DE958705C - Einrichtung zur Regelung des Schubduesenquerschnittes von Strahltriebwerken - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 21. FEBRUAR 1957

N 5946Ia/46 g

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstellen der wirksamen Auslassöffnung des Auspuffes eines Strahltriebwerkes, wobei die wirksame Auslaßöffnung je nach der Temperator des Auspuffsystems verändert wird.

Ein Strahltriebwerk kann beispielsweise folgende Teile aufweisen: einen, oder mehrere Kompressoren, mindestens eine Verbrennungskammer, der die Luft vom Kompressor zugeführt wird, mindestens eine durch die sich ausdehnenden Verbrenniungsgase angetriebene Gasturbine, die wiederum mindestens einen Kompressor antreibt, ferner häufig eine zweite Verbrennungskammer, in welche zusätzlich Treibstoff zum »Nach-Brennen« eingespritzt wird, und schließlich eine Düsenanordnung, um die Gase in Form eines Rückstoßstrahls ausströmen zu lassen.

Wenn hohe Leistungen erforderlich sind, wie z. B. beim Starten, Steigen oder bei hohen Geschwindigkeiten von Flugzeugen, kann zusätzlicher Treibstoff verbrannt werden. Wenn der Querschnitt der Auslaßdüse hierbei nicht sofort vergrößert wird, bewirkt diese Steigerung der Wärmeerzeugung eine Vergrößerung des Rückdrucfcs auf die

Turbine und eine Verminderung der Turbinen- und Kompressorgeschwindigkeit, so daß der erforderliche Schub nicht mehr vorhanden ist.

Wenn der statische Auispuffdruck eines Strahltriebwerkes ein Unterdruck wäre, so würde in ähnlicher Weise der Rückdruck auf das Strahltriebwerk durch Vergrößerung der Auslaßöffnung im Verhältnis zum Auspuffkanal oder -rohr herabgesetzt.

ίο Die Notwendigkeit, eine Einrichtung vorzusehen, die schnell und automatisch arbeitet, wenn eine Veränderung der Auslaßöffnung erforderlich ist, wurde schon frühzeitig beim Bau von Strahltriebwerken erkannt.

Die bekannten Einrichtungen, zur Veränderung der Auslaßöffnungen weisen schwenkbare Klappen auf, die über komplizierte Steuersysteme gegebenenfalls automatisch gesteuert werden können. Die Steuerung erfolgt in manchen Fällen durch ein ao Druckmedium und in anderen Fällen mechanisch. Infolge ihres komplizierten Aufbaues geben diese bekannten. Einrichtungen häufig zu Betriebsstörungen Anlaß. Ferner ist es> bekannt, die Erwärmung eines Auspuffrohres zum öffnen und. Schließen as eines Spaltes auszunützen, der bei kaltem Auspuffrohr offen, bei erwärmtem Auspuffrohr ganz geschlossen, ist, wodurch das Anlassen und Beschleunigen durch. einen möglichst geringen Überdruck im Auspuff erleichtert werden soll. Eine derartige Anordnung kann jedoch nicht als eine Steuerung im eigentlichen Sinne betrachtet werden, insbesondere auch deswegen nicht, weil bei erwärmtem Auspuffrohr im Betrieb nunmehr der Spalt ständig ganz geschlossen ist. Ganz allgemein kann festgestellt werden, daß es überaus schwierig ist, Steuersysteme zu verwirklichen, die bei den hohen, bei Strahltriebwerken auftretenden Temperaturen einwandfrei arbeiten, und um die gewünschte Wirkung zu erzielen, sollte sich die Auslaßöffnung vor- ' zugsweise entsprechend der Quadratwurzel der absoluten Gastemperatur vergrößern. Da z. B. die erforderliche Zunahme in der Auslaßöffnung von dem Temperaturanstieg des brennenden Treibstoffs und andererseits von dem Temperaturanstieg in dem Auspuffkanal oder -rohr abhängt, so folgt daraus, daß die Ausdehnung des Auspuffrohrs infolge Temperaturanstiegs eine Bewegung ergibt, die mit großem Vorteil ausgenutzt werden kann, um eine Bewegung auf Elemente direkt zu übertragen, die am Auspuffkanal angeordnet und beweglich sind, um so die wirksame Auspufföffnung zu verändern.

