
gebildete Struktur besteht aus einem Stück, so daß die Funktionsspiele und die
Anzahl von in Bewegung befindlichen Teilen auf ein Minimum herabgesetzt
sind.
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Die
Steuerzylinder steuern direkt die Bewegung des zweiten Umfangs des
elastischen Rings, welche die Ausrichtung der Klappen nach sich
zieht.
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Der
elastische Ring ermöglicht
einerseits, die Klappen unter der Wirkung des Steuermittels zu aktivieren
und andererseits, die Gegenschubkräfte wieder aufzunehmen. Des
Weiteren entspricht die Gleichgewichtsposition der Düse dank
der ringförmigen
Struktur des durch den elastischen Ring gebildeten Aktivierungssystems
der Ruhestellung des Rings, was eine zusätzliche Sicherheit im Falle
eines Versagens des Steuermittels bringt.
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Der
elastische Ring kann durchgehend oder in Abschnitte unterteilt sein.
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Vorzugsweise
ist der elastische Ring aus einem aus mehreren Schichten bestehenden
Material gefertigt, das von einer Aufschichtung aus Schichten abwechselnd
aus Elastomer und aus Metall, von einer Aufschichtung von Schichten
abwechselnd aus Elastomer und aus einem organischen Verbundstoff oder
von einer Aufschichtung von Schichten abwechselnd aus Elastomer
und aus einem Thermostrukturmaterial gebildet ist. Das Elastomer
ist aus den Elastomeren ausgewählt,
die geeignet sind, Temperaturen von über 150°C standzuhalten. Man verwendet beispielsweise
ein Elastomer, welches ausgewählt
ist aus den Fluorkohlenstoff- und Fluorsilikonwerkstoffen, sowie
wasserstoffhaltige Elastomere, wie HNBR („Hydrogenated Nitrile Butadiene
Rubber").
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Klappen an jeweiligen ersten Stellen an den Platten
oder Stangen und an jeweiligen zweiten Stellen an dem feststehenden
Teil der Düse
angelenkt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung:
- – sind die
vorgenannten Klappen gesteuerte divergierende Klappen,
- – weist
die Düse
außerdem
gesteuerte konvergierende Klappen auf,
- – ist
jede gesteuerte divergierende Klappe an einer ersten Stelle an einer
Platte oder einer Stange und an einer zweiten Stelle an einer gesteuerten konvergierenden
Klappe angelenkt, und
- – sind
die gesteuerten konvergierenden Klappen ferner an dem feststehenden
Teil angelenkt.
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Nun
ist ein Mittel zum Ausrichten der gesteuerten konvergierenden Klappen
vorgesehen. Dieses Mittel, welches ermöglicht, den Halsdurchmesser
der Düse,
d.h. den Durchmesser des durch die Anlenkpunkte zwischen den konvergierenden
und den divergierenden Klappen begrenzten Querschnitts zu ändern, kann
zweite Zylinder, die an dem Umfang des feststehenden Teils angeordnet
sind, einen Ring, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Düse
verläuft
und mit dem die freien Enden der zweiten Zylinder verbunden sind,
sowie Rollen umfassen, die in dem Ring angebracht sind und von denen
jede einer Nockenfläche
auf einer gesteuerten konvergierenden Klappe folgt.
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Vorteilhafterweise
umfaßt
die Düse
gemäß dieser
Ausführungsform
weiterhin ein Anti-Dreh-Mittel,
um die Drehbewegungen des Rings um die Längsachse der Düse herum
zu begrenzen. Das Anti-Dreh-Mittel umfaßt die zweiten Zylinder, die
mit seitlichen Schwingarmen versehen sind, die jeweils an einem
ersten Ende an dem Körper
des entsprechenden Zylinders und an einem zweiten Ende an dem feststehenden
Teil angelenkt sind.
