CH683020A5 - Dichtungseinrichtung zum Einsetzen zwischen die Klappen der Düse eines Gasturbinentriebwerks für Flugzeuge. - Google Patents

Description

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CH 683 020 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung zum Einsetzen zwischen die Klappen der Düse eines Gasturbinentriebwerks für Flugzeuge mit einer Vielzahl Dichtungselemente (56), die an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Träger (50) befestigt sind.

Axialsymmtrische Schubdüsen mit veränderbarer Querschnittfläche sind dem Fachmann bekannt und werden vorzugsweise im General Electric-Triebwerk F 110 verwendet. Die Schubdüsen solcher Triebwerke enthalten konvergierende und divergierende Klappen mit dazwischen angeordneten Dichtungen, um die Abgasströmung aerodynamisch zu steuern und dadurch den Druck und die thermische Energie der austretenden Verbrennungsgase in Geschwindigkeit und Vorwärtschub des Triebwerks umzuwandeln. Die Art und Weise wie solche Schubdüsen hergestellt werden und die dazu verwendeten Mittel sind in vielen Publikationen einschliesslich der US-Patente 4 176 792, 4 245 787 und 4 128 208 beschrieben. Zu den Eigenschaften dieses Düsentyps wurde durch eine bei der General Electric Company entwickelte Erfindung, eine neue Funktion, nämlich die Schubauslenkung zugefügt.

Zum besseren Verständnis der Art, in der die einzelnen Klappen zusammenwirken und arbeiten, um die Düsen- und Schubauslenkung zu erreichen, wird auf das US-Patent 4 994 660 verwiesen. Das Abdichten zwischen den Klappen einer axialsymmetrischen konvergierenden-divergierenden Schubdüse war immer ein interessantes Problem und eine Herausforderung für die Konstrukteure von Schubdüsen für Gasturbinentriebwerke, was durch die vielen Konstruktionen, Anordnungen und Patenten, von denen einige nachfolgend zitiert werden, bewiesen ist.

Gebräuchliche Schubdüsen, einschliesslich derjenigen mit veränderlichen Düsenhals- und Austritts-querschitten, enthalten Düsenklappen und Düsen-klappendichtungen, die im allgemeinen gleichzeitig um den gleichen Winkel verschwenkt werden oder deren Stellung bezüglich einer Triebwerksmittellinie gleichzeitig um den gleichen Winkel geändert wird, so dass keine Unterschiede in ihrer Stellung längs des Umfangs oder des Auslenkwinkels bezüglich der Triebwerks- oder Düsenmittellinien bestehen. Die axialsymmetrische auslenkbare Düse fügt ein neues Problem zu den schon bisher schwierigen Problemen hinzu, nämlich wie der Bereich zwischen zwei Klappen, deren Orientierung oder Stellung fortwährend verändert wird, abgedichtet werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung, die zwischen zwei benachbarten divergierenden Klappen angeordnet ist, welche Klappen gegenseitig und bezüglich einer Triebwerksmittellinie um unterschiedliche Winkel verschwenkbar sind, wobei jede der divergierenden Klappen relativ zur zugeordneten konvergierenden Klappe oder einem anderen Düsenelement an dem sie befestigt ist, in einer einen Konus beschreibenden Bewegung verschwenkt werden kann. Diese Bewegung ergibt bezüglich einer Triebwerks- oder Düsenmittellinie eine Änderung in der Stellung der längs einer Umfangslinie angeordneten Düsenklappen.

Für alle Schubdüsen- und Gasturbinentriebwerke ist anzustreben, dass diese geringes Gewicht aufweisen, einfach und relativ billig herzustellen, zu warten und zu reparieren sind eine lange Betriebsdauer bei hohen Umgebungstemperaturen und starker Beanspruchung erreichen.

Es ist darum das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Dichtung zu schaffen, die eine Abdichtung des Bereichs zwischen den Düsenklappen und insbesondere zwischen den divergierenden Klappen einer axialsymmetrischen auslenkbaren Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, bei welcher Schubdüse während einer Auslenkung benachbarte Klappen um unterschiedliche Winkel bezüglich der Düsenmittellinie verschwenkt werden und die Dichtung im gesamten Bereich der Klappenstellungen gute Dichtungseigenschaften aufrechterhält, ausserdem nur ein geringes Gewicht aufweist, einfach herzustellen und zu reparieren ist und auch das Warten und Reparieren der Düse erleichtert.