Gemäß der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß im Abstand von einem gegebenenfalls rohrförmigen, von den Auspuffgasen durchströmten Auispuffstück ein von den Auspuffgasen weniger als das Auspuff teil thermisch beeinflußtes Außenstück angeordnet ist und daß zwischen den rückwärtigen Enden der Auspuff- und Außenstücke mindestens ein mit diesen Stücken gelenkig verbundenes Steuerelement vorgesehen ist, an dem ein vorzugsweise klappenartiges Abdeckstück mit seinem der Abgasnußrichtung zugewandten Ende starr so befestigt ist, daß beim Schwenken des Steuerelementes das Abdeckstück quer zur Längsachse zur Verstellung der wirksamen Auslaßöffnung des Auspuffes schwenkbar ist. Durch diese Anordnung der Steuerung werden die Nachteile der komplizierten bekannten Steuereinrichtungen vermieden, und bei der Einfachheit der Konstruktion gemäß der Erfindung und der hohen, durch die Ausdehnung erzeugten Kräfte ward ein einwandfreies Arbeiten erreicht.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die rückwärtigen Teile des Auspuffstücks und des Außenstücks einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und wenn zwei Abdeckstücke von im wesentlichen gleicher Größe und mit im wesentlichen parallelen Schwenkadhsen vorgesehen sind.

Zweckmäßig wird die Anordnung so getroffen, daß rückwärtige Teile des Auspuffstücks und des Äußenstücks einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und daß mindestens vier Abdeckstücke in im wesentlichen gleichem Abstand voneinander um die Auspufföffnung herum angeordnet sind.

Günstig ist es, wenn mindestens zwei Abdeckstücke durch die Relativbewegung des AuBpuffstücks und des Außenstücks schwenkbar sind und wenn die übrigen Abdeckstücke mit Hilfe der vorgenannten betätigbaren Abdeckstücke schwenkbar sind.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn zwischen Auspuffstück und Außenstück ein Isolator aus einem schlecht wärmeleitenden Material vorgesehen ist.

Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. ι eine teilweise aufgebrochene Teilansicht eines ersten Ausiführungsbeispiels, Fig. 2 einen Teillängsschnitt der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, wobei die Außenhülle weggelassen ist,

Fig. 4 eine halbe Rückansicht von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, gesehen von rechts nach links in Fig. i,

Fig. 5 eine Rückansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 einen Schnitt nach Linie 6-6 der Fig¹. 5. Im folgenden wird das in Fig. 1 bis 4 gezeigte Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Teil eines Auspuffrohrs üblicher Art. Dieses Auspuffrohr ist mit einem Durchgangsrohr 11 verbunden, durch das Gase zu der erfmdungiSgemäßen Einrichtung (30, 37 usw.) fließen, mit der die wirksame Auslaßöffnung verändert werden kann.

Das Durchgangsrohr weist .an seinem vorderen Teil 12 einen kreisförmigen Querschnitt auf, der in einen rückwärtigen Teil 13 mit rechteckigem Querschnitt übergeht. Der vordere kreisförmige Rohrteil ist am Innenwand eines Ringes 14 befestigt, der iseinerseits an einer senkrecht zur Achse liegenden· Außenfläche einer Ringscheibe 45 befestigt ist. Die Ringscheibe 45 ist mit dem Auspuff rohr 10 durch Schrauben 15 verbunden, die so-

wohl die Ringscheibe 45 als auch einen Flansch 46 des Auspuffrohrs ίο durchsetzen. Am rückwärtigen Teil 13 des Durchgangsrohrs 11 ist nahe seinem rückwärtigen Ende ein rechteckiger Rahmen 17 befestigt. Das Material dieses Rahmens 17 wird vorzugsweise so gewählt, daß es etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material des Du.rchgang'srohrs.

