NO180424B - Skyvkraft-dirigerende avgassdyse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en avgassdyse for valgvis å variere retningen på utgangen av en avgasstrøm, omfattende en avgasskanal med en oppstrøms inngangsende og en nedstrøms utgangsende, innbefattende et antall klaffer som avgrenser omkretsen av avgasskanalen, der hver klaff er plassert nær to andre klaffer og forløper fra inngangsenden til utgangsenden.

Oppfinnelsen vedrører en aksesymmetrisk skyvkraftrettende avgassdyse spesielt beregnet for et jetfly eller lignende.

Åvgasskanaler med varierbar geometri for luftfartøys gassturbin-motorinstallasjoner benytter ofte et aksesymmetrisk arrangement med overlappende klaff- og tetningselementer for å danne omkretsen av avgasskanalen. Ved å anordne en midtre, tverrgående hengsel i klaff- og tetnings-elementene, har tidligere kjente kanaler oppnådd konvergerende-divergerende arrangementer der kanalen kan utformes til å definere en hals eller innsnevring med variabelt areal. Dette er nødvendig for optimalisert motorydelse, spesielt i høyhastige luftfartøyinstallasjoner som benytter etterbrenn-ing for skyvkraft-forøkelse.

Slike tidligere kjente aksesymmetriske dyser retter avgassen bakover fra luftfartøyet hovedsakelig langs en sentralakse. Visse alternative utforminger foreligger for å forsøke å tilveiebringe et praktisk arrangement for selektivt å avlede avgassen fra denne aksielle senterlinje for å oppnå vektori-sert eller dirigert skyvkraft for å øke luftfartøyets manøvreringsevne. Slike skyvkraft-dirigerende dyseutforminger har vanligvis ikke vært tilpassbare til de ovenfor beskrevne aksesymmetriske dyser og er videre vanligvis begrenset til å omdirigere avgassen i kun ett enkelt plan. En ytterligere ulempe med det tidligere kjente dirigerende munnstykket har vært vektøkningen i aktuatorene og de avgassdirigerende overflater i det bakerste parti av avgasskanalen og luft-fartøyet, som dermed tilføyer ytterligere vekt på det mest uønskede sted av luftfartøyet på grunn av stabilitets- og balansebetraktninger.

En avgassdyse som har de trekk som fremgår av beskrivelses-innledningen er kjent fra dokument DE-A-1964716.

US-A-4128208 viser en konvergent-divergent avgassdyse som omfatter et antall klaffer i et omkretsmessig arrangement. En ring virker via ruller og kambaner og de konvergerende klaffer; ved å bevege ringen i aksialretningen kan dysearea-let varieres. Med denne dyse kan imidlertid avgassens strømningsretning ikke varieres.

GB-A-2230239 ble publisert etter den foreliggende søknads prioritetsdato. Denne publikasjon viser ikke et antall kurveformede lagerspor som bærer unisonringen.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en avgassdyse av den innledningsvis nevnte art som kjennetegnes av de trekk som fremgår av karakteristikken til det etterfølgende selvstendige krav.

Det er således tilveiebragt en skyvkraft-dirigerende avgassdyse for valgvis å dirigere en avgasstrømning fra en gassturbinmotor eller lignende. Dysen er spesielt innrettet for bruk i en aksesymmetrisk konvergerende/divergerende dyseutforming, og kan videre tilpasses til en kamaktivisert konvergerende dyseseksjon der den konvergerende klaffs bakre ende beveger seg aksielt når dysehalsens areal varieres.

Således danner et antall divergerende klaffelementer en dirigerende avgasskanal som blir valgvis posisjonert av en koaksial unison- eller samstemt ring båret av et sfærisk lagerarrangement fra dysens statiske konstruksjon. De divergerende klaffer er hver koplet i sin oppstrøms ende til det nedstrøms parti av den konvergerende dyseseksjon med universalledd, og hver posisjoneres med en belastningsfor-bindelse som forbinder den divergerende klaff til unisonringen.

