DE2617677A1

DE2617677A1 - Verstellduese fuer gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2617677A1
Application number: DE19762617677
Authority: DE
Inventors: Douglas John Nightingale
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2310471A1; JPS51146613A; US4049199A; GB1533986A

Description

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8900 AUGSBUKG

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Augsburg, den 21. April 1976

Rolls-Royce (1971) Limited, Norfolk House, St. James ¹S Square,

London, England

"Verstelldüse für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Verstelldüse für Gasturbinentriebwerke, mit einem um die Düsenaustrittsöffnung herum angeordneten Verstellsegmentenkranz.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Konvergent-Divergent-Düse mit veränderlicher Düsenaustrittsquer-

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Schnittsfläche für Plugzeugtriebwerke, die für überschallfluggeschwindigkeiten ausgelegt sind.

Es sind bereits verstellbare Konvergent-Divergent-Düsen bekannt, die eine kranzförmig um das Düsenrohr eines Gasturbinentriebwerks herum angeordnete Anordnung von sich axial erstreckenden Verstellsegmenten aufweisen. Die Verstellsegmente weisen miteinander abwechselnd angeordnete, ineinander greifende Haupt- und Nebensegmente auf, wobei diese Segmente in Form einer geschlitzten Anordnung oder einer überlappenden Anordnung so miteinander verbunden sind, daß Relativbewegungen zwischen den Haupt- und Nebensegmenten bei der Austrittsquerschnittsveränderung der Düse möglich sind.

Es ist bekannt, bei einer Verstelldüse der eben beschriebenen Art die Verstellbarkeit des Düsenaustrittsquerschnitts dadurch herzustellen, daß die stromaufwärtigen Enden der Verstellsegmente zu einem gemeinsamen Ring miteinander verbunden sind, der axial mit Bezug auf die Düse verschiebbar ist, wobei eine Rollen- und Führungsanordnung zwischen jedem Verstellsegment und der feststehenden Düsenkonstruktion gleichzeitig ein Schwenken aller Verstellsegmente herbeiführt. Derartige Verstelldüsen sind als Irisdüsen bekannt.

Außerdem ist es bekannt, die radial innere Wand jedes

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Verstellsegments derart gekrümmt auszubilden, daß eine Verschiebung der Segmente gleichzeitig eine Änderung des Düsenhaisquerschnitts und eine allmähliche Änderung der Düsenform zwischen konvergent und konvergent-divergent ermöglicht.

Bei der Konstruktion von Strahldüsen für Gasturbinentriebwerke stellt es ein ständiges Problem dar, relativ zunehmend leichtere Düsen verhältnismäßig wirtschaftlicher Konstruktion zu schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstelldüse der eingangs genannten Art unter diesem Gesichtspunkt zu verbessern.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Verstelldüse gemäß der Erfindung durch mindestens einigen der Verstellsegmente zugeordnete, am Strahlrohr befestigte gekrümmte Pührungsbahnen, weiter durch jeweils ein am betreffenden Verstellsegment angeordnetes Paar von mit diesen Führungsbahnen zusammenwirkenden, einen gegenseitigen Abstand in Düsenachsrichtung aufweisenden Rollen, die bei im wesentlichen längs der Düsenachse erfolgender Verschiebung der Verstellsegmente beim Abrollen auf den Pührungsbahnen eine Schwenkung der Verstellsegmente im Sinne einer Änderung des Düsenaustrittsquerschnitts hervorrufen, und durch über Lenker gelenkig mit den Verstellsegmenten verbundene

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Betätigungsvorrichtungen zum axialen Verschieben der Verstell segmente gekennzeichnet,

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung rollt die stromaufwärtige Rolle jedes Rollenpaars auf einer radial äußeren Fläche einer der gekrümmten Führungsbahnen und die stromabwärtige Rolle jedes Rollenpaars auf einer radial inneren Fläche einer v/eiteren gekrümmten Führungsbahn ab.

