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Der Umfang der vorliegenden Erfindung besteht in einer divergenten
Leitblechanordnung für konvergent-divergente Düsen zur Anwendung in
Flugzeugtriebwerken.
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Viele derzeitige Düsentriebwerke, wie sie in Militärflugzeugen verwendet werden,
sind mit konvergentdivergenten Abgasstrahldüsen ausgestattet. Durch Verstellen
der konvergenten und/oder divergenten Abschnitte der Düse kann die
Eintrittsöffnungsquerschnittsfläche und/oder die Ausströmquerschnittsfläche der
Düse während des Fluges gesteuert werden, und dadurch der bestmögliche
Betriebszustand des Strahltriebwerks für jede Flugsituation erzielt werden.
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Der divergente Abschnitt der Düse ist dann ein wirksamer kegelstumpfartig geformter
Kanal, welcher beide Enden öffnen und schließen können muß, nämlich den
Eintrittsöffnungs- und den Ausströmbereich, da dies durch die Triebwerkssteuerung
und das Betätigungssystem erforderlich ist.
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Eine der möglichen mechanischen Anordnungen für den divergenten Kanalabschnitt
umfaßt eine Anzahl von divergenten Hauptleitblechen, die gleichmäßig um den
Umfang verteilt sind, die mechanisch mit dem Hauptdüsenaufbau- und
Betätigungssystem verbunden sind und die die Position des divergenten Abschnitts
der Düse bestimmen, sowie eine Anzahl von divergenten Tochterleitblechen, die den
Spalt zwischen je zwei benachbarten Hauptleitblechen abdichten und die immer der
Bewegung der divergenten Hauptleitbleche folgen müssen, um die Abdichtung zu
ermöglichen. Im normalen Triebwerksbetriebszustand schiebt der Gasdruck in der
Düse die divergenten Tochterleitbleche gegen die divergenten Hauptleitbleche,
wodurch folglich das Abdichten erreicht wird.
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Die divergenten Tochterleitbleche müssen so geführt werden, daß es für sie keine
Möglichkeit gibt, den Eingriff mit den divergenten Hauptleitblechen zu lösen. Unter
Lösen des Eingriffs wird die Situation verstanden, in der ein divergentes
Tochterleitblech und ein benachbartes divergentes Hauptleitblech einen
Überlappungsbereich aufweisen, der nicht die volle Länge des divergenten
Abschnitts abdeckt, das heißt, daß der Gasstrom eine Öffnung in radialer Richtung
"sieht", was wiederum einen möglichen Ausströmpfad in radialer Richtung oberhalb
des Ausströmbereichs am hinteren Ende des divergenten Abschnitts bedeutet.
Dieses Lösen des Eingriffs kann gefährliche Folgen nach sich ziehen, nämlich
ungewolltes Ausströmen heißen Gases an die Außenseite des Kanals und falsches
Überlappen der Leitbleche, wenn sie zurück in die Eingriffsposition kommen.
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Die Position und Ausrichtung jedes divergenten Hauptleitblechs wird durch seine
Verbindung mit dem konvergenten Abschnitt mittels eines Gelenks mit dem
entsprechenden konvergenten Hauptleitblech und durch seine Verbindung mit dem
äußeren Ring oder Aufbau mittels einer Druckstrebe bestimmt.
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Die Position und Ausrichtung jedes divergenten Tochterleitblechs muß mittels einer
Art Verbindung zu den divergenten Hauptleitblechen und/oder dem konvergenten
Abschnitt bestimmt werden. Eine der möglichen mechanischen Anordnungen umfaßt
unter anderen Bauteilen einen zusammenfassenden Richtmechanismus, der die
Position und Ausrichtung jedes divergenten Tochterleitblechs in bezug auf seine
zwei benachbarten divergenten Hauptleitbleche bestimmt. Dieser Mechanismus
kann auf mehrere Arten vorliegen, jedoch weisen alle viele kleine Teile auf, und das
bedeutet mechanische Komplexität und Gewicht (z. B. EP 0 644 325). Einige dieser
Mechanismen umfassen ein Gelenk mit dem konvergenten Tochterleitblech, jedoch
ist dies nicht erstrebenswert, da es die Position des divergenten Tochterleitblechs in
bezug auf das konvergente Tochterleitblech bestimmt, welches selbst nicht geeignet
positioniert ist. Dies kann in den divergenten Tochterleitblechen größere
Fehlausrichtungen verursachen und daher ein größeres Risiko bedeuten, daß der
Eingriff gelöst wird.
