DE60027822T2 - Axialsymmetrische konvergent-divergente Schubdüse - Google Patents

Axialsymmetrische konvergent-divergente Schubdüse Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine axialsymmetrische konvergent-divergente Schubdüse für TL-Triebwerke, die einen Kranz konvergenter Klappen aufweist, die am hinteren Ende eines ringförmigen festen Aufbaus angelenkt sind, und einen Kranz divergenter Klappen aufweist, die am hinteren Ende der konvergenten Klappen angelenkt sind, wobei diese divergenten Klappen ferner mit einem Vektorisierungsring verbunden sind, der durch eine Vielzahl von an dem festen Aufbau verankerten Zylindern gesteuert wird, um die Regelung des Austrittsquerschnitts des divergenten Teils und die Umlenkung des Schubgasstrahls bezogen auf die Achse des TL-Triebwerks zu ermöglichen.
  • Die modernen axialsymmetrischen konvergent-divergenten Schubdüsen, die eine Strahlumlenkvorrichtung aufweisen, ermöglichen es, die Wendigkeit der damit ausgerüsteten Flugzeuge im Luft-Nahkampf zu erhöhen, die Startstrecke bis zum Abheben und die Erkennbarkeit am Radarschirm durch Beseitigung oder Reduzierung der Drift zu verringern sowie den Aktionsradius des Flugzeugs durch Verringerung des Luftwiderstandes zu erhöhen. Die neuesten von den Motorherstellern verwendeten Technologien bestehen darin, die Funktion der Vektorisierung des Schubs ausschließlich im Bereich der divergenten Klappen zu erreichen. Dieses Konzept ermöglicht rasche Ausrichtungsbewegungen, da die Massenträgheit in der Bewegung im Vergleich zu einer Lösung, bei der die gesamte Düse ausgerichtet wird, gering ist.
  • Bei den drehbaren Düsen dieses Typs sind die divergenten Klappen mit dem Vektorisierungsring durch Kaltstrom-Nebenklappen oder durch Stangen, die am hinteren Ende der divergenten Klappen angelenkt sind, verbunden. Wenn die Längsverschiebungen der Zylinderstangen in anderer Weise erfolgen, entsteht eine Kippbewegung der Ebene des Vektorisierungsrings bezogen auf die Achse des TL-Triebwerks, wobei die Kaltstrom-Nebenklappen oder die Stangen, die am hinteren Ende der divergenten Klappen angelenkt sind, mitgenommen werden, was zur Wirkung hat, dass die Strömungsbahn, die von der Vielzahl der divergenten Klappen gebildet wird, bezogen auf die Achse des TL-Triebwerks geneigt wird. Wenn die Verschiebungen der Zylinderstangen identisch sind, verschiebt sich der Vektorisierungsring in einer Vorschubbewegung, wodurch der Austrittsquerschnitt des divergenten Teils der Düse verändert werden kann.
  • Um den Neigungswinkel vollkommen zu beherrschen, ist es erforderlich, dass der Vektorisierungsring gegenüber dem ringförmigen festen Aufbau festgehalten wird. Zudem bringt die Neigung des Schubvektors eine differenzierende Druckverteilung auf den Umfang der divergenten Klappen und auf die Kaltstrom-Nebenklappen oder die Stangen, die den Vektorisierungsring mit den divergenten Klappen verbinden, mit sich. Dadurch werden seitliche Kräfte auf den Vektorisierungsring ausgeübt, der mit dem ringförmigen festen Aufbau der Düse verbunden ist.
  • Es sind mehrere Lösungen bekannt, um den Vektorisierungsring im Wesentlichen konzentrisch zur Achse des TL-Triebwerks zu halten und zu verhindern, dass er sich unter der Einwirkung der oben dargelegten seitlichen Kräfte seitlich verschiebt.
