DE69001500T2 - Verstell- und neigbare schubdueseneinheit fuer ein strahltriebwerk. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk, die aus einem ringförmigen Kanal und einer achsensymmetrischen Schubdüse mit variablem Querschnitt und verstellbarem Schub besteht.
• Um insbesondere den Anforderungen zu genügen, die an die Manövrierbarkeit bestimmter Flugzeuge gestellt werden, ist es bereits bekannt, ihre Turboluftstrahltriebwerke mit Schubdüsen auszustatten, die zusätzlich zur Möglichkeit einer Querschnittsregulierung,die sich an Änderungen der Betriebsbedingungen, insbesondere der Durchflußmengen und der Gasdrücke, anpaßt, mit einer Funktion zur Verstellung der Ausgangsströmung der Düse und damit zur Änderung der Richtung der erzielten Schubs ausgestattet sind.
• FR-A-2 608 680 beschreibt beispielsweise eine zweidimensionale konvergierende und divergierende Düse mit verstellbarem Querschnitt, deren Steuersystem außerdem eine Umlenkung des Strahls aus der Symmetrieachse der Düse heraus ermöglicht.
• Außerdem sind achsensymmetrische Schubdüsen bekannt, die insbesondere aus Klappen bestehen, die in peripheren Kranzringen angeordnet sind und denen eine Vorrichtung zugeordnet ist, mittels derer sie so verschwenkt werden können, daß eine Richtungsänderung des Schubs erreicht wird. Beispiele für solche verstellbaren Düsen sind insbesondere in FR-A-2 470 253 und FR-A-2 501 786 beschrieben.
• Für Anwendungen, für die die Lösung mit einer achsensymmetrischen Düse von Vorteil ist, strebt die Erfindung eine Verringerung der Massen und des Raumbedarfs gegenüber bekannten Lösungen mit verstellbarer Düse mit Kugelgelenk an, bei denen der ganze hintere Teil einschließlich der Klappen und ihres mit Zylindern arbeitenden Steuersystems verschwenkt werden muß. Die Erfindung hat sich so die Aufgabe gestellt, die angestrebten Funktionen sowohl der Querschnittsregulierung als auch der Schubkraftverschwenkung zu erfüllen, wobei eine Düseneinheit geschaffen werden soll, die leicht ist und eine einfache Konstruktion aufweist.
• Die angestrebten vorteilhaften Resultate werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein zentraler Körper vorgesehen ist, der aus zwei hohlen koaxialen als Drehteile ausgebildeten Elementen besteht, die durch Tragarme miteinander verbunden und an dem Kanal mit Hilfe zweier Träger befestigt sind, denen jeweils ein Kugelgelenk zugeordnet ist, dessen Zentrum in einer horizontalen Ebene liegt, die durch die Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks verläuft, die mit der so gebildeten geometrischen Schwenkachse einen rechten Winkel bildet, und daß dem zentralen Körper eine Antriebsvorrichtung zugeordnet ist, die seine Verschwenkung um die genannten Kugelgelenke bewirkt.
• Verschiedene vorteilhafte zusätzliche Anordnungen betreffen insbesondere den zentralen Körper der Schubdüseneinheit und ihre Steuervorrichtung.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
• Fig. 1 zeigt eine als Schnitt durch eine Gelenkachse des Turboluftstrahltriebwerks enthaltende Ebene ausgeführte schematische Ansicht einer Schubdüseneinheit gemäß der Erfindung, wobei die obere Halbansicht eine Konfiguration zeigt, die einem Vollgasbetrieb des Turboluftstrahltriebwerks mit gezündeter Nachverbrennung entspricht, und die untere Halbansicht eine Konfiguration, die einem Vollgasbetrieb des Turboluftstrahltriebswerks mit "trockenem Motor" entspricht,
• Fig. 2 zeigt eine zu Fig. 1 analoge Ansicht des Turbostrahltriebwerk-Schubdüseneinheits von Fig. 1 in einer Konfiguration, die einer Strahlumlenkung entspricht, die eine Verstellung der Schubkraft ermöglicht
• Fig. 3 zeigt eine schematische stirnseitige Teilansicht der in Fig. 1 dargestellten Schubdüseneinheit von hinten,
• Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische schematische Teilansicht der drei Hauptuntereinheiten, aus denen die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Schubdüseneinheit besteht,
• Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Teilansicht der Turbostrahltriebwerk- Schubdüseneinheit von Fig. 1,
• Fig. 6 zeigt eine maßstabsgrößere Detailansicht des äußeren Teils der in Fig. 1 dargestellten Turbostrahltriebwerk-Schubdüseneinheit in der der oberen Halbansicht von Fig. 2 entsprechenden Konfiguration.
• Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Turbostrahltriebwerk-Schubdüseneinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einem ringförmigen Auswurfkanal 1, der den stromabwärtigen Endbereich eines in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Turboluftstrahltriebwerks bekannter Bauart nach hinten verlängert. Der Kanal 1 besitzt in bekannter Weise einen äußeren Teil 1a, der aus einem Block bestehen kann sowie einen koaxialen inneren Teil 1b, der eine Wärmeschutzauskleidung bildet und aus einer Gruppe von aneinanderstoßenden Elementen bestehen kann, die in Längsrichtung miteinander verbunden sind. Die Schubdüseneinheit wird hinten (die Bezeichnungen "vorn" und "hinten" oder "stromaufwärts" und "stromabwärts" sind entsprechend der normalen Zirkulationsrichtung der Gase in der von dem Turboluftstrahltriebwerk und der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden zugehörigen Schubdüseneinheit bestehenden Antriebseinheit definiert) von einem äußeren Mantel 2 verlängert, der bei der Montage an dem Flugzeug in den Sokelteil der Flugzeuggondel übergeht. Der Kanal 1 mündet in seinem stromabwärtigen Endbereich in ebenfalls an sich bekannter Weise in einer ringförmigen Gruppe von Klappen 3, die mit ihrem stromaufwärtigen Rand um ein mit dem Kanal 1 fest verbundenes Gelenk verschwenkbar sind. Wie in Fig. 6 näher dargestellt ist, wird die Schwenkbewegung der Klappen 3, die als heiße Klappen bezeichnet werden, weil sie mit den in dem Auswurfkanal 1 zirkulierenden heißen Gasen in Kontakt stehen, durch Hubzylinder 4 gesteuert, die ebenfalls an dem Kanal 1 befestigt sind. Der erwähnte äußere Mantel 2 besitzt eine ringförmige Gruppe von koaxialen Klappen 5, die ebenfalls um ein Gelenk verschwenkbar sind, das ihren stromaufwärtigen Rand mit der festen Struktur verbindet. Die Schwenkbewegung der Klappen 5, die als kalte Klappen bezeichnet werden, weil sie mit der zwischen dem Kanal 1 und dem äußeren Mantel 3 zirkulierenden Kühlluft in Kontakt stehen, wird mit Hilfe von Triebstangen 6 gesteuert, die jede der kalten Klappen 5 mit einer der heißen Klappen 3 verbinden, so daß sie an deren Bewegung teilnehmen.
• Erfindungsgemäß ist im Innern des Kanals 1 und des äußeren Mantels 2 ein zentraler Körper 7 angeordnet, der aus zwei hohlen koaxialen Elementen in Form von Drehteilen besteht, nämlich einem inneren Element 8 und einem äußeren Element 9. Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel, und wie auch in Fig. 5 erkennbar ist, wird das innere Element 8 durch vier Profilarme 10 verstärkt, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Das innere Element 8 und das äußere Element 9 sind durch vier Profilzwischenarme mit einander verbunden. Die Oberflächen der jeweiligen inneren und äußeren Wandungen 8a und 9a bzw. 9b und 9b haben ein solches Profil, daß das innere Element 8 und das äußere Element 9 von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite konvergierende Teile bilden und sich in divergierenden Teilen verlängern. Die Oberfläche der äußeren Wandung 9b des äußeren Elements 9 weist eine sphärisch ausgeformte Zone auf. An der Stelle von zweien der Zwischenarme 11, die in einer durch die gemeinsame Achse des Turboluftstrahltriebwerks und der zugehörigen Schubdüseneinheit verlaufenden horizontalen Ebene liegen, trägt die äußere Wandung 9b des äußeren Elements 9 zwei Gelenke 12, die jeweils aus einer Schale bestehen, die mit einer Gelenkkugel zusammenwirkt, die mit dem Scheitelpunkt eines Lagerteils 13 in Form eines liegendern "V" fest verbunden ist, dessen Schenkel mit ihren Enden an einem Strukturflansch 14 befestigt ist, der mit dem Kanal 1 fest verbunden ist. Der zentrale Körper 7 kann so um eine in den genannten Gelenken 12 zentrierten Achse verschwenkt werden. Diese horizontale Achse verläuft senkrecht zur gemeinsamen Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks und der Schubdüseneinheit.
• Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Steuerungsvorrichtung zur Verstellung des zentralen Körpers 7, wie insbesondere aus Fig. 2 und 5 erkennbar ist, aus einem Paar von Antriebszylindern 15, die in dem stromaufwärtigen Teil an dem Kanal 1 befestigt und durch Kabel 16, die über zwei Seilscheiben 17 und 18 verlaufen, von denen die eine außerhalb und die andere innerhalb des Kanals 1 angeordnet ist, mit Gabelgelenken 19 verbunden sind, die an dem stromaufwärtigen Ende des äußeren Elements 9 des zentralen Körpers 7 angeordnet sind. Diese Elemente der Steuerungsvorrichtung sind in einer vertikalen Ebene angeordnet, die durch die gemeinsame Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks und der Schubdüseneinheit verläuft, und liegen jeweils zu zweien diametral in dem Auswurfkanal 1 einander gegenüber.