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Die
erfindungsgemäße Düse kann
außerdem
divergierende Folgeklappen und konvergierende Folgeklappen aufweisen,
die zwischen den gesteuerten divergierenden Klappen bzw. den gesteuerten
konvergierenden Klappen zwischengeschaltet sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen
der folgenden detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
hervorgehen, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
erfolgt, in denen:
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1 einen
schematischen Schnitt einer Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung in neutraler Position zeigt;
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2 in
der Perspektive einen elastischen Ring und zugeordnete ringförmige Stützringe
zeigt, die bei der erfindungsgemäßen Düse verwendet
werden;
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3 und 4 die
erfindungsgemäße Düse nach
oben bzw. nach unten ausgerichtet zeigen;
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5 in
Draufsicht eine Anti-Dreh-Vorrichtung zeigt, die bei der erfindungsgemäßen Düse eingesetzt
wird; und
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6 in
der Perspektive einen elastischen Ring und zugeordnete ringförmige Stützringe
nach einer weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
schematisch eine verstellbare Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Düse umfaßt einen
feststehenden Teil 1, der an einem stromaufwärtigen Ende 10 mit
einem (nicht dargestellten) Düsentriebwerk
fest verbunden ist, sowie eine ringförmige Einheit verstellbarer
Klappen 2, die an einem stromabwärtigen Ende 11 des
feststehenden Teils 1 angelenkt ist.
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Der
feststehende Teil 1 weist einen Ausstoßkanal 12 auf, welcher
die durch das Triebwerk erzeugten Gase aufnimmt und sie, wie durch
die Pfeile 13 und 14 in Figur angezeigt, ausstößt. Der
Ausstoßkanal 12 ist
durch einen gewellten, im Wesentlichen zylindrischen Mantel 15 begrenzt.
Eine Außenwand 16 definiert
mit letzterem einen Kühlungsraum 17,
in dem eine geeignete Kühlflüssigkeit
zirkuliert.
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Die
ringförmige
Einheit aus Klappen 2 umfaßt in bekannter Weise gesteuerte
Klappen, d.h. Klappen, deren Bewegungen direkt durch Betätigungsmittel
gesteuert werden und Folgeklappen, die zwischen den gesteuerten
und angepaßten
Klappen eingefügt
sind, um einfach den Bewegungen der gesteuerten Klappen zu folgen.
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Insbesondere
ist die ringförmige
Einheit aus Klappen 2 von einer Vielzahl gesteuerter und
benachbarter Folgestrukturen gebildet, die kreisförmig am
Umfang des stromabwärtigen
Endes 11 des feststehenden Teils 1 angebracht
sind. Jede Struktur weist insbesondere eine konvergierende Klappe 20 und
eine divergierende Klappe 21 auf. Die gesteuerten Strukturen
umfassen ferner jeweils eine Aktivierungsplatte oder Aktivierungsstange 22,
deren Aufgabe weiter unten beschrieben wird. In der Fortsetzung
der Beschreibung wird lediglich auf die gesteuerten Strukturen Bezug
genommen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die divergierenden Klappen 21 mittels
eines elastischen Aktivierungsrings 3, welcher zwischen
zwei steifen ringförmigen
Ringen 30 und 31 eingesetzt ist, ausgerichtet.
Der elastische Ring 3 ist typischerweise aus einem aus
mehreren Schichten bestehenden Material gefertigt, d.h. aus einem
Material, das durch eine Aufschichtung von Elastomerschichten gebildet ist,
die zwischen Verstärkungen
eingefügt
sind. Gemäß der Erfindung
ist das Elastomer ausgewählt
aus Elastomeren, welche geeignet sind, Temperaturen von über 150°C standzuhalten.
Man verwendet beispielsweise ein Elastomer, welches ausgewählt ist aus
den Fluorkohlenstoff- und Fluorsilikonwerkstoffen, sowie wasserstoffhaltige
Elastomere, wie HNBR („Hydrogenated
Nitrile Butadiene Rubber").
Die Verstärkungen
bestehen vorzugsweise aus Metall, aus einem organischen Verbundwerkstoff
oder aus einem Thermostrukturmaterial, wie einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
oder einem Keramikmatrix-Verbundwerkstoff. Der ringförmige Ring 30,
an dem der Innenumfang des elastischen Rings 3 befestigt
ist, ist mit dem feststehenden Teil 1 fest verbunden und
dient als feststehende Stütze.
Der ringförmige
Ring 31, an dem der Außenumfang
des elastischen Rings 3 befestigt ist, dient dem elastischen Ring
als bewegliche Stütze.