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Ein anderes Merkmal, das die divergenten Tochterleitbleche aufweisen müssen, sind
die Hängelager. Die Hängelager sind auf einigen Hängelagerböcken auf der äußeren
Oberfläche der divergenten Tochterleitbleche befestigt und überlappen mit der
äußeren Oberfläche des Ansatzteiles der zwei benachbarten divergenten
Hauptleitbleche. Durch diese Mittel werden die divergenten Tochterleitbleche in den
Fällen daran gehindert, in die Mitte der Düse zu fallen, wo der Gasdruck die
divergenten Tochterleitbleche nicht gegen die divergenten Hauptleitbleche drückt,
d. h. in negativem Lastzustand oder im abgeschalteten Zustand des Triebwerks.
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Weitere Merkmale, die die divergenten Tochterleitbleche aufweisen müssen, sind
eine gewisse Steifigkeit und Widerstandskraft gegen Verbiegen in Längsrichtung. In
einigen Betriebszuständen des Triebwerks, so in Fällen negativer Last, muß das
divergente Tochterleitblech von seinen Hängelagern herunterhängen; und in einigen
anderen Betriebszuständen des Triebwerks ergibt sich ein positiver Lastdruck auf
einem Abschnitt des divergenten Tochterleitblechs sowie ein negativer Lastdruck auf
dem Rest des divergenten Tochterleitblechs, und daher unterliegt das Leitblech
schweren Biegebeanspruchungen.
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Der Umfang der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine divergente
Leitblechanordnung bereitzustellen, um die Notwendigkeit für einen
zusammenfassenden Richtmechanismus auszuschließen oder gering zu halten,
wobei die Anordnung so gestaltet ist, daß der Gasdruck, der auf die Oberfläche des
divergenten Tochterleitblechs wirkt, dazu neigt, das divergente Tochterleitblech in
seiner Mittenposition zu halten, wodurch folglich kein Bedarf für einen
zusammenfassenden Richtmechanismus besteht. Als einen zusätzlichen Vorteil
vermeidet die neue Anordnung den Einsatz eines mechanischen Gelenks zwischen
den konvergenten Tochterleitblechen und den divergenten Tochterleitblechen.
Zusätzlich stellt sie genügend Längsbiegesteifigkeit bereit, um so die Notwendigkeit
einer Versteifungsrippe zu beseitigen.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt eine divergente Leitblechanordnung, die so
ausgelegt ist, um die Notwendigkeit für einen zusammenfassenden
Richtmechanismus zu beseitigen oder gering zu halten.
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In der vorliegenden Erfindung ist das divergente Tochterleitblech selbstausrichtend,
das heißt, aufgrund des Querschnitts des Ansatzteiles des divergenten
Tochterleitblechs veranlaßt die Last, die durch das Gas auf das divergente
Tochterleitblech ausgeübt wird, das divergente Tochterleitblech in seiner
Mittenposition zu verharren.
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Die Erfindung erfüllt ihre Aufgaben mittels einer divergenten Leitblechanordnung für
konvergent-divergente Düsen zur Anwendung in Flugzeugtriebwerken von der Art,
die eine Anzahl von divergenten Hauptleitblechen, die am konvergenten Bereich und
den Druckstreben angebracht sind, und eine Anzahl von divergenten
Tochterleitblechen umfaßt, die jeweils mit begrenzter Bewegungsfreiheit zwischen
zwei divergenten Hauptleitblechen mittels Hängelager angebracht sind, wobei in der
Anordnung jedes divergente Tochterleitblech einen offenen Biegequerschnitt
aufweist, bei dem die konkave Seite dem Gas zugewandt ist, wobei dieser Abschnitt
zwei relativ flache Flügel umfaßt, die um einen bestimmten Winkel geneigt sind, um
in etwa mit den Unterflächen der benachbarten divergenten Hauptleitbleche
übereinzustimmen, wobei die divergenten Tochterleitbleche eine Übergangszone an
den Vorderenden aufweisen, die vom Querschnitt an der Eintrittsöffnung in den
Biegequerschnitt übergeht.
