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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf achssymmetrische Schubvektorierungsdüsen von einem Gasturbinentriebwerk
und insbesondere auf Betätigungs-
bzw. Steilsysteme für
Triebwerke mit vielen Leistungskreisen, um den Vektorierungsring
zu steuern.
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Erläuterung des Standes der Technik
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Konstrukteure und Ingenieure von
Militärflugzeugen
sind ständig
bestrebt, die Manövrierbarkeit
des Flugzeuges zu vergrößern, sowohl
für Luft-Luft-Kampfmissionen
als auch komplizierte Boden-Angriffsmissionen. Sie haben Schubvektorierungsdüsen entwickelt,
die die Abgasströmung
und den Schub von dem das Flugzeug antreibenden Gasturbinentriebwerk
zu drehen oder zu vektorieren, um die Verwendung von üblichen
aerodynamischen Flächen,
wie beispielsweise Klappen und Ruder, zu ersetzen oder zu verstärken. Eine
neu entwickelte Schubvektorierungsdüse ist eine achssymmetrische Schubvektorierungsdüse, die
in dem US-Patent 4,994,660 von Hauer beschrieben ist. Die achssymmetrische
Schubvektorierungsdüse
sorgt für
ein Mittel zum Vektorieren des Schubes von einer achssymmetrischen
konvergenten/ divergenten Düse,
indem die divergenten Klappen der Düse in einer asymmetrischen
Art und Weise universal geschwenkt werden, öder, mit anderen Worten, die
divergenten Klappen in radialen und tangentialen Richtungen in Bezug
auf die Mittellinie einer unvektorierten Düse geschwenkt werden. Die Klappen
werden durch einen Vektorierungsring geschwenkt, der axial verschoben
und um seine horizontale und vertikale Achse (im wesentlichen ist
seine Fluglage eingestellt) über
einen begrenzten Bereich kardanisch bewegt oder gekippt werden kann.
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Die achssymmetrische Schubvektorierungsdüse, wie
auch üblichere
Abgasdüsen
von Gasturbinentriebwerken, enthalten primäre und sekundäre Abgasklappen,
die zur Bildung einer konvergenten/divergenten Abgasdüse mit variabler
Fläche
angeordnet sind. Die Abgasdüse
ist im allgemeinen achssymmetrisch oder ringförmig, und die Ausgangsströmung wird durch
die primären
oder konvergenten Klappen bis zur Engstelle (Hals) der Düse urtd
dann durch die sekundären
oder divergenten Klappen eingeschlossen. Die divergenten Klappen beispielsweise
haben ein vorderes Ende, das eine Engstelle mit einer minimalen
Strömungsfläche bildet,
und ein hinteres Ende mit einer größeren Strömungsaustrittsfläche zur
Bildung einer divergenten Düse,
die sich stromabwärts
von der Engstelle erstreckt. Die divergenten Klappen sind variabel
bzw. verstellbar, was bedeutet, dass der Abstand zwischen den divergenten
Klappen, wenn sie von einer Position mit einem kleineren Radius
zu einer Position mit einem größeren Radius
bewegt werden, notwendigerweise größer werden muss. Dementsprechend sind
Abgasdüsendichtungen
in geeigneter Weise zwischen benachbarten divergenten Klappen angeordnet,
um die Abgasströmung
einzuschließen
und eine Leckage von Abgasströmung
zwischen den divergenten Klappen zu verhindern.
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Vektorierungsdüsen und insbesondere achssymmetrische
Schubvektorierungsdüsen
des Typs, der in dem Hauer-Patent beschrieben ist, stellen positionierbare
divergente Klappen bereit. Diese divergenten Klappen sind nicht
nur symmetrisch relativ zu einer longitudinalen Mittellinie von
der Abgasdüse positionierbar,
sondern können
auch asymmetrisch relativ dazu positionierbar sein, um eine Steigungs- und
Giervektorierung zu erhalten. Die achssymmetrische Schubvektorierungsdüse, die
in dem US-Patent 4,994,660 von Hauer beschrieben ist, verwendet
drei vektorierende Stell- bzw. Betätigungsglieder, um einen Vektorierungsririg
zu verschieben und zu kippen, der seinerseits die divergenten Klappen
in vorbestmmte Positionen drückt.
Der Kippwinkel und die Kipprichtung des Vektorierungsringes bilden
den Vektorwinkel bzw. die Vektorrichtung der Düse. Die axiale Verschiebung
des Vektorierungsringes bildet die Ausgangsfläche (häufig als A9 bezeichnet) für eine gegebene
Engstellenfläche
(häufig
als A8 bezeichnet) aus.
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Moderne Multi-Missionen-Flugzeuganwendungen
verwenden Triebwerke, wie beispielsweise das GEF 110 Triebwerk,
mit konvergenten/divergenten Düsen,
um Betriebserfordernisse zu erfüllen. Konvergente/divergente
Düsen haben,
in einer Reihenströmungsanordnung
einen konvergenten Abschnitt, eine Engstelle bzw. einen Hals und
einen divergenten Abschnitt. Charakteristischerweise verwenden diese
Düsen variable
Flächen
aufweisende Mittel an sowohl der Düsenengstelle als auch an dem Düsenausgang.
Dies sorgt für
ein Mittel, um ein gewünschtes
Ausgangs-zu-Engstellen-Flächenverhältnis beizubehalten,
das seinerseits eine effiziente Steuerung über dem Arbeitsbereich der
Düse gestattet.
Der Arbeitsbereich der Düse
ist so ausgelegt, dass er für
einen Düsenausgang/Engstellenflächen (A9/A8)-Plan
sorgt, der für
den Arbeitszyklus des Triebwerkes optimiert ist, und idealerweise
sollte er für
eine effiziente Steuerung sowohl bei niedrigen Unterschall- als
auch hohen Überschall-Flugbedingungen
sorgen. Diese Düsentypen
verwenden üblicherweise
pneumatische oder hydraulische Stellglieder, um für den variablen
Betrieb zu sorgen. Üblicherweise
sind die Ausgangsund Engstellenflächen mechanisch in der Weise
miteinander gekoppelt, dass ein Flächenverhältnis (A9/A8)-P1an hervorgerufen wird,
der eine Funktion der Engstellenfläche (A8) der Düse ist.