Et antall aktuatorer posisjonerer unisonringen, og dermed de divergerende klaffer i forhold til dysens sentralakse. Det sfæriske lager som bærer unisonringen tillater vipping eller skråstilling av ringen omkring et senterpunkt som faller sammen med sentralaksen, som dermed sikrer koordinert kollektiv bevegelse av de divergerende klaffer. I en utførelse av dysen, i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, beveger det sfæriske lager seg, innbefattende unisonringen, aksielt for å la de divergerende klaffer bli kollektivt trukket sammen og utvidet radielt med hensyn til gasstrømmen. Den aksielle bevegelse av unisonringen tillater videre at dysen opprettholder divergerende kanalgeometri når den konvergerende dysekonstruksjon beveger seg aksielt. Dysen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig for et luftfartøy å oppnå forøket manøvrerbarhet og styring med få tilleggskomponenter og lite tilleggsvekt sammenlignet med tidligere kjente ikke-skyvkraft-dirigerende munnstykker med variabelt areal.

Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom en dyse i samsvar med

den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser et detaljriss av en konvergerende og divergerende klaff i dysen ifølge fig. 1. Fig. 3 viser et skjematisk riss av en kamaktivisert dyse

innbefattende et aksielt bevegelig sfærisk lager.

Fig. 1 viser et tverrsnitt av den første utførelsen av dysen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse tatt gjennom dysens senterlinje 12. Dysen omfatter en oppstrøms, statisk konstruksjon 14, en konvergerende seksjon 16 og en divergerende seksjon 18 som befinner seg straks nedstrøms av den konvergerende seksjon.

Avgasser 20 som strømmer aksielt bakover entrer den konvergerende seksjon 16 der strømningsarealet kan avta som et resultat av posisjonen til de konvergerende klaffer 24 og mellomliggende tetninger (ikke vist), som dermed danner en minimumsarealhals 22 ved utgangen fra den konvergerende seksjon 16. De konvergerende klaffer 24 som vises i fig. 1 er av arrangementet med "balansert stråle" der hver konvergerende klaff 24 er montert i et sentralt svingepunkt 26 hvor de mange konvergerende klaffer 24 beveges samlet med en konvergerende aktuatorforbindelse delvis ved 28.

Avgasser 20 som utgår fra den konvergerende seksjon 16 entrer den divergerende seksjon 18 som, i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, utgjøres av et antall divergerende klaffelementer 30 anordnet hovedsakelig omkretsmessig omkring senterlinjen 12 og valgvis omformbart for slik å definere en skyvkraft-dirigerende avgasskanal som vil bli beskrevet nedenfor. Hvert klaffelement 30 er forbundet i sin oppstrøms ende til nedstrømsenden av en korresponderende konvergerende klaff med et universalledd 32. Universalleddet 32 tillater at hver klaff 30 kan svinges radielt innad og utad med hensyn til senterlinjen 12, samt at omkretsen (ved 32) kan for-flyttes. Den bakre enden av hver klaff 30 bæres av en belastnings-leddarm 34 som er forbundet i en ende til et nedstrøms parti av den korresponderende klaff 30 og i den andre enden til en unisonring 36 som er plassert hovedsakelig koaksielt med hensyn til dysens senterlinje 12.

Unisonringen 36 bæres av et sfærisk lager, betegnet generelt 38, som i sin tur utgjøres av et antall krumme lagerspor eller baner 40, som er fordelt omkretsmessig omkring dysens senterlinje og båret av dysens statiske konstruksjon 14. Det sfæriske lager 38 tillater at unisonringen 36 kan svinge omkring et fast senterpunkt 42 som befinner seg på dysens senterlinje 12 som vist. Unisonringen 36 skråstilles eller skyves av et antall aktuatorer 45 montert på den statiske konstruksjon 14. Minst tre aktuatorer 45 er nødvendig for å oppnå full gire- og pitchdirigering. Et større antall aktuatorer, slik som 5,6 osv. kan benyttes for å redusere størrelsen på hver individuelle aktuator mens den hele dyse-skyvkraftdirigerende evne opprettholdes.

