DE602005002660T2 - Vorrichtung zur Anbringung von Kühlluft an Düseklappen - Google Patents

Vorrichtung zur Anbringung von Kühlluft an Düseklappen Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft zu einer Klappe einer Ausstoßdüse eines Turbotriebwerks.
  • Ein Turbotriebwerk weist hinter seiner Turbine einen Ausstoßkanal auf, der ein Ausstoßgehäuse und eine Düse umfasst. Der Ausstoßkanal hat die Funktion, die am Turbinenaustritt noch bestehende Druckenergie durch Ausdehnung der Verbrennungsgase in kinetische Energie umzuwandeln.
  • Es ist üblich, eine Düse mit variablem Querschnitt zu verwenden, um ihren Querschnitt dem Betrieb des Motors anzupassen. In Turbotriebwerken, ob mit oder ohne Nachverbrennung, werden Düsen mit variablem Querschnitt verwendet. Die Nachverbrennung (Zusatzschub) besteht darin, Brennstoff in den Ausstoßkanal einzuspritzen, um ein Verbrennen des von der Turbine kommenden Gases, das noch Sauerstoff enthält, zu bewirken und so den Schub des Turbotriebwerks zu verstärken.
  • Die Düsen mit variablem Querschnitt können unterschiedlichen Typs sein, insbesondere achssymmetrische, zweidimensionale oder auch verstellbare Düsen. Die Erfindung ist auf alle Typen von Düsen anwendbar, insbesondere auf die achssymmetrischen, konvergent-divergenten Düsen, d. h. auf Düsen bei einem Turbotriebwerk mit Nachverbrennung, deren vorderer Abschnitt konvergent und deren hinterer Abschnitt divergent ist.
  • Achssymmetrische, konvergent-divergente Düsen werden im Überschall-Betrieb eingesetzt, da die Überschall-Geschwindigkeit eines Gases in einer divergenten Düsen höher ist. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Klappen, die kranzartig angeordnet sind, um einen allgemein runden Querschnitt herzustellen, und überdecken sich teilweise. Jeweils eine Klappe von zwei Klappen, Steuerklappe genannt, wird durch einen Zylinder betätigt, während sich zwischen zwei Steuerklappen eine gesteuerte Klappe befindet, die von den Steuerklappen bewegt wird.
  • Bei der Nachverbrennung kann die Temperatur der Gase ca. 2000°C erreichen. Das Kühlen der Düsenklappen ist also erforderlich, und zwar einerseits, um ihre Lebensdauer zu erhöhen, und andererseits, um die Infrarotwärmestrahlung der Düse zu verringern, die für militärische Zwecke so gering wie möglich sein soll.
  • Im Stand der Technik, insbesondere in den Patentschriften US 5,255,849 und US 5,775,589 wird eine Vorrichtung zur Kühlung durch Luftzirkulation entlang der Innenwand der Klappen, welche hohl sind, vorgeschlagen. Die Luftversorgung der divergenten Klappen erfolgt mit halbkreisförmigen Rohrleitungen, von denen eine aus einer Klappe des konvergenten Abschnitts der Düse hervorsteht und die andere aus einer Klappe des divergenten Abschnitts der Düse hervorsteht und in die erste eingreift, um die Hohlräume der betroffenen Klappen miteinander in Verbindung zu setzen. Die aus dem Mantelstrom des Turbotriebwerks stammende Kühlungsluft ermöglicht es also mittels der oben genannten Rohrleitung, zunächst die konvergente Klappe und dann die divergente Klappe zu kühlen. Die Leitungen haben den gleichen Radius und Krümmungsmittelpunkt, so dass sie ineinander gleiten können, um die Winkeländerungen zwischen den beiden Düsenabschnitten bei der Betätigung der Zylinder zu kompensieren.
  • Jedoch kommt bei dieser Kühlungsvorrichtung die Kühlungsluft für die divergenten Klappen von den konvergenten Klappen und ist damit bereits zum Kühlen letzterer verwendet worden. Es wäre vorzuziehen, die divergenten Klappen direkt mit Kühlungsluft zu versorgen, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Es ist jedoch nicht möglich, Rohrleitungen wie die oben beschriebenen zu verwenden, von denen eine aus einer divergenten Klappe und die andere aus einem mit Kühlungsluft aus dem Mantelstrom gespeisten Hohlraum des Motors hervorstehen würde, da die Bewegung zwischen einer divergenten Klappe und einem Teil des Motors, der keine konvergente Klappe ist, keine einfache Drehbewegung ist. Außerdem wäre der Platzbedarf in einem Bereich des Motors, in dem die Zwischenräume beschränkt sind, zu groß.
