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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
schubvektorverändernde achssymmetrische Abgasdüse mit
variabler Geometrie für Gasturbinenmotoren, die
Hauptklappen für die divergente Zone einer
konvergenten/divergenten Abgasdüse mit variabler Geometrie umfaßt, so
daß die Gasströmung für einen Gasturbinenmotor als
Vortriebsmittel in der Luftfahrt ausgerichtet werden kann.
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In einer bevorzugten Anwendung betrifft die
vorliegende Erfindung insbesondere eine Düse in
achssymmetrischer Ausführung, die eine konvergente Zone
umfaßt, an die sich in Strömungsrichtung eine divergente
Zone anschließt, wobei die beiden Zonen aus miteinander
durch Gelenke verbundenen Hauptklappen und aus
miteinander ebenfalls durch Gelenke verbundenen Nebenklappen
gebildet sind, deren konvergente Zone einen Durchlaß mit
variabler Fläche definiert und deren divergente Zone,
ebenfalls mit variabler Geometrie, sich so betätigen
läßt, daß die Gasströmung und damit der Schub auf einen
um die Längsachse des Motors herum angeordneten Kegel in
beliebiger Richtung ausgerichtet werden kann.
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Die Manövrierbarkeit von Flugzeugen ist ein ganz
entscheidender Faktor. Diese bisher durch aerodynamische
Kräfte erzielte Manövrierbarkeit kann durch Veränderung
der Strömungsausrichtung gegenüber ihrer normalen axialen
Betätigungsrichtung wesentlich verbessert werden.
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Die Ausrichtung der Gasströmung wird seit vielen
Jahren bei Raketenmotoren genutzt. Solche Motoren
besitzen viel einfachere Systeme, da die Düsen eine
konstante Geometrie aufweisen.
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Konvergente/divergente Düsen mit variabler
Geometrie sind erst vor relativ kurzer Zeit bei durch
Strahl- oder Propellerturbomotoren angetriebenen
Überschallflugzeugen eingeführt worden.
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Bei dieser Düsenart sind die Systeme zur
Strömungsausrichtung noch nicht betriebseinsatzfähig und
befinden sich noch in der Versuchs- oder
Entwicklungsphase.
Die Systeme in zweidimensionaler Ausführung, bei
denen die Strömungsausrichtung lediglich in einer Ebene
erfolgt, haben einen fortgeschritteneren Status erreicht.
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Es ist besonders vorteilhaft, die Ausrichtung
der Strömung in achssymmetrischen Düsen vorzunehmen, da
die Strömungsrichtung dann in jeder axialen Ebene
variiert werden kann, wobei die Nick- und Gierebenen von
besonderer Bedeutung sind.
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Es gibt verschiedene Patente über Mechanismen
zur Ausrichtung der Strömung bei dieser Düsenausführung,
da es theoretisch möglich ist, dies auf verschiedene
Arten zu realisieren, obwohl es sehr schwierig ist, bei
solchen Systemen ein hohes Maß an Kompliziertheit zu
vermeiden.
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Nur die divergente Zone der der
A8-Durchlaßfläche nachgeschalteten Düse auszurichten, bietet den
Vorteil, daß die durch die Ausrichtung induzierten
Störungen nicht in einem Bereich vor dem Motor übertragen
werden und daß die Abdichtung der Räume zwischen den
verschiedenen beweglichen Teilen vereinfacht wird. Es
verbleibt noch das Problem der Abdichtung zwischen
divergenten Hauptklappen während der Strömungsausrichtung.
In dieser Hinsicht wird auf die GB-A-2 230 239 und die
EP-A-O 557 229 (US-Patentanmeldung 336369 von 1989 und
die spanische Anmeldung Nr. 9200369 von 1992) verwiesen,
in denen verschiedene Ausführungsformen von Düsen
beschrieben werden, bei denen lediglich die divergente Zone
bzw. ein Teil davon ausgerichtet wird.
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Es gibt verschiedene Lösungen, um das Problem
der Abdichtung der Räume zwischen divergenten
Hauptklappen zu lösen, wie beispielsweise in den US-A-4
690 330, US-A-4 662 566, GB-A-2 230 299 und FR-A-2 657
922 (US-Patentanmeldungen 804021 von 1985, 804022 von
1985, 336380 von 1989 und 07475465 von 1991) und
(spanische Anmeldungen Nr. 9200369 und 9202157 von 1992)
beschrieben.
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In der EP-A-0 595 753 (spanische
Patentanmeldung 9202157) wird ein Konzept einer divergenten
Nebenklappe zur Abdichtung des Längsraums zwischen
angrenzenden divergenten Hauptklappen beschrieben und
beansprucht. Die Geometrie der Längsräume zwischen
divergenten Hauptklappen wird während der
Strömungsausrichtung verändert, wobei eine Veränderung von einer
annähernd rechtwinkligen Form in diejenige einer
ausgerichteten Oberfläche erfolgt, deren Seiten nicht parallel
verlaufen.
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In der EP-A-0 557 229 (spanische
Patentanmeldung Nr. 9200369 von 1992) wird eine
schubvektorverändernde achssymmetrische Abgasdüse mit variabler
Geometrie für Gasturbinenmotoren, wie im Oberbegriff des
Anspruchs 1 beschrieben, beansprucht.