  • In der Schrift WO 92/03649 weist der Vektorisierungsring drei radiale Gleitkufen auf, die nach außen gerichtet sind und in gleichmäßigen Abständen von 120° um die Achse des Rings herum verteilt angeordnet sind, und die in axialen Schienen gleiten, welche in Abständen von 120° um die Achse des TL-Triebwerks herum angeordnet und fest mit dem festen Aufbau verbunden sind, wobei die Zylinderstangen am Ende der Gleitkufen angelenkt sind. Diese Gleitkufen und diese Schienen gewährleisten die Positionierung des Vektorisierungsrings und die Aufnahme der seitlichen Kräfte.
  • In der Schrift US 5 239 815 wird die Positionierung des Vektorisierungsrings durch eine mit dem Vektorisierungsring fest verbundene kugelförmige Wand gewährleistet, die sich in Anlage an einer fest mit dem festen Aufbau verbundenen Außenwand befindet, und die Aufnahme der seitlichen Kräfte wird durch Rollen gewährleistet, die an dem Ring sitzen und in Schienen rollen, die mit dem festen Aufbau verbunden sind.
  • In der Schrift US 5 174 502 ist vorgesehen, dass durch rechtwinklige Schienen, die fest mit dem festen Aufbau verbunden sind und von den Zylindern unabhängig sind, der Vektorisierungsring positioniert und die seitlichen Kräfte aufgenommen werden, wobei diese Schienen durch Kugeln, die in Kopfstücken sitzen, welche radial an der Schiene angelenkt sind, mit dem Vektorisierungsring verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionen der Betätigung und der Positionierung des Vektorisierungsrings sowie die Aufnahme der seitlichen Kräfte, die auf Grund der Vektorisierung des Schubgasstrahls entstehen, auf die Zylinder zu konzentrieren.
  • In der Schrift EP-A-0 687 810 wird ferner eine Düse beschrieben, bei der die Zylinder durch eine Kugelgelenkverbindung mit dem Vektorisierungsring verbunden sind und dergestalt an dem festen Aufbau befestigt sind, dass sie die tangentialen Kräfte aufnehmen, die durch die Schubgase auf die divergenten Klappen ausgeübt werden, und die Positionierung des Vektorisierungsrings ermöglichen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Zylinder einen Zylinderkörper, der vorn an dem festen Aufbau angelenkt ist, um in einer radialen Ebene schwenken zu können, eine Gleithülse, die mit dem Vektorisierungsring durch die Kugelgelenkverbindung verbunden ist und geeignet ist, auf der Außenfläche des Zylinderkörpers zu gleiten, sowie einen Kolben, der gleitend in dem Körper eingesetzt ist und dessen Stange fest mit der Gleithülse verbunden ist, auf.
  • Vorzugsweise ist das Ende der Kolbenstange durch eine Gleitverbindung mit einer vertikalen Wand der Gleithülse verbunden.
  • Vorteilhafterweise gleitet die Gleithülse zwischen zwei mit dem festen Aufbau verbundenen Rollen.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist der Zylinder einen Zylinderkörper, der vorn an dem festen Aufbau angelenkt ist, um in einer radialen Ebene schwenken zu können, einen Kolben, der in dem Zylinderkörper gleitet, und eine Kolbenstange, deren Ende durch die Kugelgelenkverbindung mit dem Vektorisierungsring verbunden ist, auf.
