DE69922743T2

DE69922743T2 - Strahltriebdüse mit Vorrichtung zur Maskierung des Gasstrahls

Info

Publication number: DE69922743T2
Application number: DE69922743T
Authority: DE
Inventors: Philippe Pierre Vincent Bouiller; Daniel Kettler; Pierre-Yves Bourquin; Jean-Pierre Ruis
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: FR2781254A1; FR2781254B1; US6179225B1; EP0972929A1; DE69922743D1; EP0972929B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Schubdüse mit variablem Ausströmquerschnitt, die bei einem Turbotriebwerk am hinteren Ende eines festen Aufbaus mit kreisförmigem Querschnitt eines Ausstoßkanals für heiße Gase angebracht ist.
Bestimmte Militärflugzeuge mit Turbotriebwerken müssen Aufgaben unter Unterschall- oder Überschall-Flugbedingungen erfüllen. Diese Turbotriebwerke sind mit einem Nachverbrennungssystem und mit einer axialsymmetrischen oder anderen, z. B. einer zweidimensionalen Düse versehen.
Bei Turbotriebwerken mit Nachverbrennung muss die Düse einen variablen Querschnitt haben.
Um bei Vollgas mit und ohne Nachverbrennung einen Schubzuwachs zu erzielen, ist die Entwicklung in Richtung einer vollständig konvergierenden und divergierenden Düse mit variablen Querschnitten gegangen. Die Kinematik und die Technologie dieser konvergierenden/divergierenden Düsen sind komplex, und sie haben eine bedeutende Masse.
Meistens ist die Düse auf ihren konvergierenden Teil beschränkt, was eine relativ einfache Technologie und zufriedenstellende Ergebnisse ermöglicht.
Und eine solche axialsymmetrische Düse ist auch Gegenstand dieser Erfindung.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine konvergierende axialsymmetrische Düse für Turbotriebwerke im Flugzeugbau, wobei diese Düse einen konischen Ring, der am Endteil des Turbotriebwerks befestigt ist, einen Innenkranz von Klappen, sogenannten heißen Klappen, der in der Verlängerung des konischen Rings angeordnet ist, einen Außenkranz von Klappen, sogenannten kalten Klappen, der in der Verlängerung eines ringförmigen Aufbaus zwischen dem konischen Ring und einer Außenverkleidung angeordnet ist, aufweist, wobei dieser Außenkranz von kalten Klappen sich nach hinten in Strömungsrichtung der Schubgase über die Außenverkleidung und den Innenkranz von heißen Klappen hinaus erstreckt, und ferner erste Steuermittel, die an dem konischen Ring sitzen und dazu bestimmt sind, die heißen Klappen zu betätigen, die mit ihrem vorderen Ende an dem konischen Ring angelenkt sind, und zweite Steuermittel, die an dem ringförmigen Aufbau sitzen und dazu bestimmt sind, die kalten Klappen zu betätigen, die mit ihrem vorderen Ende an dem ringförmigen Aufbau angelenkt sind, aufweist.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Infrarot-Strahlung dieser Art von Düse zu verringern, indem einfache Mittel eingesetzt werden, um bei bestimmten Konfigurationen der Düse Frischluft in den Schubgasstrom einzuführen, um dessen Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur zu senken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jede kalte Klappe eine Innenhaut, die an dem ringförmigen Aufbau angelenkt ist und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, und eine Außenhaut, die radial von der Innenhaut beabstandet ist, besitzt, wobei diese beiden Häute zur Hinterkante dieser Klappe hin konvergieren, und dass der ringförmige Aufbau unter Einwirkung von dritten Steuermitteln axial bewegbar ist, und zwar zwischen einer ersten Stellung, in der die Außenhäute sich in der Verlängerung der Außenverkleidung befinden, und einer zweiten Stellung, in der die Außenhäute sich hinter der Außenverkleidung befinden und Schöpfer bilden, die es ermöglichen, durch die Öffnungen in den Innenhäuten Außenluft in den Schubgasstrom einzuführen, um die Infrarot-Strahlung der Schubgase zu verringern.
Vorteilhafterweise sind in der Hinterkante jeder kalten Klappe komplementäre Öffnungen vorgesehen.
