SE466665B - Munstycke med sidoriktad dragkraftinstaellning - Google Patents

Description

466 665 snabbt utöva stor dragkraft i flygplanets höjd- och sidled och därigenom åstadkomma ett flygplan med förbättrad manöv- rerbarhet som är relativt oberoende av lufthastigheten.

Flygplanskonstruktörerna önskar, förutom att åstadkomma god manövrerbarhet, optimera driftsegenskaperna, vilket kan åstadkommas genom användning av avgasmunstycken med variabel geometri hos gasturbinmotorn. Ett munstycke med variabel geometri medger att munstyckets hals och utlopp kan föränd- ras i motsvarighet till förändringar av flygtillstândet så- som lufthastighet och höjd. De flesta avgasmunstycken för höghastighetsflygplan använder ett konvergerande-divergerande avgasmunstycke. Konvergerande-divergerande munstycken är väl- kända på området och innebär generellt att avgasmunstyckets tvärsnittsarea minskar i flödesriktningen till ett läge med minimiarea, kallat halsen, och därpå ökar mot munstyckets nedströmsände eller utlopp. Avgasmunstycken utföres ofta varierbara genom användning av ett flertal rörliga mun- styckssektioner eller -delar för att erhålla önskade hals- och utloppsareor. Munstycken med förmåga att reglera stor- leken av hals och utlopp brukar vanligen benämnas varier- bara munstycken. Tvådimensionella konvergerande-divergerande munstycken föredras till följd av den lätthet med vilken de kan åstadkomma manövrering i höjdled med användning av samma inställbara eller varierbara klaffar som utnyttjas för att bibehålla önskade hals- och utloppsareor.

För närvarande använda inställbara munstyckskonstruktioner uppvisar begränsningar med avseende på möjligheten till rik- tad kraftalstring i sidled. Även om höjdledsinställning kan åstadkommas av tvådimensionell klaffmanövrering är det mycket svårt att med en sådan konstruktion påverka egenskaperna i sidled. Föreslagna anordningar för att åstadkomma riktad kraftalstring i sidled hos tvådimensionella munstycken inne- fattar balansrings- eller kardanupphängning av hela mun- stycket eller svängning av delade klaffar på axelsymmetriskt sätt för att bibringa flygplanet ett vridande moment. Sådana 466 665 anordningar uppvisar flera nackdelar såsom begränsad effek- tivitet, stor tyngd och komplexitet till följd av sina inneboende strukturella, kinematiska eller aerodynamiska begränsningar. Mer höggradig svängningsrörelse kan uppnås genom att kombinera klaffar med ett balansringupphängt mun- stycke. Sådana munstycken erfordrar emellertid som regel komplicerade konstruktioner och reglerorgan och är följakt- ligen dyrbara och tunga.

Förutom komplexiteten hos i flera riktningar inställbara dragkraftalstrande munstycken föreligger problem vad gäller att integrera munstycket i flygplanet. Detta inverkar i sin tur menligt på munstyckenas driftegenskaper och även på flygplanets egenskaper. Till följd av ovannämnda problem är det därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma gasturbinmotorer med förbättrade organ för att rikta avgasflödet eller kraftalstringen hos en flygplans- gasturbinmotor.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett mun- stycke för höjdledsinställning försett med organ för sidleds- inställning.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett munstycke med höjdledsinställning med organ för sidleds- inställning som icke signifikant interfererar med eller men- ligt inverkar på flygplanets egenskaper, dess gasturbinmotor eller motorns riktbara munstycke.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett avgasmunstycke med variabel geometri med förmåga till sid- ledsinställning av dragkraften.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett avgasmunstycke med variabel geometri som är inställbart i höjdled och med förmåga till höjd- och sidledsinställning och som är kompakt, har enkel konstruktion och liten vikt. 466 665 4 Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett i höjdled inställbart avgasmunstycke med variabel geome- tri med förmåga till sidledsinställning som enkelt kan inte- greras i ett flygplan.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett i höjdled inställbart avgasmunstycke med tvâdimensionell, konvergerande/divergerande (ZDCD) variabel geometri med möjlig- het till sidledsinställning.

Kortfattad redogörelse för uppfinningen Dessa och andra ändamål uppfylles av en anordning av i kravs 1 ingress angivet slag.

En utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar ett sido- reglerorgan för riktning av dragkraftalstringen hos en gastur- binmotor, ett organ för att uppta sidoreglerorganet i ett väsentligen icke utskjutande läge med avseende på avgasflödet genom munstycket, och ett organ för att ansätta sidoreglerorga- net i vinkel relativt det oriktade flödet i avgasmunstyckets divergerande sektion.

Föreliggande uppfinning innefattar, i enlighet med en utförings- form av denna, ett avgasmunstycke till en gasturbinmotor som medger inställning av motorns dragkraftalstring i sidoriktningen Avgasmunstycket inkluderar avböjningsklaffar som är ansättbara i flödet i en vinkel relativt det icke avböjda strömningsplanet i avgasmunstyckets divergerande sektion.

I enlighet med en mer speciell utföringsform av uppfinningen innefattar denna ett tvådimensionellt konvergerande-divergerande munstycke till en gasturbinmotor som medger variation av stor- leken av avgasmunstyckets halsarea och inställning av motorns dragkraftalstring i höjdled och sidled. Avgasmunstycket inne- fattar ett set övre och nedre konvergerande klaffar som är svär? bart förenade med en fast del till avgasmunstycket och ett set övre och nedre divergerande klaffar, var och en av vilka är an- ordnade nedströms om och svängbart förenade med nedströmsänden till en motsvarande konvergerande 466 665 klaff. Avgasmunstycket inkluderar ett flertal avböjnings- klaffar som är svängbart förenade med motsvarande diverge- rande klaffar och organ för att ansätta avböjningsklaffarna i en vinkel mot det oriktade flödets huvudriktning i avgas- munstyckets divergerande sektion.

Vid en mer speciell utföringsform av uppfinningen är avböj- ningsklaffarna ledförbundna med de divergerande klaffarna i vinkel mot det oriktade flödets huvudriktning utmed de di- vergerande klaffarna, och organet för att svängbart ansätta avböjningsklaffarna innefattar företrädesvis vridbara pâverk- ningsorgan som är anordnade vid de divergerande klaffarnas kalla sida och ett lämpligt länksystem till avböjnings- klaffarna.

Munstycket kan inkludera sidoväggar samt topp- och botten- väggar. Utjämningsklaffar användes för att bibehålla ett jämnt aerodynamiskt flöde vid klaffarnas utsida, och portar eller skärmar för omkastning av kraftriktningen kan före-. komma för att reversera motorns dragkraftalstring.

Kortfattad redogörelse för ritningen Uppfinningen torde bättre förstås av följande beskrivning tillsammans med tillhörande ritning.

Fig. 1 är en schematisk perspektivisk sidovy av en gasturbin- motor som inkluderar ett avgasmunstycke vilket inkorporerar kännetecken för föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är en perspektivisk delvy av det tvådimensionella, konvergerande-divergerande avgasmunstycket inkluderande de konvergerande och divergerande klaffarna samt avböjnings- klaffarna och de vridbara pâverkningsorganen.

Fig. 3 är ett tvärsnitt genom avgasmunstycket till gasturbin- motorn i fig. 1. 466 665 Fig. 4 är en vy bakifrån av den övre divergerande klaffen till avgasmunstycket enligt fig. 2 utvisande ett första organ för att uppta avböjningsklaffarna på ett icke ut- skjutande, aerodynamiskt jämnt sätt.

Beskrivning av föredragen utföringsform I fig. 1 visas en flygplangasturbinmotor 10 med en centrum- linje 11 och inkorporerande ett regler- eller inställbart tvådimensionellt, konvergerande-divergerande avgasmunstycke 22 som är förenat med återstoden av motorn 10 medelst en övergångskanal eller -sektion 20. Ändamålet med övergångs- kanalen 20 är att omvandla motorns avgasflöde från ett som har cirkulärt tvärsnitt, och som ofta brukar benämnas axel- symmetriskt flöde, till ett med rektangulärt tvärsnitt eller ett tvådimensionellt (2D) flöde som därvid medger konstruk- tion och användning av ett mekaniskt enkelt och tillförlit- ligt tvàdimensionellt riktinställningsorgan för munstycket.

Här är det viktigt att ange de definitioner som användes för att beskriva riktningen och referensramen för flödet samt rörelsen hos avgasmunstyckets olika element såsom klaffar, flygplanet och motorn.