Dieses Ziel wird mit einer Dichtungseinrichtung gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs-gemässen Dichtungseinrichtung zwischen den divergierenden Klappen einer Schubdüse enthält einen Träger, der vorzugsweise hohl ist und an seinem vorderen Ende einen etwa elliptischen Querschnitt aufweist. Der Träger ist mit diesem vorderen Ende an einer unbewegbaren konvergierenden Dichtung der Düse kreisbogenförmig verschwenkbar befestigt. Längs des Trägers sind in axialer Richtung eine Mehrzahl Dichtungselemente angeordnet, die Befestigungsmittel enthalten, um die Segmente derart am Träger zu befestigen, dass während des Betriebs der Düse benachbarte Segmente in überlappendem, dichtendem Eingriff sind. Die sich in der Längsrichtung erstreckenden Abdichtungselemente haben innere und äussere Aussenflächen, wovon die äussere Aussenfläche der Gasströmung der Schubdüse zugewandt ist, und einen Flansch mit einer Befestigungseinrichtung, die eine kleeblattförmige Ausnehmung enthält, um das Dichtungselement drehbar am Träger zu befestigen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Dichtung enthält Dichtungselemente mit Dichtungsflächen, die in der Richtung der die äussere Aussenfläche zugewandt ist nach aussen, d.h. zur Mittellinie der Düse, gekrümmt oder ausgebogen sind. Die Biegung der Dichtungsflächen der längs des Trägers angeordneten Dichtungselemente ist unterschiedlich, wobei die Dichtungsflächen am hinteren Ende des Trägers am stärksten gebogen sind, während die vorderen Dichtungsflächen die geringste Biegung aufweisen.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer die erfin-dungsgemässen Dichtungen enthaltende Schubdüse für ein Gasturbinentriebwerk mit veränderlichem asymmetrisch auslenkbarem Schub,

Fig. 2 die perspektivische Ansicht der erfindungs-

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gemässen Dichtung für divergierende Schubdüsenklappen,

Fig. 3 die Draufsicht auf die erfindungsgemässe Dichtung, gesehen von der der Düsenschubströmung abgewandten Seite,

Fig. 4 den Schnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Dichtung längs deren axialer Mittellinie,

Fig. 5 den Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Dichtung, von hinten nach vorne gesehen, und durch ein relativ zustromseitiges Dichtungselement mit relativ geringer Biegung der Dichtungsfläche,

Fig. 6 den Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Dichtung, von hinten nach vorn gesehen, und durch ein abstromseitiges Dichtungselement mit relativ starker Biegung der Dichtungsfläche,

Fig. 7 die rückwärtige Ansicht der Dichtung gemäss Fig. 2,

Fig. 8 den Querschnitt durch die Dichtung gemäss Fig. 2, von hinten nach vorn gesehen, und durch den Flansch eines Dichtungselements, '

Fig. 9 einen vergrösserten Teilschnitt des Schnitts gemäss der Fig. 4,

Fig. 10 die Ansicht der Schubdüse gemäss Fig. 1, von hinten nach vorn, mit Nullgrad-Auslen-kung oder Schwenkwinkel der Klappen und

Fig. 11 die rückwärtige Ansicht der Schubdüse gemäss Fig. 1 mit einem negativen Grad der Auslenkung oder des Schwenkwinkels der Klappen.

In Fig. 1 ist die axialsymmetrische auslenkbare Schubdüse 10 eines Gasturbinentriebwerks gezeigt. Die Düse enthält in Übereinstimmung mit der in dem US-Patent 4 994 660 beschriebenen Ausführungsform ein Gehäuse 12 mit einer in der Strömungsrichtung anschliessenden konvergierenden Sektion 18, einem Düsenhals 24 und einer divergierenden Sektion 26. Die divergierende Sektion enthält divergierende Dichtungen 30, die zwischen den divergierenden Klappen 28 auf einer Umfangslinie um die axialsymmetrische Mittellinie 8 der Düse angeordnet sind. Die divergierenden Klappen 28 werden derart gesteuert, dass sie einen Auslasspfad der Düse und die Richtung der Austrittsströmung 40 bestimmen. Die äusseren Klappen 16 bilden eine aerodynamische Umkleidung um die konvergierende und divergierende Sektion der Düse 10. Die übliche Arbeitsweise axialsymmetrischer Düsen umfasst das Erweitern und Verengen der Austrittsfläche der Düse A9 oder des Halses A8 oder beider. In jedem Fall verbleibt die Konfiguration der Düse axialsymmetrisch und die Stellung jeder divergierenden Klappe 28 bezüglich jeder anderen divergierenden Klappe bleibt im allgemeinen die gleiche. Die erfindungsgemässe Dichtung 30 ermöglicht das Auslenken des Triebwerkschubs durch Verschwenken der verschiedenen divergierenden Klappen 28 um verschiedene Winkeln aus ihrer axialsymmetrischen Position. Dabei können die divergierenden Klappen gegenüber der axialsymmetrischen Mittellinie 8 der Düse in radialer Richtung R und in der (in den Fig. 10 und 11 deutlicher gezeigten) tangentialen Richtung T verschwenkt werden.

