DE1601721A1

DE1601721A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE1601721A1
Application number: DE19671601721
Authority: DE
Inventors: Geyer Howard Marion
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-07-05
Filing date: 1967-04-04
Publication date: 1970-05-21
Also published as: BE696626A; GB1160624A; FR1517498A

Description

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PATENTANWALTDIPL-ING-R-MDUER-BaRNER " PATENTANWALT D I P L-1 N G. H ANS-H. WtY BERLIN 33 (DAHLEM) · PODBIELSKIAILEE 68 - 8 MÖNCHEN 22 . WIDENMAYERSTRASSE TELEFON {0311] 762907 . TELEGR.: PROPlNDUS' TELEFON (0811) 225585 · TELEGR.: PROPINDUS FERNSCHREIBER: 0184057 (TELEX) FERNSCHREIBER: 0524244 (TELEX)

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General Electric Company Sclienectady, N«Y. (USA)

Stellantrieb

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb, insbesondere für die Verwendung bei hohen Temperaturen*

Die Verwendung von Gasturbinenanlagen für den Vortrieb von Flugzeugen hat zu zahlreichen Problemen hinsichtlich der Funktion von Bestandteilen der Triebwerke geführt. Ein sehr schwerwiegendes Problem besteht darin, dass die Bestandteile der Triebwerke bei sehr hohen Temperaturen arbeiten müssen, wenn das Flugzeug mit Überschallgeschwindigkeit fliegt. Die zum Schmieren und/oder zum Antrieb von mechanischen Bestandteilen des Triebwerks, beispielsweise von Stellantrieben, gewöhnlich verwendeten Druckflüssig*·

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keiten neigen bei diesen Temperaturen zum Verkoken, d.h. zur Bildung eines harten Niederschlages, der die normale Funktion der raecfianisehen Teile beeinträchtigt oder verhindert ,

Dieses Problem tritt besonders bei Stellantrieben auf, die zum Einstellen einer Schubdüse eines Gasturbinentrieb·· werks. dienen. In den meisten oder sogar allen Fällen muss von dem Stellantrieb und der mit diesem verbundenen Düse ein die jeweilige Stellung kennzeichnendes Stellungssignal zu einem Rechner oder einer Steuereinrichtung zurückgeführt werden. In dem Rechner wird dieses Stellungssignal zur Steuerung der Stellung des Stellantriebes ausgewertet. Wenn das Stellungssignal mechanisch auf den Rechner übertragen wird, ist im allgemeinen eine Schmierung erforderlich. Dabei ist das Schmiermittel ebenfalls einer relativ hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt, die dazu führen kann, dass das Schmiermittel verkokt und dadurch die Funktion des mechanischen Stellungsmelders beeinträchtigt.

Bei der Steuerung einer Düse mit einem Austrittshals ("exit throat nozzle") ist die Verwendung mehrerer synchronisier— ter Stellantriebe zweckmässig. In einem derartigen System ist ein Verkoken ebenso unerwünscht.

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, um die Temperatur eines Strömung·»·, mittels möglichst herabzusetzen, das zum Schmieren «ine» mechanischen Stellungsmelders verwendet wird, der zusammen mit einem Stellantrieb bei hohen Temperaturen arbeitet, wobei durch die Herabsetzung der Temperatur das Verkoken des- Strömungsmittel· weitgehend herabgesetzt oder ganz beseitigt wird.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Temperatur des . Strömungsmittel herabzusetzen, das zum Schmieren eine· mechanischen Stellungemelders dient_t der mit mehreren, synchron arbeitenden Stellantrieben zusammenwirkt, wobei durch die Herabsetzung der Temperatur das Verkoken des Strömungsmittels ebenfalls weitgehend herabgesetzt oder ganz beseitigt wird.