  • Diese Erfindung hat zum Zweck, diese Nachteile zu beseitigen.
  • Dazu betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft zu einer Klappe einer Ausstoßdüse eines Turbotriebwerks, die aus einer Rohrleitung besteht, die die Klappe mit einer Kühlungsluftquelle verbindet, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rohrleitung mindestens einen teleskopartigen Abschnitt und eine Kugelgelenkverbindung aufweist.
  • Mit Kugelgelenkverbindung wird eine mechanische Verbindung bezeichnet, die keine Freiheitsgrade besitzt, außer in Drehrichtung. Vorzugsweise besitzt die Kugelgelenkverbindung drei Drehfreiheitsgrade, doch kann sie eventuell auch so ausgeführt sein, dass sie nur einen oder zwei besitzt.
  • Vorzugsweise weist die Rohrleitung zwei Kugelgelenkverbindungen und einen teleskopartigen Abschnitt auf.
  • Vorteilhafterweise erfüllt der teleskopartige Abschnitt auch eine Pumpfunktion.
  • Insbesondere umfasst die Kühlungsluftquelle an der Außenlinie des Gehäuses des Ausstoßkanals eine Rohrleitung, die Luft aus dem Mantelstrom des Turbotriebwerks heranführt.
  • Mit dieser Erfindung ist es möglich, die divergenten Klappen der Düse leicht mit Kühlungsluft zu versorgen, ohne dass mechanische Belastungen mit dem Betrieb verbunden sind, mit welcher Quelle auch immer die Klappen verbunden werden.
  • Die Zuführungsvorrichtung ist ferner für jeden Typ von Düse geeignet, es können insbesondere die Klappen einer achssymmetrischen, konvergenten Düse, die konvergenten oder divergenten Klappen einer achssymmetrischen, konvergent-divergenten Düse, die Klappen einer zweidimensionalen Düse oder die Klappen einer verstellbaren Düse mit Kühlungsluft versorgt werden. Die Vorteile sind zahlreich, sowohl beim Einsetzen der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung wie auch bei deren Herstellung, da letztere für alle Typen von Düsen standardisiert werden kann. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung auch möglich, die konvergenten Klappen einer konvergent-divergenten Düse mit deren divergenten Klappen zu verbinden, wie beim oben genannten Stand der Technik, jedoch auf einfachere Art, da die Bearbeitung der Teile weniger Präzision verlangt als in diesen Fällen, in denen die Radien und Krümmungsmittelpunkte exakt identisch sein müssen, um jede Belastung oder Reibung zu vermeiden.
  • Außerdem absorbiert die Rohrleitung der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung auf Grund ihres Aufbaus die Vibrations- und Wärmedehnungsbelastungen, die mit dem Betrieb des Turbotriebwerks verbunden sind.
  • Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung hervor, die Bezug auf die beigefügten Zeichnungen nimmt, wobei
  • 1 in einer perspektivischen Vorderansicht eine Düse eines Turbotriebwerks zeigt, die mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung versehen ist,
  • 2 in einer Profilansicht im Schnitt die Zuführungsvorrichtung von 1 in einer ersten Stellung zeigt,
  • 3 in einer Profilansicht im Schnitt die Zuführungsvorrichtung von 2 in einer zweiten Stellung zeigt,
  • 4 in einer perspektivischen Ansicht die Zuführungsvorrichtung von 2 zeigt, und
  • 5 in einer perspektivischen Ansicht die Zuführungsvorrichtung von 3 zeigt.
  • Bezugnehmend auf 1 ist die erfindungsgemäße Zuführungsvorrichtung in ihrer bevorzugten Ausführungsform an einer achssymmetrischen, konvergent-divergenten Düse 1 eines Turbotriebwerks mit Nachverbrennung angebracht. Die Düse 1 sitzt an dem hinteren Teil des Gehäuses 2 des Ausstoßkanals des Turbotriebwerks. Die Düse 1 weist konvergente Düsen auf, Steuerklappen 10 oder gesteuerte Klappen 11, sowie divergente Klappen, Steuerklappen 20 oder gesteuerte Klappen 21.
  • Die konvergenten Klappen 10, 11 sind vorn durch Scharniere 10' bzw. 11' mit dem Gehäuse 2 verbunden, um die sie schwenken können, wobei sich jedes Scharnier 10', 11' in einer Achse erstreckt, die im rechten Winkel auf der Achse der Düse 1 steht. Hinten sind sie durch Scharniere 10'' bzw. 11'' mit den divergenten Klappen 20, 21 verbunden. Jedes Scharnier 10'', 11'' ist in der Ebene der Klappe 10, 11, zu der es gehört, parallel zu dem entsprechenden vorderen Scharnier 10', 11'.