Driften av dysen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse skulle nå være tydelig. Under normal udirigert skyvkraft er unisonringen 36 plassert konsentrisk og innrettet med hensyn til dysens senterlinje 12 og de divergerende klaffer 30 er aksesymmetrisk med hensyn til disse. Når skyvkraftvektori-serende drift er ønsket, skyver aktuatorer 45 unisonringen 36 ved å vippe den omkring det faste senterpunkt 42. Når en del av unisonringen 36 føres fremad og den andre beveges bakover, dvs. skråstilling av ringen 36, dreies korresponderende klaffer forbundet med disse deler radielt utad eller innad med hensyn til senterlinjen 12. Den omformede divergerende kanal omdirigerer dermed avgasstrømmen ved en vinkel med hensyn til dysens senterlinje som dermed endrer resultant-skyvkraften for flyskroget (ikke vist). Ettersom unisonringen 36 kan vippes eller dreies omkring enhver akse som kan passere gjennom det faste senterpunkt 42, kan giring, pitching eller enhver kombinasjon av gir- og pitchskyvkraft dirigering oppnås.

Ved omhyggelig å integrere det gire- og pitchskyvkraftdiri-gerende munnstykket i samsvar med den foreliggende oppfinnelse med stillings- og stabilitetsstyresystemene for jetfly med høy ytelse, kan den foreliggende oppfinnelse oppnå forøket manøvrerbarhet og stabilitet, særlig ved reduserte hastigheter der ordinære fly-styreflater kan erfare luft-strømningsseparasjon og reduksjon i den tilhørende styre-kraft. Videre kan bruken av en slik dyse for å trimme fartøyet, istedenfor å bruke trimbrett betydelig redusere luftfartøymotstanden. Utformingen av et luftfartøy fra starten av til å inneha skyvkraft-dirigering i alle ret-ninger, kan medføre betraktelig mindre horisontale og vertikale stabilisatorer med betraktelige reduksjoner i luftfartøyprofilet og friksjonsmotstanden.

Fig. 2 viser et detaljert riss av en del av unisonringen 36, en enkelt konvergerende klaff 24 og en divergerende klaff 30. Krumme lagerspor eller skinner 40 er vist festet til den statiske konstruksjon 14 opptar en tralle 44 med ruller 46. Trallen 44 er festet til unisonringen 36 og bærer ringen når den vipper med hensyn til det faste senterpunkt 42 (ikke vist i fig. 2). Også vist i fig. 2 er en mellomliggende leddforbindelse 48 som orienterer den divergerende klaff 30 omkretsmessig når unisonringen 36 beveges. Den mellomliggende leddforbindelse 48 består av første og andre ledd 50,52 hengslet forbundet til trallen 44 ved 54 og til hverandre ved 56. Hengslene 54,56 er ikke universalledd og tillater derfor relativ bevegelse mellom de hengslede komponenter 44,50 og 52 i kun ett enkelt virkeplan. Dermed begrenses bevegelsen av leddforbindelsene 50 og 52 i ett enkelt plan definert som vinkelrett til aksen som forbinder rullene 46 på rulleelementet 44. Rullene 46 er innrettet lokalt med unisonringen 36 som dermed bevirker at klaffene 30 plasseres ikke bare radielt innad og utad i kraft av virkningen av belastnings-forbindelsen 34, men også omkretsmessig (ved 32) ved hjelp av den mellomliggende leddforbindelse 48.

Funksjonen av den mellomliggende leddforbindelse 48 er best forståelig ved henvisning til en skyvkraft-dirigerende orientering av den divergerende kanal 18 der de øvre og nedre deler av unisonringen 36 forskyves respektivt forover og bakover. De opprinnelig vinkelrette partier som befinner seg på tvers av unisonringen 36, blir således skråstilt med hensyn til dysens senterlinje 12 og forårsaker, som beskrevet ovenfor, at trallen 44 festet til denne lokalt likeledes blir skråstilt. Skråstilling av trallen 44 forårsaker at den mellomliggende leddforbindelse 48 skrår med hensyn til senterlinjen som dermed tvinger den korresponderende tilfestede divergerende klaff 30 til å bli dreid omkretsmessig omkring sitt oppstrøms universalledd 32.