In den Fig. 2, 3, 4 und 9 ist eine Dichtung 30 für divergierende Klappen gezeigt, die einen Träger 50 und eine Mehrzahl einzelner Dichtungselemente 56

aufweist, die in axialer Richtung hintereinander auf dem Träger angeordnet sind. Jedes Dichtungselement 56 enhält eine Dichtungsfläche 58, die von einem Flansch 60 freitragend abragt, welcher Flansch derart am Träger angeordnet ist, dass beim Betrieb des Strahltriebwerks benachbarte Dichtungselemente durch Überlagerung abdichtend zusammenwirken.

Die Dichtungsflächen 58 der längs des Trägers angeordneten Dichtungselemente 56 sind unter-schliedlich ausgebildet. Der Unterschied liegt in der Rundung oder Ausbiegung der Dichtungsflächen. Die stärkste Rundung weist die Dichtungsfläche am rückwärtigen Ende der Dichtung auf, wie klar aus der Fig. 2 zu ersehen ist. Das ist auch an der graduell zunehmenden Rundung der Zwischenflächen zwischen dem Flansch 60 und der Dichtungsfläche 58 jedes der aufeinanderfolgenden Dichtungselemente 56, beginnend vom vordersten zum hintersten, zu erkennen. Die in Fig. 3 gezeigten ebenen Bereiche bleiben in jedem der Dichtungselemente gleich. Die unterschiedliche Rundung dient zur Anpassung an die Spalten zwischen benachbarten divergierenden Klappen 28, die am rückwärtigen Ende der Düse breiter sind als am vorderen Ende. Vorzugsweise sind die Dichtungselemente 56 aus Blech ausgestanzt, in welchem Fall für jedes Element ein anderes Werkzeug erforderlich ist. Vorzugsweise werden in jeder Düse zwölf divergierende Dichtungen 30 verwendet, wobei Einsparungen dadurch erzielt werden können, dass die Dichtungselemente aller längs des Umfangs einer Düse angeordneten Dichtungen gleichartig sind. Die Einrichtung zum Befestigen des Flansches enthält ein Distanzstück 64, das zwischen benachbarten Flanschen 60 angeordnet ist, und zwischen dem Flansch und dem Distanzstück eingelegte Unterlegscheiben 66. Jedes Ende des Trägers 50 weist ein Gewinde 70 auf, auf das eine Mutter 62 aufgeschraubt und zum Nachziehen der gesamten Anordnung vorgesehen ist. Die Fig. 7 zeigt mehr Einzelheiten des Querschnitts durch den auf dem Träger 50 befestigten Flansch 60, der eine kleeblattförmige Ausnehmung 72 enthält, durch die der als hohles Rohr mit einem elliptischen Querschnitt ausgebildete Träger 50 geführt ist.

In den Fig. 5 und 6 sind Halter 80 gezeigt, die einen Arm 86 und eine Schiene 88 aufweisen, die in nichtgezeigte in benachbarten divergierenden Klappen angeordnete Laufrillen hineinpassen und darin gleiten. Ein solches System aus Laufrillen und Schienen bildet ein Haltesystem, das die Dichtung und die benachbarten Klappen in bekannter Art ausrichtet. Der Halter 80 ist in geeigneter Weise, beispielsweise an einem Distanzstück 64 der Dichtung, befestigt.