  • Die konvergenten Klappen 10, 11 sind im Kranz um die Achse der Düse 1 herum angeordnet, so dass sie einen allgemein kreisförmigen Querschnitt bilden, wobei die Steuerklappen 10 und gesteuerten Klappen 11 abwechselnd auf der Umfangslinie des Kranzes angeordnet sind. Jede Steuerklappe 10 wird durch einen Schwingarm 12 gesteuert, der dergestalt betätigt wird, dass er die Klappe 10 um die Achse seines vorderen Scharniers 10' schwenken lässt. Bei der Betätigung des Schwingarms 12 schwenken die Steuerklappen 10 und nehmen die gesteuerten Klappen 11 in der Schwenkbewegung mit, wobei jede gesteuerte Klappe 11 von zwei Steuerklappen 10 umgeben ist.
  • Die divergenten Klappen 20, 21 sind ebenfalls im Kranz um die Achse der Turbine herum angeordnet und werden an ihrer vorderen Seite von den Scharnieren 10'', 11'' an den konvergenten Klappen 10, 11 gehalten. Jede divergente Steuerklappe 20 ist mit einer konvergenten Steuerklappe 10 verbunden, und jede divergente gesteuerte Klappe 21 ist mit einer konvergenten gesteuerten Klappe 11 verbunden. Ebenso wie der Kranz konvergenter Klappen besteht also auch der Kranz divergenter Klappen in abwechselnd angeordneten Steuerklappen 20 und gesteuerten Klappen 21.
  • Die divergenten Steuerklappen 20 werden durch Schwingarme 22 in einer dem Fachmann bekannten Weise gesteuert. Da jede divergente gesteuerte Klappe 21 sich zwischen zwei divergenten Steuerklappen 20 befindet, folgt sie der Bewegung, in die sie die Steuerklappen 20 versetzen. Die Bewegungen der divergenten Klappen 20, 21 sind keine einfachen Schwenkbewegungen, sondern eine Kombination einer Schwenkbewegung um die Scharniere 10'', 11'' herum und einer Drehbewegung um die Scharniere 10', 11' herum.
  • Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die divergenten gesteuerten Klappen 21 hohl, während die divergenten Steuerklappen 20 massiv sind. Eine solche Konfiguration wird auf Grund dessen gewählt, dass bei divergenten Steuerklappen 20, die je nach dem gewünschten Querschnitt der Düse 1 die divergenten gesteuerten Klappen 21 entweder teilweise oder vollständig überdecken, die Kühlung der Letzteren entscheidend ist. Doch wenn die Erfindung hier auch auf Rohrleitungen angewendet wird, die zur Kühlung der divergenten gesteuerten Klappen verwendet werden, so kann sie selbstverständlich auch auf jede Art von Klappen, divergente Steuerklappen, konvergente oder sonstige Klappen angewendet werden, wie auch immer die Düse oder die Steuerung ihrer Klappen beschaffen ist. Im vorliegenden Fall sind die divergenten Steuerklappen 20 bei einer besonderen Ausführungsform hohl und durch die Schwingarme 12 zur Steuerung der konvergenten Steuerklappen 10 mit Kühlungsluft versorgt, wobei dann jeder Schwingarm 12 dergestalt ausgeführt ist, dass er hohl ist, vorn mit einer Kühlungsluftquelle verbunden ist und hinten einerseits an einer konvergenten Steuerklappe 10 befestigt ist, um sie zu betätigen, andererseits in den vorderen Teil einer divergenten Steuerklappe 20 mündet, um sie mit Kühlungsluft zu versorgen.
  • Bezugnehmend auf 2 mündet an jeder divergenten gesteuerten Klappe 21 eine Rohrleitung 30. Diese Rohrleitung ermöglicht es, den Hohlraum 23, der in der Dicke der Klappe 21 ausgeführt ist, mit Kühlungsluft zu versorgen. Diese Luft kann mittels der Rohrleitung 30 dieser Erfindung von verschiedenen vorderen Teilen des Motors kommen, beispielsweise vom Verdichter. Ein System von Rohrleitungen 31 am Außenumfang des Turbotriebwerks ermöglicht es, die Kühlungsluft von der Entnahmestelle bis hin zur Düse 1 zu führen, so dass es für Letztere eine Kühlungsluftquelle 31 bildet. Diese Kühlungsluftquellen 31 münden in der Nähe der Düse 1, hier genauer senkrecht auf den konvergenten gesteuerten Klappen 11. Die Kühlungsluftquellen 31 stehen mit den inneren Hohlräumen 23 der divergenten gesteuerten Klappen 21 durch Rohrleitungen 30 in Verbindung, die allen Bewegungen der Klappen gegenüber den am Gehäuse 2 der Düse 1 befestigten Rohrleitungen 31 folgen können. Diese Bewegungen stellen eine Kombination verschiedener Grundbewegungen dar und sind daher komplex.