Vorzugsweise setzt sich der Verstellsegmentenkranz aus ineinandergreifenden Haupt- und Nebensegmenten zusammen, wobei nur die Hauptsegmente jeweils mit einem Rollenpaar versehen sind und Bewegungen der Hauptsegmente entsprechende Bewegungen der Nebensegmente nach sich ziehen.

Die beiden gekrümmten Führungsbahnen für jeweils ein Verstellsegment können an einem einzigen Führungselement gebildet sein und die einzelnen Führungselemente können durch eine das Strahlrohr umschließende Konstruktion miteinander verbunden sein, so daß durch die stromabwärtigen Rollen auf die Führungselemente ausgeübte, radial nach außen gerichtete Kräfte mindestens teilweise als Zugbeanspruchungen in dieser Konstruktion aufgenommen werden.

An der Konstruktion stromauf der Düsenaustrittsöffnung

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können Verkleidungsklappen derart angeordnet sein, daß die stromabwärtigen Enden dieser Verkleidungsklappen in gleitender Berührung mit dem stromabwärtigen Ende der Düse stehen, und die Verkleidungsklappen sind derart überlappend angeordnet, daß ein glattes Profil zwischen der das Strahlrohr des Triebwerks umschließenden Konstruktion und der Düsenaustrittsöffnung hergestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig. I einen Längsschnitt durch ein

Hauptverstellsegment,

Pig« 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II

in Pig. I in vergrößertem Maßstab,

igp 3 einen Querschnitt längs der

Linie III-III in Fig„ 1 in ver größertem Maßstab,

Fig_e 4 einen Querschnitt in der

Ebene IV-IV in Fig, 1 in vergrößertem Maßstab,

6 D 9 B 4 7 / Π 2 Π Ö

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Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein

Nebenverstellsegment,

Fig, 6 eine Teilansicht der Düsenaus

trittsöffnung aus der Sicht der Ebene VI-VI in Fig. 1, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung

eines Gasturbinentriebwerks mit einer Verstelldüse nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Hauptsegment 10 eines die Austrittsöffnung 11 eines Strahlrohrs 12 umschließenden Verstellsegmentenkranzes. An diesem Hauptsegment 10 ist ein Rollenpaar 13, 1^, befestigt, dessen beide Rollen mit Führungsbahnen eines gekrümmten Führungselements 15 zusammenwirken, das fest mittels eines Flansches 16 am Strahlrohr 12 befestigt ist.

Die Verstelldüse weist insgesamt zwölf. Hauptsegmente und zwölf dazwischen angeordnete Nebensegmente auf» Die Verstellsegmente und der ihnen zugeordnete Betätigungsmechanismus sind durch eine Anordnung von sich überlappenden Verkleidungsklappen 17 umschlossen, die später noch im einzelnen beschrieben

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2 B 1 71"; 7 7

werden. Jedem Hauptsegment ist ein gekrümmtes Führungselement 15 zugeordnet, dessen Krümmungsradius Rl ist, und die Krümmungsmittelpunkte aller gekrümmten Führungselemente liegen mit gleichen Abständen auf einem Kreis 18 mit Radius R2 um die Strahlrohrachse 19.

Die Rollen 13 und 14 sind derart am Kauptsegment befestigt, daß die stromaufwärtige Rolle 13 mit einer Führungsbahn 20 auf der radial äußeren Fläche des Führungselements und die stromabwärtige Rolle 14 mit einer Führungsbahn 21 auf der radial inneren Fläche des Führungselements zusammenwirkt.