Schubvektorierungsdüsen
haben üblicherweise
die Fähigkeit,
die Düsenausgangsfläche unabhängig von
der Engstellenfläche
zu steuern, was gestattet, dass das Triebwerk einen höheren Grad
an Leistungsfähigkeit über einem
breiten Bereich von Betriebsbedingungen des Triebwerkes erzielt.
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Während
eines Triebwerks- und Flugzeugbetriebes ist es möglich, dass das hydraulische
Stellsystem für
die Düse
in einer oder mehr von mehreren Arten versagt aufgrund einer Komponenten-Fehlfunktion
oder -Beschädigung,
wie beispielsweise durch Kampf. Das Versagen kann aufgrund einer
mechanischen oder Steuersystem-Fehlfunktion auftreten, die üblicherweise
durch einen Flug-Steuercomputer und/oder eine elektronische Vektorsteuerung erfasst
wird, die für
die Schubvektorierungsdüse
verwendet wird. Ein derartiges Düsenstellsystem
ist mit einer fehlersicheren Hydraulikposition versehen worden,
wobei Stellglieder für
den Vektorierungsring verwendet werden, die sich vollständig zurückziehen, und
im Fall von einem Vektorierungsring, der die Düsse in eine feste unvektorierte
Position bringt, so dass der Schub des Triebwerkes nicht vektoriert
ist. Diese Vektorierungs-Stellglieder werden auch zur Steuerung
von A9 verwendet. Die entstehende Düsengeometrie hat jedoch ein
sehr großes
Flächenverhältnis (A9/A8),
das die Öffnung
A8 und deshalb den Nachbrennerbetrieb beeinträchtigt und aerodyriamisch nicht
optimal ist. Ein derartiges fehlersicheres System ist im Kampf nicht
gut. Das große
Flächenverhältnis kann
auch eine Ablösung
der Abgasströmung
innerhalb des divergenten Abschnittes der Düse bewirken. Eine intermittierende
Ablösung
und Wiederanhaftung der Strömung,
insbesondere in einer asymmetrischen Art in Bezug auf die Mittellinie des
Triebwerkes, könnte
eine nachteilige Vektorkraft zur Folge haben. Ein vollständiges Öffnung des
divergenten Abschnittes der Düse
hat eine stark unterschiedliche Düsenkinematik zur Folge, und
ein Öffnen
der Engstelle der Düse
bei diesem hohen Flächenverhältriis könnte eine
erntsthafte Beschädigung der
Düse zur
Folge haben. Die Unfähigkeit,
die Düsenengstelle
zu öffnen,
verhindert einen nominalen Betrieb des Triebwerkes bei Boden- Leerlaufbedingungen
und im Nachbrennerbetrieb, was dazu führen könnte, dass der Betrieb des
Flugzeuges von der Norm abweicht.
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Auf diese Nachteile ist
EP 0 704 615 A2 gerichtet,
die einen fehlersicheren Mechanismus beschreibt, der die Düse schnell
in einen sicheren Betriebsmodus im Fall von gewissen Typen von Hydrauliksystemfehlern
konfrgurieren kann, so dass das fehlersichere System mit einer minimalen
nachteiligen Wirkung auf die gesamte Betriebsfähigkeit des Flugzeuges und
seines Triebwerkes, insbesondere während des Kampfes, arbeiten
kann. Jedoch kann die Düse
den Schub nicht länger
vektorieren, was ein signifikanter Nachteil während Kampfhandlungen ist.
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Ein natürlicher und signifikanter Nachteil
von einer drei Stellglieder aufweisenden Anordnung besteht darin,
dass eine große
Spanne zwischen jeweils zwei Stellgliedern für eine gegebene sekundäre Ringgröße besteht.
Die Theorie der Trägertechnik bestimmt,
dass die Auslenkung für
einen einfach eingespannten Träger
proportional der Last mit der ersten Potenz und des Abstandes mit
der dritten Potenz ist und umgekehrt proportional zur Steifigkeit
ist. Mit anderen Worten, für
eine gegebene Last und Steifigkeit steigt die Ablenkung um einen
Faktor acht an (zwei zur dritten Potenz), wenn der Abstand verdoppelt
wird. Eine drei Stellglieder aufweisende Anordnung für eine Vektorierungsdüse hat deshalb
den längsten
möglichen
Abstand zwischen zwei Stellgliedern zur Folge und erfordert deshalb
die höchst
mögliche
Steifigkeit und infolgedessen einen schweren sekundären Betätigungsring,
um für
einen gegebenen minimalen zulässigen
Betrag der Aaslenkung während
des Vektorierungsmodus zu sorgen.
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Eine Aaslenkung des Betätigungsringes
ist unerwünscht,
weil sie gestattet, dass das divergente System von einer Vektorierungsdüse sich
in Richtung auf den unvektorierten Zustand entlastet und, deshalb,
das Vektorierungsvermögen
verkleinert. Die Aaslenkung kann verringert werden, indem der Querschnitt
möglichst
groß gemacht
und die divergente Lastbahn mit inneren Rippen gehandhabt wird,
wie es in PCT WO98/20245, veröffentlicht
am 14. Mai 1998, beschrieben ist. Ein weiterer natürlicher
Nachteil von einer drei Stellglieder umfassenden Anordnung für ein Vektorierungsdüsensystem
ist der negative Effekt, den eine Fehlfiinktion des Betätigungssystems
auf einen Flugzeugbetrieb haben könnte. Drei Stellglieder sind
das erforderliche Minimum, um den sekundären Ring an einer festen Position
und Kippwinkel zu halten. Wenn ein Stellglied falsch arbeitet (beispielsweise
durch einen Hydrau- likfehler), dann würde der Kippwinkel des Ringes
nicht länger
beibehalten und es könnte
eine nicht befohlene Vektorierung der Abgase auftreten. Ein derartiges
Auftreten ist höchst
unerwünscht.