  • Vorteilhafterweise gleitet der Zylinderkörper radial zwischen zwei Führungen, die fest mit dem festen Aufbau verbunden sind.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung weist der Zylinder einen Zylinderkörper, der an dem festen Aufbau befestigt ist, einen Kolben, der in dem Zylinderkörper gleitet, und eine Kolbenstange, deren Ende kugelgelenkartig mit einer Verbindungsstange verbunden ist, die ihrerseits radial an dem Vektorisierungsring angelenkt ist, auf.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante besteht der Vektorisierungsring aus zwei Teilen, die an zwei diametral gegenüberliegenden Scharnieren angelenkt sind.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei
  • 1 einen Schnitt in einer axialen, vertikalen Ebene einer axialsymmetrischen konvergent-divergenten Schubdüse gemäß dieser Erfindung in einer ersten Ausführungsform zeigt,
  • 2 einen Schnitt in einer axialen Ebene, die durch die Achse eines Steuerzylinders des Vektorisierungsrings der Düse von 1 verläuft, zeigt,
  • 3 analog zu 2 eine Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 4 eine Seitenansicht eines Steuerzylinders des Vektorisierungsrings gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 5 eine radiale Ansicht des Steuerzylinders gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
  • 6 eine Ausführungsvariante der Erfindung zeigt.
  • 1 zeigt eine axialsymmetrische, konvergent-divergente Schubdüse 1, die hinter einem ringförmigen Gehäuse 2 mit der Achse X einen ersten Kranz konvergenter Klappen 3 aufweist, deren vorderes Ende 4 am hinteren Ende 5 des Gehäuses 2 angelenkt ist, und hinter dem Kranz konvergenter Klappen 3 einen zweiten Kranz divergenter Klappen 6 aufweist, deren vorderes Ende 7 am hinteren Ende 8 der konvergenten Klappen 3 angelenkt ist. Jeder Klappenkranz enthält die gleiche Anzahl gesteuerter Klappen, die zwischen Folgeklappen angeordnet sind.
  • Die divergenten Klappen 6 sind mit ihrem hinteren Ende 9 am hinteren Ende 10 von Stangen 11 angelenkt, deren vorderes Ende 12 an einem Vektorisierungsring 13 angelenkt ist, der die konvergenten Klappen 3 umgibt. Die Stangen 11 können durch Kaltstrom-Nebenklappen ersetzt werden oder können Kaltstromklappen halten, die in aerodynamischer Verlängerung des Rumpfs des mit der Schubdüse 1 ausgerüsteten TL-Triebwerks angeordnet sind.
  • Jede gesteuerte konvergente Klappe 3 weist an ihrer Außenseite eine Nocke 14 auf, an der sich eine Rolle 15 in Anlage befindet, die an einem Steuerring 16 sitzt, welcher durch eine Vielzahl von Zylindern 17 betätigt wird, die an der Außenseite des Gehäuses 2 verankert sind. Der Steuerring 16 kann sich dadurch, dass die Stangen 18 der Zylinder 17 synchron betätigt werden, in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen den konvergenten Klappen 3 und dem Vektorisierungsring 13 parallel zur Achse X des Gehäuses 2 verschieben.
  • Das axiale Verschieben des Steuerrings 16 bewirkt die Veränderung des kreisförmigen Austrittsquerschnitts A8 des divergenten Teils der Düse 1.
  • Der Vektorisierungsring 13 wird durch eine Vielzahl von Steuerzylindern 20 betätigt, die vorn an der Außenseite des Gehäuses 2 verankert sind. Diese Steuerzylinder 20, beispielsweise 3 an der Zahl, sind in Abständen von 120° um das Gehäuse 2 herum verteilt angeordnet. Wenn die Stangen 21 der Zylinder 20 um die gleiche Länge herausgeschoben sind, ist der Vektorisierungsring 13 in einer Ebene angeordnet, die sich im rechten Winkel zur Achse X erstreckt. Wenn jedoch die Stangen 21 der Zylinder 20 anders verschoben werden, erfolgt eine Schwenkbewegung des Vektorisierungsrings 13, der die Stangen 11 mitnimmt, die mit dem Ende der divergenten Klappen 6 verbunden sind, was zur Wirkung hat, dass die von den divergenten Klappen gebildete Strömungsbahn der Schubgase um einen Winkel α gegenüber der Achse X geneigt wird, wie in 1 dargestellt. Die Neigung des Schubvektors bewirkt einen differenzierenden Druck auf den Außenumfang der divergenten Klappen 6 und auf die Stangen 11. Dadurch werden seitlich auf den Vektorisierungsring 13 wirkende Kräfte erzeugt.
