DE69414551T2

DE69414551T2 - Strahlturbinenmotor mit schubumkehrvorrichtung

Info

Publication number: DE69414551T2
Application number: DE69414551T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre San Antonio Tx 78212 Lair
Original assignee: AERONAUTICAL CONCEPT OF EXHAUS
Current assignee: AERONAUTICAL CONCEPT OF EXHAUS
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2014-02-09
Also published as: EP0683859A4; US5372006A; WO1994018446A2; EP0683859A1; DE69414551D1; WO1994018446A3; EP0683859B1; ATE173321T1; US5666802A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinentriebwerk, das mit einem Schubumkehrer ausgestattet ist, insbesondere von dem in Luftfahrzeugen verwendeten Typ. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Turbinentriebwerk des Doppelstromtyps, das mit einem Schubumkehrer ausgestattet ist und Bereichsänderungen der zentralen Heißgasdüse ermöglicht.

HINTERGRUND UND AUFGABEN DER ERFINDUNG

Um die Landeentfernung eines mit Düsentriebwerken angetriebenen Luftfahrzeuges zu verringern und den Sicherheitsabstand zu erhöhen, wenn das Luftfahrzeug auf einer nassen oder vereisten Landebahn landet, arbeiten Düsentriebwerke mit Schubumkehrern, um einen Bremsschub für das Luftfahrzeug zu erzeugen. Solche Schubumkehrer werden gewöhnlich von Schubumkehreröffnungsklappen gebildet, die zwischen zwei Stellungen um eine Achse schwenken können, die in bezug auf den Strahl des Triebwerks quer und im wesentlichen diametrisch verläuft.
In der ersten Position befinden sich die Öffnungsklappen in einer Stauposition außerhalb des direkten Pfades des Abgasstroms des Triebwerkens. In dieser Position bilden die Öffnungsklappen die Schubdüse des Gasturbinentriebwerkes, so daß der Schub des Triebwerkes direkt nach hinten gerichtet ist, wodurch der Vorwärtsschub des Luftfahrzeuges erzielt wird. In der zweiten Position sind die Öffnungsklappen um die Schwenkachse in eine Quer-, Strahlablenkungs- oder Betriebsposition geschwenkt, um den Düsenstrahl abzufangen und umzulenken und bei Bedarf den Bremsschub für das Luftfahrzeug zu erzeugen.
Die Düsentriebwerke, die mit solchen Schubumkehrern arbeiten, sind gewöhnlich Doppelstrahl- Gasturbinentriebwerke. Solche Triebwerke umfassen einen zentralen Generator, der einen Heißgasstrahl ausstößt, und eine ringförmige Umgehungsleitung, die den zentralen Generator umgibt und durch den ein Strahl von relativ kaltem Gas strömt. In der Praxis stößt die zentrale, d. h. die heiße Strahldüse einen Gasstrom mit einer hohen Temperatur im Bereich von 500ºC bis 600ºC aus, während der Umgehungsstrom eine Temperatur hat, die als relativ kalt angesehen wird und bei etwa 100ºC liegt.
Wenn ein Schubumkehrer mit solchen Doppelstromtriebwerken betrieben wird, dann leitet der Schubumkehrer den heißen und den kalten Strom in Vorwärtsrichtung um, um den Bremsschub zu erzeugen. Da der heiße, zentrale Strom auf die Schubumkehreröffnungsklappen auftrifft, müssen diese aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sein. Im allgemeinen ist das für die Öffnungsklappen des Schubumkehrers eingesetzte Material Stahl oder eine Titanlegierung. Stahl ist jedoch ein relativ schweres Metall, und Titanlegierungen sind zwar wesentlich leichter, aber auch beträchtlich teurer. Aluminium ist ein sehr wünschenswertes Material für die Öffnungsklappen von Schubumkehrern, aber Aluminium kann aufgrund der hohen Temperatur des heißen Stroms nicht verwendet werden.
In der Vergangenheit wurden Versuche unternommen, die Nachteile von konventionellen Doppelstromtriebwerken zu überwinden, z. B. in den US-Patenten Nr. 4,362,015 und 4,581,890. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, ein Hindernis in der Art von Klappen bereitzustellen, um während des Betriebs des Schubumkehrers einen Teil des Abgasauslaßbereiches am Austrittsende der Umgehungsleitung zu versperren. Gemäß dem US-Patent Nr. 4,362,015 beschränken die Klappen den Strom von kaltem Gas in der Umgehungsleitung. Dem US-Patent Nr. 4,581,890 zufolge reduzieren die Klappen kurz den Wirkungsgrad des Mischens des Stroms und des In-Kontakt-Kommens des kalten Umgehungsstroms mit der Struktur des Umkehrers, der dadurch auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird. Genauer ausgedrückt, dieses bekannte System erhöhte (im Schubumkehrmodus) den Wert des Verhältnisses zwischen dem Gesamtdruck des Umgehungsstroms (d. h. des kalten Stroms) und dem Gesamtdruck des heißen Stroms, so daß nur der kalte Strom auf die Umkehreröffnungsklappen auftrifft, wodurch die Verwendung von Öffnungsklappen aus Aluminiumlegierung ermöglicht wird.
Es wurde jedoch gefunden, daß bei Anwendung solcher Systeme auf Turbinentriebwerke erhebliche Nachteile entstehen. Im wesentlichen, Tests haben gezeigt, daß die Triebswerksnennleistung im Umkehrmodus niedrig gehalten werden muß, um eine gestörte Verdichterförderung des Triebwerkes und ein Ansteigen der Hauttemperatur der Schubumkehreröffnungsklappen zu vermeiden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die zentrale Düse des Gasgenerators vom Mischertyp ist. Die in den Systemen des Standes der Technik gefundenen Beschränkungen sind hauptsächlich auf die Mittel zurückzuführen, die zum Regeln des Wertes des Verhältnisses zwischen Gebläsedruck und Kerndruck (PT(Gebläse)/PT(Kern) verwendet wird. Ziel der Systeme des Standes der Technik war es, dieses Verhältnis dadurch zu erhöhen, daß die Strömungseigenschaften des Gebläses unmittelbar geändert und der Gebläsedruck durch mechanisches Beschränken des Gebläsestromumgehungsbereiches im Umkehrmodus erhöht wird, während der Kernfluß nur indirekt beeinflußt wird.