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Das Auftreten einer Fehlfunktion
von einem Betätigungssystem
für einen
Vektorierungsring kann bis zu einem praktikablen Wert vermindert
werden, indem präventive
Maßnahmen
hinzugefügt
werden, die redundante Komponenten enthalten, die in eine derartige
Konfiguration gesetzt sind, dass ein Versagen von irgendeiner Komponente
nicht ein Versagen des gesamten Betätigungssystems zur Folge haben würde. Diese
präventiven
Maßnahmen
fügen dem System
Kosten, Komplexität
und Gewicht hinzu. Eine alternative Lösung für eine Fehlfunktion von einem Betätigungssystem
für einen
Vektorierungsring besteht darin, die Wirkung von einer Fehlfunktion
zu steuern, indem entgegenwirkende Maßnahmen verwendet werden, die
die Hinzufügung
von Komponenten enthalten könnten,
um die Fehlfunktion abzutasten und dann aktiv den Ring in eine fehlersichere
Position zu bringen. Alle diese Lösungsvorschläge fügen dem
System Kosten, Komplexität
und Gewicht hinzu und, was vielleicht gleich wichtig ist, sie sind alle
darauf konzentriert, den sekundären
Ring in eine neutrale Position zu kippen, wodurch das gesamte Vektorierungsvermögen van
dem vektorierenden Abgasdüsensystem
weggenommen wird. Die Wegnahme des Vektorierungsvermögens ist
besonders nachteilig, wenn das Flugzeugsystem beabsichtigt, die
Schubvektorierung für
ein kurzes Starten und Landen zu benutzen, wie es für im Krieg
beschädigte Startbahnen
oder Flugzeugträger-Operationen
und unter Kampfbedingurigen erforderlich sein könnte. Deshalb ist es höchst erwünscht, eine
achssymmetrische vektorierende Abgasdüse zu haben, die ein hydraulisches
fehlersicheres System hat, für
eine Steuerung des Düsenausgang/Engstellenverhältnisses
(A9/A8) in dem fehlersicheren Modus sorgt und in einem Ausführungsbeispiel
gestattet, dass die Düse
den Schub vektoriert, wenn ein Fehler in einer Komponente von dem
Betätigungssystem
auftritt, und nicht ein Versagen von dem gesamten Betätigungssystem
zur Folge hat.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist ein
fehlersicheres Düsenbetätigungssystem
für eine
achssymmetrische vektorierende Abgasdüse von einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk,
wo bei die Abgasdüse
einen Vektorierurigsring aufweist, der operativ mit mehreren Schwenkklappen
verbunden ist, die in Umfangsrichtung um eine Düsen-Mittellinie herum angeordnet
sind und eine Abgasströmungsbahn
in der Düse
begrenzen. Das fehlersichere Düsenbetätigungssystem
hat ein erstes vektorierendes Betätigungssystem mit einer ersten
Gruppe von Stellgliedern (Aktuatoren), die operativ mit dem Vektorierungsring
verbunden sind, und einer ersten fehlersicheren Steuereinrichtung,
um die Energiezufuhr zur ersten Gruppe von Stellgliedern (Aktuatoren)
zu steuern. Ein zweites vektorierendes Betätigungssystem hat eine zweite
Gruppe von Stellgliedern (Aktuatoren), die operativ mit dem Vektorierungsring
verbunden sind, und eine zweite fehlersichere Steuereinrichtung
ist vorgesehen, um die Energiezufuhr zu der zweiten Gruppe von Stellgliedern
zu steuern. Die Steilglieder der ersten Gruppe sind mit den Stellgliedern
der zweiten Gruppe um die Düse
herum verschachtelt.
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Das bevorzugte Ausfuhrungsbeispiel
stellt zwei Gruppen von Stellgliedern und zwei entsprechende vektorierende
Betätigungssysteme
bereit, die jeweils eine Gruppe von drei fehlersicheren Stellgliedern
aufweisen. Die Erfindung umfasst jedoch die Verwendung von zwei
oder mehr Stellgliedern und das Vorhandensein von zwei oder mehr
entsprechenden vektorierenden Betätigungssystemen. Das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
des fehlersicheren Düsenbetätigungssystems
ist hydraulisch angetrieben.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist
eine einzige Quelle hydraulischer Energie in der Form von einer
auf dem Triebwerk angebrachten und von diesem angetriebenen hydraulischen
Pumpe vorgesehen, die in hydraulischer Energieversorgungsverbindung
mit jeder der ersten und zweiten Gruppe von Stellgliedern (Aktuatoren)
und entsprechenden fehlersicheren Steuereinrichtungen betrieben
werden kann. Alternativ werden zwei auf dem Triebwerk angebrachte
und von diesem angetriebene Hydraulikpumpen als die ersten und zweiten
Quellen der hydraulischen Energie verwendet, die jeweils nur in
einer entsprechenden hydraulischen Energieversorgungsverbindung
mit einer der ersten und zweiten Gruppen von Stellgliedern bzw.