Beim Betrieb der Schubdüse kann die axialsymmetrische Anordnung der Klappen gemäss der Fig. 10 asymmetrisch verstellt werden, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Dazu werden die divergierenden Klappen 28 in radialer und tangentialer Richtung R bzw. T verschwenkt. Bei dem in Fig. 11 gezeigten Beispiel wird die Abgasströmung nach unten abgelenkt, um einen nach oben gerichteten Schub zu erzeugen. Obwohl die Klappen mit einer nach un-

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ten in Richtung «6 Uhr» gezeigten Verschwenkung dargestellt sind, kann die Orientierung der Klappen, beispielsweise auch in Richtung «9 Uhr», geändert werden, wodurch ein Schub erzeugt wird, der in die seitliche Ebene ausgelenkt ist. Schliesslich kann durch eine geeignete Orientierung der Klappen auch eine kombinierte Auslenkung des Schubs erreicht werden, mit einer eine Steigung und einer eine seitliche Auslenkung bewirkenden Komponente, eine hocherwünschte Eigenschaft eines Gasturbinentriebwerks.

Während des Betriebs pressen die mit hohem Druck austretenden Gase alle Klappen und Dichtungen nach aussen, wobei die Klappen und ihre Antriebseinrichtungen und die Dichtungen durch die Dichtungshalter 80 in ihrer Stellung gehalten werden. Die radial nach aussen gerichteten und durch den hohen Druck bedingten Kräfte zwingen die Dichtungen, die zwischen benachbarten Klappen angeordnet sind und diese radial überlagern, zu einem strömungsdichten Zusammenwirken. Dabei bleiben die divergierenden Dichtungen und dazugehörenden Dichtungselemente und Dichtungsflächen bezüglich der divergierenden Klappen sauber ausgerichtet, wenn die Klappen zur Bildung eines asymmetrischen Düsenquerschnitts verschwenkt werden. Die erfindungsgemässen Dichtungen ermöglichen auch, Leckverluste während der Schubauslenkung auf ein Minimum zu verringern. Weiter ermöglichen diese erfindungsgemässen Dichtungen eine gute Abdichtung zwischen den Klappen auch während dem üblichen Verschwenken der divergenten und konvergenten Klappen zum Verändern der Querschnittsfläche des Düsenhalses und des Düsenaustritts. Wie aus den Fig. 2 bis 8 zu ersehen ist, kann jedes Dichtungselement 56 um den Träger 50 gedreht werden, um sich selbst oder seine Dichtungselemente 56 besser auszurichten und eine maximale Dichtung zwischen benachbarten divergenten Klappen 28 zu erreichen. Die Kraft mit der dieses erreicht wird, wird von dem hohen Druck der durch die Düse austretenden Gase geliefert. Dabei wird die Abdichtung weiter dadurch verbessert, dass die nach aussen gerichtete Biegung der Dichtungselemente 56 diese Elemente immer unter Spannung gegen die divergierenden Klappen presst.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Dichtungseinrichtung (30) zum Einsetzen zwischen die Klappen der Düse (10) eines Gasturbinentriebwerks für Flugzeuge mit einer Vielzahl Dichtungselemente (56), die an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Träger (50) befestigt sind dadurch gekennzeichnet, dass jedes Dichtungselement (56) eine sich in der Längsrichtung der Düse erstreckende Dichtungsfläche (58) mit einer nach innen und einer nach aussen gerichteten Oberfläche aufweist, wovon die nach aussen gerichtete Oberfläche dazu bestimmt ist, der Gasauslassströmung der Düse zugewandt zu liegen und durch eine Befestigungsvorrichtung (64, 66, 72) um ein Flanschstück (60) am Träger (50) zu befestigen und dadurch, dass die Dichtungsfläche (58) von dem Flanschstück (60) in die Längsrichtung der Düse abgewinkelt ist, so dass sich beim Betrieb des Triebwerks benachbarte Dichtungselemente (56) in Längsrichtung überlappen und dichtend überlagern.

2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (64, 66, 72) Mittel (72) enthält, welche dem Dichtungselement ermöglichen, sich um eine Längsachse zu drehen.

3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (64, 66, 72) ein kleeblattförmiges Loch (72) in dem Flanschstück (60) aufweist.

4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsfläche (58) in lateraler Richtung gebogen ist.

5. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Dichtungsfläche (58) in Richtung der Düsenauslass-öffnung nach aussen gebogen ist.

6. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsfläche (58) in Richtung zum rückwärtigen Ende dieser Dichtungsfläche eine zunehmende Biegung aufweist.

7. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (56) aus einem einzigen Stück Blech geformt ist.

8. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (56) ein divergierendes Düsendichtungselement ist.

9. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (64, 66, 72) in dem Flanschstück (60) ein kleeblattförmiges Loch umfasst und der sich in Längsrichtung erstreckende Träger (50) einen elliptischen Querschnitt aufweist.

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