Es werden ferner folgende vorteilhafte Anordnungen vorgesehen:

– die ersten Steuermittel beinhalten einen ersten, axial bewegbaren Steuerring, der durch Schwingarme mit den heißen Klappen verbunden ist und durch eine Vielzahl von ersten Zylindern, die an dem konischen Ring verankert sind, betätigt wird;
– die zweiten Steuermittel beinhalten einen zweiten, unter der Einwirkung einer Vielzahl von zweiten Zylindern, die an dem ringförmigen Aufbau verankert sind, axial bewegbaren Steuerring;
– der zweite Steuerring weist eine Vielzahl von Fingern mit Rollen auf, die in den Langlöchern rollen, welche in den Innenhäuten der kalten Klappen vorgesehen sind;
– der konische Ring ist an seinem vorderen Ende mit einem zylindrischen Ring verbunden, der sich nach hinten erstreckt, wobei dieser zylindrische Ring Mittel zur axialen Führung des ringförmigen Aufbaus aufweist, und die dritten Steuermittel beinhalten eine Vielzahl von dritten Zylindern, die an dem vorderen Ende des zylindrischen Rings verankert sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, die nur als Beispiel gilt und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 eine erfindungsgemäße axialsymmetrische Düse in einer Konfiguration des Vollgasbetriebs ohne Nachverbrennung und ohne Dämpfung der Infrarot-Strahlung in einem Halbschnitt durch eine Ebene, die durch die Symmetrieachse verläuft, zeigt,
2 die Düse von 1 in einer Konfiguration des Vollgasbetriebs ohne Nachverbrennung und mit Dämpfung der Infrarot-Strahlung zeigt,
3 die Düse von 1 in einer Konfiguration des Vollgasbetriebs mit Nachverbrennung und ohne Dämpfung der Infrarot-Strahlung zeigt,
4 in einer Schnittansicht gemäß der Linie IV-IV von 1 die Verbindung zwischen den kalten Klappen und dem Steuerring dieser Klappen zeigt,
5 die Verbindung zwischen dem Steuerring und einer kalten Klappe zeigt, und
6 im Detail die Verbindung zwischen einer Zylinderstange und dem von diesem Zylinder betätigten Steuerring zeigt.
Die Zeichnungen zeigen eine Düse 1 mit der Achse 2, die hinter einer Nachbrennkammer angeordnet ist, welche in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, und zwar für ein Turbotriebwerk eines Flugzeugs, dessen Heck eine Außenverkleidung 3 mit aerodynamischer Form aufweist, die den vorderen Teil der Düse 1 umgibt.
Die Düse 1 enthält einen konischen Ring 4, der vom am hinteren Ende des Gehäuses der Nachbrennkammer befestigt ist, und einen zylindrischen Ring 5, der im Bereich der Außenverkleidung 3 angeordnet ist und mit seinem vorderen Ende 6 mit dem konischen Ring 4 verbunden ist. Der konische Ring 4 und der zylindrische Ring 5 bilden zwischen sich einen ringförmigen Hohlraum 6, der nach hinten offen ist.
Ein erster Kranz von Klappen 7, den sogenannten heißen Klappen, ist in der Verlängerung des konischen Rings 4 angeordnet. Jede heiße Klappe 7 ist mit ihrem vorderen Ende mittels einer Gelenkachse 8 an dem hinteren Ende des konischen Rings 4 angelenkt und mittels eines Schwingarms 9 mit einem ersten, konzentrisch zur Achse 2 liegenden Steuerring 10 verbunden. Der erste Steuerring 10 kann durch eine Vielzahl von ersten Zylindern 11, die an dem konischen Ring 4 in dem Hohlraum 6 verankert sind, in der durch die Achse 2 bestimmten Richtung verschoben werden. Die Zylinder 11, die synchronisiert sind, sind zu dem konischen Ring 4 feststehend angebracht.
Zwischen dem konischen Ring 4 und dem zylindrischen Ring 5 ist ein ringförmiger Aufbau 12 mit der Achse 2 vorgesehen, der in der Richtung der Achse 2 verschoben werden kann.
Der ringförmige Aufbau 12 wird aus zwei zylindrischen Ringen 13, 14 gebildet, die konzentrisch zur Achse 2 sind und miteinander fest verbunden sind. Der innere zylindrische Ring 13 kann auf Absätzen 15, die an der Außenseite des konischen Rings 4 gebildet sind, gleiten, und der äußere zylindrische Ring 14 wird axial zu dem zylindrischen Ring 5 der Düse 1 geführt, und zwar mittels Rollen 16, die an diesem zylindrischen Ring 5 befestigt sind und mit axial verlaufenden Rillen 17 an der Außenseite des äußeren zylindrischen Rings 14 zusammenwirken.