Wie in den US-Patenten 4,362,015 und 4,581,890 beschrieben, wirken diese Systeme unmittelbar auf den Gesamtdruck des Gebläsestroms, um ihn zu erhöhen, wodurch das Verhältnis erhöht wird. Dies erfolgt mit Hilfe von Klappen im kalten Strom, um den Druck des kalten Stroms zu erhöhen. Die Systeme des Standes der Technik haben jedoch keinen erheblichen direkten Effekt und nur einen unerheblichen indirekten Effekt auf den Wert des Gesamtdruckes des Kernstroms. Gewöhnlich würde das Verhältnis bei etwa 0,9 bis 1,0 liegen, und durch die Anwendung der in diesen früheren Patenten offenbarten Klappentechniken wurde das Verhältnis auf einen Wert von höchstens etwa 1, 2 erhöht. Erfahrungen haben gezeigt, daß es in einigen Fällen notwendig war, mehr als zwei, z. B. drei oder vier, Klappen im Gebläsestrom zu installieren, um das Druckverhältnis von PT(Gebläse)/PT(Kern) im Umkehrmodus ausreichend zu erhöhen. Die Folge ist, daß der Wert des Gesamtdruckverhältnisses (Gebläse/Kern) im Umkehrmodus erhöht ist, aber hauptsächlich durch die Erhöhung von PT(Gebläse). Dies ist für das Triebwerk jedoch nicht vorteilhaft, da sich dadurch das Risiko einer gestörten Verdichterförderung des Triebwerkes erhöht. Es ist von Bedeutung, daß zur Erhöhung des Verhältnisses nur auf den Umgehungsstrom eingewirkt wurde, und dies mit Hilfe von zwei oder mehr Klappen, die den Gebläsestrom am Auslaßende der Umgehungsleitung sperren.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der Schubumkehrersysteme des Standes der Technik zu überwinden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schubumkehrer bereitzustellen, für dessen Öffnungsklappen leichte, kostenarme Legierungen wie Aluminium oder Compositmaterialien eingesetzt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Schubumkehrer bereitzustellen, der während des Betriebs des Schubumkehrers mit einem erheblichen Anstieg des Verhältnisses zwischen dem Druck des Gebläsestroms und dem Druck des Kernstroms arbeitet.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Schubumkehrersystem bereitzustellen, das das Verhältnis zwischen dem Gesamtgebläsestromdruck und dem Gesamtkernstromdruck durch unmittelbares Einwirken auf den Kernstrom erhöht.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Schubumkehrersystem bereitzustellen, das das Verhältnis zwischen dem Gesamtgebläsestromdruck und dem Gesamtkernstromdruck durch Vergrößern des Bereiches der Heißgasdüse bei gleichzeitiger Verringerung des Bereiches des Gebläserohres erhöht.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Doppelstrom-Düsentriebwerk bereitzustellen, das die Verwendung eines Schubumkehrers aus leichten Materialien durch den Einsatz einer Düse ermöglicht, die das Mischen des heißen und des kalten Stroms unter gleichzeitiger Verringerung des Gesamtdrucks des heißen Stroms und Erhöhen des Gesamtdrucks des kalten Stroms ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Doppelstrom-Turbinentriebwerkes durch Einstellen der Mischung von kaltem und heißem Strom bereitzustellen, mit dem gleichzeitig der Gesamtdruck des kalten Stroms erhöht und der Gesamtdruck des heißen Stroms verringert wird, indem direkt und hauptsächlich auf den heißen Strom eingewirkt wird.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus einer ausführlichen Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung und Ansprüche in Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen hervor.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Gesamtdruck jedes Stroms, Kern und Gebläse, geändert. Eine Zunahme des Drucks des kalten Stroms ist jedoch im allgemeinen nur innerhalb enger Grenzen möglich, die durch die Grenzen der gestörten Verdichterförderung des Niederdruckkompressors diktiert werden. Daher wird der Gesamtdruck des Gebläsestroms geringfügig erhöht, während der Gesamtdruck des Kernstroms in einem größeren Ausmaß verringert wird, so daß das Verhältnis PT(Gebläse)/PT(Kern)) erheblich geändert wird. Auf diese Weise wird das Risiko einer gestörten Verdichterförderung des Niederdruckkompressors des Triebwerks auf ein Minimum reduziert. Dies erfolgt dann durch Verändern des Abgasbereiches der zentralen Generatordüse im Umkehrschubmodus. Im Umkehrmodus wird der Abgasbereich der zentralen Düse in Zusammenhang mit dem Betrieb der Umkehreröffnungsklappen erhöht. Im Vorwärtsschubmodus, während des Abhebens und im Steigflug, wird der Abgasbereich der zentralen Düse in Zusammenhang mit der Veränderung des Kehlbereiches des letzten Abgasdüse erhöht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht nicht nur eine erhebliche Gewichtsreduzierung der Schubumkehreröffnungsklappen (da ein(e) leicht(es) Aluminiumlegierung oder Compositmaterial eingesetzt werden kann), sie erlaubt aber auch weitere Verbesserungen der Triebwerksleistung, wenn das Triebwerk mit einem Schubumkehrer ausgestattet wird, der eine Düse mit veränderlichem Abgasbereich aufweist, wie im US-Patent 5,181,676 beschrieben ist, oder mit einer Nicht-Umkehrdüse mit veränderlichem Abgasbereich, wie dies in meiner mitanhängigen Anwendung mit der Seriennummer 07/741,647 beschrieben ist, wobei beide Spezifikationen durch Bezugnahme eingeschlossen sind.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ausführlicher beschrieben, die anhand von nicht beschränkenden Beispielen bestimmte bevorzugte Merkmale und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigen. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht des hinteren Teils eines Turbinentriebwerkes, das mit einer zentralen Mischdüse ausgestattet ist;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht in der Auslaßebene der Turbinenmischerdüse entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 und mit Blick in Richtung der Pfeile;
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, wobei der Abgasbereich der Mischerdüse vergrößert ist;
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Mischerdüse, die den Lappen in der zurückgezogenen Position und in der Betriebsposition zeigt;
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 4, die eine alternative Ausgestaltung der Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 von Fig. 4 und mit Blick in Richtung der Pfeile;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 4 und mit Blick in Richtung der Pfeile;
Fig. 8 und 8a jeweils eine Ansicht, ähnlich Fig. 4 und 6, einer anderen alternativen Ausgestaltung;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht des hinteren Teils eines Turbinentriebwerks, das mit einer zentralen Nicht-Mischdüse ausgestattet ist;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 10- 10 von Fig. 9 und mit Blick in Richtung der Pfeile; und
Fig. 11 eine Ansicht, ähnlich der von Fig. 9, einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 12 eine schematische Querschnittsansicht des hinteren Teils eines Turbinentriebwerkes, das für eine aerodynamische Strömungsmodifikation ausgestattet ist, in der Staukonfiguration; und
Fig. 13 eine Ansicht, ähnlich der von Fig. 12, der modifizierten Strömungsausgestaltung in der Betriebskonfiguration.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN

