DE1078877B - Querschnittsveraenderliche Duese - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine querschnittsveränderliche Düsenmündung, insbesondere Mündungen zur Benutzung bei mäßigen Temperaturen, wie die Strahldüsen von Strahltriebwerken.

Verschiedene Formen von querschnittsveränderlichen Mündungen sind bereits zur Verwendung in Strahldüsen mit hohen Temperaturen, z. B. von 1200° C, vorgeschlagen worden. Diese Mündungen müssen notwendigerweise ziemlich ausführlich bearbeitet werden und sind schwer zu bauen. Daher besteht ein Bedürfnis für variable Mundstücke von einfacher Konstruktion, welche wenigstens bei niedrigen Temperaturen, z. B. bei 750° C, arbeiten. Dieses Bedürfnis, das von der Erfindung erfüllt werden soll, entsteht bei der Entwicklung einer Strahlmaschine, die mit nahezu konstanter Geschwindigkeit und niedriger Turbineneintrittstemperatur über den meist verwendeten Arbeitsbereich laufen soll und die den Rückstoß verändern soll durch Veränderung der Geschwindigkeit im Düsenrohr. Diese Veränderung besteht in der Vergrößerung der Mündung für einen reduzierten Rückstoß und einer Strahltemperatur von ungefähr 500° C und der \^erkleinerung der Mündung für die maximale Leistung mit einer Temperatur von ungefähr 750° C.

Gemäß der Erfindung ist die verstellbare Düsenmündung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungswand im Umfang aufeinanderfolgende und miteinander verbundene elastische Abschnitte mit nach außen stärker konvex gekrümmtem Querschnitt, als der Krümmung des Gesamtmündungsquerschnitts entspricht, aufweist, wobei Betätigungsmittel vorgesehen sind, um die Verbindungskanten der elastischen Abschnitte zur Verengung oder Erweiterung der Düsenmündung in radialer Richtung bewegen zu können.

Vorzügsweise nehmen die Abschnitte wenigstens in einer Stellung innerhalb ihres Einbiegebereiches die Form eines Kreisbogens, z. B. annäherungsweise eines Halbkreises an. So können sie vorzugsweise angeordnet sein, um die Form von Kreisbögen zu erhalten, die in den Radien und den Winkeln über einen Teil oder den ganzen Bereich variierbar sind. Andererseits kann sich der Umriß der Querschnittskurve während der Bereichsbiegung verändern.

Die Mittel zur Erreichung der Einbiegung der Abschnitte können so angeordnet sein, daß einwärts gerichtete Kräfte an den Verbindungen zwischen den benachbarten Abschnitten wirken. Diese Mittel können z. B. aus einem ringförmigen Teil um die Achse der Mündung, aus einer Serie von Druckhebeln zwischen dem Ringteil und den Mündungsabschnitten und aus Mitteln zum axialen Bewegen dieses Ringteiles bestehen, wobei die Hebel durch eine

Anmelder:

Hunting Aircraft Limited,

Luton Airport, Bedfordshire

(Großbritannien)

Vertreter:

Dr. G. W. Lotterhos und Dr.-Ing. H. W. Lotterhos,
Patentanwälte, Frankfurt/M., Lichtensteinstr. 3

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. Juni 1957

John Wotton und Clifford John Webb,

Luton Airport, Bedfordshire (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

Druckwirkung radiale Kräfte auf die Abschnitte übertragen.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele von querschnittsveränderlichen Düsenmündungen gemäß der Erfindung. Es stellt dar

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Mündung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Mündung mit einer Teildarstellung des Betätigungsmechanismus im Schema,
Fig. 3 eine Ansicht in das offene Mündungsende,

Fig. 4 eine Teilansicht der Mittel zur Befestigung der Düsenmündung an einem Strahlrohr bei im wesentlichen gasdichter Verbindung,

Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4, ~

Fig. 6 eine Ansicht, ähnlich der Fig. 1, einer zweiten Mündungskonstruktion,

Fig. 7 eine Ansicht, ähnlich der Fig. 1, von einer dritten Mündungskonstruktion,

Fig. 8 einen Längsquerschnitt durch die Spitze der Konstruktion nach Fig. 7 mit Betätigungsmitteln, wobei die Mündung voll geöffnet ist und die gestrichelten Linien die maximale Schließstellung andeuten,

