DE2620098A1

DE2620098A1 - ADJUSTABLE THROTTLE FOR GAS TURBINE ENGINES

Info

Publication number: DE2620098A1
Application number: DE19762620098
Authority: DE
Inventors: William James Lewis
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1975-05-08
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1976-11-18
Also published as: GB1551216A

Description

PATBNTAIiWALTPATBNTAIiWALT

Dipl. ing. B. HOLZEBDipl. Ing. B. HOLZEB

-WEIjSEB - SIKASSB 14-WEIjSEB - SIKASSB 14

8900 AUGSBURG8900 AUGSBURG

TELEFON 516475 TELEX 533 202 patol dTELEPHONE 516475 TELEX 533 202 patol d

R. 961R. 961

Augsburg, den 6. Mai 1976Augsburg, May 6, 1976

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square,Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James's Square,

London, England,London, England,

Verstellschubdüse für GasturbinentriebwerkeAdjustable thrust nozzle for gas turbine engines

Die Erfindung betrifft eine Verstellschubdüse für Gasturbinentriebwerke, mit einem Kranz von Verstellsegmenten, die jeweils mit ihrem stromaufwärtigen Ende schwenkbar im Bereich des Strahlrohrendes angelenkt sind, und mit einer den Verstellsegmentenkranz mindestens teilweise umschließenden, axial verschiebbaren Verkleidung mit einem Mechanismus zur Umsetzung der Axialbewegung der Verkleidung in eineThe invention relates to an adjustable thrust nozzle for gas turbine engines, with a wreath of adjustment segments, each of which can be pivoted with its upstream end in the Area of the end of the jet pipe are articulated, and with a ring that at least partially encloses the adjustable segment ring, axially displaceable cover with a mechanism for converting the axial movement of the cover into a

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26 2Π η 9 B26 2Π η 9 B

entsprechende Schwenkbewegung der Verstellsegmente.corresponding pivoting movement of the adjustment segments.

derartige Düse ist aus der GB-PS 1 278 801 bekannt. Bei der bekannten Verstellschubdüse handelt es sich um eine für Unterschallfluggeschwindigkeiten ausgebildete Düse, die zwischen einer schwach konvergenten Endstellung und einer stärker konvergenten Endstellung verstellbar ist.Such a nozzle is known from GB-PS 1,278,801. The known adjustable thrust nozzle is a nozzle designed for subsonic flight speeds which is adjustable between a weakly convergent end position and a more convergent end position.

Bei Triebwerken für Überschallflugzeuge ist es erforderlich, daß die Schubdüse zwischen einer konvergenten Düsenstellung für Unterschallfluggeschwindigkeit und einer konvergenten-divergenten Düsenstellung für überschallfluggeschwindigkeit verstellbar ist.In engines for supersonic aircraft, it is necessary that the thrust nozzle between a convergent Nozzle position for subsonic flight speed and a convergent-divergent nozzle position for supersonic flight speed is adjustable.

Es sind zwar bereits Verstellschubdüsen bekannt, die zwischen einer konvergenten Stellung und einer konvergentendivergenten Stellung verstellbar sind, jedoch weisen derartige Düsen eine verhältnismäßig große Baulänge auf.It is true that adjustable thrust nozzles are already known which operate between a convergent position and a convergent divergent position Position are adjustable, but such nozzles have a relatively large overall length.

Im Hinblick auf eine Verwendbarkeit solcher Verstellschubdüsen bei Schwenkdüsentriebwerken für kurz- oder vertikalstartfähige Plugzeuge ist eine möglichst kurze Baulänge anzustreben.With regard to a usability of such adjustable thrust nozzles in swivel jet engines for short or vertically launchable plug tools are as short as possible Strive for overall length.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eineThe invention is therefore based on the object of a