Zunächst bezugnehmend auf Fig. 1, dort ist der hintere Teil eines Turbinentriebwerks 10 zu sehen, der mit einem zentralen Heißgasgenerator 12 des Mischtyps ausgestattet ist. Dieser Heißgasgenerator 12 ist von einer festen Umfangsstruktur umgeben, die von einer Innenhaut 14 und von einer Außenhaut 16 gebildet wird. Die ringförmige Leitung 18 ist zwischen der Innenhaut 14 und dem Heißgasgenerator 12 ausgebildet und stellt eine Passage für den Umgehungsstrom von Gebläseluft dar, der relativ kühl ist. Am unteren Ende der Innenhaut 14 ist ein Schuhumkehrer installiert, der vom Targettyp ist und von zwei Öffnungsklappen 20 gebildet wird. Dieser Schuhumkehrer ist vorzugsweise von dem Typ, der in den US-Patenten 5,176,340 und 5,181,676 beschrieben ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die primäre Schubdüse 12 durch eine Mehrzahl von Lappen 22 gebildet, durch die die von dem Turbinentriebswerk 10 generierten Heißgase ausströmen. Zwischen jeweiligen Lappen befindet sich ein Kanal 24, und durch diese Kanäle strömt der Umgehungsstrom (wiederum mit relativ niedriger Temperatur). Die Lappen 22 und die Kanäle 24 sind so ausgestaltet, daß sie die Heißgase (auch als Kernstrom des Triebwerkes bezeichnet) und die Kaltgase (als Gebläsestrom bezeichnet) zueinander hinführen, so daß sich diese beiden Gasstromwege unterhalb der primären Schubdüse 12 mischen.
Wie in den Fig. 1 bis 3 sowie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, gibt es mehrere Möglichkeiten, den Austrittsbereich der Primärdüse 12 zu vergrößern. In den gezeigten Ausgestaltungen wird diese Vergrößerung des Bereiches geometrisch mit Hilfebeweglicher Lappen 26 erzielt, die an ihrem oberen Ende angelenkt sind. In ihren zurückgezogenen Positionen (Fig. 2) hat der Austrittsbereich der Heißgase durch die Mehrzahl von Lappen 22 die minimale Größe, und die Schubumkehreröffnungsklappen 20 befinden sich in der Stauposition (der in Fig. 1 mit einer durchgezogenen Linie angedeuteten Position). In ihren vollständig ausgefahrenen Positionen (Fig. 3) vergrößern die Lappen 26 den Austrittsbereich der Primärdüse 12, durch die die von dem Turbinentriebwerk generierten Heißgase strömen. Dies hat eine Änderung von im wesentlichen der gesamten Grenzfläche zwischen dem heißen und dem kalten Strom zur Folge, so daß diese Grenzfläche radial nach außen bewegt wird. Fig. 2 zeigt zwar zwei bewegliche Elemente von jeweils drei Lappen, aber es ist zu verstehen, daß die Zahl der beweglichen Lappen in Abhängigkeit von dem Prozentanteil des vergrößerten Bereich es variieren kann, der für den Abgasbereich der primären Mischerdüse angestrebt wird. Dieser Abgasbereich kann auch aerodynamisch vergrößert werden, indem eine Divergenz geschaffen wird, die den Umrissen des/der Lappen(s) in einem Teil der Hinterkante der Mischerdüse folgt. Dies könnte mit Hilfe von einem oder mehreren zurückziehbaren, divergierenden Verlängerungselement(en) geschehen, das/die sich normalerweise außerhalb der Gasströme befindet/n, typischerweise in der Struktur um den Heißgasgenerator herum, wenn sich der Schubumkehrer in der Stauposition befindet, und das/die eingesetzt wird/werden, um (eine) divergierende Verlängerung(en) der Kerndüse zu bilden, wodurch die Grenzfläche zwischen dem heißen und dem kalten Strom geändert und radial nach außen bewegt wird, wenn der Schubumkehrer betrieben wird.
In der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausgestaltung mit geometrischer Variation werden, wenn der Schubumkehrer betätigt wird, die beweglichen Lappen der primären Mischdüse in ihre voll ausgefahrene Position gebracht. Als Folge davon, daß sich die beweglichen Lappen 26 in ihrer vollausgefahrenen Position befinden, wird aufgrund des Eindringens der beweglichen Lappen in die ringförmige Leitung 18 der Abgasbereich der primären Schubdüse vergrößert, während der Umgehungsbereich der ringförmigen Leitung verkleinert wird, die Grenzfläche zwischen dem heißen und dem kalten Strom wird geändert und radial nach außen bewegt. Aufgrund des vergrößerten Abgasbereiches der primären Mischerdüse wird der Gesamtdruck der heißen Gase verringert, während der Gesamtdruck des Umgehungsstroms aufgrund der Abnahme des Umgehungsbereiches erhöht wird. Da die Vergrößerung des Kernbereiches absolut gesehen größer ist als die entsprechende Verringerung des Gebläseumgehungsbereiches, nimmt der Druck des Kernstroms stärker ab, als der Druck in dem Gebläsestrom zunimmt. Dafür nimmt beim Betrieb der Umkehreröffnungsklappen das Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck des Umgehungsgebläsestroms und dem Gesamtdruck des Kernstroms erheblich zu. Außerdem dient das Eindringen der beweglichen Lappen in den Gebläsestrom als aerodynamischer Ablenker für den Gebläsestrom, ohne diesen zu blockieren. Im Umkehrzustand wird durch eine erhebliche Abnahme des Gesamtdruckes des kalten Stroms für eine geringfügige Zunahme des Gesamtdruckes des Gebläsestroms gewährleistet, daß der Umgehungs- oder Kaltstrom mehr Energie sowie die Fähigkeit hat, den Kernstrom oder Heißgase zu beinhalten, die durch das Turbinentriebwerk generiert werden, wodurch verhindert wird, daß die Heißgase auf die Umkehrerstruktur auftreffen. Dazu dient der Umgehungsstrom als Wärmeschild für die Umkehrerstruktur, was den Einsatz von konventionellem Leichtmaterial wie Aluminiumlegierung oder Compositmaterial wie Graphit für seine Konstruktion zuläßt. Das Gesamtgewicht der Schubumkehrerbaugruppe wie auch die Herstellungskosten in bezug auf den Schubumkehrer werden stark reduziert.