Fig. 9 eine schematische Darstellung von zwei konzentrischen Mündungen im Querschnitt,

Fig. 10 und 11 schematische Darstellungen von Abänderungen der Konstruktion gemäß der Fig. 9,

Fig. 12 eine perspektivische Detailansicht von gegenüber der Fig. 5 geänderten Befestigungsmitteln,

909' 768/37

Fig. 13 eine Detailansicht einer anderen Konstruktion von Befestigungsmitteln,

Fig. 14 einen Schnitt nach der Linie 14-14 der Fig. 13,

Fig. 15 eine Detailansicht einer weiteren Konstruktion von Befestigungsmitteln und

Fig.- 16 einen Schnitt nach der Linie 16-16 der Fig. 15.

Ein in den Fig. 1 bis 5 gezeigtes Mündungsstück 20 ist durch später beschriebene Verbindungen am Auslaßende eines Strahlrohres 21 einer Düsenmaschine, die mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet, befestigt. Das Mündungsstück ist im wesentlichen kreisförmig an dem Ende, welches am Strahlrohr befestigt ist, und es verjüngt sich zum Auslaß hin.

Das Mündungsstück setzt sich aus Abschnitten 22, im Ausführungsbeispiel z. B. aus zehn, zusammen, die aus elastischen Metallblechen gebildet sind. Jeder Abschnitt weist am Auslaßende angenähert halbkreisförmigen Querschnitt auf, wie die Fig. 3 zeigt, und einen allmählichen Übergang des Querschnitts in Bogenform in Anpassung an das Strahlrohr zum anderen Ende hin.

Das Ausgangsende des Mündungsstückes kann im Querschnitt als Kreis mit einer Reihe darauf aufgesetzter, nach außen konvexer Halbkreise betrachtet werden. Eine solche Ausbildung ist besonders gut geeignet, um dem wechselnden Innendruck zu widerstehen, und hat eine große Stabilität, die auch erhalten bleibt, wenn der Krümmungsradius der Abschnitte verändert wird.

Zwischen jedem Paar der Abschnitte 22 ist ein Einsatzkeil 23 befestigt, der (z. B. durch Schweißen oder Nieten) sich entlang der ganzen Länge des Mündungsstückes erstreckt.

Um das Ausgangsende des Mündungsstückes ist ein steifer Ring 25 von etwas größerem Durchmesser als die Mündung vorgesehen. Dieser Ring ist durch Hebel 26 mit den Keilen 23 verbunden. Die Hebel erstrecken sich vom Ring nach einwärts mit einer axialen Komponente in Richtung stromaufwärts, so daß bei einer Axialbewegung des Ringes in Richtung stromaufwärts die Hebel durch eine Kniehebelbewegung auf die Einsatzkeile einen nach innen gerichteten Druck ausüben und so die Mündung verkleinern.

Für die Axialbewegungen des Ringes sind besondere Mittel vorgesehen. Diese Mittel bestehen aus an jeder Seite des Mündungsstückes angeordneten hydraulischen Kolben 24, welche durch eine Stange 27 am Ring 25 befestigt sind. Jede Stange durchsetzt eine Führung 28 am Ende des Strahlrohres, und die Bewegungen der Stange sind durch Anschlagmuttern 29 verstellbar begrenzt.

Das Einströmen der hydraulischen Flüssigkeit in die beiden Kolben 24 wird durch ein verstellbares Ventil 30 von bekannter Art mit einer Einstelleinrichtung gesteuert, welche die Schließung des Ventils bewirkt, wenn der Ring 25 eine Stellung erreicht hat, die mit dem Sitz eines einstellbaren Ventilgliedes korrespondiert. Diese Einstelleinrichtung wird mechanisch durch ein Kabel 32 vom Ring 25 betätigt. Die vorerwähnte Verbindung besteht aus einem äußeren Flansch 35, der um das Strahlrohr 21 in einem kurzen Abstand vom Ende befestigt ist. Das stromaufwärtige Ende des Mündungsstückes paßt um das Ende des Strahlrohres genau auf diesen Flansch, und um diesen Teil des Mündungsstückes ist ein ringförmiger Kanal 36, der einen Füllring 37 aus Asbest umschließt, vorgesehen. Um das Ganze ist ein Ring 39 von Kanalform, welcher mittels eines Bolzens 40 zusammengezogen wird, .gelegt. Der Ring 39 umfaßt und preßt den Asbestring zusammen und sichert auch das Mündungsstück gegenüber Axialbewegungen durch die A^erbindung des Flansches 35 gegen eine Seite des Kanals 36. Die Elastizität des Asbestes absorbiert die flexiblen Bewegungen der Mündungs-Endabschnitte, die bei den öffnungs- und Schließbewegungen entstehen.