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2620Ü982620Ü98

Verste11schubdüse der eingangs dargelegten Art so auszubilden, daß sie sowohl im Unterschallbereich als auch im Überschallbereich betreibbar ist und eine verhältnismäßig kurze axiale Länge aufweist, welche die Anwendung dieser Düse bei Schwenkdüsentriebwerken ermöglicht.To design adjustable thrust nozzle of the type set out at the beginning so that that it can be operated both in the subsonic range and in the supersonic range and is a relatively short one has axial length, which allows the use of this nozzle in swing jet engines.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Verstellschubdüse premäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohrende als konvergierender Düsenhals ausgebildet ist und der Verstellsegmentenkranz zwischen einer konvergenten Stellung und einer divergenten Stellung verstellbar ist.To solve this problem, such an adjustable thrust nozzle premäß the invention is characterized in that the The end of the jet tube is designed as a converging nozzle neck and the adjustment segment ring between a convergent one Position and a divergent position is adjustable.

Gemäß einer Alternativlösung ist eine Verstellschubdüse der eingangs dargelegten Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Verstellsegmente in Axialrichtung konvex gekrümmt sind und der Verstellsegmentenkranz zwischen einer konvergenten Stellung und einer Stellung verstellbar ist, in welcher die stromaufwärtigen Segmentabschnitte einen konvergenten Düsenhals und die stromabwärtigen Segmentabschnitte ein divergentes Düsenendrohr bilden.According to an alternative solution, an adjustable thrust nozzle of the type set out in the introduction is characterized in accordance with the invention characterized in that the inner surfaces of the adjustment segments are convexly curved in the axial direction and the adjustment segment ring is adjustable between a convergent position and a position in which the upstream Segment sections a convergent nozzle throat and the downstream segment sections a divergent nozzle end pipe form.

Vorzugsweise ist das Strahlrohr von einem Kühlluftringkanal umgeben, der Kühlluft zu den Anlenkstellen der ·The jet pipe is preferably surrounded by a cooling air ring duct that supplies cooling air to the articulation points of the

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VerstellSegmente hin leitet.VerstellSegmente leads.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, for example described. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eineFig. 1 is a longitudinal section through a

Verstellschubdüse nach der Erfindung,Adjustable thrust nozzle according to the invention,

Fig. 2 eine Teilrückansicht der in Fig.Fig. 2 is a partial rear view of the in Fig.

gezeigten Düse bei größter Düsenöffnung, nozzle shown with the largest nozzle opening,

Fig. 3 eine Teilrückansicht der in Fig.Fig. 3 is a partial rear view of the in Fig.

gezeigten Düse bei kleinster Düsenöffnung,shown nozzle with the smallest nozzle opening,

Fig. 4 ein Schwenkdüsentriebwerk mit4 with a swivel jet engine

gemäß der Erfindung ausgebildeten vorderen Schwenkdüsen, undformed according to the invention front swivel nozzles, and

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eineFig. 5 is a longitudinal section through a

andere Ausführungsform einer Düse nach der Erfindung.another embodiment of a nozzle according to the invention.

- 4 609847/0358 - 4 609847/0358

Pig«, 1 zeigt ein Hauptverstellsegment 10 einer einen Verstellsegmentenkranz aufweisenden VersteIlschubdüse, welches mit seinem stromaufwärtigen Ende 12 mittels eines Gelenks .am Strahlrohr 11 angelenkt ist. An ihrer radial außen liegenden Seite ist das Verstellsegment 10 mit einer gekrümmten Führungsbahn l4 versehen, die über Stege und Rippen 15, 16 und 17 mit dem Verstellsegment verbunden ist. Eine am Gelenk 13 an der radial inneren Verstellsegmentseite angeordnete Dichtung 8 verhindert ein Auslecken von Treibgas aus dem Strahlrohr 11 durch das Gelenk.Pig «, 1 shows a main adjustment segment 10 of a one Adjusting segment wreath having adjusting thrust nozzle, which is hinged to the jet pipe 11 with its upstream end 12 by means of a joint. At their radially outer On the side, the adjustment segment 10 is provided with a curved guide track l4, which via webs and ribs 15, 16 and 17 with the adjustment segment is connected. A seal 8 arranged on the joint 13 on the radially inner adjustment segment side prevents propellant gas from leaking out of the jet pipe 11 through the joint.