entsprechenden fehlersicheren Steuereinrichtungen sind. Eine der
zwei Pumpen kann auch eine hydraulische Flugzeugpumpe sein, die
auch dazu verwendet wird, hydraulische Systeme des Flugzeugs zu
speisen. Alternativ können
zwei Flugzeug-Hydraulikpumpen als die ersten und zweiten Quellen
der hydraulischen Energie verwendet werden, die jeweils nur in entsprechender
hydraulischer Energieversorgungsverbindung mit einer der er sten
und zweiten Gruppen von Stellgliedern bzw. entsprechenden fehlersicheren Steuereinrichtungen
sind.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung stellt zwei Gruppen von Stellgliedern
(Aktuatoren) und zwei entsprechende vektorierende Betätigungssysteme
bereit, die jeweils eine Gruppe von zwei fehlersicheren Stellgliedern
aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel
sorgt jedoch nicht für
eine Schubvektorierung der Düse
in dem fehlersicheren Modus, sondern sorgt für eine Steuerung des Düsenausgangs/Engstellenflächenverhältnisses (A9/A8)
in dem fehlersicheren Modus.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung erzielt Vorteile gegenüber bekannten Düsenkonstruktionen,
indem für
die Möglichkeit
gesorgt wird, eine schubvektorierende Düse in einen fehlersicheren
Modus zu bringen als Antwort auf ein Versagen oder ein Fehlfunktionssignal
in dem hydraulischen Betätigungssystem
für die
Düse, ohne das
Schubvektorierungsvermögen
voll-ständig zu verlieren,
was besonders wichtig unter Kampfbedingungen ist, und sie minimiert
auch die Belastung auf den Vektorierungsring. Die vorliegende Erfindung sorgt
auch für
eine Steuerung der Düsenausgangs/Engstellenfläche (A9/A8),
wenn die Schubvektorierungsdüse
in einen fehlersicheren Modus gebracht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die neuartigen Merkmale, die für die vorliegende
Erfindung als charakteristisch betrachtet werden, sind in den Ansprüchen angegeben
und differenziert beschrieben. Die Erfindung wird nun zusammen mit
ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen deutlicher in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von einer achssymmetrischen vektorierenden
Abgasdüse
mit einem fehlersicheren Düsenbetätigungssystem
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische schematische Darstellung ist, die eine Position
von den Stellgliedern und dem Vektorierungsring des fehlersicheren Düsenbetätrgungssystems
in 1 zeigt;
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3 eine
schematische Ansicht von dem Betätigungssystem
gemäß einem
Ausfizhrungsbeispiel der Erfindung ist;
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4 eine
schematische Ansicht von dem Betätigungssystem
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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5 eine
Querschnittsansicht von einem Flugzeug mit einem Triebwerk und einer
Vektorierungsdüse
mit einem fehlersicheren Betätigungssystem
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist in 1 dargestellt
als ein fehlersicheres Düsenbetätigungssystem,
das allgemein bei 2 gezeigt ist, für eine achssymmetrische Schubvektorierungsdüse 14 in
einem Abgassystem 10 für
ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk (nicht in seiner Gesamtheit gezeigt).
Der Abgasabschnitt 10 schließt die heiße Abgasströmung 4 in der Abgasströmungsbahn ein,
ist im allgemeinen in Umfangsrichtung um eine Triebwerk-Mittellinie 8 herum
angeordnet und enthält,
in einer Reihenströmungsanordnung,
einen Kanal oder ein Triebwerksgehäuse 11 mit fester
Querschnittsfläche,
das eine Nachbrenner-Auskleidung 12 aufweist, und einen
eine variable Querschnittsfläche
aufweisenden stromabwärtigen
Abschnitt 13 von der achssymmetrischen Schubvektorierungsdüse 14 des
konvergenten divergenten Typs ähnlich
demjenigen, auf den zuvor mit dem Hauer-Patent Bezug genommen wurde.
Gemäß 1 enthält die Düse 14 in einer Reihenströmungsanordnung
einen konvergenten Abschnitt 34, einen Hals bzw. eine Engstelle 40 und
den divergenfen Abschnitt 48. Der konvergente Abschnitt 34 enthält mehrere
konvergente oder primäre
Klappen 50, die in Umfangsrichtung um die Triebwerks-Mittellinie 8 herum
angeordnet sind, wobei überlappende
primäre
Dichtungen 51 zwischen und in einem dichtenden Eingriff
mit der radial nach innen gerichteten Oberfläche von in Umfangsrichtung
benachbarten primären
Klappen 50 angeordnet sind. Jede primäre Klappe 50 ist an
ihrem vorderen Ende durch eine erste Schwenk- oder Gabelkopfverbindung 52 schwenkbar
befestigt. Jede divergente Klappe 54 ist an ihrem vorderen
Ende 53 an dem hinteren Ende von der primären Klappe 50,
die stromabwärts
benachbart ist, durch eine universale, zwei Freiheitsgrade (2 DOF)
aufweisende Verbindungseinrichtung 56 im allgemeinen an einer axialen
Position in der Düse 14 schwenkbar
befestigt, die mit der Engstelle 40 zusammenfallt. Die
divergenten Klappen 54 sind im allgemeinen in Umfangsrichtung
um die Triebwerk-Mittellinie 8 herum angeordnet, wobei überlappende
sekundäre
oder divergente Dichtungen 55 zwischen und in dichtendem
Eingriff mit der radial nach innen gerichteten Fläche von
in Umfangsrichtung benachbarten divergenten Klappen 54 angeordnet
sind. Die divergenten Klappendichtungen 55 sind so ausgestaltet,
dass sie gegen die divergenten Klappen 54 während des
Düsenbetriebs
dichten, wenn der Düsendruck,
der Druck radial innen von den Klappen und Dichtungen, normalerweise
größer als
der Druck außerhalb
der Düse
ist, üblicherweise Umgebungsluft
oder Düsenbuchtdruck.
Der Engstelle 40 ist eine Engstellenfläche zugeordnet, die üblicherweise
als A8 bezeichnet wird, und der Düsenausgang 44 befindet
sich allgemein am Ende der divergenten Klappen 54 und ihm
ist eine Ausgangsfläche
zugeordnet, die üblicherweise
mit A9 bezeichnet wird.
