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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine konvergent-divergente Düse eines
Turbostrahltriebwerks. Derartige konvergent-divergente Düsen, die nachfolgend
als CV-DV-Düsen
bezeichnet werden, werden im allgemeinen bei Turbostrahltriebwerken von
militärischen Überschallflugzeugen
eingesetzt.
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1 zeigt
auf schematische Weise eine CV-DV-Düse 1 bekannter Art.
Diese Düse
mit der Achse X umfaßt
einen ersten Kranz konvergenter Klappen 2 sowie einen zweiten
Kranz divergenter Klappen 4. Unter den konvergenten Klappen 2 und den
divergenten Klappen 4 unterscheidet man zwischen den gesteuerten
Klappen 2a, 4a und den Folgeklappen 2b, 4b.
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Die
gesteuerten Klappen 2a, 4a sind mit einem Steuerungsmechanismus 5 verbunden,
der ermöglicht,
diese zu bewegen. Dieser Steuerungsmechanismus ist im allgemeinen
von Hebeln, Schwingarmen, Bügeln
oder einem Ring, von Rollen und von Nocken gebildet. Das Bewegen
der gesteuerten Klappen 2a, 4a ermöglicht,
die Öffnung
der Düse 1 in Abhängigkeit
von den Flugbedingungen zu verändern,
und aus diesem Grund spricht man von einer Düse mit variablem Querschnitt.
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Die
Folgeklappen 2b, 4b sind zwischen den gesteuerten
Klappen angeordnet und liegen auf beiden Seiten im Bereich ihrer
Seitenränder
auf der radial inneren Seite der gesteuerten Klappen 2a, 4a auf.
Die Folgeklappen sind folglich nicht mit einem Steuerungsmechanismus
verbunden, sie folgen lediglich den gesteuerten Klappen 2a, 4a.
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Die
Radialrichtung ist in der vorliegenden Abhandlung als die senkrecht
zur X-Achse der Düse verlaufende
Richtung definiert, und die Innenseite eines Elements ist als die
der X-Achse gegenüberliegende
Fläche
des Elements definiert.
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Während des
Betriebs des Turbostrahltriebwerks wird de Düse 1 von einem Strom
heißer
Gase, die aus dem Nachbrenner des Turbostrahltriebwerks stammen,
durchströmt.
Der Mechanismus 5 zur Steuerung der gesteuerten Klappen 2a, 4a unter
Veränderung
der Öffnung
der Düse
ermöglicht,
die Ausströmgeschwindigkeit
des Gasstroms am Ausgang der Düse
zu erhöhen
oder zu verringern.
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Die
Temperaturen des Stroms heißer
Gase, welche die CV-DV-Düse
durchströmen,
sind im allgemeinen sehr hoch, so daß mehrere Kühlsysteme entwickelt worden
sind, um die Erhitzung der radial inneren Flächen der Klappen der Düse zu begrenzen.
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Das
Patent
US 5,775,589 beschreibt
eine CV-DV-Düse
für ein
militärisches
Turbostrahltriebwerk, mit divergenten Folgeklappen, die mit Kühlluft versorgt
werden.
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Diese
Luft zirkuliert innerhalb der Klappen, bevor sie über Perforierungen,
die in der Innenwand dieser Klappen ausgebildet sind, entweicht;
man spricht hier von Mehrfachlochungen. So bildet sich an der Oberfläche dieser
Wand ein Luftschutzfilm, der den Wärmeaustausch zwischen dieser
Wand und den genannten heißen
Gasen begrenzt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
werden die gesteuerten divergenten Klappen nicht mit Kühlluft beaufschlagt
und weisen folglich keine Mehrfachlochungen auf; es sind lediglich
Mittel vorgesehen, um im Bereich des Halses (der kleinste Querschnitt)
der Düse
Luft einzublasen, um diese Klappen zu kühlen. Nun sind aber derartige
Mittel nicht ausreichend, um die gesteuerten divergenten Klappen
einwandfrei zu kühlen,
insbesondere in den Bereichen dieser Klappen, die von dem genannten
Hals entfernt liegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Kühlung der
gesteuerten Klappen einer CV-DV-Düse zu verbessern, insbesondere
dann, wenn die gesteuerten divergenten Klappen selbst nicht mit
Kühlluft
versorgt werden.