Die Ausführungsform gemäß der Fig. 6 ist ähnlich

ίο der eben beschriebenen, wobei jedoch folgende Abänderungen getroffen worden sind. In dieser Konstruktion erstrecken sich die Druckhebel 26 α einwärts mit einer Axialkomponente stromabwärts, wobei sie an Einsatzkeilen 23 a angelenkt sind. Dies ermöglicht, daß der Ring 25 a etwas !deiner gemacht werden und der Mündung näherliegen kann. Die Bewegungen des Ringes 25 α zum Öffnen und Schließen der Mündung sind jenen im ersten Ausführungsbeispiel entgegengesetzt.

Es ist ein Vorteil der obigen Beispiele, daß die festen Verbindungen des Ringes 25, 25 a mit den Stangen 27 eine steife Konstruktion ergeben, welche sicherstellt, daß die beiden Stangen 27 gleichbewegt werden.

Bei der Konstruktion gemäß den Fig. 7 und 8 ist eine abgewandelte Form der Betätigungsmittel gezeigt. Diese Mittel sind besonders dann geeignet, wenn die erforderlichen Betätigungskräfte erheblich sind. In dieser Konstruktion sind zwischen jedem Paar der benachbarten Abschnitte 22 ein Keil 23 α wie im vorhergehenden Beispiel und um die Mündung ein Ring 25 b mit einer Kniehebel verbindung 26 b zu den Keilen wie in der Konstruktion nach Fig. 6 vorgesehen. Die Kolben 24 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch hydraulische oder pneumatische Kolben 124 ersetzt, von welchen für jeden Keil einer vorgesehen ist. Diese Kolben arbeiten zwischen Gelenkbefestigungen 125 an den Keilen und Gelenkbefestigungen 126 der am Ring 25 b befestigten Platten 127.

Eine nach vorbeschriebenen Gesichtspunkten konstruierte Düsenmündung kann die Querschnittsfläche um 33 % und mehr verändern. Die Ausbildung der Mündung unterstützt die Geräuschdämpfung.

Es ist auch ein wesentliches Merkmal der Düsenmündungsausbildung, daß, wenn sie innerhalb einer Umhüllung oder Haube angeordnet ist, die Kühlluft über die Außenseite der Mündung streicht, so liegt der Betätigungsmechanismus im Kühlluftstrom und ist mit Ausnahme der Verbindungsgelenke von den heißen Düsen isoliert. Darüber hinaus bietet die einfache Konstruktion der Mündung und des Betätigungsmechanismus für die Kühlluft ein Minimum von Widerstand.
Es ist ein weiteres wichtiges Merkmal der beschrie-

55-benen Konstruktionen, daß der Betätigungsmechanis-

" uras aus einem Ring 25, 25 a oder 25 & und aus Kniehebeln besteht, die stabil sind und keine andere Abstützung als die Gelenkverbindung zu den Düsenabschnitten erforderlich machen.

Ein Vorteil jeder der oben beschriebenen Konstruktionen ist, daß die Mündung ohne relativ sich bewegende Teile und der Betätigungsmechanismus von äußerst einfacher Konstruktion sind. Die Düsen gemäß der Erfindung können auch für By-Paß-Maschinen mit zwei konzentrischen Strahlgängen Verwendung finden. So kann eine variierbare Düse, wie oben beschrieben, entweder für einen inneren oder für einen äußeren Strahl oder für beide angewendet werden. Die Fig. 9 bis 11 stellen schematisch die Verwendung einer der Düsen für beide Strahlen dar. In

der Fig. 9 sind zwei Düsenmündungen 50 und 51 vorgesehen, wobei die innere Mündung 50 wie die im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Die äußere Düse 51 ist gleichfalls entsprechend gebaut, jedoch ist sie so abgewandelt, daß die Einsatzkeile 23 b und die Kniehebel 26 c auf der Innenseite der Mündung angebracht sind. Axialbewegungen des Ringes 25 bewirken eine gleichmäßige Öffnung und Schließung der zwei Mündungen, wobei die eine Mündung sich öffnet, während sich die andere schließt. Durch Veränderung der relativen Winkel der Hebel 26 und 26 c, wie in Fig. 10 gezeigt, können die Bewegungen der beiden Mündungen ungleichmäßig gestaltet werden. Fig. 11 zeigt, wie Bewegungen an den Mündungen im gleichen Sinne erhalten werden können.