Der Verstellsegmentenkranz ist von einer im wesentlichen zylindrischen Verkleidung 18 umschlossen, die eine Anzahl von um Achsen 20 drehbaren Rollen 19 aufnimmt» Die Rollen 19 wirken mit den gekrümmten Führungsbahnen Ik zusammen, wobei durch den Gasdruck innerhalb der Düse, der auf die radial inneren Seiten der Verstellsegmente wirkt und diese nach außen drängt, ein Kraftschluß zwischen den Rollen 19 und den Pührungsbahnen 14 hergestellt wird.The adjustment segment ring is enclosed by an essentially cylindrical casing 18, which accommodates a number of rollers 19 rotatable about axes 20. The rollers 19 interact with the curved guide tracks Ik , whereby the gas pressure inside the nozzle, which acts on the radially inner sides of the Adjusting segments acts and pushes them outwards, a frictional connection between the rollers 19 and the Pührungsbahnen 14 is established.

Eine Axialverschiebung der Verkleidung 18 nach vorne hat zur Folge, daß die Rollen 19 über die Führungsbahnen 14 die Verstellsegmente nach unten bis in die gestrichelt gezeichnete Stellung 21 drängen, in welcher die Verstell-An axial displacement of the cladding 18 towards the front has the consequence that the rollers 19 move over the guide tracks 14 push the adjustment segments down to the dashed line position 21, in which the adjustment

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Segmente eine konvergente Düse mit einem minimalen Düsenaustrittsquerschnitt 22 am Düsenende bilden.Segments a convergent nozzle with a minimal nozzle outlet cross-section 22 at the nozzle end.

Eine Rückwärtsbewegung der Verkleidung in die in Fig. mit Vollinien dargestellte Stellung ermöglicht das Ausschwenken der Verstellsegmente in eine mit Bezug auf das Strahlrohr 11 divergente Stellung, in welcher das konvergierende Strahlrohrende und der Verstellsegmentenkranz zusammen eine konvergente-divergente Düse bilden, die am Strahlrohrende einen Düsenhals mit einem maximalen Halsquerschnitt 24 aufweist.A backward movement of the cladding into the position shown in Fig. The position shown with solid lines enables the adjustment segments to be swiveled out into a position with reference to the Jet tube 11 divergent position in which the converging jet tube end and the adjustment segment ring together have a Form convergent-divergent nozzle at the end of the jet pipe a nozzle throat with a maximum throat cross-section 24 having.

Im Strahlrohr ist eine Nacherhitzungsauskleidung 26 angeordnet, so daß zwischen der Strahlrohrwand und dieser Nacherhitzungsauskleidung ein Ringkanal 27 gebildet ist, durch welchen ein Kühlluftstrom strömt, der auch einen die radial inneren Flächen der Verstellsegmente kühlenden Kühlfilm bildet.A reheating lining 26 is arranged in the radiant tube so that between the radiant tube wall and the latter Post-heating lining an annular channel 27 is formed by which a flow of cooling air flows, which also has a cooling film that cools the radially inner surfaces of the adjustment segments forms.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Rollen 19 in nach außen ragenden Ausbuchtungen 28 der axial verschieblichen Verkleidung 18 angeordnet sind, so daß die Verkleidung zwischen diesen Ausbuchtungen nur einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweist, so daß die Düse einen nurFrom Fig. 2 it can be seen that the rollers 19 in outwardly protruding bulges 28 of the axially displaceable Cladding 18 are arranged so that the cladding between these bulges only a relatively has a small diameter, so that the nozzle only has one

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p-eringen Heckwiderstand aufweist.has p-eringen stern drag.

Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß die Hauptverstellsegmente 10 des Verstellsegmentenkranzes abwechselnd mit Nebenverstellsegmenten 29 und mit diesen ineinandergreifend angeordnet sind. Diese an sich bekannte Anordnung wird jedoch nicht weiter beschrieben.From Fig. 2 it can also be seen that the main adjustment segments 10 of the adjustment segment ring alternating with auxiliary adjustment segments 29 and interlocking with them are arranged. However, this arrangement is known per se not further described.