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Die Anordnung umfaßt auch eine Anzahl von Anschlägen auf den divergenten
Hauptleitblechen, die mit Haken zusammenwirken, die an den Enden der
Hängelager vorgesehen sind, die auf den divergenten Tochterleitblechen angebracht
sind, um die relative Seitenbewegung der divergenten Tochterleitbleche in bezug auf
die benachbarten divergenten Hauptleitbleche zu begrenzen.
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Der Querschnitt der divergenten Tochterleitbieche kann mehrere verschiedene
Konfigurationen aufweisen, zum Beispiel winkelförmig in dem Fall, in dem es nur aus
zwei Flügeln und aus keinem Mittenteil besteht, oder bogenförmig, wenn keine
ausgeprägten Flügel vom Rest unterschieden werden können.
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Die in Betracht gezogenen Querschnitte weisen eine ausreichende Längsbiegung
auf, um so die Notwendigkeit für eine Versteifungsrippe auszuschließen. Dies
bedeutet eine Ersparnis in bezug auf Masse als auch in bezug auf die
Herstellungskosten.
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Betrachtet man auch die Form des divergenten Tochterleitblechs, so folgt, daß es
automatisch selbstausrichtend während des normalen Triebwerksbetriebs sein wird,
aber einen ausfallsicheren Mechanismus aufweist, der die auf den divergenten
Hauptleitblechen angebrachten Anschläge und die Haken bereitstellt, die auf den
divergenten Tochterleitblechen angebrachten Hängelagern vorgesehen sind, um das
Lösen aus dem Eingriff in den Fällen zu verhindern, in denen die Selbstausrichtung
nicht wirkungsvoll genug ist, zum Beispiel in Schwach- und Negativlastfällen, im
Zustand des abgeschalteten Triebswerks, bei unerwartetem Reibungsverhalten,
usw. Durch diese Vorrichtung ist das Überlappen gewährleistet und folglich die
Abdichtung sichergestellt.
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Der Hauptvorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit des Einsatzes des
Hauptleitblech-Tochterleitblech-Konzepts im divergenten Abschnitt einer
konvergentdivergenten Düse ohne Verwendung eines zusammenfassenden Richtmechanismus
für die divergenten Tochterleitbleche, wodurch folglich die mechanische Komplexität
und das Gewicht verringert werden.
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Ein anderer Vorteil besteht darin, die Notwendigkeit für eine Versteifungsrippe auf
dem divergenten Tochterleitblech auszuschalten, wodurch folglich die mechanische
Komplexität und das Gewicht verringert werden.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das mechanische Gelenk zwischen dem
konvergenten Tochterleitblech und dem divergenten Tochterleitblech vermieden
wird, welches fehleranfällig ist.
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Diese Aufgaben und andere Merkmale und Vorteile werden deutlicher in der
folgenden Beschreibung zutage treten, wenn diese gemeinsam mit den
angeschlossenen Zeichnungen gelesen wird, in welchen die divergente
Leitblechanordnung einer Abgasstrahldüse, die nach den Lehrsätzen der Erfindung
aufgebaut ist, als ein Beispiel, ohne einzuschränken, dargestellt worden ist.
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In den angeschlossenen Zeichnungen zeigt:
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Fig. 1 eine perspektivische Teilausschnittsansicht einer
konvergentdivergenten Düse, wobei der konvergente und der divergente Abschnitt
sowie die divergente Leitblechanordnung dargestellt sind, wobei einige
Details aus Gründen der Klarheit weggelassen worden sind;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,
aufgenommen entlang der Linie II-II; und
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Fig. 3 und 4 Querschnittsabschnitte von anderen möglichen Formen des
divergenten Tochterleitblechs.
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Mit Bezug auf Fig. 1 kann beobachtet werden, daß die konvergent-divergente Düse
einen konvergenten Abschnitt 1 und einen divergenten Abschnitt 2 aufweist. Der
Umfang der Erfindung deckt nur die Leitblechanordnung im divergenten Abschnitt 2
ab, jedoch werden der konvergente Abschnitt 1 und die mechanische Anordnung der
Düse ebenfalls genauer erklärt, um das Verstehen des Düsenaufbaus
sicherzustellen.