In den Fig. 6 und 7 ist eine Ausgestaltung der beweglichen Lappen ausführlicher dargestellt. Jeder bewegliche Lappen hat dieselbe Form wie der von ihm bedeckte feste Lappen, d. h. er besteht aus zwei flachen Wänden 32, die durch eine Krümmung 34 verbunden sind. Diese Konfiguration ergibt einerseits eine geometrische Vergrößerung des Bereiches des Kernstroms und andererseits eine aerodynamisch wirkungsvolle Fläche für den Gebläsestrom. Jede flache Wand 32 weist in ihrem unteren Teil eine metallische Dichtung 36 auf, die die Dichtigkeit sowohl gegenüber heißen Gasen zwischen den Wänden der beweglichen Lappen als auch gegenüber dem benachbarten Lappen der festen Wand gewährleistet. In der beweglichen Mehrlappenanordnung gemäß den Fig. 2, 3, 6 und 7 ist der zentrale bewegliche Lappen der Führungslappen, während die beiden benachbarten Lappen Folgelappen sind. Natürlich können auch die beiden äußeren Lappen Führungslappen und der mittlere Lappen ein Folgelappen sein.
Um den Führer/Folgeelement-Betrieb der Lappen zu erzielen, ist der Führungslappen an jeder seiner Seitenwände 32 mit einer Doppelschulter 38, 40 versehen, während die Folgelappen eine einzelne Schulter 42 aufweisen, die in die Führungsschultern 38, 40 eingreift. Wenn die Lappen ihre vollständig geöffnete Position erreicht haben, dann kann sich die Schulter des Folgelappens an deren unterem Ende von der Doppelschulter des Führungslappens lösen, wie in Fig. 3 gezeigt und durch die punktierte Linie in Fig. 6 angedeutet ist, aber die Führungscharakteristik der Lappen wird weiterhin wie in Fig. 7 gezeigt durch die Schultern 38, 40 und 42 sichergestellt, die sich in ihrem oberen Teil niemals voneinander lösen.
Ferner wird aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich, daß die Schultern 38, 40 und 42 auch die zusätzliche Funktion haben, den Bereich des Kanals 8 zu ändern, durch den die Gebläseluft (bzw. der kalte Strom) strömt. Die Änderung des Umgehungsbereiches wird auch durch das Eindringen der beweglichen Lappen in die Umgehungsleitung erzielt, oder andere ähnliche Veränderungen, wodurch die Lappen oder Schultern zwischen den Lappen bewegt werden. Die Schultern 38, 40, 42 dienen auch als aerodynamische Ablenker für den Gebläsestrom.
Wenn sich die beweglichen Lappen in ihrer vollständig ausgefahrenen Position befinden, wie in den Fig. 3 und 6 gezeigt, dann behindern sie den Bereich der Umgehungsleitung, führen den Gebläsestrom und lenken ihn ab und vergrößern den Bereich der Mischerdüse. Die Folge ist, daß das Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck des Umgehungsstroms und dem Gesamtdruck des Kernstroms erhöht wird, wodurch wiederum, und zusammen mit der Ablenkung des Gebläsestroms, verhindert wird, daß der Kernstrom beim Betrieb der Schubumkehrerstruktur auf diese auftrifft, wie oben erörtert wurde.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Vergrößern des Bereiches der zentralen Mischdüse im Vorwärtsschubmodus, insbesondere während des Abhebens bei hohen Außenlufttemperaturen. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, daß die letzte Schubdüse entweder ein Schubumkehrer ist, der ein Düsensystem mit veränderlichem Abgasbereich ist, wie im US-Patent Nr. 5,181,676 beschrieben ist, oder eine veränderliche Nicht- Umkehrschubdüse, wie in der mitanhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 07/741,647 beschrieben ist. Wenn der hintere Ausgang der Triebwerksgondel mit einem Schubumkehrer ausgestattet ist, der eine Düse mit veränderlichem Abgasbereich aufweist, wie z. B. der Typ, der im US-Patent 5,181,676 beschrieben ist, dann kann im Vorwärtsschubmodus der Abgasbereich der Mischerdüse zusammen mit dem Abgasbereich des Umkehrers eingestellt werden. Dies führt zu einem erhöhten Abhebeschub bei hoher Außenlufttemperatur. Die Vergrößerung des Austrittsbereiches der Mischerdüse hätte auch direkte Auswirkungen auf die Betriebstemperatur des Triebwerks, da diese dadurch abnimmt. Diese Temperaturabnahme tritt bei der kritischsten Triebwerksleistungseinstellung auf, d. h. bei maximalem Triebwerksschub, der ungünstigsten Betriebsbedingung des Triebwerks. Jede Abnahme der maximalen Betriebstemperatur des Triebwerkes hat direkte Auswirkungen auf die Lebensdauer des Triebwerkes, d. h. sie wird erheblich verlängert.
Im Schubumkehrmodus wird der Abgasbereich der Mischerdüse wie zuvor beschrieben erhöht, um den Wert des Gesamtdruckverhältnisses von Umgehungsstrom zu Kernstrom zu erhöhen, so daß der Kernstrom niemals auf die Umkehrerstruktur auftrifft, was die Verwendung von konventioneller Aluminiumlegierung oder von Compositmaterialien erlaubt. Wenn das hintere Ende der Triebwerksgondel mit einer veränderlichen Nicht- Umkehrschubdüse ausgestattet ist, wie in der Anmeldung mit der Seriennummer 07/741,647 beschrieben ist, dann wird im Vorwärtschubmodus, der in diesem Fall der einige Betriebsmodus ist, der Abgasbereich der Mischerdüse zusammen mit dem Abgasbereich der letzten veränderlichen Schubdüse eingestellt. Die Folge ist, daß der Abhebeschub bei hohen Außenlufttemperaturbedingungen erhöht und die maximale Betriebstemperatur des Triebwerkes verringert wird, wodurch die Lebensdauer des Triebwerkes erheblich verlängert wird.