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Diese Düse besteht aus einer konvergenten
Zone und einer divergenten Zone, die beide aus Haupt- und
Nebenklappen gebildet sind, und beinhaltet Steuer- und
äußere radiale Stützmittel zur Regulierung der
Durchlaßfläche sowie Steuermittel zur Regulierung der
Strömungsausrichtung, wobei die Tatsache kennzeichnend
ist, daß die Veränderung der A8-Durchlaßfläche und die
Strömungsausrichtung durch ein einzelnes Steuersystem
bewirkt werden.
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Dieses einzelne Steuersystem ist aus drei
ringförmigen Teilen, die konzentrisch zueinander und zur
Achse des Motors angeordnet sind, sowie aus mehreren
linearen Betätigungsorganen, die an ihrem vorgeschalteten
Ende über Gelenke mit der Motorkonstruktion verbunden
sind, gebildet.
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Die ringförmigen Teile sind miteinander und
mit der Motorkonstruktion durch Gelenkelemente und
Führungsvorrichtungen verbunden, welche die gemeinsame
axiale Verschiebung der drei ringförmigen Teile um die
gleiche Größenordnung im Verhältnis zur Motorkonstruktion
sowie eine relative Drehbewegung der mittleren und
äußeren ringförmigen Teile im Verhältnis zueinander und
im Verhältnis zum inneren ringförmigen Teil zulassen, so
daß auf diese Weise die Neigung des äußeren ringförmigen
Teils in beliebiger Richtung möglich ist, wobei der
Drehmittelpunkt auf der Motorachse liegt.
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Die konvergenten Hauptklappen sind an ihren
vorgeschalteten Enden mit dem inneren ringförmigen Teil
durch tangentiale zylindrische Gelenke verbunden, deren
Achse senkrecht zur Achse des Motors verläuft. Das äußere
ringförmige Teil ist seinerseits durch Kugelgelenke mit
dem nachgeschalteten Ende der linearen Betätigungsorgane
verbunden.
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Der Mechanismus zur Veränderung der A8-
Durchlaßfläche besteht aus einer Verbindungsstange, die
an einem Ende durch ein Gelenk mit der konvergenten
Hauptklappe verbunden ist, während sie am
entgegengesetzten Ende durch ein anderes Gelenk mit der
feststehenden Konstruktion der Düsenabdeckung verbunden ist.
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Die Hauptklappen der divergenten Zone sind in
Querrichtung in zwei Abschnitte unterteilt, die
miteinander durch ein zylindrisches Gelenk verbunden sind,
dessen Achse senkrecht zur Achse des Gelenks zwischen
Hauptklappen der konvergenten Zone und der divergenten
Zone verläuft, wobei der nachgeschaltete Abschnitt mit
dem äußeren ringförmigen Teil durch einen Stab verbunden
ist, der mit dem Abschnitt durch ein Kugelgelenk und mit
dem äußeren ringförmigen Teil durch ein tangentiales
zylindrisches Gelenk verbunden ist, dessen Achse
senkrecht zu derjenigen des Motors verläuft.
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Der vorgeschaltete Abschnitt der divergenten
Hauptklappe ist an seinem vorgeschalteten Ende mit der
entsprechenden konvergenten Hauptklappe durch ein
tangentiales zylindrisches Gelenk verbunden, dessen Achse
senkrecht zur Achse des Motors verläuft.
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Das äußere ringförmige Teil ist aus zwei
Ringsegmenten, die miteinander durch Gelenke verbunden
sind und von vier linearen Betätigungsorganen abgestützt
werden, gebildet. Diese Ausführungsform, die aus zwei
Halbringen gebildet ist, welche durch vier lineare
Betätigungsorgane bewegt werden, ermöglicht es, die
A9-Austrittsfläche für einen feststehenden Wert der
A8-Durchlaßfläche zu variieren.
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In der EP-A-595 753 (spanische
Patentanmeldung Nr. 9202157 von 1992) wird vorgeschlagen, jede
divergente Nebenklappe in eine verformbare Baueinheit mit
Mindesttorsionssteifigkeit umzuwandeln, wobei diese
Einheit aus einer Grundplatte und mehreren gesonderten,
in die Grundplatte eingesetzten Querelementen gebildet
ist. Diese Grundplatte, die der Einheit axiale
Steifigkeit verleiht, dient als Element zur Übernahme der
axialen Kräfte aufgrund der Gasströmung, der Kühlluft und der
Trägheitskräfte, bietet dabei aber eine Mindestleistung
hinsichtlich der Übertragung von Querbelastungen. Die
gesonderten Querelemente, die ihrerseits kaum
Torsionskräfte übertragen können, übertragen die
Querbelastungen und Scherkräfte, die sowohl durch die Gasströmung
als auch durch die divergenten Hauptklappen hervorgerufen
werden, auf die der Gasdruck, der auf die die Axialkräfte
übernehmende Grundplatte ausgeübt wird, übertragen wird.
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Auf diese Weise verfügen wir mit der EP-A-
0557229 und der EP-A-0595753 (spanische Patentanmeldungen
9200369 und 9202157 von 1992) über einen Mechanismus, der
die Gasströmung durch alleinige Einwirkung auf einen Teil
der divergenten Zone der Düse ausrichten kann, und es
wird eine geeignete Abdichtung des Längsraums zwischen
angrenzenden divergenten Hauptklappen bereitgestellt. In
der vorliegenden Erfindung wird eine divergente
Hauptklappe beschrieben und beansprucht, die es
ermöglicht, den maximalen Strömungsausrichtungswinkel
gegenüber demjenigen zu vergrößern, der mit der in der
EP-A-0 557 229 (spanische Patentanmeldung Nr. 9200369)
beschriebenen Ausführungsform erreicht werden kann.