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Zur
Erreichung dieses Ziels ist der Gegenstand der Erfindung eine CV-DV-Düse eines
Turbostrahltriebwerks, mit gesteuerten divergenten Klappen, divergenten
Folgeklappen, die zwischen den gesteuerten Klappen angeordnet sind,
und mit Mitteln, um die divergenten Folgeklappen mit Kühlluft zu
beaufschlagen, wobei letztere eine kastenförmige Struktur mit einer radial
inneren Wand und einer radial äußeren Wand
aufweisen. Gemäß der Erfindung weisen
die divergenten Folgeklappen ferner Seitenöffnungen auf, die dazu bestimmt
sind, Kühlluft
zur Innenseite der gesteuerten divergenten Klappen zu liefern, um
letztere zu kühlen.
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Die
Erfindung verwendet somit einen Teil der Kühlluft, mit der die divergenten
Folgeklappen beaufschlagt werden, um die Innenseite der gesteuerten divergenten
Klappen zu kühlen.
Dies erweist sich als besonders nützlich, wenn die gesteuerten
divergenten Klappen selbst nicht mit Kühlluft versorgt werden.
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Die
Tatsache, daß die
Erhitzung der gesteuerten divergenten Klappen begrenzt wird, ermöglicht einerseits,
die Lebensdauer der Teile dieser Klappen zu erhöhen und ermöglicht andererseits, im Rahmen militärischer
Operationen, die Infrarottarnung der Düse des Flugzeugs zu verbessern.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung sind die Außenwand
und die Innenwand der Düse
im Bereich ihrer Seitenenden ineinander gesteckt, wobei weiterhin
die Möglichkeit
besteht, daß sie
sich untereinander verschieben lassen.
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So
sind die mechanischen Spannungen innerhalb der Klappe während des
Betriebs des Turbostrahltriebwerks begrenzt, da sich die Wände untereinander
verschieben lassen. Derartige mechanische Spannungen können beispielsweise
aus den Dehnungsunterschieden zwischen der Außen- und der Innenwand aufgrund
der Tatsache, daß diese Wände unterschiedlichen
Temperaturen ausgesetzt sind, resultieren.
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Des
weiteren ist es zur Optimierung der Leistungen einer CV-DV-Düse wünschenswert,
das Entweichen von heißen
Gasen zwischen den gesteuerten divergenten Klappen und den divergenten
Folgeklappen zu minimieren. Aus diesem Grund muß jede Folgeklappe eine Torsionsnachgiebigkeit
aufweisen, so daß ihre
Seitenränder
in Kontakt mit der Innenfläche
der beiden sie umgebenden gesteuerten Klappen bleiben, selbst dann,
wenn zwischen diesen zwei Klappen ein leichter Versatz vorhanden
ist, was mit dem Verschleiß der
Systeme zur Steuerung dieser Klappen an Häufigkeit zunimmt. Diese Torsionsnachgiebigkeit
wird dank der Möglichkeiten
verbessert, daß die
Außen-
und die Innenwand sich untereinander verschieben lassen.
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Des
weiteren sind die Seitenenden der Außenwand und der Innenwand gebogen,
um die Kontakte zwischen den Seitenrändern der divergenten Folgeklappen
und der Innenfläche
der gesteuerten divergenten Klappen zu begünstigen.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung weisen die Außenwand
und die Innenwand der Düse
jeweils Löcher
entlang ihrer Seitenenden auf. Die Löcher von einer der Wände liegen
den Löchern
der anderen Wand gegenüber,
wenn diese Wände
ineinander gesteckt sind, und bilden so die genannten Seitenöffnungen.