  • Gemäß dieser Erfindung nehmen die Zylinder 20 die tangentialen Kräfte der Vektorisierung auf.
  • Hierzu ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den 1, 2 und 3 dargestellt wird, der Zylinder 20 in der Form eines Wellenlagerzylinders ausgeführt, der mit dem Vektorisierungsring 13 über ein Kugelgelenk 22 verbunden ist, welches als Mittelpunkt den Punkt 23 hat. Das Kugelgelenk 22 ermöglicht eine Drehung des Vektorisierungsrings 13 um den Punkt 23 in allen Richtungen. Das Kugelgelenk 22 ist fest mit der Endwand 24 einer Gleithülse 25 verbunden, die axial auf der Außenfläche des Körpers 26 des Zylinders 20 gleitet. Diese Gleitbewegung wird durch geeignete Mittel 27 erzielt, entweder mittels einer Kugelgleitschiene, wie in 2 gezeigt, oder mittels eines klassischen Lagersystems wie dem in 3 dargestellten.
  • Ein Kolben 28 ist gleitend in dem Zylinderkörper 26 eingebaut. Dieser Kolben 28 ist fest mit der Kolbenstange 21 verbunden. Letztere ist mit der Gleithülse 25 an deren vertikaler Wand 29 verbunden, welche sich im Bereich der Endwand 24 befindet. Um zu vermeiden, dass über die Wand 29 der Gleithülse 25 bei der Aufnahme der am Punkt 23 wirkenden tangentialen Vektorisierungskräfte eine Biegekraft auf das Ende der Stange 21 ausgeübt wird, ist die Verbindung des Endes der Stange 21 mit der Wand 29 auf ihren beiden Seiten gleitend und vermittels einer Gesamtanordnung von Scheiben mit kugelförmiger Auflagefläche 30 rotierend angebracht. Das vordere Ende des Zylinderkörpers 26 ist mit einem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen Aufbauelement 31 über ein gabelförmiges Gelenk 32 verbunden, das radial gelenkig ist. Die Bezugszahl 33 bezeichnet eine Spannstange, die das Gelenk 32 mit einem festen Aufbau des hinteren Teils des Gehäuses 2 verbindet und dazu vorgesehen ist, wenigstens einen Teil der axialen Kräfte aufzunehmen, die von der Kolbenstange 21 ausgeübt werden.
  • So kann der Zylinder 20 abhängig von der Positionierung des Vektorisierungsrings 13 in einer radialen Ebene schwenken, die durch die Achse X verläuft.
  • Auf Grund des oben beschriebenen Aufbaus des Zylinders 20 hält die Kolbenstange 21 lediglich axialen Kräften stand, während die tangentialen Kräfte der Vektorisierung von der Gleithülse 25, dem Zylinderkörper 26 und dem Aufbauelement 31 aufgenommen werden.
  • Zur Verringerung der Kraft, die sich auf das Aufbauelement 31 konzentriert, gleitet die Gleithülse 25 radial zwischen zwei Rollen 40, die mit dem Gehäuse 2 verbunden sind. Diese Rollen verhindern die tangentiale Drehbewegung des Zylinders 20. Das tangentiale Moment der Vektorisierung, das von dem Punkt 23 aus auf die Gesamtanordnung des Wellenlagerzylinders 20 einwirkt, wird zwischen den Rollen 40 und dem Gelenkpunkt 32 des Zylinderkörpers 26 mit dem Aufbauelement 31 ausbalanciert.
  • Die Arbeitsweise der Vektorisierungssteuerung wird im Folgenden beschrieben.
  • Um die Ausrichtung des Schubvektors der Düse 1 zu erreichen, werden die Steuerzylinder 20 des Vektorisierungsrings 13 jeweils unabhängig voneinander gesteuert.