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Bei Ausrichtung der divergenten Zone der Düse
werden die divergenten Hauptklappen, wie in der EP-A-0
557 229 (spanische Patentanmeldung Nr. 9200369)
beschrieben, gezwungen, sich in radialer Richtung und in
tangentialer Richtung im Verhältnis zur Mittelachse des
Motors zu bewegen, wobei der maximale Ausrichtungswinkel
der divergenten Zone für eine gegebene A8-Durchlaßfläche
durch die Interferenzen zwischen Haupt- und Nebenklappen
in Zonen nahe der Austrittsfläche A9 begrenzt ist. In der
EP-A-0 595 753 (spanische Patentanmeldung 9202157 von
1992) wird, wie bereits erwähnt, vorgeschlagen, die
divergente Nebenklappe in eine verformbare Baueinheit mit
Mindesttorsionssteifigkeit umzuwandeln, wobei diese
Einheit aus einer Grundplatte zur Übernahme der
Axialkräfte und mit einer Mindestleistung zur Übertragung von
Querbelastungen sowie aus einigen gesonderten
Querelementen gebildet ist, welche die Querbelastungen und die
Scherkräfte, die sowohl durch die Gasströmung als auch
durch die divergenten Hauptklappen hervorgerufen werden,
übertragen kann. Falls die in Kontakt mit der Gasströmung
stehende Innenfläche der divergenten Hauptklappen flach
ist, wird der maximale Strömungsausrichtungswinkel durch
Interferenz in Zonen nahe der A9-Austrittsfläche dieser
Innenfläche mit den gesonderten Querelementen bestimmt,
da in diesem Fall die Längskanten der Grundplatte nicht
auf der Innenfläche der divergenten Hauptklappen
aufliegen, wobei eine Längsöffnung entsteht, welche die
Weiterleitung der Gase nach außen zuläßt.
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Um dieses Problem zu lösen, wird gemäß
vorliegender Erfindung eine divergente Hauptklappe
vorgeschlagen, die eine in Kontakt mit der Gasströmung
stehende Innenfläche besitzt, deren Form zwischen zwei
Querabschnitten variiert werden kann, wobei einer dieser
Abschnitte gerade ausgeführt ist und mit der
vorgeschalteten äußeren Querkante der Klappe zusammenfällt oder in
deren Nähe angeordnet ist und der andere Abschnitt
gekrümmt ausgeführt ist und mit der nachgeschalteten
äußeren Querkante dieser Klappe zusammenfällt oder in deren
Nähe angeordnet ist, wobei die Konvexität zum Inneren des
Motors hin ausgerichtet ist.
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Die beschriebenen Merkmale gelten sowohl für
aus einem einzelnen starren Abschnitt gebildete
Hauptklappen als auch für Hauptklappen, welche aus zwei oder
mehr starren Abschnitten gebildet sind, die miteinander
durch zylindrische Gelenke verbunden sind. Im zweiten
Fall könnte das vorgeschaltete Ende der Hauptklappe eine
in Kontakt mit der Gasströmung stehende Innenfläche
besitzen, die eine flache Form oder auch eine variable
Form zur Fortsetzung der Krümmung des nachgeschalteten
Abschnitts oder der nachgeschalteten Abschnitte aufweist.
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Die Übertragung zwischen den beiden
Abschnitten erfolgt allmählich und gleichmäßig, um den
ständigen Kontakt der divergenten Nebenklappe mit der
Innenfläche zuzulassen.
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Wenn für die divergente Nebenklappe gemäß der
EP-A-0 595 753 (spanische Patentanmeldung 9202157) eine
Innenfläche vorgesehen werden soll, die durch einen
geraden Querschnitt in der Zone der A8-Durchlaßfläche
sowie einen gekrümmten und konvexen Querschnitt im
Verhältnis zur Achse des Motors in der Zone der
A9-Austrittsfläche definiert ist, wie in einigen der
vorerwähnten Patente vorgeschlagen, so setzt dies eine
beträchtliche Erhöhung der Torsionssteifigkeit der
divergenten Nebenklappe voraus, und als Folge ist mit einem
starken Wirksamkeitsverlust bei der Abdichtung des
zwischen angrenzenden divergenten Hauptklappen vorhandenen
Raums während der Strömungsausrichtung und aufgrund der
durch die Temperaturgradienten hervorgerufenen
Verformungen zu rechnen.