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Mehrere Nockenrollen 62 sind
in einem primären
Ring 66 angeordnet, der seinerseits nach vorne und hinten
durch mehrere erste Düsenstellglieder 70 verschoben
wird, von denen es in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vier gibt. Die
verstellbare Engstellenfläche A8 wird
durch die Aktion der Nockenrolle 62 auf der Nockenfläche 60 gesteuert,
die auf der Rückseite
von der primären
Klappe 50 ausgebildet ist. Während des Betriebs drückt der
hohe Druck der Abgase in der Düse
die primären
Klappen 50 und die divergenten Klappen 54 radial
nach außen und
hält so
die Nockenfläche 60 in
Kontakt mit einer der Nockenrollen 62. Eine konische ringförmige Stellgliedhalterung 76 ist
an ihrem schmalen vorderen Ende an dem Triebwerksgehäuse 11 angebracht, und
das erste Düsenstellglied 70 ist
mit dem breiten hinteren Ende von der Stellgliedhalterung 76 durch eine
Kugelverbindung 74 schwenkbar verbunden. Ein erstes Düsenstellglied 70 hat
eine Stellgliedstange 73, die ihrerseits durch eine Kugelverbindung 68 mit
dem primären
Ring 66 verbunden ist.
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Eine erste Gruppe von ersten vektorierenden Stellgliedern
(Aktuatoren) 90A, von denen es in dem bevorzugten Ausfiührungsbeispiel
drei gibt, sind in gleichen Winkeln in Umfangsrichtung um das Gehäuse 11 herum
angeordnet und durch Kugelverbindungen 94 in ähnlicher
Weise wie die ersten Düsenstellglieder 90 an
der Stellgliedhalterung 76 befestigt. Eine zweite Gruppe
von zweiten vektorierenden Stellgliedern (Aktuatoren) 90B,
von denen es in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel drei gibt, sind
in gleichen Winkeln in Umfangsrichtung um das Gehäuse 11 herum
angeordnet, mit der ersten Gruppe von ersten vektorierenden Stellgliedern 90A verschachtelt
und an der Stellgliedhalterung 76 durch Kugelverbindungen 94 in
einer ähnlichen
Weise wie die ersten Düsenstellglieder 70 befestigt.
Die ersten und zweiten Gruppen von vektorierenden Stellgliedern 90A und 90B sind
so miteinander verschachtelt, dass die durch einen Winkel A zwischen
allen benachbarten ersten und zweiten vektorierenden Stellgliedern 90A bzw. 90B getrennt
sind. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
gibt es drei erste vektorierende Stellglieder 90A und drei zweite
vektorierende Stellglieder 90B und der Winkel A beträgt 60 Grad.
Ein Vektorierungsring 86 ist mit den ersten und zweiten
vektorierenden Stellgliedern 90A bzw. 90B am hinteren
Ende von den vektorierenden Stellgliedstangen 93 von jedem
der vektorierenden Stellglieder durch eine Kugelverbindung 96 verbunden.
Dies sorgt dafür,
dass der Vektorierungsring 86 axial verschoben und um die
Mitteilinie 8 gekippt wird, um seine Lage und auch seine
axiale Verschiebung entlang der Mittellinie 8 des Triebwerkes
zu steuern. Der Vektorierungsring 86 steuert die Positionierung
oder Schwenkung der divergenten Klappen 54. Die divergente
Klappe 54 ist mit der primären Klappe 50 durch
eine 2 DOF Universalverbindungseinrichtung 86 schwenkbar
verbunden und wird in einer viele Freiheitsgrade aufweisenden Art
und Weise durch mehrere entsprechende Y-Rahmen 59 schwenkbar
gesteuert, die Steuerarme 58a und 58b aufweisen,
die betriebsmäßig den
Vektorierungsring 86 mit der divergenten Klappe 54 verbinden. Äußere Klappen 64 sind
wenigstens teilweise durch Y-Rahmen 59 gehaltert und sorgen
für eine
saubere und glatte aerodynamische Form entlang dem Äußeren der
Düse.
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Die Steuerarme 58a und 58b sind
mit dem Vektorierungsring 86 durch 3 DOF Kugelverbindungen 82 und
mit dem hinteren Ende der divergenten Klappe 54 durch eine
Kugelverbindung 84 verbunden. Dieses Gestänge kann
betätigt
werden, um eine Lageänderung
des Vektorierungsringes 86 in eine viele Freiheitsgrade
aufweisende Schwenkänderung oder
Kreisbewegung der divergenten Klappe 54 umzuwandeln, wodurch
jede divergente Klappe um einen unterschiedlichen Winkel geschwenkt
werden kann. Die Verwendung von Kugelverbindungen 82 zum
Befestigen der Steuerarme 58a und 58b sorgt für eine gabelkopfartige
Schwenkung des Y-Rahmens 59, während verhindert wird, dass
irgendwelche verdrehende Belastungen, die einem der Steuerarme 58a oder 58b erteilt
werden, zum Vektorierungsring 86 zurück übertragen werden. Ein Rückgrat 92 sorgt
an seinen zwei Enden für
eine Befestigung der divergenten Klappe 54 und für eine Halterung
der Verbindungen 84 und 56.
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Schubvektorierungsdüsen vektorieren
den Schub, indem sie die divergenten Klappen 54 und Dichtungen 55 achssymmetrisch
relativ zur Mittellinie 8 und deshalb die Radialund Umfangspositionen
und die Lage der divergenten Klappen und Dichtungen positionieren.