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Vorteilhafterweise
weisen die Löcher
von einer der Wände
einen Querschnitt auf, der größer ist als
derjenige der Löcher
der anderen Wand, so daß das
Loch mit dem kleineren Querschnitt stets in das Loch mit dem größeren Querschnitt
mündet,
und zwar unabhängig
von der Stellung der Innen- und Außenwände untereinander. Dies gewährleistet
das Vorliegen von Seitenöffnungen,
wenn sich die Innen- und Außenwände infolge
von Dehnungs- oder Torsionserscheinungen der Klappe zueinander verschieben.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung weisen die Innenwand und die Außenwand der divergenten Folgeklappen
jeweils wenigstens einen an ihrem seitlichen Umfang ausgebildeten Einschnitt
auf, der in eines der Löcher
mündet.
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Ein
solcher Einschnitt ermöglicht,
die mit der Dehnung der Wände
oder mit der Torsion der Klappe verbundenen mechanischen Spannungen
innerhalb der Klappe zu verringern. Überdies wird das Auftreten
von Rissen am Ende des Einschnitts vermieden, da jeder Einschnitt
in eines der genannten Löcher mündet.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung weist jede divergente Folgeklappe außerdem einen Steg auf, der
zwischen ihrer Innenwand und ihrer Außenwand in der Symmetrieebene der
Klappe gelegen ist. Dieser Steg verstärkt die Struktur der Klappe
und ermöglicht
ihr, ihre Form selbst dann beizubehalten, wenn die Drücke, die durch
den Strom von die Düse
durchströmenden
heißen
Gasen auf ihre Innenwand ausgeübt
werden, hoch sind.
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Vorteilhafterweise
ist die Düse
dadurch gekennzeichnet, daß jede
divergente Folgeklappe ferner eine Gleitschiene umfaßt, die
mit der Außenwand der
Klappe fest verbunden ist, und daß der Steg einen allgemein
I-förmigen
Querschnitt aufweist, wobei die Basis des Steges an der Innenwand
der Klappe befestigt ist und wobei dessen oberer Teil geeignet ist,
in der Gleitschiene zu gleiten.
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Diese
besondere Struktur gestattet die Bewegung der Innenwand der Klappe
gegenüber
ihrer Außenwand.
Auf diese Weise gelingt es, die Struktur der Klappe zu verstärken und
gleichzeitig die Flexibilität
oder Nachgiebigkeit dieser Struktur zu bewahren.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung weist die radial innere Wand der divergenten Folgeklappen
ferner Perforierungen auf, die geeignet sind, die Kühlluft entweichen
zu lassen. Dies ermöglicht,
einen Luftschutzfilm an der Oberfläche der Klappe auszubilden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden die gesteuerten divergenten Klappen nicht mit
Kühlluft
beaufschlagt und werden folglich nur über die an den Folgeklappen
vorhandenen Seitenöffnungen
gekühlt.
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Diese
Ausführungsform
vereinfacht die Struktur der CV-DV-Düse erheblich, da sie ermöglicht,
gesteuerte divergente Klappen auszubilden, die keine für den Durchgang
der Kühlluft
erforderliche kastenförmige
Hohlstruktur aufweisen. Im Gegenteil, es können Klappen realisiert werden,
die eine sogenannte einhäutige
Struktur, d.h. eine Struktur mit einer einzigen Wand aufweisen.
Es ist nun ein Leichtes, diese Art von gesteuerter Klappe mit den
Steuerorganen, die diese lenken, zu verbinden.
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Die
Erfindung sowie deren Vorteile werden beim Lesen der detaillierten
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die anhand der
nachfolgenden Figuren veranschaulicht ist, besser verständlich:
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1 zeigt
eine Perspektivansicht einer CV-DV-Düse des Standes der Technik;
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2 ist
eine Querschnittansicht einer divergenten Folgeklappe einer erfindungsgemäßen Düse;
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die 3a und 3b zeigen
Ansichten von Einzelheiten der Seitenöffnungen der Klappe der 2;
und
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4 zeigt
einen Teil der divergenten Klappen einer erfindungsgemäßen Düse, von
der Innenseite der Düse
aus gesehen;
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5 ist
eine Perspektivansicht einer CV-DV-Düse gemäß der Erfindung; und
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6 zeigt
auf schematische Weise im axialen Halbschnitt eine erfindungsgemäße CV-DV-Düse.