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Alle genannten Merkmale sowie andere
erfindungsspezifische Merkmale, wie in den Ansprüchen
aufgeführt, werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen durch die nachfolgende Beschreibung besser
verständlich, in der eine mögliche Ausführungsform
dargestellt ist, die lediglich, ohne darauf beschränkt zu
sein, beispielhaften Obarakter hat. In den Zeichnungen
sind:
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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung,
teilweise als Schnittansicht, einer gemäß vorliegender
Beschreibung entwickelten schubvektorverändernden
Abgasdüse;
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Fig. 2 ein Querschnitt durch die Düse entlang
der Schnittlinie AA-AA der Fig. 5, aus dem die
Verbindungen zwischen den Elementen ersichtlich sind, die
das System für die gleichzeitige Steuerung der
Durchlaßfläche und der Strömungsausrichtung bilden;
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Fig. 3 ein Längsschnitt durch die Düse
entlang der Schnittlinie BB-BB der Fig. 2, aus dem die Düse
in offener Position ohne Strömungsausrichtung ersichtlich
ist;
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Fig. 4 ein Längsschnitt durch die Düse
entlang der Schnittlinie BB-BB der Fig. 2, aus dem die Düse
in geschlossener Position mit Strömungsausrichtung
ersichtlich ist;
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Fig. 5 ein Längsschnitt durch die Düse
entlang der Schnittlinie CC-CC der Fig. 2, aus dem die Düse
in geschlossener Position ohne Strömungsausrichtung
ersichtlich ist;
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Fig. 6 eine perspektivische Rückansicht einer
gemäß vorliegender Beschreibung entwickelten divergenten
Nebenklappe;
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Fig. 7 eine Draufsicht der divergenten
Nebenklappe der Fig. 6;
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Fig. 8 eine Seitenansicht der divergenten
Nebenklappe der Fig. 6;
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Fig. 9 eine Schnittansicht in einem größeren
Maßstab entlang der Schnittlinie EE-EE der Fig. 7;
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Fig. 10 ein Teilschnitt durch die Düse
entlang der Schnittlinie DD-DD der Fig. 4, aus dem die Düse
in geschlossener Position mit Strömungsausrichtung
ersichtlich und wobei die Innenfläche der divergenten
Hauptklappen flach ist;
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Fig. 11 ein Teilschnitt durch die Düse
entlang der Schnittlinie DD-DD der Fig. 4, aus dem die Düse
in geschlossener Position mit Strömungsausrichtung und
die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen
divergenten Hauptklappen ersichtlich sind;
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Fig. 12 eine Seitenansicht einer gemäß der
vorliegenden Erfindung gebildeten divergenten
Hauptklappe;
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Fig. 13 eine Draufsicht der divergenten
Hauptklappe der Fig. 12;
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Fig. 14 und 15 Vorderansichten der
divergenten Hauptklappe an den durch die Pfeile GG bzw. FF der
Fig. 12 angezeigten Richtungen entlang.
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Die Fig. 1 bis 5 zeigen eine Düse, die in
ihrer Ausführung einer der in der spanischen
Patentanmeldung Nr. 9200369 von 1992 beschriebenen
Ausführungsformen entspricht. Die Fig. 1 bis 4 zeigen außerdem die
Ausführungsform der in der vorliegenden Erfindung
beschriebenen und beanspruchten divergenten Hauptklappe.
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Fig. 1 ist eine schematische perspektivische
Darstellung, teilweise als Schnittansicht, der Düse, die
Gegenstand der Beschreibung ist, wobei der Pfeil A die
Richtung der Strömung oder Zirkulation der Gase anzeigt.
Die in Fig. 1 gezeigte Düse beinhaltet, in gleicher Weise
wie traditionelle Düsen, eine durch die Bezugsziffer 1
bezeichnete hintere Karkasse, eine durch die Bezugsziffer
2 bezeichnete konvergente Zone und eine durch die
Bezugsziffer 3 bezeichnete divergente Zone. Die
konvergente Zone 2 ist aus mehreren Hauptklappen mit der
Bezeichnung 4 und aus nicht dargestellten Nebenklappen
gebildet. In gleicher Weise ist die divergente Zone 3 mit
einer Grundfläche aus Hauptklappen 5 und Nebenklappen,
die nicht dargestellt sind, gebildet. Die Düse beinhaltet
außerdem ein Steuersystem für die AB-Durchlaßfläche, Fig.
3, welche durch den Schnittpunkt zwischen den
konvergenten Klappen 4 und den divergenten Klappen 5
definiert ist, sowie für die Ausrichtung der Strömung.
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Die Veränderung der A8-Durchlaßfläche und die
Strömungsausrichtung werden durch ein einzelnes
Steuersystem, welches aus drei ringförmigen Teilen 6, 7 und 8
gebildet ist, die konzentrisch zueinander und zur Achse
34 des Motors angeordnet sind, sowie durch mehrere
lineare Betätigungsorgane 9 bewirkt, die an ihrem
vorgeschalteten Ende durch Gelenke mit der Konstruktion der
Karkasse 1 verbunden sind.
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Die konvergenten Hauptklappen 4 sind an ihrem
vorgeschalteten Ende mit dem inneren ringförmigen Teil 8
verbunden. Diese Verbindung erfolgt durch tangentiale
zylindrische Gelenke 10, deren Achse senkrecht zur Achse
34 des Motors verläuft.
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Die nachgeschalteten Enden der linearen
Betätigungsorgane 9 sind mit dem äußeren ringförmigen
Teil 6 durch Kugelgelenke 11 (Fig. 1 und 2) verbunden.
Darüber hinaus ist das äußere ringförmige Teil 6 mit den
divergenten Hauptklappen 5 durch Stäbe 12 verbunden, die
konzentrisch um die Achse 34 des Motors herum montiert
sind. Jeder Stab 12 ist mit dem äußeren ringförmigen Teil
6 durch das zylindrische Gelenk 13 verbunden, während die
Verbindung mit der divergenten Hauptklappe 5 mittels
eines Kugelgelenks 14 (Fig. 1 und 3) erfolgt.
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Das Steuersystem der Düse beinhaltet
weiterhin einen Mechanismus zur Modifizierung der A8-
Durchlaßfläche mit der Bezeichnung 15, der, wie in Fig.