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Der Vektorierungsring 86 wird
verschoben und kardanisch bewegt um die Düsenmittellinie 8 durch
die drei ersten Vektorierungs-Stellglieder 90A und die
drei zweiten Vektorierungs-Stellglieder 90B, die
gemeinsam arbeiten, um den Schub zu vektorieren und den Vektorterungsring
zu verschieben, um die variable Ausgangsfläche A9 in Übereinstimmung zu
bringen und/oder zu steuern und das Ausgangsflächen-zu-Engstellenflächenverhältnis A9/A8
einzustellen. Die variable Engstelleniläche A8 kann unabhängig eingestellt
werden durch Verschiebung bzw. Translation des primären Ringes 66 durch
die ersten Stellglieder 70, um das Ausgangsflächen-zu-Engstellenflächenverhältnis A9/A8
einzustellen. Alternativ können
beide Sätze
von Stellgliedern und Ringen in Kombination verwendet werden, um
das Ausgangsilächen-zu-Engstellenilächenverhältnis A9/A8
einzustellen. In einem Notfall, wenn das Betätigungssystem 2 in
einem fehlersicheren Modus angeordnet ist, so dass nur die erste
Gruppe der ersten Vektorierungs-Stellglieder 90A oder die
zweite Gruppe der zweiten Vektorierungs-Stellglieder 90B betätigt werden
kann und das andere fehlergesichert ist, kann einer der beiden Sätze verwendet
werden, um den Ring 86 zu betätigen, indem er verschoben
und kardanisch um die Mittellinie 8 herum bewegt wird.
Das Betätigungssystem 2 enthält eine
elektronische Steuereinrichtung, die eine getrennte Einheit oder
Teil von einer elektronischen Vektorsteuerung VEC sein kann. Die
vorliegende Erfindung stellt das fehlersichere Düsenbetätigungssystem 2 mit
zwei getrennt gesteuerten ersten und zweiten vektorierenden Betätigungssystemen 2A bzw. 2B bereit.
Das erste vektorierende Betätigungssystem 2A steuert
nur die erste Gruppe der ersten vektorierenden Stellglieder 90A, und
das zweite vektorierende Betätigungssystem 2B steuert
nur die zweite Gruppe der zweiten vektorterenden Stellglieder 90B.
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In 2 ist
die Anordnung der ersten vektorierenden Stellglieder (Aktuatoren) 90A dargestellt, die
mit der zweiten Gruppe von zweiten vektorterenden Stellgliedern
(Aktuatoren) 90B um die Düse herum verschachtelt sind,
und zeigt, dass jede der beiden Gruppen betätigt werden kann, während die
andere Gruppe fehlergesichert ist, um den Ring 86 zu betätigen, indem
er entlang der Mittellinie 8 verschoben und kardanisch
um diese herum bewegt wird. Weiterhin ist der Vorteil dargestellt,
dass eine kürzere Kreisspanne
S entlang dem Ring 86 zwischen Befestigungspunkten B der
ersten vektorierenden Stellglieder 90A und der zweiten
Gruppe von zweiten vektorierenden Stellgliedern 90B bis
zum Vektorierungsring ausgebildet wird. Dies erlaubt einen weniger kräftigen Ring 86 und
einen Vektorierungsring mit einem geringeren Gewicht. Die sechs
Stellgieder haben eine kleinere Größe als sie erforderlich sein
würde;
wenn nur drei verwendet werden würden,
so dass das Gesamtgewicht von den vektorierenden Düsensystemen
auf einem Minimum gehalten wird. Das Gesamtgewicht für ein sechs
Stellglieder umfassendes System kann sogar kleiner sein als dasjenige
für ein
drei Stellglieder aufweisendes System und kann auch Teil von einem
fehlersicheren System sein, das wenigstens eine teilweise Schubvektorierung
gestattet, wenn eine Gruppe von drei Stellgliedern während des
Kampfes versagt.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein fehlersicheres Düsenbetätigungssystem 2 bereit,
das die zwei getrennt gesteuerte erste und zweite vektorierende
Betätigungssysteme 2A bzw. 2B aufweist,
die mit weiteren Einzelheiten in 3 dargestellt
sind. Das erste vektorierende Betätigungssystem 2A steuert
die Betätigung
von einem ersten vektorierenden Betätigungsglied 90A1,
einem zweiten vektorierenden Betätigungsglied 90A2 und
einem dritten vektorierenden Betätigungsglied 90A3 unter
Verwendung eines ersten Aktuator-Servoventilsatzes, der ein erstes
Aktuator-Servoventil 16A1, ein zweites Aktuator-Servoventil 16A2 und
ein drittes Aktuator-Servoventil 16A3 enthält, die
jeweils nur einen entsprechenden vektorierenden Aktuator 90A1–90A3 steuern.
In ähnlicher
Weise steuert das zweite vektorierende Betätigungssystem 2B die
Betätigung
eines zweiten Satzes von vierten, fünften bzw. sechsten vektorierenden
Aktuatoren 90B1–90B3,
wobei ein zweiter Aktuator-Servoventilsatz verwendet wird, der ein
viertes Aktuator-Servoventil 16B1, ein fünftes Aktuator-Servoventil 16B2 und
ein sechstes Aktuator-Servoventil 16B3 enthält, die
jeweils nur einen entsprechenden der vierten, fnften und sechsten
vektorierenden Aktuatoren 90B1–90B3 steuern. Jeder Satz
und jedes der drei Servoventile in jedem Satz ist unabhängig steuerbar.
Es ist bevorzugt, dass die Servoventile in beiden Systemen in ein
Steuerventil 3 verpackt sind, um die Anzahl der hinzugefigten
Komponenten zu minimieren. Alternativ kann jeder Satz von drei Servoventilen
in getrennte Steuerventile verpackt oder in ihre entsprechenden
Aktuatoren integriert sein.
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Die ersten und zweiten vektorierenden
Betätigungssysteme 2A und 2B haben
erste und zweite Versorgungstrennventile 18A und 18B,
die operativ in ersten und zweiten Versorgungsleitungen 19A bzw. 19B angeordnet
sind, die zu ersten und zweiten Versorgungsleitiuigs-Kopfstücken 20A bzw. 20B von einer
Quelle hydraulischer Energie H führen.