Fig. 12 zeigt eine abgewandelte Form der Verbindung gemäß der Fig. 5. Bei dieser Änderung ist der Asbestring 37 durch ein Asbestgeweberohr 37 a, welches im Betrieb unter innerem Gasdruck durch eine Rohrverbindung 42 gehalten wird.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine andere Konstruktion der Verbindung zwischen der veränderbaren Mündung und dem Strahlrohr sowie Mittel zur Abdichtung dieser Verbindung. Bei dieser Konstruktion sind die Abschnitte 22 der Düsenmündung an dem Ende des Strahlrohres 21 durch ein fortlaufendes kreisförmig gebogenes Scharnierband 55, 56 befestigt. Der Scharnierteil 55 ist mittels Nieten 57 am Strahlrohr und der Teil 56 an den Abschnitten 22, wie in 58 gezeigt, gehalten. Der Teil 56 ist mit Einkerbungen 59 versehen, welche diesem Teil die Flexibilität geben. Diese Flexibilität in Verbindung mit einigen Lockerungen in der Scharnier verbindung und der Tatsache, daß die winklige Scharnierbewegung des Abschnittes 22 äußerst klein ist, ermöglicht die Anwendung, eines Kreisscharniers. Um gasdichten Abschluß zu erreichen, ist über der Gelenkverbindung ein lückenloses Stahlringband 60, wie in Fig. 16 gezeigt, vorgesehen. Die Flansche dieses Bandes sind mit den Scharnierteilen 55. 56 punktgeschweißt. Das Ringband besteht aus dünnem flexiblem Material und hat genügend Flexibilität, um dem Abschnitt 22 eine leichte Schwingbewegung zu ermöglichen.

Eine andere Konstruktion der Verbindung und Abdichtungseinrichtung ist in den Fig. 15 und 16 gezeigt. Bei dieser Konstruktion sind die Enden der Abschnitte 22 der Mündung geschlitzt, wie bei 65 gezeigt, um eine Reihe von flexiblen Zungen 66 zu bilden. Die Endteile dieser Zungen sind auf der Innenseite eines Ringes 68 aus hitzebeständigem Streifenmaterial punktverschweißt; die Breite dieses Ringes 68 erstreckt sich über die Enden der Zungen hinaus. Innerhalb dieser Ringausdehnung ist ein zweiter Ring 69 von einer Dicke, welche die gleiche ist wie die der Zungen 66, angeschweißt. Der Ring 69 dient zum Schließen der öffnungen der Schlitze 65. Um das Mündungsstück an dem Strahlrohr zu befestigen, wird der Ring 69 über das Ende des Rohres aufgezogen, und das Mündungsstück wird durch Schrauben durch die Löcher 70 gehalten. Die Zungenwurzeln weisen die erforderliche Flexibilität für die Schwenkbewegungen der Abschnitte 22 beim öffnen und Schließen der Mündung auf. Um einen dichten Verschluß der Schlitze 65 zu erhalten, ist ein flexibler Ring 72 ähnlich dem Ring 66 vorgesehen, der entlang seinen Flanschen mit den Abschnitten und dem Ring 68 verschweißt ist. Die Enden der Einsatzkeile 23, wie sie unter den Ringen 68 und 72 liegen, sind so geschnitten, daß sie im Umfange mit den Abschnitten übereinstimmen und in die Ringe passen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die konstruktiven Einzelheiten der obigen Ausführungsbeispiele. Zum Beispiel können die Umkehrbewegungen der Kolben hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch an Stelle der in Fig. 2 gezeigten Federn bewirkt werden. Gleichfalls können die beschriebenen Kolben durch Winden, die beispielsweise durch Luft-, Flüssigkeits- oder Elektromotoren angetrieben sind, ersetzt sein. Es ist wünschenswert, daß, wenn in einer Richtung wirkende Kolben verwendet und die Umkehrbewegungen durch Federn od. dgl. erreicht werden, die Anordnung so sein soll, daß im Falle eines Fehlers in der Kraftversorgung oder des Schließmechanismusses die Federn so betätigt werden, daß die Düse auf eine Sicherheitsstellung eingestellt wird. Bei der Konstruktion nach Fig. 2 wirken die Federn in Richtung einer Verringerung der Mündungsfläche, und diese Anordnung ist geeignet für einen »Normal-bis Kalt«-Betrieb sowie für ein mit konstanter Geschwindigkeit arbeitendes Triebwerk, wie oben beschrieben. Wenn eine Nachverbrennung oder Wiedererhitzung vorliegt, so mag es wünschenswert sein, die Anordnung umzukehren, so daß die Federn dazu neigen, den Mündungsquerschnitt zu vergrößern.