Als Lösung wird durch die Erfindung ein Stellantrieb geschaffen, welcher einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben hin- und herbewegbar ist, sowie eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Zylinders mit einem Druckmittel und einem Gestänge, das sich von dem Zylinder zu einer von diesem entfernten Stelle erstreckt, mit .dem Kolben verbunden ist und sich in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung proportional zu dieser bewegt, wobei erfindungsgemäss das Gestänge von einer Leitung umgeben ist, die in

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der Nähe der entfernten Stelle' eine Austritteöffnung besitzt, und eine Hülsenanordnung vorgesehen ist, die eine ·■ kontinuierliche, relativ schwache Strömung des Druckmittels aus dem Zylinder durch die Leitung zu der Austrittsöffnung gestattet, so dass das Druckmittel das Gestänge in der Leitung schmiert und beim Betrieb des Stellantriebes bei relativ hoher Temperatur die Tempera«

tür des Druckmittels in der Leitung auf ein Minimum her« ,. ™ abgesetzt wird.

Der vorstehend beschriebene erfindungsgemasse Stellantrieb wird vorzugsweise zusammen mit mindestens einem weiteren Stellantrieb verwendet, der bis auf die Leitung und das zu einer entfernten Stelle führende Gestänge gleichartige Elemente besitzt« Die Kolben der Stellantriebe sind so miteinander verbunden, dass sie sich synchron bewegen. Hierbei ist eine Einrichtung vorgesehen, die einen Kanal bildet, der von dem Zylinder des letztgenannten Stellantriebes zu der Leitung führt, so dass die Strömung des von dem letztgenannten Stellantrieb kommenden Druckmittels eine kontinuierliche Strömung des Druckmittels durch die Leitung gewährleistet.

Die vorstehend genannten und damit im Zusammenhang stehenden Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der Figuren T bis 3 der Zeichnung nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine erfindungsgemäss ausgebildete Steuereinrichtung für die Schubdüse eines Gasturbinentrieb-» werks, vereinfacht dargestellt,

Fig. 2 im Längsschnitt einen Stellantrieb der Einrichtung nach Fig, 1 und

Fig. 3 im Längsschnitt einen Teil des Stellantriebes nach Fig. 1 mit einem mechanischen Stellungsmelder.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Steuerung des Querschnittes einer Schubdüse 12 eines Gasturbinentriebwerks 10. Die Steuereinrichtung ist durch eine Pumpe 14 ergänzt, die aus einem Behälter 15 über eine Leitung 16 eine Druckflüssig« hext ansaugt und diese unter Druck über eine Leitung 18 an eine Steuereinrichtung 20 abgibt. Diese gibt das Druck« mittel über zwei Leitungen 22, 2k wahlweise an mehrere Stellantriebe 26 ab. Von den Stellantrieben 26 vorstehende Kolbenstangen 28 sind durch Stäbe 27 mit einem axialver« schiebbaren Ring 29 verbunden, der seinerseits durch ein geeignetes mechanisches Gestänge mit mehreren Klappen 30 verbunden ist, die den Querschnitt der Schubdüse 12 begrenzen.

Durch eine Druckmittelbeaufschlagung der Stellantriebe 26 werden die Kolbenstangen 28 verschoben und daher die Klappen 30 verschwenkt. Auf diese Weise wird der Quer«· schnitt der Schubdüse 12 wie üblich gesteuert..-

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Die Kolbenstangen 28 können mechanisch miteinander verbunden sein, so dass sie sich synchron bewegen und der Ring 29 nicht verdreht wird. Diese mechanische Verbindung, die nachstehend genauer beschrieben wird, umfasst ein Gestänge 32, das mit der Steuereinrichtung 20 verbunden ist und ein Steuersignal erzeugt, welches der Iststellung der Klappen 30 entspricht.

Gernäss Fig, 2 umfasst jeder Stellantrieb 26 einen Zylinder 36, der eine kopfseitige Endkappe 38 und eine stangenseitige Endkappe 40 besitzt, durch die sich die Kolbenstange 28 erstreckt. Der Stellantrieb ist zweckmässig mit Hilfe von Tragzapfen 39 an dem Triebwerk 10 montiert. In dem Zylinder 36 ist ein Kolben 42 hin- und herbewegbar, der an der Kolbenstange 28 befestigt ist und den Zylinder in eine Vorschubkammer 51 und eine Ruckschubkammer 52 teilt. Der Rückschub des Kolbens 42 wird durch einen Bund 41 begrenzt. In das Innere des Zylinders 36 sind geeignete Formstücke 68, 69 teleskopartig eingeschoben, die eine Verbindung zwischen den Kammern 51t 52 und den in Fig. dargestellten Leitungen 22, 24 herstellen.