Im Betrieb ist das Hauptsegment gemeinsam mit den anderen Hauptsegmenten zwischen einer Konvergenzstellung, in welcher der Düsenhals am Düsenaustrittsende 22 gelegen ist, und einer Konvergenz-Divergenz-Stellung 23 (gestrichelt dargestellt) beweglich, in welcher der Düsenhals am Austrittsende 11 des Strahlrohrs 12 gelegen ist„

Dies ermöglicht eine Anpassung der Triebwerksleistung an die Flugerfordernisse des betreffenden Flugzeugs, Die Düsensegmente können also in bekannter Art und Weise in eine Stellung, in welcher sie eine konvergente Düse kleinen Austrittsquerschnitts für den Unterschallreiseflug des Flugzeugs bilden, und in eine Stellung gebracht werden, in

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26 MWIl

welcher sie eine konvergente-divergente Düse mit maximalem Halsquerschnitt für den überschallflug bilden, und in welcher der Düsenstrahl durch Verbrennung zusätzlichen Brennstoffs im Strahlrohr stromab eines Nacherhitzungsflammenhalters vergrößert wird.

Die Verschiebung der Hauptsegmente wird durch vier Kugelumlauf-Schraubenhebjr 25 erzeugt (nur einer dargestellt), die über nicht gezeigte Luftmotoren angetrieben werden und mit einem axial längs des Strahlrohrs beweglichen Ring 26 verbunden sind.

Der Ring 26 ist jeweils über einen Lenker 27 mit jedem Hauptsegment verbunden. Dieser Lenker 27 ist in der Achse der stromaufwärtigen Rolle 13 am Hauptsegment angelenkt, wie anhand von Fig. 2 im einzelnen sichtbar ist, -Gemäß Pig, 2 weist die Rolle 13 zwei Rollenlager 28 und 29 auf, die über einen inneren Laufring 31 auf einer Querwelle 32 befestigt sind. Das stromabwärtige Ende des Lenkers 27 ist in zwei Platten 32 und 34 gegabelt, durch welche die Welle 32 hindurchverläuft.

Beiderseits der oeiden Platten 33 und 3^ sind Seitenplatten 35 und 36 angeordnet, die Teile des Hauptsegments bilden und auch zur Halterung der stromabwärtigen Rolle 14

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dienen, wie nachstehend noch mit Bezug auf Fig, 3 erläutert wird. Der Gasdruck innerhalb der Düse, der auf das Hauptsegment einwirkt, drückt die stromabwärtige Rolle gegen die Führungsbahn 21 und die stromaufwärtige Rolle gegen die Führungsbahn 20 und es ist eine resultierende, radial nach außen gerichtete Kraft auf die Führungselemente vorhanden. Diese radial nach außen gerichtete Kraft, die wegen der Rollenanordnung nicht außergewöhnlich groß ist, erzeugt Zugspannungen in einem polygonalen Ring 28, der die zwölf gekrümmten Führungselemente 15 am Düsenumfang miteinander verbindet. Dieser Polygonalring 28 ist in Fig. mehr im einzelnen sichtbar, welche au h zeigt, wie die stromabwärtige Rolle 14, die ebenso wie die stromaufwärtige Rolle 13 zwei Rollenlager aufweist, mittels der auch die stromaufwärtige Rolle 13 lagernden Seitenplatten 35 und am Hauptsegment befestigt ist.

Beiderseits des Hauptsegments 10 sind herkömmliche Nebensegmente 37 angeordnet, deren Seitenkanten 38, 39 relativ zum Hauptsegment 10 gleit fähig sind, um Änderungen des Düsenaustrittsquerschnitts zu ermöglichen, und diese Seitenkanten können örtlich genutet sein, um die Kanten des Hauptsegments aufzunehmen. Die örtliche Nutung ist vorzugsweise an der Stelle des Düsenhalses bei der Wiedererhitzung angeordnet, um Fluchtungsfehler am Düsenhals infolge von

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Wärmedehnungswirkungen zu verringern. Die Nebensegmente sind mit den äußeren Verkleidungsklappen 17 verbunden, wie aus den Fig. 4 und 5 mehr im einzelnen ersichtlich ist.