• Die vorangehend insbesondere anhand von Fig. 4 bis 6 beschriebene Turbostrahltriebwerk-Schubdüseneinheit kann je nach dem Einsatzbedingungen des Flugzeugs, die eine Funktion der geforderten Missionen sind, verschiedene Konfigurationen einnehmen, von denen in Fig. 1 und 2 typische Beispiele dargestellt sind, Diese Konfigurationen entsprechen unterschiedlichen Betriebsbedingungen der von dem Turboluftstrahltriebwerk und der zugeordneten Schubdüseneinheit gebildeten Antriebseinheit. So fällt in den beiden Konfigurationen, die den beiden Halbansichten von Fig. 1 entsprechen, die Längsachse des zentralen Körpers 7 mit der gemeinsamen Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks und der Schubdüseneinheit zusammen. Diese Konfigurationen entsprechen insbesondere einem Vollgasbetrieb des Turboluftstrahltriebwerks, bei dem der Schub in einer Richtung wirkt, die mit der genannten Längsachse zusammenfällt. Bei dem in der oberen Halbansicht dargestellten Betriebsart sind die heißen Klappen 3 der Primärdüse geöffnet und bewirken so einen maximalen Düsenquerschnitt, der dem Betrieb des Turboluftstrahltriebwerks mit gezündeter Nachverbrennung entspricht. Durch Änderung der Position der heißen Klappen, die durch die Steuerzylinder 4 herbeigeführt wird, läßt sich der genannte Düsenquerschnitt regulieren, wobei die Position der äußeren kalten Klappen 5 mit Hilfe der Verwendungsbetriebsstangen 6 in entsprechend eingestellt wird. In der unteren Halbansicht von Fig. 1 sind die heißen Klappen 3 geschlossen und bewirken einen minimalen Düsenquerschnitt, der einem Vollgasbetrieb mit "trockenem Motor" entspricht. In dieser Konfiguration stütz sich der stromabwärtige Rand der heißen Klappen 3 der Primärdüse erfindungsgemäß an der sphärischen Außenfläche der äußeren Wandung 9b des äußeren Elements 9 des zentralen Körpers 7 ab, wobei die Berührungslinie zwischen den heißen Klappen 3 und der äußeren Wandung 9b in einer Ebene liegt, die das äußere Element 9 in einem Großkreis schneidet und die durch die Gelenke 12 verlaufende Schwenkachse des zentralen Körpers 7 enthält.
• Somit ist hinreichende Dichtigkeit zwischen dem zentralen Körper 7 und den heißen Klappen 3 gewährleistet, und wenn die Schubdüseneinheit aus der Vollgaskonfiguration mit "trockenem Motor" in eine Konfiguration mit Strahlumlenkung übergeht, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, wird wegen der sphärischen Form der entsprechenden Zone der äußeren Wandung 9b des äußeren Elements 9 des zentralen Körpers 7 die Schwenkbewegung des zentralen Körpers 7 ermöglicht, ohne daß die Dichtigkeit beeinträchtigt wird. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist somit der erreichte Schub in einer Richtung orientiert, die mit der gemeinsamen Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks und des Auswurfkanals 1 einen Winkel in der Größenordnung von 20º bildet. Mit Hilfe einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Konfiguration der Schubdüseneinheit, bei der die heißen Klappen 3 der Primärdüsen geöffnet sind, läßt sich auch ein Vollgasbetrieb mit gezündeter Nachverbrennung und Strahlumlenkung erreichen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel wird der gesamte Strahl bei Volgasbetrieb mit trockenem Motor und Vollgasbetrieb mit genündeter Nachverbrennung umgelenkt. Man erreicht dann eine Ablenkung von etwa 50% des Hauptstrahls, wobei dieser umgelenkte Anteil des Strahls in Abhängigkeit von den Anwendungen der Erfindung erhöht werden kann, insbesondere wenn der Nachverbrennungsanteil abnimmt.
• Neben den Vorteilen des niedrigen Gewichts, des einfachen Aufbaus und des geringeren Raumbedarfs im Vergleich zu Lösungen mit zweidimensionaler Düse, die eine gleichwertige Umlenkung ermöglichen, besitzt die vorangehend beschriebene Schubdüseneinheit gemäß der Erfindung den weiteren Vorteil, daß die Leistungsmerkmale des Flugzeugs, insbesondere beim Abheben und beim Kampf mit niedriger Geschwindigkeit, durch die Strahlumlenkung bei trockenem Vollgasbetrieb verbessert werden. Die Umlenkung ermöglicht außerdem eine Herabsetzung des Luftwiderstands durch einen verringerten Lenkungseinschlag der Leitwerksflächen des Flugzeugs.
• Das für strukturellen Zwischenarme 11 des zentralen Körpers 7 festgelegte Profil ermöglicht außerdem im Falle eines störungsbedingten Bruchs eines Elements der Steuerungsvorrichtung zur Verschwenkung des zentralen Körpers 7 die automatische Rückstellung des zentralen Körpers in die Direktstrahlposition.