Das Durchgangsrohr.il ist in einem gewissen Abstand von einer Außenihüll© 19 umgeben, die ebenfalls vorn einen kreisförmigen und hinten einen rechteckigen Querschnitt aufweist. An der Außenfläche des Durchgangsrohirs 11 ist ein Wärmeisolator 18 befestigt, um den Durchgang von Wärme durch die Wand des Durohgangsrohrs 11 an die Außenhülle 19 möglichst zu verhindern. Um den rechteckigen Teil der Außenhülle 19 sind an seinem Ende winkelförmige Elemente 43 zur Erhöhung der Festigkeit angeordnet.

Wie die Figuren zeigen, besteht die Außenhülle 19 aus zwei sich ergänzenden Hälften 20 und 21 mit Flanschen, 22, die durch Sahrauben 23 miteinander verbunden sind, wodurch der Zusammenbau und die Zugänglichkeit erleichtert wird.

as An den vorderen Enden der Hälften 20 und 21 sind zwei Halbringe 25 befestigt, die die Außenhülle 15 in Betriebsstellung festhalten und mittels Schrauben 26 an der Ringscheibe 45 befestigt sind. Die Halbringe liegen vorzugsweise an Zwischenscheiben 27 an, so daß die Außenhülle 19 in bezug auf das Auspuffrohr innerhalb eines gewissen Bereichs längs verstellbar ist.

Vom rechteckigen Teil des Durchgangsrohrs 11 gehen Elemente oder Wände 29 nach rückwärts, die parallele, ebene Oberflächen aufweisen und eine Fortsetzung der Wände des rechteckigen Teils des Durchgangsrohrs bilden.

Wie aus Fig. 3 deutlich erkennbar, weisen die Wände 29 Flansche 33 auf, die außen am Rahmen 17 anliegen und an diesem mit Schrauben 34 befestigt sind. Die Wände 29 sind durch Rippen 44 verstärkt.

Um die praktische Auslaßöffnung des Auspuffkanals selbsttätig zu verändern, ist eine am besten aus den Fig. 2 und 4 erkennbare Einrichtung vorgesehen, die zwei Metallklappen 30 aufweist.

Um durch Temperaturänderungen verursachte Formveränderungen zu unterbinden, weisen die Klappen 30 eine innere Oberfläche auf, die an ihrem vorderen Ende eben und an ihrem rückwärtigen Ende in Querrichtung gekrümmt ist, und die hinteren und seitlichen Kanten der Klappen enden vorzugsweise in geschwungene Lippen 32, wie dies am besten aus Fig. 2 und 4 ersichtlich ist. Die Klappen 30 sind so ausgebildet, daß ihre Seitenkanten einen kleinen Winkel mit den Wänden 29 bilden, wie dies aus Fig. 4 zu ersehen ist.

Die Klappen 30 sind so befestigt, daß sie um ihre vorderen Enden schwenkbar sind, wobei die Größe der Schwenkung eine Funktion der Temperatur der Auspuffgase ist, da die Temperaturunterschiede der letzteren eine unterschiedliche Ausdehnung und Zusammenziehung des Auspuffrohrs 11 und der Außenhülle 19 bewirken. Die Schwenkung der Klappen geht dabei wie folgt vor sich.

Mit jeder Klappe 30 ist eine Leiste 37 starr verbunden, die die vordere Kante der Klappe in Querrichtung überragt und an der Schwenkbolzen 38 und 39 von kreisförmigem Querschnitt angeordnet sind, die sich in Längsrichtung der Leiste erstrecken und deren obere und untere Kanten bilden. Die Schwenkbolzen 38 und 39 sind parallel zueinander vorgesehen. Der Rahmen 17 weist eine Vertiefung von halbkreisförmigem Querschnitt für die Aufnahme des Schwenkbolzens 39 auf; eine an der Außenhülle 19 befestigte Lagerschiene 40 ist ebenfalls mit einer Ausnehmung von halbkreisförmigem Querschnitt zur Aufnahme des oberen Schwenkbolzens 38 versehen. An der Außenfläche der Klappen 30 sind Verstärkungsrippen 42 angeordnet. §0