Såsom visas i fig. 1 är riktningarna framåt resp. bakåt mot motorns 10 inlopp resp. utlopp, under det att vänster och höger som regel visas som det sätt på vilket en person skulle definiera detta om han befinner sig baktill och tittar framåt. Topp och botten definieras på vanligt sätt såsom över resp. under motorns centrumlinje 11 såsom visas i fig. 1. Endast såsom exempel visas toppklaffenheten 14, bottenklaffenheten 15, den högra sidoväggen 16 och den vänstra sidoväggen 17 såsom exempel på här använd nomenkla- tur för att definiera riktning och referensram. Andra här använda definitioner inkluderar T och B för topp resp. botten och TL för "övre vänstra" ("top left"), TR för "övre högra" ("top right"), BL för ”nedre vänstra" (“bottom left") och BR för “nedre högra" ("bottom right"). w 466 665 Höjdled och sidled användes såsom referensriktningar för munstyckets avgasflöde, angivet av pilar 13 i fig. 1, och flygplanets kraftalstring eller riktning, varvid höjdled generellt hänför sig till en riktning utmed en linje från topp till botten, ofta angiven såsom upp och ned.

Sidoriktningen är vinkelrät mot såväl höjdledsriktningen som motorns centrumlinje 11, dvs i en riktning utmed en linje som löper från vänster till höger eller såsom den ofta benämnes sidledes.

Avgasmunstycket 22 bildar ett utlopp för de avgaser 13 som lämnar motorn 10 i bakâtriktningen relativt vilken i sin tur alstras en dragkraft som framdriver flygplanet (icke visat) vid vilket motorn är anbragt. Avgasmunstycket 22 i fig. 1 visar munstycket i opåverkat läge, och därför sam- manfaller avgasriktningen TO väsentligen med centrumlinjen 11. Även om den föredragna utföringsformen av uppfinningen beskrives såsom tillämpad vid ett tvådimensionellt mun- stycke inses att uppfinningen även kan användas vid andra utföringsformer såsom munstycken med triangulärt eller trapetsformat tvärsnitt.

I fig. 2 och 3 visas ett avgasmunstycke 22 i större detalj samt i höjd- och sidledsinställt läge, vilket munstycke 22 är uppdelat i tre på konventionellt sätt definierade sektio- ner, nämligen den konvergerande sektionen 24, den diverge- rande sektionen 30 och en mellanliggande hals 34. Den kon- vergerande sektionen 24 innefattar en toppvägg 18T och en bottenvägg 18B. Toppväggen 18T och bottenväggen 18B och sidoväggarna 16 och 17 är generellt fasta delar. En “fast del" innebär generellt en del som är statisk eller fixerad på plats relativt en referensyta såsom en flygplansvinges bränsletank eller ett motorhölje. Såsom skall diskuteras nedan erbjuder sådana fasta delar lämpliga monteringsställen, vid vilka svängbara element kan anbringas. 466 665 övre och nedre primära (eller konvergerande) klaffar 26T resp. 26B är svängbart anbragta vid de bakre ändarna till topp- och bottenväggarna 18T medelst övre och nedre primära ledförsedda anbringningsorgan 28T resp. 28B. De primära klaffarna är företrädesvis svängbart inställbara för att medge variationer med avseende på munstyckshalsens 34 stor- lek. Övre och nedre sekundära (eller divergerande) klaffar 32T och 32B är svängbart anbragta vid de bakre ändarna till de övre och nedre primära klaffarna 26T resp. 26B medelst övre och nedre sekundära ledförsedda anbringningsorgan 36T resp. 36B. De sekundära klaffarna är företrädesvis sväng- bart inställbara för att medge variation av storleken av munstycksutloppet samt för att rikta avgasflödet i höjdled.

De ledförsedda anbringningsorganen kan bestå av gångleder eller tappar. Drivkällan kan vara mekanisk, pneumatisk, hydraulisk eller elektrisk. Om en led eller en tapp användes så kan ett eller flera påverkningsorgan användas tillsam- mans med ett mekaniskt länksystem såsom är känt på området och visas i US,A,4.375.276 till vilken här hänvisas. Varje konvergerande och varje divergerande klaff visas i fig. 2 såsom svängbar till valbara lägen oberoende av varje annan konvergerande eller divergerande klaff, vilket sålunda med- ger att munstyckets hals- och utloppsarea kan selektivt varieras till sin storlek och motorns dragkraftalstring regleras eller inställas i önskad vinkel i höjdled.

