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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Kühlungsluft zu einer Klappe
einer Ausstoßdüse eines
Turbotriebwerks.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Erfindung hat zum Zweck, diese Nachteile zu beseitigen.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
weist die Rohrleitung zwei Kugelgelenkverbindungen und einen teleskopartigen Abschnitt
auf.
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Vorteilhafterweise
erfüllt
der teleskopartige Abschnitt auch eine Pumpfunktion.
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Insbesondere
umfasst die Kühlungsluftquelle
an der Außenlinie
des Gehäuses
des Ausstoßkanals
eine Rohrleitung, die Luft aus dem Mantelstrom des Turbotriebwerks
heranführt.
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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.
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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.
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Außerdem absorbiert
die Rohrleitung der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung auf Grund ihres
Aufbaus die Vibrations- und Wärmedehnungsbelastungen,
die mit dem Betrieb des Turbotriebwerks verbunden sind.
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Die
Erfindung geht näher
aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung
hervor, die Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen nimmt, wobei
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1 in
einer perspektivischen Vorderansicht eine Düse eines Turbotriebwerks zeigt,
die mit der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zuführungsvorrichtung
versehen ist,
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2 in
einer Profilansicht im Schnitt die Zuführungsvorrichtung von 1 in
einer ersten Stellung zeigt,
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3 in
einer Profilansicht im Schnitt die Zuführungsvorrichtung von 2 in
einer zweiten Stellung zeigt,
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4 in
einer perspektivischen Ansicht die Zuführungsvorrichtung von 2 zeigt,
und
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5 in
einer perspektivischen Ansicht die Zuführungsvorrichtung von 3 zeigt.
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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.
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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'.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
den 2 und 3 zeigen die Pfeile die Bahn
der Kühlungsluft
von den Kühlungsluftquellen 31 bis
in die Klappen 21.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist jedoch zu betonen, dass die Rohrleitungen 30 dieser
Erfindung für
alle Arten von Düsenklappen
angewendet werden können.