In Fig. 4 ist das Steuersystem für die winkelmäßige Positionierung der beweglichen Lappen dargestellt. Dieses System umfaßt wenigstens ein Stellglied 50, das mit Gestängeelementen 52 und 54 verbunden ist. Jeder bewegliche Lappen ist auf jeder Seite seiner jeweiligen Wand 11 (Fig. 6) an seinem oberen Ende durch Gelenkteile 56 angelenkt. Diese Gelenkteile 56 ruhen auf Gelenkauflage 58, die an der unteren festen Wand des Kanals 24 angebracht ist. Der Arm 54, der die winkelmäßige Positionierung des Führungslappens steuert, ist auf derselben Rotationsachse angelenkt wie der Führungslappen. Ein Ende 58 dieses Arms 54 ist an dem beweglichen Lappen 30 befestigt, während das andere Ende 60 mit dem Gestängeelement 52 verbunden ist.
Wenn sich der bewegliche Lappen 30 in Position A befindet (kleiner Austrittsbereich der Mischerdüse), dann verriegeln sich die Gestängeelemente 52 und 54 aufgrund der Übertotpunktbeziehung des Gestängeelementes 54 und des Stabes 62 des Stellgliedes 50 in dieser Position selbst. Wenn das Stellglied 50 in der Richtung des Pfeiles 64 unter Druck gesetzt wird, dann zieht sich der Stab 62 zurück, so daß sein Ende 66 der Führung 68 folgt, wodurch der Lappen 30 veranlaßt wird, etwas weiter zu schließen, bis das Verbindungsgestängeelement 52 den Übertotpunkt der Gestängeanordnung überwunden hat. Der Führungslappen kann dann frei rotieren, von seinem Steuerstellglied 50 angetrieben, um Position B zu erreichen. Die oben beschriebenen Folgelappen erreichen eine ähnliche Position, da sie von dem Führungslappen angetrieben werden.
Wenn das System im Umkehrermodus arbeitet, dann beginnen die Umkehreröffnungsklappen 20 mit der Betriebsfolge, die durch die punktierten Linien 20a repräsentiert werden.
Wenn das System im Vorwärtsschubmodus arbeitet, dann wird die Bereichsvergrößerung der Mischerdüse in Verbindung mit der Bereichsvergrößerung der letzten Schubdüse erzielt, wie im US-Patent Nr. 5,181,676 oder in der Anmeldung mit der Seriennummer 07/741,647. In einem solchen Fall wäre es vorteilhaft, daß das Steuersystem des Führungslappens mit Schraube und Mutter arbeitet, so daß es in jede winkelmäßige Zwischenposition gebracht werden kann, die erforderlich ist, um die angetrebte Leistung erzielen.
Fig. 5 zeigt eine Variation der Steuerung der Winkelposition des Führungslappens. Das Steuersystem ist vollständig in dem Kasten enthalten, der von der Innenhaut 14 und der Außenhaut 16 der festen Struktur gebildet wird, die den Heißgasgenerator umgibt. Diese Ausgestaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sich das Steuersystem vollständig in einer "kalten" Umgebung befindest, d. h. außerhalb des Heißgasstroms. Ein Ende 72 eines profilierten Gestängeelementes 70 ist zur Verringerung von Widerstand an einem am Führungslappen 30 montierten Befestigungselement 74 angelenkt, während das andere Ende 76 innerhalb des durch die Innenhaut 14 und die Außenhaut 16 gebildeten Kastens an einer V-förmigen Kurbel 78 angelenkt ist. Die Kurbel 78 ist an einem Tragbefestigungselement 80 angelenkt, das an der Außenhaut 16 der feststehenden Struktur montiert ist, die den Heißgasgenerator umgibt.
Der andere Arm der V-förmigen Kurbel 78 ist mit einem Gestängeelement 82 verbunden, das wiederum mit einem V- förmigen Hebel 84 verbunden ist, der an die Abschlußstruktur 86 der Innenhaut 14 und der Außenhaut 16 angelenkt ist. Einer der Arme des Hebels 84 bleibt immer außerhalb des Kastens, der durch die Häute 14, 16 und den Abschluß 86 gebildet wird. Weiterhin bezugnehmend auf Fig. 5, die Winkelposition des Hebels 84, und somit die Winkelposition des Führungslappens 30, wird unmittelbar durch die Umkehreröffnungsklappen 20 gesteuert. Wenn die Betriebsfolge der Umkehreröffnungsklappen beginnt, dann gibt das Rad 88 den Hebel 84 frei, der durch die kombinierte Wirkung der Feder 90, der Gestängeanordnung und des in den Führungs- und Folgelappen wirkenden. Druckes das gesamte System, das die Winkelposition der Führungslappen steuert, veranlaßt, in die durch punktierte Linien angedeutete Position zu rotieren. Wenn sich die Umkehreröffnungsklappen von ihrer Betriebsposition in ihre Stauposition bewegen, dann werden sie, wenn das Rad 88 mit dem V-förmigen Hebel 84 in Kontakt kommt, zur Rückkehr in ihre ursprüngliche (durchgezogene Linie) Position gezwungen.
Man wird feststellen, daß die Fluiddichtigkeit, obwohl das Gestängeelement 70 in die Innenhaut 14 eindringt, durch die Dichtung 92 und die Abdeckung 94 sichergestellt bleibt, wobei die Abdeckung 94 Teil des Gestängeelementes 70 ist. Eine Blattfederdichtung 96 gewährleistet die Heißgas- Fluiddichtigkeit für jede Winkelposition der beweglichen Lappen.
Das in Fig. 5 beschriebene System kann nur mit einem Schubumkehrer im Umkehrmodus funktionieren. Wenn das System auch im Vorwärtsschubmodus betrieben werden soll, dann muß ein Stellglied vorgesehen werden, das die Winkelposition des V-förmigen Hebels 78 unmittelbar steuert. In einem solchen Fall wird auf das Gestängeelement 82, den Hebel 84 und die Feder 90 verzichtet.
Fig. 8 zeigt eine Variation der Mischerdüse. Es sind drei feste Lappen 100 mit einer Mehrzahl von Perforationen 102 an ihren oberen und ihren unteren Teilen vorgesehen. Diese Perforationen 102 werden von den beweglichen Führungs- und Folgelappen bedeckt, wenn diese zurückgezogen sind. Wenn die Führungs- und Folgelappen von einem der oben beschriebenen Steuersysteme in ihre Betriebsposition gebracht werden, dann nimmt der in der Mischerdüse wirkende Innendruck P aufgrund der Öffnung der Hohlräume 104 und 106 ab. Gleichzeitig wird der Umgehungsbereich 18 der Kaltstromleitung aufgrund des Eindringens der beweglichen Lappen in diese Leitung verringert. Somit steigt der Gesamtdruck des kalten Stroms an. Daher wird das Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck des kalten Stroms und dem Gesamtdruck des heißen Stroms im Umkehrermodus erhöht, wodurch gewährleistet wird, daß der heiße Strom nicht auf die Umkehrerstruktur auftrifft.