Die ersten und zweiten vektorierenden Betätigungssysteme 2A und 2B haben
erste und zweite Rückleitungs-Trennventile 22A und 22B,
die operativ in ersten und zweiten Rückleitungen 23A bzw. 23B angeordnet
sind, die von den ersten und zweiten Rückleitungs-Kopfstücken 24A bzw. 24B weg
zur Quelle hydraulischer Energie H führen. Dies gestattet dem fehlersiche ren
Düsenbetätigungssystem 2,
das arbeitsfähige
vektorierende Betätigungssystem 2A oder 2B von
dem Rest des Systems zu trennen, wenn ein Leck oder eine Fehlfunktion
in dem fehlersicheren System abgetastet würde. Ein erstes Rezirkulationsveritil 26A ist
funktional zwischen dem ersten Versorgungsleitungs-Kopfstück 20A und
dem ersten Rückleitungs-Kopfstück 24A angeordnet
und bildet ein Mittel, eine Hydraulikmittelströmung direkt zwischen Kopfkammern 28 und
Stangenkammern 30 von einer fehlergesicherten Gruppe von
Aktuatoren zu gestatten.
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Das erste vektorierende Betätigungssystem 2A wird
dadurch in den fehlersicheren Zustand gebracht, dass das fehlersichere
Düsenbetätigungssystem 2 das
erste Versorgungs- Trennventil 18A und das erste Rückleitungs-Trennventil 22B schließt. Das erste
vektorierende Betätigungssystem 2A bringt
den ersten Satz der drei Servoventile 16A1–16A3 in Stellungen, die
gestatten, dass Hydraulikmittel von den ersten Versorgungsleitungs-Kopfstücken 20A durch die
erste Gruppe von Kopfleitungen 102H zu den Kopfkanunern 28 und
zwischen dem ersten Rückleitungs-Kopfstück 24A durch
Stangenleitungen 102R zu den Stangenkammern 30 von
den ersten drei vektorierenden Aktuatoren 90A1–90A3 strömt, und
es bildet ein Mittel, damit eine Hydraulikmittelströmung direkt
zwischen den Kopfkammern 28 und Stangenkammern 30 von
einer fehlergesicherten Gruppe von Aktuatoren gestattet wird. Das
erste vektorierende Betätigungssystem 2A öffnet auch
das erste Rezirkulationsventil 26A, damit Hydraulikmittel
zwischen dem ersten Versorgungsleitungs-Kopfstück 20A und dem ersten
Rückleitungs-Kopfstück 24A strömen kann.
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Ähnliches
gilt, wenn stattdessen die zweiten drei Vektorierungs-Aktuatoren 90B1–90B3 fehlersicher
gemacht werden sollen, dann schließt das fehlersichere Düsenbetätigungssystem 2 das
zweite Versorgungs-Trennventil 18B und das zweite Rückleitungs-Trennventil
22B. Das zweite vektorierende Betätigungssystem 2A bringt
den zweiten Satz von drei Servoventilen 16B1–16B3 in Stellungen, die
gestatten, dass Hydraulikmittel zwischen den zweiten Versorgungsleitungs-Kopfstücken 20B und
den Kopfkammnern 28 und zwischen dem zweiten Rückleitungs-Kopfstück 24B und
den Stangenkammern 30 der zweiten drei Vektorierungs-Aktuatoren 90B1–90B3 strömt. Das
zweite vektorierende Betätigungssystem 2B öffnet auch
das zweite Rezirkulationsventil 26B, damit Hydraulikmittel
zwischen dem zweiten Versorgungsleitungs-Kopfstück 20B und dem zweiten
Rückleitungs-Kopfstück 24B strömen kann.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer Gesamtzahl von vier Aktuatoren bzw. Stellgliedern
ist in 4 dargestellt
und bildet ein fehlersicheres Düsenbetätigungssystem 2 mit
nur zwei getrennt gesteuerten ersten und zweiten vektorterenden
Betätigungssystemen 2A bzw. 2B,
jedes mit nur zwei vektorterenden Aktuatoren. Das erste vektorierende
Betätigungssystem 2A steuert
die Betätigung
von einem ersten vektorierenden Aktuator 90A1 und einem
zweiten vektorterenden Aktuator 90A2 unter Verwendung eines
ersten Aktuator-Servoventilsatzes, der ein erstes Aktuator-Servoventil 16A1 und
ein zweites Aktuator-Servoventil 16A2 enthält, wobei
jedes nur einen entsprechenden von den vektorterenden Aktuatoren 90A1 und 90A2 steuert. In ähnlicher
Weise steuert das zweite vektorterende Betätigungssystem 208 die
Betätigung
von einem dritten und vierten vektorterenden Aktuator 90B1 bzw. 90B2 unter
Verwendung eines zweiten Aktuator-Servoventilsatzes, der ein drittes
Aktuator-Servoventil 16B1 und ein viertes Aktuator-Servoventil 16B2 enthält, wobei
jedes nur einen entsprechenden der dritten und vierten vektorterenden
Aktuatoren 90B1 und 90B2 steuert. Jeder Satz und
jedes der zwei Servoventile in jedem Satz ist unabhängig steuerbar: Έs ist bevorzugt,
dass die Servoventile in beiden Systemen in ein Steuerventil 3 gepackt
sind, um die Anzahl von hinzugefügten
Komponenten zu minimieren. Alternativ kann jeder Satz von zwei Servoventilen
in getrennte Steuerventile gepackt oder in ihre entsprechenden Aktuatoren
ntegriert sein. Zwar sorgt dieses Ausführungsbeispiel nicht für eine Düsenschubvektorierung
im fehlersicheren Modus, aber es gestattet die Steuerung des Düsenausgangs/Engstellenflächenverhältnisses
(A9/A8) in dem fehlersicheren Modus und die Gestaltung und Konstruktion von
einem fehlersicheren Düsenbetätigungssystem mit
geringem Gewicht für
die achssymmetrtsche Schubvektorierungsdüse 14.
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In 5 sind
die verschiedenen Anordnungen und Orte der Hydraulikpumpen dargestellt,
die verwendet werden können,
um den ersten und zweiten vektorierenden Betätigungssystemen 2A und 2B Hydraulikenergie über die
ersten und zweiten Versorgungsleitungs-Kopfstücke 20A und 20B und
die ersten und zweiten Rückleitungs-Kopfstücke 24A bzw. 24B zuzuführen. Ein
Triebwerk 130 ist mit denn Abgasabschnitt 10 dargestellt,
und die vektorierende Düse 14 ist
in einem Militär-Flugzeug 132 angebracht.