3 dargestellt, aus einer Verbindungsstange 16 gebildet
ist, die an einem Ende durch ein Gelenk 17 mit der
konvergenten Hauptklappe 4 verbunden ist, während sie an
ihrem entgegengesetzten Ende durch das Gelenk 18 mit der
feststehenden Konstruktion der Düsenabdeckung verbunden
ist.
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Die ringförmigen Teile 6, 7 und 8 sind
weiterhin miteinander durch Vorrichtungen verbunden, welche
die axiale Verschiebung der diese drei Teile umfassenden
Gruppe um eine gleiche Größenordnung im Verhältnis zur
Konstruktion des Motors sowie eine Bewegung relativer
Drehung des mittleren ringförmigen Teils 7 und des
äußeren ringförmigen Teils 6 untereinander und im Verhältnis
zum inneren ringförmigen Teil 8 zulassen, um so die
Neigung des äußeren ringförmigen Teils 6 in beliebiger
Richtung zuzulassen, wobei der Drehmittelpunkt auf der
Achse 34 des Motors liegt. Auf diese Weise können das
äußere ringförmige Teil 6 und das innere ringförmige Teil
8 über das mittlere ringförmige Teil 7 untereinander eine
relative räumliche Drehbewegung durchführen, wodurch eine
Kugelverbindung festgelegt wird. Dafür sind die
ringförmigen Teile 6 und 7 miteinander durch ein
zylindrisches Gelenk verbunden, welches durch die Wellen
19, Fig. 2, definiert ist, die in diametral
entgegengesetzter Position ausgerichtet sind, während die
ringförmigen Teile 7 und 8 miteinander durch ein anderes
zylindrisches Gelenk verbunden sind, welches durch die
Wellen 20, Fig. 2, definiert ist, die ebenfalls diametral
zueinander und in einer Position senkrecht zu den Wellen
19 ausgerichtet sind.
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Um das Spiel zwischen den ringförmigen Teilen
6, 7 und 8 zu reduzieren und das Aneinanderreiben dieser
Teile während ihrer relativen Drehung zu minimieren, sind
Axialdrucklager, mit 21 in Fig. 2 bezeichnet,
konzentrisch zuden Wellen 19 und 20 angeordnet.
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Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, besteht
das ringförmige Teil 8 aus einer zylindrischen
Verlängerung 8a, durch welche die Abdichtung des
"Nachbrenners" während der Ausrichtung der Durchlaßfläche 15
der Düse erreicht wird. Die Achse dieser zylindrischen
Verlängerung muß stets auf der Längsachse 34 des Motors
liegen, für die, außerhalb der Ebene der Kugelverbindung,
die Rollen 23, Fig. 5, angeordnet werden, die sich
lediglich in axialer Richtung auf der Innenfläche der an
der Konstruktion des Motors befestigten Führungen bewegen
werden, um die Führungsvorrichtung des ringförmigen Teils
8 zu definieren.
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Das ringförmige Teil 6 wird seinerseits
mittels einer Vorrichtung geführt, die aus den Rollen 23,
Fig. 2 und 5, gebildet ist, welche sich nur in axialer
Richtung innerhalb von an der Konstruktion befestigten
Führungen mit einem geringen Spielraum bewegen können, um
die Drehung dieses ringförmigen Teils 6 über einen
beliebigen Durchmesser zuzulassen. Die Führungen der
ringförmigen Teile 6 und 8 müssen die Nettoscherkräfte,
die während der Strömungsausrichtung auftreten, und
diejenigen aufnehmen, die durch die Asymmetrien der
Belastungen hervorgerufen werden.
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Die beschriebene Anordnung, dargestellt in
den Fig. 1 bis 5, läßt die folgenden Bewegungen durch
Aktivierung der linearen Betätigungsorgane 9 in der einen
oder anderen Richtung zu:
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- Axiale Bewegung der aus den ringförmigen
Teilen 6, 7 und 8 bestehenden Baueinheit, zusammen mit
den Stäben 12, und der Klappen 4, wodurch es möglich ist,
die A8-Durchlaßfläche, mit 15 in Fig. 3 bezeichnet, zu
variieren. Diese Verschiebung der ringförmigen Teile 6,
7 und 8 durch die Einwirkung der linearen
Betätigungsorgane 9 bewirkt die radiale Verschiebung der
konvergenten Hauptklappen 4 über das Gelenk 10. Bedingt
durch die feststehende Konstruktion und mittels der
Verbindungsstange 16, öffnen und schließen sich die
konvergenten Hauptklappen 4 in radialer Richtung und
definieren, zusammen mit den Stäben 12, die Position der
divergenten Hauptklappen 5. In diesem Fall weisen die
linearen Betätigungsorgane 9 immer die gleiche Länge auf.
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- Jedes der Betätigungsorgane 9 kann
verlängert oder verkürzt werden, so daß das äußere
ringförmige Teil 6 über eine theoretische Kugelfläche bewegt
wird, deren Mittelpunkt auf der Achse 34 des Motors
liegt, wobei das ringförmige Teil 8 in axialer Position
feststehend verbleibt; anschließend wird durch die
gleichen Mechanismen die Ausrichtung der Strömung in
beliebiger Richtung um die Achse 34 des Motors herum erreicht.