In Fig. 4 ist ein als Schwenkdüsentriebwerk ausgebildetes Zweistrom-Gasturbinentriebwerk 31 dargestellt, dessen beide vorderen Schwenkdüsen 32 und 33 verhältnismäßig kalte Nebenstromluft und dessen beide hinteren Schwenkdüsen 3^ und 35 die Turbinenabgase ausstoßen. Die Schwenkdüsen sind in an sich bekannter Weise mittels Lagern 36, 37, 38 bzw. 39 drehbar gelagert, so daß die Strahlrichtung der aus den Düsen austretenden Gase veränderlich ist. Derartige Triebwerke finden insbesondere bei kurz- oder vertikalstartfähigen Flugzeugen Anwendung. Zur Vergrößerung des in den vorderen Schwenkdüsen verfügbaren Schubes kann in der verhältnismäßig kalten Nebenstromluft zusätzlicher Brennstoff verbrannt werden. Daher ist es notwendig, die vorderen Schwenkdüsen mit veränderlichem Düsenaustrittsquerschnitt auszubilden, und, wenn das Flugzeug im überschallfluggeschwindigkeitsbereich geflogen werden soll, sollen diese Düsen außerdem in eine konvergentedivergente Stellung verstellbar sein. Aus Fig. 4 istIn Fig. 4 is designed as a swivel jet engine Two-flow gas turbine engine 31 is shown, the two front swivel nozzles 32 and 33 of which are relatively cold bypass air and its two rear swing nozzles 3 ^ and 35 eject the turbine exhaust gases. The swivel nozzles are on is rotatably mounted in a known manner by means of bearings 36, 37, 38 and 39, so that the jet direction of the emerging from the nozzles Gases is changeable. Such engines are found in particular in aircraft capable of short or vertical takeoff Use. To increase the thrust available in the front swivel nozzles, the relatively cold can be used in the Bypass air additional fuel can be burned. Therefore, it is necessary to change the front swiveling nozzles Form nozzle outlet cross-section, and when the aircraft flown in the supersonic flight speed range is to be, these nozzles should also be adjustable in a convergent-divergent position. From Fig. 4 is

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ersichtlich, daß an den Enden der vorderen Schwenkdüsenrohre 32 und 33 jeweils eine Düse der oben mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen Art angeordnet ist«it can be seen that at the ends of the front swivel nozzle tubes 32 and 33 each have a nozzle of the type described above with reference to FIG the type described in Fig. 1, 2 and 3 is arranged «

Dabei ist die am Schwenkdüsenrohr 32 angeordnete Düse in ihrer konvergenten Stellung mit minimaler Düsenöffnung dargestellt, während die am Schwenkdüsenrohr 33 angeordnete Düse in ihrer konvergenten-divergenten Stellung mit maximaler Düsenöffnung dargestellt ist. Es ist jedoch selbstverständlich, daß stets beide Düsen gleichzeitig in der gleichen Stellung gehalten werden.The nozzle arranged on the swivel nozzle tube 32 is here shown in its convergent position with minimal nozzle opening, while the one arranged on the swivel nozzle tube 33 Nozzle in its convergent-divergent position with maximum Nozzle opening is shown. It goes without saying, however, that both nozzles should always be in the same position at the same time being held.

Die außerordentlich kurze Länge der beschriebenen Düse macht diese besonders für Schwenkdüsentriebwerke geeignet, da sie das Düsengewicht und folglich das Plugzeuggewicht beträchtlich herabsetzt. Gewichtsersparnisse sind grundsätzlich wünschenswert, insbesondere bei kurz- oder vertxkalstartfähxgen Plugzeugen.The extremely short length of the nozzle described makes it particularly suitable for swing jet engines, since it considerably reduces the nozzle weight and consequently the weight of the plug stuff. Weight savings are fundamental desirable, especially in the case of short-term or vertxkalstartable plug-in tools.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, gemäß welcher die radial innere Fläche 4l der Düsenverstellsegmente nicht eben, sondern gekrümmt ist.Fig. 5 shows an alternative embodiment according to which the radially inner surface 4l of the nozzle adjustment segments is not flat, but curved.