Claims (5)

1. Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk mit einem in der stromabwärtigen Verlängerung des Turboluftstrahltriebwerks angeordneten ringförmigen Auswurfkanal (1) und einer achsensymmetrischen Schubdüse, namentlich bestehend aus

- einer ringförmigen Gruppe von als heiße Klappen bezeichneten beweglichen Klappen (3), die jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Rand an dem stromabwärtigen Endbereich des Kanals (1) angelenkt ist,

- einer Mehrzahl von an dem genannten Kanal (1) befestigten Hubzylindern (4), die mit den heißen Klappen (3) verbunden sind, deren Position mit ihrer Hilfe durch Verschwenken um ihre Gelenkachse verstellbar ist,

- einer ringförmigen Gruppe von als kalte Klappen bezeichneten beweglichen Klappen (5), die jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Rand an dem stromabwärtigen Endbereich eines äußeren Mantels (2) angelenkt ist, und

. einer Mehrzahl von Gelenkhebeln (6), von denen jeder jeweils eine heiße Klappe (3) mit einer kalten Klappe (5) verbindet, deren Verschwenkung durch diesen Gelenkhebel (6) bewirkt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein zentraler Körper (7) vorgesehen ist, der aus zwei hohlen koaxialen als Drehteile ausgebildeten Elementen (8, 9) besteht, die durch Tragarme (11) miteinander verbunden und an dem Kanal (1) mit Hilfe zweier Träger (13) befestigt sind, denen jeweils ein Kugelgelenk (12) zugeordnet ist, dessen Zentrum in einer horizontalen Ebene liegt, die durch die Längsachse des Turboluftstrahltriebwerks verläuft, die mit der so gebildeten geometrischen Schwenkachse einen rechten Winkel bildet,

und daß dem zentralen Körper (7) eine Antriebsvorrichtung zugeordnet ist, die seine Verschwenkung um die genannten Kugelgelenke bewirkt.

2. Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 1, bei der das äußere Element (9) des zentralen Körpers (7) auf seiner Außenwand (9b) eine Zone mit sphärischer Außenfläche besitzt, auf der sich die stromabwärtigen Ränder der heißen Klappen (3) abstützen können, wobei die Berührungspunkte in einer Ebene liegen, die durch die Schwenkachse des zentralen Körpers verläuft und die genannte sphärische Fläche in einem Großkreis schneidet.

3. Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das innere Element (8) des zentralen Körpers (7) von dem äußeren Element (9) mit Hilfe von vier Profilarmen (11) getragen und von vier Profilarmen (10) verstärkt wird, die in einer zu Längsachse des zentralen Körpers (7) senkrechten Ebene einen kreuzförmigen Querschnitt bilden.

4. Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Träger zur Befestigung des zentralen Körpers aus zwei Beschlagteilen (13) in Form eines liegenden V bestehen, die an ihren Spitzen zwei Kugelköpfe tragen, die zusammen mit zwei mit der Außenfläche des äußeren Elements des zentralen Körpers fest verbundenen Schalen die genannten Kugelgelenke (12) bilden, wobei die Schenkel der V-förmigen Beschlagteile an einem konstruktiven Flansch (14) des Kanals befestigt sind.

5. Schubdüseneinheit für ein Turboluftstrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Antriebsvorrichtung für die Schwenkbewegung des zentralen Körpers (7) folgende Elemente aufweist: zwei Gabelbügel (19), die an dem stromaufwärtigen Rand des äußeren Elements (9) des zentralen Körpers (7) angeordnet sind, zwei Paare von Seilrollen (17, 18), von denen die eine im Innern des Kanals (1) und die andere außerhalb des Kanals (1) befestigt ist, sowie zwei Antriebszylinder (15), wobei ein Seil (16) das Ende der Kolbenstange des Antriebszylinders (15) über die Seilrollen (17, 18) mit dem Gabelbügel (19) des zentralen Körpers (7) verbindet und alle diese Elemente jeweils paarweise diametral einander gegenüberliegend in einer Ebene angeordnet sind, die durch die Achse des Turboluftstrahltriebwerks verläuft.