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2 zeigt
in der Perspektive den elastischen Ring 3 sowie die zugeordneten
Stützringe 30 und 31.
Wie in den 1 und 2 dargestellt,
umfaßt
der bewegliche Ring 31 erste Befestigungslaschen 32,
die sich stromaufwärts
der Düse
erstrecken, sowie zweite Befestigungslaschen 33, die sich stromabwärts der
Düse erstrecken.
Die ersten Befestigungslaschen 32 ermöglichen, den beweglichen Ring 31 mit
Zylindern 4 zu verbinden, die am Umfang des feststehenden
Teils 1 der Düse
angebracht sind (in 1 ist ein einziger Zylinder 4 dargestellt).
Insbesondere sind die Enden der Stangen der Zylinder 4 an
den ersten Befestigungslaschen 32 befestigt, während die
stromaufwärtigen
Enden 40 der Zylinder an der Außenwand 16 angelenkt
sind. Die zweiten Befestigungslaschen 33 ermöglichen,
jeweilige Enden 220 der Aktivierungsplatten 22 an
dem beweglichen Ring 31 zu befestigen.
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Bei
einer vorgegebenen gesteuerten Klappenstruktur ist die konvergierende
Klappe 20 in einem Anlenkpunkt (oder einer Anlenklinie) 200 an dem
feststehenden Teil 1 angelenkt. Die divergierende Klappe 21 ist
in einem Anlenkpunkt 201 an einem stromabwärtigen Ende
der konvergierenden Klappe 20 und in einem Anlenkpunkt 202,
welcher dem vorgenannten Ende 220 gegenüberliegt, an der Aktivierungsplatte 22 angelenkt.
Der kreisförmige
Querschnitt, welcher innerhalb der Düse durch alle Anlenkpunkte 201 begrenzt
und in 1 mit C bezeichnet ist, bildet den Hals der Düse. Die
stromabwärtigen
Enden der divergierenden Klappen 21 definieren den mit
S bezeichneten Auslaßquerschnitt
des divergenten Düsenteils.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung verändert
die Bewegung des beweglichen Rings 31 unter der Wirkung
der Zylinder 4 die Ausrichtung der divergierenden Klappen 21.
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Letztere
schwenken um die Anlenkpunkte 201, wobei die konvergierenden
Klappen 20 fest bleiben, in dem Maße wie der Durchmesser des
Halses nicht gleichzeitig geändert
wird. Die 3 und 4 veranschaulichen
Endausbildungen, in denen eine divergierende Klappe 21 in
eine bzw. in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist. In
der ersten Ausbildung (3) zieht der dargestellte Zylinder 4 den beweglichen
Ring 31 stromaufwärts
der Düse
und bewirkt eine entsprechende Verdrehung des elastischen Rings 3,
so daß sich
die Klappe 21 in eine Richtung ausrichtet. In der zweiten
Ausbildung (4) drückt der dargestellte Zylinder 4 den
beweglichen Ring 31 stromabwärts der Düse, so daß sich die Klappe 21 in
die entgegengesetzte Richtung ausrichtet. Die verschiedenen Zylinder 4 sind
vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang der Außenwand 16 verteilt.
In der Praxis werden wenigstens drei in Winkeln von 120° angeordnete
Zylinder verwendet. Außerdem
werden die jeweiligen Funktionsweisen der Zylinder 4 in
einer Weise synchronisiert, die ermöglicht, die gewünschte Ausrichtung
des Strahls zu erzielen. In der in 3 veranschaulichten
Ausbildung drücken
somit beispielsweise die zwei (nicht dargestellten) Zylinder, welche
in Winkeln von 120° zu
dem dargestellten Zylinder 4 angeordnet sind, den beweglichen
Ring 31, während
der dargestellte Zylinder 4 diesen Ring zieht.