  • Der Kolben 28 gleitet axial in dem Zylinderkörper 26 und treibt dabei die Stange 21. Diese zieht oder schiebt die Wand 29 über die kugelförmigen Scheiben 30. Die Wand 29 bewegt die Gleithülse 25, die in der Kugelgleitschiene 27 oder den Lagern gleitet, und positioniert so die Kugelgelenkpunkte 22 an die erforderliche Stelle, um den Vektorisierungsring 13 in eine Stellung dergestalt zu bringen, dass über die Stangen 11 oder die Kaltstrom-Nebenklappen die divergenten Klappen 6 positioniert werden und die Schubrichtung der Düse 1 ausgerichtet wird.
  • Bei dieser Bewegung schwenken die Verbindungsbügel 41 der Kugelgelenke 22 zum Vektorisierungsring 13 allseitig drehbar um den Punkt 23. Die Gesamtanordnung des Wellenlagerzylinders 20 schwenkt radial um das Gelenk 32, und die Gleithülse 25 gleitet zwischen den beiden Rollen 40.
  • Die durch die Vektorisierung erzeugten, auf die divergenten Klappen 6 wirkenden aerodynamischen Kräfte werden über die Stangen 11 oder die Kaltstrom-Nebenklappen, die auf den Vektorisierungsring 13 eine axiale Kraft und eine radiale Kraft ausüben, auf diesen Vektorisierungsring 13 übertragen.
  • Die axiale Kraft wird durch die Kolben 28 ausbalanciert, die das Steuerfluid aufnehmen. Die seitliche Kraft wird über die Kugelgelenkpunkte 23 tangential auf die Wellenlagerzylinder 20 übertragen.
  • 3 zeigt eine Ausführungsvariante, die sich von der in 2 dargestellten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Führungslager 40 nicht vorhanden sind. In diesem Fall wird die an dem Punkt 23 ansetzende tangentiale Biegungskraft insgesamt auf die Gesamtanordnung des Wellenlagerzylinders 20 übertragen, und zwar bis zu dem Gelenk 32 an dem Aufbauelement 31.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in den Zeichnungen nicht gezeigt wird, werden die tangentialen Biegungskräfte der Vektorisierung von den Kolbenstangen 21 aufgenommen. In diesem Fall ist die Gleithülse 25 weggelassen und der Kugelgelenkpunkt 23 befindet sich am hinteren Ende der Kolbenstange 21.
  • Die Führung der Stange 21 wird dabei durch den Zylinderkörper 26 gewährleistet. Die Rollen 40 können in diesem Fall durch zwei mit dem Gehäuse 2 fest verbundene Führungen ersetzt werden, zwischen denen der Zylinderkörper 26 radial gleiten kann. Bei dieser zweiten Ausführungsform ist der Zylinderkörper 26 ebenfalls dergestalt an einem Aufbauelement 31 angebracht, dass er radial um ein Gelenk 32 schwenken kann. Desgleichen ist eine Spannstange 33 zwischen dem Gelenk 32 und dem hinteren Ende des Gehäuses 2 vorgesehen.
  • Die 4 und 5 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Hier ist der Zylinderkörper 26 des Zylinders 20 gegenüber dem Gehäuse 2 feststehend angebracht. Um die radialen Bewegungen des Vektorisierungsrings 13 zu ermöglichen, ist dieser mit dem Ende der Stange 21 des Zylinders 20 durch eine Verbindungsstange 50 verbunden, die in Punkt 51 radial an einem mit dem Vektorisierungsring 13 fest verbundenen Verbindungsbügel 52 angelenkt ist und im Punkt 53 kugelgelenkartig am Ende der Kolbenstange 21 angelenkt ist.
  • Bei einer möglichen Variante dieser dritten Ausführungsform der Erfindung könnte der Kugelgelenkpunkt 53 zwischen der Verbindungsstange 50 und dem Vektorisierungsring 13 angeordnet und der radial gelenkige Verbindungsbügel 52 als Verbindung zwischen der Kolbenstange 21 und der Verbindungsstange 50 angeordnet sein.