In der angegebenen Betätigung drehen sich die Stäbe 12,
die durch ein zylindrisches Gelenk 13 mit dem
ringförmigen Teil 6 verbunden sind, mit dem letzteren und
zwingen die divergenten Hauptklappen 5, sich in radialer
Richtung, angezeigt durch den Pfeil R in den Fig. 10 und
11, sowie in tangentialer Richtung, angezeigt durch den
Pfeil T in denselben Fig. 10 und 11, zu bewegen, so daß
es möglich ist, die Ausrichtung der Strömung in der durch
den Pfeil B angezeigten Richtung zu erreichen. Dafür ist
jede divergente Hauptklappe in zwei Abschnitte
unterteilt, bezeichnet durch die Bezugsziffern 5a und Sb,
die miteinander durch ein zylindrisches Gelenk 24
verbunden sind, welches senkrecht zur Mittelachse der
Grundfläche der Klappe 5 angeordnet ist, wie aus den Fig.
3, 6 und 7 besser ersichtlich. Das Element oder der
Abschnitt 5a ist durch ein zylindrisches Gelenk 25 mit
der Hauptklappe 4 verbunden, Fig. 3, 12 und 13. Durch
diese Lösung wird auf sehr einfache Weise das Problem der
Abdichtung in der Durchlaßfläche 15 gelöst, da sich
während der Strömungsausrichtung beide Abschnitte 5a und
5b in radialer Richtung bewegen, das Element 5a jedoch an
einer Bewegung in tangentialer Richtung gehindert wird,
während sich das Element 5b alleine in tangentialer
Richtung bewegt. Schließlich wird die Ausrichtung der
Gasströmung und damit der Schub erreicht.
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- Das ringförmige Teil 6 ist diametral in
zwei Haibringe unterteilt, bezeichnet durch die
Bezugsziffern 6a und 6b, die miteinander durch die gleichen
Elemente verbunden sind, welche die zylindrischen Gelenke
19 bilden, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Die linearen
Betätigungsorgane 9, die mit diesen zylindrischen
Gelenken 19 verbunden sind, behalten ihre feststehende
Länge bei, während diejenigen, die an dem Mittelpunkt der
Halbringe 6a und 6b befestigt sind, um die gleiche
Größenordnung verkürzt oder verlängert werden, um die A9-
Austrittsfläche der Düse für eine gegebene A8-
Durchlaßfläche 15 zu variieren, da die Stäbe 14 die
divergenten Hauptklappen 5 öffnen oder schließen.
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Die drei vorerwähnten Bewegungsmöglichkeiten
können durch geeignete Regulierung des Hubs der linearen
Betätigungsorgane 9 gleichzeitig realisiert werden.
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Wie aus Fig. 1, auf die nunmehr wieder Bezug
genommen wird, ersichtlich ist, beinhaltet die Düse, um
die konvergente Zone 2 herum, eine Abdeckung 26 und, um
die divergente Zone herum, eine aus den Elementen 27 und
28 gebildete Abdeckung. Wie in den Fig. 3 und 4
dargestellt, sind die Elemente 27 durch Kugelgelenke 29 mit
der feststehenden Konstruktion verbunden und werden
mittels der Stäbe 12 geführt, während die Elemente 28 mit
den Stäben 12 verbunden sind.
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In Fig. 3 ist die Düse in offener Position
und ohne Strömungsausrichtung dargestellt, während in
Fig. 4 der gleiche Längsschnitt der Düse dargestellt ist,
jedoch in geschlossener Position und mit
Strömungsausrichtung.
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In Fig. 5, welche die Düse in geschlossener
Position ohne Strömungsausrichtung zeigt, sind die Räder
oder Rollen 22 und 23 dargestellt, die auf Längsführungen
verschiebbar sind, um die axiale Verschiebung der
ringförmigen Teile 6, 7 und 8 zu bewirken.
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Wie bereits vorstehend angegeben, erfolgt die
Abdichtung zwischen der konvergenten Hauptklappe 4 und
zwischen den divergenten Hauptklappen 5 durch die
entsprechenden konvergenten Nebenklappen 30 und die
divergenten Nebenklappen 31, wie in den Fig. 5 bis 11
dargestellt und angezeigt.
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Um eine Anpassung an die aus den Abschnitten
5a und 5b gebildeten divergenten Hauptklappen 5 zu
ermöglichen und das Problem der Abdichtung des Raums
zwischen den angrenzenden divergenten Hauptklappen 5 zu
lösen, schlägt die spanische Patentanmeldung Nr. 9202157
eine divergente Nebenklappe 31 vor, die eine verformbare
Baueinheit mit Mindesttorsionssteifigkeit darstellt.
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In den Fig. 6 bis 9 ist eine der in dieser
Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen der
Nebenklappe 31 dargestellt, die aus folgenden Teilen
gebildet ist:
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- Eine Grundplatte 32 zur Übernahme der
sowohl durch die Gasströmung als auch durch die Kühlluft
und durch die Trägheitskräfte hervorgerufenen
Axialkräfte. In dieser Ausführungsform weist die zur Übernahme der
Axialkräfte dienende Grundplatte 32 an jeder ihrer
Längskanten durchgehende Randfalze mit entgegengesetzter
Falzrichtung auf, die auf jeder Seite eine in einem
Längsflügel 35 parallel zur Innenfläche der angrenzenden
divergenten Hauptklappe 5 vorgesehene Nut 33 festlegen
und mit der Grundplatte 32 zur Übernahme der Axialkräfte
ein einzelnes Element bilden. Der Längsflügel 35 kann,
wie besser aus Fig. 9 ersichtlich, durch einen ebenfalls
in Längsrichtung verlaufenden umgebogenen Rand 36
verstärkt werden, um einen Sitz auf der Innenfläche der
angrenzenden divergenten Hauptklappe 5 zu bilden. Die
Grundplatte 32, welche die Axialkräfte übernimmt, ist
weiterhin an ihrer freien Querkante mit einer quer
verlaufenden Abschlußlippe 38 ausgestattet; Fig. 6.