Ein zweiter Kranz von Klappen 20, sogenannten kalten Klappen, ist hinter dem äußeren zylindrischen Ring 14 angeordnet, wobei jede kalte Klappe 20 mit ihrem vorderen Ende mittels einer Gelenkachse 21 an dem hinteren Ende des äußeren zylindrischen Rings 14 angelenkt ist. Die kalten Klappen 20 werden durch einen zweiten Steuerring 22 mit der Achse 2 gesteuert, der mittels einer Vielzahl von zweiten Zylindern 23, die an dem ringförmigen Aufbau 12 befestigt und miteinander synchronisiert sind, axial in der Richtung der Achse 2 verschiebbar ist. Die Verbindung zwischen dem zweiten Steuerring 22 und den kalten Klappen 20 wird durch Finger 24 hergestellt, die fest mit dem zweiten Steuerring 22 verbunden sind. Diese Finger 24 sind mit Rollen 25 ausgestattet, die in Langlöchern 26 rollen, welche an den Innenseiten der kalten Klappen 20 gebildet sind.
Eine dritte Reihe von synchronisierten Zylindern 30 ist zwischen dem vorderen Ende des konischen Rings 4 und dem äußeren zylindrischen Ring 14 des ringförmigen Aufbaus 12 angeordnet.
Jede kalte Klappe 20 weist eine Innenhaut 40, deren vorderes Ende an dem ringförmigen Aufbau 12 angelenkt ist, sowie eine axial von der Innenhaut 40 beabstandete Außenhaut 41 auf. Diese beiden Häute 40 und 41 konvergieren zur Hinterkante 42 hin. Die Innenhaut 40 weist eine Vielzahl von Öffnungen 43 auf, die zu dem Austritt der Düse gerichtet sind. Ferner ist eine Vielzahl von Öffnungen 44 in der Hinterkante 42 ausgeführt.
Wenn die Zylinder 30 zurückgezogen sind, befindet sich die Außenhaut 41 jeder kalten Klappe 20 in der Verlängerung der Außenverkleidung 3. Eine Verbindung 45, die zwischen dem hinteren Ende des zylindrischen Rings 5 und dem hinteren Ende der Außenverkleidung 3 angeordnet ist, gewährleistet die Fließkontinuität des äußeren Stroms zwischen der Außenverkleidung 3 und der Außenhaut 41.
Wenn die Zylinder 30 hingegen ausgefahren sind, wie in 2 dargestellt, sind der ringförmige Aufbau 12 und die kalten Klappen 20 nach hinten verschoben. In dieser Stellung ist die Dichtigkeit im Bereich der Verbindung 45 mit den Außenhäuten 41 der kalten Klappen 20 unterbrochen und es entsteht ein Durchlass zwischen der Verbindung 45 und den Außenhäuten 41.
Dadurch erfolgt ein Schöpfen von Luft 47 hinter den Außenhäuten 41. Diese Quantität Luft 47 gelangt zwischen die Außenhäute 41 und Innenhäute 40 der kalten Klappen 20. Ein Teil 48 dieser Quantität wird an der Hinterkante 42 der kalten Klappen 20 durch die Öffnungen 44 abgeführt, und der andere Teil 49 wird durch die Öffnungen 43 der Innenhäute 40 wieder in den Strom heißer Schubgase der Düse 1 eingeführt.
Diese Quantität frischer Luft 47 ermöglicht es, einerseits die kalten Klappen 20 zu kühlen, und andererseits die Ausstoßtemperatur der Gase zu senken, wodurch die Infrarot-Strahlung des Motors verringert wird. Die Größe der Quantität frischer Luft kann abhängig von der Winkelstellung der kalten Klappen 20 variieren.
6 zeigt die Verbindung der Stangen der Zylinder 11 und 23 mit den Steuerringen 10 und 22. Schwingarme 50 und 51 sind zwischen einer mit dem Zylinderkopf fest verbundenen Spindel 52 und koaxialen, an dem entsprechenden Ring sitzenden Spindeln 53, 54 angeordnet.
Ferner sind die Stangen der Zylinder 11 und die Zylinder 23 durch Wärmeisolationen 55 und 56 vor der Außentemperatur geschützt.