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Querschnittsveränderliche Düse, gekennzeichnet durch ein Mündungsstück (20) aus in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden und miteinander verbundenen elastisch verformbaren Abschnitten (22) mit nach außen stärker konvex gekrümmtem Querschnitt, als der Krümmung des Gesamtmündungsquerschnitts entspricht, wobei Betätigungsmittel vorgesehen sind, um die Verbindungskanten der elastischen Abschnitte zur Verengung oder Erweiterung der Düsenmündung in radialer Richtung bewegen zu können.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Abschnitte (22) wenigstens in einer Stellung im Querschnitt kreisbogenförmig sind.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der elastischen Abschnitte (22) annähernd halbkreisförmig ist.

4. Düse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel nach einwärts gerichtete Kräfte ausüben.

5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel aus einem zur Mündung koaxialen Ring (25). einer Reihe von Druckhebeln (26) zwischen dem Ring (25) und den elastischen Abschnitten (22) sowie aus Mitteln zur axialen Bewegung des Ringes (25) bestehen, wobei die Hebel (26) radiale Kräfte auf die Abschnitte übertragen.

6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebel (26) mit einem Einsatzkeil (23) zwischen den elastischen Abschnitten (22) verbunden sind.

7. Düse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (25) schwebend angeordnet und durch die Hebel auf den elastischen Abschnitten abgestützt ist.

8. Düse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Axialbewegung des Ringes hydraulische, pneumatische oder elektrische Kolben (24) mit am Ring diame-

trisch angreifenden Betätigungsverbindungen vorgesehen sind.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (24) mittels steifer Organe mit dem Ring verbunden sind.

10. Düse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Axialbewegung des Ringes aus Kolben bestehen, welche zwischen dem Ring und dem Einsatzkeil oder anderen zwischen den elastischen Abschnitten befestigten Abstützungen arbeiten.

11. Düse nach einem der Ansprüche 5 bis 10, •dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Axialbewegung des Ringes aus einem oder mehreren hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Kolben, aus einer abhängigen Steuereinrichtung und einer mechanischen Verbindung zwischen dem Ring und der Steuereinrichtung zur Erreichung der abhängigen Einstellungen bestehen.

12. Düse nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Krümmung des Querschnitts der elastischen Abschnitte in Richtung stromaufwärts allmählich verringert und in die Krümmung des Düsenrohrquerschnittes übergeht, so daß die elastischen Abschnitte auf der Innen- oder Außenseite eines Strahlrohres aufsetzbar sind. " -""

13. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Abschnitte am Strahlrohr flexibel befestigt sind,

14. Düse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtigen Enden der elastischen Abschnitte in flexible Zungen (66) aufgeteilt sind, welche am Strahlrohr befestigt sind.

15. Düse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (66) zwischen länglichen Schlitzeinschnitten in den elastischen Abschnitten gebildet sind und ein flexibles Ringband (72) wenigstens über Teile der Schlitze für eine Abdichtung vorgesehen ist.

16. Düse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Schlitze durch ein Ringband, das die Enden der Abschnitte anpreßt, verschlossen sind.

17. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Abschnitte am Strahlrohr angelenkt sind.

18. Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibler Abdichtring um die Gelenkverbindung zwischen den Abschnitten und dem Strahlrohr vorgesehen ist.

19. Düse in Verbindung mit einer zweiten koaxialen Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Betätigungsring für die beiden Düsen vorgesehen ist, der die elastischen Abschnitte der beiden Düsen mittels Druckhebel verbindet, wobei die Einstellung der beiden Düsen gleichzeitig durch axiale Bewegung des Ringes bewirkt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909 768/37 3.60