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Die
allgemeine Struktur der erfindungsgemäßen Düse ist ähnlich der Struktur der in 1 und
zuvor beschriebenen Düse.
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Die
Düse 1 umfaßt konvergente
Klappen 2 und divergente Klappen 4. Unter den
divergenten Klappen 4 unterscheidet man zwischen den gesteuerten
divergenten Klappen 4a und den divergenten Folgeklappen 4b.
Jede divergente Folgeklappe 4b stützt sich an den beiden benachbarten
gesteuerten divergenten Klappen in einem Bereich ab, der sich in Höhe ihrer
Seitenränder
befindet.
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Die
gesteuerten divergenten Klappen 4a sind an ihrem stromaufwärtigen Ende
an den stromabwärtigen
Enden der gesteuerten konvergenten Klappen 2a angelenkt,
und die divergenten Folgeklappen 4b sind ebenfalls an ihrem
stromaufwärtigen Ende
an den stromabwärtigen
Enden der konvergenten Folgeklappen 2b angelenkt.
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Jede
divergente Folgeklappe 4b weist eine kastenförmige Struktur
sowie einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf, der
in 2 dargestellt ist, mit einer radial inneren Wand 6 und
einer radial äußeren Wand 8.
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Die
Seitenenden 8a der Außenwand 8 und die
Seitenenden 6a der Innenwand 6 sind umgebogen,
und die Biegungen der Seitenenden 6a und 8a sind
derart, daß die
Innen- und Außenwand 6 und 8 ineinander
gesteckt werden können,
wobei die Enden der Innenwand 6a diejenigen der Außenwand 8 überlappen.
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Des
weiteren bilden die Seitenenden 6a der Innenwand 6 eine
Gleitschiene für
die Seitenenden 8a der Außenwand 8, so daß sich diese
Wände in axialer
Richtung untereinander verschieben lassen.
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Die
Seitenränder
der Klappe 4b sind demnach durch die Überlappung der Seitenenden
der Innenwand 6 und der Außenwand 8 gebildet.
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Die
Folgeklappe 4b ist auch mit mehreren Stegen 20 versehen,
die gleichmäßig entlang
der Klappe verteilt angeordnet sind und die sich zwischen der Innenwand 6 und
der Außenwand 8 in
der Symmetrieebene der Klappe befinden.
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Der
Steg 20 ist von einem geradlinigen Verbindungselement gebildet,
das mit einer Basis und einem oberen Teil, die senkrecht zu dem
Verbindungselement verlaufen, verbunden ist, wobei der Querschnitt
des Steges allgemein die Form eines I aufweist. Die Basis des Steges
ist durch Schweißen,
Löten oder
durch jedwedes andere geeignete Befestigungsmittel an der Innenwand 6 der
Klappe befestigt. Der obere Teil des Steges 20 besteht
aus zwei Schenkeln 20a, die auf beiden Seiten des Verbindungselements
des Steges 20 senkrecht zur Richtung dieses Verbindungselements
auseinanderlaufen.
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An
der Außenwand 8 der
Klappe ist eine axiale Gleitschiene 22 befestigt, in der
ein Schlitz 24 ausgebildet ist, der sich entlang der Symmetrieebene der
Klappe erstreckt. Die Breite des Schlitzes 24 ist größer als
die Dicke des Verbindungselements des Steges 20, und der
Steg 20 kann folglich entlang der Richtung des Schlitzes
in der Gleitschiene 22 gleiten. Die Schenkel 20a des
Steges 20 erstrecken sich zwischen der Gleitschiene 22 und
der Außenwand 8 und sind
in der Lage, an dem einen oder dem anderen dieser Teile in Anschlag
zu gelangen, um die Annäherung
oder das Entfernen der Innenwand 6 und der Außenwand 8 zu
begrenzen, wodurch die Informhaltung der Klappe verbessert wird.