Gemäß den Fig. 9, 10 und 11 ist der zentrale Generator mit einer kegelstumpfförmigen Düse (einer Nicht- Mischdüse) ausgestattet. Mit diesem Typ von Primärdüse werden die Heißgase und die Kaltgase nicht mehr zum Vermischen gebracht. Wie aus den Fig. 9 und 10 sichtbar ist, ist die Wand 110 an ihrem oberen und ihrem unteren Teil abgeschnitten. Die strukturelle Integrität der Düse wird durch das Gehäuse 112 wieder hergestellt. Es sind zwei Klappen 114 und 116 installiert. Die Klappe 114 arbeitet innerhalb des Gehäuses 112, während die Klappe 116 außerhalb des Gehäuses 112 arbeitet. Die Klappe 114 ist an ihrem oberen Ende an der Wand 110 angelenkt; in der Nicht- Betriebsposition (in den Fig. 9 und 10 durch durchgezogene Linie angedeutete Position) gewährleistet sie die glatte Profilkontinuität der Innenkontur der Wand 110. An der Peripherie der Klappe 114 sind metallische Dichtungen 118, 120 und 122 vorgesehen, um Fluiddichtigkeit in bezug auf Heißgase zu gewährleisten. Die Klappe 116 ist an ihrem unteren Ende am Gehäuse 112 angelenkt. Gemäß der Figur befindet sich der Gelenkpunkt der Klappe 116 zwar außerhalb des Gehäuses 112, er kann sich aber auch innerhalb des Gehäuses 112 befinden.
In der Nicht-Betriebsposition (in Fig. 9 durch die durchgezogene Linie angedeutet) gewährleistet die Klappe 114 die Profilkontinuität des Gehäuses 112. Die Klappen 114 und 116 sind durch ein Gestänge 124 verbunden. Die Winkelposition der Klappe 116 wird durch ein profiliertes Gestängeelement 126 auf ähnliche Weise gesteuert wie mit dem in Fig. 5 gezeigten Steuersystem. Der Hauptunterschied von Fig. 5 besteht darin, daß die Klappe 114, wenn ihr durch das Gestängeelement 126 angetriebener Betriebsablauf beginnt, aufgrund des Gestängeelementes 124, das sich durch den Schlitz 128 in dem Gehäuse 112 bewegen kann, die Klappe 116 mitnimmt. Wenn beide Klappen in Betrieb sind, dann nimmt der Gesamtdruck der Heißgase aufgrund der Vergrößerung der Düse ab, und der Gesamtdruck der Kaltgase nimmt aufgrund der Verkleinerung des Umgehungsbereiches zu, der eine Folge des Betriebs der Klappe 116 in der Umgehungsleitung 18 ist. Infolge des oben Gesagten wird das Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck des Umgehungsstroms und dem Gesamtdruck des Kernstroms erhöht, wodurch verhindert wird, daß die Heißgase auf die Struktur der Umkehreröffnungsklappen auftreffen. Der Umgehungsstrom, d. h. der Kaltgasstrom dient als Wärmeschild fair die Umkehrerstruktur. Auch hier wird das System durch die Umkehreröffnungsklappen vollständig gesteuert. Dieser Abgasbereich kann auch aerodynamisch durch Herstellen einer Divergenz in einem Teil der Hinterkante der Düse vergrößert werden. Dies könnte mit Hilfe von einem oder mehreren zurückziehbaren divergierenden Verlängerungselement(en) geschehen, das/die sich normalerweise außerhalb der Gasströme befindet/n, typischerweise in der Struktur, die den Heißgasgenerator umgibt, wenn sich der Schubumkehrer in der Stauposition befindet, und das/die betrieben wird/werden, um (eine) divergierende Verlängerung(en) der Kerndüse zu bilden, wodurch die Grenzfläche zwischen dem heißen und dem kalten Strom geändert und radial nach außen bewegt wird, wenn der Schubumkehrer betätigt wird.
Wenn im Vorwärtsschubmodus der Abgasbereich der kegelstumpfförmigen Heißgasdüse verstellt werden soll, dann müssen die Klappen 114 und 116 unabhängig voneinander gesteuert werden, wie in Fig. 11 gezeigt wird. Die Klappe 114 wird durch ein ähnliches System gesteuert wie in Fig. 4 beschrieben. Während der Winkelrotation der Klappe 114 von ihrer Stauposition (durchgezogene Linie) in ihre Betriebsposition (punktierte Linien) wird ein Umsetzen des Gestängeelementes 126 auf dem Verbindungsstift 130 der Klappe 116 aufgrund des Schlitzes 132 in dem Gestängeelement 126 zugelassen. Während dieser Bewegung der Klappe 116 bleibt diese in der Stauposition (durchgezogene Linien). Die Klappe 114 kann dann durch ihr Steuerstellglied (nicht dargestellt) in ihre Stauposition (durchgezogene Linien) zurückgebracht werden. Die Klappe 116 kann durch eine durch den Pfeil 134 angedeutete Gestängeanordnung (ähnlich dem in Fig. 9 gezeigten Gestänge) betrieben werden. Die Klappe 114 muß in ihre Betriebsposition gebracht werden, bevor die Klappe 116 ihren Betriebsablauf beginnt.
Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Ausgestaltung zum aerodynamischen Vergrößern des Abgasbereiches. In dieser Ausgestaltung ist ein zurückziehbares Element 150 (von dem wenigstens zwei Stück vorgesehen würden) in dem Strahlrohr 152 verstaut. Wenn die Schubumkehreröffnungsklappen 154 betätigt werden, dann schwenkt das Element 150 in Richtung auf die Kerndüse 156 und erzeugt einen divergierenden Kernstrombereich, wie in Fig. 13 gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit bestimmten bevorzugten Merkmalen und Ausgestaltungen beschrieben, aber es ist zu verstehen, daß weitere Variationen und Modifikationen möglich sind, und die vorliegende Anmeldung soll sich auf jede solche Variation, Modifikation und Adaption erstrecken, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fällt.