Den tilhørende divergerende klaff 30 svinges dermed oppad med hensyn til senterlinjen 12 mens den ikke beveger seg radielt innad eller utad med hensyn til senterlinjen. Funksjonen av den mellomliggende leddforbindelse 48 er derfor å tilveiebringe positiv omkretsmessig orientering av de individuelle klaffelementer 30 når den divergerende kanal 18 omformes for slik å omdirigere avgassene 20 som passerer gjennom. Uten en slik mellomliggende leddforbindelse 48 er den omkretsmessige orientering av de divergerende klaffer 30 ubestemt og kan derfor resultere i vibrasjon, gaping eller annen uønsket uoppretthet.

Fig. 3 viser et parti av en alternativ utførelse der det krumme spor 40 er montert i en aksielt bevegelig bærer 60 som støttes av en rett lagerflate 62 på den statiske konstruksjon 14. Ved å bevege bæreren 50 og det bøyde spor 40 aksielt bakover, dreier dysen i samsvar med den alternative utfør-elsen kollektivt klaffene 30 mot senterlinjen 12, som dermed minsker dysens utgangsstrømningsareal og den divergerende ekspansjonsvinkel i den divergerende seksjon 18.

Den aksielt bevegelige bærerkonstruksjon ifølge fig. 3 tillater også at dysen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse funksjonerer med en kamaktivisert eller sporet konvergerende seksjon der de bakre kanter av de individuelle klaffer 24 beveger seg aksielt når halsarealet varieres. Det skal forstås at det bøyde spor 40 fortsetter å bære unisonringen 36 via rullene 46 og rulleelementet 44. Det skal videre bemerkes at den mellomliggende forbindelse 48 funsjonerer like godt med det bevegelige unisonring-arrangement ifølge fig. 3, som posisjonerer de individuelle klaffer 30 når ringen 36 skråstilles i forhold til senterlinjen 12.

Det er spesielt relevant at den skyvkraftdirigerende manøvrering ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnås med et minimum av tilleggsutstyr og modifikasjon i forhold til eksisterende konvergerende/divergerende aksesymmetriske dyser. Faktisk er konstruksjonen av dysen hovedsakelig identisk med tidligere teknikk bortsett fra konstruksjonen nedstrøms av den bakre kant av de konvergerende klaffer 24, der universalledd for å bære de divergerende klaffer 30 må benyttes for å tillate at den divergerende seksjon omformes i et ikke-aksesymmetrisk arrangement. Det sfæriske lager, innbefattende det bøyde lagerspor, de mellomliggende leddforbindelser og unisonringen og tilhørende aktuatorer, er massen til tilleggsutstyret som kreves. Universalledd benyttes i endene av hver posisjonerende leddforbindelse 34 for å bli skråstilt etterhvert som den divergerende kanal omformes for å avlede de utgående avgasser 20.

De bøyde lagerspor 40 øker videre nøyaktigheten ved posisjon-ering av de individuelle klaffer 30 ved å bære unisonringen ved flere steder omkring dens omkrets, som dermed sikrer at hvert parti av ringen 36 ligger i et riktig plan som går gjennom senterpunktet 42. Den mellomliggende leddforbindelse 60 opprettholder jevn avstand mellom tilstøtende klaffer

som dermed forhindrer overlapping eller adskillelse av klaffelementene når dysekanalen 18 omformes.

Visse dyseutforminger kan benytte et antall tetningselementer (ikke vist) anordnet mellom tilstøtende divergerende klaffer 30 for overlapping og tetning mellom disse. Slike tetninger blir vanligvis festet i sin oppstrømsende til tilsvarende tetninger i den divergerende seksjon 16 og bæres i forhold til nedstrømspartiene av de divergerende klaffer med klammere på utsiden og av avgasstrykket på den innvendige overflate. Slike tetningselementer kan innbefatte sentreringsmidler for å posisjonere hver tetning i forhold til tilstøtende klaffer 30. Imidlertid funksjonerer de mellomliggende leddforbindelser 48 ifølge den foreliggende oppfinnelse fortsatt til å posisjonere de individuelle klaffer mellom hvilke tetningselementer befinner seg.