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- Eine Baueinheit aus gesonderten
Querelementen 37, welche, da sie als Übertragungsorgane für die
Querbelastungen und die Scherkräfte dienen, die sowohl
durch die Gasströmung als auch durch die Bewegungen der
angrenzenden divergenten Hauptklappen 5 ausgeübt werden,
keine Torsionsbewegungen um die Längsachse 38 der
divergenten Nebenklappe herum übertragen können, da ihnen eine
gewisse relative Bewegung untereinander und mit der die
Axialkräfte übernehmenden Grundplatte 32 ermöglicht wird.
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- Ein gesondertes Querelement 40 zur
Verbindung mit der konvergenten Nebenklappe, wobei das
Element an dem vorgeschalteten Ende der die Axialkräfte
übernehmenden Grundplatte 32 angeschweißt ist.
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- Eine Baueinheit aus Klammern 41, welche die
die Axialkräfte übernehmende Grundplatte 32 mit den
gesonderten Querelementen 37 verbinden und eine gewisse
relative Bewegung untereinander zulassen.
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- Die üblichen Stütz- und Führungssysteme,
die von Holmen 42, welche auf den divergenten
Hauptklappen 5 ruhen werden, von einem Zentriermechanismus 43
und einem gleitreduzierten zylindrischen Gelenk 44 zur
Verbindung der divergenten Nebenklappe 31 mit der
entsprechenden konvergenten Nebenklappe 30, Fig. 5, gebildet
sind.
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Alle diese üblichen Stütz- und
Führungssysteme 42, 43 und 44 sind mit der Grundplatte 32 zur
Übernahme der Axialkräfte verbunden.
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Diese üblichen Stütz- und Führungssysteme 42,
43 und 44 sind beispielhaft dargestellt, und es können
auch andere normalerweise eingesetzte Systeme
(beispielsweise ein Doppelzentriermechanismus 43 anstelle
des gleitreduzierten zylindrischen Gelenks 44) verwendet
werden. Das gleitreduzierte zylindrische Gelenk 44
ermöglicht einen Sitz der divergenten Nebenklappe 31 auf
der Innenfläche der angrenzenden divergenten Hauptklappen
und ermöglicht es außerdem der gesamten divergenten
Nebenklappe 31, sich über einen gewissen Winkel in
beliebiger Richtung vom Mittelpunkt des gleitreduzierten
Gelenks 44 aus zu drehen, so daß die divergente
Nebenklappe 31 die Positionen einnimmt, zu denen sie
durch die angrenzenden divergenten Hauptklappen 5 über
den Zentriermechanismus 43 veranlaßt wird. Das
gleitreduzierte zylindrische Gelenk kommt in
konventionellen achssymmetrischen konvergenten/divergenten
Düsen mit variabler Geometrie (nicht ausrichtbar), die
zur Zeit in der Entwicklung oder in Betrieb sind,
üblicherweise zum Einsatz.
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-Da es zwischen den gesonderten Querelementen
37 und der die Axialkräfte übernehmenden Grundplatte 32
sowie auch zwischen den angrenzenden gesonderten
Querelementen 37 keinen direkten Kontakt gibt, wird durch das
Vorhandensein von Wärmegradienten, sowohl in Längs- als
auch in Querrichtung, keinerlei thermische Kraft in der
divergenten Nebenklappe 31 erzeugt, da die Bewegungen
thermischer Ausdehnung der die Axialkräfte übernehmenden
Grundplatte 32 und auch diejenigen eines jeden der
gesonderten Querelemente 37 keinerlei Einschränkungen
erfahren.
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Da die Dicke der die Axialkräfte
übernehmenden Grundplatte 32 die Mindestdicke darstellt, die
erforderlich ist, um die Axialkräfte (oder eine geringe
Größenordnung) auf die entsprechende konvergente Nebenklappe
30 zu übertragen und gleichzeitig die jeweils zwischen
den beiden gesonderten Querelementen 37 oder 37 und 40
vorhandenen Räume beizubehalten (wenn der Druck auf die
Innenfläche der divergenten Nebenklappe 31 größer als der
Druck auf deren Außenfläche ist), stellt die divergente
Nebenklappe 31 außerdem eine Einheit mit reduzierter
Torsionssteifigkeit dar, da die gesonderten Querelemente
37 die Torsion nicht übertragen können. Auf diese Weise
verfügt die divergente Nebenklappe 31 über eine
Verwindungsflexibilität, um den Raum zwischen den
angrenzenden divergenten Hauptklappen 5 während der
Strömungsausrichtung abzudecken, ohne daß es dadurch zu
einer Zerstörung durch Ermüdung des Materials kommt, so
daß es daher möglich ist, die betriebliche Lebensdauer
der Klappe zu verlängern.
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In den Fig. 10 und 11 ist, wie vorstehend
angegeben, ein Teilschnitt durch die Düse in einer Zone
nahe der A9-Austrittsfläche 49 dargestellt. In diesen
Figuren ist die Düse in geschlossener Position und mit
Strömungsausrichtung dargestellt.