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Wie in Fig. 1 beobachtet werden kann, umfaßt der konvergente Abschnitt 1
hauptsächlich eine Anzahl von konvergenten Hauptleitblechen 13 und eine Anzahl
von konvergenten Tochterleitblechen 14. Jedes konvergente Hauptleitblech 13 ist
mechanisch mit dem Düsenhauptaufbau 15 mittels eines Bolzengelenks 16
verbunden und ist mit dem Ringstellelement für synchrone Bewegungssteuerung 17
mittels einer Berührungslinie Rolle/Nocke 18 verbunden, in welcher das
Nockenelement 19 Teil des konvergenten Hauptleitblechs 13 ist und die
Übertragungsrolle 20 mit dem Ringstellelement 17 verbunden ist. Durch Einwirken
auf die axiale Position des Ringstellelements 17 rollen die Übertragungsrollen 20 auf
den Nockenelementen 19, die auf den konvergenten Hauptleitblechen 13
aufgebracht sind, und die konvergenten Hauptleitbleche 13 drehen sich um die
Stiftverbindung 16 in bezug auf den Düsenhauptaufbau 15, wodurch der
Eintrittsöffnungsbereich 21 gesteuert wird. Jedes konvergente Tochterleitblech 14
dichtet den Spalt zwischen seinen zwei benachbarten konvergenten
Hauptleitblechen 13 ab, um den konvergenten Abschnitt 1 der Düse zu
vervollständigen. Im normalen Triebwerksbetriebszustand drückt der Gasdruck 8 die
konvergenten Tochterleitbleche 14 gegen die konvergenten Hauptleitbleche 13,
wodurch die Abdichtung im konvergenten Abschnitt 1 erzielt wird.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der divergente Abschnitt 2
hauptsächlich eine Anzahl von divergenten Hauptleitblechen 3 und eine Anzahl von
divergenten Tochterleitblechen 4. Jedes divergente Hauptleitblech 3 ist mechanisch
mit einem konvergenten Hauptleitblech 13 mittels eines Bolzengelenks 22 und mit
einer Druckstrebe 23 mittels eines Bolzengelenks 24 verbunden. Die Druckstreben
23 sind mit dem Düsenhauptaufbau 25 oder alternativ mit einem zweiten
Ringstellelement verbunden. Durch Steuern des konvergenten Abschnitts 1, wie
oben erklärt, wird die Position des Vorderendes 26 der divergenten Hauptleitbleche 3
bestimmt. Der zusammengesetzte Mechanismus, der durch das konvergente
Hauptleitblech 13, das divergente Hauptleitblech 3 und die Druckstrebe 23 gebildet
wird, bestimmt die Position des hinteren Endes 27 der divergenten Hauptleitbleche
3, wodurch folglich der Austrittsbereich 28 der Düse bestimmt wird. Jedes divergente
Tochterleitblech 4 dichtet den Spalt zwischen seinen zwei benachbarten divergenten
Hauptleitblechen 3 ab, um den divergenten Abschnitt 2 der Düse zu
vervollständigen. Im normalen Triebwerksbetriebszustand drückt der Gasdruck 8 die
divergenten Tochterleitbleche 4 gegen die divergenten Hauptleitbleche 3, wodurch
die Abdichtung im divergenten Abschnitt 2 erzielt wird.
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Jedes divergente Tochterleitblech 4 umfaßt im wesentlichen einen Leitblechboden 6
und eine Anzahl von Hängelagern 7, die auf einer Anzahl von Hängelagerböcken 11
befestigt sind.
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Mit Bezug auf Fig. 2 kann beobachtet werden, daß der Boden 6 jedes divergenten
Tochterleitblechs 4 einen offenen Biegequerschnitt 10 aufweist, wobei der
Querschnitt 10 auf der Gasseite konkav ausgeformt ist und zumindest zwei relativ
flache Flügel 31 besitzt, die in einem gewissen Winkel geneigt sind, um in etwa mit
dem Boden 9 der benachbarten divergenten Hauptleitbleche 3 übereinzustimmen,
und im wesentlichen auch einen relativ ebenen mittigen Teil 29 umfaßt, der ziemlich
lotrecht zur Symmetrieebene 30 des divergenten Tochterleitblechs 4 liegt, wobei der
mittige Teil 29 nicht unbedingt erforderlich ist, um die erwünschte Wirkung zu
erzielen. Der Druck des Gasstromes 8 hält die Flügel 31 des Bodens 6 des
divergenten Tochterleitblechs 4 fest mit dem Boden 9 der divergenten
Hauptleitbleche 3 in Kontakt, wodurch folglich die Abdichtung im divergenten
Abschnitt 2 erreicht wird. Aufgrund dieses konkav gestalteten Querschnitts 10 kann
der Gasdruck 8 das divergente Tochterleitblech 4 immer in seiner ausgerichteten
Position halten, und wenn eine Fehlausrichtung 32 auftreten sollte, wird der Druck 8
dazu führen, daß das divergente Tochterleitblech 4 in seine ausgerichtete Position
zurückkehrt.