Polglich verschiebt sich der engste Düsenquerschnitt, wenn die Düse aus ihrer gestrichelt gezeichneten, amPole-wise, the narrowest nozzle cross-section shifts, when the nozzle is out of its dashed line, on

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stärksten konvergenten Stellung 42 in ihre mit Vollinien gezeichnete konvergente-divergente Stellung 43 verstellt wird, vom stromabwärtigen Düsenende 44 zur Stelle des .Scheitels 45 der Innenflächenkrümmung. Vorteilhaft ist hierbei, daß die Düsensegmente auch in eine Zwischenstellung 46 gebracht werden können, die strichpunktiert gezeichnet ist, in welcher sie zwar noch eine konvergente-divergente Düse bilden, wobei jedoch der engste Düsenquerschnitt bei 47 gelegen und veränderlich ist.The strongest convergent position 42 is adjusted into its convergent-divergent position 43 drawn with solid lines is, from the downstream nozzle end 44 to the location of the . Vertex 45 of the curvature of the inner surface. The advantage here is that the nozzle segments can also be brought into an intermediate position 46, which is shown in dash-dotted lines, in which they still form a convergent-divergent nozzle, but with the narrowest nozzle cross-section at 47 is located and changeable.

Selbstverständlich ist anstelle der dargestellten gekrümmten Führungsbahn an der radial äußeren Seite der Verstellsegmente auch eine geradlinige, mit Bezug auf das Verstellsegment geneigte Führungsbahn möglich» Der Vorteil der Verwendung einer gekrümmten Führungsbahn liegt darin, daß die Betätigungskraft, die zur Bewegung der radial äußeren Verkleidung erforderlich ist, über den gesamten axialen Bewegungsbereich konstant bleibt. Folglich können auch die Antriebskräfte zum Antrieb der nicht dargestellten, zur Verschiebung der Verkleidung dienenden Kugelumlauf-Sehraubspindelantriebe mit den sich daraus ergebenden Vorteilen konstant gehalten werden.Of course, instead of the curved guide track shown on the radially outer side of the Adjustment segments a straight guideway inclined with respect to the adjustment segment is also possible »The advantage The use of a curved guideway lies in the fact that the actuating force required to move the radially outer cladding is required, remains constant over the entire axial range of motion. Consequently can also the driving forces for driving the non-illustrated recirculating ball screw drives which are used to move the cladding be kept constant with the resulting advantages.

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Claims

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40.

Claims

IJ adjustable thrust nozzle for gas turbine engines, with a ring of adjustment segments, each of which can be pivoted with its upstream end in the region of the end of the jet pipe are articulated, and with an adjustable segment ring at least partially enclosing, axially displaceable Cover with a mechanism for converting the axial movement of the cover into a corresponding pivoting movement of the adjustment segments, characterized in that the jet pipe end (26) is a converging nozzle neck is formed and the adjustment segment ring (10, 29) between a convergent position (21) and a divergent Position is adjustable (Pig. I to 3).

2. Adjustable thrust nozzle for gas turbine engines, with a ring of adjustable segments, each with its upstream end are pivotably articulated in the region of the jet pipe end, and with one of the adjustable segment wreath at least partially enclosing, axially displaceable cladding with a mechanism for implementing the Axial movement of the cladding in a corresponding pivoting

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movement of the adjustment segments, characterized in that the inner surfaces (41) of the adjustment segments are convexly curved in the axial direction and the adjustment segment ring between a convergent position (42) and a position (43) is adjustable in which the upstream segment sections a convergent nozzle throat and the downstream segment sections a divergent nozzle end tube form (Fig. 5).

3. adjustable thrust nozzle according to claim 2, characterized in that the jet pipe end is convergent.

4. adjustable thrust nozzle according to one of claims 1 to 3 »characterized in that the jet pipe (26) is enclosed by a cooling air ring duct (27) through which cooling air flows to the articulation points (13) of the adjustment segments and over the inner surfaces of the adjustment segments.

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