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Fig. 10 zeigt eine divergente Hauptklappe 46,
deren Innenfläche 46c im wesentlichen flach ist, um die
Interferenzprobleme zu verdeutlichen, die während der
Strömungsausrichtung zwischen der Innenfläche und den
gesonderten Querelementen 37 der in den Fig. 6 bis 9
gezeigten divergenten Nebenklappe 31 entstehen, was
voraussetzt, daß eine der Längskanten 33 der Grundplatte
32 nicht auf der Innenfläche 46c der divergenten
Hauptklappe 46 sitzt, wodurch eine Längsöffnung 47, Fig. 10,
verbleibt, die eine Weiterleitung der Gase nach außen
zuläßt.
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Die divergente Hauptklappe 46 der Fig. 10 ist
in ihrer Konfiguration im wesentlichen identisch mit der
divergenten Hauptklappe 5 der restlichen Figuren, mit der
einzigen Ausnahme, daß ihre Innenfläche flach ist.
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Es gibt zwei Lösungen zur Beseitigung dieses
Problems:
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- Für die divergente Nebenklappe 31 wird eine
Grundplatte 32 vorgesehen, die einen grundsätzlich
geraden Querschnitt in der Zone der A8-Durchlaßfläche 15
und einen gekrümmten Querschnitt mit konvexer Ausbildung
im Verhältnis zur Achse 34 des Motors in der Zone der A9-
Austrittsfläche 49 aufweist, um über genügend Raum zu
verfügen, so daß es zwischen den gesonderten
Querelementen 47 und der Innenfläche 46c der divergenten
Hauptklappe 46 zu keiner Interferenz kommt, und um
ausreichende Kapazität zur Verfügung zu haben, so daß die
Querbelastungen und die Scherkräfte, welche durch die
Gasströmung und die divergenten Hauptklappen 46 ausgeübt
werden, übertragen werden können. Um jedoch die
beschriebene Form für die Grundplatte vorsehen zu können,
müssen als Voraussetzung deren Torsionssteifigkeit und
Längsbiegung beträchtlich erhöht werden, wobei deren
Fähigkeit, sich selbst an die Innenfläche der divergenten
Hauptklappe 46 in jeder Situation anzupassen, stark
abnimmt und damit die Wirksamkeit der Dichtung in der
divergenten Zone 3 der Düse drastisch verringert wird.
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- Für die divergente Hauptklappe 5 wird eine
in Kontakt mit der Gasströmung stehende Innenfläche 5c
verwendet, die von einer geraden Linie, welche entlang
einem Abschnitt quer zur Längsachse 45 der Hauptklappe 5
an deren vorgeschaltetem Ende verläuft, entsprechend der
Zone der A8-Durchlaßfläche 15, und von einer gekrümmten
Linie, welche entlang einem Abschnitt quer zur Längsachse
45 der Klappe 5 an deren nachgeschaltetem Ende verläuft,
entsprechend der Zone der Austrittsfläche der A9-Düse 49,
definiert ist. Die gekrümmte Linie verläuft, von der
Mittelachse 34 des Motors aus gesehen, konvex. Die
divergente Hauptklappe 5 weist die in den Fig. 12 bis 15
dargestellte Konfiguration auf.
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Mit dieser in der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagenen und beanspruchten letztgenannten Lösung
ist es möglich, das Problem der Interferenz zwischen den
gesonderten Querelementen 37 der divergenten Nebenklappe
31 mit der Innenfläche 5c der divergenten Hauptklappe 5
hinsichtlich der für diese Düsenausführung erforderlichen
Strömungsausrichtungswinkel zu beseitigen.
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In den Fig. 12 bis 15 ist eine
Ausführungsform der divergenten Hauptklappe 5 gemäß den in der
vorliegenden Erfindung beanspruchten Merkmalen
dargestellt. Aus den Fig. 14 und 15 ist die vorgesehene Form
für die Innenfläche 5c der divergenten Hauptklappe 5,
gerade an deren vorgeschaltetem Ende, wie in Fig. 15
dargestellt, und gekrümmt an deren nachgeschaltetem Ende,
wie in Fig. 14 dargestellt, ersichtlich. Der Übergang in
Längsrichtung zwischen den beiden Enden erfolgt sanft und
allmählich. Die Innenfläche des Abschnitts 5a könnte
flach oder von variabler Form in Fortsetzung der Krümmung
der Innenfläche des Abschnitts 5b ausgeführt sein. Es
versteht sich, daß die für die Innenfläche 5c
beschriebene Form auch für divergente Hauptklappen
übernommen werden kann, die aus einem einzelnen Abschnitt
anstelle von zwei Abschnitten 5a und 5b gebildet sind,
wobei in jedem Fall an deren vorgeschaltetem Ende eine
Verbindung mit der konvergenten Hauptklappe 4 mittels
eines Kugelgelenks anstelle des zylindrischen Gelenks 25
erfolgt.
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Die beschriebenen Merkmale, welche für
konvergente/divergente Düsen mit variabler Geometrie gelten,
die lediglich für eine Ausrichtung der divergenten Zone
sorgen, ermöglichen es, den maximalen
Strömungsausrichtungswinkel im Vergleich zu anderen
Ausführungsformen zu vergrößern, vorausgesetzt, daß aus verformbaren
Baueinheiten gebildete divergente Nebenklappen mit
Mindesttorsionssteifigkeit zum Einsatz kommen.