Den foreliggende oppfinnelse er således godt egnet for å tilveiebringe et enkelt, skyvkraftdirigerende aksesymmetrisk dysearrangement med lav vekt, som er lett å tilpasse nåværende og fremtidige gassturbindrevne flyskrog.

Claims (8)

1. Avgassdyse for valgvis å variere retningen på utgangen av en avgasstrøm (20), omfattende en avgasskanal med en oppstrøms inngangsende og en nedstrøms utgangsende, innbefattende et antall klaffer (30) som avgrenser omkretsen av avgasskanalen, der hver klaff (30) er plassert nær to andre klaffer (30) og forløper fra inngangsenden til utgangsenden, karakterisert ved at hver klaff (30) er festet i sin oppstrømsende til et bærende universalledd (32), innretninger (45,36,34) plassert mellom en oppstrøms statisk konstruksjon (14) og hver klaff (30), for valgvis posisjon-ering av klaffen i forhold til det korresponderende universalledd (32), der posisjoneringsinnretningene (45,36,34) videre innbefatter en unisonring (36), plassert hovedsakelig koaksielt med hensyn til avgasskanalen, et antall langstrakte belastningsledd (34), der hvert belastningsledd (34) er festet i sin ene ende til unisonringen (36) og i sin andre ende til en klaff (30), og innretninger (45) for å orientere unisonringen i forhold til dyse-senterlinjen (12), hvor unisonringen (36) bæres av et antall krumme lagerspor (40) båret av den statiske konstruksjon (14), der lagersporene (40) er fordelt omkring omkretsen av unisonringen (36) og hvert spor (40) er utformet til å beskrive en krum bane med hensyn til unisonringens senterpunkt (42).

2. Avgassdyse ifølge krav 1,karakterisert ved at unisonringen (36) bæres i lagersporene (40) av et antall ruller (46), der hver rulle (46) er opptatt i et individuelt krummet lagerspor (40).

3. Avgassdyse ifølge krav 1,karakterisert ved at den omfatter et antall mellomliggende leddforbindelser (48), der hver mellomliggende leddforbindelse (48) forløper mellom unisonringen (36) og en klaff (30), der hver leddforbindelse (48) videre omfatter et første ledd (50) hengslet festet til unisonringen (36) og dreibart med hensyn til denne kun i et plan som går gjennom unisonringens (36) senterpunkt, et andre ledd (52) hengslet forbundet til det første ledd (50) motsatt av unisonringen (36), hvilket andre ledd (52) er dreibart kun i dreieplanet som definert mellom det første ledd (50) og unisonringen (36), og at det andre ledd (52) er festet til den korresponderende klaff (30) i en ende motsatt av dens hengslede forbindelse med det første ledd (50).

4. Avgassdyse ifølge krav 3, karakterisert ved at hvert første ledd (50) i hver mellomliggende leddforbindelse (48) er plassert mellom to tilstøtende ruller (46) og båret av disse, der hver av rullene (46) videre er opptatt i et motsvarende krummet lagerspor (40).

5. Avgassdyse ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at den omfatter bæreinnretninger (60) som bærer de krumme lagerspor (40) og er aksielt bevegelige for å bevege jevnt de krummede lagerspor (40) og variere dysehalsens areal.

6. Avgassdyse ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at den omfatter et antall tetningselementer, hvert tetningselement er plassert mellom tilstøtende klaffer (30) for overlapping og tetning mellom disse.

7. Avgassdyse ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at antallet klaffer (30) danner omkretsen av et divergerende parti (18) av dysen, hver klaff (30) er forbundet i sin oppstrømsende til nedstrømsenden av en motsvarende konvergerende klaff (24) i et konvergerende parti (16) av dysen med universalleddet (32), som dermed danner en konvergent-divergent dyseutforming.

8. Avgassdyse ifølge krav 6 og 7, karakterisert ved at hvert tetningselement er festet i sin oppstrøms-ende til et korresponderende tetningselement i det konvergerende parti (16).