Die Einrichtung zur mechanischen Verbindung der Kolben- ' stangen 28 miteinander umfasst eine Mutter 70, die in einer Bohrung 60 der Kolbenstange 28 befestigt ist. In der kopfseitigen Endkappe 38 ist mit Hilfe eines Kugel-

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lagers 72 eine Gewindespindel 71 drehbar, aber axial unbeweglich gelagert, die in die Mutter 70 ("ball nut") eingeschraubt und durch ein- Kreuzgelenk 63 mit einer

Welle 73 verbunden ist, die einen Fortsatz 6k der stan··

genseitigen Endkappe 38 durchsetzt. Der Fortsatz 6k -ist über eine Dichtung 66 mit einem Gehäuse 7k verbunden.

Die Welle 73 ist auf geeignete Weise mit einem Schnecken«

rad 75 verbunden, das in dem Gehäuse 7k drehbar gelagert ist und eine steilgängige Schnecke 76 antreibt, die eben- ™ falls in dem Gehäuse 7k drehbar gelagert ist, wie in

Fig. 3 gezeigt. Die Schnecken 76 beider Stellantriebe

sind durch ein biegsames Seil 77 miteinander verbtmden, das in einer Leitung 78 verläuft, welche die Gehäuse miteinander verbindet.

Wenn infolge der Einleitung von Druckflüssigkeit in die Kammern 51, 52 auf die Kolben 42 ein Druckunterschied

einwirkt, der bestrebt ist, die Kolben zu bewegen, dann g

wird durch das Zusammenwirken der Muttern 70 mit den

Gewindespindeln 71 die Schnecke 76 jedes Stellantriebes

26 gedreht, 'infolge des biegsamen Seils 77 drehen sich die Schnecken 76 synchron, so dass sich auch die Kolben·» stangen 28 synchron bewegen.

Die Drehstellung der Schneckenräder 75 entspricht der Stellung der Klappen 30, so dass hierdurch ein mechanisches

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Stellungssignal erhalten wird, das über die vorstehend angegebene, mechanische Verbindung zur Steuereinrichtung 20 geführt und dort zu Steuerungszwecken ausgewertet wird. Die in Fig. 3 gezeigte mechanische Verbindung 32 umfasst ein biegsames Seil 65, das an dem Schneckenrad 75 eines der Stellantriebe 26 befestigt ist, eine Öffnung 79 des Gehäuses 7^ durchsetzt und zu einer in der Steuereinrichtung 20 vorgesehenen, nicht dargestellten Aufnahmevorrichtung*für das Stellungssignal führt. Mit dem Gehäuse Tk ist -eine Leitung 81 dicht verbunden, welche das biegsame Seil 65 umschliesst.

Eine Einrichtung ist vorgesehen, die ein Schmiermittel 'für das biegsame Seil 65 abgibt und gleichzeitig einen Temperaturanstieg des Schmiermittels verhindert, auch wenn die Stellantriebe bei hoher Temperatur verwendet werden. Hierzu ist in dem Fortsatz 6k der kopfseitigen Endkappe 38 eine Hülse 80 montiert, welche die Welle umgibt. Die Gehäuse 7k, die Verbindungsleitungen 78 und die Leitung 81 werden unter einem Druckjgehalten, der niedriger ist ale der Druck in der Vorschubkammer 5I· Zu diesem Zweck ist die Leitung 81 durch eine Leitung mit dem Behälter I5 verbunden. (Fig. 1). Wenn aus Gründen der einfacheren Herstellung alle Stellantriebe 26 eine Öffnung 79 besitzen, ist zweckmässig eine in Fig. 2 strichpunktiert angedeutete Kappe vorgesehen, so dass

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die Leitung 81 den einzigen Ablauf von den der Synchroni·» sation dienenden Gehäusen und Rohren bildet.