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Die bevorzugte Ausführungsform weist einen trapezförmigen Querschnitt 10 auf, wie
oben beschrieben, aber dies ist nicht der einzige Abschnitt, der diesen Effekt
erzeugt. Derselbe Effekt kann auch mit einem winkelförmigen Querschnitt 33 erzielt
werden, der identisch mit dem trapezförmigen Querschnitt 10 ist, abgesehen davon,
daß er nur zwei Flügel 31 und keinen mittigen Teil 29 aufweist. Die Hängelagerböcke
11 müssen dann auf die Krümmung 34 oder die Kante zwischen den Flügeln 31
aufgebracht werden.
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Ein anderer möglicher Querschnitt ist eine gekrümmte Form. Ein bogenartiger
Querschnitt 35 könnte dieselbe Wirkung erzielen, obwohl in einer weniger
bestechenden Art. Die Hängelagerböcke 11 müssen auf einem mittigen Bereich 36
des bogenartigen Querschnitts 35 aufgebracht werden.
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In der bevorzugten Ausführungsform (Fig. 1) weist jedes divergente
Tochterleitblech 4 eine Übergangszone 37 auf, die den Querschnitt im
Eintrittsöffnungsbereich 21, ähnlich jenem des konvergenten Tochterleitblechs 14, in
den oben beschrieben geformten Querschnitt 10 übergehen läßt, um das Abdichten
des Kehlbereichs 21 zu ermöglichen.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist jedes divergente Tochterleitblech 4 mit den
divergenten Hauptleitblechen 3 mittels einer Anzahl von Hängelagern 7 verbunden,
die auf Hängelagerböcken 11 aufgebracht sind, die ihrerseits auf dem Boden 6 des
divergenten Tochterleitblechs 4 befestigt sind. Diese Hängelager 7 sind mit Haken
12 an ihren Enden ausgestattet, und diese Haken 12 können nicht an den
Hängelageranschlägen 5, die an den benachbarten divergenten Hauptleitblechen 3
angebracht sind, vorbeigelangen.
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In der bevorzugten Ausführungsform weist jedes divergente Hauptleitblech 3 eine
Anzahl an Hängelageranschlägen 5 an jeder Seite auf, die die Haken 12 der
Hängelager 7 des divergenten Tochterleitblechs 4 an jeder Seite daran hindern, sich
aus dem Eingriff vom divergenten Hauptleitblech 3 zu lösen. Dies wiederum
verhindert, daß sich der Boden 6 des divergenten Tochterleitblechs 4 aus dem
Eingriff mit dem divergenten Hauptleitblech 3 löst.
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In der bevorzugten Ausführungsform weist jeder Hängelageranschlag 5 die Form
einer kleinen Klammer 38 auf, die auf dem Boden 9 des divergenten Hauptleitblechs
3 befestigt ist und die einen Schlitz 39 oder ein Fenster oder einen Ausschnitt
aufweist. Der Körper 40 des Hängelagers 7 kann durch den Schlitz 39
hindurchrutschen, kann sich aber daraus nicht lösen, da der Haken 12 nicht durch
den Schlitz 39 hindurchrutschen kann. Die Erfindung ist nicht auf diese Anordnung
beschränkt.
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Dieses Zusammenspiel von Hängelagerhaken 12 und den Hängelageranschlägen 5
schließt die Möglichkeit eines Auflösens des Eingriffs zwischen den divergenten
Tochterleitblechen 4 und den divergenten Hauptleitblechen 3 aus, hindert aber das
divergente Tochterleitblech 4 nicht, seine mittig ausgerichtete Position zwischen
seinen zwei benachbarten divergenten Hauptleitblechen 3 zu verlassen. Die
Ausrichtungsfunktion wird durch die Form des divergenten Tochterleitblechbodens 6,
wie oben beschrieben, übernommen.