Aus den Figuren 4 und 5 geht hervor, daß Rollen 40, die in an den Verkleidungsklappen 17 befestigten Jochen 4l gelagert sind, in geneigten Führungskulissen 42 abrollen, die in radial nach außen ragenden Flanschen 43 gebildet sind, von denen jeweils einer an jedem Nebensegment 37 befestigt ist. Auf diese Weise bewegen sich die Nebensegmente 37 zusammen mit den Verkleidungsklappen 17, die ihrerseits mit den Hauptsegmenten 10 zusammenbewegt werden_e

Die Verkleidungsklappen, die auch in den Fig. 6 und 7 sichtbar sind und von denen die gesamte Düse vierundzwanzig Stück aufweist, sind an ihren stromaufwärtigen Enden 44 mittels Scharnieren 45 an der das Strahlrohr umschließenden Konstruktion 46 befestigt. Dabei kann es sich entweder um die Flugzeug- oder die Triebwerkskonstruktion handeln. Die Verkleidungsklappen lassen die Außenfläche der Düse sanft in die Konstruktion 46 übergehen und konvergieren unter einem üblichen Schwanzwinkel zur Vermeidung eines Nachlaufwiderstands. Mit ihren stromabwärtigen Enden liegen die Verkleidungsklappen in der konvergenten Düsenstellung bündig mit den Außenflächen der Haupt- und Nebensegmente,

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sie sind jedoch frei anhebbar und können über die Außenfläche der Segmente gleiten, bis in der konvergenten-divergenten Düsenstellung 23 die stromabwärtigen Enden der Verkleidungsklappen mit den stromabivärtigen Enden der Segmente zusammenfallen»

Die Verkleidungsklappen sind als leichte Honigwabenstruktur 50 ausgebildet.

Am Ende des Strahlrohrs 12 ist eine Ringdichtung 51 vorgesehen, die an den Haupt- und Nebensegmenten anliegt und ein Auslecken von Treibgasen im wesentlichen verhindert.

Konzentrisch im Strahlrohr 12 ist eine Nacherhitzerauskleidung 52 angeordnet, die in bekannter Weise durch einen Strom relativ kühler Luft gekühlt wird, welche durch den Ringraum 53 zwischen dieser Nacherhitzerauskleidung 52 und dem Strahlrohr 12 strömt. Diese Kühlluftströmung bildet auch einen Kühlfilm zur Kühlung der Haupt- und Nebensegmente.

An jedem Hauptsegment ist ein Anschlagzapfen 55 angeordnet, der mit dem Führungselement 15 zusammenwirkt, um ein Einwärtsfallen der Segmente bei nichtarbeitendem Triebwerk zu verhindern,

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht eines Gasturbinen-

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triebwerks mit dem üblichen Verdichter 56, einer Brenneinrichtung 57, einer Turbine 58 und einer Strahldüse 59, welch letztere in der oben beschriebenen Weise ausgebildet ist.

Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Nebensegmente durch die Verkleidungsklappen mitgenommen werden, ist es ebenso möglich, andere bekannte Möglichkeiten der Betätigung der Nebensegmente durch die Hauptsegmente vorzusehen.

Nach der Erfindung ausgebildete Verstelldüsen sind leichter als die bekannten Irisdüsen, Der Grund dafür liegt darin, daß die Einschaltung der Lenker 27 zwischen die stromaufwärtigen Enden der Verstellsegmente und den Ring das stromaufwärtige Ende jedes Verstellsegments von axialen Zwangsführungen freihält und eine radiale Bewegung der stromaufwärtigen Rolle 13 ermöglicht. Polglich sind bei einem viel kürzeren Hub der Betätigungsantriebe 25 größere Segmentschwenkungen und folglich größere Düsenquerschnittsänderungen erzielbar. Obwohl die Belastung des Antriebs größer sein kann, ist trotzdem eine Nettoverringerung der zu leistenden Arbeit erzielbar, so daß die von den Luftmotoren, welche die Betätigungsantriebe antreiben, abzugebende Leistung herabgesetzt wird und diese Luftmotoren beträchtlich kleiner gemacht werden können,

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Durch Anordnung zweier axial gegeneinander versetzter Rollen an den Segmenten und durch Anordnung der beiden Führungsbahnen auf einem einzigen Führungselement sind die Umfangskräfte in den Führungselementen durch den Gasdruck auf die Klappen herabgesetzt und das Gesamtgewicht der Führungselemente ist verringert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Gasdruckkräfte über die beiden axial gegeneinander versetzten Rollen auf das Führungselement und den Polygonalring übertragen werden und die Lager und der Betätigungsmechanismus des gemeinsamen Ringes 26 von diesen Kräften entlastet sind.