Zwischen der Hülse 80 und der Welle 73 ist ein solcher Ab« stand vorhanden, dass unter der Wirkung des Druckes in der Kammer 51 stets eine geringe Strömung des Druckmittels durch die Hülse 80 erfolgt und der Widerstand gegen eine Drehung der Welle 73 .auf ein Minimum herabgesetzt wird. Das Druckmittel gelangt in die Gehäuse 7k der Stellantriebe Λ und wird dann durch die Leitungen 78 und die Leitung 81 um-» gewälzt. Das Druckmittel durchströmt dajs Rohr und kühlt und schmiert dabei das biegsame Seil 65» Danach wird das Druckmittel über die Leitung 1° in den Behälter 15 zurückgeführt .

In der vorstehend angegebenen Anordnung genügt die Strömung in der Leitung 81, wenn die Kolbenstange 28 ausgefahren wird. Beim Rückzug der Kolbenstange 28 kann der Druck in der Kammer 51 jedoch auf einen so niedrigen Wert sinken, dass die Hülse 80 nur einem relativ niedrigen Druckunter«« schied ausgesetzt ist, der zwar zum Aufrechterhalten- einer Strömung durch die Fortsätze 6k der kopfseitigen Endkappen genügt, aber nur eine sehr geringe Strömung durch die Lei» tung 81 bewirkt, besonders wenn diese relativ lang ist.

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Damit in der Leitung 81 ständig eine im wesentlichen konstante Strömung aufrechterhalten wird, ist eine zweite Einrichtung zur Abgabe des unter niedrigem Druck stehenden Druckmittels vorhanden. Und zwar ist in der stangenseitigen Endkappe 40 jedes Stellantriebes 26 eine Dichtung 84 angeordnet, welche die Kolbenstange 28 dicht um·* gibt. Ferner sind in der etangensextigen Endkappe 40 sowohl eine Dichtung 82 als auch eine Stangenführung 83 vorgesehen, welche die Kolbenstange 28 umgeben* Zwischen der Dichtung 82 und der Dichtung 84 ist eine Ringnut 85 ausgebildet, die mit der Verbindungsleitung 78 über eine Leitung 86 und ein geeignetes T-Stück 87 verbunden ist. Zwischen der Dichtung 82 und der Kolbenstange 28 ist ein Spalt gelassen, der so gross ist, dass ständig eine relativ geringe Strömung der Druckflüssigkeit aus der Rückschubkammer 52 über die Leitungen 86, 78 in die Leitung gelangt. Beim Rückschub der Kolbenstangen28 bewirkt die aus der Kammer 52 kommende Druckmittelströmung, dass die Strömungsmenge in der Leitung 81 konstant gehalten wird.

Durch die Erzeugung relativ geringer Strömungen der Druckflüssigkeit, die aus der "Vorschubkammer 51 w&& der Rückschubkammfcr 52 an den Hülsen 80 und der Dichtung 82 vor- ' beigelangt, wird gewährleistet, dass die Strömungsmenge in der Leitung 81 konstant ist, so dass unter allen Be-

; triebsbedingungen des Stellantriebes ein wesentlicher

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Temperaturanstieg des in der Leitung 81 befindlichen Druckmittels verhindert wird. Da die Temperatur des Druckmittels in der Leitung 81 niedrig gehalten wird, ist auch die Verkokungsneigung der Druckflüssigkeit herabgesetzt bzw. ganz beseitigt.

Durch die -Hülse 80 und die Dichtung 82 ergeben sich noch * weitere Vorteile. Da nämlich der Arbeitsmitteldruck in der Leitung 81 relativ niedrig gehalten wird, ist auch die Beanspruchung der Leitung sehr gering, so dass, die Wandstärke der Leitung sehr klein gehalten sein und die Leitung zwecks Anpassung an das Gehäuse des Triebwerks 10 leicht gebogen werden kann. Infolge des niedrigen Druckes in den Gehäusen 7^ sind auch die Druckmittelverluste an der Dichtung 66 minimal. Diese Dichtung hat einen grossen Durchmesser und würde sonst unter hohen Drücken zur Undichtigkeit neigen.

Ein wWit'erer Vorteil wird durch die Verwendung der Hülse I 80 und der Dichtung 82 in solchen Stellantrieben erzielt, die zur Steuerung des Querschnittes einer Schubdüse eines Gasturbinentriebwerks dienen. Bs hat sich gezeigt, dass bei der höchsten Belastung der Stellantriebe auch deren Umgebungstemperatur am höchsten ist. Unter diesen Bedingungen muss die Strömung des Druckmittels verstärkt werden, damit ein beträchtlicher Temperaturanstieg verhindert

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wird. Infolge der gleichbleibenden Zwischenräume an der Hülse 80 und der Dichtung 82 wird daher die Strömungs- , menge erhöht, wenn die Drücke in den Kammern 51 und 52 und damit auch die Druckunterschiede erhöht werden.

Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf Systeme mit mehreren Stellantrieben zur Steuerung des Düsenquerschnitte eines Gasturbinentriebwerks beschränkt, sondern ^ kann auch auf andere Stellantriebe, insbesondere einen

Stellantrieb angewandt werden, dessen Stellung durch eine Welle mechanisch an eine entfernt gelegene Stelle übertragen.wird, besonders wenn der Stellantrieb in einem Steuersystem verwendet wird, das bei hohen Umgebungstemperaturen arbeitet.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was in Abweichung von den " konkreten Ausfuhrungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Sp/Ro

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Claims

PA TBNrAN WJSL TE PATENTANWALT DlPL-ING. R. MDLLER-BDRNER J» PATENTANWALT Dl PL-ING. HANS-H. WEY BERLIN 33 (DAHLEM) . PODBIELSKIALLEE 68 A«# 8 M 0 N C H EN 22 · Wl DE NMAYERSTRASS E TELEFON (0311) 762907 · TELEGR.: PROPiNDUS , TELEFON (08Π) 225585 · TElEGR.: PROPINDUS FERNSCHREIBERi 0184057 (TELEX) FERNSCHREIBER: 0524244 (TELEX) 19 637 General Electric Company, Schenectady, N.Y. (USA) Pat entansprüche

1. Stellantrieb mit einem Zylinder, in dem ein Kolben }iin~ und herbewegbar ist, einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Zylinders mit einem Druckmittel und einer Welle, Stange od.dgl., die sich von dem Stellantrieb zu einer " von diesem entfernten Stelle erstreckt, mit dem Kolben verbunden ist und sich in Abhängigkeit von der .Kolben·? bewegung proportional zu dieser bewegt, dadurch gekenn« zeichnet, dass die Welle, Stange od.dgl. von einer Lei-· tung umgeben ist, die in der Nähe der entfernten Stelle' eine Austrittsöffnung besitzt, und dass eine Hülsenanordnung vorgesehen ist, die eine kontinuierliche,

relativ schwache Strömung des Druckmittels aus dem

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Zylinder durch die Leitung zu der Austrittsöffnung gestattet, so dass das Druckmittel die Welle, Stange od.dgl. in der Leitung schmiert und beim Betrieb des Stellantriebes bei relativ hoher Temperatur die Tempo»· ratur des Druckmittels in der Leitung auf ein Minimum herabgesetzt wird.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1 mit einer Kolbenstange, die an dem Kolben befestigt ist und vom anderen Ende des Zylinders ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Dichtungen (82,84) durchsetzt, ein Kanal (86) aus dem Raum (85) zwischen den Dichtungen zu der Leitung (78) geführt ist, eine der Dichtungen (82) auf der einen Seite dem in dem Zylinder (36) befindlichen Druckmittel ausgesetzt ist und zwischen der Kolbenstange (28) und der dem Druckmittel in dem Zylinder (36) ausgesetzten Dichtung (82) ein Spalt vorgesehen ist, der eine Drosselstelle bildet.

3· Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Welle, Stange od.dgl. eine Kupplungswelle umfasst, die zwischen einer biegsamen Welle und einer Gewindespindel angeordnet und ii| dem Endgehäuse drehbar gelagert ist, wobei eine Anordnung zum Drosseln der durch das Endgehäuse tretenden'Strömung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

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dass in dem Endgehäuse (38) eine Hülse (64) montiert ist, welche die Kupplungewelle (73) umgibt und die am einen Ende dem in dem Zylinder (36) befindlichen Druckmittel ausgesetzt ist, und zwischen der Kupplungswelle (73) und der Hülse (80) ein Spalt vorgesehen ist, so dass der Druck in dem Zylinder (38) zu einer relativ schwachen Strömung des Druckmittels längs der Hülse in die Leitung führt.

h. Stellantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3j ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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