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Neben
der Ausrichtung der divergierenden Klappen 21 ist es nach
der vorliegenden Erfindung möglich,
den Durchmesser des Halses C zu ändern. Zu
diesem Zweck sind Mittel zum Ausrichten der konvergierenden Klappen 20 vorgesehen,
die ermöglichen,
die konvergierenden Klappen 20 um die Anlenkpunkte 200 zu
verschwenken. Das Verschwenken der konvergierenden Klappen 20 um
die Punkte 200 führt
zu einer Bewegung der divergierenden Klappen 21. Die Klappen 20, 21 sowie
die Mittel zum Ausrichten der konvergierenden Klappen sind derart angeordnet,
daß die
kombinierte Bewegung der konvergierenden Klappen 20 und
der divergierenden Klappen 21 einem vorbestimmten Kinematikgesetz gerecht
wird, welches den Durchmesser des Halses C und den Durchmesser des
Auslaßquerschnitts
S der Düse
verbindet.
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Die
an sich bekannten Mittel zum Ausrichten der konvergierenden Klappen
umfassen typischerweise Zylinder 5, von denen einer in 1 dargestellt ist
und die an einem stromaufwärtigen
Ende 50 an dem feststehenden Teil 1 befestigt
und über
das freie Ende ihrer Stange mit einem Ring 6 verbunden
sind. In der neutralen Stellung der Düse hat der Ring 6 als Symmetrieachse
die Längsachse
der Düse,
welche in 1 durch AL bezeichnet ist. In
dem Ring 6 sind Rollen 7 angeordnet, die jeweils
einer Nockenfläche 8 auf
einer konvergierenden Klappe 20 folgen. In der Praxis ist
eine Rolle 7 pro gesteuerter konvergierender Klappe vorgesehen.
Die Bewegung der Rollen 7 auf den Nockenflächen 8 läßt die konvergierenden Klappen 20 um
die Anlenkpunkte 200 mit dem feststehenden Teil 1 verschwenken,
was den Durchmesser des Halses C verändert. In der Praxis sind vorzugsweise
wenigstens drei Zylinder 5 zum Steuern der konvergierenden
Klappen gleichmäßig über den Umfang
der Außenwand 16 des
feststehenden Teils 1 angeordnet und zwischen den Zylindern 4 eingefügt.
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Des
Weiteren weist jeder Zylinder 5 zum Steuern der konvergierenden
Klappen – wie
in den 1 und 5 gezeigt – seitliche Schwingarme 51 auf,
die auf beiden Seiten des Körpers
des Zylinders 5 angebracht sind. Die Schwingarme 51 sind
an einem stromaufwärtigen
Ende 510 an dem Körper
des Zylinders 5 und an einem stromabwärtigen Ende an einer mit dem
feststehenden Teil 1 der Düse fest verbundenen Montagelasche 52 angelenkt.
Die seitlichen Schwingarme 51 bilden mit den Zylindern 5 eine Anti-Dreh-Vorrichtung,
welche die Drehbewegungen des Rings 6 in einer Umfangsrichtung
der Düse,
welche zur Längsachse
AL der Düse
orthogonal verläuft, begrenzt.
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Der
elastische Ring 3, wie er in 2 dargestellt
ist, ist durchgehend. In einer Variante kann der elastische Ring 3 in
Abschnitte unterteilt sein. 6 zeigt
einen solchen in Abschnitte unterteilten elastischen Ring, der von
einer Einheit elastischer Stücke 3a gebildet
ist, die an einem ringförmigen,
beweglichen Stützring 31a angebracht
sind und jeweils einen ringförmigen,
festen Stützring 30a,
welcher mit dem feststehenden Teil 1 der Düse fest
verbunden ist, aufweisen.
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Außerdem weist
die Düse,
wie sie in den 1, 3 und 4 dargestellt
ist, eine konvergierende-divergierende Einheit auf, die von den
konvergierenden Klappen 20 und den divergierenden Klappen 21 gebildet
ist. In einer Variante kann lediglich einer der konvergierenden
und divergierenden Teile von Gelenkklappen gebildet sein. In dem
Beispiel, in welchem lediglich die divergierenden Klappen 21 beibehalten
werden, ist jede divergierende Klappe an einem Ende 202 an
einer Platte oder einem Schwingarm 22 angelenkt, die bzw.
der an dem beweglichen Stützring 31 befestigt
ist, und ist auch an einem Ende 201 (das nun mit dem Punkt 200 in 1 verschmolzen
ist) direkt an dem feststehenden Teil 1 angelenkt.