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Wie
in den 3a und 3b dargestellt, weisen
die Innen- und die Außenwand 6, 8 jeweils entlang
ihrer Seitenenden 6a, 8a Löcher 12, 14 auf, die
in gleichmäßigen Abständen angeordnet
sind.
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Wenn
die Wände 6, 8 ineinander
gesteckt sind, liegen die Löcher 14 der
Außenwand 8 den
Löchern 12 der
Innenwand 6 gegenüber
und bilden so seitliche Öffnungen
in der Struktur der Folgeklappe 4b.
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Die
Löcher 12 der
Außenwand 8 weisen
eine längliche
Form auf und haben einen größeren Querschnitt
als die kreisförmigen
Löcher 14 der
Innenwand 6. Die Größe und die
Form der Langlöcher 12 sind
festgelegt, damit die kreisförmigen
Löcher 14 niemals
verdeckt werden, selbst dann, wenn die Außenwand 8 und die
Innenwand 6 sich unterschiedlich ausdehnen und/oder wenn
die Folgeklappe 4b eine Torsion erfährt, die eine Verschiebung
der beiden Wände 6 und 8 zueinander
bewirkt.
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Außerdem sind
die Innen- und die Außenwand 6, 8 mit
Einschnitten 16 bzw. 18 versehen, die in gleichmäßigen Abständen entlang
ihrer Seitenenden 6a und 8a angeordnet sind. Diese
Einschnitte 16 und 18 beginnen am Rand der Seitenenden 6a, 8a, erstrecken
sich senkrecht zu diesem Rand und münden im Bereich der in einer
jeden Wand 6 und 8 ausgebildeten Löcher 12 und 14.
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Wie
in den 2 und 4 dargestellt, weist die Innenwand 6 der
Folgeklappen 4b in ihrem mittleren Teil zahlreiche Perforierungen 26 auf.
Man spricht von Mehrfachlochungen.
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Unter
Bezugnahme auf die 4, 5 und 6,
läuft die
Kühlung
der divergenten Klappen der zuvor beschriebenen Düse dann,
wenn die gesteuerten Klappen 4a nicht mit Kühlluft beaufschlagt
und lediglich die Folgeklappen mit Kühlluft beaufschlagt werden,
wie folgt ab.
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Die
Luft zur Kühlung
der divergenten Folgeklappen 4b stammt aus einem nicht
dargestellten Sammelbehälter,
der in Bezug auf die Strömungsrichtung
der die Düse
durchströmenden
heißen
Gase stromaufwärts
der Düse
angeordnet ist. Die entnommene Luft wird, wie in 6 schematisch
dargestellt, bis zu den divergenten Folgeklappen 4b geleitet,
wobei sie unter einem stromaufwärts
der Düse
befindlichen Wärmeschutzmantel 30 des
Turbostrahltriebwerks hindurchströmt und ein Rohrleitungssystem 32 passiert.
Anschließend
zirkuliert die Luft innerhalb der kastenförmigen Struktur der divergenten
Klappen 4b und tritt über
die Perforierungen 26 und über die Seitenöffnungen 12, 14 der
Klappen 4b aus.
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Die über die
Perforierungen 26 entlang der Pfeile F austretende Kaltluft
ermöglicht,
die Erhitzung der Innenwand 6 der divergenten Folgeklappen 4b durch
Bildung eines Frischluftfilms auf der Innenseite dieser Wand zu
begrenzen.
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Die über die
Seitenöffnungen 12, 14 entlang der
Pfeile F' austretende
Kaltluft wird ihrerseits in Umfangsrichtung zur Innenseite der gesteuerten
divergenten Klappen 4a geleitet und ermöglicht zunächst, diese Innenseite durch
Auftreffen zu kühlen. Anschließend erzeugt
diese Kaltluft auf der Innenseite der gesteuerten divergenten Klappen 4a einen Schutzfilm;
dies ermöglicht,
den Wärmeaustausch zwischen
den die Düse
durchströmenden
heißen
Gasen und diesen Klappen 4a abzuschwächen, wodurch deren Erhitzung
begrenzt wird.