  • Im vorliegenden Fall enthält die Kühlungsluftquelle 31 in der Nähe der konvergenten Klappen 10, 11 eine Trennnase, die es ermöglicht, einen Teil der Kühlungsluft zu den konvergenten Klappen 10, 11 zu leiten, wobei ihre Kühlung einfach durch eine Öffnung in der Nähe dieser Klappen 10, 11 gewährleistet ist, durch die die Luft die innere Oberfläche dieser Klappen 10, 11 kühlt, und einen anderen Teil der Kühlungsluft zu den Rohrleitungen 30 zu leiten, die an den divergenten gesteuerten Klappen 21 münden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform, bei der die divergenten Steuerklappen 20 durch die Schwingarme 12, die zur Betätigung der konvergenten Steuerklappen 10 dienen, mit Kühlungsluft versorgt werden, münden diese Schwingarme 12 auch vorn in die Kühlungsluftquelle 31, wobei die Kühlungsluft von dort auf die gleiche Weise wie zuvor einerseits zu den Schwingarmen 12, andererseits zu den konvergenten Steuerklappen 10 geleitet wird.
  • Um jeder beliebigen Bewegung folgen zu können, weist jede Rohrleitung 30 einen teleskopartigen Abschnitt 32 und zwei Kugelgelenkverbindungen 33, 34 auf, von denen die eine 33 die Rohrleitung 30 mit der Kühlungsluftquelle 31 verbindet, die andere die Rohrleitung 30 mit dem inneren Hohlraum 23 der divergenten gesteuerten Klappe 21 durch einen Rohrleitungsabschnitt 35 verbindet, der aus der Ebene der Klappe 21 herausragt. Der teleskopartige Abschnitt 32 befindet sich zwischen den beiden Kugelgelenkverbindungen 33, 34.
  • Der teleskopartige Abschnitt 32 wird von zwei Rohren 32A und 32B gebildet, die mit einem Ende in einander gleiten können. Am anderen Ende weist jedes Rohr 32A, 32B einen Kopf mit einem kugelförmigen, äußeren Oberflächenabschnitt 32A', 32B' auf. Der Kopf 32A' ist in das rohrförmige Element 31 eingesetzt. Dieses Element 31 weist einen Endabschnitt mit kugelförmiger, innerer Oberfläche 31' auf, in der der Kopf 32A' aufgenommen ist. Zusammen bilden der Abschnitt 31' und der kugelförmige Kopf 32A' eine Kugelgelenkverbindung 33. Das Rohr wird axial festgehalten, kann sich aber gegenüber dem Element 31 drehen. Der Kopf 32B' ist in das rohrförmige Element 35 eingesetzt. Dieses Element 35 weist einen Endabschnitt mit kugelförmiger, innerer Oberfläche 35' auf, in der der Kopf 32B' aufgenommen ist. Zusammen bilden der Abschnitt 35' und der kugelförmige Kopf 32B' eine Kugelgelenkverbindung 34. Das Rohr wird axial festgehalten, kann sich aber gegenüber dem Element 35 drehen.
  • In 3 befindet sich die Rohrleitung 30 in einer anderen Stellung, und zwar infolge einer Betätigung der Schwingarme 12, 22 und damit einer Stellungsänderung der Klappen 10, 11, 20, 21. Um die Verbindung zwischen der Kühlungsluftquelle 31 und dem herausragenden Rohrleitungsabschnitt 35 der Klappe 21 aufrecht zu erhalten, passt sich die Rohrleitung 30 an die neue Stellung der Klappe 21 zur Kühlungsluftquelle 31 an und folgt der Bewegung durch Drehen um Kugelgelenkverbindungen 33, 34 sowie in diesem Fall Ausdehnung ihrer Länge im Bereich des teleskopartigen Abschnitts 32.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung trägt der vordere Kopf 32A' zur Bildung einer Kugelgelenkverbindung mit drei Freiheitsgraden in der gleichen Weise wie zuvor bei und ist mit der vorderen Seite durch Einstecken in den Endabschnitt mit kugelförmiger, innerer Oberfläche 31' des rohrförmigen Elements 31 oder Rohrleitung 31 angebracht, wobei er so axial an dieser festgehalten wird. Der hintere Kopf 32B' seinerseits ist fest mit dem Abschnitt mit kugelförmiger, innerer Oberfläche 35' des rohrförmigen Elements 35 verbunden worden, welches fest mit der divergenten Klappe 21 verbunden ist, und zwar durch eine Achse, die quer zur Achse des Turbotriebwerks verläuft und sich durch den hinteren Kopf 32B' und durch das rohrförmige Element 35 erstreckt. So wird der hintere Kopf 32B' axial durch diese Achse festgehalten und kann um sie herum schwenken. In diesem Fall weist diese Kugelgelenkverbindung 34 nur einen Freiheitsgrad auf.