Claims

1. Schubumkehrsystem in einem Turbinentriebwerk (10) der Art, die auf einer Längsachse eine zentrale Heißgasgeneratordüse (12) hat, die einen relativ heißen Kernstrom leitet, und eine Gebläseleitung (18), die einen relativ kalten Gebläsestrom leitet, der den Heißstrom umgibt, umfassend ein Paar Schubumkehrer- Öffnungsklappenelemente (20), wobei jedes der genannten Öffnungsklappenelemente (20) schwenkbar auf einer Drehachse montiert ist, die im wesentlichen diametrisch in bezug auf die Schubdüse des Triebwerkes positioniert ist, um zwischen einer Stauposition, in der sich die genannten Öffnungsklappenelemente (20) außerhalb des direkten Abgasweges aus dem Triebwerk befinden, und einer Betriebsposition geschwenkt werden können, in der sich die genannten Öffnungsklappenelemente (20) im Pfad des Triebswerksabgases befinden, um das Abgas abzulenken und einen Bremsschub zu erzeugen, gekennzeichnet durch Mittel (26, 30) zum gleichzeitigen Verringern des Gesamtdruckes des genannten Kernstroms und Erhöhen des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms durch Vergrößern der Fläche der genannten Heißgasgeneratordüse (12) an deren Austrittsende.

2. Schubumkehrsystem nach Anspruch 1, bei dem die genannten Mittel (26, 30) zum Verringern des Gesamtdruckes des genannten Kernstroms und zum Erhöhen des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms ein Heißdüsenverstellmittel zum Verstellen der Grenze zwischen dem Kernstrom Lind dem Gebläsestrom und zum Bewegen der genannten Grenze radial nach außen umfaßt.

3. Schubumkehrsystem nach Anspruch 2, bei dem das genannte Heißdüsenverstellmittel ein Mittel zum Ablenken eines Teils des Kaltstroms am Auslaß der Heißgasgeneratordüse (12) umfaßt.

4. Schubumkehrsystem nach Anspruch 3, bei dem die genannte Heißgasgeneratordüse (12) eine Mischdüse mit einer Mehrzahl von Lappen (22) an der Grenze zwischen dem Kernstrom und dem Gebläsestrom ist.

5. Schubumkehrsystem nach Anspruch 4 mit Mitteln (26, 30) zum Vergrößern des Auslaßbereiches von wenigstens einem der genannten Lappen (22).

6. Schubumkehrsystem nach Anspruch 5, bei dem in wenigstens einem der genannten Lappen (22) eine Öffnung ausgebildet ist, und wobei ein Mittel in Verbindung mit dem genannten wenigstens einen Lappen zum selektiven Verlängern des Auslaßbereiches in Zusammenhang mit dem genannten wenigstens einen Lappen assoziiert ist.