Die ersten Zylinder 11 ermöglichen es, den ersten Steuerring 10 axial zu verschieben, was eine Änderung der Neigung der heißen Klappen 7 zur Achse 2 bewirkt.
Die dritten Zylinder 30 ermöglichen es, den ringförmigen Aufbau 12 und die kalten Klappen 20 gemeinsam axial zu verschieben, ohne die Neigung der Letzteren zu verändern.
Es ist zu bemerken, dass sich die kalten Klappen 20 bei zurückgezogenen Zylindern 30 in der Verlängerung der Außenverkleidung 3 befinden und im Wesentlichen hinter den heißen Klappen 7 angeordnet sind.

Claims

Konvergierende axialsymmetrische Düse für Turbotriebwerke im Flugzeugbau, wobei diese Düse einen konischen Ring (4), der am Endteil des Turbotriebwerks befestigt ist, einen Innenkranz von Klappen, sogenannten heißen Klappen (7), die in der Verlängerung des konischen Rings (4) angeordnet ist, einen Außenkranz von Klappen, sogenannten kalten Klappen (20), die in der Verlängerung eines ringförmigen Aufbaus (12) zwischen dem konischen Ring (4) und einer Außenverkleidung (3) angeordnet ist, aufweist, wobei dieser Außenkranz von kalten Klappen (20) sich nach hinten in Strömungsrichtung der Schubgase über die Außenverkleidung (3) und den Innenkranz von heißen Klappen (7) hinaus erstreckt, und ferner erste Steuermittel (10, 11), die an dem konischen Ring (4) sitzen und dazu bestimmt sind, die heißen Klappen (7) zu betätigen, die mit ihrem vorderen Ende an dem konischen Ring (4) angelenkt sind, und zweite Steuermittel (23, 22), die an dem ringförmigen Aufbau (12) sitzen und dazu bestimmt sind, die kalten Klappen (20) zu betätigen, die mit ihrem vorderen Ende an dem ringförmigen Aufbau (12) angelenkt sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede kalte Klappe (20) eine Innenhaut (40), die an dem ringförmigen Aufbau (12) angelenkt ist und eine Vielzahl von Öffnungen (43) aufweist, und eine Außenhaut (41), die radial von der Innenhaut (40) beabstandet ist, besitzt, wobei diese beiden Häute (40, 41) zur Hinterkante (42) dieser Klappe (20) hin konvergieren, und dass der ringförmige Aufbau (12) unter Einwirkung von dritten Steuermitteln (30) axial bewegbar ist, und zwar zwischen einer ersten Stellung, in der die Außenhäute (41) sich in der Verlängerung der Außenverkleidung (3) befinden, und einer zweiten Stellung, in der die Außenhäute (41) sich hinter der Außenverkleidung (3) befinden und einen Schöpfer bilden, der es ermöglicht, durch die Öffnungen (43) in den Innenhäuten (40) Außenluft in den Schubgasstrom einzuführen, um die Infrarot-Strahlung der Schubgase zu verringern.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hinterkante (42) jeder kalten Klappe (20) komplementäre Öffnungen (44) vorgesehen sind.
Düse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Steuermittel einen ersten, axial bewegbaren Steuerring (10) beinhalten, der durch Schwingarme (9) mit den heißen Klappen (7) verbunden ist und durch eine Vielzahl von ersten Zylindern (11), die an dem konischen Ring (4) verankert sind, betätigt wird.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Steuermittel einen zweiten Steuerring (22) beinhalten, der unter der Einwirkung einer Vielzahl von zweiten Zylindern (23), die an dem ringförmigen Aufbau (12) verankert sind, axial bewegbar ist.
Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerring (22) eine Vielzahl von Fingern (24) mit Rollen (25) aufweist, die in den Langlöchern (26) rollen, welche in den Innenhäuten der kalten Klappen (20) vorgesehen sind.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Ring (4) an seinem vorderen Ende mit einem zylindrischen Ring (5) verbunden ist, der sich nach hinten erstreckt, wobei dieser zylindrische Ring (5) Mittel zur axialen Führung des ringförmigen Aufbaus (12) aufweist, und dass die dritten Steuermittel eine Vielzahl von dritten Zylindern (30) beinhalten, die an dem vorderen Ende des zylindrischen Rings (5) verankert sind.
Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel aus Rollen (16) bestehen, die mit den Rillen (17) zusammenwirken.