Die Anordnung der leichten Verkleidungsklappen innerhalb der beschriebenen Gesamtkombination ermöglicht die Aufrechterhaltung eines Schwanzwinkels der Düse zwischen 15 und 20° zur Düsenachse, so daß kein Umgebungsluftstrom über die Gegenkrümmung der Verstellsegmente selbst strömt. Folglich kann diese Gegenkrümmung größer gemacht werden, ohne daß ein zusätzlicher Heckwiderstand durch Abreißen des Luftstroms verursacht wird, und die viel schwereren Verstellsegmente an sich können kürzer gemacht werden, wodurch eine weitere Gewichtsersparnis erzielt wird«,

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Claims

Patentansprüche

1J Verstelldüse für Gasturbinentriebwerke, mit einem um die Düsenaustrittsöffnung herum angeordneten Verstellsegment enkr an ζ , gekennzeichnet durch mindestens einigen (10) der Verstellsegmente (10, 37) zugeordnete, am Strahlrohr (12) befestigte gekrümmte Pührungsbahnen (20, 21), weiter durch jeweils ein am betreffenden Verstellsegment (10) angeordnetes Paar von mit diesen Führungsbahnen zusammenwirkenden, einen gegenseitigen Abstand in Düsenachsrichtung aufweisenden Rollen (13, 14), die bei im wesentlichen längs der Düsenachse erfolgender Verschiebung der Verstellsegmente beim Abrollen auf den Führungsbahnen eine Schwenkung der Verstellsegmente im Sinne einer Änderung des Düsenaustrittsquerschnitts hervorrufen, und durch über Lenker (27) gelenkig mit den Verstellsegmenten verbundene Betätigungsvorrichtungen (25) zum axialen Verschieben der Verstellsegmente,
2. Verstelldüse nach Anspruch 1, bei welcher der Versteils egment enkr anz ineinandergreifende Haupt- und Nebensegmente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (13, 14) jeweils an den HauptSegmenten (10) angeordnet sind, und daß die Nebensegmente (37) über die Hauptsegmente beweglich sind.

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3. Verstelldüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtige Rolle (13) jedes Rollenpaars (13> 14) mit einer radial äußeren Bahnfläche (20) einer der beiden gekrümmten Führungsbahnen und die stromabwärtige Rolle (1*0 mit einer radial inneren Bahnfläche (21) der anderen Führungsbahn zusammenwirkt,,
4, Verstelldüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden jeweils einem Verstellsegment (10) zugeordneten gekrümmten Führungsbahnen (20, 21) an einem einzigen einstückigen Führungselement (15) gebildet sind,
5· Verstelldüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Führungselemente (15) durch eine das Strahlrohr (12) umschließende Verbindungskonstruktion (28) miteinander verbunden sind, derart, daß durch die stromabwärtigen Rollen (14) auf die Führungsbahnen (21) übertragene, radial nach außen gerichtete Kräfte mindestens teilweise als Zugspannungen von dieser Verbindungskonstruktion aufgenommen werden.
6, Verstelldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Verkleidungsklappen (17), die mit ihren stromaufwärtigen Enden an der festen Triebwerkskonstruktion (46) angelenkt (45) sind und mit ihren stromabwärtigen Enden an den Außenflächen der Verstell-

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segmente (10, 37) anliegen, derart, daß die Verstellsegmente bei Bewegung derselben relativ zu den Verkleidungsklappen gleitend verschiebIicn sind.
7. Verstelldüse nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungsklappen (17) zwecks gemeinsamer Beweglichkeit mit den Nebensegmenten (37) mit diesen verbunden (40, 4l, 42, 43) sind.

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