Såsom visas i fig. 2 och 3 är fyra avböjningsklaffar 70TL, 70TR, 70BL och 70BR, allmänt benämnda avböjningsklaffar 70, svängbart monterade vid sina respektive övre och nedre sekundära klaffar medelst leder 60 eller på något annat lämpligt sätt, så att de kan ansättas i munstyckets avgas- flöde i förutbestämd vinkel relativt avgasflödets riktning TO i fig. 1 eller alternativt T1 i fig. 3 för att därvid alstra en reglerbar dragkraft i sidoriktningen för att åstadkomma en reglerad dragkraft i höjd- och sidled indike- rat av T2 i fig. 2. Riktningen för det oriktade avgasflödet T1 sammanfaller generellt med munstyckets centrumlinje 11n. 466 665 Ett organ för att ansätta var och en av de fyra avböjnings- klaffarna 70 visas i fig. 2 och 3 och innefattar en led 60 som svängbart förbinder avböjningsklaffen 70 med den sekun- dära klaffen 32 i vinkel på den sekundära klaffen relativt avgasflödets riktning eller munstyckets centrumlinje 11n och ett vridbart påverkningsorgan 56 som tillsammans med lämpliga mekaniska länkorgan 58 bildar en relativt enkel och tillförlitlig anordning för att vrida avböjnings- klaffen 70 omkring sin respektive gångledslinje 61 som generellt sammanfaller med leden 60 i figurerna och därvid vrider eller avböjer en del av avgasflödet och riktar drag- kraftalstringen i sidled.

Såsom visas i fig. 2 är varje avböjningsklaff och separat ansättningsorgan en spegelbild av varje annan avböjnings- klaff resp. ansättningsorgan. Detta generellt symmetriska system är särskilt användbart vid flygplan med en enda motor men kan modifieras eller förändras då förhållandena är mer lämpade för sida vid sida anordnade tvâmotoriga flyg- plan såsom F18 eller F14. Detta arrangemang medger att en individuell avböjningsklaff kan ansättas, antingen oberoende av eller tillsammans med en annan klaff, oberoende av läget för endera av de konvergerande eller divergerande klaffarna.

Denna egenskap är speciellt användbar för manövrering av flygplanet genom samtidig reglering av den totala dragkraft- alstringen och dess riktning i vilken som helst kombination i såväl höjdled som sidled. Detta åstadkommes genom samtidig reglering av halsarean 34 och munstyckets utloppsarea, in- ställning av dragkraften i höjdled genom svängning av de sekundära klaffarna 32, och;vid vissa utföringsformer, även de primära klaffarna 26, och/eller inställning av dragkraf- ten i sidled genom ansättning av avböjningsklaffarna 70.

Såsom visas i fig. 4 är ett urtag 80 utformat att uppta av- böjningsklaffen 70 anordnat att omsluta avböjningsklaffen för att åstadkomma en strömlinjeformad, kontinuerlig ström- ningsbana för avgaser över innerytorna till de divergerande 466 665 klaffarna 32T och 32B samt minimera eventuella störningar av avgasflödet från avböjningsklaffarna 70 då dessa icke är ansatta och befinner sig i sitt förvaringsläge. Urtaget 80 som har ett djup som ungefär motsvarar tjockleken av avböjningsklaffen 70 medger därvid omslutning av avböj- ningsklaffen 70 så att den befinner sig generellt i kon- tinuerlig linje med innerytan 80 till den sekundära klaffen 32.

För att bilda en aerodynamiskt ren eller jämn yta för luft- flödet över munstyckets 10, 3a topp och botten användes ut- jämningsorgan 90 med överlappande främre och bakre ström- linjeformade klaffar 96a resp. 96b såsom tydligast framgår av fig. 2 och 3. Varje utjämningsklaff 96a och 96b är gene- rellt anordnad utåt från varje konvergerande och diverge- rande sektion 24 resp. 30 och står med överlappning i in- grepp med denna för att medge variation med avseende på de primära och sekundära klaffarnas lägen, samtidigt som den fortfarande bildar en relativt sett aerodynamiskt jämn yta för luftpassage över och under munstycket 22. Olika organ för att åstadkomma sådan strömlinjeform har visats på områ- det och ett exempel finnes i ovannämnda patent. En av för- delarna med föreliggande uppfinning är att organet som alstrar dragkraft i sidoriktningen är mekaniskt enkelt och strukturellt kompakt och därför lätt täcks av ett sådant aerodynamiskt utjämningsorgan 90 som därvid gör gasturbin- motorn 10 mer effektiv och åstadkommer ett skydd för de olika mekanismerna till dragkraftens höjdinställningsorgan, så att dessa ej behöver utsättas för en potentiellt skadlig luftström av hög hastighet förbi munstycket 22.