Mit dem Steigen oder Fallen der Gastemperatur dehnt sich das Auspuffrohr 11 oder zieht sich zusammen. Die Außenhülle 19 dehnt sich ebenfalls aus oder zieht sich zusammen, doch ist ihre Temperatur wesentlich niedriger als die des Auspuffrohrs, so daß ihre Dehn- bzw. Zusammenziehungsbewegungen wesentlich geringer sind. Die Ausdehnung und Zusammenziehung der beiden Rohre 11 und 19 erfolgt sowohl in Längsrichtung (axial) als auch in Querrichtung (radial). Bei einem beträchtlichen Temperaturanstieg der Auspuffgase dehnen sich die Außenhülle 19 und das Auspuffrohr 11 radial und axial aus, wodurch sich die Lagerschiene 40 und der Rahmen 17 gemäß Fig. 2 nach aufwärts und nach rechts zu bewegen. Die Bewegung des Rahmens 17 wird jedoch größer sein als die der Schiene 40, da die letztere von der Außenhülle 19 getragen wird, die gegen die volle Wärme der Auspuffgase teilweise abgeschirmt ist. Durch diese Relativbewegungen wird die Leiste 37 gemäß Fig. 2 entgegen dem Uhrzeigersinn geschwenkt, so daß die Klappe 30 ebenfalls um ihre innere Kante geschwenkt wird, wodurch die wirksame Auslaßöffnung des Auspuffrohrs 11 vergrößert wird. In gleicher Weise werden bei einer bestimmten unterschiedlichen Zusammenziehung des Auspuffrohrs 11 und der Außenhülle 19 die Klappen 30 um einen bestimmten Winkel geschwenkt, wodurch die wirksame Auslaßöffnung verringert wird. Der Winkel, um den die Klappen 30 durch die unterschiedliche no Ausdehnung und Zusammenziehung des Auspuffrohrs 11 und der Außenhülle 19 geschwenkt werden, ist von der Entfernung zwischen den Achsen der Schwenkbolzen 38 und 39 abhängig. Je kleiner die Entfernung zwischen den beiden Schwenkbolzen ist, desto größer ist der Schwenkwinkel der Klappen bei einem bestimmten Unterschied der Ausdehnung des Auspuffrohrs Ii und der-Außenhülle 19, und umgekehrt. Die Winkelstellung der Klappen 30 kann dadurch eingestellt werden, daß die Außenhülle 19 in Längsrichtung relativ zum Aus-, puffrohr 11 durch Änderung der Zahl der Zwischenscheiben 27 verändert wird. Wenn also die Außenhülle aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung gegen die Vorderseite des Strahltriebwerks zu verschoben wird, so wird die wirksame Auslaßöffnung größer.

Fig. 5 und 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine beträchtlich größere Zahl einstellbarer Klappen vorgesehen ist, um die wirksame Auslaßöffnung zu verändern. Hier sind ein Rohr ττ_Α und eine Außenhülle ΐα_Λ von über ihre ganze Länge hin kreisförmigem Querschnitt vorgesehen. Wie aus Fig. S deutlich erkennbar, wird eine große Zahl sich überlappender oder zusammenwirkender Klappen 3ö_A und 3o_ß

ίο vorgesehen, die zum Teil (Triebklappen 30_A) durch die wechselnde Ausdehnung und Zusammenziehung der Rohre n_A und der Außenhüllen IQ₄ formschlüssig betätigt oder um einen Winkel geschwenkt werden können und zum Teil (Leerklappen 3Q₅) lose schwenkbar angeordnet sind und mit den Innenflächen der Klappen 3Ο_Λ im Eingriff stehen. Dabei wird der größte Schwenkwinkel der Leerklappen durch ihren Eingriff in die Triebklappen 3O_A bestimmt. Jede Klappe 3o_A hat an ihrem inneren

Ende wie die Elemente 30 der Fig. 1 bis 4 eine in Querrichtung herausragende Leiste 2>7a>. die mit Schwenkbolzen 3α_Λ und 384 versehen ist. Die Schwenkbolzen 3Q_A und 38_A lagern in halbkreisförmigen Aussparungen des Rahmens τγ_Α und in

Schienen 4O_A, die von der Außenhülle 194 gehalten werden (s. Fig. 6). Zur Versteifung können die Elemente 3O_A und 3o_ß mit Rippen ähnlich den in Fig. 2 dargestellten und mit 42 bezeichneten Rippen versehen werden.

