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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist das Ende der Kolbenstange durch eine Gleitverbindung mit einer
vertikalen Wand der Gleithülse
verbunden.
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Vorteilhafterweise
gleitet die Gleithülse
zwischen zwei mit dem festen Aufbau verbundenen Rollen.
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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.
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Vorteilhafterweise
gleitet der Zylinderkörper radial
zwischen zwei Führungen,
die fest mit dem festen Aufbau verbunden sind.
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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.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
besteht der Vektorisierungsring aus zwei Teilen, die an zwei diametral
gegenüberliegenden
Scharnieren angelenkt sind.
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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
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1 einen
Schnitt in einer axialen, vertikalen Ebene einer axialsymmetrischen
konvergent-divergenten Schubdüse
gemäß dieser
Erfindung in einer ersten Ausführungsform
zeigt,
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2 einen
Schnitt in einer axialen Ebene, die durch die Achse eines Steuerzylinders
des Vektorisierungsrings der Düse
von 1 verläuft,
zeigt,
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3 analog
zu 2 eine Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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4 eine
Seitenansicht eines Steuerzylinders des Vektorisierungsrings gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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5 eine
radiale Ansicht des Steuerzylinders gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und
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6 eine
Ausführungsvariante
der Erfindung zeigt.
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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.
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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.
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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.
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Das
axiale Verschieben des Steuerrings 16 bewirkt die Veränderung
des kreisförmigen
Austrittsquerschnitts A8 des divergenten Teils der Düse 1.
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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.
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Gemäß dieser
Erfindung nehmen die Zylinder 20 die tangentialen Kräfte der
Vektorisierung auf.
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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.
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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.
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So
kann der Zylinder 20 abhängig von der Positionierung
des Vektorisierungsrings 13 in einer radialen Ebene schwenken,
die durch die Achse X verläuft.
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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.
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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.
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Die
Arbeitsweise der Vektorisierungssteuerung wird im Folgenden beschrieben.
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Um
die Ausrichtung des Schubvektors der Düse 1 zu erreichen,
werden die Steuerzylinder 20 des Vektorisierungsrings 13 jeweils
unabhängig
voneinander gesteuert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.