  • Die Rohrleitung 30 ist dergestalt bemessen, dass der Bereich der Längen, die ihr teleskopartiger Abschnitt 32 einnehmen kann, und der Bereich der Winkel, die ihre Kugelgelenkverbindungen 33, 34 einnehmen können, dazu ausreichen, um sämtlichen Stellungen, die die Klappen einnehmen können, folgen zu können.
  • In den 2 und 3 zeigen die Pfeile die Bahn der Kühlungsluft von den Kühlungsluftquellen 31 bis in die Klappen 21.
  • Das Abführen der Kühlungsluft kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen: die Luft kann beispielsweise an der Hinterkante der Klappen 21 oder auch durch Durchbohrungen an deren warmer oder inneren Seite abgeführt werden, um dann direkt wieder in die Gasströmungsbahn eingespritzt zu werden. Das Abführen ist in den Figuren nicht dargestellt.
  • Der teleskopartige Abschnitt 32 kann dergestalt ausgeführt sein, dass er auch eine Pumpfunktion erfüllt, d. h. dass er mittels eines Spiels zwischen den teleskopartigen Rohren Luft ansaugt, so dass ein Teil der Luft außerhalb der Rohrleitung 30 mitgenommen wird und sich mit der Kühlungsluft vermischt, die in der Rohrleitung 30 zirkuliert.
  • Die 4 und 5 zeigen in einer Perspektivansicht die beiden Stellungen der 2 und 3. So zeigen sich deutlicher die Gründe, aus denen in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nur die divergenten gesteuerten Klappen 21 mit den Rohrleitungen 30 ausgeführt sind: einerseits bilden, wenn die Steuerklappen 20 die gesteuerten Klappen 21 überdecken, letztere einen Schutzschirm zwischen den Steuerklappen und der Strömungsbahn heißer Gase, andererseits ist es aus Gründen der Platzersparnis einfacher, die Rohrleitungen 30 über den konvergenten Klappen 11 anzubringen, die nicht durch Schwingarme 12 gesteuert werden.
  • Es ist jedoch zu betonen, dass die Rohrleitungen 30 dieser Erfindung für alle Arten von Düsenklappen angewendet werden können.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft zu einer Klappe (21) einer Ausstoßdüse (1) eines Turbotriebwerks, bestehend aus einer Rohrleitung (30), die die Klappe (21) mit einer Kühlungsluftquelle (31) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (30) mindestens einen teleskopartigen Abschnitt (32) und eine Kugelgelenkverbindung (33, 34) aufweist, so dass sie den Bewegungen der Klappe (21) gegenüber der Kühlungsluftquelle (31) folgen kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Klappe (21) eine gesteuerte, divergente Klappe (21) einer konvergent-divergenten Düse ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Rohrleitung (30) zwei Kugelgelenkverbindungen (33, 34) und einen teleskopartigen Abschnitt (32) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der teleskopartige Abschnitt (32) sich zwischen den beiden Kugelgelenkverbindungen (33, 34) befindet.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der teleskopartige Abschnitt (32) auch eine Pumpfunktion erfüllt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kühlungsluftquelle an der Außenlinie des Gehäuses (2) des Ausstoßkanals des Turbotriebwerks eine Rohrleitung (31) umfasst, die Luft des Mantelstroms des Turbotriebwerks heranführt.
  7. Turbotriebwerksdüse, die mindestens eine Klappe (21) und eine Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft (30) zu der Klappe (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  8. Turbotriebwerk mit einer Düse (1) mit variablem Querschnitt, die mit einer Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 versehen ist.
  9. Turbotriebwerk nach Anspruch 8, dessen Düse zu einer der folgenden Gruppen von Düsen gehört: konvergente Düsen, konvergent-divergente Düsen, zweidimensionale Düsen, verstellbare Düsen.
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