Die Klappen 3o_A und 30_ß haben eine in Längsrichtung gekrümmte Oberfläche, wie aus Fig. 6 erkennbar. Die Triebklappen 30_A-werden durch die Bewegung der Schwenkbolzen 38_A und 39^ geschwenkt, die ihrerseits infolge der unterschiedliehen Zusammenziehung und Ausdehnung des Auspuffrohrs 1 i_A und der Außenhülle I9_A relativ zueinander verschoben werden. Während Fig. S acht Klappenelemente zeigt, ist offenbar, daß die Konstruktion gemäß der Erfindung eine kleinere Anzahl (z. B. vier) entsprechend größere Klappen oder eine größere Anzahl (z. B. zwölf) entsprechend kleinere Klappen aufweisen kann.

Unter gewissen Bedingungen, beispielsweise bei· einem Flug in großen Höhen, können durch die

hohe Temperatur der Auspuffgase die Klappen so weit geschwenkt werden, daß die wirksame AuspufFöffnung größer als gewünscht wird. Es ist daher erwünscht, Mittel vorzusehen, um die Größe der Klappenöffnung zu beeinflussen. Eine ent-

sprechende Verkleinerung der Auslaßöffnung könnte gegebenenfalls mit Hilfe eines steuerbaren Kühlmittelflusses bewirkt werden. Für das Anlassen eines Reaktors an sich würde selbstverständlich kein Kühlmittel gebraucht, da gerade dabei eine rasche Vergrößerung der Auslaßöffnung erwünscht ist. Um die Auslaßöffnung möglichst schnell zu verstellen, können die heißen Auspuffgase durch verschiedene an sich bekannte Mittel so gelenkt werden, daß sie ganz in der Nähe des Auspuffrohres vorbeiführen und dadurch eine raschere Ausdehnung des Rohres bewirken.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung des Schubdüsenquerschnitts von Strahltriebwerken, bei der der Schubdüsenquerschnitt durch die Unterschiede der Wärmedehnung zweier verschieden temperierter Bauteile, von denen eines vom Treibgasstrahl beheizt wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des Treibgasstrahles verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den rückwärtigen Enden des das Treibgas führenden Rohres und eines von den Treibgasen weniger beeinflußten Außenstückes mindestens ein mit diesen beiden Teilen gelenkig verbundenes Steuerelement angeordnet ist, an dem ein vorzugsweise klappenartiges Abdeckstück mit seinem der Treibgasstrahlrichtung zugewandten Ende starr so befestigt ist, daß beim Schwenken des Steuerelementes das Abdeckstück quer zur Längsachse zur Verstellung des wirksamen Schubdüsenquerschnittes schwenkbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtigen Teile des Auspuffstückes und des Außenstückes einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und daß zwei Abdeckstücke von im wesentlichen gleicher Größe und mit im wesentlichen parallelen Schwenkachsen vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rückwärtige Teile des Auspuffstückes und des Außenstückes einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und daß mindestens vier Abdeckstücke in im wesentlichen gleichem Abstand voneinander um die Auspufföffnung herum angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Abdeckstücke durch die Relativbewegung des Auspuffstückes und des Außenstückes schwenkbar sind und daß die übrigen Abdeckstücke mit Hilfe der vorgenannten betätigbaren Abdeckstücke schwenkbar sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auspuffstück und Außenstück ein Isolator aus einem schlecht wärmeleitenden Material vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 840461, 810564; französische Patentschriften Nr. 924 283,
932057;

britische Patentschrift Nr. 617 173.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©509600/227 12.55 (609802 2.57)