7. Schubumkehrsystem nach Anspruch 4 mit einem Mittel zum gleichzeitigen Vergrößern des Auslaßbereiches von wenigstens einigen der genannten Lappen (22).

8. Schubumkehrsystem nach Anspruch 7, bei dem die genannten Lappen (22) durch abwechselnde Spitzen und Täler gebildet werden, wobei sich die genannten Spitzen radial auswärts von den genannten Tälern befinden, wobei eine Mehrzahl der genannten Spitzen an ihren Enden offen sind, wobei ein Abdeckmittel über jeder der genannten offenen Spitzen positioniert und radial beweglich ist, um den Auslaßbereich einer Mehrzahl der genannten Lappen (22) im wesentlichen gleichzeitig zu verstellen.

9. Schubumkehrsystem nach Anspruch 8, bei dem das genannte Abdeckmittel eine Mehrzahl von Abdeckelementen (30) umfaßt, wobei ein Mittel (38, 40, 42) die genannten Abdeckelemente für eine gleichzeitige Bewegung verbindet, und wobei ein Betätigungsmittel (50) unmittelbar auf eines der genannten Abdeckmittel (30) zum Bewegen jedes der genannten Abdeckelemente wirkt.

10. Schubumkehrsystem nach Anspruch 9, bei dem das genannte Verbindungsmittel (38, 40, 42) in den genannten Tälern positioniert ist.

11. Schubumkehrsystem nach Anspruch 9 mit einem Mittel (70, 78, 82, 84), das die genannten Abdeckelemente (30) und die genannten Schubumkehrer-Öffnungsklappen (20) verbindet, so daß nach der Entfaltung der genannten Schuhumkehrer- Öffnungsklappen (20) die genannten Abdeckelemente (30) bewegt werden, um den Bereich der genannten Heißgasgeneratordüse (12) zu vergrößern.

12. Schubumkehrsystem nach Anspruch 2, bei dem das genannte Heißdüsenverstellmittel ein Paar aerodynamischer Ablenkplatten (114, 116) umfaßt, wobei eine der genannten Ablenkplatten eine erste Klappe (114) umfaßt, die schwenkbar mit der genannten Heißgasdüse (12) verbunden ist, um den wirksamen Bereich der genannten Heißgasdüse (12) zu vergrößern, und die andere der genannten Ablenkplatten eine zweite Klappe (116) umfaßt, die schwenkbar mit der genannten Heißgasdüse (12) verbunden ist, um aerodynamisch einen Abschnitt des genannten Gebläsestroms abzulenken.

13. Schubumkehrsystem nach Anspruch 12, bei dem die genannten Ablenkplatten (114, 116) in einem Gehäuse angeordnet sind, das eine aerodynamische Erweiterung der genannten Heißgasgeneratordüse (12) bildet.

14. Schubumkehrsystem nach Anspruch 13, bei dem die genannten Ablenkplatten (114, 116) miteinander verbunden sind.

15. Schubumkehrsystem nach Anspruch 13, bei dem die genannten Ablenkplatten (114, 116) unabhängig beweglich sind.

16. Schubumkehrsystem nach Anspruch 2, bei dem das genannte Heißdüsenverstellmittel (26, 30) ein aerodynamisches Ablenkmittel zum Verstellen der Grenze zwischen dem genannten Kernstrom und dem genannten Gebläsestrom umfaßt.

17. Schubumkehrsystem nach Anspruch 2, bei dem das genannte Mittel zum Verändern der Grenze zwischen dem Kernstrom und dem Gebläsestrom ein Mittel zum Verstellen des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse umfaßt.

18. Schubumkehrsystem nach Anspruch 17, bei dem das genannte Mittel zum Verstellen des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse ein aerodynamisches Strömungsverstellmittel umfaßt.

19. Schubumkehrsystem nach Anspruch 17, bei dem das genannte Mittel zum Verstellen des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse ein geometrisches Strömungsverstellmittel umfaßt.

20. Verfahren zum Modifizieren der Strömung von Gas durch ein Turbinentriebwerk (10) der Art, die eine zentrale, relativ heiße Gasgeneratordüse (12) aufweist, die einen heißen Kernstrom leitet, und eine ringförmige Rohrleitung (18), die einen relativ kalten Gebläsestrom leitet, der den Heißstrom umgibt, um die Leistung des genannten Triebwerks zu verbessern, wobei das genannte Verfahren das Verringern des Gesamtdruckes des genannten heißen Kernstroms und gleichzeitig das Erhöhen des Gesamtdruckes der genannten Gebläsestroms durch Bewegen der Grenze zwischen dem genannten Kernstrom und dem genannten Gebläsestrom radial nach außen innerhalb der genannten Rohrleitung (18) umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das genannte Triebwerk (10) von der Art ist, bei der ein zielartiger Schubumkehrer (20) im Ausgangspfad des Abgasstroms montiert ist, und das den genannten Schritt des Verringerns des Gesamtdruckes des genannten heißen Kernstroms und des Erhöhens des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms nach dem Betrieb des genannten Schubumkehrers (20) beinhaltet.

22. Verfahren nach Anspruch 20, beinhaltend die Durchführung des genannten Schrittes des Verringerns des Gesamtdruckes des genannten heißen Kernstroms und des Erhöhens des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms durch Verstellen des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse (12).

23. Verfahren nach Anspruch 20, beinhaltend die Durchführung des genannten Schrittes des Verringerns des Gesamtdruckes des genannten heißen Kernstroms und des Erhöhens des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms durch aerodynamisches Vergrößern des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse (12).

24. Verfahren nach Anspruch 20, beinhaltend die Durchführung des genannten Schrittes des Verringerns des Gesamtdruckes des genannten heißen Kernstroms und des Erhöhens des Gesamtdruckes des genannten Gebläsestroms durch Vergrößern des Auslaßbereiches der Heißgasgeneratordüse (12).