Varje avböjningsklaff 70 har företrädesvis en dimension och form som maximerar klaffens 70 avböjningsyta 74 men icke medger att de övre och nedre avböjningsklaffarna över- lappar eller interfererar med varandra vid maximal ansätt- ning i avgasströmmen samt en i förväg eller med beaktande av den aktuella konstruktionen vald minimiöppning mellan _ I) 466 665 11 övre och nedre sekundära klaffar. Följaktligen har, såsom framgår av fig. 2 och 3, avböjningsklaffarna 20 fyrsidig form, dvs med fyra olika stora sidor.

Avgasmunstycket 22 arbetar på följande sätt: Först med hän- visning till fig. 2 är avgasmunstycket 22 utformat såsom ett konventionellt tvådimensionellt konvergerande/divergerande avgasmunstycke med de fyra avböjningsklaffarna 70 likabelägna vad gäller varje klaff relativt motorns centrumlinje 11. Dess- utom är varje avböjningsklaff vinklad utmed en gångledslinje 60 i en vinkel relativt de sekundära klaffarnas centrumlinje 11n som generellt sammanfaller med flödet utmed dess respek- tive sekundära klaff 32. Varje högra eller vänstra par av- böjningsklaffar 70 är uppriktade på samma avstånd från motorns centrumlinje 11 då munstycket 22 uppvisar stignings- vinkeln OO. Vid denna utformning lämnar avgaserna munstycket såsom visas generellt av pilen T i bakåtriktningen parallellt med centrumlinjen 11 i fig. 1. Motorns dragkraftalstring som är riktad motsatt avgasernas flödesriktning, är därför riktad framåt.

Det inses att även om föreliggande uppfinning har beskrivits med avseende på den föredragna utföringsformen så kan den uppvisa en mängd alternativa former vilka samtliga faller inom ramen för uppfinningen.

Claims (7)

466 665 12 Patentkrav

1. Anordning för regler- eller inställbar dragkraftalstring I) för att rikta ett munstyckes (22) avgasflöde (13), k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar: övre och nedre divergerande klaffar (32T, 32B), ett set varandra motsvarande högra och vänstra avböjningsklaffar (70) ledförbundna med var och en av de divergerande klaf- farna (32T, 32B), så att var och en av setets avböjnings- klaffar är vridbar kring en motsvarande linje väsentligen på den divergerande klaffens strömningsyta, varvid mot- svarande linjer på var och en av klaffarna förlöper i vinkel mot varandra, och ett organ (56) för att ansätta avböjningsklaffen i vinkel relativt avgasflödets riktning.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att de högra och vänstra avböjningsklaffarna (70) är anord- nade spegelbildartat relativt varandra.

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v 1/ att avböjningsklaffarna är fyrsidiga. 466 665 13

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v ett tvådimensionellt konvergerade/divergerande munstycke innefattande: övre och nedre konvergerande klaffar (26T, 26B), övre och nedre divergerande klaffar (32T, 32B) som är ledbart förenade med sina respektive konvergerande klaffar, vänster och höger sidoväggar (16, 17) anordnade på utsidan av och generellt vinkelrätt mot och i flödesavtätande och förskjutbart ingrepp med klaffarna, \ åtminstone fyra avböjningsklaffar (70TL, 70TR, 70LB, 70BR), varvid varje avböjningsklaff är monterad på antingen en vänster- eller högerhalva av de divergerande klaffarna (32T, 32B) och så att var och en av de divergerande klaf- farna inkluderar en högra och en vänstra avböjningsklaff, och varvid alla avböjningsklaffarna är ledförbundna med munstycket, så att det är vridbart kring en motsvarande linje väsentligen på flödesytan på dess respektive diver- gerande klaffhalva, varvid de högra och vänstra motsvarande linjerna på var och en av de åtskilda klaffarna förlöper i vinkel mot varandra, samt 466 665 14 ett organ för att ansätta avböjningsklaffen in i flödet, så att klaffens flödesavböjningsyta är riktad mot avgasflödets centrum och i spetsig vinkel mot avgasflödets riktning.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t a v ett organ (26T, 26B) för att variera halsarean.

6. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t a v att de högra och vänstra avböjningsklaffarna (70) är anord- nade epegelbildartat relativt varandra.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t a v att avböjningsklaffarna (70) är fyrsidiga.