Die ersten und zweiten vektorierenden Aktuatoren 90A und 908 sind
in der Zeichnung ebenfalls gezeigt und helfen, den Abgasabschnitt 10 und
die Vektorierungsdüse 14 darzustellen.
Eine Leistungswelle 134, die durch einen Triebwerksrotor 138 angetrieben
wird, erstreckt sich von dem Rotor stromabwärts zu einer Getriebebox 140 des
Triebwerkes, die ein Winkelgetriebe hat, um eine Leistungsabnahmewelle 142 (PTO)
anzutreiben, die sich nach vorne in Richtung auf das Vorderende
von dem Triebwerk 130 erstreckt. An und unter dem Triebwerk 130 sind
erste und zweite am Triebwerk angebrachte Hydraulikpumpen 146 bzw. 148 angebracht,
die sich von der Triebwerks-Getriebebox 140 nach hinten
erstrecken und von dieser angetrieben werden. Die am Triebwerk angebrachten
ersten und zweiten Hydraulikpumpen 146 und 148 werden
dazu verwendet, Hydraulikenergie für das Triebwerk und Triebwerkzubehör zuzuführen. Die
Welle 134 erstreckt sich nach vorne, um eine Zubehörantriebs-Getriebebox 150 anzutreiben,
die ihrerseits ein geeignetes Getriebe hat, um verschiedenes Zubehör für das Flugzeug 132 anzutreiben.
Die Zubehörantriebs-Getriebebox 150 ist
an dem Flugzeug 132 durch geeignete Rahmenbefestigungen 152 angebracht
und mit der Leistungsabnahmewelle durch einen Fehlausrichtungs-Adapter 154 verbunden.
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5 dient
als eine Führung,
um unterschiedliche Quellen hydraulischer Energie H für die ersten
und zweiten vektorierenden Betätigungssysteme 2A und 2B darzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung verwendet die ersten und zweiten am Triebwerk
angebrachten Hydraulikpumpen 146 und 148, um die
Quelle hydraulischer Leistung H für die ersten und zweiten vektorierenden
Betätigungssysteme 2A bzw. 2B zu
bilden. Alternativ kann nur eine der am Triebwerk angebrachten Hydraulikpumpen
als die Quelle hydraulischer Leistung H verwendet werden,
die erste und zweite Versorgungsleitungen 19A und 19B haben,
die in eine Leitung münden,
die zu einer Hydraulikpumpe an einem Punkt zwischen den Trennventilen 18A und 188 und der
Quelle H in 3 führt. In ähnlicher
Weise können
eine oder beide der ersten und zweiten am Flugzeug angebrachten
Hydraulikpumpert 156 bzw. 158 verwendet werden,
die auf der Zubehörantriebs-Getriebebox 150 angebracht
sind und durch diese angetrieben werden, um die ersten und zweiten
vektorierenden Betätigungssysteme 2A und 2B anzutreiben. Alternativ
können
eine der am Triebwerk angebrachten Hydraulikpumpen und eine der
am Flugzeug angebrachten Hydraulikpumpen verwendet werden, um nur
eines der vektorierenden Betätigungssysteme 2A und 2B anzutreiben.
Der Vorteil dieser alternativen Orte für Hydraulikleistung, um die
Vektorierungsdüse anzutreiben
und zu betätigen,
ist recht offensichtlich. Eine Beschädigung, die ein Teil von dem
Flugzeug erlitten hat, kann eine der Pumpen beschädigen, wodurch
eine Pumpe in einem anderen Teil von dem Flugzeug weiterhin in Betrieb
bleiben kann, um die Vektorierungsdüse anzutreiben.
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Es wird noch einmal auf 1 Bezug genommen; der Vektorierungsring 86 ist
durch drei axial einstellbare Vektorierungsring-Halterungseinrichtungen 100 getragen,
die in gleichen Winkeln in Umfangsrichtung um das Gehäuse 11 herum
angeordnet sind, wodurch der Vektorierungsring 86 durch
die Vektorierungs-Aktuatoren 90A und 90B axial
verschoben und kardanisch bewegt werden kann. Ein axial verschiebbarer
A-Rahmen 210 stützt
den Vektorierungsring 86 durch eine 3 DOF Kugelverbindung 206.
Der A-Rahmen 210 ist an einem Schieber 220 schwenkbar
befestigt mit einer gabelkopfartigen Gelenkeinrichtung 208 in
der Form von Kugelverbindungen an den Enden der Arme 211A und 211B.
Die Verwendung von Kugelverbindungen an den Enden der Arme 211A und 211B sorgt
für ein
gabelkopfartiges Schwenken des A-Rahmens 210 und eliminiert
auch die Übertragung
von verdrehenden Lasten, die auf die Arme ausgeübt werden können. Der Schieber 220 ist
entlang einer hohlen Schieberstange 226 verschiebbar, die
an dem Triebwerksgehäuse 11 durch einen
vorderen Bügel 236 und
einen hinteren Bügel 230 befestigt
ist. Die Vektorierungsring-Halterungseinrichtung 100 gestattet,
dass der vektorierende Ring 86 axial nach vorne und hinten
und gekippt werden kann, um so seine Lage zu verändern. Eine detailliertere
Beschreibung der Vektorierungsring-Halterungseinrichtung 100 kann
in dem US-Patent 5,174,502 von Lippmeier u. a. mit der Bezeichnung "Support
For A Translating Nozzle Vectoring Ring" gefunden werden.
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Es ist zwar das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung vollständig
beschrieben worden, um ihre Prinzipien zu erläutern, es ist aber klar, dass verschiedene
Modifikationen und Änderungen
an dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
vorgenommen werden können,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen
angegeben ist.