  • 6 zeigt eine Variante, die bei den drei oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann. Mit dieser Variante kann ein zweiter Freiheitsgrad bei der Regulierung des von der Hinterkante der divergenten Klappen 6 gebildeten Querschnitts erzielt werden.
  • Hier ist der Vektorisierungsring 13, der von den Zylindern 20 selbsttätig gehalten wird, in zwei Teilen 13a, 13b ausgeführt, die an zwei einander diametral gegenüberliegenden Scharnieren 60 angelenkt sind. Mit den Scharnieren 60 können die Kugelgelenkpunkte 23 in der Form einer Universalverbindung zusammenfassen.
  • Der zweiteilige Vektorisierungsring 13 wird durch die gleichen Zylinder 20 wie die oben beschriebenen gehalten und betätigt. Ihre Anzahl und Anordnung werden so bestimmt, dass die Stabilität der Vorrichtung gewährleistet ist. Bei Vektorisierungsbewegungen wird der Hub der Stangen 21 der Zylinder 20 dahingehend gesteuert, dass die Teile 13a und 13b dergestalt ausgeschwenkt werden, dass über die Stangen 11 die von der Hinterkante der divergenten Klappen 6 gebildete Fläche verformt wird, um den Austrittsquerschnitt zu jedem Flugzeitpunkt zu regeln und so die Leistung der Düse 1 zu erhalten, wenn diese ausgerichtet wird.

Claims (5)

  1. Axialsymmetrische konvergent-divergente Schubdüse für TL-Triebwerke, die einen Kranz konvergenter Klappen (3) aufweist, die am hinteren Ende (5) eines ringförmigen festen Aufbaus (2) angelenkt sind, und einen Kranz divergenter Klappen (6) aufweist, die am hinteren Ende (8) der konvergenten Klappen (3) angelenkt sind, wobei diese divergenten Klappen (6) ferner mit einem Vektorisierungsring (13) verbunden sind, der durch eine Vielzahl von an dem festen Aufbau (2) verankerten Zylindern (20) gesteuert wird, um die Regelung des Austrittsquerschnitts des divergenten Teils und die Umlenkung des Schubgasstrahls bezogen auf die Achse des TL-Triebwerks zu ermöglichen, wobei die Zylinder (20) durch eine Kugelgelenkverbindung (22) mit dem Vektorisierungsring (13) verbunden sind, wobei jeder Zylinder (20) an dem festen Aufbau (2) über ein Aufbauelement (31) und ein Gelenk (32) verbunden ist und eine Gleithülse (25) zur Aufnahme der tangentialen Kräfte aufweist, die geeignet ist, auf der Außenfläche des Zylinders (20) zu gleiten.
  2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (20) einen Zylinderkörper (26), der vorn an dem festen Aufbau (2) angelenkt ist, um in einer radialen Ebene schwenken zu können, die Gleithülse (25), die geeignet ist, auf der Außenfläche des Zylinderkörpers (26) zu gleiten, und mit dem Vektorisierungsring (13) durch die Kugelgelenkverbindung (22) verbunden ist, sowie einen Kolben (28), der gleitend in dem Körper (26) eingesetzt ist und dessen Stange (21) fest mit der Gleithülse (25) verbunden ist, aufweist.
  3. Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Kolbenstange (21) durch eine Gleitverbindung (30) mit einer vertikalen Wand (29) der Gleithülse (25) verbunden ist.
  4. Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleithülse (25) zwischen zwei mit dem festen Aufbau (2) verbundenen Rollen (40) gleitet.
  5. Schubdüse nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektorisierungsring (13) aus zwei Teilen (13a, 13b) besteht, die an zwei diametral gegenüberliegenden Scharnieren (60) angelenkt sind.
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